不是紙上談兵，FD-SOI將憑藉這幾點進入主流市場

來源：本文由半導體行業觀察翻譯，謝謝。

憑藉FD-SOI的特性，對於廣泛的市場領域，半導體生態系統的主要參與者對該技術越來越感興趣。

全耗盡型絕緣層上矽（FD-SOI）是將CMOS電晶體的兩個實質特性匯集在一起的獨特技術：2D平面電晶體結構和全耗盡型工作特點。

它依賴於獨特的基板，該基板的層厚度受到原子尺度的控制。

FD-SOI具有卓越的電晶體性能，具有先進CMOS技術中的最佳功率、性能、面積和成本折衷。

此外，FD-SOI還有許多其他獨特的優勢，包括後向偏置（負偏壓）能力，良好的電晶體匹配，臨近閾值供應能力，超低的輻射靈敏度和非常高的本徵電晶體速度，允許其處理毫米波（mmWave）頻率。

所有這些關鍵特性正逐漸驅動FD-SOI從理論上走向實際的應用，包括智慧型手機的入門級應用處理器，用於自動駕駛和IoT的片上系統（SoC）設備，以及所有毫米波應用，如5G收發器和汽車電子雷達系統。

多個代工廠和IDM為FD-SOI技術提供支持，現在，全面技術產品已經可用於28nm和22nm節點，並且在65nm和12nm節點開始出現。

隨著FD-SOI全球生態系統的發展成熟，該技術可以為多元化市場的應用開發做好準備。

FD-SOI襯底有幾個顯著特點，使其具有獨特的優勢。

本文總結了支持FD-SOI廣泛實施的全球生態系統建設的最新進展和各種要素，以及最受益的應用。

FD-SOI技術的核心

FD-SOI技術中的一切都以基板為基礎，如圖1所示，基板直接決定了電晶體結構。

電晶體要想達到完全耗盡的工作狀態，器件溝道的頂部矽層的厚度是真正的挑戰，其厚度目標通常為大約60埃或11個原子層。

考慮到在器件製造過程中矽材料的消耗，鑄造廠通常需要120埃的頂級矽。

均勻性是保持電晶體具有儘可能低的可變性的另一項非常具有挑戰性的規範。

通常認為+/- 5埃或1個原子層的均勻性是至關重要的。

氧化埋層（BOx）厚度也必須非常薄，大約20nm，以使電晶體溝道中的靜電控制由於接地平面效應而最大化。

圖1：電晶體溝道厚度直接與頂層矽SOI層定義相關

製造一種300mm的晶體矽，要求厚度規格低至10-12個原子層，這雖然困難但還是可以理解。

10年前，這聽起來是不可實現的，因此人們研究其他途徑以便使能完全耗盡的電晶體。

但現在這是有可能實現的。

半導體的製造依賴於眾所周知的智能切割（Smart Cut）工藝（如圖2）。

晶圓A首先進行氧化，然後進行大劑量離子注入，從而在表面下方產生弱化層。

在仔細的清潔步驟之後，晶圓A通過分子鍵合技術與晶圓B結合，然後在晶圓A的弱化區域的精確位置處誘導分裂。

最後，對所形成的SOI晶圓進行其他平滑處理以達到目標厚度規格。

值得注意的是，高質量的晶圓A可以回收，以便進一步重用，這使得Smart Cut成為SOI製造最具成本效益的解決方案。

圖2：Smart Cut工藝及其在FD-SOI技術中的適用性

FD-SOI基板製造工藝現已完全成熟。

特別地，如圖3所示，從電晶體到晶圓的所有級別的厚度均勻性都得到了非常好的控制，這確保了電晶體可變性維持在非常低的水平。

圖3：FD-SOI製程中從die到晶圓的全部級別的厚度得到了很好的控制

少即是多

