一 、簡介
UTBB-FD-SOI，簡稱FD-SOI，是一種基于兩大創(chuàng)新來實現(xiàn)平面晶體管結(jié)構(gòu)的工藝技術：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最大的特點是可以在無需全面改造設備結(jié)構(gòu)、完整性和生產(chǎn)流程的前提下實現(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)展狀況
（1）技術瓶頸突破階段（2000~2011）
FD-SOI技術是由伯克利的前任教授胡正明在2000年發(fā)明的。和體硅技術相比，F(xiàn)D-SOI可以實現(xiàn)對納米節(jié)點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世紀伊始，以Leti、Soitec、STM為代表的歐洲半導體科研機構(gòu)和公司開始投入該技術的研發(fā)。
圖2 DIBL的減小量隨頂層硅和BOX厚度變化的關系
早期大量的電學仿真結(jié)果表明，同時減小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壘降低（DIBL）程度（圖2）；但是當時市面上沒有商用的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)點的FD-SOI晶體管，實現(xiàn)了真正的FD-SOI器件的制備（圖3）。從那時起，SOI技術的發(fā)展環(huán)境才得以日益改善。2007年SOI聯(lián)盟成立以來，越來越多的公司和機構(gòu)開始加入到推廣FD-SOI技術的隊伍中，從此，F(xiàn)D-SOI技術才開始走向商業(yè)化的道路。
總體上，早期的FD-SOI技術處于初期探索階段，取得了一定的關鍵技術突破，但沒有出現(xiàn)具有市場競爭力的產(chǎn)品，代表性的僅是Oki Electric采用FD-SOI技術開發(fā)出用于低功耗手表的微控制器；而同時代的Intel 于2011年推出了商業(yè)化的FinFET技術，該技術大規(guī)模應用于從Intel Core i7-3770之后的22nm級的高性能處理器產(chǎn)品中。之后TSMC采用FinFET技術也取得了巨大的成功，F(xiàn)D-SOI失去了占領市場的黃金時間窗口。彼時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：高產(chǎn)能、高質(zhì)量的FD-SOI襯底制備技術仍不成熟；FD-SOI襯底的價格（$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技術的生態(tài)系統(tǒng)在以下幾個方面逐步壯大。
FD-SOI襯底供應：最近幾年，正是由于FD-SOI襯底材料取得了突破性進展，特別是超薄BOX（20nm量級）及超薄頂硅（10nm量級）的襯底投入應用，使得納米級FD-SOI CMOS迅速發(fā)展。Soitec是最早（2013年）實現(xiàn)FD-SOI襯底片成熟量產(chǎn)的公司，也是目前FD-SOI襯底的主要供應商，其300mm晶圓廠能夠支持65nm、28nm、22nm及更為先進的節(jié)點上大規(guī)模采用FD-SOI技術（圖4）。為了因應市場的長期需求，Soitec實施了三大策略，包括：①實施技術授權(quán)，快速擴充產(chǎn)能。Soitec于2012年和2013年先后將Smart-Cut技術授權(quán)給日本SEH和美國SunEdison；②與代工廠強強聯(lián)手，鞏固供應鏈。Soitec宣布了與Globalfoundries（GF）簽署一項為期五年的協(xié)議，確保對后者供應充足的先進FD-SOI襯底片；③加大資本投資，規(guī)劃全球建廠。2017年，Soitec宣布未來兩年將投資4000萬歐元將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)列入第三階段的擴充計劃（圖4）。
圖4 Soitec FD-SOI襯底產(chǎn)品路線圖及產(chǎn)能計劃
FD-SOI代工工藝：一直推動并采用FD-SOI工藝的STM于2012年推出了28nm FD-SOI工藝平臺。STM之所以選擇28nm節(jié)點切入，是出于工藝制造成本考量（圖5）。從那時起，集成電路行業(yè)才真正將FD-SOI技術納入未來物聯(lián)網(wǎng)等領域的技術解決方案行列。隨后2014年，STM將該技術平臺授權(quán)給三星。三星目前已拿下NXP SoC芯片代工訂單，預計2019年推出下一代18nm FD-SOI技術。
圖5 不同工藝節(jié)點的柵極成本
