SOI芯片热潮再起，中国市场信心大增
目前，受到美国政府的干扰，中国半导体产业发展遇到了诸多困难，同时也给原来没有得到足够关注的技术或企业提供了很好的发展机遇，SOI（绝缘体上硅）制程工艺就是其中之一。
2019年之前，当先进制程工艺演进到10nm时，当时昂贵的价格，以及漏电流带来的功耗水平偏高问题，一直是业界关注的难题，SOI看到了FinFET的这些缺点，才引起人们关注的，它最大的特点就是成本可控，且漏电流非常小，功耗低。
在实际应用中，SOI主要分为FD-SOI（全耗尽型绝缘体上硅）和RF-SOI（射频绝缘体上硅）。
FD-SOI主要用于处理器等逻辑芯片制造，因此，与FinFET对标的就是FD-SOI。从目前的发展情况来看，FD-SOI主要与10nm之前的FinFET工艺竞争，而目前已经量产的5nm、3nm制程，则不在FD-SOI竞争范围之内。在10nm制程之前时代，FinFET技术路线的先进工艺具有工艺复杂、工序繁多、良率下降等问题，使得在28 nm以下制程的每门成本不降反升，而FD-SOI却在低功耗、防辐射、低软错误率、耐高温和EMC等方面具备明显优势。
FD-SOI有两大技术亮点：一是在体硅中引入了超薄的埋氧（BOX）层，作为绝缘层；二是用超薄的顶硅层制造出全耗尽的晶体管沟道。从结构上看，FD-SOI晶体管的静电特性优于传统体硅技术。埋氧层可以降低源极和漏极之间的寄生电容，还能有效抑制电子从源极流向漏极，大幅降低了导致性能下降的漏电流。
SOI制程技术和应用
先看一下FD-SOI的应用情况。
在工艺技术和应用层面，总的来说，FinFET的目标市场是中高端的高性能芯片，而FD-SOI则是面向中端的、要求低功耗和高性价比的应用。
手机市场不断变化，但有些需求是始终不变的，比如手机必须在有需要的时候提供非常高的性能，但是它的耗电又必须很低。AR和AI技术越来越成熟，越来越多的可穿戴设备进入市场和人们的生活，这些设备必须小而轻，它既要具备高算力，耗电还要低。这些都是FD-SOI的应用市场。
作为领头羊，格芯于2015年提出了22FDX（22nm FD-SOI工艺）产品规划，并于2016年发布了12FDX（12nm FD-SOI工艺）平台计划和路线图。据悉，12FDX的工作电压将低于0.4伏，该技术的优势是能够改变体偏压，相比16nm和14nm的FinFET工艺，12FDX的能耗降低了50%。格芯称12FDX可实现接近于7LP工艺的性能。
格芯表示，22FDX很好地整合了RF，这也是它相对于FinFET工艺最大的优势所在，还有很重要的一点是能够实现智能缩放，无需三重/四重曝光。对比10nm 的FinFET，它的掩膜成本降低了40%，并且在模拟设计方面也更加灵活，这意味着降低了成本，并减少设计周期。
近些年，FD-SOI推广的最大障碍是不完善的生态系统以及缺少相关IP，因此，格芯在这些方面做了不少工作，据悉，22FDX已经有30个IP合作伙伴，包括INVECAS、Synopsys、Verisilicon、Uniquify等。
随着嵌入式MRAM（eMRAM）的兴起，SOI又有了新的用武之地。22FDX eMRAM是一个典型代表，其在物联网、汽车电子等新兴应用方面，有着很不错的发展前景。
格芯推出了基于22FDX平台的eMRAM技术，主要面向消费领域、工业控制器、数据中心、物联网及汽车等应用的MCU。FDX平台和eMRAM的能效连同RF连接功能和毫米波IP，使得22FDX成为电池驱动的物联网和自动驾驶汽车雷达SoC的优选方案。
2018年，格芯投产的12 nm FD-SOI芯片几乎拥有10 nm FinFET工艺芯片同等的性能，但功耗和生产成本却比16 nm FinFET工艺产品还低。
除了格芯，三星也是FD-SOI的重要推动力量，三星LSI推出了“28FDS”技术和产品，这是三星与意法半导体深度合作的结果，得到了后者的技术授权。
三星晶圆代工业务部门的发展路径主要分为两条：从28nm节点开始，一条是按照摩尔定律继续向下发展，不断提升FinFET的工艺节点，从14nm到目前的3nm；另一条线路就是FD-SOI工艺，该公司还利用其在存储器制造方面的技术和规模优势，着力打造eMRAM。
实际上，三星在MRAM研发方面算是起步较早的厂商，2002年就开始了这项工作，并于2005年开始进行STT-MRAM的研发，之后不断演进，2014年就生产出了8Mb的eMRAM。该公司还研制出了业界第一款采用28FDS工艺的eMRAM芯片。
近些年，三星还在向18FDS（18nm的FD-SOI）进发。
2022年4月，CEA（法国原子能和替代能源委员会）、SOITEC、格芯和意法半导体联合制定了下一代FD-SOI技术发展规划，以促进FD-SOI在汽车、物联网和移动设备中的应用。意法半导体则重启了向1X纳米制程节点的演进计划，在先进制程方面明确选择了FD-SOI技术路线为突破重点。
下面看一下FD-SOI在新兴应用领域的发展情况。
