SOI技术及产业发展研究

李博文 孟静 李娟

(1.中国信息通信研究院政策与经济研究所，北京100191；2. 中国信息通信研究院电信设备认证中心，北京 100088；3. 中国信息通信研究院办公室，北京 100191)

0 引言

自1947 年全球第一只晶体管问世以来，半导体技术取得了一项又一项“首次性”突破，推动摩尔定律指引全球集成电路产业飞速发展。然而，随着集成电路特征尺寸的逐步缩小，一系列新的难题也随之而来，诸如热载流子效应、短沟道效应、体硅器件闩锁效应等物理效应严重影响了集成电路产品的性能和质量[1]。为有效解决这些问题，进一步提升集成电路产品性能，全球半导体领域科研人员进行了大量研究，创新性地提出了很多新的技术和结构。在众多的新结构器件中，绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)技术凭借其“硅-绝缘层(二氧化硅)-硅”的独特结构，不仅可以充分发挥体硅集成电路技术的优势，还能够有效克服体硅集成电路在开关速度、寄生效应等方面的诸多不足，因而成为集成电路产业发展的一条重要技术路线。自SOI技术在IBM 0.25 μm工艺处理器上获得首次应用后[2]，经过不断的发展，现已广泛应用于射频前端、汽车电子、物联网等众多领域[3]，涵盖了服务器、打印机、游戏设备、网络和存储设备、可穿戴和汽车电子等各种产品，在全球范围内已初步形成了相对完整的产业生态。

1 SOI技术原理

1.1 SOI结构特点

作为一种特殊的硅基材料，SOI最为明显的特征是衬底材料具有“硅-绝缘层(二氧化硅)-硅”三明治型的独特结构。在这种衬底材料上利用集成电路工艺实现的器件被称为SOI器件，该类器件制造工艺与传统硅器件制造工艺类似，只是将SOI器件做在“三明治结构”的“顶层硅”中，由下方的二氧化硅提供保护，且具有高工作速度、低功耗、高器件隔离度、高可靠性以及低制造成本等诸多优势。

1.2 SOI制备技术

作为SOI技术的基础和上游环节，SOI材料的制备一度是制约SOI器件实现大规模产业化推广应用的关键。目前，SOI的制备技术主要有3种：第一种是在氧化层上直接外延单晶硅材料，并通过激光再结晶法、条形加热法等，这种方法难以形成高质量的单晶硅[4]，因而并未在工业中被大规模采用；第二种是采用离子注入的方法，将绝缘埋层引入硅材料中，如注氧隔离技术(Separation by Implanted Oxygen，SIMOX)、注氮隔离技术(Separation by Implanted Nitrogen，SIMNI)和多孔硅氧化隔离技术等[5]；第三种则是基于键合技术的方法，如智能剥离技术(Smartcut)及其衍生的原子层剥离技术(NanoCleave)、键合及背面减薄技术(Bonede and Etch-Back SOI)等[6-7]。

1.3 SOI主要技术路线

面向不同应用需求，SOI技术逐渐发展出了射频绝缘体上硅(RF-SOI)和完全耗尽型绝缘体上硅(FD-SOI)两条技术路线。RF-SOI技术相较于传统的砷化镓(GaAs)和蓝宝石上硅(SOS)技术不仅成本更低、集成度更高，还发挥了SOI材料结构的优势，所实现的器件具有高品质、低损耗、低噪声、高器件间隔离度等射频性能，能够满足射频前端模组、部件在复杂度方面不断提升的需求，因此主要用于制造智能手机和无线通信设备上的开关、天线调谐器、低噪声放大器、功率放大器等射频前端芯片。FD-SOI技术采用具有超薄“顶层硅”的SOI衬底材料，因此制造出的器件最主要特点是沟道(电流通道)非常薄，能够有效解决由集成电路尺寸缩小所引起的电流无法关断问题(即短沟道效应)。

