李博文 孟靜 李娟

(1.中國信息通信研究院政策與經(jīng)濟研究所，北京100191；2. 中國信息通信研究院電信設備認證中心，北京 100088；3. 中國信息通信研究院辦公室，北京 100191)

0 引言

自1947 年全球第一只晶體管問世以來，半導體技術取得了一項又一項“首次性”突破，推動摩爾定律指引全球集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。然而，隨著集成電路特征尺寸的逐步縮小，一系列新的難題也隨之而來，諸如熱載流子效應、短溝道效應、體硅器件閂鎖效應等物理效應嚴重影響了集成電路產(chǎn)品的性能和質(zhì)量[1]。為有效解決這些問題，進一步提升集成電路產(chǎn)品性能，全球半導體領域科研人員進行了大量研究，創(chuàng)新性地提出了很多新的技術和結構。在眾多的新結構器件中，絕緣體上硅(Silicon on Insulator，SOI)技術憑借其“硅-絕緣層(二氧化硅)-硅”的獨特結構，不僅可以充分發(fā)揮體硅集成電路技術的優(yōu)勢，還能夠有效克服體硅集成電路在開關速度、寄生效應等方面的諸多不足，因而成為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一條重要技術路線。自SOI技術在IBM 0.25 μm工藝處理器上獲得首次應用后[2]，經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應用于射頻前端、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)等眾多領域[3]，涵蓋了服務器、打印機、游戲設備、網(wǎng)絡和存儲設備、可穿戴和汽車電子等各種產(chǎn)品，在全球范圍內(nèi)已初步形成了相對完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

1 SOI技術原理

1.1 SOI結構特點

作為一種特殊的硅基材料，SOI最為明顯的特征是襯底材料具有“硅-絕緣層(二氧化硅)-硅”三明治型的獨特結構。在這種襯底材料上利用集成電路工藝實現(xiàn)的器件被稱為SOI器件，該類器件制造工藝與傳統(tǒng)硅器件制造工藝類似，只是將SOI器件做在“三明治結構”的“頂層硅”中，由下方的二氧化硅提供保護，且具有高工作速度、低功耗、高器件隔離度、高可靠性以及低制造成本等諸多優(yōu)勢。

1.2 SOI制備技術

作為SOI技術的基礎和上游環(huán)節(jié)，SOI材料的制備一度是制約SOI器件實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣應用的關鍵。目前，SOI的制備技術主要有3種：第一種是在氧化層上直接外延單晶硅材料，并通過激光再結晶法、條形加熱法等，這種方法難以形成高質(zhì)量的單晶硅[4]，因而并未在工業(yè)中被大規(guī)模采用；第二種是采用離子注入的方法，將絕緣埋層引入硅材料中，如注氧隔離技術(Separation by Implanted Oxygen，SIMOX)、注氮隔離技術(Separation by Implanted Nitrogen，SIMNI)和多孔硅氧化隔離技術等[5]；第三種則是基于鍵合技術的方法，如智能剝離技術(Smartcut)及其衍生的原子層剝離技術(NanoCleave)、鍵合及背面減薄技術(Bonede and Etch-Back SOI)等[6-7]。

1.3 SOI主要技術路線

面向不同應用需求，SOI技術逐漸發(fā)展出了射頻絕緣體上硅(RF-SOI)和完全耗盡型絕緣體上硅(FD-SOI)兩條技術路線。RF-SOI技術相較于傳統(tǒng)的砷化鎵(GaAs)和藍寶石上硅(SOS)技術不僅成本更低、集成度更高，還發(fā)揮了SOI材料結構的優(yōu)勢，所實現(xiàn)的器件具有高品質(zhì)、低損耗、低噪聲、高器件間隔離度等射頻性能，能夠滿足射頻前端模組、部件在復雜度方面不斷提升的需求，因此主要用于制造智能手機和無線通信設備上的開關、天線調(diào)諧器、低噪聲放大器、功率放大器等射頻前端芯片。FD-SOI技術采用具有超薄“頂層硅”的SOI襯底材料，因此制造出的器件最主要特點是溝道(電流通道)非常薄，能夠有效解決由集成電路尺寸縮小所引起的電流無法關斷問題(即短溝道效應)。

2 SOI技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 RF-SOI產(chǎn)業(yè)

隨著移動通信技術的快速發(fā)展，移動終端也在向小型、輕量、低功耗等方面持續(xù)演進，給內(nèi)部器件帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。而基于SOI技術構建的CMOS器件，由于特有的“硅-絕緣層(二氧化硅)-硅”結構，極大減少了寄生電容，具有更快的工作速度、更低的驅(qū)動電源和更高的集成度[8]，天然適用于射頻領域。雖然Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料制作的器件性能也較為優(yōu)異，但其與硅基芯片直接集成存在一定困難，因此在集成度要求高的方案中 RF-SOI技術可以將開關、功率放大器、低噪聲放大器、移相器等集成起來，同時具備偏置、控制等功能，在集成度、成本等方面優(yōu)勢明顯，已發(fā)展為移動通信系統(tǒng)中射頻前端產(chǎn)品的主要解決方案。

