私は、2021 年 XNUMX 月の SISPAD カンファレンスで全体講演をするよう招待されました。SISPAD に詳しくない人にとって、これは初の TCAD カンファレンスです。 今年初めて SISPAD はコストに取り組みたいと考えており、私の講演は「PPAC を意識した技術開発を可能にするコスト シミュレーション」でした。
長年にわたり、テクノロジー開発の標準は電力、パフォーマンス、エリア (PPA) でした。たとえば、TSMC 2020-Q4 決算発表では、N3 は同じパフォーマンス (電力) で消費電力が 30% 低く、パフォーマンス (電力) が 15% 向上します。同じパワー (パフォーマンス) と 70% 高い密度 (面積)。
最近ではウェーハコストの上昇により、PPAC、電力、性能、面積などのコストを追加する必要性が高まっています。 費用。 2019 年の IEDM での TSMC [1]、2020 年のテクノロジー フォーラムでの Imec [2]、2020 年の SEMICON West でのアプライド マテリアルズなどの企業 [3]、その他多くの企業がすべて PPAC に注目しています。
新しいテクノロジーを開発する際の現在の慣行は、初期 PPA ターゲットの定義、PPA 評価のための設計の特定、トランジスタ アーキテクチャの選択、初期プロセス フローの開発、トランジスタ性能のシミュレーション、SPICE モデルの抽出、標準セル アーキテクチャの選択、および生成です。細胞ライブラリー。 次に、セル ライブラリとプロセス フローは、Synopsys が提供するような Design Technology Co Optimization シミュレーション スイートに入力され、プロセスのシミュレーション、3D 構造の生成、寄生ネットリストの抽出が行われます。 その後、ライブラリの特性を評価し、物理設計を行って、PPA を評価できます。 その後、PPA が評価され、設計された実験の反復をすべてシミュレーション環境で実行して PPA 目標を達成できます。 このプロセスに欠けているのはコスト意識です。 コストをシミュレートする機能が DTCO スイートに追加されている場合、プロセスは PPAC をターゲットにすることができ、PPAC ターゲットを達成するためにシミュレーション環境で反復を実行できます。
コストを正確にシミュレートするには、プロセスを実行する施設とプロセスの両方を考慮する必要があります。 XNUMX つの異なる施設で同じプロセスを実行すると、コストが異なり、場合によっては大幅に異なります。 同じ施設内で XNUMX つの異なるプロセスを実行すると、コストが異なり、場合によっては大幅に異なります。
設備費
工場の設計能力はコストに大きな影響を与えます。 ファブ装置のスループットは多種多様であり、ファブの設計能力が高いほど、装置セットのキャパシティの適合性が向上します。 これにより、資本効率が向上し、より大容量のファブのウェーハあたりのコストが削減されます。 図 1. 台湾で 5nm プロセスを実行するグリーンフィールド工場の正規化されたウェーハコストと生産能力を示します。
図 1. ウェーハコストとファブの生産能力の関係。
工場が所在する国もコストに影響します。 図 2 は、40,000 か国で月あたり 2 枚のウェーハを処理できるように設計された上記の同じファブを比較しています。 図 XNUMX のコストは運営コストのみであり、インセンティブは含まれません。
図 2. ウェーハコスト対国。
もう 60 つの重要なコスト要因は、工場の築年数です。 新しいファブの場合、減価償却費はウェーハ製造コストの 3% 以上に相当する場合があります。 図 XNUMX は、XNUMX つの異なる時間フレームについて前述した同じファブを示しています。
- 最初の 50 年は増加します (平均使用率 XNUMX% を想定)。
- XNUMX 年目から XNUMX 年目までは、工場は増強されますが、機器の減価償却はまだ続きます。
- 機器が減価償却される XNUMX 年目。
- 設備システムの減価償却が始まるXNUMX年目。
- 建物の外装が減価償却される XNUMX 年目。
図 3. ウェーハコストと製造年数の関係。
正確なコストモデリングには、工場の生産能力、国、年齢を定義する能力が必要です。
プロセスコスト