2 SOI技术产业发展现状

2.1 RF-SOI产业

随着移动通信技术的快速发展，移动终端也在向小型、轻量、低功耗等方面持续演进，给内部器件带来了严峻的挑战。而基于SOI技术构建的CMOS器件，由于特有的“硅-绝缘层(二氧化硅)-硅”结构，极大减少了寄生电容，具有更快的工作速度、更低的驱动电源和更高的集成度[8]，天然适用于射频领域。虽然Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料制作的器件性能也较为优异，但其与硅基芯片直接集成存在一定困难，因此在集成度要求高的方案中 RF-SOI技术可以将开关、功率放大器、低噪声放大器、移相器等集成起来，同时具备偏置、控制等功能，在集成度、成本等方面优势明显，已发展为移动通信系统中射频前端产品的主要解决方案。

实际上，射频开关芯片早从2013年起就已全面采用RF-SOI工艺。在4G手机中，RF-SOI技术在开关类射频应用的占比已经超过95%。随着5G、物联网等技术的飞速发展和广泛应用，射频前端模块中所需要的功率放大器、滤波器、开关和天线调谐器数量将呈翻倍增长态势。而智能手机对于更轻、更薄、更高屏占比的极致追求严重挤压了射频前端功能区的放置空间。对射频器件的实现提出更高要求使得RF-SOI器件在终端内的占比不断增加，产业化规模获得进一步提升。以5G智能手机为例，在Sub-6 GHz频段中，RF-SOI含量较4G手机高出了约60%；此外，在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMO 射频前端中，RF-SOI也更加具有优势。

2.2 FD-SOI产业

为解决随工艺尺寸进一步减小(<28 nm)所导致的漏电流问题，1999年平面结构的FD-SOI技术与立体结构的鳍式场效应晶体管(FinFET)技术几乎同时被发明。在FD-SOI技术发展初期，虽有Leti、Soitec、意法半导体等欧洲知名半导体研究机构和企业的参与，但也仅限于在技术上的有限突破，并没有推出真正能够获得市场广泛认可的工业产品，再加FD-SOI上衬底制备技术有待进一步完善、难以保证稳定可靠的商业供应，最终使得受英特尔、台积电等国际龙头企业青睐的FinFET技术迅速占领市场。

直到2006 年，满足工业应用需求的FD-SOI 材料终于被法国 Soitec公司所攻克，欧洲半导体巨头意法半导体联合 Leti和Soitec公司开发出了 FD-SOI 晶体管，真正实现了 FD-SOI 器件的制备。2007 年，随着以 Soitec公司为核心的SOI 联盟的成立，众多半导体企业和科研机构逐渐加入FD-SOI阵营，推动FD-SOI技术向商业化的转型。

近年来，FinFET技术路线的先进工艺持续推动器件微缩化，但也随之带来了工艺复杂、工序繁多、良率下降等问题，使得在28 nm以下制程的每门成本不降反升，从而给其他技术路线带来新的发展机遇。业界开始意识到FinFET并不一定是28 nm及以下集成电路最佳的技术路线，继而开始重新对FD-SOI技术加以关注。理论上，利用DUV光刻机制造的FD-SOI产品，可以达到与采用EUV光刻机制造的FinFET产品相当的性能。由于FD-SOI是平面结构，相对于立体结构的FinFET，工厂建设成本和芯片生产成本也都相对更低。但限于目前材料制备技术和工艺，SOI晶圆成本与硅晶圆相比仍相对较高。目前，FD-SOI技术在汽车电子领域获得了极大的关注，并取得了突破性成果，已应用于Dream Chip公司首款用于汽车计算机视觉应用的ADAS SoC芯片、Arbe Robotics公司的4D成像雷达，以及Mobileye公司的EyeQ4视觉处理器。

2.3 其他

SOI晶圆的独特结构使得其应用领域更加多元化，针对不同产品需求，通过对晶圆结构上的细微调整也相继诞生了不同的SOI技术路线。除适用于射频前端的RF-SOI、适用于高效移动通信的FD-SOI等技术外，其他SOI技术也在逐渐开启和推广产业化应用，如有效克服高电压穿透、强化功率元件稳定性的Power-SOI技术，提高3D感知运算效率、强化面部识别和3D传感的Imager-SOI技术，以及适用于高性能光器件硅上集成的Photonics-SOI技术。特别是近几年，高速网络传输需求持续增强，传统基于磷化铟(InP)技术的光芯片越来越难以满足系统集成和功耗要求。而Photonics-SOI技术结合了CMOS和光的特性优势，已成为高速光收发器芯片的重要技术路线之一。Soitec公司预计，从2023年起基于Power-SOI的硅光收发器市场占比将超过传统的InP方案。