在28nm節點以下的矽中獲得更多性能的方式增加了製造過程的複雜性。

因此，如圖4所示，節點越小，越需要掩模更多來創建晶片。

這增加了製造成本以及其他非循環的工程成本，包括設計流程、設計驗證、掩模套件等。

圖4：每個技術節點所需的掩模數量

另一方面，從製程的角度看，FD-SOI是一種簡單的技術。

事實上，它在提供更多的性能的同時，降低了製造過程的複雜性。

大多數溝道工程實際上都是直接在襯底上完成的，正如許多代工廠所報導的那樣，FD-SOI比bulk silicon更容易實現。

下一級別的電晶體性能

除了製程簡單之外，FD-SOI還具有其他顯著的優點，如圖5所示。

圖5：使用FD-SOI技術的優勢

1、body-bias所帶來的更好的設計靈活性

FD-SOI的薄氧化埋層（BOx）不僅增強了溝道的靜電控制，而且還可以通過負偏壓獲得對閾值電壓的完全調節。

FD-SOI電晶體無需溝道摻雜，也就避免了複雜的電壓調整技術。

它還可以通過背柵極極化簡單地實現低、中、高電壓控制。

薄BOx的行為就像一個真正的第二個門，最重要的是它可以動態使用。

這意味著相同的功能塊可以根據需要在高功率或低功率下工作。

後向偏置（負偏壓）的電位非常大：關鍵路徑改進的選擇性body bias，過程變化補償和可靠性漂移補償。

全反向偏置是一個非常獨特的功能，它只能在薄BOx技術上實現SOI。

2、功率—性能—面積—成本的折衷：所有平面技術中最佳的PPAC（power-performance-area-cost）方案。

由於FD-SOI製程更為簡單，能夠更好地控制隨機失配，最小化結漏電和寄生電容，通過完全耗盡的電晶體操作增強靜電控制和調節體偏置（body bias）的可能性，FD-SOI技術呈現出最佳的PPAC。

3、近閾值電源電壓帶來的超低功耗

幾乎所有的CMOS技術都能實現最佳的能源效率——即實現每個功能的最低能量，而不管頻率如何——在大約0.4 V電源電壓下，通常被稱為Vdd 。

在這種電源電壓下，可變性的管理是一個真正的挑戰。

由於body bias和其固有的低可變性特性，FD-SOI可以實現非常低的電源電壓。

通常來說，降低電源電壓（儘管不一定低至0.4V）的能力對於許多應用來說是很困難的，在這些應用中，與性能相比，功耗是更大的挑戰。

考慮到動態功率隨著Vdd2的增長而增長，像FD-SOI這樣的技術能夠通過顯著降低電源電壓從而大大節省功率，這是一個獨特的優勢。

4、最佳RF-CMOS技術，幾乎2倍於3D設備的最大頻率

由於成本和功耗的原因，將儘可能多的模擬/ RF功能集成到單個RF-CMOS矽平台中，這在許多市場中成為日益重要的問題。

然而，RF-CMOS平台的一個限制是增加頻率的能力有限，特別是在毫米波頻譜（30 GHz及以上）中。

這對於諸如FinFET這樣的3D器件來說是更大的問題，由於3D結構，它們必須承載非常強的寄生電容。

因此，SiGe-雙極平台通常用於該頻率範圍。

FD-SOI是一種平面技術，因此不受3D器件特性的限制。

325-350 GHz範圍內的Ft / Fmax 已經有所報導，這使得全面使用高達100 GHz的毫米波頻譜成為可能，並在許多應用中為FD-SOI、RF-CMOS平台帶來光明的未來。

