全耗盡型絕緣體上硅（FD-SOI）是一種平面工藝技術(shù)，依賴于兩項主要技術(shù)創(chuàng)新。首先，在襯底上面制作一個超薄的絕緣層，又稱埋氧層。
用一個非常薄的硅膜制作晶體管溝道。因為溝道非常薄，無需對通道進行摻雜工序，耗盡層充滿整個溝道區(qū)，即全耗盡型晶體管。
這兩項創(chuàng)新技術(shù)合稱“超薄體硅與埋氧層全耗盡型絕緣體上硅”，簡稱UTBB-FD-SOI。
從結(jié)構(gòu)上看， FD-SOI晶體管的靜電特性優(yōu)于傳統(tǒng)體硅技術(shù)。埋氧層可以降低源極和漏極之間的寄生電容，還能有效地抑制電子從源極流向漏極，從而大幅降低導(dǎo)致性能下降的漏電流。
此外，F(xiàn)D-SOI還具有許多其他方面的獨特優(yōu)點，包括具有背面偏置能力，極好的晶體管匹配特性，可使用接近閾值的低電源電壓，對輻射具有超低的敏感性，以及具有非常高的晶體管本征工作速度等，這些優(yōu)點使得它能工作在毫米波頻段的應(yīng)用中。
FD-SOI發(fā)展史
在過去的幾十年中，晶體管的尺寸不斷縮小，同時性能顯著提高，功耗大幅降低。受益于晶體管技術(shù)進步，電子產(chǎn)品性能也變得更好，能夠以更快捷、更簡單、更高效的方式，做更有用的、更重要的、更有價值的事情。
FD-SOI技術(shù)是由伯克利的前任教授胡正明在2000年發(fā)明的。和體硅技術(shù)相比，F(xiàn)D-SOI可以實現(xiàn)對納米節(jié)點工藝制程下晶體管電流的有效控制和閾值電壓的靈活調(diào)控，因而21世紀(jì)伊始，以Leti、Soitec、STM為代表的歐洲半導(dǎo)體科研機構(gòu)和公司開始投入該技術(shù)的研發(fā)。
FD-SOI 晶體管示意圖
DIBL 的減小量隨頂層硅和 BOX 厚度變化的關(guān)系
而這些技術(shù)起到關(guān)鍵作用的正是其發(fā)明者胡正明教授。
1999年，胡正明教授在美國加州大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)著一個由美國國防部高級研究計劃局出資贊助的研究小組，當(dāng)時他們的研究目標(biāo)是CMOS技術(shù)如何拓展到25nm及以下領(lǐng)域。因為當(dāng)柵極長度逼近20nm大關(guān)時，對電流控制能力急劇下降，漏電率相應(yīng)提高。傳統(tǒng)的平面MOSFET結(jié)構(gòu)中，已不再適用。而到2010年時，Bulk CMOS（體硅）工藝技術(shù)會在20nm走到盡頭。
胡教授提出了有兩種解決途徑：一種立體型結(jié)構(gòu)的FinFET晶體管（鰭式晶體管，1999年發(fā)布)，另外一種是基于SOI的超薄絕緣層上硅體技術(shù) (UTB-SOI，也就是FD-SOI晶體管技術(shù)，2000年發(fā)布)。
FinFET和FD-SOI工藝的發(fā)明得以使10nm/14nm/16nm摩爾定律在今天延續(xù)傳奇。
早期大量的電學(xué)仿真結(jié)果表明，同時減小 FD-SOI 襯底的 BOX 厚度和頂層硅厚度能夠降低晶體管的漏致勢壘降低（DIBL）程度；但是當(dāng)時市面上沒有商用的 FD-SOI 襯底，具有超薄頂硅、超薄 BOX 的晶體管結(jié)構(gòu)是通過 Silicon-on-Nothing（SON）方法在體硅上首次實現(xiàn)的。
2006 年 Soitec 研發(fā)出滿足商用的高質(zhì)量 FD-SOI 襯底之后，STM 聯(lián)合 Leti、Soitec 開發(fā)出基于 28nm 節(jié)點的 FD-SOI 晶體管，實現(xiàn)了真正的 FD-SOI 器件的制備。從那時起，SOI 技術(shù)的發(fā)展環(huán)境才得以日益改善。2007 年 SOI 聯(lián)盟成立以來，越來越多的公司和機構(gòu)開始加入到推廣 FD-SOI 技術(shù)的隊伍中，從此，F(xiàn)D-SOI 技術(shù)才開始走向商業(yè)化的道路。
總體上，早期的 FD-SOI 技術(shù)處于初期探索階段，取得了一定的關(guān)鍵技術(shù)突破，但沒有出現(xiàn)具有市場競爭力的產(chǎn)品，代表性的僅是 Oki Electric 采用 FD-SOI 技術(shù)開發(fā)出用于低功耗手表的微控制器；而同時代的 Intel 于 2011 年推出了商業(yè)化的 FinFET 技術(shù)，該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于從 Intel Core i7-3770 之后的 22nm 級的高性能處理器產(chǎn)品中。
之后 TSMC 采用 FinFET 技術(shù)也取得了巨大的成功，F(xiàn)D-SOI 失去了占領(lǐng)市場的黃金時間窗口。彼時 FD-SOI 沒有形成具備商業(yè)性質(zhì)的產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸在于襯底的供應(yīng)：高產(chǎn)能、高質(zhì)量的 FD-SOI 襯底制備技術(shù)仍不成熟；FD-SOI 襯底的價格（$400–$500）比體硅（$130）高三到四倍，襯底成本因素也限制了 FD-SOI 的市場拓展。
