2021年03月12日 | 成为5G射频的王者 它和FinFET同样精彩

上世纪末，胡正明教授为了解决传统CMOS工艺“大限将至”的问题，受命带队研发替代性工艺。最终，FinFET与FD-SOI在众多竞争者中脱颖而出。两者各有所长，难分轩轾，但在多重因素的左右之下，FinFET最终成为了主流工艺的接班人。

随着工艺的逐年演进，FinFET与FD-SOI孰优孰劣的争论已渐渐平息了。没有像FinFET那样轰轰烈烈引领先进工艺的进展，但FD-SOI与其背后的SOI家族却也走出了属于自己的一条道路。

最大的引擎：5G

按照SOI衬底晶圆市占率来计算，占比为6成的RF-SOI（针对射频的SOI）才是整个家族的支柱。

RF-SOI器件拥有尺寸小、寄生电容小、速度快、功耗低、集成度高、抗辐射能力强等优点，特别适合开关和转换器低插损、高线性、高速的要求。相比传统的砷化镓（GaAs）和蓝宝石上硅（SOS）技术，RF-SOI可以同时提供优良的射频性能和较低的成本。作为开关和天线调谐器的主流技术，这些器件的90%都是由RF-SOI制造的。

5G时代的到来，智能手机对RF器件的更高要求给了RF-SOI充裕的发挥空间。一方面，智能手机轻薄化、高屏占比的设计趋势持续发展，留给内置RF前端功能区的空间不断减少；另一方面，5G的RF前端模块所需要的功率放大器、滤波器、开关、LNA和天线调谐器的翻倍增长，众多模块都要集成在一部手机当中。这种矛盾使得设计者倍感棘手。

有了RF-SOI技术的存在，这个问题可以迎刃而解。RF-SOI能使开关、PA、LNA、移相器、可变增益放大器(VGA)被完全集成在一起，还同时具有控制、偏置、内存和电源结合功能。

高性能、大尺寸的RF-SOI衬底制备和射频开关代工技术已经证明能够满足5G Sub-6GHz应用的性能和产能需求，并开始在毫米波频段和Wi-Fi 6/6E中发挥潜力。

Soitec公司首席运营官兼全球业务部主管Bernard Aspar告诉集微网，在5G智能手机中，RF-SOI 器件的比例正在不断增加，例如Sub-6GHz频段中，RF-SOI含量比4G高60%；毫米波频段中，120mm2 SOI内容含量增加；同时，RF-SOI在 Wi-Fi 6/6E MU-MIMO 射频前端中更具优越性。

目前，全球RF SOI代工厂包括Tower Jazz、格罗方德、台积电、UMC等。格罗方德还专门为5G应用推出了45nm RF-SOI工艺，该工艺利用了高电阻阱富集的SOI衬底。在国内晶圆代工厂商中，中芯国际与华虹宏力也具备了RF-SOI工艺主流制程代工能力。

5G在未来10年将迎来全面爆发，垂直、衍生技术、应用和频谱将持续发展。这些技术的演进和发展会催生更多对优化衬底的需求。因此，不单是RF-SOI，整个SOI家族都将从中受益。比如，FD-SOI用于SoC模拟/射频集成；压电(POI)优化衬底用于生产高性能表面声波(SAW)滤波器组件，主要针对4G和5G新无线电(NR)波段。

据国外机构预测，5G/驱动下射频应用快速增长， 2020年SOI市场规模超10亿美元（约人民币70亿元），2024年SOI市场规模将增长为22亿美元，2019-2024年复合增速29%。

边缘计算和汽车

边缘计算的出现改变了全球计算设备处理和传输数据的方式。因为IoT的爆炸性增长，以及需要实时计算能力的新应用，持续推动着边缘计算系统的发展。

由于边缘计算使得计算和数据存储更靠近收集数据的设备，能源效率和可靠性成为其核心芯片的基本需求。做为一种可集成多种功能同时仍为移动设备基础架构提供较低功耗的独特技术，FD-SOI完全可以被看做是为边缘计算量身打造的。

