FD-SOI，迈向7nm

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在半导体制造工艺的演进历程中，传统的CMOS工艺曾占据主导地位。然而，随着芯片技术不断向更高性能和更小尺寸迈进，传统体硅CMOS工艺制程遭遇挑战，由于光刻技术所限，特征尺寸已很难继续微缩，急需革新技术来维持进一步发展。

因此，在摩尔定律推动下，FinFET被市场选中，成为时代的幸运儿。自2011年英特尔将其商业化后，FinFET迅速成为了半导体器件的主流选择，从28nm之后，相继成功推动了数代半导体工艺的发展，并将其扩展到7nm、5nm，甚至3nm工艺节点，成为台积电、英特尔、三星等全球主流晶圆厂的“不二之选”。

实际上，在进入28nm节点时，半导体逻辑制造工艺出现了两条分岔。一条路线走向了大家比较熟悉的FinFET三维工艺；另一条路线则还在坚守平面工艺，被称为FD-SOI，主要代表厂商是意法半导体，三星和GlobalFoundries则两条腿走路，对FinFET与FD-SOI都有布局。

如今，随着先进制程不断演进，FinFET工艺的成本以及漏电流带来的功耗水平偏高等问题逐渐显现，FD-SOI这个曾经被忽视的技术，凭借其独特的技术特点和优势，开始逐渐崭露头角。

近年来，FD-SOI技术实现了快速增长。根据市场研究报告数据预测，全球FD-SOI市场规模将从2022年的9.3亿美元增长至2027年的40.9亿美元，年复合增长率为34.5%。

广阔市场潜力之下，业界厂商正寄希望于FD-SOI的新发展，将其作为通向下一代先进IC的门票。

FD-SOI技术优势与生态进展

FD-SOI全称为Fully Depleted Silicon-on-Insulator，全耗尽绝缘体上硅，是一种先进的半导体制造工艺，它结合了平面晶体管结构和全耗尽工作特性。

FD-SOI依赖于两项关键创新技术：一是在体硅之上制作超薄的绝缘层，即埋氧层（Buried Oxide，BOX）；二是采用极薄的硅膜构建全耗尽的晶体管沟道。这种独特的结构设计，使得FD-SOI晶体管展现出卓越的静电特性，远优于传统体硅技术。埋氧层可以降低源极和漏极之间的寄生电容，使FD-SOI器件能够以更高的频率、更低的工作电压和比同等FinFET器件更好的能效工作；同时还有效抑制了从源极流向漏极的电子，显著降低了影响性能的漏电流效应。

FD-SOI晶体管结构（图源：意法半导体）

此外，FD-SOI技术的主要特性不仅能够通过栅极调整晶体管的行为，还可以通过极化器件下方的衬底来调整晶体管的行为：这称为反向偏置。由于绝缘层非常薄，反向偏置可用于非常有效地动态调整高性能/高速度与低功耗/待机之间的工作模式。

与传统的体硅CMOS工艺相比，FD-SOI在28nm及以下节点提供了显著的优势，包括更高的性能、更低的功耗以及更好的射频性能。

基于这些优势，FD-SOI技术更适用于移动和物联网等低功耗设备。尤其是其全耗尽和高集成度的特性，使得FD-SOI在射频应用和需要多种功能集成的成本敏感型系统中具有优势，如边缘智能设备、5G通信和汽车雷达等。

FD-SOI技术，走到哪了？

据了解，FD-SOI的概念最早于20世纪90年代提出。当时，研究人员探索通过在晶体管下添加一层绝缘体（埋氧层）来减少漏电流和功耗。早期的SOI工艺显示出提高晶体管性能和降低功耗的潜力，为FD-SOI的研发奠定了基础。

FD-SOI工艺从概念提出到成熟商用经历了近三十年时间，其低功耗、高性能的特性使其在IoT、5G和汽车市场中大放异彩。

到2000年代初期，由于成本较高，SOI市场普及较为缓慢，当时SOI工艺的应用仍然较为小众，主要集中在高性能服务器和游戏机等对性能要求较高的产品上。

直到2012年，法国的半导体研究机构CEA-Leti和意法半导体成功开发了28nm FD-SOI工艺，并率先进行商用化。这一技术显著降低了功耗，同时提升了性能，特别适用于移动设备和物联网等对功耗敏感的应用。

