从概念到现状，一文读懂FD-SOI

时间：2022-12-31 20:30:03

关键字：耗尽型绝缘体硅

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[导读]全耗尽型绝缘体上硅（FD-SOI）是一种平面工艺技术，依赖于两项主要技术创新。首先，在衬底上面制作一个超薄的绝缘层，又称埋氧层。

全耗尽型绝缘体上硅（FD-SOI）是一种平面工艺技术，依赖于两项主要技术创新。首先，在衬底上面制作一个超薄的绝缘层，又称埋氧层。

用一个非常薄的硅膜制作晶体管沟道。因为沟道非常薄，无需对通道进行掺杂工序，耗尽层充满整个沟道区，即全耗尽型晶体管。

这两项创新技术合称“超薄体硅与埋氧层全耗尽型绝缘体上硅”，简称UTBB-FD-SOI。

从结构上看， FD-SOI晶体管的静电特性优于传统体硅技术。埋氧层可以降低源极和漏极之间的寄生电容，还能有效地抑制电子从源极流向漏极，从而大幅降低导致性能下降的漏电流。

此外，FD-SOI还具有许多其他方面的独特优点，包括具有背面偏置能力，极好的晶体管匹配特性，可使用接近阈值的低电源电压，对辐射具有超低的敏感性，以及具有非常高的晶体管本征工作速度等，这些优点使得它能工作在毫米波频段的应用中。

FD-SOI发展史

在过去的几十年中，晶体管的尺寸不断缩小，同时性能显著提高，功耗大幅降低。受益于晶体管技术进步，电子产品性能也变得更好，能够以更快捷、更简单、更高效的方式，做更有用的、更重要的、更有价值的事情。

FD-SOI技术是由伯克利的前任教授胡正明在2000年发明的。和体硅技术相比，FD-SOI可以实现对纳米节点工艺制程下晶体管电流的有效控制和阈值电压的灵活调控，因而21世纪伊始，以Leti、Soitec、STM为代表的欧洲半导体科研机构和公司开始投入该技术的研发。

FD-SOI 晶体管示意图

DIBL 的减小量随顶层硅和 BOX 厚度变化的关系

而这些技术起到关键作用的正是其发明者胡正明教授。

1999年，胡正明教授在美国加州大学领导着一个由美国国防部高级研究计划局出资赞助的研究小组，当时他们的研究目标是CMOS技术如何拓展到25nm及以下领域。因为当栅极长度逼近20nm大关时，对电流控制能力急剧下降，漏电率相应提高。传统的平面MOSFET结构中，已不再适用。而到2010年时，Bulk CMOS（体硅）工艺技术会在20nm走到尽头。

胡教授提出了有两种解决途径：一种立体型结构的FinFET晶体管（鳍式晶体管，1999年发布)，另外一种是基于SOI的超薄绝缘层上硅体技术 (UTB-SOI，也就是FD-SOI晶体管技术，2000年发布)。

FinFET和FD-SOI工艺的发明得以使10nm/14nm/16nm摩尔定律在今天延续传奇。

早期大量的电学仿真结果表明，同时减小 FD-SOI 衬底的 BOX 厚度和顶层硅厚度能够降低晶体管的漏致势垒降低（DIBL）程度；但是当时市面上没有商用的 FD-SOI 衬底，具有超薄顶硅、超薄 BOX 的晶体管结构是通过 Silicon-on-Nothing（SON）方法在体硅上首次实现的。

2006 年 Soitec 研发出满足商用的高质量 FD-SOI 衬底之后，STM 联合 Leti、Soitec 开发出基于 28nm 节点的 FD-SOI 晶体管，实现了真正的 FD-SOI 器件的制备。从那时起，SOI 技术的发展环境才得以日益改善。2007 年 SOI 联盟成立以来，越来越多的公司和机构开始加入到推广 FD-SOI 技术的队伍中，从此，FD-SOI 技术才开始走向商业化的道路。