プロセスコストは、ウェーハの開始コストから始まります。 モデリングでは、開始ウェーハが研磨ウェーハ、エピウェーハ、またはある種の SOI などの特殊ウェーハであるかどうかを考慮する必要があります。 また、モデリングでは、たとえば XNUMX 枚のウェーハを使用して接合するプロセスなど、複数のウェーハを考慮する必要があります。
直接人件費は、オペレーターがウェーハを処理するためのコストです。 現行世代の 300mm ファブでは、ウェーハ搬送システムがフロント オープニング ユニファイド ポッド (FOUP) をツール上に直接下降させるため、数人ごとにオペレータがいますが、オペレータは数人います。 特定のフローに必要な労働時間が最も計算され、工場が所在する国に応じて適切な労働料金が適用されます。
減価償却費はウェーハ製造における最大の単一コストであり、新しいプロセスの場合はウェーハコストの 60% 以上を占めます (以下の図 6 を参照)。 減価償却を正確に見積もるには、プロセス フローの各ステップで必要な機器とスループットを決定する必要があります。 正確なモデルでは、プロセスに適した機器の世代、スループット、機器コスト、機器に必要な物理スペースを決定し、目標容量に合わせた完全なセットを構築する必要があります。 正確なモデルには、詳細な資本コストの計算を可能にするために、クリーンルーム スペースのノード別の機器コストと構成、および建設コストの背景表が含まれている必要があります。
装置の保守コストには、エッチングチャンバーで使用される石英リングなどの処理中に消耗する装置部品のコスト、装置の稼働中に破損した装置のサブシステムを交換するための修理部品、そして最後に装置のサービス契約のコストが含まれます。 これらすべてのコストは、減価償却計算中に決定された機器セットに対して見積もる必要があります。
間接人件費には、プロセスや設備を保守するエンジニアや技術者、直接労働を管理する監督者、すべてを監督するマネージャーが含まれます。 従業員数を推定し、国別および年別の給与を適用する必要があります。
設備コストには、電気、上下水道、超純水生成、天然ガス、設備メンテナンス、占有費用、保険が含まれます。 これらの費用の多くは国や年によって異なります。 正確なモデルには、国別、年別のバックグラウンド テーブルと、計算を実行するためのアルゴリズムが必要です。
消耗品は、プロセスで消費される何百もの異なる材料で構成されます (これらは、機器メンテナンスで考慮される処理中に消費される機器部品とは異なります)。 プロセス材料には、バルクガス、CVD および ALD 前駆体、CMP 消耗品、PVD ターゲット、フォトレジストおよびレチクル、その他多くのアイテムが含まれます。 正確なモデルでは、数千のターゲット材料の年別コストを把握し、プロセスステップごとに材料使用量を計算する必要があります。
商用実装
IC Knowledge は、半導体のコストと価格モデリングを行う世界的リーダーであり、最近、段階的なプロセス定義とコスト見積もり (Cost Explorer) を可能にするプロセス シミュレーション テクノロジを開発しました。 シノプシスは、技術開発およびシミュレーション用の TCAD ツールの世界的リーダーです。 IC Knowledge と Synopsys は提携して、ターゲット プロセス フローによって生成される物理構造をシミュレートするために使用される Synopsys Process Explorer ツールに IC Knowledge の Cost Explorer を組み込みました。 Process Explorer 用の Cost Explorer プラグインを使用すると、Synopsys DTCO スイートのユーザーは、PPAC の XNUMX つの要素すべてを同時に最適化する計画された実験を利用して、仮想環境で PPAC 目標を定義し、それらの目標を満たすためのプロセスを設計できます。
図 4 は、IC Knowledge – Synopsys ソリューションを示しています。
図 4. 商用 PPAC TCAD ソリューション。
このソリューションの現在のタイムラインは次のとおりです。
- 現在のステータス – Process Explorer から Cost Explorer に自動的に入力するための顧客が開発したスクリプトを使用して、ある顧客でベータ テストを行っています。 顧客を選ぶ能力を発揮し始めています。