2015年，意法半导体和GlobalFoundries又合作推出22nm FD-SOI工艺，实现了成本和更好的功耗性能平衡和优化，进一步推动了FD-SOI在移动、汽车和IoT市场的应用。

在28nm和22nm节点，FD-SOI工艺代工厂取得了可观的用户群体和收益。在此基础上，业界厂商也开始继续尝试工艺的继续下探。

意法半导体和三星联合推出18FDS

在2024年召开的第九届上海FD-SOI论坛上，三星介绍了和意法半导体联合推向市场的18nm FD-SOI工艺。

三星在FD-SOI技术的历史可以追溯到与意法半导体的合作。在意法半导体开发了28nm FD-SOI工艺（28 LPP）后，这项技术在2014年被授权给三星，并最终推向市场。

虽然三星的逻辑芯片长期以来以FinFET技术为主，但三星在FD-SOI技术的发展上并未止步，相继开发了多款衍生产品。据悉，如今三星已有35款28nm FD-SOI技术产品已经大规模生产中和应用，且产量稳定，良率逐步提高。三星还为此开发了一系列先进的衍生工艺，应用在包括RF/Auto/NVM(eMRAM)和汽车领域。

值得关注的是，其eMRAM技术是世界上首次商业化的28nm Flash-type eMRAM，具有超过98%的稳定良率。

为了进一步推动FD-SOI技术的发展，三星决定与意法半导体联合开发下一代FD-SOI技术，即18FDS。

据介绍，在开发18FDS技术时，三星与意法半导体紧密合作，共同克服了许多技术挑战，包括工艺改进和BEOL，从而推出了18FDS。

三星18nm FD-SOI的关键工艺包括CPPs、TGO（Triple）、eZG（0.35um）_Native、MEOL&BEOL。下图展示了工艺堆栈（8ML）和对低温BEOL的支持，表格中列出了包括SG suite、SRAM bit-cell、EG suite和eZG suite，以及它们的主要参数特征。

三星公布部分有关18FDS的CD关键参数和关键提升（图源：三星PPT）

根据三星的规划，该18nm FD-SOI工艺技术主要应用于ePCM存储，以及对应基于新工艺的STM32 MCU，计划于2025年下半年量产。这一举措将进一步推动FD-SOI技术在微控制器领域的应用，为工业自动化、智能家居等众多应用场景提供更高效、更可靠的解决方案；另一方面，三星也在考虑面向更大市场进行通用代工服务，这要求对应的foundation IP等生态构建能够同步跟上。

GlobalFoundries：

12nm FDX预计2026年推出

GlobalFoundries在FD-SOI技术上的进展令人瞩目。

2015年，GlobalFoundries全球首发22nm FD-SOI工艺平台“22FDX”，专为超低功耗芯片打造。该工艺在功耗、芯片面积和成本等方面展现出显著优势，功耗比28nm HKMG降低了70%，芯片面积比28nm Bulk缩小了20%，光刻层比FinFET工艺减少接近50%，芯片成本比16/14nm低了20%，而且功耗超低，电压可以做到业界最低的0.4V，并可通过软件控制晶体管电压，还集成了RF射频，功耗降低最多50%。

换言之，GlobalFoundries的GF 22FDX平台提供了超低功耗、卓越的射频性能、集成的非挥发性存储器（包括MRAM和RRAM）以及智能与安全特性。这些特性使得22FDX成为了汽车、消费电子、工业应用和低功耗物联网及移动应用的理想选择。

目前，GlobalFoundries的22FDX已经在德国德累斯顿厂投入生产，并将一部分产能转移到纽约马耳他厂。未来两年，GlobalFoundries将以降本为目标，按照客户要求继续完善其嵌入式MRAM和RRAM，实现集成非易失性存储器，计划在2025年至2028年间推出。

在第九届上海FD-SOI论坛上，GlobalFoundries再度提及12nm FD-SOI——并且给出了更明确的时间线。

从2015年推出的22FDX开始，GlobalFoundries的FD-SOI技术路线图不断演进。据悉，其下一代FD-SOI路线图将推动从目前的22FDX技术进入12nm FDX技术。这一代技术将更加专注于汽车应用，例如图像信号传感器（ISP）和雷达以及汽车控制系统MCU，并导入内置的汽车质量流程AutoPro。

