原创： 赵元闯 芯思想

1999年，胡正明教授在加州大学领导着一个由美国国防部高级研究计划局（DARPA）出资赞助的研究小组，当时他们的研究目标是CMOS技术如何拓展到 25nm领域。当时的研究结果显示有两种途径可以实现这种目的：一是立体型结构的FinFET（鳍式晶体管），另外一种是基于SOI的超薄绝缘层上硅体技术（UTB-SOI，也就是现在常说的FD-SOI技术）。 研究小组发表了有关FinFET(1999年发布)和UTB-SOI(2000年发布)的技术文章。

 FinFET与FD-SOI（图片源于SemiWiki）

当时，研究小组认为要让UTB-SOI正常工作，绝缘层上硅膜的厚度应限制在栅长的四分之一左右。对25nm栅长的晶体管而言，胡教授认为UTB-SOI的硅膜厚度应被控制在5nm左右。限于当时的技术水平，由于产业界认为要想制造出UTB-SOI上如此薄的硅膜实在太困难了，于是产业界开足马力研发FinFET技术。

尽管胡正明教授认为，FinFET和FD-SOI技术是可以并存的，现在也确实如此。但是我们也看到FinFET和FD-SOI在产业界的受追捧程度不同，FinFET技术成为台积电（TSMC）、三星（Samsung）、英特尔（Intel）、联电（UMC）、格芯（GlobalFoundries）和中芯国际（SMIC）、华力微（HLMC）等厂商的主流选择；相反FD-SOI在晶圆厂中的接受度并不高，主推FD-SOI工艺的主要是IBM、意法半导体（ST）等公司，格罗方德（在收购IBM晶圆厂才开始FD-SOI工艺）、三星都开始提供FD-SOI代工服务，国内中芯国际、华虹集团旗下华力微也在开始尝试FD-SOI工艺。

基于FinFET技术，英特尔在2011年推出了3D晶体管，制程达到22nm；FinFET技术提出才20年，2014年台积电的16nm正式量产。今天10/7nm FinFET工艺也成功量产并开始商用。

相比FinFET的推进，FD-SOI技术真正是艰难前行。2012年才STM推出首款基于28nm FD-SOI工艺的产品。目前格芯的22nm和三星的18nm才开始试生产。

至于说FD-SOI与FinFET工艺的优劣，实在一言难尽。目前尽管FinFET占据绝对市场份额，但FD-SOI还有是有可取之处，让产业界难说放弃。 

2018年9月18日，由SOI产业联盟、芯原控股有限公司、上海新傲科技股份有限公司、中国科学院上海微系统与信息技术研究所联合主办的上海FD-SOI论坛在上海如约而至。本次论坛吸引了来自衬底、晶圆代工、EDA、IP、IC设计和系统设计等领域的精英齐聚，共同探讨FD-SOI技术的最新成果和未来发展。

中国科学院院士、中国科学院上海微系统与信息技术研究所所长王曦在开幕致辞上表示，在座的各位都见证了SOI行业过去几年的发展，由于产业间的长期努力，现在FD-SOI生态系统正在稳步推进和发展。这么多生态链上的企业探讨SOI业务，说明了中国有广阔空间可以吸纳SOI的技术和产品，也正说明了我们在同样的命运之船上。

芯原微电子创始人、董事长兼总裁戴伟民表示，2013年，第一届FD-SOI论坛在上海召开时，大家还在探讨该技术在中国的可行性。这六年来，在产业界同仁一步一个脚印的坚定推动下，今年的会议已经开始探讨FD-SOI的量产化，其进步和发展成就显著，产业力量也在不断壮大。目前，该技术基于其低功耗、射频集成等优势，已经在很多领域取得了成功应用。戴伟民在随后的演讲中列举了部分汽车电子、物联网应用的成功案例，展示了芯原目前的FD-SOI IP积累。

SOI究竟有什么传奇的地方，值得如此热捧。我们先来看看FD-SOI的发展现状。

FD-SOI发展现状

任何工艺技术离不开生态系统的支持。实际上，FD-SOI生态系统已经在逐渐成形，围绕FD-SOI工艺，已经形成了工艺研究、衬底制造、EDA/IP、晶圆代工、IC设计服务公司、IC设计公司的产业链。

在FD-SOI衬底制造方面，目前有法国Soitec、日本信越半导体(SHE)两家公司采用行业标准的SOI晶园制造技术“智能剥离（Smart Cut）”进行生产。中国的新傲科技已经开始准备量产FD-SOI衬底。