STM 及合作伙伴制備薄膜（頂硅和 BOX）上晶體管方法的演進過程
從 2012 年開始，幾大晶圓廠在FD-SOI 技術(shù)上的布局開始逐漸擴大。
STM于2012年推出了28納米FD-SOI，生產(chǎn)自他們的Crolles II–300mm晶圓廠。與ST Micro的28納米體工藝相比，28納米FD-SOI工藝的性能提高了32 % - 84 %。ST Micro也與CEA Leti一同開發(fā)了一種14納米工藝，但是還沒有投入生產(chǎn)。據(jù)報道，2018年ST Micro開始與格芯合作開發(fā)格芯的22FDX FD-SOI工藝，因此長遠(yuǎn)來看ST Micro可能不會繼續(xù)生產(chǎn)他們自己的FD-SOI，而是可能會轉(zhuǎn)向這種技術(shù)的無晶圓廠模式。Crolles II是一個產(chǎn)能相對較低的300mm晶圓廠，而ST Micro在晶圓廠生產(chǎn)其他產(chǎn)品，因此FD-SOI的產(chǎn)量可能不大。
三星
三星獲得了ST Micro的28納米FD-SOI工藝許可，并利用它創(chuàng)建了三星的28納米FDS工藝，于2015年投入生產(chǎn)。28FDS為射頻應(yīng)用、嵌入式MRAM非易失性存儲器提供達(dá)400 GHz以上的最大頻率（fmax），可應(yīng)用于汽車。28FDS有一個1.0伏的Vdd。2019年三星正式量產(chǎn)首款商用的eMRAM（嵌入式磁隨機存取存儲器），采用三星的28FDS（28nm FD-SOI，耗盡型絕緣層上硅）工藝制造。
2019年9月16日，三星電子高級副總裁Gitae Jeong在第七屆上海FD-SOI論壇上表示，在下一階段將會是18FDS技術(shù)的誕生。18FDS擁有更低的成本以及更低的功耗，性能可以增加35%，功耗降低50%。
格芯（GF）
格芯的22FDX工藝于2017年投入生產(chǎn)，提供400 GHz fmax、嵌入式MRAM非易失性存儲器，可應(yīng)用于汽車。對于低功耗應(yīng)用，22FDX可以在低至0.4伏的電壓下工作。22FDX的前端基于ST Micro 14納米工藝，后端優(yōu)化了成本，有兩個雙層曝光層，其余層為單層曝光。第二代12FDX工藝原本應(yīng)在2019年推出，但格芯推遲了該工藝的推出，因為客戶現(xiàn)在才設(shè)計和升級22FDX產(chǎn)品。
12FDX的開發(fā)進展順利，將根據(jù)需要推出，估計推出時間將在2020年左右。12FDX將能夠在低于0.4伏的電壓下工作并且性能較22FDX提高20%以上。
格芯正在其德累斯頓晶圓廠生產(chǎn)22FDX，且產(chǎn)能相當(dāng)大。在中國成長起來的晶圓廠也將成為未來FD-SOI的產(chǎn)能來源。
2019年9月16日舉行的第七屆上海FD-SOI論壇上，格芯高級副總裁Americo Lemos指出，高速增長的物聯(lián)網(wǎng)市場將會為FD-SOI帶來巨大的發(fā)展機遇，未來FD-SOI工藝也將為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)提供更低功耗，更安全的解決方案。
FD-SOI工藝在中國市場的發(fā)展良好，2019年，22FDX 50%以上的流片都是來自中國客戶，數(shù)量上也相對于2018年也有了較大幅度的增長。
FD-SOI 生態(tài)系統(tǒng)
在FD-SOI 襯底供應(yīng)方面，Soitec 是最早（2013 年）實現(xiàn) FD-SOI 襯底片成熟量產(chǎn)的公司，也是目前 FD-SOI 襯底的主要供應(yīng)商，其 300mm 晶圓廠能夠支持 65nm、28nm、22nm 及更為先進的節(jié)點上大規(guī)模采用 FD-SOI 技術(shù)。
在FD-SOI 設(shè)計服務(wù)方面，眾多 EDA 公司正積極研發(fā)與 FD-SOI 相關(guān)的 IP。芯原微電子從 2013 年就與 STM 在 ST28nm FD-SOI 上合作、2014 年開始和三星在 SEC28nm FD-SOI 上合作、2015 年開始和 GF 在 GF22nm FD-SOI 上合作，現(xiàn)在能夠在 28nm 和 22nm 提供 IP 平臺和設(shè)計服務(wù)；Cadence 和 Synopsys 也已有經(jīng)過驗證的 FD-SOI IP；在 GF 推出 22nm FD-SOI 代工平臺后，ARM、Mentor 等也紛紛表示支持，著手開發(fā)基于 FD-SOI 的 IP；芯片設(shè)計業(yè)者聯(lián)發(fā)科、瑞芯微等也宣布采用 FD-SOI 工藝。
