Tôi đã được mời phát biểu toàn thể tại hội nghị SISPAD vào tháng 2021 năm XNUMX. Đối với bất kỳ ai chưa quen thuộc với SISPAD, đây là hội nghị TCAD ra mắt. Năm nay, lần đầu tiên SISPAD muốn giải quyết chi phí và bài nói chuyện của tôi là “Mô phỏng chi phí để cho phép phát triển công nghệ nhận biết PPAC”.
Trong nhiều năm, tiêu chuẩn trong phát triển công nghệ là Sức mạnh, Hiệu suất và Diện tích (PPA), ví dụ: trong cuộc gọi thu nhập Q2020 4 của TSMC, N3 sẽ có mức điện năng thấp hơn 30% với cùng hiệu suất (Sức mạnh), hiệu suất cao hơn 15% tại cùng công suất (Hiệu suất) và mật độ lớn hơn 70% (Diện tích).
Chi phí wafer ngày càng tăng gần đây đang thúc đẩy nhu cầu bổ sung chi phí như PPAC, Công suất, Hiệu suất, Diện tích và Phí Tổn. Các công ty như TSMC tại IEDM 2019 [1], Imec tại diễn đàn công nghệ của họ vào năm 2020 [2] và Vật liệu Ứng dụng tại SEMICON West vào năm 2020 [3], và nhiều công ty khác đều đang quan tâm đến PPAC.
Thực tiễn hiện tại khi phát triển một công nghệ mới là xác định các mục tiêu PPA ban đầu, xác định các thiết kế để đánh giá PPA, chọn kiến trúc bóng bán dẫn, phát triển luồng quy trình ban đầu, mô phỏng hiệu suất bóng bán dẫn và trích xuất mô hình SPICE, chọn kiến trúc ô tiêu chuẩn và tạo một thư viện di động. Sau đó, thư viện ô và luồng quy trình được đưa vào bộ mô phỏng Design Technology Co Optimization, chẳng hạn như được cung cấp bởi Synopsys để mô phỏng quy trình, tạo cấu trúc 3D và trích xuất danh sách mạng ký sinh. Thư viện sau đó có thể được mô tả, một thiết kế vật lý có thể được thực hiện và PPA có thể được đánh giá. PPA sau đó được đánh giá và các lần lặp lại thử nghiệm được thiết kế có thể được thực hiện để đạt được tất cả các mục tiêu của PPA trong môi trường mô phỏng. Điều còn thiếu trong quá trình này là nhận thức về chi phí. Nếu khả năng mô phỏng chi phí được thêm vào bộ DTCO thì quy trình có thể nhắm mục tiêu PPAC và các lần lặp lại có thể được thực hiện trong môi trường mô phỏng để đạt được các mục tiêu PPAC.
Để mô phỏng chính xác chi phí, cả cơ sở vận hành quy trình và quy trình đều phải được xem xét. Cùng một quy trình ở hai cơ sở khác nhau sẽ có chi phí khác nhau, đôi khi chênh lệch đáng kể. Hai quy trình khác nhau chạy trong cùng một cơ sở sẽ có chi phí khác nhau, đôi khi chênh lệch đáng kể.
Chi phí cơ sở vật chất
Công suất thiết kế của một fab có tác động đáng kể đến chi phí. Có nhiều loại thông lượng cho thiết bị fab và công suất thiết kế fab càng cao thì càng có thể đạt được sự phù hợp về công suất của bộ thiết bị. Điều này dẫn đến hiệu quả sử dụng vốn cao hơn và do đó chi phí cho mỗi tấm wafer thấp hơn đối với các nhà máy có công suất cao hơn. Hình 1. Minh họa chi phí wafer chuẩn hóa so với công suất của một nhà máy chế tạo greenfield chạy quy trình 5nm ở Đài Loan.
Hình 1. Chi phí wafer so với công suất fab.
Đất nước mà một fab đang ở cũng ảnh hưởng đến chi phí. Hình 2 so sánh cùng một nhà máy được mô tả ở trên được thiết kế cho 40,000 tấm mỏng mỗi tháng ở sáu quốc gia khác nhau. Chi phí trong hình 2 chỉ là chi phí vận hành và không bao gồm bất kỳ ưu đãi nào.
Hình 2. Chi phí wafer so với quốc gia.