3 SOI产业生态建设

随着SOI技术的逐步发展和应用，其产业规模日渐壮大，上游产业生态也在不断建立和完善。

在衬底材料供应方面，核心技术和主要市场由法国Soitec公司掌握。2013年，法国Soitec公司率先实现了FD-SOI衬底成熟量产，并将衬底制备关键核心技术SmartCut授权给日本信越公司和美国SunEdison公司以快速扩充产能，同时与代工厂格罗方德签署供应协议以进一步巩固供应链。目前，Soitec公司的12英寸衬底材料能够支持在65 nm、28 nm、22 nm及更为先进的节点上大规模采用FD-SOI技术[9]。Soitec公司也是全球RF-SOI衬底最大的供应商，占据70%的全球市场份额，可以生产8英寸和12英寸的RF-SOI衬底材料，日本信越公司和中国台湾地区环球晶圆公司则紧随其后，分别位列RF-SOI衬底供应商的第二和第三名。

在代工工艺方面，主要由格罗方德、意法半导体、三星等国际企业主导。意法半导体于2012年推出了28 nm FD-SOI工艺平台，并于2014年将该技术平台授权给三星。格罗方德于2017年发布了22 nm FD-SOI代工平台，截至2020年年底已实现营收45亿美元，交付芯片超过3.5亿颗。2018年，格罗方德投产的12 nm FD-SOI代工平台生产的产品几乎拥有10 nm FinFET 工艺产品同等的性能，但功耗和生产成本却比16 nm FinFET工艺产品还低。格罗方德、Tower Jazz、三星、意法半导体等均已具备较为先进RF-SOI芯片制造能力，特别是格罗方德，特意研发了45 nm RF-SOI工艺以满足5G应用的需求。

在EDA工具和IP核方面，国际巨头率先占领市场。目前，EDA巨头Cadence和Synopsys都已推出了经过验证的FD-SOI相关IP[9]。在格罗方德22 nm FD-SOI平台推出后，ARM、Mentor等企业也纷纷着手相关IP的开发。2021年8月，EDA巨头Cadence和晶圆代工厂Tower Jazz共同推出了针对SOI等工艺技术进行了优化的射频参考设计流程。

4 SOI产业发展面临的主要问题和挑战

(1)行业牵引力不足，缺乏大型龙头企业引领。作为同一时间提出的另一技术路线，FinFET技术能够迅速占领市场，其主要原因在于得到了行业龙头英特尔和台积电的认可和支持，进而推动产业链上游生态的加速建设和完善。就目前来看，SOI阵营中的格罗方德、意法半导体等企业缺乏足够的市场号召力和产业话语权。

(2)衬底技术门槛高，材料供应紧张。由于SOI材料本身的特殊性，其材料加工要求很高，全球仅有少数几家公司可以提供服务，且目前主要制备技术SmartCut的专利仍属于法国Soitec公司，其他厂商使用需得到授权。

(3)全球制造产能持续紧张，代工能力不足。当前，全球制造产能虽略有松动，但仍未得到有效缓解。设计企业代工制造主要依赖格罗方德等少数企业进行代工，产能或难以满足业界需求。此外，格罗方德早在2018年就宣布放弃对7 nm工艺的研发，未来SOI先进制程代工仍存在一定的不确定性。

5 结束语

自20世纪60年代诞生以来，SOI技术持续发展，并取得了一定的突破。 特别是在过去几年，SOI技术产业化步伐不断加快，产业生态初步建立，RF-SOI、FD-SOI等主要技术已在5G、边缘计算、汽车电子等领域得到广泛应用。但也应清醒看到，SOI技术相比FinFET仍有一些劣势，未来一段时间内仍将是FinFET技术的部分替代和有力补充。在当前原材料和制造产能持续紧张的前提下，没有极富话语权的行业龙头全力支持，SOI产业发展仍面临较大风险和挑战。