法国Soitec在欧洲和亚洲都有布局生产基地，是“智能剥离（Smart Cut）”技术的发明人和拥有者，是全球SOI晶圆的扛把子，已实现SOI晶园的高良率成熟量产。产品包括FD-SOI、RF-SOI（RFeSI-SOI）、Power-SOI、Photonics-SOI、Imager-SOI。其中12英寸FD-SOI衬底厂能够支持28纳米、22纳米及更为先进的节点上大规模采用FD-SOI技术；而RF-SOI可提供8英寸和12英寸衬底，可以满足全球RF0-SOI的商用。

信越半导体于1988年开始供应SOI衬底，于1997年开始自Soitec获得“智能剥离（Smart Cut）”授权，开始供应FD-SOI衬底。目前可提供6英寸、8英寸、12英寸FD-SOI衬底。

在FD-SOI晶圆代工方面，主推FD-SOI工艺的是格芯（在收购IBM芯片业务后才开始FD-SOI工艺）、三星、意法半导体（STM）等公司，目前都开始提供FD-SOI代工服务。国内中芯国际、华虹集团旗下华力微也在开始涉足FD-SOI工艺。

格芯之前并不做FD-SOI工艺，是在2015年7月收购IBM晶圆厂，同年推出一种名为22FDX的22nm FD-SOI技术，其定位是能够提供最佳性能/成本比。据称22FDX技术平台的性能接近16nm / 14nm FinFET，成本接近28nm bulk silicon工艺。2017年2月，公司和Dream Chip Technologies发布了第一个商业产品ADAS芯片。目前公司22FDX主力生产厂位于欧洲德累斯顿的FAB1，但限于客户不多，产能无法填满。根据公司技术发展蓝图（Roadmap），正在研发12nm FD-SOI工艺（12FDX）。

2014年三星宣布采用FD-SOI技术进行多项试产，在2016年就推出了多种28nm工艺，其中28LPP+eFlash+RF早已成熟；而相比28LPP，28FDS+eMRAM+RF更具竞争力，其速度提升了25%。Gitae也透露，三星将在2018年年底或2019年年初，会推出18FDS工艺，相比28FDS，面积将减少35%，速度提升20%。到了2020年，RF/eMRAM结合的产品将会大规模问世。

意法半导体也在欧洲拥有一条FD-SOI工艺生产线。公司在2012年就已经采用了FD-SOI技术，并启动了几个项目。该公司在28nm FD-SOI技术上展示了基于ARM的3 GHz 以上工作频率的智能手机应用处理器。该技术现在用于多元化市场。

IBS总裁Handel Jones认为，目前FD-SOI工艺集中在28nm和22nm，但未来走向18nm和12nm的路线图非常清晰。事实上三星已经开始了18nm的试生产。

在FD-SOI设计服务方面，可以看到有芯原、Synapse Design。

芯原从2013年就与意法半导体在28nm FD-SOI上合作，2014年开始和三星在28nm FD-SOI上合作；2015年开始和格芯在22nm FD-SOI上合作，现在能够在28nm和22nm提供IP平台和设计服务。而在2018年9月18日，云天励飞的CEO陈宁也宣布了与芯原合作的首款基于GF 22FDX的AI芯片。

在FD-SOI EDA/IP方面，可以看到Cadence和Synopsys已有经过验证的FD-SOI IP。而在三星的生态系统中，我们也看到了国产EDA厂商芯禾科技（XPEEDIC）的名字。

FD-SOI的客户在哪里

据美国媒体报道，格芯前首席执行官Sanjay Jha在一次公司内部会议上，曾对FD-SOI项目负责人提出尖锐的问题：FD-SOI的客户在哪里？

笔者发现，经过多年的争论，FD-SOI技术的支持者开始有所改变，不再强调和FinFET技术的比较，而是推广FD-SOI制程在模拟射频器件的制造方面的特性。

三星高级副总裁Gitae Jeong表示，针对物联网应用，三星推出了FD-SOI工艺。他以客户应用案例为依据，用以说明28FDS的优势。某客户采用28FDS后，相比原来的40nm工艺，射频功耗下降了76%，芯片整体功耗下降了65%。Gitae在演讲时表示，三星电子的28FDS工艺已经成功量产5颗芯片，在良率方面进步很快达到95%，2018年还将有16颗新品进行流片（Tape Out）。恩智浦（NXP）携手三星和Cadence联合开发了i.MX系列产品，过去两年采用28FDS成功多次流片。

