專欄︱SOI與FinFET技術(shù)誰更優(yōu)

1999 年，胡正明教授在美國加州大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）出資贊助的研究小組，當(dāng)時(shí)他們的研究目標(biāo)是 CMOS 技術(shù)如何拓展到 25 納米及以下領(lǐng)域。研究顯示，有兩種途徑可以實(shí)現(xiàn)這種目的：一是立體型結(jié)構(gòu)的 FinFET 晶體管（鰭式晶體管），另外一種是基于 SOI 的超薄絕緣層上硅體技術(shù) (UTB-SOI,也就是我們常說的 FD-SOI 晶體管技術(shù))。

胡正明教授

體硅 CMOS 技術(shù)走到 22 納米之后，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/509767.html">光刻技術(shù)所限，特征尺寸已很難繼續(xù)微縮，急需革新技術(shù)來維持進(jìn)一步發(fā)展。在眾多的候選技術(shù)之中，F(xiàn)D-SOI（Fully Depleted SOI，全耗盡絕緣層上硅）技術(shù)極具競爭力。對于 FD-SOI 晶體管，硅薄膜自然地限定了源漏結(jié)深，同時(shí)也限定了源漏結(jié)的耗盡區(qū)，從而可改善 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering，漏致勢壘降低)等短溝道效應(yīng)，改善器件的亞閾特性，降低電路的靜態(tài)功耗。此外，F(xiàn)DSOI 晶體管無需溝道摻雜，可以避免 RDF(Random Dopants Fluctuation，隨機(jī)摻雜漲落)等效應(yīng)，從而保持穩(wěn)定的閾值電壓，同時(shí)還可以避免因摻雜而引起的遷移率退化。

FinFET 與 FD-SOI

（圖片源于 SemiWiki）

FD-SOI 技術(shù)不僅能得到 FinFET 全耗盡晶體管帶給平面?zhèn)鹘y(tǒng)技術(shù)的全部好處，而且還能實(shí)現(xiàn)后者無法達(dá)到的先進(jìn)的負(fù)偏壓（back bias）技術(shù)。

FD-SOI 工藝可以將工作電壓降低至大約 0.6V，而相比之下體硅（Bulk CMOS）工藝的最小極限值一般在 0.9V 左右。使用 FD-SOI 的后向偏置技術(shù)（即負(fù)偏壓）可以提供更寬動(dòng)態(tài)范圍的性能，因此特別適合移動(dòng)和消費(fèi)級(jí)多媒體應(yīng)用。

對全耗盡型 SOI 工藝而言，SOI 中位于頂層的硅層厚度會(huì)減薄至 5-20 納米，這樣器件工作時(shí)柵極下面溝道位置下方的耗盡層便可充滿整個(gè)硅薄膜層，如此便可消除在 PD-SOI（PD 為部分耗盡）中常見的浮體效應(yīng)。

在部分耗盡型 SOI 結(jié)構(gòu)中，SOI 中頂層硅層的厚度為 50-90 納米，因此溝道下方的硅層中僅有部分被耗盡層占據(jù)，由此可導(dǎo)致電荷在耗盡層以下的電中性區(qū)域中累積，造成所謂的浮體效應(yīng)。

SOI 工藝的優(yōu)勢：

1. 減少寄生電容，提高器件頻率，與體硅相比 SOI 器件的工作頻率提高 20-35%。
2. 由于減少寄生電容和降低漏電流，SOI 器件的功耗相比體硅下降 35-70%。
3. 消除了閂鎖效應(yīng)（閂鎖效應(yīng)，即 Latch up， 是指 CMOS 芯片中，由于寄生的 PNP 和 NPN 雙極性 BJT 相互影響而產(chǎn)生 在電源和地線之間的一低阻抗通路, 它的存在會(huì)使 VDD 和 GND 之間產(chǎn)生大電流。）。隨著 IC 制造工藝的發(fā)展，封裝密度和集成度越來越高，產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)的可能性會(huì)越來越大。
4. 抑制襯底的脈沖電流干涉,減少軟錯(cuò)誤的發(fā)生。
5. 與硅工藝相容，可減少 13-20%工序。

SOI 發(fā)展現(xiàn)狀

法國 Soitec 已實(shí)現(xiàn) FD-SOI 晶園的高良率成熟量產(chǎn)，其 300 毫米（即 12 英寸）晶圓廠能夠支持 28 納米、22 納米及更為先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上大規(guī)模采用 FD-SOI 技術(shù)。如今，全球有三家位于三大洲的公司能夠供應(yīng) FD-SOI 晶圓，包括法國 Soitec、日本信越半導(dǎo)體(SHE)、美國 SunEdison。這三家公司均采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 SOI 晶園制造技術(shù)，智能剝離（Smart Cut）。

