SOI芯片熱潮再起，中國市場(chǎng)信心大增

受到美國政府的干擾，中國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到了諸多困難，同時(shí)也給原來(lái)沒(méi)有得到足夠關(guān)注的技術(shù)或企業(yè)提供了很好的發(fā)展機遇，SOI（絕緣體上硅）制程工藝就是其中之一。

2019 年之前，當先進(jìn)制程工藝演進(jìn)到 10nm 時(shí)，當時(shí)昂貴的價(jià)格，以及漏電流帶來(lái)的功耗水平偏高問(wèn)題，一直是業(yè)界關(guān)注的難題，SOI 正是看到了 FinFET 的這些缺點(diǎn)，才引起人們關(guān)注的，它最大的特點(diǎn)就是成本可控，且漏電流非常小，功耗低。

在實(shí)際應用中，SOI 主要分為 FD-SOI（全耗盡型絕緣體上硅）和 RF-SOI（射頻絕緣體上硅）。

FD-SOI 主要用于處理器等邏輯芯片制造，因此，與 FinFET 對標的就是 FD-SOI。從目前的發(fā)展情況來(lái)看，FD-SOI 主要與 10nm 之前的 FinFET 工藝競爭，而目前已經(jīng)量產(chǎn)的 5nm、3nm 制程，則不在 FD-SOI 競爭范圍之內。在 10nm 制程之前時(shí)代，FinFET 技術(shù)路線(xiàn)的先進(jìn)工藝具有工藝復雜、工序繁多、良率下降等問(wèn)題，使得在 28 nm 以下制程的每門(mén)成本不降反升，而 FD-SOI 卻在低功耗、防輻射、低軟錯誤率、耐高溫和 EMC 等方面具備明顯優(yōu)勢。

FD-SOI 有兩大技術(shù)亮點(diǎn)：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。從結構上看，FD-SOI 晶體管的靜電特性?xún)?yōu)于傳統體硅技術(shù)。埋氧層可以降低源極和漏極之間的寄生電容，還能有效抑制電子從源極流向漏極，大幅降低了導致性能下降的漏電流。

在相同條件下，12nm FD-SOI 的制造成本比 16nm FinFET 低 22.4%，比 10nm FinFET 低 23.4%。設計成本方面，12nm FD-SOI 大概在 5000 萬(wàn)-5500 萬(wàn)美元之間，而 16nm FinFET 達到了 7200 萬(wàn)美元。

RF-SOI 主要用于射頻芯片，如低噪聲放大器（LNA）、射頻開(kāi)關(guān)以及天線(xiàn)調諧器等，在毫米波應用中，RF-SOI 可以用來(lái)制造功放。與傳統的 GaAs 和 SOS 工藝相比，RF-SOI 不僅成本更低、集成度更高，還發(fā)揮了 SOI 材料結構的優(yōu)勢，所實(shí)現的器件具有高品質(zhì)、低損耗、低噪聲等射頻性能，主要用于制造智能手機和無(wú)線(xiàn)通信設備上的射頻前端芯片。

目前，RF-SOI 應用非常廣泛，相對而言，FD-SOI 應用發(fā)展較為緩慢。

產(chǎn)業(yè)鏈構成

SOI 產(chǎn)業(yè)鏈涉及晶圓、襯底、晶圓廠(chǎng)，以及相關(guān)芯片設計公司和 IDM 廠(chǎng)商。

SOI 晶圓制造廠(chǎng)商主要分布在歐洲、日本和中國臺灣地區，晶圓代工廠(chǎng)則在歐洲、韓國、美國和中國大陸地區。

SOI 晶圓制造廠(chǎng)商主要包括法國 SOITEC、芬蘭 Okmetic、日本信越 (Shin-Etsu)、勝高 (SUMCO)、中國臺灣環(huán)球晶，以及中國大陸的上海新傲（SIMGUI）。

在 SOI 晶圓和襯底材料方面投入較多資源的廠(chǎng)商主要有信越、Okmetic 和環(huán)球晶，特別是在 SOI 發(fā)展前期，這些廠(chǎng)商在 FD-SOI 方面投入較多，近些年，更加側重對 RF-SOI 的投入。

