一 、簡(jiǎn)介
UTBB-FD-SOI，簡(jiǎn)稱FD-SOI，是一種基于兩大創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)平面晶體管結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)：一是在體硅中引入了超薄的埋氧（BOX）層，作為絕緣層；二是用超薄的頂硅層制造出全耗盡的晶體管溝道。FD-SOI最大的特點(diǎn)是可以在無(wú)需全面改造設(shè)備結(jié)構(gòu)、完整性和生產(chǎn)流程的前提下實(shí)現(xiàn)摩爾定律下的芯片面積微縮、能耗節(jié)省、性能提升及功能拓展。FD-SOI晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 FD-SOI晶體管示意圖和TEM截面圖
二、全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r
（1）技術(shù)瓶頸突破階段（2000~2011）
FD-SOI技術(shù)是由伯克利的前任教授胡正明在2000年發(fā)明的。和體硅技術(shù)相比，F(xiàn)D-SOI可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米節(jié)點(diǎn)工藝制程下晶體管電流的有效控制和閾值電壓的靈活調(diào)控，因而21世紀(jì)伊始，以Leti、Soitec、STM為代表的歐洲半導(dǎo)體科研機(jī)構(gòu)和公司開始投入該技術(shù)的研發(fā)。
圖2 DIBL的減小量隨頂層硅和BOX厚度變化的關(guān)系
早期大量的電學(xué)仿真結(jié)果表明，同時(shí)減小FD-SOI襯底的BOX厚度和頂層硅厚度能夠降低晶體管的漏致勢(shì)壘降低（DIBL）程度（圖2）；但是當(dāng)時(shí)市面上沒有商用的FD-SOI襯底，具有超薄頂硅、超薄BOX的晶體管結(jié)構(gòu)是通過Silicon-on-Nothing（SON）方法在體硅上首次實(shí)現(xiàn)的（圖3）；2006年Soitec研發(fā)出滿足商用的高質(zhì)量FD-SOI襯底之后，STM聯(lián)合Leti、Soitec開發(fā)出基于28nm節(jié)點(diǎn)的FD-SOI晶體管，實(shí)現(xiàn)了真正的FD-SOI器件的制備（圖3）。從那時(shí)起，SOI技術(shù)的發(fā)展環(huán)境才得以日益改善。2007年SOI聯(lián)盟成立以來(lái)，越來(lái)越多的公司和機(jī)構(gòu)開始加入到推廣FD-SOI技術(shù)的隊(duì)伍中，從此，F(xiàn)D-SOI技術(shù)才開始走向商業(yè)化的道路。
總體上，早期的FD-SOI技術(shù)處于初期探索階段，取得了一定的關(guān)鍵技術(shù)突破，但沒有出現(xiàn)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，代表性的僅是Oki Electric采用FD-SOI技術(shù)開發(fā)出用于低功耗手表的微控制器；而同時(shí)代的Intel 于2011年推出了商業(yè)化的FinFET技術(shù)，該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于從Intel Core i7-3770之后的22nm級(jí)的高性能處理器產(chǎn)品中。之后TSMC采用FinFET技術(shù)也取得了巨大的成功，F(xiàn)D-SOI失去了占領(lǐng)市場(chǎng)的黃金時(shí)間窗口。彼時(shí)FD-SOI沒有形成具備商業(yè)性質(zhì)的產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸在于襯底的供應(yīng)：高產(chǎn)能、高質(zhì)量的FD-SOI襯底制備技術(shù)仍不成熟；FD-SOI襯底的價(jià)格（$400–$500）比體硅（$130）高三到四倍，襯底成本因素也限制了FD-SOI的市場(chǎng)拓展。
圖3 STM及合作伙伴制備薄膜（頂硅和BOX）上晶體管方法的演進(jìn)過程
（2）產(chǎn)業(yè)鏈加速完善階段（2012~今）
從2012年開始，F(xiàn)D-SOI技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面逐步壯大。
