国产SOI晶圆技术迎来突破性进展，SOI赛道大有可为

电子发烧友网报道（文/李宁远）在半导体行业，制程工艺封装工艺对芯片性能的影响是不言而喻的。SOI，Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅，即硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在硅晶体管之间，加入绝缘体物质，可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。
 
SOI制程工艺自出现以来就因为其独特的优势吸引了业界关注，就在不久前，中国科学院上海微系统所官方公众号日前发布消息，称魏星研究员团队在300 mm SOI晶圆制造技术方面取得突破性进展，制备出了国内第一片300mm射频（RF）SOI晶圆。
 
团队基于集成电路材料全国重点实验室300 mm SOI研发平台，依次解决了300 mm RF-SOI晶圆所需的低氧高阻晶体制备、低应力高电阻率多晶硅薄膜沉积、非接触式平坦化等诸多核心技术难题，实现了国内300mm SOI制造技术从无到有的重大突破。
 
从无到有，国产300mm RF-SOI晶圆突破加快射频产业链发展
 
制程工艺的发展从来没有停歇过，从22nm开始使用FinFET工艺，FinFET工艺就一直在制程工艺演进中发挥着重要作用。但从制程工艺演进到10nm开始，FinFET工艺漏电流带来的功耗水平偏高问题，一直是没有解决的难题。
 
SOI工艺正是因为其成本可控、漏电流较小、功耗低，开始受到关注。通常，集成电路上的每个单元都通过PN结分离构建在芯片上。相反，SOI使用一层二氧化硅层（SiO2）来隔离器件。SOI技术可防止由常规PN结隔离形成的垂直和水平寄生器单元引发IC故障。
 
大概来说，SOI工艺能够让寄生电容比原来少上一半，大大减少电流漏电降低整体功耗。在应用中，SOI又可以分为与FinFET对标的FD-SOI全耗尽型绝缘体上硅，和RF-SOI射频绝缘体上硅。
 
本次国产SOI制造技术从无到有的突破正是RF-SOI射频绝缘体上硅。
 
RF-SOI用于各种射频器件，是各类射频应用里主流的衬底，如射频开关、LNA、调谐器。具体到设备，可以说日常生活中的很多终端上都有RF- SOI应用的身影，如智能耳机、手表、可穿戴设备等，而且不限于蜂窝通信，蓝牙、Wi-Fi以及超宽带UWB等无线技术背后都有其存在，而且RF-SOI还能在毫米波应用中。
 
为了制备出300mm射频（RF）SOI晶圆，中国科学院上海微系统所团队先后攻克了300mm RF-SOI晶圆所需的低氧高阻晶体制备、低应力高电阻率多晶硅薄膜沉积、非接触式平坦化等诸多核心技术难题。
 
团队表示，为了300 mm RF-SOI晶圆所需的低氧高阻衬底，自主开发了耦合横向磁场的三维晶体生长传热传质模型，并首次揭示了晶体感应电流对硅熔体内对流和传热传质的影响机制以及结晶界面附近氧杂质的输运机制。
 
该团队为300 mm RF-SOI晶圆找到了合适的工艺窗口，实现了多晶硅层厚度、晶粒尺寸、晶向和应力的人工调节。
 
进入5G时代，射频前端需求激增，如今多天线元件、高阶MIMO和多频段的使用越来越多，加上日益严苛的载波聚合技术要求，明显提高了5G FEM的复杂性与集成度，从而增加了最新智能终端和射频基础设施中的射频硅含量。
 
RF-SOI凭借优异的特性、高级程度，加之更具性价比的成本，让整个产业链呈现出快速增长的趋势。根据Gartner的统计数据，全球SOI市场规模将在未来5年将增加一倍以上，其中RF-SOI目前占据了六成，随着射频技术的不断进步，未来RF-SOI整体产能与市占率有望继续扩增。
 
在这个重要且快速增长的市场，中国科学院上海微系统所团队300 mm RF-SOI晶圆实现自主制备无疑有力推动了国内RF-SOI芯片设计、代工以及封装等全产业链的协同快速发展，并为国内SOI晶圆的供应安全提供坚实的保障。
 
或在汽车行业大展拳脚的FD-SOI
 
除了RF-SOI，FD-SOI同样有着相似的优势，减小了寄生电容，提高了运行速度；降低了漏电，功耗更低；抑制了衬底脉冲电流干扰，减少了软错误的发生。
 
但与RF-SOI截然不同的是，与FinFET对标的FD-SOI一直没能成为先进制程工艺的首选。虽然在28 nm到10nm制程区间，FD-SOI的确有着低功耗、防辐射、低软错误率、耐高温和EMC等方面有着优势。但是在模拟芯片长时间停留在成熟制程，FD-SOI也很难充分发挥出其低功耗高可靠性的特性。而且其生态一直没有建立起来。
 
在本月上海FD-SOI论坛上，作为SOI行业的重要参与者，此前以28nm FD-SOI为主的ST表示将推出新的18nm FD-SOI工艺，预计这项工艺将在汽车芯片行业大展拳脚。
 
汽车电子，的确是FD-SOI扩大应用的好机会。近几年FD-SOI在汽车上的应用正在增多，尤其是汽车雷达。毫米波雷达是推动汽车ADAS发展的关键因素，随着自动化等级的提高，汽车行业对于高精度、多功能毫米波雷达需求持续增加。
 
越来越多毫米波雷达转向了CMOS来增加集成密度，制造节点选择40/45nm、28nm、22nm甚至16nm。通过FD-SOI技术，毫米波高频雷达组件高度集成在单一芯片上，而且还有着更低的功耗。知名汽车4D成像雷达Arbe就是采用的22nm的FD-SOI实现的。
 
此外，汽车MCU正在面临嵌入式非易失性存储器的极限，在车身控制、电池管理等领域随着应用复杂程度的提升，存储单元面积面临的挑战越来越大。采用FD-SOI技术的汽车级MCU嵌入式PCM宏单元，极大地提高了SRAM存储器性能，能够在低电压和极低泄漏下运行，同时保持与传统bulk SRAM相似的读写速度。
 
在消费电子市场已经饱和的现状下，FD-SOI的确有机会在汽车市场、物联网市场迎来大展拳脚的好机会。
 
写在最后
 
在此次国内300mm RF-SOI晶圆突破之前，近年来国内一些企业在SOI产业链上也已经取得了不少进步，如上海新傲、中芯国际、芯原微电子等在晶圆、衬底、代工、IP等方面都做出了不少成果。
 
不论国内RF-SOI晶圆从无到有的突破，还是FD-SOI在汽车、物联网等领域释放出的应用潜力，SOI的确是一个值得关注的半导体技术路线，它给行业带来了新的机会和发展空间。尤其是在国内先进制程被限制的形势下，SOI的赛道是一个可行的发展方向。