腹背受“敵”的FinFET_風聞

近日，CEA、Soitec、GlobalFoundries和ST宣佈了一項新的合作，他們打算共同定義業界下一代 FD-SOI 路線圖技術。

作為本世紀初被開發以應對22nm以後半導體工藝難題的兩大製程技術之一，FD-SOI顯然從知名度上遠遠不如FinFET那樣耳熟能詳，應用廣度也欠缺了不止一個維度，但這種獨特的工藝在某些方面的優勢，又是標準的FinFET工藝所不具備的，特別是在如今龐大的物聯網生態中，對芯片差異化的需求有時正需要FD-SOI這種技術獨特的優勢來實現。

而另一邊，長期受益於摩爾定律大放異彩的FinFET彷彿也走到了盡頭，如果説三星宣稱將在3nm推出其“環繞式柵極（GAA）”技術取代FinFET晶體管技術，FinFET猶可淡定；而到如今，台積電2nm和英特爾5nm製程也將放棄FinFET而轉向GAA，就已有一個時代翻篇的跡象了。

三大代工巨頭紛紛在下一代先進製程上選擇GAA，成熟製程上FD-SOI又在“窮追不捨”，FinFET迎來“前後夾擊”。

FinFET的“得意”與“失意”

回顧半導體工藝製程發展歷程，在過去的很長一段時間裏都是平面型晶體管的天下。隨着半導體發展趨勢，使得相同面積下試圖填入更多晶體管的想法逐漸受到重視，因此衍生出微縮整體尺寸的構想，柵極尺寸將是微縮重點。

然而平面型晶體管受制於物理結構，它只能在柵極（Gate）的一側控制電流的接通與斷開，而且它的柵極寬度不可能無限制的縮窄。當寬度接近20nm時，柵極對電流的控制能力將出現斷崖式下降，業內將其稱為“溝道長度變短導致的所謂短溝道效應”，從而出現嚴重的電流泄露（漏電）現象，最終讓芯片的發熱和耗電失控。

至此，傳統的平面MOSFET結構看似走到了“盡頭”。

為了繼續延續摩爾定律，胡正明教授於2000年前後提出了兩種解決途徑：一種是立體型結構的FinFET晶體管（鰭式場效應晶體管），另一種是基於SOI的超薄絕緣層上硅體技術FD-SOI晶體管技術（超薄絕緣層上硅體技術）。

之後兩者走出了不同的發展道路。

其中，FinFET工藝先拔頭籌，英特爾最早於2011年推出了商業化的FinFET工藝技術，將FinFET技術應用到了自家的22nm製程工藝上，顯著提高了性能並降低了功耗，之後台積電、三星等全球各大廠商陸續跟進，採用 FinFET 技術取得了巨大成功，使得FinFET大放異彩，從16/14nm開始，FinFET成為了半導體器件的主流選擇，成功地推動了從22nm到5nm等數代半導體工藝的發展，並將擴展到3nm工藝節點，成為全球主流晶圓廠的“不二”之選。

FinFET最大的特色就是將晶體管的結構從平面變立體，對柵極形狀進行改制，閘門被設計成類似魚鰭的叉狀3D架構，位於電路的兩側控制電流的接通與斷開，大幅度提升了源極和柵極的接觸面積，減少柵極寬度的同時降低漏電率，讓晶體管空間利用率大大增加。

FinFET工藝技術自2011年商業化以來，體系結構持續進行改進，以提高性能並減小面積。到了5nm節點後，雖然使用了EUV光刻技術，但是基於FinFET結構進行芯片尺寸的縮小變得愈發困難。

而當製程工藝跨過5nm門檻後更是將會出現一系列新的問題。比如，隨着柵極寬度的進一步縮小，很難再像過去那樣在一個單元內填充多個鰭線，而鰭式場效應晶體管的靜電問題也會嚴重製約晶體管性能的進一步提升。

換句話説，FinFET在5nm時代就已逼近極限，想生產更具能效比的3nm和2nm工藝，需要下一代晶體管技術救場。

隨着三星、英特爾兩大晶圓代工巨頭率先轉向GAA工藝，正在預示着在更先進的節點上，FinFET將走向終結。根據國際器件和系統路線圖（IRDS）的規劃，在2021-2022年以後，最先進工藝製程中的FinFET結構將逐步被GAA結構所取代。