FD-SOI 技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展正在幾個(gè)方面逐步展開。三星及格羅方德 -- 全球四大半導(dǎo)體代工廠中的兩家 -- 已經(jīng)采用 FD-SOI 晶圓進(jìn)行多項(xiàng)試產(chǎn)(即 tape-out，也稱流片，指硅芯片從設(shè)計(jì)到制造的這一步驟)，并宣布計(jì)劃量產(chǎn)（與非網(wǎng)編輯注：三星 28 納米 FD-SOI 工藝在 2016 年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)）。

FD-SOI 的設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)也在持續(xù)壯大之中，在 28 納米和 22 納米工藝節(jié)點(diǎn)上進(jìn)展尤為迅猛。眾多電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)公司正積極研發(fā)與 FD-SOI 相關(guān)的 IP。目前已有多家 IC 設(shè)計(jì)廠商公開表示全面擁抱這項(xiàng)技術(shù)，其中一些宣布將在未來的開發(fā)路線圖中采用 FD-SOI 技術(shù)。

采用 FD-SOI 工藝制造的芯片功耗更低，成本更少。比如索尼新一代智能手表中的 GPS，目前市場上采用其他工藝的 GPS 產(chǎn)品，功耗最好大概在 10mW 左右，而使用 FD-SOI 技術(shù)制作的芯片功耗能達(dá)到 1mW，功耗降低為原來的十分之一。

一種新的工藝技術(shù)離不開生態(tài)系統(tǒng)的支持。實(shí)際上，F(xiàn)D-SOI 生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)在逐漸成形，圍繞 FD-SOI 工藝，已經(jīng)形成了工藝研究、晶圓、IP、代工廠、IC 設(shè)計(jì)服務(wù)公司、IC 設(shè)計(jì)公司的產(chǎn)業(yè)鏈。法國 Soitec 與日本信越等號(hào)稱可以提供每月超過 10 萬片 SOI 晶圓的產(chǎn)能，除 FDSOI 已在意法半導(dǎo)體量產(chǎn)外，Global Foundries 已與意法半導(dǎo)體簽約有意導(dǎo)入 FD-SOI 工藝。

其中 ARM 的支持顯得格外重要，因?yàn)?ARM 大多情況下都是在場邊觀戰(zhàn)等待最終定局，業(yè)界認(rèn)為“只要 ARM 出聲，表示芯片已經(jīng)就緒了”。

ARM 認(rèn)為，22 納米 FD-SOI 可讓你的性能提高一倍，并改善 10 倍的漏電問題。很顯然，這相當(dāng)具有說服力。ARM 實(shí)體設(shè)計(jì)部門總經(jīng)理 Will Abbey 表示，“ARM 的 Cortex A32 與 A35 核心具備低功率與高效能優(yōu)勢，能夠適當(dāng)?shù)貫楣β拭舾械?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91/">物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行反向閘極偏置，顯然是 FD-SOI 的理想方案?！?/p>

FD-SOI 可以廣泛應(yīng)用在超低功耗要求領(lǐng)域，例如移動(dòng)通訊、處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、RFIC 及超低電壓數(shù)字電路等。

FD-SOI 與 FinFET 最更優(yōu)

比較 FD-SOI 及 FinFET 可能是困難的，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈Ρ容^的基線。

然而目前在先進(jìn)工藝制程中，F(xiàn)inFET 技術(shù)占優(yōu)也不用懷疑。因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/manufacturer/1000203/">英特爾、臺(tái)積電以及三星都在采用 FinFET 技術(shù)，并己經(jīng)進(jìn)入 10 納米量產(chǎn)，臺(tái)積電己聲稱 7 納米今年試產(chǎn)，確保明年量產(chǎn)。而三星更為積極，聲稱它的 7 納米處理器芯片今年底有可能提前量產(chǎn)。業(yè)界老大英特爾始終不慌忙，聲稱 2018 年它的 10 納米 PC 處理器芯片量產(chǎn)，并聲稱它的 10 納米水平相等于臺(tái)積電與三星的 7 納米。

而目前見到量產(chǎn)的 FD-SOI 技術(shù)，僅意法半導(dǎo)體與三星，格羅方德計(jì)劃 2017 年量產(chǎn) 22 納米 FD-SOI。

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，能否表示 FD-SOI 技術(shù)的不足？答案可能是不一樣。

任何一項(xiàng)技術(shù)的釆用是由市場決定的。果如分析所言，F(xiàn)D-SOI 技術(shù)在高頻、低功耗、抗靜電等方面有明顯的優(yōu)勢，為什么 IC 設(shè)計(jì)公司不采用它？。

這主要是由于 SOI 硅片的成本太高。目前 8 英寸的 SOI 硅片每片要 300-400 美元，而通常的體硅片每片才 30-40 美元，相差十倍。因此估計(jì) SOI 代工硅片價(jià)格應(yīng)該在每片 1000 美元左右，而統(tǒng)計(jì)中國的代工廠，它們的 8 英寸硅片平均代工價(jià)格每片約 400 美元。

