SOI技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究

李博文 孟靜 李娟

(1.中國信息通信研究院政策與經(jīng)濟(jì)研究所，北京100191；2. 中國信息通信研究院電信設(shè)備認(rèn)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(dǎo)體技術(shù)取得了一項(xiàng)又一項(xiàng)“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(yīng)、短溝道效應(yīng)、體硅器件閂鎖效應(yīng)等物理效應(yīng)嚴(yán)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(jìn)一步提升集成電路產(chǎn)品性能，全球半導(dǎo)體領(lǐng)域科研人員進(jìn)行了大量研究，創(chuàng)新性地提出了很多新的技術(shù)和結(jié)構(gòu)。在眾多的新結(jié)構(gòu)器件中，絕緣體上硅(Silicon on Insulator，SOI)技術(shù)憑借其“硅-絕緣層(二氧化硅)-硅”的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，不僅可以充分發(fā)揮體硅集成電路技術(shù)的優(yōu)勢，還能夠有效克服體硅集成電路在開關(guān)速度、寄生效應(yīng)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(shù)路線。自SOI技術(shù)在IBM 0.25 μm工藝處理器上獲得首次應(yīng)用后[2]，經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于射頻前端、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域[3]，涵蓋了服務(wù)器、打印機(jī)、游戲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)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(shù)原理

1.1 SOI結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(dú)特結(jié)構(gòu)。在這種襯底材料上利用集成電路工藝實(shí)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(jié)構(gòu)”的“頂層硅”中，由下方的二氧化硅提供保護(hù)，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(shù)

作為SOI技術(shù)的基礎(chǔ)和上游環(huán)節(jié)，SOI材料的制備一度是制約SOI器件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，SOI的制備技術(shù)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(jié)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(shù)(Separation by Implanted Oxygen，SIMOX)、注氮隔離技術(shù)(Separation by Implanted Nitrogen，SIMNI)和多孔硅氧化隔離技術(shù)等[5]；第三種則是基于鍵合技術(shù)的方法，如智能剝離技術(shù)(Smartcut)及其衍生的原子層剝離技術(shù)(NanoCleave)、鍵合及背面減薄技術(shù)(Bonede and Etch-Back SOI)等[6-7]。

1.3 SOI主要技術(shù)路線

面向不同應(yīng)用需求，SOI技術(shù)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(shù)路線。RF-SOI技術(shù)相較于傳統(tǒng)的砷化鎵(GaAs)和藍(lán)寶石上硅(SOS)技術(shù)不僅成本更低、集成度更高，還發(fā)揮了SOI材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，所實(shí)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(fù)雜度方面不斷提升的需求，因此主要用于制造智能手機(jī)和無線通信設(shè)備上的開關(guān)、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(shù)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(diǎn)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(guān)斷問題(即短溝道效應(yīng))。

2 SOI技術(shù)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(shù)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(jìn)，給內(nèi)部器件帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而基于SOI技術(shù)構(gòu)建的CMOS器件，由于特有的“硅-絕緣層(二氧化硅)-硅”結(jié)構(gòu)，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(lǐng)域。雖然Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)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(shù)可以將開關(guān)、功率放大器、低噪聲放大器、移相器等集成起來，同時(shí)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(shí)際上，射頻開關(guān)芯片早從2013年起就已全面采用RF-SOI工藝。在4G手機(jī)中，RF-SOI技術(shù)在開關(guān)類射頻應(yīng)用的占比已經(jīng)超過95%。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，射頻前端模塊中所需要的功率放大器、濾波器、開關(guān)和天線調(diào)諧器數(shù)量將呈翻倍增長態(tài)勢。而智能手機(jī)對于更輕、更薄、更高屏占比的極致追求嚴(yán)重?cái)D壓了射頻前端功能區(qū)的放置空間。對射頻器件的實(shí)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(jìn)一步提升。以5G智能手機(jī)為例，在Sub-6 GHz頻段中，RF-SOI含量較4G手機(jī)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(jìn)一步減小(<28 nm)所導(dǎo)致的漏電流問題，1999年平面結(jié)構(gòu)的FD-SOI技術(shù)與立體結(jié)構(gòu)的鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)技術(shù)幾乎同時(shí)被發(fā)明。在FD-SOI技術(shù)發(fā)展初期，雖有Leti、Soitec、意法半導(dǎo)體等歐洲知名半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的參與，但也僅限于在技術(shù)上的有限突破，并沒有推出真正能夠獲得市場廣泛認(rèn)可的工業(yè)產(chǎn)品，再加FD-SOI上襯底制備技術(shù)有待進(jìn)一步完善、難以保證穩(wěn)定可靠的商業(yè)供應(yīng)，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(shù)迅速占領(lǐng)市場。

直到2006 年，滿足工業(yè)應(yīng)用需求的FD-SOI 材料終于被法國 Soitec公司所攻克，歐洲半導(dǎo)體巨頭意法半導(dǎo)體聯(lián)合 Leti和Soitec公司開發(fā)出了 FD-SOI 晶體管，真正實(shí)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(dǎo)體企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)逐漸加入FD-SOI陣營，推動FD-SOI技術(shù)向商業(yè)化的轉(zhuǎn)型。

