國產(chǎn)SOI晶圓技術(shù)迎來突破性進展，SOI賽道大有可為

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）在半導體行業(yè)，制程工藝封裝工藝對芯片性能的影響是不言而喻的。SOI，Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅，即硅晶體管結(jié)構(gòu)在絕緣體之上的意思，原理就是在硅晶體管之間，加入絕緣體物質(zhì)，可使兩者之間的寄生電容比原來的少上一倍。

SOI制程工藝自出現(xiàn)以來就因為其獨特的優(yōu)勢吸引了業(yè)界關(guān)注，就在不久前，中國科學院上海微系統(tǒng)所官方公眾號日前發(fā)布消息，稱魏星研究員團隊在300 mm SOI晶圓制造技術(shù)方面取得突破性進展，制備出了國內(nèi)第一片300mm射頻（RF）SOI晶圓。

團隊基于集成電路材料全國重點實驗室300 mm SOI研發(fā)平臺，依次解決了300 mm RF-SOI晶圓所需的低氧高阻晶體制備、低應力高電阻率多晶硅薄膜沉積、非接觸式平坦化等諸多核心技術(shù)難題，實現(xiàn)了國內(nèi)300mm SOI制造技術(shù)從無到有的重大突破。

從無到有，國產(chǎn)300mm RF-SOI晶圓突破加快射頻產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

制程工藝的發(fā)展從來沒有停歇過，從22nm開始使用FinFET工藝，F(xiàn)inFET工藝就一直在制程工藝演進中發(fā)揮著重要作用。但從制程工藝演進到10nm開始，F(xiàn)inFET工藝漏電流帶來的功耗水平偏高問題，一直是沒有解決的難題。

SOI工藝正是因為其成本可控、漏電流較小、功耗低，開始受到關(guān)注。通常，集成電路上的每個單元都通過PN結(jié)分離構(gòu)建在芯片上。相反，SOI使用一層二氧化硅層（SiO2）來隔離器件。SOI技術(shù)可防止由常規(guī)PN結(jié)隔離形成的垂直和水平寄生器單元引發(fā)IC故障。

大概來說，SOI工藝能夠讓寄生電容比原來少上一半，大大減少電流漏電降低整體功耗。在應用中，SOI又可以分為與FinFET對標的FD-SOI全耗盡型絕緣體上硅，和RF-SOI射頻絕緣體上硅。

本次國產(chǎn)SOI制造技術(shù)從無到有的突破正是RF-SOI射頻絕緣體上硅。

RF-SOI用于各種射頻器件，是各類射頻應用里主流的襯底，如射頻開關(guān)、LNA、調(diào)諧器。具體到設(shè)備，可以說日常生活中的很多終端上都有RF- SOI應用的身影，如智能耳機、手表、可穿戴設(shè)備等，而且不限于蜂窩通信，藍牙、Wi-Fi以及超寬帶UWB等無線技術(shù)背后都有其存在，而且RF-SOI還能在毫米波應用中。

為了制備出300mm射頻（RF）SOI晶圓，中國科學院上海微系統(tǒng)所團隊先后攻克了300mm RF-SOI晶圓所需的低氧高阻晶體制備、低應力高電阻率多晶硅薄膜沉積、非接觸式平坦化等諸多核心技術(shù)難題。

團隊表示，為了300 mm RF-SOI晶圓所需的低氧高阻襯底，自主開發(fā)了耦合橫向磁場的三維晶體生長傳熱傳質(zhì)模型，并首次揭示了晶體感應電流對硅熔體內(nèi)對流和傳熱傳質(zhì)的影響機制以及結(jié)晶界面附近氧雜質(zhì)的輸運機制。

該團隊為300 mm RF-SOI晶圓找到了合適的工藝窗口，實現(xiàn)了多晶硅層厚度、晶粒尺寸、晶向和應力的人工調(diào)節(jié)。

進入5G時代，射頻前端需求激增，如今多天線元件、高階MIMO和多頻段的使用越來越多，加上日益嚴苛的載波聚合技術(shù)要求，明顯提高了5G FEM的復雜性與集成度，從而增加了最新智能終端和射頻基礎(chǔ)設(shè)施中的射頻硅含量。