“FD-SOI的增长驱动因素主要是5G、边缘计算、汽车，同时其采用率上升也受益于越来越多的技术需要超低功耗的能力。”Bernard Aspar这样认为。

FD-SOI能够在0.4V下工作，与体硅工艺相比，功耗可降低达80％。取决于所用的电压，其性能可能会提高50％。

FD-SOI还可以实现基底偏压和自适应基底偏压，能够在芯片上内置嵌入式存储器，还能集成RF功能，一些厂商已经开始将FD-SOI用作实现5G FEM全集成的最佳平台。

做为一种成熟的技术，以65nm起步，从28nm、22nm演进18nm和12nm。在格罗方德、ST、三星等公司的推动下，采用22nm FD-SOI制程的产品现在已用于包括IT网路、伺服器、消费电子等领域。在近期，有关于该技术的产品就有ST发布的Stellar MCU平台，Samsung Foundry Forum (SAFE) 主推的FD-SOI + eMRAM等。

在汽车电子领域，FD-SOI也在不断取得突破，比如Dream Chip推出的业界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的EyeQ4视觉处理器都采用了FD-SOI技术。

而且，这些还只是FD-SOI在汽车芯片领域应用的冰山一角。如上图所示，汽车所用的大部分主要芯片，都已经在使用这项技术。

“此外，还有通过AI管理的射频，比特流SoC以及新一代的为云端添加无线电连接，也是带动FD-SOI的一系列创新应用。”Bernard Aspar补充道。

由于FD-SOI较低的研发成本和优异特性，与FinFET的关系也由竞争转换为互补。芯原董事长兼总裁戴伟民博士就表示，IoT与AI时代需用FinFET和FD-SOI两条腿走路。FinFET负责大量数字芯片，多数时候具有高性能，FD-SOI则适合低功耗和高集成（射频、存储）。

国内风景很好

近日，沪硅产业公告，拟定增募资不超50亿元，将用于集成电路制造用300mm高端硅片研发与先进制造项目、300mm高端硅基材料研发中试项目、补充流动性资金。

这其中提到的300mm高端硅基材料研发中试项目即是完成 300mm SOI 硅片的技术研发并进行中间性试验生产。

在5G的引领下，SOI晶圆技术已逐步由200mm向300mm过渡，全球能够供应300mm SOI 硅片的供应商主要为法国 Soitec、日本信越化学以及中国台湾的环球晶圆，中国大陆尚无具备规模化生产能力的300mm SOI硅片厂商，

如果该项目实施成功，公司将建立300mm SOI 硅片的生产能力，并完成40万片/年的产能建设。沪硅产业希望项目的建设将有助于公司填补国内300mm SOI硅片技术能力的空白。

对于国内半导体产业来说，SOI是一个并不陌生的话题。在2015年，中国的相关企业就对FD-SOI技术表达了浓厚的兴趣。当时，有一种声音就认为，中国应该大力发展FD-SOI，以实现在工艺上的弯道超车。同年秋天，上海新傲科技开始量产首批8寸SOI晶圆片，采用与该公司策略伙伴、法国Soitec公司的Smart Cut技术。

SOI后来虽没有成为主流工艺，但是在中国的生态却建立起来。有不少设计公司开始设计基于22nm FD-SOI工艺的物联网芯片，晶圆代工厂也在一直进行相关研发，如华力微电子就一直在研发FD-SOI技术，并已向市场交付产品，分别是55纳米的FD-SOI和22纳米的FD-SOI。

进入AIoT时代后，因为有众多亲民特性，SOI更是吸引了中国半导体产业链的极大兴趣。但以业内人士的角度来审视，SOI技术即使发展空间广阔，仍要明确其定位。半导体资深专家莫大康就表示，“任何一种工艺，如SOI，既有低功耗优势，也有成本高的缺陷，前景主要决定于做什么产品。如果用在对于功耗敏感的产品上，未来有希望，反之则没有优势。”

有意思的是，近期发生的芯片产能慌并没有对SOI产业链产生严重影响。一位业内人士表示，FD-SOI是新工艺，能做的只有很少几家，因此很少有抢产能的事发生。这也许对产业也是一个有益的启示：多发展差异化的工艺，避免将鸡蛋放在一个篮子里，产能紧缺这种事件发生的概率就会大幅降低。