GAA登場，接棒FinFET

隨着三星率先“垂範”，以及後續台積電和英特爾的跟進，GAA已儼然成為接棒FinFET的新貴。

GAA全稱Gate-All-Around，是一種新型的環繞式柵極晶體管技術，通過使用納米片設備製造出了MBC FET（多橋通道場效應管），可以顯著增強晶體管性能。

平面硅、FinFET、GAA結構

（圖源：中關村在線）

與FinFET的不同之處在於，GAA設計通道的四個面周圍有柵極，減少漏電壓並改善了對通道的控制，這是縮小工藝節點時的基本步驟。通過使用更高效的晶體管設計，加上更小的節點，將能實現更好的能耗比。

根據三星的説法，與7nm製造工藝相比，3nm GAA技術的邏輯面積效率提高了45%以上，功耗降低了50%，性能提高了約35%。據悉，搭載此項技術的首批3nm三星芯片將於今年上半年實現量產。

GAA標誌着代工業務的一個新時代。

雖然GAA取代FinFET已成業內共識，但現階段影響其量產普及的因素還有不少，複雜的製造流程、良品率、成本難以控制等等仍是阻礙。此外，GAA技術也有幾種不同的路線，未來的細節有待進一步驗證。而且，轉向GAA無疑涉及架構的改變，這將對設備提出不同的要求，據悉一些設備廠商還在開發特殊的刻蝕、薄膜設備在應對。

綜合來看，雖然仍有諸多挑戰，但GAA技術的推進，將在很大程度上推動半導體工藝特別是先進製程上的發展。

回看FinFET，雖然FinFET無法再繼續深耕更先進的工藝節點，但在現有業務佈局中仍佔有相當份額。然而從FD-SOI行業廠商的動作來看，FinFET這一利基市場似乎也正在被動搖。

對FinFET技術而言，它追求的是絕對高性能，然而前路已然無望。另外，雖然FinFET在與FD-SOI“二選一”的對壘中先聲奪人，但伴隨着物聯網、人工智能、智能駕駛等應用對芯片提出了全新挑戰，尤其是FinFET的製造、研發成本越來越高，以及摩爾定律逐漸失速，FinFET雖到7nm及5nm猶能高歌猛進，但工藝歷史的流向或將再次“轉向”。

FD-SOI，走出FinFET陰影

FD-SOI元件技術主要源於一種水平式晶體管結構，透過SOI晶圓方式將最上層Si層藉由製程、設計以滿足所需功能，並作為元件導通層之用；而中間SiO2層，憑藉於高阻值之材料特性，隔絕晶體管間不必要的寄生電容，提高元件工作效率，因此在這樣的製程條件下，FD-SOI可透過傳統Si芯片的機台進行加工，降低開發所需的設備成本。

FD-SOI與FinFET最大的不同之處在於，FinFET工藝注重晶體管的優化設計，而FD-SOI則注重芯片底襯的設計。從架構設計上看，FD-SOI可以在無需全面改造設備結構、完整性和生產流程的前提下實現摩爾定律下的芯片面積微縮、能耗節省、性能提升及功能拓展。

平面硅、FD-SOI、FinFET結構

（圖源：Semiconductor）

多年前與FinFET競爭之時，胡正明教授研究小組認為要讓FD-SOI正常工作，絕緣層上硅膜的厚度應限制在柵長的四分之一左右。對25nm柵長的晶體管而言，FD-SOI的硅膜厚度應被控制在5nm左右。限於當時的技術水平，要想製造出如此薄的硅膜實在太過困難，於是產業界開足馬力研發FinFET技術。

另一方面，FD-SOI工藝的應用也存在難點，即其襯底價格較為昂貴，也因此限制了FD-SOI的市場拓展，並且越往上走的尺寸越難以做小，後續或難以為繼。

因此，在與FinFET的較量中，FD-SOI失去了佔領市場的黃金時間窗口，多年來一直活在FinFET的陰影中。

回顧FD-SOI的發展，IBM、三星、格芯、ST、CEA等企業在過去的幾十年，一直沒有放棄FD-SOI市場化的嘗試，除了不斷將FD-SOI技術向更先進製程推進以外，還通過提高SOI晶圓產能並降低成本，進一步推動了FD-SOI技術商業化。