在物联网领域，GlobalFoundries将通过引入FD-SOI到显示驱动器中，实现显著的体积和成本效益。在毫米波领域，GlobalFoundries在德累斯顿启动了重要的计划，以实现超过500GHz的fT/fMax射频性能。这也是驱动下一代FDX的关键技术，将覆盖从1GHz到300GHz的频率范围，适用于卫星通信、汽车雷达、6G JCAS、手势感应和高速接口等应用。

据介绍，GlobalFoundries的12FDX技术将提供全节点PPA缩放，以及针对RF更高的fT/fMax，并提供改进的架构和针对AI MCU优化的IP，简化了从22FDX的迁移。不仅能缩小尺寸，还将提高能效和性能。该技术适用于需要更高数字、更多AI/ML、类似7nm的低功耗和高射频能力的应用，GlobalFoundries预计这项技术将在2026年左右推出，2027年进行生产。

GlobalFoundries认为12FDX会在边缘AI时代下发光发热。

能看到，在FD-SOI技术的赛道上，一些半导体行业巨头和关键企业在纷纷布局，各自凭借独特的技术优势和市场策略，在这场技术变革的浪潮中抢占先机，推动着 FD-SOI 技术不断向前发展，拓展其应用边界。

FD-SOI工艺，再迈关键一步!

众所周知，FD-SOI工艺在22nm停留了很久，直到意法半导体和三星联合推出18FDS才打破了这一沉寂，GlobalFoundries当前也在规划更先进的12nm平台。

那么，18nm或12nm之后，FD-SOI工艺是否还有必要继续往下推进？对此，业界传来新的消息。

FD-SOI衬底技术的重要厂商Soitec表示，为了持续推进FD-SOI技术，业界需要制定一个技术路线图，“我们不能永远停留在28nm、22nm的水平，整个行业要为12、10nm或更先进的工艺做好准备。”

IBS首席执行官Handel Jones对此也表示认同，“我们需要更先进的工艺技术，因为许多公司都希望降低功耗。它们需要更高算力的硬件支持以推动生成式AI技术的发展。”

从当前行业动态来看，10nm和7nm成为了FD-SOI技术发展的新目标。

早在去年6月，在《欧盟芯片法案》的推动下，法国CEA-Leti就宣布了位于法国格勒诺布尔（FD-SOI起源于格勒诺布尔地区，20多年来一直是CEA-Leti的主要研发重点）的10nm和7nm FD-SOI中试线（FAMES Pilot Line），并获得了至少43家公司的支持。

作为重建欧盟成为先进IC来源更大努力的一部分，FAMES Pilot Line试验线总投资约8.3亿欧元，将持续到2028年12月，资金由欧盟和参与成员国平均共同出资，计划将在四年内开始生产新的10nm和7nm FD-SOI工艺在内的5套新技术，涵盖了多种eNVM嵌入式非易失性存储（如OxRAM、MRAM、FeFET和FeRAM）、射频元件（如开关、滤波器和电容器等）、3D集成工艺（异构集成和顺序集成）以及用于开发PMIC电路上DC-DC转换器的小型电感器等关键领域 。

据悉，该生产线将为GlobalFoundries和三星等代工厂，以及高通和意法半导体等芯片制造商开发下一代FD-SOI工艺技术，节点可达10nm和7nm。

FAMES中试线开发的技术将实现新的芯片架构，并将支持新一代微控制器、微处理器单元、5G/6G芯片、智能成像器、智能传感器、数据融合处理器、可穿戴设备、可信芯片、量子和低温CMOS、边缘AI芯片和带有小芯片的先进封装等。

CEA-Leti首席技术官Jean-René Lèquepeys强调，5G/6G是该技术的关键市场。在6G中，需要7-15GHz的新滤波器，这是非常有前景的，而且需要新的芯片，因为将有超过100个滤波器需要组合，并可以放在FD-SOI晶体管的顶部。10nm FD-SOI工艺将具有450GHz的高频率（Ft），而7nm工艺则有望达到540GHz。他表示：“对于纯数字应用，其性能将与5nm FinFET相同，而对于射频和模拟应用，其性能将更好。”