RF-SOI憑借優(yōu)異的特性、高級程度，加之更具性價比的成本，讓整個產(chǎn)業(yè)鏈呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。根據(jù)Gartner的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球SOI市場規(guī)模將在未來5年將增加一倍以上，其中RF-SOI目前占據(jù)了六成，隨著射頻技術(shù)的不斷進步，未來RF-SOI整體產(chǎn)能與市占率有望繼續(xù)擴增。

在這個重要且快速增長的市場，中國科學院上海微系統(tǒng)所團隊300 mm RF-SOI晶圓實現(xiàn)自主制備無疑有力推動了國內(nèi)RF-SOI芯片設(shè)計、代工以及封裝等全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同快速發(fā)展，并為國內(nèi)SOI晶圓的供應安全提供堅實的保障。

或在汽車行業(yè)大展拳腳的FD-SOI

除了RF-SOI，F(xiàn)D-SOI同樣有著相似的優(yōu)勢，減小了寄生電容，提高了運行速度；降低了漏電，功耗更低；抑制了襯底脈沖電流干擾，減少了軟錯誤的發(fā)生。

但與RF-SOI截然不同的是，與FinFET對標的FD-SOI一直沒能成為先進制程工藝的首選。雖然在28 nm到10nm制程區(qū)間，F(xiàn)D-SOI的確有著低功耗、防輻射、低軟錯誤率、耐高溫和EMC等方面有著優(yōu)勢。但是在模擬芯片長時間停留在成熟制程，F(xiàn)D-SOI也很難充分發(fā)揮出其低功耗高可靠性的特性。而且其生態(tài)一直沒有建立起來。

在本月上海FD-SOI論壇上，作為SOI行業(yè)的重要參與者，此前以28nm FD-SOI為主的ST表示將推出新的18nm FD-SOI工藝，預計這項工藝將在汽車芯片行業(yè)大展拳腳。

汽車電子，的確是FD-SOI擴大應用的好機會。近幾年FD-SOI在汽車上的應用正在增多，尤其是汽車雷達。毫米波雷達是推動汽車ADAS發(fā)展的關(guān)鍵因素，隨著自動化等級的提高，汽車行業(yè)對于高精度、多功能毫米波雷達需求持續(xù)增加。

越來越多毫米波雷達轉(zhuǎn)向了CMOS來增加集成密度，制造節(jié)點選擇40/45nm、28nm、22nm甚至16nm。通過FD-SOI技術(shù)，毫米波高頻雷達組件高度集成在單一芯片上，而且還有著更低的功耗。知名汽車4D成像雷達Arbe就是采用的22nm的FD-SOI實現(xiàn)的。

此外，汽車MCU正在面臨嵌入式非易失性存儲器的極限，在車身控制、電池管理等領(lǐng)域隨著應用復雜程度的提升，存儲單元面積面臨的挑戰(zhàn)越來越大。采用FD-SOI技術(shù)的汽車級MCU嵌入式PCM宏單元，極大地提高了SRAM存儲器性能，能夠在低電壓和極低泄漏下運行，同時保持與傳統(tǒng)bulk SRAM相似的讀寫速度。

在消費電子市場已經(jīng)飽和的現(xiàn)狀下，F(xiàn)D-SOI的確有機會在汽車市場、物聯(lián)網(wǎng)市場迎來大展拳腳的好機會。

寫在最后

在此次國內(nèi)300mm RF-SOI晶圓突破之前，近年來國內(nèi)一些企業(yè)在SOI產(chǎn)業(yè)鏈上也已經(jīng)取得了不少進步，如上海新傲、中芯國際、芯原微電子等在晶圓、襯底、代工、IP等方面都做出了不少成果。

不論國內(nèi)RF-SOI晶圓從無到有的突破，還是FD-SOI在汽車、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域釋放出的應用潛力，SOI的確是一個值得關(guān)注的半導體技術(shù)路線，它給行業(yè)帶來了新的機會和發(fā)展空間。尤其是在國內(nèi)先進制程被限制的形勢下，SOI的賽道是一個可行的發(fā)展方向。