- 2021 年末 – Process Explorer から Cost Explorer にデータを取り込むためのスクリプト (Synopsys スクリプト) を使用した外部コスト モデル。
- 2022 年中頃 – Process Explorer プラグインが完全に実装され、商用化されます。
お客様の事例
前のセクションで述べたように、顧客にはソリューションのベータ テストを行っています。 この顧客は、技術開発にシノプシスの DTCO ソリューションを使用している大規模な OEM です。 顧客は、FinFET や水平ナノシート (HNS) を超える次世代ソリューションとして、相補型 FET (CFET) プロセスを開発しています。
図 5 は、考えられるプロセス フローのカテゴリ別に分類されたウェーハ コストを示しています。 実際のモデルでは、結果はすべてドル単位で表示され、特定のファブおよびプロセス構成を表します。
図 5. カテゴリ別のウェーハコスト。
OEM は、FinFET と比較して CFET のコストを評価したいと考えていました。 彼らは、標準の FinFET、埋め込みパワー レール (BPR) を備えた FinFET (BPR により密度が向上します)、BPR を備えたモノリシック CFET、および CFET プロセスが XNUMX 枚のウェーハに分割され、その後貼り合わされるシーケンシャル CFET を再度比較しました。実際のモデルでは、結果はすべてドル単位で表示されます。
図 6. 正規化されたウェーハコストとプロセスの関係。
図 6 から得られる重要な結論は、OEM が開発した BPR を使用した CFET プロセスは、BPR を使用した FinFET プロセスとコスト面で競争力があるということです。 CFET は nFET デバイスと pFET デバイスをスタックするため、FinFET に比べて密度が大幅に向上します。
図 6 から得られるもう XNUMX つの結論は、モノリシック CFET プロセスはシーケンシャル CFET プロセスよりも安価であるということです。 OEM が開発したモノリシック CFET プロセスは、高度に自己調整され、コストが最適化されています。
この作業を行う一方で、OEM はローカル インターコネクトのリソグラフィ オプションも評価し、次の XNUMX つのソリューションを比較しました。
- EUV カット付き EUV ローカル相互接続マンドレル マスク、および EUV ビア マスク。
- マルチパターンの DUV カットを備えた EUV ローカル相互接続マンドレル マスク、および EUV ビア マスク。
マルチパターンカットは比較的単純なマルチパターンスキームで実装できるため、サイクルタイムに多少の影響はあるものの、52ドルを節約できることがわかりました。
まとめ
最先端のウェーハを製造するためのコスト増加が加速しているため、PPA ベースの技術開発から PPAC ベースの技術開発に切り替える必要性が高まっています。 IC Knowledge と Synopsys のパートナーシップにより、ウェーハを実行する前に仮想環境で PPAC 向けに設計できる機能が業界に初めて提供されます。 この機能は業界にとって大きな変革をもたらし、ムーアの法則の継続的な進化を可能にします。
参考文献
[1] Applied Materials IEDM 2019 パネル「Logic: EUV is Here , Now What?」での TSMC の Geoffrey Yeap 氏、「電力パフォーマンス分野のコスト時間 – 新しいテクノロジーを予定通りに進める必要がある PPACT」。
[2] Imec 社長兼 CEO の Luc Van Den Hove 氏、Imec テクノロジー フォーラム 2020、「ニューノーマルの人々のためのテクノロジー」、スライド 45、「スケーリング ロードマップ」「電力 – パフォーマンス – エリア – コスト」。
[3] アプライド マテリアルズ、「選択的ギャップ フィルの発表」、SEMICON West 2020、スライド 2、「電力、パフォーマンス、面積コスト」には市場投入までの時間も含まれています。
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