FD-SOI: de zuinige chiptechnologie die het lichaam van de transistor slim gebruikt
FD-SOI staat voor Fully Depleted Silicon-On-Insulator, een manier om computerchips te bouwen die zuiniger zijn met stroom dan de gangbare techniek. Het draait allemaal om de transistor, het schakelaartje dat in miljarden exemplaren op elke chip zit en dat samen alle berekeningen uitvoert. Bij FD-SOI ligt onder die schakelaars een dun isolerend laagje, waardoor er minder stroom weglekt wanneer de schakelaar eigenlijk uit zou moeten staan.
Een vergelijking: stel je een dijk voor die water moet tegenhouden. Een gewone dijk (de klassieke chiptechniek) lekt een beetje water door de bodem, ook als de sluis dicht is. FD-SOI legt een extra waterdichte folie onder de dijk, zodat er vrijwel niets meer doorsijpelt. Voor een chip betekent dat minder energieverspilling, wat vooral belangrijk is voor apparaten die op een batterij draaien of die in een auto continu sensordata moeten verwerken: sensorchips, radarmodules en 'internet of things'-apparaten (IoT), oftewel slimme, met internet verbonden apparaatjes zoals slimme meters of sensoren.
Wat is het precies?
Een transistor bestaat kort gezegd uit een 'kanaal' van silicium waar stroom doorheen kan lopen, en een 'poort' (gate) die dat kanaal aan- of uitzet, ongeveer zoals een kraan een waterleiding opent of sluit. Bij de klassieke, meest gebruikte techniek — bulk-CMOS genoemd — staat dat kanaal in direct contact met de rest van de siliciumplak (wafer) waarop de chip gemaakt wordt. Daardoor kan er, zelfs als de transistor 'uit' staat, een klein beetje stroom weglekken via de ondergrond. Bij miljarden transistors per chip telt die lekstroom flink op.
SOI staat voor Silicon-On-Insulator: silicium op een isolator. In plaats van één massief blok silicium gebruikt men een wafer met daarin een dun laagje isolatiemateriaal, de zogeheten buried oxide-laag (BOX), met daarboven een dunne laag silicium waarin de transistors worden gemaakt. Die isolerende laag scheidt het transistorkanaal van de ondergrond, wat lekstroom al vermindert.
Het 'fully depleted' (volledig ontdaan) in FD-SOI slaat op de dikte van die bovenste siliciumlaag: die is zo dun — enkele nanometers, oftewel miljardsten van een meter — dat het kanaal volledig 'leeg' raakt van vrije ladingsdragers zodra de transistor uit staat. Dat is een technisch verschil met oudere, dikkere SOI-varianten (partially depleted SOI) en zorgt voor een schoner aan/uit-gedrag van de schakelaar, met minder ongewenste lekstroom en minder gevoeligheid voor storende elektrische effecten.
Een ander veelgebruikt alternatief voor bulk-CMOS is de FinFET, een transistor waarbij het kanaal driedimensionaal is uitgevoerd als een soort verticale 'vin' die van drie kanten door de poort wordt omsloten. FinFET's zijn sinds het midden van de jaren 2010 de norm bij de meest geavanceerde chips van bijvoorbeeld smartphones en processors. FD-SOI kiest een andere weg: in plaats van de vorm van de transistor drastisch te veranderen, verbetert het de ondergrond eronder. Dat maakt de productie in een aantal opzichten eenvoudiger en met minder processtappen dan FinFET, al is FinFET (en de opvolger Gate-All-Around, waarbij het kanaal volledig door de poort wordt omringd) doorgaans beter geschikt voor de allerkleinste, snelste chips.
Een belangrijk pluspunt van FD-SOI is 'body-biasing': doordat het kanaal dankzij de isolatielaag elektrisch goed gescheiden is van de rest van de chip, kan een chipontwerper via een apart spanningssignaal de drempelspanning van transistors tijdens gebruik bijstellen. Dat is de spanning die nodig is om een transistor te laten schakelen. Zo kan een chip 'live' schakelen tussen een zuinige, tragere stand en een snellere, energiehongerigere stand, afhankelijk van wat een toepassing op dat moment nodig heeft.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van FD-SOI is een goede balans tussen energieverbruik, snelheid en productiekosten, zonder over te stappen op de complexere en duurdere FinFET- of GAA-productietechnieken. Voor chips die niet per se de allerhoogste rekenkracht nodig hebben — denk aan microcontrollers in auto's, radarchips, of chips voor draadloze communicatie — is een lager stroomverbruik vaak belangrijker dan pure snelheid.
Daarnaast is FD-SOI aantrekkelijk voor analoge en radiofrequente (RF) schakelingen, de onderdelen van een chip die met echte, continue elektrische signalen werken (zoals antennesignalen) in plaats van met de simpele aan/uit-signalen van digitale logica. De goede isolatie-eigenschappen van de onderliggende oxidelaag verminderen storende elektrische interferentie, wat gunstig is voor bijvoorbeeld 5G-radiochips.
