(408) 844-7100 8インチウェハファブから12インチウェハファブへのシフトがIC不足を緩和する可能性
EETimes
2021年5月18日
控えめに言っても、8インチ（200mm）ウェハーのサプライチェーンはやや苦戦している。
12月のあるヘッドラインを読むと、「8インチウエーハの生産能力は想像を絶するレベルで不足している 」とあり、「ウエ―ハの生産能力は非常に逼迫しており、顧客の生産能力に対する要求はパニックレベルに達している 」と書かれている。そして、2021年半ばから2022年後半にかけて、「ロジックとDRAM市場は在庫不足に陥るだろう 」としている。
これは新しい問題ではなく、Trends Forceは、同時期に「8インチウエ―ハの生産能力は2019年後半から深刻な不足に陥っている」と述べている。また、EE Timesは次のように報じた。2020年2月、「8インチ工場が第1四半期に99%稼働した後、不足が迫る」
そして極めつけは、GMや他の自動車メーカーが使用しているルネサスの工場で3月に起きた火災だ。日経はこう述べている：「先端半導体の損失は、（自動車用チップの）世界的な逼迫を悪化させる可能性がある」
このような問題の原因は複数あるが、ヘッドフォン、PC、テレビ、モニター、携帯電話など多くの種類の製品の需要を牽引しているパンデミックによって大きく悪化している。これに加えて、今年パンデミックからの回復が始まると予想されていた自動車などの分野もある。また、製品は多くの機能を1つのSoCに統合することを目指しているが、多くの製品は通常、デジタルICに1つ以上のミックスドシグナルのコンパニオンチップを搭載している。これらは、電源管理（PMIC）、CMOS画像センシング、指紋センシング、車載用モーターおよびシャーシ制御、ディスプレイ ドライバ、サブGHz RF無線などのアプリケーションをカバーし、通常、8インチ（200mm）ウェハで製造される180nmまたは350nm技術を利用している。
つまり、こうしたミックスドシグナルチップやパワーデバイスの需要が増え続けていることが、8インチウェーハの生産能力不足の主な原因となっている。
8インチウェーハの供給が限界に達しているため、ファウンドリーが生産能力を増強するのは当然かもしれない。そして、ファウンドリはIDMから8インチ製造ラインや設備を買収しようとしている。最近の例では、UMCが 東芝から8インチラインを買収する交渉中と報じられている。
しかし、上記のTrendsForceレポートによると、2019年後半からの深刻な不足は、「現在8インチの半導体装置を生産しているサプライヤーがほとんどなく、そのような装置の価格が急騰していることを意味しています。さらに、8インチのウェーハの価格は12インチのウェーハの価格に比べて比較的低いため、ファウンドリは一般的に8インチの生産能力を拡大することは費用対効果が低いと考えています。」そして、これが連鎖反応を引き起こし、一部のファウンドリは顧客への 8インチウェーハの価格を引き上げています 。
別の言い方をすれば、8インチウェーハの経済性からすれば、こうした供給不足はサプライチェーンの不具合ではなく、むしろ特徴なのである。
そして、状況は改善されないだろう。 TSMC や GlobalFoundries などから、生産能力のさらなる投資に関する発表が多数ある 12 インチ (300mm) ファウンドリとは状況が異なる。
8インチの生産能力がこれ以上増えない可能性を考慮すると、一部のICサプライヤーは、既存の設計を180nmや350nmの8インチラインから12インチウェーハを使用する新しいラインに移行している。また、多くのファウンドリーが12インチウェーハで製造された適切な130nmプロセスを提供しており、将来の生産能力ニーズに対応するためのセカンドソースまたはメインソースとして使用することができ、サプライチェーンに地理的多様性を持たせることができる。
180nmと130nmのプロセスノードの特性
180nmと130nmのような似たようなプロセス ノード間でさえ、両者は異なる特性を持つ。重要なのは、コア電源電圧が1.8Vから1.5V、あるいは1.2Vに低下するのに伴い、トランジスタのしきい値電圧レベルが低下することである。 5Vと3.3VのIOをサポートする様々なプロセス・オプションが利用可能で、アナログとRF設計に不可欠な受動部品は、これらのプロセス ノード間で類似している。
12インチ技術にはいくつかの利点がある。旧来の技術では抵抗率の高いアルミニウムが使用されていたのに対し、12インチ技術では金属配線に銅を使用するのが一般的で、これにより高い電流密度とエレクトロマイグレーションからの保護が可能になる。また、12インチ テクノロジーは、より多くの金属層をサポートし、トランジスタの寸法が小さくなることと相まって、トランジスタと配線密度を向上させることができるため、ダイ面積の縮小や、所定の単価に対する機能の向上が可能になる。
