憑借FD-SOI的特性,，對于廣泛的市場領(lǐng)域,，半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的主要參與者對該技術(shù)越來越感興趣。
全耗盡型絕緣層上硅（FD-SOI）是將CMOS晶體管的兩個實質(zhì)特性匯集在一起的獨特技術(shù)：2D平面晶體管結(jié)構(gòu)和全耗盡型工作特點,。它依賴于獨特的基板,，該基板的層厚度受到原子尺度的控制。
FD-SOI具有卓越的晶體管性能,，具有先進CMOS技術(shù)中的最佳功率,、性能、面積和成本折衷,。此外,，F(xiàn)D-SOI還有許多其他獨特的優(yōu)勢，包括后向偏置（負偏壓）能力,，良好的晶體管匹配,，臨近閾值供應(yīng)能力，超低的輻射靈敏度和非常高的本征晶體管速度,，允許其處理毫米波（mmWave）頻率,。
所有這些關(guān)鍵特性正逐漸驅(qū)動FD-SOI從理論上走向?qū)嶋H的應(yīng)用，包括智能手機的入門級應(yīng)用處理器，用于自動駕駛和IoT的片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)備,，以及所有毫米波應(yīng)用,，如5G收發(fā)器和汽車電子雷達系統(tǒng)。
多個代工廠和IDM為FD-SOI技術(shù)提供支持,，現(xiàn)在,，全面技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)可用于28nm和22nm節(jié)點，并且在65nm和12nm節(jié)點開始出現(xiàn),。隨著FD-SOI全球生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展成熟,，該技術(shù)可以為多元化市場的應(yīng)用開發(fā)做好準備。
FD-SOI襯底有幾個顯著特點,，使其具有獨特的優(yōu)勢,。本文總結(jié)了支持FD-SOI廣泛實施的全球生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的最新進展和各種要素，以及最受益的應(yīng)用,。
FD-SOI技術(shù)的核心
FD-SOI技術(shù)中的一切都以基板為基礎(chǔ),，如圖1所示，基板直接決定了晶體管結(jié)構(gòu),。晶體管要想達到完全耗盡的工作狀態(tài),，器件溝道的頂部硅層的厚度是真正的挑戰(zhàn)，其厚度目標(biāo)通常為大約60?；?1個原子層,。考慮到在器件制造過程中硅材料的消耗,，鑄造廠通常需要120埃的頂級硅,。均勻性是保持晶體管具有盡可能低的可變性的另一項非常具有挑戰(zhàn)性的規(guī)范。通常認為+/- 5?；?個原子層的均勻性是至關(guān)重要的,。 氧化埋層（BOx）厚度也必須非常薄，大約20nm,，以使晶體管溝道中的靜電控制由于接地平面效應(yīng)而最大化,。
圖1：晶體管溝道厚度直接與頂層硅SOI層定義相關(guān)
制造一種300mm的晶體硅，要求厚度規(guī)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(xiàn)的,，因此人們研究其他途徑以便使能完全耗盡的晶體管。但現(xiàn)在這是有可能實現(xiàn)的,。
半導(dǎo)體的制造依賴于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，然后進行大劑量離子注入,，從而在表面下方產(chǎn)生弱化層,。在仔細的清潔步驟之后,，晶圓A通過分子鍵合技術(shù)與晶圓B結(jié)合，然后在晶圓A的弱化區(qū)域的精確位置處誘導(dǎo)分裂,。
最后,，對所形成的SOI晶圓進行其他平滑處理以達到目標(biāo)厚度規(guī)格。值得注意的是,，高質(zhì)量的晶圓A可以回收,，以便進一步重用，這使得Smart Cut成為SOI制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(shù)中的適用性
FD-SOI基板制造工藝現(xiàn)已完全成熟,。特別地，如圖3所示,，從晶體管到晶圓的所有級別的厚度均勻性都得到了非常好的控制,，這確保了晶體管可變性維持在非常低的水平。
圖3：FD-SOI制程中從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(jié)點以下的硅中獲得更多性能的方式增加了制造過程的復(fù)雜性,。因此,，如圖4所示，節(jié)點越小,，越需要掩模更多來創(chuàng)建芯片,。這增加了制造成本以及其他非循環(huán)的工程成本，包括設(shè)計流程,、設(shè)計驗證,、掩模套件等。
圖4：每個技術(shù)節(jié)點所需的掩模數(shù)量
