FD-SOI技术产业链及市场简析

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UTBB-FD-SOI，简称FD-SOI，是一种基于两大创新来实现平面晶体管结构的工艺技术：一是在体硅中引入了超薄的埋氧（BOX）层，作为绝缘层；二是用超薄的顶硅层制造出全耗尽的晶体管沟道。FD-SOI最大的特点是可以在无需全面改造设备结构、完整性和生产流程的前提下实现摩尔定律下的芯片面积微缩、能耗节省、性能提升及功能拓展。FD-SOI晶体管的结构如图1所示。

图1 FD-SOI晶体管示意图和TEM截面图

（1）技术瓶颈突破阶段（2000~2011）

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。

图2 DIBL的减小量随顶层硅和BOX厚度变化的关系

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（图2）；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（图3）；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（图3）。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。

图3 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

（2）产业链加速完善阶段（2012~今）

从2012年开始，FD-SOI技术的生态系统在以下几个方面逐步壮大。

• FD-SOI衬底供应： 最近几年，正是由于FD-SOI衬底材料取得了突破性进展，特别是超薄BOX（20nm量级）及超薄顶硅（10nm量级）的衬底投入应用，使得纳米级FD-SOI CMOS迅速发展。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（图4）。为了因应市场的长期需求，Soitec实施了三大策略，包括：①实施技术授权，快速扩充产能。Soitec于2012年和2013年先后将Smart-Cut技术授权给日本SEH和美国SunEdison；②与代工厂强强联手，巩固供应链。Soitec宣布了与Globalfoundries（GF）签署一项为期五年的协议，确保对后者供应充足的先进FD-SOI衬底片；③加大资本投资，规划全球建厂。2017年，Soitec宣布未来两年将投资4000万欧元将FD-SOI衬底片的产量提升到1.5M片/年，另外1.5M片/年的产能也已经列入第三阶段的扩充计划（图4）。

图4 Soitec FD-SOI衬底产品路线图及产能计划

• FD-SOI代工工艺： 一直推动并采用FD-SOI工艺的STM于2012年推出了28nm FD-SOI工艺平台。STM之所以选择28nm节点切入，是出于工艺制造成本考量（图5）。从那时起，集成电路行业才真正将FD-SOI技术纳入未来物联网等领域的技术解决方案行列。随后2014年，STM将该技术平台授权给三星。三星目前已拿下NXP SoC芯片代工订单，预计2019年推出下一代18nm FD-SOI技术。

图5 不同工艺节点的栅极成本

作为行业三大衬底代工厂商之一，GF这几年在推广FD-SOI技术发展中起到举足轻重的作用，其于2015年提出的基于22nm的FD-SOI代工平台22FDX已经获得超过135家客户的青睐，其中部分客户已经进入多项目衬底（MPW）试产或正式投片。基于22FDX的成功，2016年，GF研发出新的12nm FD-SOI工艺技术12FDX，实现了业内首个多节点FD-SOI路线图。此外，为了加强22FDX SoC技术生态系统建设、缩短产品上市时间，GF推出新的合作伙伴项目，称为FDX celerator，该项目现有35个合作伙伴，涵盖半导体产业链上下游业者，包括：自动化设计工具（EDA）、设计元素（IP）、平台 (ASIC)、引用方案（系统IP，引用型设计）、资源（设计咨询，服务）、产品封装和测试（OSAT）方案等厂商。FD-SOI制备工艺的成熟，促使GF不断增大产能，以满足全球客户对22FDX的需求。在中国，GF和成都已宣布合资建造晶圆厂，计划二期建造22FDX工艺生产线。另外，GF计划到2020年将其位于德国德累斯顿的Fab 1工厂的产能扩大40％。未来GF每年将拥有超过200万个FD-SOI晶圆的产能。

• FD-SOI设计服务： 目前，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。

• FD-SOI产品应用： 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。

图6 FD-SOI产业链

图7 FD-SOI产业发展里程碑事件

经过近5年的发展，FD-SOI联盟已经在全球逐渐打造出完整的产业链（图6），覆盖应用、IC设计、代工、封测、材料等各个环节，具备了一定的产业基础。FD-SOI产业链的建立得益于几个里程碑的事件（图7）：①Soitec突破了高质量衬底的技术瓶颈；②STM、GF等陆续建立了28nm、22nm及以下节点代工平台；③GF通过FDX Celerator项目吸引了众多IC设计、EDA、IP等上游公司加入FD-SOI阵营。

（3）中国的FD-SOI产业链建设（2013~今）

为了实现本土半导体的弯道超车，中国从2013年就开始关注和布局FD-SOI技术，为全球FD-SOI生态的建立做出了重要的贡献，具体事件包括：①2014年，上海新傲科技获得了Soitec Smart-Cut技术授权。目前新傲科技已实现了8寸SOI衬底片量产，未来计划投资超过20亿人民币，利用二期工厂推出12寸FD-SOI产品；②上海NSIG在2016年宣布收购14.5%的Soitec股权，促进FD-SOI在中国的商业化；③GF 2017年宣布在成都兴建12寸22FDX FD-SOI代工厂，并与成都市政府合作以6年时间建立一个累计投资规模超过1亿美元的“世界级的FD-SOI生态系统”；④中国的瑞芯微、上海复旦微电子，以及湖南国科微较早前已经宣布采用22nm FD-SOI工艺设计物联网芯片等。

目前中国FD-SOI产业链布局已经初具端倪；但是，衬底和代工厂尚未进入规模化量产阶段，IC设计公司尚处在MPW的设计验证阶段，并且客户数量较少，仍无法支撑FD-SOI工艺的成熟。

基于目前FD-SOI产业链的发展现状，对FD-SOI产品的市场规模做了一个统计，并对未来几年的市场规模进行预测。

图8 FD-SOI产品潜在的市场规模（柱状图）和占全球半导体的市场份额（折线图）预测

随着未来物联网、无线通信、汽车电子等对高性能、低功耗芯片需求的增长，未来几年FD-SOI市场规模将会从2015年的0.7亿美元增长到2020年的超过40亿美元，年平均增长率为68%；从工艺节点来看，基于现有成熟的28nm和22nm节点的FD-SOI市场将维持稳健的增长。到2020年，12nm节点以下的FD-SOI产品将贡献一半的市场份额；从市占比看，FD-SOI在全球半导体的市场份额会从2015年的0.2%增长到2020年的接近10%。2017年之后先进FD-SOI工艺平台的建立以及产业链的逐渐完善等，促使FD-SOI市场发生跳跃式地激增。可见，未来FD-SOI技术市场前景可期。

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