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)進入多項目襯底（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12FDX，實現(xiàn)了業(yè)內(nèi)首個多節(jié)點FD-SOI路線圖。此外，為了加強22FDX SoC技術生態(tài)系統(tǒng)建設、縮短產(chǎn)品上市時間，GF推出新的合作伙伴項目，稱為FDX celerator，該項目現(xiàn)有35個合作伙伴，涵蓋半導體產(chǎn)業(yè)鏈上下游業(yè)者，包括：自動化設計工具（EDA）、設計元素（IP）、平臺 (ASIC)、引用方案（系統(tǒng)IP，引用型設計）、資源（設計咨詢，服務）、產(chǎn)品封裝和測試（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22FDX的需求。在中國，GF和成都已宣布合資建造晶圓廠，計劃二期建造22FDX工藝生產(chǎn)線。另外，GF計劃到2020年將其位于德國德累斯頓的Fab 1工廠的產(chǎn)能擴大40％。未來GF每年將擁有超過200萬個FD-SOI晶圓的產(chǎn)能。
FD-SOI設計服務：目前，眾多EDA公司正積極研發(fā)與FD-SOI相關的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平臺和設計服務；Cadence和Synopsys也已有經(jīng)過驗證的FD-SOI IP；在GF推出22nm FD-SOI代工平臺后，ARM、Mentor等也紛紛表示支持，著手開發(fā)基于FD-SOI的IP；芯片設計業(yè)者聯(lián)發(fā)科、瑞芯微等也宣布采用FD-SOI工藝。
FD-SOI產(chǎn)品應用：在STM、三星的推動下，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、消費電子、物聯(lián)網(wǎng)等領域。成功案例包括NXP/飛思卡爾的i.MX7和i.MX8和其它8款應用處理器平臺、索尼的新一代的GPS、Eutelsat Communications推出的新一代交互式應用SoC等；22nm FD-SOI制程的產(chǎn)品又拓展到了汽車電子領域，比如Dream Chip推出業(yè)界首款用于汽車計算機視覺應用的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），覆蓋應用、IC設計、代工、封測、材料等各個環(huán)節(jié)，具備了一定的產(chǎn)業(yè)基礎。FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈的建立得益于幾個里程碑的事件（圖7）：①Soitec突破了高質(zhì)量襯底的技術瓶頸；②STM、GF等陸續(xù)建立了28nm、22nm及以下節(jié)點代工平臺；③GF通過FDX Celerator項目吸引了眾多IC設計、EDA、IP等上游公司加入FD-SOI陣營。
（3）中國的FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈建設（2013~今）
為了實現(xiàn)本土半導體的彎道超車，中國從2013年就開始關注和布局FD-SOI技術，為全球FD-SOI生態(tài)的建立做出了重要的貢獻，具體事件包括：①2014年，上海新傲科技獲得了Soitec Smart-Cut技術授權(quán)。目前新傲科技已實現(xiàn)了8寸SOI襯底片量產(chǎn)，未來計劃投資超過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14.5%的Soitec股權(quán)，促進FD-SOI在中國的商業(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年時間建立一個累計投資規(guī)模超過1億美元的“世界級的FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)”；④中國的瑞芯微、上海復旦微電子，以及湖南國科微較早前已經(jīng)宣布采用22nm FD-SOI工藝設計物聯(lián)網(wǎng)芯片等。
目前中國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入規(guī)?；慨a(chǎn)階段，IC設計公司尚處在MPW的設計驗證階段，并且客戶數(shù)量較少，仍無法支撐FD-SOI工藝的成熟。
三、市場預測
基于目前FD-SOI產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展現(xiàn)狀，對FD-SOI產(chǎn)品的市場規(guī)模做了一個統(tǒng)計，并對未來幾年的市場規(guī)模進行預測。
圖8 FD-SOI產(chǎn)品潛在的市場規(guī)模（柱狀圖）和占全球半導體的市場份額（折線圖）預測
隨著未來物聯(lián)網(wǎng)、無線通信、汽車電子等對高性能、低功耗芯片需求的增長，未來幾年FD-SOI市場規(guī)模將會從2015年的0.7億美元增長到2020年的超過40億美元，年平均增長率為68%；從工藝節(jié)點來看，基于現(xiàn)有成熟的28nm和22nm節(jié)點的FD-SOI市場將維持穩(wěn)健的增長。到2020年，12nm節(jié)點以下的FD-SOI產(chǎn)品將貢獻一半的市場份額；從市占比看，F(xiàn)D-SOI在全球半導體的市場份額會從2015年的0.2%增長到2020年的接近10%。2017年之后先進FD-SOI工藝平臺的建立以及產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸完善等，促使FD-SOI市場發(fā)生跳躍式地激增?？梢姡磥鞦D-SOI技術市場前景可期。