Cyclone™ II FPGA基于TSMC 90 nm工艺技术,采用12英寸(300mm)晶圆制成。这种FPGA采用低电介常数(低K值)(K=2.9)的电介质和全铜质金属层,因此具有潜在速度方面的极大优势,和高级面积特性提供的动态功耗优势。它采用了共8层的全铜层,通过提高布线密度获得极高的面积效率。
一个半导体公司对制造伙伴的选择关键在于要选择正确的产品制造工艺。正确的工艺在产品生命周期和技术需求之间平衡成本,从而得到适当的风险等级,确保满足交付需求。
TSMC的市场领先地位
台积电(TSMC)是半导体制造市场的领导者,拥有45%的市场占用率,而且公司净收入以每年26%的速度增长,2003年达到59亿美元(见图1)。基于这种市场领导地位,TSMC能够比其他竞争对手投资更多,从而可以提供最先进的生产能力;这对考虑建立一个投资接近30亿美元的新制造工厂而言是尤其重要的。台积电的先进生产能力与其业界最高的产量并驾齐驱,最终保证了产品质量。Altera的130nm产品展示的成功证实了这项投资的意义(也就是说,从推出第一个样片开始,台积电能够在15个月内供给Altera足够的已处理晶圆,已经交付超过2百万Cyclone器件,且没有出现任何交货问题)。
图1. 2003年全球专业半导体制造行业收入情况

Altera与台积电的合作
Altera的唯一硅片供应商策略在发货及时性、质量和成本方面获得了成功,同时还带来其他一些看起来并不明显的好处。在过去的五年里,FPGA已经从采用成熟工艺技术转移到了采用前瞻性的切边工艺技术。FPGA具有的广泛市场需求和产量证明采用最新技术的正确性,而且它们也在面积减小和性能优势等方面有众多优势,这使其逐渐成为比ASIC越来越合意的选择——即使在大批量情况下也是如此。采用最新工艺技术制造FPGA对工厂来说也有好处,它们可将新的生产工艺引向潮流。
尝试寻找微处理器中由于工艺缺陷而产生的功能性错误是很困难的。然而,由于FPGA具有规则的行列架构和可编程结构,因此寻找功能性错误相对简单。这些错误可以从新的工艺节点上快速获取,从而可以加快试生产流程。由于这个原因,用最新的工艺制造FPGA对Altera和台积电来说都处于双赢的位置,在新工艺技术开发上进行了紧密的合作。
90 nm开发和低k值电介质
对90 nm产品早期的研究和开发是按时推出90 nm产品的重要因素。TSMC和Altera从2001年5月就开始联合进行90-nm工艺技术研究;并付出了大量努力来开发新的架构、材料和工艺用于生产90 nm器件。从2001年5月开始联合开发了多个测试芯片,用以评估90 nm工艺的不同属性。
贯串整个开发过程,TSMC每月生产一批包含大量SRAM的晶圆,用来精确地评估针对工艺目标的成品率。由于影响成品率和性能的参数很多,对在合理的时间范围内提高质量而言,这类持续的评估是一个重要因素。TSMC的90nm、低K值、全铜金属工艺从2003年7月开始获得完全资格认证,Altera随之得到了第一代90nm产品(Stratix II EP2S60器件),在第一个硅片上实现了功能。在测试芯片上调试新工艺而不在产品上调试,这是满足交付承诺的基础。成功的关键在于,90 nm测试芯片的生产和工艺资格认证是在和生产Cyclone II 相同的制造工厂中进行的;这避免了更换生产线所引起的相关风险。和TSMC联合进行早期工艺技术开发工作和正确的产品首次展示策略确保了Cyclone II样片的交货完全纳入了轨道。
图2所示为90 nm的铜互连。
图2. 90 nm铜互连
低K值在半导体行业是一个新的、重大的挑战。Altera决定不在第一代Stratix和Cyclone器件中使用低K值电介质有两个原因:在130 nm条件下好的性能不是必要条件,而且更重要得是,人们还不认为它是可靠产品的成熟材料。
对于Stratix II FPGA和 Cyclone II FPGA,Altera选择了台积电提供的适用黑钻石材料,它是一种化学蒸气沉积物(CVD)电介质,因为具有较好的制造特性而被用于基于90nm工艺的产品。
成功的因素
除了良好的产品设计,FPGA成功还有其他因素,包括:
通力协作
Alter将台积电列为专属合作伙伴。TSMC在公司收入、技术和产量方面处于生产厂商的领先地位,从而确保了产品的高品质。
适当的时机
Altera和台积电采用测试芯片调试新工艺。Altera首先在高端,全功能产品上使用了最新的工艺;Stratix II FPGA是Altera的第一个90nm FPGA。到Cyclone II FPGA正式投产之前,90nm工艺在台积电将成为确定的工艺。当台积电达到低成本产品的大批量生产能力的时候,Cyclone II FPGA将正式投产。
按时完成
Altera在应用130nm工艺时完美地执行了这个成功的策略。这个成功的策略将再度应用到Cyclone II FPGA上,对低成本,短时间/批量的FPGA而言,快速批量的生产能力是尤其重要的。技术是数字CMOS的基础,但是不能以高额成本为代价。Altera和台积电致力于寻找先进技术和生产诀窍之间的平衡点,使选择Cyclone II FPGA不会有任何风险。