Ten slotte hoopt de industrie met FD-SOI een alternatief ecosysteem in stand te houden naast de dominante FinFET/GAA-route, zodat er voor bepaalde toepassingen — vooral automotive, IoT en RF — een kosteneffectiever alternatief blijft bestaan dan de duurste, meest geavanceerde procesknooppunten (nodes). Een node is de aanduiding van een generatie chipproductietechniek, van oudsher uitgedrukt in nanometers, hoewel die getallen tegenwoordig meer een marketingnaam dan een letterlijke maat zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
STMicroelectronics, een Frans-Italiaanse chipfabrikant, is een van de grootste gebruikers van FD-SOI. Het bedrijf produceert al sinds de tweede helft van de jaren 2010 chips op zijn 28nm FD-SOI-proces voor onder meer automotive-microcontrollers en IoT-toepassingen, en heeft deze lijn sindsdien verder uitgebouwd.
GlobalFoundries, een Amerikaanse chipproducent (foundry, oftewel een fabriek die chips maakt in opdracht van andere bedrijven) die voortkwam uit de fabrieken van AMD en later ook IBM's chipfabrieken overnam, lanceerde rond 2015-2016 zijn 22FDX-platform: een 22nm FD-SOI-proces gericht op IoT- en 5G RF-chips. Verschillende klanten hebben hierop chips laten maken voor draadloze verbindingen en zuinige edge-toepassingen (edge computing betekent dat data lokaal, dicht bij de bron, wordt verwerkt in plaats van in een verre datacenter).
Samsung heeft eveneens een 28nm FD-SOI-aanbod ontwikkeld, mede gericht op IoT- en low-power-toepassingen, als aanvulling op zijn reguliere FinFET-processen.
Onderzoeksinstituut CEA-Leti in Grenoble, Frankrijk, geldt als een van de belangrijkste bakermatten van FD-SOI: veel van de fundamentele technologie is daar samen met industriepartners ontwikkeld en verfijnd, voordat commerciële foundries de techniek in productie namen.
Ook in China is interesse getoond in FD-SOI als route die minder afhankelijk is van de allernieuwste, moeilijker te verkrijgen productie-apparatuur voor FinFET/GAA-chips; chipfabrikant SMIC heeft in het verleden onderzoek gedaan naar 22nm FD-SOI-productie, al is de mate waarin dit tot grootschalige commerciële productie heeft geleid moeilijk onafhankelijk te verifiëren.
Hoe ver is de techniek?
FD-SOI is commercieel volwassen op de 28- en 22-nanometer nodes: het wordt al jaren daadwerkelijk gebruikt in miljoenen chips, vooral voor automotive-, IoT- en RF-toepassingen, en geldt dus niet als experimentele of toekomstmuziek-technologie. Tegelijk heeft FD-SOI de markt voor de snelste, meest geavanceerde chips — zoals processors in smartphones, laptops en datacenters — niet veroverd; daar domineren FinFET en de nieuwere Gate-All-Around-transistors, onder meer bij fabrikanten als TSMC, Samsung en Intel.
Er zijn in het verleden plannen aangekondigd om FD-SOI door te ontwikkelen naar kleinere nodes, zoals het ooit aangekondigde 12FDX-platform van GlobalFoundries. Niet al die plannen zijn in het beoogde tempo of op de oorspronkelijk aangekondigde manier gerealiseerd; de precieze actuele status van dergelijke roadmaps verandert regelmatig en moet met enige voorzichtigheid worden gevolgd via de bedrijven zelf.
Een structureel obstakel is dat het ecosysteem rond FD-SOI kleiner is dan dat rond bulk-CMOS of FinFET: minder foundries bieden het aan, minder ontwerptools zijn er specifiek voor geoptimaliseerd, en minder chipontwerpers hebben er ervaring mee. Dat maakt de instapdrempel voor nieuwe klanten hoger, ook al zijn de technische voordelen voor bepaalde toepassingen reëel. Voor de allerkleinste, snelste nodes blijft FinFET/GAA voorlopig de gangbare keuze, waardoor FD-SOI vooral een niche blijft — een waardevolle niche voor specifieke toepassingen, maar geen brede vervanger van de dominante techniek.
Wie werken eraan?
STMicroelectronics (Frankrijk/Italië) is een van de grootste industriële gebruikers en producenten van FD-SOI-chips, vooral voor automotive en microcontrollers. GlobalFoundries (Verenigde Staten, met fabrieken onder meer in Dresden, Duitsland) is de belangrijkste onafhankelijke foundry die FD-SOI-productiecapaciteit aanbiedt aan externe klanten. Samsung (Zuid-Korea) heeft een eigen FD-SOI-proces naast zijn FinFET-lijnen.
Soitec, een Frans bedrijf, is wereldwijd de belangrijkste leverancier van de gespecialiseerde SOI-wafers die voor deze techniek nodig zijn; zonder deze wafers kan geen enkele foundry FD-SOI-chips maken. CEA-Leti, het Franse onderzoeksinstituut voor micro- en nano-elektronica in Grenoble, heeft historisch een sleutelrol gespeeld in de ontwikkeling van FD-SOI en werkt nauw samen met zowel Soitec als STMicroelectronics.
Frankrijk en bij uitbreiding Europa hebben daarmee een opvallend grote rol in deze specifieke chiptechnologie, terwijl de meest geavanceerde FinFET/GAA-productie vooral in Taiwan, Zuid-Korea en de Verenigde Staten plaatsvindt. Dat maakt FD-SOI ook strategisch relevant in discussies over Europese soevereiniteit op het gebied van halfgeleiders.