Một yếu tố chi phí quan trọng khác là tuổi của fab. Đối với khấu hao fab mới có thể chiếm hơn 60% chi phí sản xuất một tấm wafer. Hình 3 minh họa cùng một fab được mô tả trước đây cho năm khung thời gian khác nhau:
- năm đầu tiên tăng tốc (giả sử sử dụng trung bình 50%).
- Năm thứ hai đến năm thứ năm khi fab được mở rộng nhưng thiết bị vẫn mất giá.
- Năm thứ sáu khi thiết bị được khấu hao.
- Năm mười một khi các hệ thống cơ sở vật chất được khấu hao.
- Năm mười sáu khi lớp vỏ tòa nhà bị khấu hao.
Hình 3. Chi phí wafer so với tuổi fab.
Mô hình hóa chi phí chính xác đòi hỏi khả năng xác định năng lực sản xuất, quốc gia và độ tuổi.
Chi phí xử lý
Chi phí xử lý bắt đầu bằng chi phí tấm bán dẫn hoặc tấm bán dẫn ban đầu. Việc lập mô hình cần tính đến việc tấm wafer ban đầu là tấm wafer được đánh bóng, tấm wafer Epi hay tấm wafer đặc biệt, chẳng hạn như một số loại SOI. Ngoài ra, mô hình hóa cần cho phép nhiều hơn một tấm bán dẫn, ví dụ như đối với các quy trình trong đó hai tấm bán dẫn có thể được sử dụng và sau đó được liên kết với nhau.
Chi phí lao động trực tiếp là chi phí cho người vận hành để xử lý các tấm wafer. Trong các máy chế tạo 300mm thế hệ hiện tại, có một vài người vận hành vì hệ thống vận chuyển tấm bán dẫn hạ thấp các khối hợp nhất mở phía trước (FOUP) ngay trên dụng cụ nhưng có một số người vận hành. Số giờ lao động cần thiết cho một luồng cụ thể hầu hết được tính toán và tỷ lệ lao động thích hợp được áp dụng tùy thuộc vào quốc gia nơi đặt nhà máy.
Khấu hao là chi phí đơn lẻ lớn nhất trong quá trình chế tạo wafer, đối với các quy trình mới chiếm hơn 60% chi phí wafer (xem hình 6 bên dưới). Ước tính khấu hao chính xác yêu cầu xác định thiết bị cần thiết và thông lượng cho từng bước trong quy trình. Một mô hình chính xác cần xác định thế hệ thiết bị phù hợp cho một quy trình, thông lượng, chi phí thiết bị và không gian vật lý cần thiết cho thiết bị và xây dựng một bộ hoàn chỉnh cho công suất mục tiêu. Một mô hình chính xác phải có bảng cơ sở về chi phí thiết bị và cấu hình theo nút và chi phí xây dựng cho không gian phòng sạch để có thể tính toán chi phí vốn chi tiết.
Chi phí bảo trì thiết bị bao gồm chi phí cho các bộ phận thiết bị tiêu hao trong quá trình xử lý như vòng thạch anh được sử dụng trong buồng ăn mòn, bộ phận sửa chữa để thay thế các hệ thống phụ của thiết bị bị hỏng trong quá trình vận hành thiết bị và cuối cùng là các hợp đồng dịch vụ thiết bị. Tất cả các chi phí này cần được ước tính cho bộ thiết bị được xác định trong quá trình tính toán khấu hao.
Chi phí lao động gián tiếp bao gồm các kỹ sư và kỹ thuật viên duy trì quy trình và thiết bị, giám sát viên quản lý lao động trực tiếp và quản lý giám sát mọi thứ. Số lượng nhân viên cần được ước tính và mức lương theo quốc gia và năm được áp dụng.
Chi phí cơ sở bao gồm điện, nước và hệ thống thoát nước, sản xuất nước siêu tinh khiết, khí đốt tự nhiên, bảo trì cơ sở, chi phí sử dụng và bảo hiểm. Nhiều chi phí trong số này phụ thuộc vào quốc gia cũng như năm. Một mô hình chính xác cần có các bảng nền theo quốc gia và năm và các thuật toán để thực hiện các tính toán.
