FD-SOI技术产业链及市场简析

图2DIBL 的减小量随顶层硅和BOX 厚度变化的关系
FD-SOI 技术产业链及市场简析
1简介
超薄基体埋氧全耗尽绝缘层基硅（Ultra Thin body and BOX-Fully Depleted -silicon on insulator ，UTBB-FD-SOI ，以下简称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。

2全球产业发展状况
2.1技术瓶颈突破阶段（2000~2011）
FD-SOI 技术是由美国加州大学伯克利分校的教授胡正明在2000年发明的。

它和体硅技术相比，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。

如图2所示，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，是能够降低晶体管的漏致势垒降低（DIBL ）程度；但是，当时虽在技术上进行了突破，可市面上没有商用的FD-SOI 衬底，而首次具有超薄顶硅、超薄BOX
的晶体管结构是通过Silicon-on-Nothing （SON ）方法在体硅上实现的（见图3）；在2006年，法国Soitec 公司研发出满足商用的高质量FD-SOI 衬底之后，意法半导体（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（见图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
朱雷
（中国科学院上海微系统与信息技术研究所，战略研究室）
图1UTBB -FD-SOI 晶体管示意图和TEM 截面图
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，虽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 开发出用于低功耗手表的微控制器；而同时期，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。

应该看到，这一阶段FD-SOI 失去了占领市场的黄金时间窗口的主要缘由：①FD-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：②高产能、高质量的FD-SOI 衬底制备技术仍不成熟；③FD-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。

2.2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。

主要表现在衬底供应、代工工艺、设计服务、产品应用四大方面：
（1）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。

其中，
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（见图4）。

Soitec 成功在于，为了因应市场的长期需求，实施了三大策略，包括：①通过技术授权，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通过与代工厂强强联手，巩固供应链。

Soitec 宣布了与Global-foundries （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通过加大资本投资，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（见图4）。

（2）FD-SOI 代工工艺：如STM 公司一直在推动FD-SOI 工艺技术发展，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（见图5
）。

基于此，
集S 图3STM 及合作伙伴制备薄膜
（顶硅和BOX ）上晶体管方法的演进过程
S S 图4Soitec FD-SOI 衬底产品路线图及产能计划
图7FD-SOI 产业发展里程碑事件
成电路行业才真正将FD-SOI 技术纳入未来物联网等新兴市场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。

三星通过代工，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。

另外，作为行业三大衬底代工厂商之一的Global Foundries （GF ），这几年在推广FD-SOI 技术发展中起到举足轻重的作用：①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。

②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。

③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。

（3）FD-SOI 设计服务：目前，
众多EDA 公司和设计服务公司正积极研发与FD-SOI 相关的IP 。

其中，芯原微电子（上海）从2013年就与STM 在ST28nm FD-SOI 上合作，于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；另外，Cadence 和Synopsys 也已有经过验证的FD-SOI IP ；尤其是，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 ；鉴此，联发科、瑞芯微等IC 设计业者也宣布采用FD-SOI 工艺，开发相应芯片。

（4）FD-SOI 产品应用：今天，在STM 、三星等跨国公司的推动下，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。

其中，
成功案例包括NXP/飞思卡尔的i.MX7和i.MX8及其它8款应用处理器平台，索尼的新一代的GPS ，Eutelsat Communications 公司推出的新一代交互式应用SoC 等；另外，22nm FD-SOI 制程的产品又拓展到了汽车电子领域，
比如Dream Chip 公司推出业界首款用于汽车计算机视觉应用的ADAS SoC 芯片。

在产业链加速完善阶段，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（见图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。

如图7所示，
图5不同工艺节点的栅极成本
图6FD-SOI 产业链
图8FD-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FD-SOI 产业链的建立得益于几个里程碑的事件：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。

2.3中国的FD-SOI 产业链建设（2013~今）
为了实现本土半导体的差异化发展，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上海硅产业投资有限公司（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，中国大陆FD-SOI 产业链布局虽已经初具端倪；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。

3市场预测
图8是基于目前FD-SOI 产业链的发展现状，针对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。

应该看到，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，到2020年，FD-SOI 市场规模将会从2015年的0.7亿美元增长到40亿美元以上，年平均增长率为68%；另外，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；其次，从市占比看，到2020年，FD-SOI 在全球半导体的市场份额会从2015年的0.2%增长到接近10%。

总之，2017年之后，基于先进FD-SOI 工艺平台的建立以及产业链、生态链的逐渐完善等，促使FD-SOI 市场发生跳跃式地激增。

相信未来FD-SOI 技术市场前景
（出自：SIMIT 战略研究室公众号ID ：SIMITSRO ）
300mm 晶片测试平台———南京江北新添晶片测试中心
近日，中微腾芯电子有限公司南京分公司开业，同时，ICisC-中微腾芯晶片测试中心正式启动。

据中科芯集成电路有限公司董事长刘岱致辞介绍，中微腾芯与ICisC 的合作共建的300mm 晶片测试平台，定位准、起点高，致力于提升江北新区集成电路综合实力，形成集成电路产业的集群效应；配置全球领先的硬件和软件资源，瞄准高端芯片测试。

（来自中微腾芯）。