另一方面,，從制程的角度看,，F(xiàn)D-SOI是一種簡單的技術(shù)。事實上,，它在提供更多的性能的同時,，降低了制造過程的復(fù)雜性。大多數(shù)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道的那樣,，F(xiàn)D-SOI比bulk silicon更容易實現(xiàn)。
下一級別的晶體管性能
除了制程簡單之外,，F(xiàn)D-SOI還具有其他顯著的優(yōu)點,，如圖5所示。
圖5：使用FD-SOI技術(shù)的優(yōu)勢
1,、body-bias所帶來的更好的設(shè)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(diào)節(jié)。FD-SOI晶體管無需溝道摻雜，也就避免了復(fù)雜的電壓調(diào)整技術(shù),。它還可以通過背柵極極化簡單地實現(xiàn)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(tài)使用。
這意味著相同的功能塊可以根據(jù)需要在高功率或低功率下工作,。后向偏置（負偏壓）的電位非常大：關(guān)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(shù)上實現(xiàn)SOI,。
2、功率-性能-面積-成本的折衷：所有平面技術(shù)中最佳的PPAC（power-performance-area-cost）方案,。
由于FD-SOI制程更為簡單,，能夠更好地控制隨機失配，最小化結(jié)漏電和寄生電容,，通過完全耗盡的晶體管操作增強靜電控制和調(diào)節(jié)體偏置（body bias）的可能性,，F(xiàn)D-SOI技術(shù)呈現(xiàn)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(shù)都能實現(xiàn)最佳的能源效率--即實現(xiàn)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(zhàn)。
由于body bias和其固有的低可變性特性,，F(xiàn)D-SOI可以實現(xiàn)非常低的電源電壓,。通常來說，降低電源電壓（盡管不一定低至0.4V）的能力對于許多應(yīng)用來說是很困難的,，在這些應(yīng)用中,，與性能相比，功耗是更大的挑戰(zhàn),。 考慮到動態(tài)功率隨著Vdd2的增長而增長,，像FD-SOI這樣的技術(shù)能夠通過顯著降低電源電壓從而大大節(jié)省功率，這是一個獨特的優(yōu)勢,。
4,、最佳RF-CMOS技術(shù)，幾乎2倍于3D設(shè)備的最大頻率
由于成本和功耗的原因,，將盡可能多的模擬/ RF功能集成到單個RF-CMOS硅平臺中,，這在許多市場中成為日益重要的問題,。然而，RF-CMOS平臺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。
這對于諸如FinFET這樣的3D器件來說是更大的問題,，由于3D結(jié)構(gòu),，它們必須承載非常強的寄生電容。因此,，SiGe-雙極平臺通常用于該頻率范圍,。FD-SOI是一種平面技術(shù)，因此不受3D器件特性的限制,。325-350 GHz范圍內(nèi)的Ft / Fmax 已經(jīng)有所報道,，這使得全面使用高達100 GHz的毫米波頻譜成為可能，并在許多應(yīng)用中為FD-SOI,、RF-CMOS平臺帶來光明的未來,。
5、可靠性增強
通常,，隨著技術(shù)的縮減,，模擬設(shè)計師必須使他們的設(shè)計能夠與越來越多的退化晶體管一起工作。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(zhàn)性的任務(wù),。FD-SOI技術(shù)提供具有改進的匹配,、增益和寄生的晶體管，可以大大簡化器件設(shè)計,。此外,，其負偏壓特性在許多新模擬結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jīng)在全球半導(dǎo)體代工廠完成,。
意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）在2012年就已經(jīng)采用了FD-SOI技術(shù),，并啟動了幾個項目。 該公司在28nm FD-SOI技術(shù)上展示了基于ARM的3 GHz 以上工作頻率的智能手機應(yīng)用處理器,。該技術(shù)現(xiàn)在在意法半導(dǎo)體用于多元化市場,。
2014年，三星宣布采用FD-SOI技術(shù)進行多項試產(chǎn),，到2016年達到大規(guī)模產(chǎn)量化,，最近他們公布了第一個產(chǎn)品。