近年來，F(xiàn)inFET技術(shù)路線的先進(jìn)工藝持續(xù)推動器件微縮化，但也隨之帶來了工藝復(fù)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(shù)路線帶來新的發(fā)展機(jī)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(shù)路線，繼而開始重新對FD-SOI技術(shù)加以關(guān)注。理論上，利用DUV光刻機(jī)制造的FD-SOI產(chǎn)品，可以達(dá)到與采用EUV光刻機(jī)制造的FinFET產(chǎn)品相當(dāng)?shù)男阅堋Ｓ捎贔D-SOI是平面結(jié)構(gòu)，相對于立體結(jié)構(gòu)的FinFET，工廠建設(shè)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(shù)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(shù)在汽車電子領(lǐng)域獲得了極大的關(guān)注，并取得了突破性成果，已應(yīng)用于Dream Chip公司首款用于汽車計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用的ADAS SoC芯片、Arbe Robotics公司的4D成像雷達(dá)，以及Mobileye公司的EyeQ4視覺處理器。

2.3 其他

SOI晶圓的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使得其應(yīng)用領(lǐng)域更加多元化，針對不同產(chǎn)品需求，通過對晶圓結(jié)構(gòu)上的細(xì)微調(diào)整也相繼誕生了不同的SOI技術(shù)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(shù)外，其他SOI技術(shù)也在逐漸開啟和推廣產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，如有效克服高電壓穿透、強(qiáng)化功率元件穩(wěn)定性的Power-SOI技術(shù)，提高3D感知運(yùn)算效率、強(qiáng)化面部識別和3D傳感的Imager-SOI技術(shù)，以及適用于高性能光器件硅上集成的Photonics-SOI技術(shù)。特別是近幾年，高速網(wǎng)絡(luò)傳輸需求持續(xù)增強(qiáng)，傳統(tǒng)基于磷化銦(InP)技術(shù)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(shù)結(jié)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(shù)路線之一。Soitec公司預(yù)計(jì)，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(shè)

隨著SOI技術(shù)的逐步發(fā)展和應(yīng)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(yīng)方面，核心技術(shù)和主要市場由法國Soitec公司掌握。2013年，法國Soitec公司率先實(shí)現(xiàn)了FD-SOI襯底成熟量產(chǎn)，并將襯底制備關(guān)鍵核心技術(shù)SmartCut授權(quán)給日本信越公司和美國SunEdison公司以快速擴(kuò)充產(chǎn)能，同時(shí)與代工廠格羅方德簽署供應(yīng)協(xié)議以進(jìn)一步鞏固供應(yīng)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(jìn)的節(jié)點(diǎn)上大規(guī)模采用FD-SOI技術(shù)[9]。Soitec公司也是全球RF-SOI襯底最大的供應(yīng)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(yīng)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(dǎo)體、三星等國際企業(yè)主導(dǎo)。意法半導(dǎo)體于2012年推出了28 nm FD-SOI工藝平臺，并于2014年將該技術(shù)平臺授權(quán)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(shí)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(dǎo)體等均已具備較為先進(jìn)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(yīng)用的需求。

在EDA工具和IP核方面，國際巨頭率先占領(lǐng)市場。目前，EDA巨頭Cadence和Synopsys都已推出了經(jīng)過驗(yàn)證的FD-SOI相關(guān)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(guān)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(shù)進(jìn)行了優(yōu)化的射頻參考設(shè)計(jì)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(lǐng)。作為同一時(shí)間提出的另一技術(shù)路線，F(xiàn)inFET技術(shù)能夠迅速占領(lǐng)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(rèn)可和支持，進(jìn)而推動產(chǎn)業(yè)鏈上游生態(tài)的加速建設(shè)和完善。就目前來看，SOI陣營中的格羅方德、意法半導(dǎo)體等企業(yè)缺乏足夠的市場號召力和產(chǎn)業(yè)話語權(quán)。

(2)襯底技術(shù)門檻高，材料供應(yīng)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(wù)，且目前主要制備技術(shù)SmartCut的專利仍屬于法國Soitec公司，其他廠商使用需得到授權(quán)。

(3)全球制造產(chǎn)能持續(xù)緊張，代工能力不足。當(dāng)前，全球制造產(chǎn)能雖略有松動，但仍未得到有效緩解。設(shè)計(jì)企業(yè)代工制造主要依賴格羅方德等少數(shù)企業(yè)進(jìn)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(jìn)制程代工仍存在一定的不確定性。

5 結(jié)束語

自20世紀(jì)60年代誕生以來，SOI技術(shù)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(shù)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(shù)已在5G、邊緣計(jì)算、汽車電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但也應(yīng)清醒看到，SOI技術(shù)相比FinFET仍有一些劣勢，未來一段時(shí)間內(nèi)仍將是FinFET技術(shù)的部分替代和有力補(bǔ)充。在當(dāng)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(quán)的行業(yè)龍頭全力支持，SOI產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨較大風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。