實際上，射頻開關芯片早從2013年起就已全面采用RF-SOI工藝。在4G手機中，RF-SOI技術在開關類射頻應用的占比已經(jīng)超過95%。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術的飛速發(fā)展和廣泛應用，射頻前端模塊中所需要的功率放大器、濾波器、開關和天線調(diào)諧器數(shù)量將呈翻倍增長態(tài)勢。而智能手機對于更輕、更薄、更高屏占比的極致追求嚴重擠壓了射頻前端功能區(qū)的放置空間。對射頻器件的實現(xiàn)提出更高要求使得RF-SOI器件在終端內(nèi)的占比不斷增加，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模獲得進一步提升。以5G智能手機為例，在Sub-6 GHz頻段中，RF-SOI含量較4G手機高出了約60%；此外，在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMO 射頻前端中，RF-SOI也更加具有優(yōu)勢。

2.2 FD-SOI產(chǎn)業(yè)

為解決隨工藝尺寸進一步減小(<28 nm)所導致的漏電流問題，1999年平面結構的FD-SOI技術與立體結構的鰭式場效應晶體管(FinFET)技術幾乎同時被發(fā)明。在FD-SOI技術發(fā)展初期，雖有Leti、Soitec、意法半導體等歐洲知名半導體研究機構和企業(yè)的參與，但也僅限于在技術上的有限突破，并沒有推出真正能夠獲得市場廣泛認可的工業(yè)產(chǎn)品，再加FD-SOI上襯底制備技術有待進一步完善、難以保證穩(wěn)定可靠的商業(yè)供應，最終使得受英特爾、臺積電等國際龍頭企業(yè)青睞的FinFET技術迅速占領市場。

直到2006 年，滿足工業(yè)應用需求的FD-SOI 材料終于被法國 Soitec公司所攻克，歐洲半導體巨頭意法半導體聯(lián)合 Leti和Soitec公司開發(fā)出了 FD-SOI 晶體管，真正實現(xiàn)了 FD-SOI 器件的制備。2007 年，隨著以 Soitec公司為核心的SOI 聯(lián)盟的成立，眾多半導體企業(yè)和科研機構逐漸加入FD-SOI陣營，推動FD-SOI技術向商業(yè)化的轉(zhuǎn)型。

近年來，F(xiàn)inFET技術路線的先進工藝持續(xù)推動器件微縮化，但也隨之帶來了工藝復雜、工序繁多、良率下降等問題，使得在28 nm以下制程的每門成本不降反升，從而給其他技術路線帶來新的發(fā)展機遇。業(yè)界開始意識到FinFET并不一定是28 nm及以下集成電路最佳的技術路線，繼而開始重新對FD-SOI技術加以關注。理論上，利用DUV光刻機制造的FD-SOI產(chǎn)品，可以達到與采用EUV光刻機制造的FinFET產(chǎn)品相當?shù)男阅?。由于FD-SOI是平面結構，相對于立體結構的FinFET，工廠建設成本和芯片生產(chǎn)成本也都相對更低。但限于目前材料制備技術和工藝，SOI晶圓成本與硅晶圓相比仍相對較高。目前，F(xiàn)D-SOI技術在汽車電子領域獲得了極大的關注，并取得了突破性成果，已應用于Dream Chip公司首款用于汽車計算機視覺應用的ADAS SoC芯片、Arbe Robotics公司的4D成像雷達，以及Mobileye公司的EyeQ4視覺處理器。

2.3 其他

SOI晶圓的獨特結構使得其應用領域更加多元化，針對不同產(chǎn)品需求，通過對晶圓結構上的細微調(diào)整也相繼誕生了不同的SOI技術路線。除適用于射頻前端的RF-SOI、適用于高效移動通信的FD-SOI等技術外，其他SOI技術也在逐漸開啟和推廣產(chǎn)業(yè)化應用，如有效克服高電壓穿透、強化功率元件穩(wěn)定性的Power-SOI技術，提高3D感知運算效率、強化面部識別和3D傳感的Imager-SOI技術，以及適用于高性能光器件硅上集成的Photonics-SOI技術。特別是近幾年，高速網(wǎng)絡傳輸需求持續(xù)增強，傳統(tǒng)基于磷化銦(InP)技術的光芯片越來越難以滿足系統(tǒng)集成和功耗要求。而Photonics-SOI技術結合了CMOS和光的特性優(yōu)勢，已成為高速光收發(fā)器芯片的重要技術路線之一。Soitec公司預計，從2023年起基于Power-SOI的硅光收發(fā)器市場占比將超過傳統(tǒng)的InP方案。