在2015年,，GLOBALFOUNDRIES（格羅方德）開發(fā)了一種名為22FDX的22nm FD-SOI技術(shù),，其定位是能夠提供最佳性能/成本比,。這種FD-SOI技術(shù)平臺的性能接近16nm / 14nm FinFET，成本接近28nm bulk silicon工藝,。
2017年2月,，GLOBALFOUNDRIES和Dream Chip Technologies發(fā)布了第一個商業(yè)產(chǎn)品。 GLOBALFOUNDRIES的技術(shù)現(xiàn)在幾乎完全合格,，預(yù)計今年產(chǎn)量將有大幅增長,。
在亞洲，中國代工廠華利（Huali）公司已經(jīng)宣布欲將22nm FD-SOI技術(shù)納入其fab2計劃中,，為中國市場提供更多的FD-SOI技術(shù),。
在日本，Renesas在FD-SOI方面的經(jīng)驗主要是一項功耗非常低的FD-SOI技術(shù),，稱為薄氧化埋層上覆硅（SOTB）技術(shù),，面向低功率MCU市場。該技術(shù)得到了LEAP（(Low-Power Electronics Association and Project）計劃的支持,，在65nm范圍已經(jīng)可以使用了,。據(jù)Renesas報道稱，這個平臺的功耗非常低,，相當(dāng)于使用bulk silicon技術(shù)的十分之一,。
IP / CAD狀態(tài)和路線圖
設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)為28nm FD-SOI建立了完整的數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)IP，同時,，22nm技術(shù)也快速成長,。EDA公司正在著手于將IP移植到FD-SOI的開發(fā)中。
2016年9月,，GLOBALFOUNDRIES宣布推出新的合作伙伴計劃,，稱為FDX celerator，以提供22FDX SoC設(shè)計并縮短上市時間,，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伙伴，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
對于技術(shù)路線圖，F(xiàn)D-SOI可用于65nm至12nm的技術(shù)節(jié)點,，可見度可低至7nm,。基于其22FDX產(chǎn)品的成功,，2016年,，GLOBALFOUNDRIES推出了新的12nm FD-SOI半導(dǎo)體技術(shù)，稱為“12FDX”,。保持完全耗盡的平面處理技術(shù)允許代工廠利用低的寄生電容，避免等效3D晶體管所需的復(fù)雜光刻步驟,，并利用負偏壓來提升晶體管性能,，特別是在低電源電壓條件下?？蛻舢a(chǎn)品預(yù)計將于2017年底開始銷售,。
15年前FD-SOI技術(shù)的先驅(qū)Leti與GLOBALFOUNDRIES在22FDX和12FDX平臺上合作。該組織最近開發(fā)了10nm FD-SOI技術(shù)的測試設(shè)備,，并基于FD-SOI生產(chǎn)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(shù)平臺中,。
由于FD-SOI生態(tài)系統(tǒng)的日益成熟,，眾多應(yīng)用通過FD-SOI看到強大的差異化可能性。這些應(yīng)用包括入門級移動通信的單芯片解決方案,，通用應(yīng)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(yīng)用如收發(fā)器,，GPS /衛(wèi)星接收機,， WiFi / BT組合和毫米波雷達系統(tǒng)。
所有這些應(yīng)用的功率預(yù)算通常非常有限,，因此必須做好功耗與性能目標(biāo)的權(quán)衡,。這樣的例子可以在諸如ADAS這樣的嵌入式計算應(yīng)用中找到，設(shè)計人員必須不斷地權(quán)衡,，找到妥協(xié)點,，從而以非常有限的功率預(yù)算（通常約3W）實現(xiàn)所需的性能。對于所有嵌入式計算應(yīng)用,，F(xiàn)D-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(shù)的動力
此外,，RF /模擬集成通常是這些應(yīng)用的關(guān)鍵,。在同一硅芯片（die）上提供最佳的RF-CMOS技術(shù)是FD-SOI的獨特優(yōu)勢。它為覆蓋廣泛功能的單芯片解決方案開辟了可能性,。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(fā)器在內(nèi)的毫米波應(yīng)用中，其中的毫米波 RF功能可以集成在與計算功能相同的芯片（die）上,。
新一批的突破性產(chǎn)品