格芯高级副总裁兼Fab1厂总经理Thomas Morgenstern表示，FD-SOI工艺是技术发展过程中的差异化解决方案，也是当前格芯的战略核心。尽管FD-SOI工艺的发展受限于生态系统不够完善，在量产方面上还有很多工作需要去做，但Thomas表示，格芯22FDX工艺签约设计金额超过20亿美元，目前已有全球50多家客户，应用领域覆盖物联网、通信、工业、加密货币、汽车与国防军工等不同方向。

不过，IBS总裁Handel Jones通过一系列数据表示，由于人工智能（AI）和5G通信时代的到来，对于半导体有巨大的变革。Handel Jones表示，随着技术的发展和设备折旧的不同，单位逻辑门成本方面，22FDX工艺可与28nm HKMG体硅工艺相当，而12FDX工艺则比FinFET工艺（16nm、10nm或7nm）都要低。特别要提到的是，受益于FD-SOI工艺光罩工艺简化，所需掩膜版层数较少，综合下来，尽管FD-SOI工艺所用衬底价格相对较高，整体成本比FinFET要低。

另外，Handel Jones还对图像处理芯片（ISP）在FD-SOI领域的前景非常看好，他认为FD-SOI工艺无论是在模拟功能、噪声还是功耗方面，都比22nm HKMG体硅工艺或16nm FinFET工艺要好，而成本上还有更明显的优势。相信随着各领域图像处理、需求的发展和增长，他预计，ISP芯片到2027年，每年的需求量可达196亿颗。

从论坛中，各路嘉宾的发言可以看出FD-SOI的客户群体包括：IOT需要超低功耗、RF系统集成的趋势；汽车ADAS需要系统级集成器件；人工智能、神经网络也需要更高性能更低功耗；5G日益成熟，需要RF高集成，相信未来更多芯片采用FD-SOI技术。

虽然这个市场相当庞大，但是FD-SOI能抢到多少生意，那还是要看整个生态圈是否足够强大了。

FD-SOI的根基在欧洲

欧洲在目前全球半导体版图上似乎是个尴尬的存在。曾经在全球半导体市场中三分天下有其一，西门子半导体（英飞凌）、飞利浦半导体（恩智浦）拿出来也算是一代元勋，但是现在整个欧洲的半导体市场却日渐没落。欧洲也希望重振半导体市场，即使做不成领袖，也要有点自己拿得出手炫耀的技术和指点江山的资历。

于是在欧盟的推动下，2013年5月，由欧洲纳电子计划顾问委员会（ENIAC）纳米电子学公私联合工作组（JU）和来自比利时、芬兰、法国、德国、罗马尼亚、瑞典、荷兰等七个国家的19家欧洲知名半导体企业和学术机构宣布正式启动为期3年3.6亿欧元的Places2Be先进技术试制项目，支持全耗尽型绝缘层上硅（FD-SOI）技术的产业化。

Places2Be成员包括ACREO Swedish ICT AB、Adixen Vacuum Products、Axiom IC、Bruco Integrated Circuits、Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives,、Dolphin Integration、Ericsson AB、eSilicon Romania S.r.l.、Forschungzentrum Jülich Gmbh、GlobalFoundries Dresden、Grenoble INP、IMEC、Ion Beam Services、Mentor Graphics France Sarl、SOITEC SA、ST-Ericsson、STM、Université Catholique de Louvain、University of Twente。意法半导体被指定为该项目的负责方。未来三年计划有500名工程师参与其中。

项目旨在于支持28纳米及以下技术节点的FD-SOI试制生产线的部署以及在欧洲实现规模生产的双货源。Places2Be将有助于基于FD-SOI平台的欧洲微电子设计生态系统发展，同时探索此项技术向下一个目标（14/10纳米）发展的途径。

该项目的FD-SOI制造源位于欧洲两个最大的微电子集群地：试制生产线在意法半导体的Crolles制造厂（法国格靳诺布尔附近），双制造源在德累斯顿GlobalFoundries1号制造厂（德国）。

在意法半导体的官网中“公司介绍”中有：公司拥有丰富的芯片制造工艺，包括先进的FD-SOI（全耗尽绝缘体上硅）、CMOS（互补金属氧化物半导体）、差异化影像技术、RF-SOI (射频绝缘层上硅)、Bi-CMOS、BCD (Bipolar, CMOS, DMOS)，Silicon Carbide VIPower和MEMS技术。但却没有提及3D FinFET工艺。