5、可靠性增強

通常，隨著技術的縮減，模擬設計師必須使他們的設計能夠與越來越多的退化電晶體一起工作。

同時滿足速度、噪音、功率、泄漏和可變性要求是一項越來越具有挑戰性的任務。

FD-SOI技術提供具有改進的匹配、增益和寄生的電晶體，可以大大簡化器件設計。

此外，其負偏壓特性在許多新模擬結構的設計方面有巨大潛力。

代工廠中FD-SOI的使用正在增長

FD-SOI最先進的一些工作已經在全球半導體代工廠完成。

意法半導體（STMicroelectronics）在2012年就已經採用了FD-SOI技術，並啟動了幾個項目。

該公司在28nm FD-SOI技術上展示了基於ARM的3 GHz 以上工作頻率的智慧型手機應用處理器。

該技術現在在意法半導體用於多元化市場。

2014年，三星宣布採用FD-SOI技術進行多項試產，到2016年達到大規模產量化，最近他們公布了第一個產品。

在2015年，GLOBALFOUNDRIES（格羅方德）開發了一種名為22FDX的22nm FD-SOI技術，其定位是能夠提供最佳性能/成本比。

這種FD-SOI技術平台的性能接近16nm / 14nm FinFET，成本接近28nm bulk silicon工藝。

2017年2月，GLOBALFOUNDRIES和Dream Chip Technologies發布了第一個商業產品。

GLOBALFOUNDRIES的技術現在幾乎完全合格，預計今年產量將有大幅增長。

在亞洲，中國代工廠華利（Huali）公司已經宣布欲將22nm FD-SOI技術納入其fab2計劃中，為中國市場提供更多的FD-SOI技術。

在日本，Renesas在FD-SOI方面的經驗主要是一項功耗非常低的FD-SOI技術，稱為薄氧化埋層上覆矽（SOTB）技術，面向低功率MCU市場。

該技術得到了LEAP（(Low-Power Electronics Association and Project）計劃的支持，在65nm範圍已經可以使用了。

據Renesas報導稱，這個平台的功耗非常低，相當於使用bulk silicon技術的十分之一。

IP / CAD狀態和路線圖

設計生態系統已經為28nm FD-SOI建立了完整的資料庫和基礎IP，同時，22nm技術也快速成長。

EDA公司正在著手於將IP移植到FD-SOI的開發中。

2016年9月，GLOBALFOUNDRIES宣布推出新的合作夥伴計劃，稱為FDX celerator，以提供22FDX SoC設計並縮短上市時間，包括Synopsys，Cadence，INVECAS，VeriSilicon，CEA-Leti，Dream Chip和Encore Semi。

2016年12月，該公司宣布增加八個新合作夥伴，其日益增長的FDXcelerator計劃包括Advanced Semiconductor Engineering（ASE Group），Amkor Technology，Infosys，Mentor Graphics，Rambus，Sasken，Sonics和Quick Logic

對於技術路線圖，FD-SOI可用於65nm至12nm的技術節點，可見度可低至7nm。

基於其22FDX產品的成功，2016年，GLOBALFOUNDRIES推出了新的12nm FD-SOI半導體技術，稱為「12FDX」。

保持完全耗盡的平面處理技術允許代工廠利用低的寄生電容，避免等效3D電晶體所需的複雜光刻步驟，並利用負偏壓來提升電晶體性能，特別是在低電源電壓條件下。

客戶產品預計將於2017年底開始銷售。

15年前FD-SOI技術的先驅Leti與GLOBALFOUNDRIES在22FDX和12FDX平台上合作。

該組織最近開發了10nm FD-SOI技術的測試設備，並基於FD-SOI生產了10nm和7nm的模型。

Leti堅信FD-SOI可以縮小到7nm。

三星和GLOBALFOUNDRIES計劃在2018年之前將非易失性存儲器集成到其FD-SOI技術平台中。

由於FD-SOI生態系統的日益成熟，眾多應用通過FD-SOI看到強大的差異化可能性。

這些應用包括入門級移動通信的單晶片解決方案，通用應用處理器，圖像信號處理器，機頂盒SoC，嵌入式計算機視覺，微控制器，混合信號應用如收發器，GPS /衛星接收機， WiFi / BT組合和毫米波雷達系統。

所有這些應用的功率預算通常非常有限，因此必須做好功耗與性能目標的權衡。

這樣的例子可以在諸如ADAS這樣的嵌入式計算應用中找到，設計人員必須不斷地權衡，找到妥協點，從而以非常有限的功率預算（通常約3W）實現所需的性能。

對於所有嵌入式計算應用，FD-SOI及其在非常低的電源電壓下運行的能力正在成為參考技術的動力

此外，RF /模擬集成通常是這些應用的關鍵。

在同一矽晶片（die）上提供最佳的RF-CMOS技術是FD-SOI的獨特優勢。

它為覆蓋廣泛功能的單晶片解決方案開闢了可能性。

這在入門級市場中尤其有利，例如低端移動市場，價格壓力如此之大，因此集成度必須推向極限，或者在包括雷達和5G收發器在內的毫米波應用中，其中的毫米波 RF功能可以集成在與計算功能相同的晶片（die）上。