Vật tư tiêu hao được tạo thành từ hàng trăm vật liệu khác nhau được quy trình tiêu thụ (những vật liệu này khác với các bộ phận thiết bị được tiêu thụ trong quá trình xử lý được tính trong quá trình bảo trì thiết bị). Vật liệu xử lý bao gồm những thứ như khí khối, tiền chất CVD và ALD, vật tư tiêu hao CMP, mục tiêu PVD, chất cản quang và lưới kẻ ô cùng nhiều vật phẩm khác. Một mô hình chính xác cần phải có chi phí theo năm cho hàng nghìn nguyên vật liệu mục tiêu theo năm và tính toán mức sử dụng nguyên vật liệu theo từng bước của quy trình.
Triển khai thương mại
IC Knowledge là công ty hàng đầu thế giới về mô hình hóa chi phí và giá cả cho chất bán dẫn và gần đây đã phát triển công nghệ mô phỏng quy trình để cho phép xác định quy trình từng bước và ước tính chi phí (Cost Explorer). Synopsys là công ty hàng đầu thế giới về các công cụ TCAD để phát triển và mô phỏng công nghệ. IC Knowledge và Synopsys đã hợp tác để nhúng IC Knowledge's Cost Explorer trong công cụ Synopsys Process Explorer được sử dụng để mô phỏng cấu trúc vật lý do dòng quy trình đích tạo ra. Phần bổ sung Cost Explorer cho Process Explorer sẽ cho phép người dùng bộ Synopsys DTCO xác định các mục tiêu PPAC và thiết kế các quy trình để đáp ứng các mục tiêu đó trong môi trường ảo sử dụng các thử nghiệm được thiết kế để tối ưu hóa đồng thời cả bốn yếu tố của PPAC.
Hình 4 minh họa giải pháp IC Knowledge – Synopsys.
Hình 4. Giải pháp PPAC TCAD thương mại.
Dòng thời gian hiện tại cho giải pháp này:
- Trạng thái hiện tại – thử nghiệm beta tại một khách hàng với tập lệnh do khách hàng phát triển để tự động điền Trình khám phá chi phí từ Trình khám phá quy trình. Bắt đầu thể hiện khả năng chọn lọc khách hàng.
- Cuối năm 2021 – mô hình chi phí bên ngoài với tập lệnh (tập lệnh Synopsys) để đưa vào Trình khám phá chi phí từ Trình khám phá quy trình.
- Giữa năm 2022 – plug-in Process Explorer được triển khai đầy đủ và khả dụng thương mại.
Ví dụ về khách hàng
Như đã đề cập trong phần trước, chúng tôi cho khách hàng thử nghiệm bản beta của giải pháp. Khách hàng là một OEM lớn sử dụng giải pháp DTCO của Synopsys để phát triển công nghệ. Khách hàng đang phát triển các quy trình FET bổ sung (CFET) như một giải pháp thế hệ tiếp theo ngoài FinFET và Tấm nano ngang (HNS).
Hình 5 minh họa chi phí wafer được chia theo danh mục cho một quy trình khả thi. Trong mô hình thực tế, các kết quả đều tính bằng đô la và đại diện cho một cấu hình quy trình và fab cụ thể.
Hình 5. Chi phí wafer theo danh mục.
OEM muốn đánh giá chi phí CFET so với FinFET. Họ đã so sánh một FinFET tiêu chuẩn, một FinFET với Buried Power Rail (BPR) (BPR cho phép mật độ tốt hơn), một CFET nguyên khối với BPR và một CFET tuần tự trong đó quy trình CFET được phân chia giữa hai tấm wafer sau đó được liên kết với nhau, một lần nữa, trong mô hình thực tế, kết quả đều tính bằng đô la.
Hình 6. Chi phí wafer chuẩn hóa so với quy trình.
Kết luận chính từ hình 6 là quy trình CFET do OEM phát triển với BPR cạnh tranh về chi phí với quy trình FinFET với BPR. Bởi vì CFET xếp chồng các thiết bị nFET và pFET nên chúng mang lại những cải tiến đáng kể về mật độ so với FinFET.
Một kết luận khác từ hình 6 là quy trình CFET nguyên khối ít tốn kém hơn quy trình CFET tuần tự. Quy trình CFET nguyên khối do OEM phát triển có khả năng tự điều chỉnh cao và tối ưu hóa chi phí.
Trong khi thực hiện công việc này, OEM cũng đã đánh giá các tùy chọn in thạch bản cho kết nối cục bộ so sánh hai giải pháp:
- Mặt nạ trục gá kết nối cục bộ EUV với đường cắt EUV và EUV qua mặt nạ.
- Mặt nạ trục gá kết nối cục bộ EUV với đường cắt DUV nhiều mẫu và EUV qua mặt nạ.