基于FD-SOI技術(shù)的產(chǎn)品名單以非?？斓乃俣仍鲩L，在過去幾個月內(nèi)有多個產(chǎn)品發(fā)布了公告,。
2016年9月,，Huami（小米的一個合作伙伴）推出了一款新的健身智能手表，其中包括基于FD-SOI的全球定位系統(tǒng)（GPS）芯片,，圖6演示了節(jié)能記錄,。該芯片允許手表在GPS打開的情況下達到35小時的電池壽命，比現(xiàn)在類似設(shè)備高出兩到五倍,，這么長的工作時間在業(yè)內(nèi)可以說是無出其右的,。該芯片于2016年2月在舊金山國際固態(tài)電路會議（International Solid- State Circuits Conference ，ISSCC）上發(fā)布,，大大降低了電力使用量,，為智能手表、智能手機,、無人機和IoT的大量設(shè)備打開了永遠在線的GPS應(yīng)用的大門,。
另外在2016年，Mobileye在其網(wǎng)站上公布,，其下一代專門用于3級自動駕駛的EyeQ4產(chǎn)品系列也將基于FD-SOI技術(shù),，如圖7。
圖6：Huami Amazfit智能手表,，內(nèi)置基于FD-SOI的GPS
圖7：專用于ADAS自動3級應(yīng)的Mobileye EyeQ4芯片
2017年3月,，NXP發(fā)布了基于三星28FDS FD-SOI技術(shù)的兩個通用處理器系列（i.MX7ULP和i.M8X），用于超低功耗和豐富的圖形的電池供電應(yīng)用中（參見NXP路線圖8）,。針對i.MX7ULP產(chǎn)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(tài)功率效率提高了50％,。這種高性能、低功耗的解決方案為開發(fā)IoT,、家庭控制,、可穿戴和其他應(yīng)用程序的客戶進行了優(yōu)化,，這些應(yīng)用程序在待機模式下花費大量時間，并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(dǎo)體宣布推出新一代交互式應(yīng)用SoC，降低了互通衛(wèi)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(yè)界首款用于汽車計算機視覺應(yīng)用的ADAS SoC的22nm FD-SOI產(chǎn)品,。SoC設(shè)備（如圖9）提供了高性能的圖像采集和處理能力,，并支持卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）視覺工作負載，以滿足對復(fù)雜汽車對象檢測和處理的需求,。
圖9：Dream Chip技術(shù)的第一代專用于ADAS的22nm FD-SOI產(chǎn)品
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,，22nm FD-SOI產(chǎn)品系列預(yù)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(chǎn)能力,。2017年2月,，GLOBALFOUNDRIES宣布計劃到2020年將其位于Dresden的Fab 1工廠的產(chǎn)能擴大40％。Dresden將繼續(xù)成為FDX技術(shù)開發(fā)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(dǎo)體市場的發(fā)展,，同時滿足全球客戶對22FDX的需求。該晶圓廠將于2018年開始生產(chǎn)主流工藝技術(shù),，然后專注于制造GLOBALFOUNDRIES的商業(yè)化的22FDX工藝技術(shù),，預(yù)計將從2019年開始量產(chǎn)。
有了這兩個公告,，GLOBALFOUNDRIES每年將擁有超過200萬個FD-SOI晶圓的產(chǎn)能,。
關(guān)于FD-SOI基板的制造能力，Soitec在法國擁有一個300mm晶圓廠,，在新加坡?lián)碛辛硪粋€晶圓廠（目前處于待機模式）,，每年的全球產(chǎn)能為150萬片（用于制造FD-SOI和其他新興SOI產(chǎn)品）。該公司計劃超越此范圍,，以滿足客戶的更多需求,。
結(jié)論
業(yè)界對FD-SOI日益增長的興趣，反映了今天半導(dǎo)體技術(shù)的新范式,?？蛻舻男枨笫且源蠓冉档偷墓墨@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(xiàn)。憑借FD-SOI的特性,，對于廣泛的市場,，特別是嵌入式計算應(yīng)用市場，半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)主要參與者對FD-SOI越來越感興趣,。FD-SOI現(xiàn)在是主流技術(shù),，設(shè)備設(shè)計者正在利用主要的競爭優(yōu)勢。