新一批的突破性產品

基於FD-SOI技術的產品名單以非常快的速度增長，在過去幾個月內有多個產品發布了公告。

2016年9月，Huami（小米的一個合作夥伴）推出了一款新的健身智能手錶，其中包括基於FD-SOI的全球定位系統（GPS）晶片，圖6演示了節能記錄。

該晶片允許手錶在GPS打開的情況下達到35小時的電池壽命，比現在類似設備高出兩到五倍，這麼長的工作時間在業內可以說是無出其右的。

該晶片於2016年2月在舊金山國際固態電路會議（International Solid- State Circuits Conference ，ISSCC）上發布，大大降低了電力使用量，為智能手錶、智慧型手機、無人機和IoT的大量設備打開了永遠在線的GPS應用的大門。

另外在2016年，Mobileye在其網站上公布，其下一代專門用於3級自動駕駛的EyeQ4產品系列也將基於FD-SOI技術，如圖7。

圖6：Huami Amazfit智能手錶，內置基於FD-SOI的GPS

圖7：專用於ADAS自動3級應的Mobileye EyeQ4晶片

2017年3月，NXP發布了基於三星28FDS FD-SOI技術的兩個通用處理器系列（i.MX7ULP和i.M8X），用於超低功耗和豐富的圖形的電池供電應用中（參見NXP路線圖8）。

針對i.MX7ULP產品，NXP報告稱只需15μW或更低的深度睡眠暫停功耗，與以前的低功耗散裝器件（bulk devices）相比降低了17倍，而動態功率效率提高了50％。

這種高性能、低功耗的解決方案為開發IoT、家庭控制、可穿戴和其他應用程式的客戶進行了優化，這些應用程式在待機模式下花費大量時間，並且需要特殊圖形處理的短暫的性能強烈的活動。

圖8：i.MX處理器路線圖（由NXP提供）

2017年3月，Eutelsat Communications和意法半導體宣布推出新一代交互式應用SoC，降低了互通衛星終端的總體成本，同時降低了功耗。

在22nm方面，Dream Chip宣布推出業界首款用於汽車計算機視覺應用的ADAS SoC的22nm FD-SOI產品。

SoC設備（如圖9）提供了高性能的圖像採集和處理能力，並支持卷積神經網絡（CNN）視覺工作負載，以滿足對複雜汽車對象檢測和處理的需求。

圖9：Dream Chip技術的第一代專用於ADAS的22nm FD-SOI產品

隨著技術的不斷發展，22nm FD-SOI產品系列預計將在明年迎來大幅度增長。

建造更多晶圓廠以滿足FD-SOI的整體需求

面對FD-SOI日益增長的利潤，特別是在中國，代工廠正在努力擴大足夠的生產能力。

2017年2月，GLOBALFOUNDRIES宣布計劃到2020年將其位於Dresden的Fab 1工廠的產能擴大40％。

Dresden將繼續成為FDX技術開發的中心。

在中國，GLOBALFOUNDRIES和成都已宣布合資建造晶圓廠。

他們計劃建造一個300mm晶圓廠，一方面支持中國半導體市場的發展，同時滿足全球客戶對22FDX的需求。

該晶圓廠將於2018年開始生產主流工藝技術，然後專注於製造GLOBALFOUNDRIES的商業化的22FDX工藝技術，預計將從2019年開始量產。

有了這兩個公告，GLOBALFOUNDRIES每年將擁有超過200萬個FD-SOI晶圓的產能。

關於FD-SOI基板的製造能力，Soitec在法國擁有一個300mm晶圓廠，在新加坡擁有另一個晶圓廠（目前處於待機模式），每年的全球產能為150萬片（用於製造FD-SOI和其他新興SOI產品）。

該公司計劃超越此範圍，以滿足客戶的更多需求。

結論

業界對FD-SOI日益增長的興趣，反映了今天半導體技術的新範式。

客戶的需求是以大幅度降低的功耗獲得更強的計算能力，而這需要通過增強的模擬/RF集成來實現。

憑藉FD-SOI的特性，對於廣泛的市場，特別是嵌入式計算應用市場，半導體生態系統主要參與者對FD-SOI越來越感興趣。

FD-SOI現在是主流技術，設備設計者正在利用主要的競爭優勢。

致謝

作者衷心感謝Soitec團隊（Christophe Maleville，Bich-Yen Nguyen，Thomas Piliszczuk，Alexandra Givert和Camille Dufour）的寶貴貢獻和建設性的討論。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1294期內容，歡迎關注。

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