一 、簡介
UTBB-FD-SOI，簡稱FD-SOI，是一種基于兩大創新來實現平面晶體管結構的工藝技術：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構、完整性和生產流程的前提下實現摩爾定律下的芯片面積微縮、能耗節省、性能提升及功能拓展。FD-SOI晶體管的結構如圖1所示。
圖1 FD-SOI晶體管示意圖和TEM截面圖
二、全球產業發展狀況
（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年發明的。和體硅技術相比，FD-SOI可以實現對納米節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和公司開始投入該技術的研發。
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的晶體管結構是通過Silicon-on-Nothing（SON）方法在體硅上首次實現的（圖3）；2006年Soitec研發出滿足商用的高質量FD-SOI襯底之后，STM聯合Leti、Soitec開發出基于28nm節點的FD-SOI晶體管，實現了真正的FD-SOI器件的制備（圖3）。從那時起，SOI技術的發展環境才得以日益改善。2007年SOI聯盟成立以來，越來越多的公司和機構開始加入到推廣FD-SOI技術的隊伍中，從此，FD-SOI技術才開始走向商業化的道路。
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，但沒有出現具有市場競爭力的產品，代表性的僅是Oki Electric采用FD-SOI技術開發出用于低功耗手表的微控制器；而同時代的Intel 于2011年推出了商業化的FinFET技術，該技術大規模應用于從Intel Core i7-3770之后的22nm級的高性能處理器產品中。之后TSMC采用FinFET技術也取得了巨大的成功，FD-SOI失去了占領市場的黃金時間窗口。彼時FD-SOI沒有形成具備商業性質的產業鏈的瓶頸在于襯底的供應：高產能、高質量的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）產業鏈加速完善階段（2012~今）
從2012年開始，FD-SOI技術的生態系統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迅速發展。Soitec是最早（2013年）實現FD-SOI襯底片成熟量產的公司，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及更為先進的節點上大規模采用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，快速擴充產能。Soitec于2012年和2013年先后將Smart-Cut技術授權給日本SEH和美國SunEdison；②與代工廠強強聯手，鞏固供應鏈。Soitec宣布了與Globalfoundries（GF）簽署一項為期五年的協議，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襯底片的產量提升到1.5M片/年，另外1.5M片/年的產能也已經列入第三階段的擴充計劃（圖4）。
圖4 Soitec FD-SOI襯底產品路線圖及產能計劃
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，集成電路行業才真正將FD-SOI技術納入未來物聯網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 不同工藝節點的柵極成本
作為行業三大襯底代工廠商之一，GF這幾年在推廣FD-SOI技術發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已經獲得超過135家客戶的青睞，其中部分客戶已經進入多項目襯底（MPW）試產或正式投片。基于22FDX的成功，2016年，GF研發出新的12nm FD-SOI工藝技術12FDX，實現了業內首個多節點FD-SOI路線圖。此外，為了加強22FDX SoC技術生態系統建設、縮短產品上市時間，GF推出新的合作伙伴項目，稱為FDX celerator，該項目現有35個合作伙伴，涵蓋半導體產業鏈上下游業者，包括：自動化設計工具（EDA）、設計元素（IP）、平臺 (ASIC)、引用方案（系統IP，引用型設計）、資源（設計咨詢，服務）、產品封裝和測試（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工廠的產能擴大40％。未來GF每年將擁有超過200萬個FD-SOI晶圓的產能。
FD-SOI設計服務：目前，眾多EDA公司正積極研發與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，現在能夠在28nm和22nm提供IP平臺和設計服務；Cadence和Synopsys也已有經過驗證的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，著手開發基于FD-SOI的IP；芯片設計業者聯發科、瑞芯微等也宣布采用FD-SOI工藝。
FD-SOI產品應用：在STM、三星的推動下，采用28nm FD-SOI制程的產品現在已用于包括IT網路、伺服器、消費電子、物聯網等領域。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制程的產品又拓展到了汽車電子領域，比如Dream Chip推出業界首款用于汽車計算機視覺應用的ADAS SoC芯片。
圖6 FD-SOI產業鏈
圖7 FD-SOI產業發展里程碑事件
經過近5年的發展，FD-SOI聯盟已經在全球逐漸打造出完整的產業鏈（圖6），覆蓋應用、IC設計、代工、封測、材料等各個環節，具備了一定的產業基礎。FD-SOI產業鏈的建立得益于幾個里程碑的事件（圖7）：①Soitec突破了高質量襯底的技術瓶頸；②STM、GF等陸續建立了28nm、22nm及以下節點代工平臺；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產業鏈建設（2013~今）
為了實現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。目前新傲科技已實現了8寸SOI襯底片量產，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產品；②上海NSIG在2016年宣布收購14.5%的Soitec股權，促進FD-SOI在中國的商業化；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模超過1億美元的“世界級的FD-SOI生態系統”；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宣布采用22nm FD-SOI工藝設計物聯網芯片等。
目前中國FD-SOI產業鏈布局已經初具端倪；但是，襯底和代工廠尚未進入規模化量產階段，IC設計公司尚處在MPW的設計驗證階段，并且客戶數量較少，仍無法支撐FD-SOI工藝的成熟。
三、市場預測
基于目前FD-SOI產業鏈的發展現狀，對FD-SOI產品的市場規模做了一個統計，并對未來幾年的市場規模進行預測。
圖8 FD-SOI產品潛在的市場規模（柱狀圖）和占全球半導體的市場份額（折線圖）預測
隨著未來物聯網、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%；從工藝節點來看，基于現有成熟的28nm和22nm節點的FD-SOI市場將維持穩健的增長。到2020年，12nm節點以下的FD-SOI產品將貢獻一半的市場份額；從市占比看，FD-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業鏈的逐漸完善等，促使FD-SOI市場發生跳躍式地激增。可見，未來FD-SOI技術市場前景可期。