Bởi vì việc cắt nhiều mẫu có thể được thực hiện với sơ đồ nhiều mẫu tương đối đơn giản, họ nhận thấy rằng họ có thể tiết kiệm được 52 đô la mặc dù sẽ có một số tác động về thời gian chu kỳ.
Kết luận
Chi phí gia tăng nhanh chóng để chế tạo các tấm bán dẫn hàng đầu đang thúc đẩy nhu cầu chuyển từ phát triển công nghệ dựa trên PPA sang phát triển công nghệ dựa trên PPAC. Sự hợp tác giữa IC Knowledge và Synopsys sẽ lần đầu tiên cung cấp cho ngành công nghiệp khả năng thiết kế cho PPAC trong môi trường ảo trước khi chạy các tấm wafer. Khả năng này sẽ là yếu tố thay đổi cuộc chơi cho ngành công nghiệp và cho phép sự phát triển liên tục của định luật Moore.
dự án
[1] Geoffrey Yeap của TSMC trong bảng điều khiển Vật liệu ứng dụng IEDM 2019 “Logic: EUV ở đây, bây giờ là gì?, “Thời gian chi phí khu vực hiệu suất năng lượng – PPACT nơi các công nghệ mới cần phải có mặt đúng lúc”.
[2] Luc Van Den Hove, President and CEO of Imec, Imec Technology Forum 2020, “Technologies for People in the New Normal,” slide 45, “Lộ trình mở rộng quy mô” “Sức mạnh – Hiệu suất – Diện tích – Chi phí”.
[3] Tài liệu ứng dụng, “Thông báo lấp đầy khoảng trống có chọn lọc,” SEMICON West 2020, slide 2, “Sức mạnh, hiệu suất, chi phí khu vực” cũng bao gồm t cho thời gian đưa ra thị trường.
Chia sẻ bài đăng này qua: Nguồn: https://semiwiki.com/semiconductor-services/ic-knowledge/304437-sispad-cost-simulations-to-enable-ppac-aware-technology-development/
- 000
- 2019
- 2020
- 2021
- 3d
- Tài khoản
- thuật toán
- Tất cả
- Thông báo
- kiến trúc
- KHU VỰC
- sẵn có
- beta
- Xây dựng
- cuộc gọi
- Sức chứa
- vốn
- giám đốc điều hành
- thương gia
- Các công ty
- Hội nghị
- xây dựng
- hợp đồng
- Chi phí
- nước
- Current
- khách hàng
- Nó
- Thiết kế
- phát triển
- Phát triển
- Thiết bị (Devices)
- đô la
- lái xe
- Thu nhập
- thu nhập gọi
- Cạnh
- hiệu quả
- điện
- 11
- Kỹ sư
- Môi trường
- Trang thiết bị
- dự toán
- sự tiến hóa
- thử nghiệm
- Cơ sở
- Fed
- Hình
- Cuối cùng
- Tên
- lần đầu tiên
- dòng chảy
- trò chơi
- khoảng cách
- GAS
- tại đây
- Độ đáng tin của
- HTTPS
- Hàng trăm
- xác định
- Va chạm
- Bao gồm
- ngành công nghiệp
- bảo hiểm
- IT
- Key
- kiến thức
- nhân công
- lớn
- Luật
- hàng đầu
- Thư viện
- địa phương
- Làm
- thị trường
- mặt nạ
- nguyên vật liệu
- kiểu mẫu
- người mẫu
- Natural Gas
- cung cấp
- hoạt động
- Các lựa chọn
- Nền tảng khác
- Khác
- Công ty
- người
- hiệu suất
- vật lý
- vỏ quả
- quyền lực
- Premiere
- Chủ tịch
- giá
- Sản xuất
- Lan can
- Kết quả
- chạy
- chạy
- tiền lương
- Chất bán dẫn
- định
- Shell
- Đơn giản
- mô phỏng
- Six
- Giải pháp
- Không gian
- chia
- Trạng thái
- Công tắc điện
- hệ thống
- Đài Loan
- Mục tiêu
- Công nghệ
- Công nghệ
- Kiểm tra
- thế giới
- thời gian
- vận chuyển
- Người sử dụng
- Versus
- ảo
- Nước
- hướng Tây
- Là gì
- CHÚNG TÔI LÀ
- Công việc
- thế giới
- năm
- năm