3 SOI產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設

隨著SOI技術的逐步發(fā)展和應用，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模日漸壯大，上游產(chǎn)業(yè)生態(tài)也在不斷建立和完善。

在襯底材料供應方面，核心技術和主要市場由法國Soitec公司掌握。2013年，法國Soitec公司率先實現(xiàn)了FD-SOI襯底成熟量產(chǎn)，并將襯底制備關鍵核心技術SmartCut授權給日本信越公司和美國SunEdison公司以快速擴充產(chǎn)能，同時與代工廠格羅方德簽署供應協(xié)議以進一步鞏固供應鏈。目前，Soitec公司的12英寸襯底材料能夠支持在65 nm、28 nm、22 nm及更為先進的節(jié)點上大規(guī)模采用FD-SOI技術[9]。Soitec公司也是全球RF-SOI襯底最大的供應商，占據(jù)70%的全球市場份額，可以生產(chǎn)8英寸和12英寸的RF-SOI襯底材料，日本信越公司和中國臺灣地區(qū)環(huán)球晶圓公司則緊隨其后，分別位列RF-SOI襯底供應商的第二和第三名。

在代工工藝方面，主要由格羅方德、意法半導體、三星等國際企業(yè)主導。意法半導體于2012年推出了28 nm FD-SOI工藝平臺，并于2014年將該技術平臺授權給三星。格羅方德于2017年發(fā)布了22 nm FD-SOI代工平臺，截至2020年年底已實現(xiàn)營收45億美元，交付芯片超過3.5億顆。2018年，格羅方德投產(chǎn)的12 nm FD-SOI代工平臺生產(chǎn)的產(chǎn)品幾乎擁有10 nm FinFET 工藝產(chǎn)品同等的性能，但功耗和生產(chǎn)成本卻比16 nm FinFET工藝產(chǎn)品還低。格羅方德、Tower Jazz、三星、意法半導體等均已具備較為先進RF-SOI芯片制造能力，特別是格羅方德，特意研發(fā)了45 nm RF-SOI工藝以滿足5G應用的需求。

在EDA工具和IP核方面，國際巨頭率先占領市場。目前，EDA巨頭Cadence和Synopsys都已推出了經(jīng)過驗證的FD-SOI相關IP[9]。在格羅方德22 nm FD-SOI平臺推出后，ARM、Mentor等企業(yè)也紛紛著手相關IP的開發(fā)。2021年8月，EDA巨頭Cadence和晶圓代工廠Tower Jazz共同推出了針對SOI等工藝技術進行了優(yōu)化的射頻參考設計流程。

4 SOI產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題和挑戰(zhàn)

(1)行業(yè)牽引力不足，缺乏大型龍頭企業(yè)引領。作為同一時間提出的另一技術路線，F(xiàn)inFET技術能夠迅速占領市場，其主要原因在于得到了行業(yè)龍頭英特爾和臺積電的認可和支持，進而推動產(chǎn)業(yè)鏈上游生態(tài)的加速建設和完善。就目前來看，SOI陣營中的格羅方德、意法半導體等企業(yè)缺乏足夠的市場號召力和產(chǎn)業(yè)話語權。

(2)襯底技術門檻高，材料供應緊張。由于SOI材料本身的特殊性，其材料加工要求很高，全球僅有少數(shù)幾家公司可以提供服務，且目前主要制備技術SmartCut的專利仍屬于法國Soitec公司，其他廠商使用需得到授權。

(3)全球制造產(chǎn)能持續(xù)緊張，代工能力不足。當前，全球制造產(chǎn)能雖略有松動，但仍未得到有效緩解。設計企業(yè)代工制造主要依賴格羅方德等少數(shù)企業(yè)進行代工，產(chǎn)能或難以滿足業(yè)界需求。此外，格羅方德早在2018年就宣布放棄對7 nm工藝的研發(fā)，未來SOI先進制程代工仍存在一定的不確定性。

5 結束語

自20世紀60年代誕生以來，SOI技術持續(xù)發(fā)展，并取得了一定的突破。 特別是在過去幾年，SOI技術產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快，產(chǎn)業(yè)生態(tài)初步建立，RF-SOI、FD-SOI等主要技術已在5G、邊緣計算、汽車電子等領域得到廣泛應用。但也應清醒看到，SOI技術相比FinFET仍有一些劣勢，未來一段時間內(nèi)仍將是FinFET技術的部分替代和有力補充。在當前原材料和制造產(chǎn)能持續(xù)緊張的前提下，沒有極富話語權的行業(yè)龍頭全力支持，SOI產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨較大風險和挑戰(zhàn)。