总体上，早期的 FD-SOI 技术处于初期探索阶段，取得了一定的关键技术突破，但没有出现具有市场竞争力的产品，代表性的仅是 Oki Electric 采用 FD-SOI 技术开发出用于低功耗手表的微控制器；而同时代的 Intel 于 2011 年推出了商业化的 FinFET 技术，该技术大规模应用于从 Intel Core i7-3770 之后的 22nm 级的高性能处理器产品中。

之后 TSMC 采用 FinFET 技术也取得了巨大的成功，FD-SOI 失去了占领市场的黄金时间窗口。彼时 FD-SOI 没有形成具备商业性质的产业链的瓶颈在于衬底的供应：高产能、高质量的 FD-SOI 衬底制备技术仍不成熟；FD-SOI 衬底的价格（$400–$500）比体硅（$130）高三到四倍，衬底成本因素也限制了 FD-SOI 的市场拓展。

STM 及合作伙伴制备薄膜（顶硅和 BOX）上晶体管方法的演进过程

从 2012 年开始，几大晶圆厂在FD-SOI 技术上的布局开始逐渐扩大。

STMicroelectronic

STM于2012年推出了28纳米FD-SOI，生产自他们的Crolles II–300mm晶圆厂。与ST Micro的28纳米体工艺相比，28纳米FD-SOI工艺的性能提高了32 % - 84 %。ST Micro也与CEA Leti一同开发了一种14纳米工艺，但是还没有投入生产。据报道，2018年ST Micro开始与格芯合作开发格芯的22FDX FD-SOI工艺，因此长远来看ST Micro可能不会继续生产他们自己的FD-SOI，而是可能会转向这种技术的无晶圆厂模式。Crolles II是一个产能相对较低的300mm晶圆厂，而ST Micro在晶圆厂生产其他产品，因此FD-SOI的产量可能不大。

三星

三星获得了ST Micro的28纳米FD-SOI工艺许可，并利用它创建了三星的28纳米FDS工艺，于2015年投入生产。28FDS为射频应用、嵌入式MRAM非易失性存储器提供达400 GHz以上的最大频率（fmax），可应用于汽车。28FDS有一个1.0伏的Vdd。2019年三星正式量产首款商用的eMRAM（嵌入式磁随机存取存储器），采用三星的28FDS（28nm FD-SOI，耗尽型绝缘层上硅）工艺制造。

2019年9月16日，三星电子高级副总裁Gitae Jeong在第七届上海FD-SOI论坛上表示，在下一阶段将会是18FDS技术的诞生。18FDS拥有更低的成本以及更低的功耗，性能可以增加35%，功耗降低50%。

格芯（GF）

格芯的22FDX工艺于2017年投入生产，提供400 GHz fmax、嵌入式MRAM非易失性存储器，可应用于汽车。对于低功耗应用，22FDX可以在低至0.4伏的电压下工作。22FDX的前端基于ST Micro 14纳米工艺，后端优化了成本，有两个双层曝光层，其余层为单层曝光。第二代12FDX工艺原本应在2019年推出，但格芯推迟了该工艺的推出，因为客户现在才设计和升级22FDX产品。

12FDX的开发进展顺利，将根据需要推出，估计推出时间将在2020年左右。12FDX将能够在低于0.4伏的电压下工作并且性能较22FDX提高20%以上。

格芯正在其德累斯顿晶圆厂生产22FDX，且产能相当大。在中国成长起来的晶圆厂也将成为未来FD-SOI的产能来源。

2019年9月16日举行的第七届上海FD-SOI论坛上，格芯高级副总裁Americo Lemos指出，高速增长的物联网市场将会为FD-SOI带来巨大的发展机遇，未来FD-SOI工艺也将为物联网产业提供更低功耗，更安全的解决方案。