さらに、多くの180nmおよびほとんどの130nm BCD（バイポーラCMOS-DMOS）技術は、ほとんどの350nm技術で使用されているLOCOS（Local Oxidation of Silicon）絶縁に比べて、高密度化のためのシャロートレンチ絶縁（STI）、改善されたラッチアップ保護、基板ノイズ絶縁などの機能をサポートしています。これらにより、回路の性能とロバスト性が向上する。
新しい12インチ ウェハーに使用される改良されたリソグラフィーは、製造歩留まりを向上させるために、より良いデバイス マッチングを提供する。ここでもまた、良品ダイあたりの価格低下を支えている。
さらに、130nm BCDノードは現在非常に成熟した技術であり、さまざまな高電圧クラスのトランジスタ、不揮発性メモリ（OTP、フラッシュ）、MIMキャップ、ツェナー ダイオードやショットキー ダイオードなど、より多くのプロセス オプションを提供している。これは、複雑なアナログ/RF機能をより競争力のあるSoCソリューションに統合する上で有益である。
コスト対サプライチェーンの安定性
8インチウェーハにこだわる理由がないわけではない。ミリ単位で見れば、350nmの8インチ ウェーハは非常に安価です。
これは、製造装置が完全に減価償却され、製造プロセスの複雑性が低い（層数が少ない）ためです。さらに、一部のアナログ回路は新しいノードでは必ずしもうまくスケールしないため、130nm相当のチップは350nmよりも高価になる可能性があります。しかし、ほとんどの場合、部品不足によって製品（ヘッドフォン、携帯電話、自動車など）を供給できなくなることは、ICのわずかなコスト差よりも大きな痛手となる。
さらに、異なる電源、IO電圧サポート、異なるトランジスタ特性のため、ノードをまたいで移動する場合、電気的パラメータが一致するピン ツー ピン互換デバイスの設計は困難な場合がある。各設計を分析し、それが可能で、大きなオーバーヘッドを追加しないことを確認する必要がある。これは新しいPCB設計を作成することでより簡単に克服できます。180nmから130nmへの橋渡しにおけるギャップは、350nmの設計から130nmの設計に移行するよりも飛躍的ではないことに留意すべきである。
また、180nmの8インチ設計キットを12インチラインに移行するという話は、現時点ではファウンドリからは出ていないということも、この議論の時点では注目に値する。熟練したミックスドシグナルASICハウス（エンシリカのような）は、回路図レベルのポートかICデータシートからこの作業を行う必要がある。
意味合い
ASICの再設計に必要な投資を考えると、8インチのサプライチェーンの問題に影響される可能性のある他の機能、特にMCUの統合を検討することが望ましいだろう。
130nmの微細化により、Arm Cortex Mクラス・プロセッサをわずかなシリコン・コストで統合することが可能になる。実際、必要なCPU性能とメモリ要件が、集積化の実現可能性を左右する主要因となるだろう。ローエンドCPUに必要なシリコン面積はわずか数平方ミリメートルであり、64/128キロバイトのSRAMをコスト効率よく集積化するには、さらに数平方ミリメートルが必要となる。
不揮発性メモリ OTP、MTP、およびフラッシュは、多くの場合、数百 MHz の性能を提供します。130nm をターゲットとする場合、Cortex M0 または M3 を使用する場合は、無料のツール Arm Design Start Pro（パーツごとのロイヤリティのみ）から始めることができます。
ASICを現在のデータシートから再設計し、生産準備のための認定を受けるまでのスケジュールは、複雑さにもよるが、14～24カ月程度である。車載製品の場合、仕様書からPPAPまでは、やはり複雑さにもよりますが、24～36ヶ月というところでしょう。130nm ASICの一般的な予算は、設計の複雑さとIPライセンス内容によって異なりますが、60万ドル程度から始まり、車載アプリケーション向けのAEC-Q100認定コンポーネントの場合は400万ドル程度になります。12インチプロセスでの130nmマスクツールのコストは、現在20万ドルを下回っており、全体コストに占める割合は比較的小さい。
ミックスド シグナル デバイスの多くは、供給不足の8インチ ウェハーで製造されており、こうした製造ラインへの投資不足（投資収益率の低さが原因）は、サプライチェーンの問題が今後も続くことを意味する。
現在の供給不足は警告と捉えるべきで、現在8インチウェーハのシリコンを使用している企業は、将来の需要の見直しを優先すべきである。もしそれが大きな生産能力を必要とするのであれば、12インチ ノードへの移植を検討し、全工程が完了するのに十分な時間を確保すべきである。メインの生産施設であっても、セカンドソースの生産施設であっても同じです。