在FD-SOI 產(chǎn)品應(yīng)用端：在 STM、三星的推動下，采用 28nm FD-SOI 制程的產(chǎn)品現(xiàn)在已用于包括 IT 網(wǎng)路、伺服器、消費電子、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。成功案例包括 NXP / 飛思卡爾的 i.MX7 和 i.MX8 和其它 8 款應(yīng)用處理器平臺、索尼的新一代的 GPS、Eutelsat Communications 推出的新一代交互式應(yīng)用 SoC 等；22nm FD-SOI 制程的產(chǎn)品又拓展到了汽車電子領(lǐng)域，比如 Dream Chip 推出業(yè)界首款用于汽車計算機視覺應(yīng)用的 ADAS SoC 芯片。
應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢
SOI晶片的類型以及市場/應(yīng)用
從應(yīng)用領(lǐng)域角度來看，汽車是2xnm FDSOI技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，包括雷達(dá)、供電電池等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。此外，由于移動IC應(yīng)用的功耗必須足夠低以最大限度的延長電池壽命，因此FDSOI技術(shù)也十分適合移動IC應(yīng)用。
1，物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴市場方面。能夠超低電壓運行：FDSOI是一種低功率技術(shù)，允許工作電壓低至0.4V，其中每一步操作能耗都達(dá)到最低。
FBB優(yōu)化電源/性能：得益于其超薄埋氧層（BOX），F(xiàn)DSOI具有反向偏置功能，可以根據(jù)應(yīng)用程序的不同輕松調(diào)整電源/性能。這使得一個平臺能夠滿足過個應(yīng)用案例。
高效射頻和模擬集成：由于FDSOI是一種平面技術(shù)，相較于3D設(shè)備，所產(chǎn)生的寄生電容要少的多。
2，汽車方面，其高溫環(huán)境泄露情況良好。具備高可靠性：研究表明，相較于標(biāo)準(zhǔn)批量加工技術(shù)，F(xiàn)DSOI能夠?qū)④涘e誤率（soft error rate）改善100到1000倍。這對于汽車和航空航天應(yīng)用尤為重要。
3、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施與機器學(xué)習(xí)，其節(jié)能多核。由于埋氧層薄，通過正向體偏壓（FBB）使得性能和功率適應(yīng)工作負(fù)載。此外，該技術(shù)內(nèi)存設(shè)備性能優(yōu)異。
4，消費類多媒體方面，能夠優(yōu)化SoC集成（混合信號和射頻）。在所有高溫條件下的節(jié)能SoC。在空閑模式下的漏電流優(yōu)化。
據(jù)美國商業(yè)戰(zhàn)略公司（IBS）的一篇名為《FinFET and FD-SOI：market and cost analysis》的文章中提到：傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝，尤其是FinFET技術(shù)，不僅需要大量的資金投入，也需要深入的技術(shù)研究，這些都不是短期內(nèi)能夠彌補的。更不要說隨著收購愈來愈難，先進的技術(shù)很難真正進入國內(nèi)。FD-SOI工藝讓我們看到了未來突破的希望。
作為與FinFET技術(shù)幾乎同時出現(xiàn)的另一種工藝技術(shù)，F(xiàn)D-SOI工藝似乎一直活在FinFET的陰影里。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能駕駛這樣的新應(yīng)用對半導(dǎo)體提出了全新的挑戰(zhàn)，而FinFET工藝也遇到了瓶頸，尤其是FinFET的制造、研發(fā)成本越來越高，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一般玩家能夠承受的起的了。
作為在工藝成本方面很有研究的專家，Handel Jones 先生指出，在相同的條件下，12nm FD-SOI的工藝要比7nm FinFET工藝在成本上低27%。
在比較理想的情況下進行估計，12nm FD-SOI要比16nm FinFET成本低22.4%，比10nm FinFET低23.4%，比7nm 低27%。
此外，在設(shè)計成本上，12nm FD-SOI工藝的設(shè)計成本大概在5000萬美元到5500萬美元，而16nm FinFET的設(shè)計成本就已經(jīng)達(dá)到了7200萬美元。
據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)顯示，在各廠商相繼投入開發(fā)資源下，F(xiàn)D-SOI在2018年整體元件市場規(guī)模達(dá)160億美元，預(yù)估2019年整體市場可望達(dá)到270億美元，年增68.6%，后續(xù)成長態(tài)勢也將逐年上揚。
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