SOI 晶圓代工廠(chǎng)主要包括格芯（GlobalFoundries）、三星電子、意法半導體（STM）、聯(lián)電、TowerJazz，以及華虹宏力和中芯國際。其中，格芯是 SOI 技術(shù)和相關(guān)芯片制造的領(lǐng)頭羊，該公司 SOI 晶圓廠(chǎng)大多集中在德國和新加坡。

據 QYResearch 統計，全球前四大 SOI 晶圓廠(chǎng)商格芯、三星電子、STM 和中芯國際約占全球 98% 的市場(chǎng)份額。

SOI 制程技術(shù)和應用

先看一下 FD-SOI 的應用情況：

在工藝技術(shù)和應用層面，總的來(lái)說(shuō)，FinFET 的目標市場(chǎng)是中高端的高性能芯片，而 FD-SOI 則是面向中端的、要求低功耗和高性?xún)r(jià)比的應用。

手機市場(chǎng)不斷變化，但有些需求是始終不變的，比如手機必須在有需要的時(shí)候提供非常高的性能，但是它的耗電又必須很低。AR 和 AI 技術(shù)越來(lái)越成熟，越來(lái)越多的可穿戴設備進(jìn)入市場(chǎng)和人們的生活，這些設備必須小而輕，它既要具備高算力，耗電還要低。這些都是 FD-SOI 的應用市場(chǎng)。

作為領(lǐng)頭羊，格芯于 2015 年提出了 22FDX（22nm FD-SOI 工藝）產(chǎn)品規劃，并于 2016 年發(fā)布了 12FDX（12nm FD-SOI 工藝）平臺計劃和路線(xiàn)圖。據悉，12FDX 的工作電壓將低于 0.4 伏，該技術(shù)的優(yōu)勢是能夠改變體偏壓，相比 16nm 和 14nm 的 FinFET 工藝，12FDX 的能耗降低了 50%。格芯稱(chēng) 12FDX 可實(shí)現接近于 7LP 工藝的性能。

格芯表示，22FDX 很好地整合了 RF，這也是它相對于 FinFET 工藝最大的優(yōu)勢所在，還有很重要的一點(diǎn)是能夠實(shí)現智能縮放，無(wú)需三重/四重曝光。對比 10nm 的 FinFET，它的掩膜成本降低了 40%，并且在模擬設計方面也更加靈活，這意味著(zhù)降低了成本，并減少設計周期。

近些年，FD-SOI 推廣的最大障礙是不完善的生態(tài)系統以及缺少相關(guān) IP，因此，格芯在這些方面做了不少工作，據悉，22FDX 已經(jīng)有 30 個(gè) IP 合作伙伴，包括 INVECAS、Synopsys、Verisilicon、Uniquify 等。

隨著(zhù)嵌入式 MRAM（eMRAM）的興起，SOI 又有了新的用武之地。22FDX eMRAM 是一個(gè)典型代表，其在物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)電子等新興應用方面，有著(zhù)很不錯的發(fā)展前景。

格芯推出了基于 22FDX 平臺的 eMRAM 技術(shù)，主要面向消費領(lǐng)域、工業(yè)控制器、數據中心、物聯(lián)網(wǎng)及汽車(chē)等應用的 MCU。FDX 平臺和 eMRAM 的能效連同 RF 連接功能和毫米波 IP，使得 22FDX 成為電池驅動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)雷達 SoC 的優(yōu)選方案。

2018 年，格芯投產(chǎn)的 12 nm FD-SOI 芯片幾乎擁有 10 nm FinFET 工藝芯片同等的性能，但功耗和生產(chǎn)成本卻比 16 nm FinFET 工藝產(chǎn)品還低。

除了格芯，三星也是 FD-SOI 的重要推動(dòng)力量，三星 LSI 推出了「28FDS」技術(shù)和產(chǎn)品，這是三星與意法半導體深度合作的結果，得到了后者的技術(shù)授權。

三星晶圓代工業(yè)務(wù)部門(mén)的發(fā)展路徑主要分為兩條：從 28nm 節點(diǎn)開(kāi)始，一條是按照摩爾定律繼續向下發(fā)展，不斷提升 FinFET 的工藝節點(diǎn)，從 14nm 到目前的 3nm；另一條線(xiàn)路就是 FD-SOI 工藝，該公司還利用其在存儲器制造方面的技術(shù)和規模優(yōu)勢，著(zhù)力打造 eMRAM。