“同时，未来需要为广泛的应用添加具有不同功能的非易失性存储器；对于SoC，采用单片解决方案并不是一个好办法，我们需要为正确的功能选择正确的技术。要做到这一点，我们需要异构集成，将芯片与3D异构和3D单片堆叠在一起；功率方面也有限制，所以我们需要带有微型电感器的DC-DC转换器。” Lèquepeys补充道。

为了生产这条生产线，CEA-Leti当前正在扩建工厂，增加了两个洁净室和设备，包括一台EUV光刻系统，部分是为了容纳FAMES中试线。预计EUV光刻扫描仪要到2026年才会安装。

FAMES联盟汇聚了来自欧洲乃至全球的“电子系统价值链”企业，联盟成员包括CEA-Leti（法国）、Imec（比利时）、Fraunhofer Mikroelektronik（德国）、Tyndall（爱尔兰）、VTT（芬兰）、CEZAMAT WUT（波兰）、UCLouvain（比利时）、Silicon Austria Labs（奥地利）、SiNANO Institute（法国）、Grenoble INP-UGA（法国）、University of Granada（西班牙）等。

通过整合各方资源和技术优势，FAMES联盟旨在加速FD-SOI技术的研发和产业化进程，为未来芯片提供更智能、更环保和更高效的解决方案。例如，在3D集成工艺的研发中，探索如何减少芯片制造过程中的能耗和材料浪费，同时提高芯片的性能和可靠性；在射频元件的研发上，努力提升射频性能，降低功耗，以满足5G/6G通信等对射频技术的高要求。

在2024年12月，CEA-Leti首席技术官Jean-René Lèquepeys在加州旧金山举行的IEDM会议上谈论到了FAMES Pilot Line项目。

他表示，FAMES 中试生产线除了提供一套10nm和7nm的FD-SOI先进技术，建立一条欧洲尖端微电子技术的国内半导体试点生产线之外，第二个目标是推广并向电子价值链的各种利益相关者开放该试点生产线，例如学术研究团队、中小企业、初创企业或大型工业集团（材料和设备供应商、OEM、代工厂、IDM、EDA 供应商和无晶圆厂公司）。这种开放将使欧洲有机会探索广泛的半导体市场，加强欧洲的领导地位并开辟新的机遇。

最后，FAMES中试线项目将开展硕士和博士级别的培训活动，以便学生和年轻研究人员能够获得FAMES中试线上开发的技术的先进技能。

这些目标与《欧盟芯片法案》的目标一致：通过创新、便利的研发渠道和培训，支持欧盟半导体行业并支持欧洲技术主权。

CEA-Leti 表示：“从材料供应商和设备制造商到无晶圆厂公司、EDA、IDM、系统公司和最终用户，至少有43家公司正式表示支持 Fames。”其中包括诺基亚、爱立信、Nordic、Soitec、ASML、ASM、AMAT、GlobalFoundries、IBM、英特尔、意法半导体、西门子、Orange、Meta、Stellantis、Valeo等公司，这种支持标志着一个由初创企业、中小企业和全球行业领袖组成的充满活力的生态系统的产生，表明FAMES试验线正在引起业界的极大兴趣。

在市场拓展方面，FAMES联盟积极推动FD-SOI技术在物联网、汽车电子、人工智能等领域的应用。通过与产业链上下游企业的紧密合作，共同开发基于FD-SOI技术的解决方案，降低技术应用门槛，提高FD-SOI技术的市场渗透率 。

综合来看，FD-SOI 技术凭借其独特优势，在半导体领域已经取得了显著进展，在物联网、汽车电子等领域的应用不断深化，这些国际龙头企业在FD-SOI领域的投资和研发，在加速技术成熟的同时，也推动了相关产品和解决方案的商业化进程。

随着技术不断进步和成本的进一步降低，其应用范围还将持续扩大。在迈向更先进制程的道路上，尽管面临着诸多挑战，但CEA-Leti、意法半导体、GlobalFoundries、三星电子和FAMES联盟等机构和企业的积极布局，为FD-SOI技术的发展注入了强大的动力。

在中国，FD-SOI技术同样受到高度重视，政府的支持和本土企业的技术进步，共同推动了这一技术在国内的快速发展。

未来，随着12nm、10nm和7nm 等FD-SOI技术的研发和落地，将持续致力于满足不断增长的高性能、低功耗需求，有望为半导体行业带来新的突破，为全球电子行业带来新的增长点。

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