FD-SOI工艺在中国市场的发展良好，2019年，22FDX 50%以上的流片都是来自中国客户，数量上也相对于2018年也有了较大幅度的增长。

FD-SOI 生态系统

在FD-SOI 衬底供应方面，Soitec 是最早（2013 年）实现 FD-SOI 衬底片成熟量产的公司，也是目前 FD-SOI 衬底的主要供应商，其 300mm 晶圆厂能够支持 65nm、28nm、22nm 及更为先进的节点上大规模采用 FD-SOI 技术。

在FD-SOI 设计服务方面，众多 EDA 公司正积极研发与 FD-SOI 相关的 IP。芯原微电子从 2013 年就与 STM 在 ST28nm FD-SOI 上合作、2014 年开始和三星在 SEC28nm FD-SOI 上合作、2015 年开始和 GF 在 GF22nm FD-SOI 上合作，现在能够在 28nm 和 22nm 提供 IP 平台和设计服务；Cadence 和 Synopsys 也已有经过验证的 FD-SOI IP；在 GF 推出 22nm FD-SOI 代工平台后，ARM、Mentor 等也纷纷表示支持，着手开发基于 FD-SOI 的 IP；芯片设计业者联发科、瑞芯微等也宣布采用 FD-SOI 工艺。

在FD-SOI 产品应用端：在 STM、三星的推动下，采用 28nm FD-SOI 制程的产品现在已用于包括 IT 网路、伺服器、消费电子、物联网等领域。成功案例包括 NXP / 飞思卡尔的 i.MX7 和 i.MX8 和其它 8 款应用处理器平台、索尼的新一代的 GPS、Eutelsat Communications 推出的新一代交互式应用 SoC 等；22nm FD-SOI 制程的产品又拓展到了汽车电子领域，比如 Dream Chip 推出业界首款用于汽车计算机视觉应用的 ADAS SoC 芯片。

应用领域及优势

SOI晶片的类型以及市场/应用

从应用领域角度来看，汽车是2xnm FDSOI技术的主要应用领域，包括雷达、供电电池等物联网设备。此外，由于移动IC应用的功耗必须足够低以最大限度的延长电池寿命，因此FDSOI技术也十分适合移动IC应用。

1，物联网、可穿戴市场方面。能够超低电压运行：FDSOI是一种低功率技术，允许工作电压低至0.4V，其中每一步操作能耗都达到最低。

FBB优化电源/性能：得益于其超薄埋氧层（BOX），FDSOI具有反向偏置功能，可以根据应用程序的不同轻松调整电源/性能。这使得一个平台能够满足过个应用案例。

高效射频和模拟集成：由于FDSOI是一种平面技术，相较于3D设备，所产生的寄生电容要少的多。

2，汽车方面，其高温环境泄露情况良好。具备高可靠性：研究表明，相较于标准批量加工技术，FDSOI能够将软错误率（soft error rate）改善100到1000倍。这对于汽车和航空航天应用尤为重要。

3、网络基础设施与机器学习，其节能多核。由于埋氧层薄，通过正向体偏压（FBB）使得性能和功率适应工作负载。此外，该技术内存设备性能优异。

4，消费类多媒体方面，能够优化SoC集成（混合信号和射频）。在所有高温条件下的节能SoC。在空闲模式下的漏电流优化。

据美国商业战略公司（IBS）的一篇名为《FinFET and FD-SOI：market and cost analysis》的文章中提到：传统的半导体工艺，尤其是FinFET技术，不仅需要大量的资金投入，也需要深入的技术研究，这些都不是短期内能够弥补的。更不要说随着收购愈来愈难，先进的技术很难真正进入国内。FD-SOI工艺让我们看到了未来突破的希望。

作为与FinFET技术几乎同时出现的另一种工艺技术，FD-SOI工艺似乎一直活在FinFET的阴影里。

随着物联网、人工智能、智能驾驶这样的新应用对半导体提出了全新的挑战，而FinFET工艺也遇到了瓶颈，尤其是FinFET的制造、研发成本越来越高，已经远远不是一般玩家能够承受的起的了。