實(shí)際上，三星在 MRAM 研發(fā)方面算是起步較早的廠(chǎng)商，2002 年就開(kāi)始了這項工作，并于 2005 年開(kāi)始進(jìn)行 STT-MRAM 的研發(fā)，之后不斷演進(jìn)，2014 年就生產(chǎn)出了 8Mb 的 eMRAM。該公司還研制出了業(yè)界第一款采用 28FDS 工藝的 eMRAM 芯片。

近些年，三星還在向 18FDS（18nm 的 FD-SOI）進(jìn)發(fā)。

2022 年 4 月，CEA（法國原子能和替代能源委員會(huì )）、SOITEC、格芯和意法半導體聯(lián)合制定了下一代 FD-SOI 技術(shù)發(fā)展規劃，以促進(jìn) FD-SOI 在汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設備中的應用。意法半導體則重啟了向 1X 納米制程節點(diǎn)的演進(jìn)計劃，在先進(jìn)制程方面明確選擇了 FD-SOI 技術(shù)路線(xiàn)為突破重點(diǎn)。

下面看一下 FD-SOI 在新興應用領(lǐng)域的發(fā)展情況：

RISC-V 與 FD-SOI 搭配很值得關(guān)注。從 2011 年至今，加州大學(xué)伯克利分校電子工程和計算機科學(xué)系的 Borivoje Nikolic 教授帶領(lǐng)的研究團隊已經(jīng)設計了超過(guò) 10 款采用 28nm FD-SOI 工藝的芯片，其中 9 個(gè)完成了功能測試，6 款對外發(fā)布。

近幾年，FD-SOI 在汽車(chē)上的應用也成熟起來(lái)，特別是雷達。傳統汽車(chē)雷達芯片主要采用模擬制造工藝，近些年，CMOS 工藝（如 40nm、28nm、22nm、16nm）越來(lái)越多地用于汽車(chē)雷達芯片，為電路提供了高集成度。

在用于汽車(chē)雷達芯片的 CMOS 工藝中，22nm FD-SOI 技術(shù)明顯優(yōu)于 FinFET，該技術(shù)被多家雷達芯片廠(chǎng)商（如 Bosh 和 Arbe）視為最先進(jìn)的雷達 CMOS 技術(shù)，能夠提供 ft >350Ghz 和 Fmax > 390Ghz 的晶體管性能，并具保持低功耗。

在汽車(chē)雷達芯片中，FD-SOI 的體偏置優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮。體偏置允許控制器件調整閾值電壓，通過(guò)在產(chǎn)品中實(shí)施體偏置，可以顯著(zhù)減少芯片工藝、電壓、溫度變化帶來(lái)的老化問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化汽車(chē)雷達產(chǎn)品工程師的工作。

再看一下 RF-SOI 的應用情況：

如前文所述，RF-SOI 主要用于制造射頻芯片，特別是射頻開(kāi)關(guān)，被 RF-SOI 占據了絕大部分市場(chǎng)份額。國際大廠(chǎng) Qorvo、Peregrine、Skyworks 等，以及中國本土射頻芯片大廠(chǎng)，都提供基于 RF-SOI 的開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，制造通常交給代工廠(chǎng)格芯、意法半導體、TowerJazz、聯(lián)電等。

基于 RF-SOI 工藝的射頻開(kāi)關(guān)多采用 180nm-45nm 的制程，晶圓尺寸以 8 英寸為主，12 英寸的比較少，主要原因是成本，不過(guò)，從目前的發(fā)展形勢來(lái)看，采用 12 英寸晶圓產(chǎn)線(xiàn)制造 RF-SOI 芯片的案例會(huì )越來(lái)越多。

目前，產(chǎn)業(yè)龍頭格芯面對用于 5G 手機的 RF-SOI 射頻芯片，主要采用 45nm RF-SOI 工藝，該工藝采用了高電阻率 trap-rich 的 SOI 襯底，可以集成 PA，LNA，開(kāi)關(guān)，移相器。

模擬芯片晶圓代工廠(chǎng) TowerJazz 也很重視 RF-SOI 工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)，該公司制造的 RF-SOI 芯片在 RonCoff 特性方面具有比較突出的性能優(yōu)勢，能夠實(shí)現很低的插入損耗。