FD-SOI襯底供應(yīng)：最近幾年，正是由于FD-SOI襯底材料取得了突破性進(jìn)展，特別是超薄BOX（20nm量級(jí)）及超薄頂硅（10nm量級(jí)）的襯底投入應(yīng)用，使得納米級(jí)FD-SOI CMOS迅速發(fā)展。Soitec是最早（2013年）實(shí)現(xiàn)FD-SOI襯底片成熟量產(chǎn)的公司，也是目前FD-SOI襯底的主要供應(yīng)商，其300mm晶圓廠能夠支持65nm、28nm、22nm及更為先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上大規(guī)模采用FD-SOI技術(shù)（圖4）。為了因應(yīng)市場(chǎng)的長(zhǎng)期需求，Soitec實(shí)施了三大策略，包括：①實(shí)施技術(shù)授權(quán)，快速擴(kuò)充產(chǎn)能。Soitec于2012年和2013年先后將Smart-Cut技術(shù)授權(quán)給日本SEH和美國(guó)SunEdison；②與代工廠強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，鞏固供應(yīng)鏈。Soitec宣布了與Globalfoundries（GF）簽署一項(xiàng)為期五年的協(xié)議，確保對(duì)后者供應(yīng)充足的先進(jìn)FD-SOI襯底片；③加大資本投資，規(guī)劃全球建廠。2017年，Soitec宣布未來(lái)兩年將投資4000萬(wàn)歐元將FD-SOI襯底片的產(chǎn)量提升到1.5M片/年，另外1.5M片/年的產(chǎn)能也已經(jīng)列入第三階段的擴(kuò)充計(jì)劃（圖4）。
圖4 Soitec FD-SOI襯底產(chǎn)品路線圖及產(chǎn)能計(jì)劃
FD-SOI代工工藝：一直推動(dòng)并采用FD-SOI工藝的STM于2012年推出了28nm FD-SOI工藝平臺(tái)。STM之所以選擇28nm節(jié)點(diǎn)切入，是出于工藝制造成本考量（圖5）。從那時(shí)起，集成電路行業(yè)才真正將FD-SOI技術(shù)納入未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的技術(shù)解決方案行列。隨后2014年，STM將該技術(shù)平臺(tái)授權(quán)給三星。三星目前已拿下NXP SoC芯片代工訂單，預(yù)計(jì)2019年推出下一代18nm FD-SOI技術(shù)。
圖5 不同工藝節(jié)點(diǎn)的柵極成本
作為行業(yè)三大襯底代工廠商之一，GF這幾年在推廣FD-SOI技術(shù)發(fā)展中起到舉足輕重的作用，其于2015年提出的基于22nm的FD-SOI代工平臺(tái)22FDX已經(jīng)獲得超過135家客戶的青睞，其中部分客戶已經(jīng)進(jìn)入多項(xiàng)目襯底（MPW）試產(chǎn)或正式投片。基于22FDX的成功，2016年，GF研發(fā)出新的12nm FD-SOI工藝技術(shù)12FDX，實(shí)現(xiàn)了業(yè)內(nèi)首個(gè)多節(jié)點(diǎn)FD-SOI路線圖。此外，為了加強(qiáng)22FDX SoC技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，GF推出新的合作伙伴項(xiàng)目，稱為FDX celerator，該項(xiàng)目現(xiàn)有35個(gè)合作伙伴，涵蓋半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游業(yè)者，包括：自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具（EDA）、設(shè)計(jì)元素（IP）、平臺(tái) (ASIC)、引用方案（系統(tǒng)IP，引用型設(shè)計(jì)）、資源（設(shè)計(jì)咨詢，服務(wù)）、產(chǎn)品封裝和測(cè)試（OSAT）方案等廠商。FD-SOI制備工藝的成熟，促使GF不斷增大產(chǎn)能，以滿足全球客戶對(duì)22FDX的需求。在中國(guó)，GF和成都已宣布合資建造晶圓廠，計(jì)劃二期建造22FDX工藝生產(chǎn)線。另外，GF計(jì)劃到2020年將其位于德國(guó)德累斯頓的Fab 1工廠的產(chǎn)能擴(kuò)大40％。未來(lái)GF每年將擁有超過200萬(wàn)個(gè)FD-SOI晶圓的產(chǎn)能。
FD-SOI設(shè)計(jì)服務(wù)：目前，眾多EDA公司正積極研發(fā)與FD-SOI相關(guān)的IP。芯原微電子從2013年就與STM在ST28nm FD-SOI上合作、2014年開始和三星在SEC28nm FD-SOI上合作、2015年開始和GF在GF22nm FD-SOI上合作，現(xiàn)在能夠在28nm和22nm提供IP平臺(tái)和設(shè)計(jì)服務(wù)；Cadence和Synopsys也已有經(jīng)過驗(yàn)證的FD-SOI IP；在GF推出22nm FD-SOI代工平臺(tái)后，ARM、Mentor等也紛紛表示支持，著手開發(fā)基于FD-SOI的IP；芯片設(shè)計(jì)業(yè)者聯(lián)發(fā)科、瑞芯微等也宣布采用FD-SOI工藝。
FD-SOI產(chǎn)品應(yīng)用：在STM、三星的推動(dòng)下，采用28nm FD-SOI制程的產(chǎn)品現(xiàn)在已用于包括IT網(wǎng)路、伺服器、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。成功案例包括NXP/飛思卡爾的i.MX7和i.MX8和其它8款應(yīng)用處理器平臺(tái)、索尼的新一代的GPS、Eutelsat Communications推出的新一代交互式應(yīng)用SoC等；22nm FD-SOI制程的產(chǎn)品又拓展到了汽車電子領(lǐng)域，比如Dream Chip推出業(yè)界首款用于汽車計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用的ADAS SoC芯片。