總體上，早期的FD-SOI技術處於初期探索階段，儘管取得了一定的關鍵技術突破，但始終沒有出現具有市場競爭力的產品。CEA公司也曾表示，在FD-SOI上學到的教訓之一就是應該從一開始就建立生態。

20多年來，CEA一直是生態系統中FD-SOI技術的先驅。CEA還與ST、Soitec和GlobalFoundries有着長期的深入研發合作歷史，並且一直非常積極地參與由歐盟委員會和成員國領導的旨在建立一個完整的FD-SOI生態系統的計劃，從材料供應商、設計再到EDA工具。

圖源：techweb

在FD-SOI襯底供應上，最近幾年，正是由於FD-SOI襯底材料取得了突破性進展，特別是超薄BOX（20nm量級）及超薄頂硅（10nm量級）的襯底投入應用，使得納米級FD-SOI CMOS迅速發展。Soitec是最早實現FD-SOI襯底片成熟量產的公司，也是目前FD-SOI襯底的主要供應商，其300mm晶圓廠能夠支持65nm、28nm、22nm及更為先進的節點上大規模採用FD-SOI技術。

主要FD-SOI代工廠商中，IBM、意法半導體、格芯、三星等公司，都在提供FD-SOI代工服務，國內中芯國際、華虹集團旗下華力微也在開始嘗試FD-SOI工藝。其中，格芯是研發FD-SOI技術最領先的廠商，推出的12nm和22nm FD-SOI工藝技術12/22FDX是目前市面上最先進的FD-SOI製造工藝，隨着上下游加入的廠商越來越多，有望逐漸形成完整FD-SOI生態，填補FinFET未能滿足的市場技術需求。

據2021年3月數據披露，格芯的22FDX解決方案已經實現了45億美元的設計營收，向全球客户交付了超過3.5億枚芯片。

在FD-SOI設計服務環節，目前，眾多EDA和IP公司正積極參與FD-SOI的相關研發。芯原股份從2013年就與ST在FD-SOI上展開合作，後續相繼與三星、GF等代工廠進行合作，如今能夠在28nm和22nm提供IP平台和設計服務，推出了USB 3.0 PHY、混合信號IP等；Cadence和Synopsys也已有經過驗證的FD-SOI IP；芯片設計企業聯發科、瑞芯微等也已經採用FD-SOI工藝進行佈局。

在FD-SOI產品層面，採用28nm FD-SOI製程的產品已涉及應用處理器、GPS、SoC、RF、存儲器、AI芯片等，應用於IT網絡、消費電子、汽車電子、物聯網甚至AI等領域。

能看到，經過多年的打磨，FD-SOI產業生態在逐步壯大，逐漸在全球逐漸打造出完整的產業鏈，覆蓋應用、IC設計、代工、封測、材料等各個環節，具備了一定的產業基礎。

隨着摩爾定律的放緩，當前業界開始重新將目光移向FD-SOI，憑藉FD-SOI在成本和低功耗性能方面的優秀表現，為設計人員和客户系統提供了巨大的優勢，包括更低的功耗以及更容易集成附加功能，頗受物聯網、汽車電子、網絡基礎設施和移動應用領域的關注。

在消費電子市場，谷歌最新推出的5G Pixel 6手機中的芯片採用了三星的FDS28（28nm FD-SOI）工藝，其中的FD-SOI襯底來自法國Soitec公司。谷歌此次採用FD-SOI方案，首創性地將FD-SOI引入手機市場，替代了高通的bulk CMOS解決方案，此舉為智能手機的設計開創了更多可能。這也或將進一步推動FD-SOI在5G毫米波的發展，未來有望獲得更多領域的青睞。

汽車領域，例如Mobileye Eye Q4的視覺處理器就是在28nm的FD-SOI上面實現的；Arbe Robotics公司的4D成像雷達是基於22nm的FD-SOI器件實現；意法半導體的域控制器MCU、恩智浦用於信息娛樂的應用處理器等都採用了FD-SOI技術，大大提升了系統的可靠性和性能。