中國的 SOI 發(fā)展機遇

近些年，中國大陸企業(yè)在 SOI 晶圓、襯底、代工、IP 等方面也取得了進(jìn)步。

作為中國大陸硅片制造龍頭企業(yè)，滬硅產(chǎn)業(yè)旗下子公司獲得了 SOITEC 的技術(shù)授權，公司于 2022 年 2 月完成 50 億元定增，其中 20 億元投入高端硅基材料研發(fā)，SOI 就是重要組成部分。

上海新傲是研發(fā)和制造 SOI 材料的公司，采用 SIMOX，BONDING，SIMBOND 和 Smart-Cut 等技術(shù)，可以提供一體化的 RF-SOI 材料服務(wù)，是國內 RF-SOI 產(chǎn)業(yè)鏈重要一環(huán)。

最近，中國在 12 英寸 RF-SOI 晶圓襯底制造技術(shù)方面取得了突破，中國科學(xué)院上海微系統所魏星研究員團隊制備出了國內第一片 12 英寸 RF-SOI 晶圓。該團隊依次解決了 12 英寸 RF-SOI 晶圓所需的低氧高阻晶體制備、低應力高電阻率多晶硅薄膜沉積、非接觸式平坦化等諸多核心技術(shù)難題，實(shí)現了中國本土 12 英寸 SOI 制造技術(shù)從無(wú)到有的重大突破。

為制備適用于 12 英寸 RF-SOI 的低氧高阻襯底，該團隊自主開(kāi)發(fā)了耦合橫向磁場(chǎng)的三維晶體生長(cháng)傳熱傳質(zhì)模型，并首次揭示了晶體感應電流對硅熔體內對流和傳熱傳質(zhì)的影響機制，以及結晶界面附近氧雜質(zhì)的輸運機制?；诖四M結果指導拉晶工藝，最終成功制備出了適用于 12 英寸 RF-SOI 的低氧高阻襯底，氧含量小于 5 ppma，電阻率大于 5000 ohm.cm。

晶圓代工方面，中芯國際一直在進(jìn)行 RF-SOI 平臺的研發(fā)和升級工作，推出的 0.13um 制程 RF-SOI 具有諸多優(yōu)勢，如設計規則減少方面，可從 15% 提升到 29%，芯片尺寸減少了 30%。

IP 方面，芯原微電子（VeriSilicon）與意法半導體、三星電子和格芯保持了多年的合作關(guān)系，先后推出了 28nm FD-SOI、22nm FD-SOI 產(chǎn)品，是第一個(gè) PPA 數據提供商。芯原還在襯底偏置技術(shù)的探索及產(chǎn)品設計方面，投入了大量人力，取得了多個(gè)技術(shù)成果。

據 QYResearch 統計，預計 2029 年全球 FD-SOI 市場(chǎng)規模將達到 190.1 億美元，未來(lái)幾年的年復合增長(cháng)率（CAGR）達到 28.4%。

在這種發(fā)展態(tài)勢下，中國大陸半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展又受到美國政府限制，發(fā)展 SOI 是一個(gè)很好的突破點(diǎn)。本周，中國集成電路創(chuàng )新聯(lián)盟秘書(shū)長(cháng)葉甜春指出，FD-SOI 給中國帶來(lái)了新的機會(huì )和發(fā)展空間。FD-SOI 工藝可以幫助本土半導體開(kāi)辟新賽道，在 10nm 以下先進(jìn)制程被限制的情況下，國產(chǎn)廠(chǎng)商可以通過(guò) 22nm FD-SOI 工藝來(lái)升級或替代相關(guān)技術(shù)需求，且 FD-SOI 在設計和制造成本上具有優(yōu)勢，開(kāi)發(fā)周期更短。

葉甜春強調，推動(dòng) FD-SOI 生態(tài)發(fā)展需要更多芯片設計公司和應用廠(chǎng)商加入進(jìn)來(lái)。目前，國內一些企業(yè)在 FD-SOI 材料、設計和設計服務(wù)上做了很多工作，但全球 FD-SOI 產(chǎn)能?chē)乐夭蛔?，所以，中國市?chǎng)要在前道和后道共同發(fā)力，推動(dòng)本土制造平臺的建立。隨著(zhù)越來(lái)越多的廠(chǎng)商和用戶(hù)參與進(jìn)來(lái)，預計未來(lái) 5-10 年，中國 FD-SOI 生態(tài)會(huì )有一個(gè)全新的面貌。同時(shí)，由于中國的深度參與，全球 FD-SOI 產(chǎn)業(yè)也將迎來(lái)新的發(fā)展空間。