RISC-V与FD-SOI搭配很值得关注。从2011年至今，加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学系的Borivoje Nikolic教授带领的研究团队已经设计了超过10款采用28nm FD-SOI工艺的芯片，其中9个完成了功能测试，6款对外发布。
近几年，FD-SOI在汽车上的应用也成熟起来，特别是雷达。传统汽车雷达芯片主要采用模拟制造工艺，近些年，CMOS工艺（如40nm、28nm、22nm、16nm）越来越多地用于汽车雷达芯片，为电路提供了高集成度。
在用于汽车雷达芯片的CMOS工艺中，22nm FD-SOI技术明显优于FinFET，该技术被多家雷达芯片厂商（如Bosh和Arbe）视为最先进的雷达CMOS 技术，能够提供ft >350Ghz和Fmax > 390Ghz的晶体管性能，并具保持低功耗。
在汽车雷达芯片中，FD-SOI的体偏置优势得到了充分发挥。体偏置允许控制器件调整阈值电压，通过在产品中实施体偏置，可以显著减少芯片工艺、电压、温度变化带来的老化问题，从而简化汽车雷达产品工程师的工作。
再看一下RF-SOI的应用情况。
如前文所述，RF-SOI主要用于制造射频芯片，特别是射频开关，被RF-SOI占据了绝大部分市场份额。国际大厂Qorvo、Peregrine、Skyworks等，以及中国本土射频芯片大厂，都提供基于RF-SOI的开关产品，制造通常交给代工厂格芯、意法半导体、TowerJazz、联电等。
基于RF-SOI工艺的射频开关多采用180nm-45nm的制程，晶圆尺寸以8英寸为主，12英寸的比较少，主要原因是成本，不过，从目前的发展形势来看，采用12英寸晶圆产线制造RF-SOI芯片的案例会越来越多。
目前，产业龙头格芯面对用于5G手机的RF-SOI射频芯片，主要采用45nm RF-SOI工艺，该工艺采用了高电阻率trap-rich的SOI衬底，可以集成PA，LNA，开关，移相器。
模拟芯片晶圆代工厂TowerJazz也很重视RF-SOI工艺技术的开发，该公司制造的RF-SOI芯片在RonCoff特性方面具有比较突出的性能优势，能够实现很低的插入损耗。
中国的SOI发展机遇
近些年，中国大陆企业在SOI晶圆、衬底、代工、IP等方面也取得了进步。
作为中国大陆硅片制造龙头企业，沪硅产业旗下子公司获得了SOITEC的技术授权，公司于2022年2月完成50亿元定增，其中20亿元投入高端硅基材料研发，SOI就是重要组成部分。
上海新傲是研发和制造SOI材料的公司，采用SIMOX，BONDING，SIMBOND和Smart-Cut等技术，可以提供一体化的RF-SOI材料服务，是国内RF-SOI 产业链重要一环。
最近，中国在12英寸RF-SOI晶圆衬底制造技术方面取得了突破，中国科学院上海微系统所魏星研究员团队制备出了国内第一片12英寸RF-SOI晶圆。该团队依次解决了12英寸 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，实现了中国本土12英寸 SOI制造技术从无到有的重大突破。
为制备适用于12英寸 RF-SOI的低氧高阻衬底，该团队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。基于此模拟结果指导拉晶工艺，最终成功制备出了适用于12英寸 RF-SOI的低氧高阻衬底，氧含量小于5 ppma，电阻率大于5000 ohm.cm。
晶圆代工方面，中芯国际一直在进行RF-SOI平台的研发和升级工作，推出的0.13um制程RF-SOI具有诸多优势，如设计规则减少方面，可从15%提升到29%，芯片尺寸减少了30%。
IP方面，芯原微电子（VeriSilicon）与意法半导体、三星电子和格芯保持了多年的合作关系，先后推出了28nm FD-SOI、22nm FD-SOI产品，是第一个PPA数据提供商。芯原还在衬底偏置技术的探索及产品设计方面，投入了大量人力，取得了多个技术成果。
据QYResearch统计，预计2029年全球FD-SOI市场规模将达到190.1亿美元，未来几年的年复合增长率（CAGR）达到28.4%。
在这种发展态势下，中国大陆半导体产业发展又受到美国政府限制，发展SOI是一个很好的突破点。本周，中国集成电路创新联盟秘书长叶甜春指出，FD-SOI给中国带来了新的机会和发展空间。FD-SOI工艺可以帮助本土半导体开辟新赛道，在10nm以下先进制程被限制的情况下，国产厂商可以通过22nm FD-SOI工艺来升级或替代相关技术需求，且FD-SOI在设计和制造成本上具有优势，开发周期更短。
叶甜春强调，推动FD-SOI生态发展需要更多芯片设计公司和应用厂商加入进来。目前，国内一些企业在FD-SOI材料、设计和设计服务上做了很多工作，但全球FD-SOI产能严重不足，所以，中国市场要在前道和后道共同发力，推动本土制造平台的建立。随着越来越多的厂商和用户参与进来，预计未来5-10年，中国FD-SOI生态会有一个全新的面貌。同时，由于中国的深度参与，全球FD-SOI产业也将迎来新的发展空间。