另一方面，目前用得起FinFET工藝的客户屈指可數。FinFET的工藝製造過程較為複雜，作為先進工藝的成本也較為昂貴。

通過台積電FinFET各節點工藝的命名就可見，不是HP（高性能）就是LP（低功耗），這也説明只有追求更高運算效能，還要求更低的運行功耗的特殊芯片，才採用FinFET工藝。

據Gartner統計，設計28nm芯片的成本約為3000萬美元，而16nm或14nm芯片的平均成本約為8000萬美元，7nm芯片則達到2.71億美元。對於業內大多數廠商來説，他們更願意將資本投入在還有較長生命週期的28nm製程中。

而FD-SOI則在成本和性價比方面更有優勢。格芯曾公佈數據顯示，FD-SOI工藝的光刻層比FinFET工藝少了將近50％，抵消了其襯底成本高過FinFET的部分，16nm或14nm芯片的平均成本降低20%。

FD-SOI雖有成本優勢，不過因其仍屬於平面工藝，尺寸難以做小，目前來看，在到達12nm之後，將難以再進行縮小。

芯原股份董事長戴偉民曾表示，未來IoT與AI時代需用FinFET和FD-SOI兩條腿走路。FinFET更多用於12nm以下高性能的數字芯片領域，FD-SOI則憑高集成、低功耗和低成本等特性，發揮在低功耗、射頻集成的優勢。

文章開頭提到，多家廠商正在合作定義下一代 FD-SOI 路線圖技術，加速向先進製程推進。技術研究中心CEA認為，FD-SOI製程可以擴展到10nm以下，這一突破或將給FD-SOI市場帶來新的拓展。

FD-SOI的國產機遇

對於在FinFET技術發展上明顯受到外部遏制的國內產業而言，FD-SOI同樣是一條可能“換道追趕”的技術路徑。

為了實現本土半導體的彎道超車，中國從10年前就開始關注和佈局FD-SOI技術，目前中國FD-SOI產業鏈佈局已經初見端倪。

在02專項總師葉甜春的帶領下，國內已經形成廣東大灣區集成電路與系統應用研究院為代表的FD-SOI先進工藝研發力量。葉甜春強調：“現在FinFET往下走已經遇到大量的技術壁壘，FD-SOI開始顯現出優點，除了它的性能優勢之外，在製造上，它的要求低於FinFET，對於中國已有的產業鏈裝備材料也非常適合。再加上未來中國蓬勃發展的市場，未來我們能不能打造一個新的生態來做這件事情。”

據瞭解，自2019年以來，已經在面向1X納米FD-SOI關鍵技術、光電異質集成、計算光刻等先導性技術研發上取得一系列成果，隨着先導成果的積累，在前不久剛剛公佈的《廣州市半導體與集成電路產業發展行動計劃（2022-2024年）》中，已經出現了FD-SOI產業化的具體部署：“建設先進SOI（絕緣體上硅）工藝生產線，力爭引進張江國家實驗室，重點開展12英寸先進SOI工藝研發，推動與現有製造產線整合，建設FD-SOI（全耗盡絕緣體上硅）工藝研發線、RF-SOI（射頻絕緣體上硅）工藝生產線。”

總體而言，隨着近期《歐洲芯片法案》、英特爾新廠落地德國等一系列動作，歐盟也已正式加入全球主要國家半導體產業政策的“競賽”之中，在這樣的爭競態勢下，中國半導體產業所面臨的挑戰無疑將進一步加大，如何在激烈的競爭中闖出一條新路，FD-SOI不免被投上了幾許目光。

寫在最後

在FinFET市場，台積電一支獨秀，三星、英特爾奮力追趕；而幾乎同一時期誕生的FD-SOI，仍在方塊之地尋找破壁之法。當下節點，消費電子市場進入飽和期，汽車電子、物聯網時代到來，為FD-SOI擴大市場帶來了機會；GAA則已箭在弦上，由摩爾定律引領着三星、英特爾、台積電進入新的賽道繼續廝殺。

未來，FinFET、FD-SOI、GAA這彼此膠着的“三國殺”又會呈現怎樣的此消彼長？

GAA的戰役即將硝煙四起，FD-SOI生態需要一次真正的變革，FinFET在腹背受敵中，思考未來的路…

**文章來源：**內容由公眾號半導體行業觀察（ID：icbank）原創，作者：李晨光。