圖6 FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈
圖7 FD-SOI產(chǎn)業(yè)發(fā)展里程碑事件
經(jīng)過近5年的發(fā)展，F(xiàn)D-SOI聯(lián)盟已經(jīng)在全球逐漸打造出完整的產(chǎn)業(yè)鏈（圖6），覆蓋應(yīng)用、IC設(shè)計(jì)、代工、封測(cè)、材料等各個(gè)環(huán)節(jié)，具備了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈的建立得益于幾個(gè)里程碑的事件（圖7）：①Soitec突破了高質(zhì)量襯底的技術(shù)瓶頸；②STM、GF等陸續(xù)建立了28nm、22nm及以下節(jié)點(diǎn)代工平臺(tái)；③GF通過FDX Celerator項(xiàng)目吸引了眾多IC設(shè)計(jì)、EDA、IP等上游公司加入FD-SOI陣營(yíng)。
（3）中國(guó)的FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)（2013~今）
為了實(shí)現(xiàn)本土半導(dǎo)體的彎道超車，中國(guó)從2013年就開始關(guān)注和布局FD-SOI技術(shù)，為全球FD-SOI生態(tài)的建立做出了重要的貢獻(xiàn)，具體事件包括：①2014年，上海新傲科技獲得了Soitec Smart-Cut技術(shù)授權(quán)。目前新傲科技已實(shí)現(xiàn)了8寸SOI襯底片量產(chǎn)，未來(lái)計(jì)劃投資超過20億人民幣，利用二期工廠推出12寸FD-SOI產(chǎn)品；②上海NSIG在2016年宣布收購(gòu)14.5%的Soitec股權(quán)，促進(jìn)FD-SOI在中國(guó)的商業(yè)化；③GF 2017年宣布在成都興建12寸22FDX FD-SOI代工廠，并與成都市政府合作以6年時(shí)間建立一個(gè)累計(jì)投資規(guī)模超過1億美元的“世界級(jí)的FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)”；④中國(guó)的瑞芯微、上海復(fù)旦微電子，以及湖南國(guó)科微較早前已經(jīng)宣布采用22nm FD-SOI工藝設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)芯片等。
目前中國(guó)FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈布局已經(jīng)初具端倪；但是，襯底和代工廠尚未進(jìn)入規(guī)模化量產(chǎn)階段，IC設(shè)計(jì)公司尚處在MPW的設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，并且客戶數(shù)量較少，仍無(wú)法支撐FD-SOI工藝的成熟。
三、市場(chǎng)預(yù)測(cè)
基于目前FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)FD-SOI產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模做了一個(gè)統(tǒng)計(jì)，并對(duì)未來(lái)幾年的市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)。
圖8 FD-SOI產(chǎn)品潛在的市場(chǎng)規(guī)模（柱狀圖）和占全球半導(dǎo)體的市場(chǎng)份額（折線圖）預(yù)測(cè)
隨著未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信、汽車電子等對(duì)高性能、低功耗芯片需求的增長(zhǎng)，未來(lái)幾年FD-SOI市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)從2015年的0.7億美元增長(zhǎng)到2020年的超過40億美元，年平均增長(zhǎng)率為68%；從工藝節(jié)點(diǎn)來(lái)看，基于現(xiàn)有成熟的28nm和22nm節(jié)點(diǎn)的FD-SOI市場(chǎng)將維持穩(wěn)健的增長(zhǎng)。到2020年，12nm節(jié)點(diǎn)以下的FD-SOI產(chǎn)品將貢獻(xiàn)一半的市場(chǎng)份額；從市占比看，F(xiàn)D-SOI在全球半導(dǎo)體的市場(chǎng)份額會(huì)從2015年的0.2%增長(zhǎng)到2020年的接近10%。2017年之后先進(jìn)FD-SOI工藝平臺(tái)的建立以及產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸完善等，促使FD-SOI市場(chǎng)發(fā)生跳躍式地激增。可見，未來(lái)FD-SOI技術(shù)市場(chǎng)前景可期。