可以说，欧洲目前没有先进的3D FinFET工艺，所以希望在先进的3D FinFET工艺之外，拥有一点自己的特殊化工艺，那就是FD-SOI。

可是看看19家合作单位，有哪家单位有能力来帮助意法半导体撑满一条28nm FD-SOI的产能？

如此看来欧洲无法撑起FD-SOI的蓝天。

FD-SOI的未来在中国？

既然欧洲无法撑起FD-SOI的蓝天。那么哪里会是FD-SOI的沃土呢？

先看韩国。三星的FD-SOI业务在其半导体业务版块中占比微乎其微，而且三星和台积电在FinFET工艺上的竞争不敢停止，必须要投入大量的资金去研发FinFET工艺，一旦在FD-SOI进展不顺，三星应该不会加大投入在FD-SOI上。

至于格罗方德，更取决于生态圈的强大，否则其FD-SOI的发展无法预测。

目前看来，FD-SOI生态圈还不足够成熟。这点在“哪些市场和应用将率先使用FD-SOI技术”的圆桌讨论中得到了证实。

圆桌讨论中，嘉宾们就FD-SOI在中国布局的战略意义、FD-SOI技术的市场主推力、FD-SOI成为物联网应用主流工艺的时间节点等问题展开了探讨。

多数嘉宾认为，FD-SOI工艺大规模应用，还需要3到5年的时间，过程是否顺利主要取决于三点：首先，生态链建设何时能够完善，特别是FD-SOI衬底制造和可用IP的数量；其次，市场需求能否被激发，何时能被激活；第三，中国政府支持力度有多大。

Soitec的CEO预计FD-SOI大规模商用将在2021的第一季度，而三星电子的Gitae Jeong对FD-SOI大规模商用的进度最为乐观，他认为最早到2020年第二季度就可以实现。

目前物联网（Internet of things，IoT）的市场还没有成熟，中国对FD-SOI的支持力度有多大还不明确。特别是中芯国际（SMIC）在FinFET技术三切上已经取得了突破，并进入了客户导入阶段。

格罗方德日前宣布退出高端工艺的研发，但也并未明确表示会在FD-SOI投入更多，估计其还在期待中国给予更多支持。

实际上，成都副市长范毅也带领一个团队专程到访本次FD-SOI论坛现场，与产业界人士进行深入交流沟通。范毅副市长在致辞中强调成都是FD-SOI技术发展的见证者和参与者。就SOI未来技术发展来看，成都一定是中国甚至全球的重要发展区域。其实在2018年7月举行的2018青城山中国IC生态高峰论坛上，范毅就表示成都政府对格罗方德在成都的投资非常有信心，并表示要加大投资加速FD-SOI产业化。

中国在FD-SOI的布局

中国科学院上海微系统与信息技术研究所在SOI材料研究方面投入了大量的资源，在FD-SOI、RF-SOI、PD-SOI方面都有涉足。

2015年11月11日，上海硅产业投资有限公司投资合作协议签字仪式在上海举行，注册资本20亿元，出资方包括大基金35、上海国盛（集团）有限公司35、上海武岳峰集成电路股权投资合伙企业、上海新微电子有限公司、上海市嘉定工业区开发（集团）有限公司。

上海硅产业投资有限公司充分借力国家集成电路基金的平台及引领优势，发挥上海市的产业资本优势和科创中心聚集优势，通过投资、并购、创新发展和国际合作来提升我国硅材料产业综合竞争力。

目前上海硅产业投资有限公司持有12寸硅片生产商上海新昇62.82%和SOI晶圆供应商上海新傲53%的股份，持有全球最大的SOI晶圆商法国Soitec的12%股份，持有MEMS/SOI硅片供应商芬兰Okmetic的100%股权。

新傲专注于半导体市场的SOI和Epi解决方案。2017年新傲的Epi业务得到了长足发展，并且根据市场需求大幅度提高了SOI产量。2018年新傲正在执行RF-SOI业务的持续扩张计划，并制定了长期规划适时进入FD-SOI市场。

2016年上海硅产业投资有限公司收购14.5%的Soitec股份。这是中国集成电路产业在材料领域的第一例海外并购，显示了上海硅产业投资已快速发力布局材料领域。收购Soitec股权是看中其FD-SOI技术及RF-SOI应用。2017年上海硅产业投资有限公司出售2.50%的持股，目前持股比例为12%。

2017年2月，格芯宣布在成都建设12英寸生产线，并计划将22nm FD-SOI技术转移到成都，计划于2019年下半年量产22nm FD-SOI。格芯还将投资一亿美元成立一个FDX FD-SOI设计服务中心，并建立一个EDA/IP生态系统。

结语

FD-SOI和FinFET工艺争论孰优孰劣，依笔者看来似乎意义不大。笔者认为，技术不是拿来比较的，而是用来推动产业发展的，是用来推动社会进步的。那么谁能提供更便宜、更实用、更低功耗的解决方案就是好技术。