Cyclone™ II FPGA は TSMC の 90 nm Nexsys プロセスに基づいて製造されており、12 インチ (300 mm) ウェハを使用しています。 この FPGA は低誘電率定数 (low-k) (K = 2.9) の誘電体と銅をメタライゼーション・レイヤに使用しているので、先進の形状により提供される潜在的なスピードとダイナミックな消費電力の利点を最大限に活かすことができます。 合計 8 層の全層銅レイヤが使用され、配線密度の向上によってきわめて高い面積効率を達成します。
半導体企業にとって、製造パートナの選択は、製品に適合した製造プロセスの選択に関わる重要な問題です。 適切なプロセスにより、製品ライフサイクル全体にわたってコスト予測と技術的要件のバランスが図られ、正しいリスク・レベルとのバランスに基づいて確実に出荷要件が満たされます。
TSMC のマーケット・リーダーシップ
TSMC は、45 パーセントのマーケット・シェアと年間収入成長率 26 パーセントを誇るシリコン・ファンドリのマーケット・リーダであり、2003 年度の収入は 59 億ドル (US ドル) を記録しました (図 1 参照)。 このように業界トップに位置する TSMC は、他社を上回る投資が可能であり、最先端の製造能力を提供できます。新規製造設備費が 30 億ドル (US ドル) に達することを考慮した場合、これは特に重要です。 TSMC の先端能力は、業界最高の歩留まりに結びつくものであり、最終的には製造の質に対する基準となります。 この投資は、すでにアルテラが 130 nm ベース製品のロールアウト (すなわち、初回サンプルから 15ヶ月以内に、TSMC は 200 万個以上の Cyclone デバイスを出荷するのに十分な加工済みウェハを、納期の問題なくアルテラに供給できた）に成功したことによって実証されました。
図 1. 2003 年の世界における専業ファンドリ産業の収益
アルテラと TSMC のパートナシップ
アルテラのシングル・ソース・シリコン・サプライヤ戦略は、オンタイム・デリバリ・パフォーマンス、品質、およびコスト面で成功を収めましたが、それ以外にもあまり目立たない利点がいくつかあります。 過去 5 年間にわたって、FPGA は成熟プロセス・テクノロジの使用から最先端プロセス・テクノロジの開拓へとシフトしてきました。 FPGA には、最新テクノロジを使用するだけの広い市場と生産量がありますが、最大のメリットは面積の縮小と性能の向上であり、このため FPGA はますます ASIC に代わって選択されるようになっています。さらに生産量が多い場合にもこれが当てはまります。 最新プロセス・テクノロジによる FPGA の製造は、新しいプロセスの発展につながるため、ファンドリにとっても有益です。
マイクロプロセッサでプロセス欠陥に起因する動作エラーを検出しようとすると、大変な作業になります。 しかし、FPGA では規則的なロウおよびカラム・アーキテクチャとプログラマブル構造のため、動作エラーの検出は比較的簡単です。 これによって、新しいプロセス・ノードでの迅速な学習が可能となり、歩留りの向上も加速されます。 このような理由により、最新プロセスによる FPGA の製造は、新しいプロセス・テクノロジの開発において密接な提携関係にあるアルテラと TSMC の双方にとってプラスです。
90 nm プロセス開発とLow-k 誘電体
製品ロールアウト戦略に加えて、タイムリーな 90 nm 製品ロールアウトにとって、90 nm 製品を目標に早い段階での研究開発が不可欠でした。 TSMC とアルテラは協同で、2001 年 5 月に 90 nm プロセス・テクノロジの研究に着手しました。それ以降、90 nm デバイスの構築に向けて、新しいアーキテクチャ、材料、およびプロセスの開発に注力しています (図 2 参照)。 2001 年 5 月以降、いくつかのテスト・チップを協同で開発し、90 nm プロセスのさまざまな特性を評価しました。
TSMC は、開発プロセス全体を通して、プロセス・ターゲットに対する歩留りを正確に評価するために、大きなSRAM を搭載したウェハを毎月製造しました。 多数のパラメータが歩留りと性能に影響を与えるため、短い期間で品質を改善するにはこのような継続的な評価が欠かせません。 2003 年 7 月以降、TSMC の 90 nm Low-k 銅メタル・プロセスは完全に検証され、アルテラは最初の 90 nm 製品 (Stratix II EP2S60 デバイス) を受け取りました。このデバイスはファースト・シリコンで動作しました。 製品ではなくテスト・チップで新しいプロセスをデバッグすることは、デバイス供給のコミットメントを守るための基本となっています。 Cyclone II FPGA の生産と同じ製造工場内で 90 nm のテスト・チップの製造とプロセス認定を行ったことが、成功への重要な要素でした。それによって、ラインの変更に伴うリスクを回避できました。 TSMC とともに早くから取り組んだプロセス・テクノロジの開発と正しい製品ロールアウト戦略によって、Cyclone II のサンプル・デバイスを期待通りリリースすることをお約束します。
図 2 に 90nm の銅配線を示します。
図 2. 90nm の銅配線
Low-k は業界においても重要で新しい課題です。 アルテラは、第 1 世代の Stratix および Cyclone デバイスにはLow-k 誘電体を採用しないことを決定しましたが、これには 2つの理由があります。つまり、130 nm で良好な性能を得るには必要なかったこと、そしてもっと重要なことは、高い信頼性で製造するには完成度が不十分と考えたためです。
アルテラはStratix II FPGA と Cyclone II FPGAに TSMC が提供する Applied Material の Black Diamond 材を選択しました。これは、90 nm ベースの製品向けの化学気相蒸着法 (CVD) による誘電体です。
重要事項
FPGA を成功させるには、優れた製品デザインの他に、以下のような要素も必要です。
強固なパートナシップ
アルテラは TSMC とのみ提携しています。 TSMC は、収益と技術だけでなく、歩留りにおいてもファンダリのリーダーであり、結果的に品質で優れていることを示します。
適切な時期
アルテラと TSMC は、テスト・チップを使用して新しいプロセスをデバッグします。 アルテラは最新のプロセスを、最初にハイエンドのフル機能搭載製品に採用します。つまり、Startix II FPGA がアルテラの最初の 90 nm FPGA です。 Cyclone II FPGA が生産に移行できるまでに、TSMC での 90 nm プロセスは確立されたプロセスとなります。 Cyclone II FPGA は、TSMC が低コスト製品に不可欠な高歩留りを達成すると生産に入ります。
オンタイム
アルテラはこの成功戦略を用いて 130 nm で完全な生産体制を確立しました。 この成功戦略は、Cyclone II FPGA でも再び効果を発揮し、低コストで量産までの期間が短い FPGA に特に重要な、迅速な量産能力を実現するでしょう。 テクノロジはデジタル CMOS の基礎を成すものですが、利益を犠牲にしてまで追求すべきではありません。 アルテラと TSMC はともに、最新のテクノロジと生産ノウハウとの適切なバランスを図り、Cyclone II FPGA を選択した場合のリスクを排除します。