因此，只有如 RFIC 等特定用途的芯片，才會(huì)采用 SOI 工藝。另一方面，只有 SOI 硅片生產(chǎn)的數(shù)量多了，價(jià)格才能降下來。再有，由于 FinFET 技術(shù)廣泛被采用，它的產(chǎn)業(yè)鏈完善，如 IP 與第三方 IP 技術(shù)等都很豐富，相對而言，SOI 的產(chǎn)業(yè)鏈尚在逐步完善之中，即使被 IC 設(shè)計(jì)公司采用，它的使用也不如 FinFET 方便。

盡管見到 IBS 公司有分析 FD-SOI 與 FinFET 的成本報(bào)告，計(jì)算下來 FD-SOI 成本可能更低，但是目前 SOI 技術(shù)發(fā)的關(guān)鍵是沒有一個(gè)同等數(shù)量的市場，因此不像 FinFET 一樣能迅速發(fā)展。

所以，F(xiàn)D-SOI 與 FinFET 技術(shù)是各有各的應(yīng)用場合，那些確有低功耗等需要的應(yīng)用,采用 FD-SOI 技術(shù)也是合乎情理。所以 FD-SOI 技術(shù)需要有一個(gè)市場的培育過程。

業(yè)界有人認(rèn)為，未來可能是 40 與 28 納米的 FD-SOI 技術(shù)與 14 及 10 納米的 FinFET 技術(shù)共存相當(dāng)長一段時(shí)間。最終在 7 納米及以下時(shí) SOI 也將從 2D 發(fā)展到 3D，即發(fā)展為 SOI FinFET 工藝。表明 SOI 與 FinFET 技術(shù)可謂殊途同歸！所以兩種工藝并非是完全對立的技術(shù)。

中國需要 SOI 技術(shù)

中國半導(dǎo)體業(yè)處在一個(gè)特殊的環(huán)境中，為了自強(qiáng)自立,顯然也需要發(fā)展 SOI 技術(shù)，這一點(diǎn)是無疑的。

中國半導(dǎo)體業(yè)界經(jīng)常議論“要實(shí)現(xiàn)彎道超車”，然而“彎道”在那里？可能有時(shí)并不太清楚。而 FDSOI 技術(shù)可能是其中最為靠譜的技術(shù)之一。

但是中國半導(dǎo)體業(yè)要涉足 FD-SOI，必須跨過三座大山，面臨的困難也不少。

分析 FD-SOI 技術(shù)的現(xiàn)狀，中國要進(jìn)入 SOI 領(lǐng)域必須要跨過三關(guān)，即 SOI 晶園的自制，而且價(jià)格一定要降；IC 設(shè)計(jì)公司的大量采用；以及代工廠的順利投產(chǎn)。并且三個(gè)方面必須能聯(lián)動(dòng)起來，才能逐步把 SOI 的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈完善。

其中十分重要的是它不可能僅用錢解決一切，必須要扎扎實(shí)實(shí)地解決 SOI 產(chǎn)業(yè)鏈中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，并下功夫去突破，這可能是最困難的問題所在。

顯然，現(xiàn)階段市場的需求量可能是個(gè)關(guān)鍵因素，當(dāng)前僅是 RF 前端 IC 等采用。所以對于 SOI 產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展首先需要政府部門牽頭，制定規(guī)劃，并引導(dǎo)與資金支持，目前階段尚不可能單純依靠市場能解決所有問題。

目前中國的 FD-SOI 技術(shù)尚沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，國內(nèi)的 IC 設(shè)計(jì)公司可能尚處在多任務(wù)硅片（MPW）的設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，據(jù)傳中芯國際及華虹宏力的 SOI 代工能力都己具備。因此國內(nèi)自主生產(chǎn) SOI 硅片，及讓更多的 IC 設(shè)計(jì)公司采用 SOI 技術(shù)是個(gè)首要任務(wù)。

2016 年 3 月上海硅產(chǎn)業(yè)投資有限公司和 Soitec 推進(jìn)合作，并投資入股 14.5%。據(jù)透露，在合作達(dá)成之后，中方的 IC 設(shè)計(jì)廠商能夠通過格羅方德和三星的代工廠來獲得使用 FD-SOI 技術(shù)，同時(shí) Soitec 承諾如果未來中國大規(guī)模采用了這個(gè)技術(shù)，需要多少晶圓都可以提供?！俺虽N售產(chǎn)品的合作，在研發(fā)和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)方面也將展開合作。”

中國半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展可能關(guān)鍵不在于方向在那里？而是確定方向之后，如何踏實(shí)去干，去解決一個(gè)一個(gè)難題。任何進(jìn)步?jīng)]有捷徑，其中骨干企業(yè)的責(zé)任尤為重要。