法國Soitec半導體從2015年起將公司核心業務定義為「加速為電子產業提供最佳化襯底」。此後的3年內,公司業績一直處於增長模式,截止2018財政年度末(2018年3月底)累計收入達到3.5億美元,預計2019財政年度還將取得35%的增幅。

Soitec執行長Paul Boudre在赴深圳參加由ASPENCORE舉辦的「全球雙峰會」前夕,就絕緣體上矽(SOI)技術、生態系統建置、公司發展戰略等問題,接受了《電子工程專輯(EE Times)》中國版的獨家專訪。

20190125NT31P1 Soitec執行長Paul Boudre。

領先產品技術助力中國SOI生態系統發展

Soitec產品範圍包括數位應用產品如FD-SOI、光電-SOI和成像-SOI(Imager-SOI),以及通訊和功率應用產品,如射頻-SOI(RF-SOI)和功率-SOI(Power-SOI)。其中,又以自主研發用於生產最佳化襯底,尤其是SOI晶圓的革命性晶圓鍵合和剝離技術Smart Cut最為知名,這是一項用來將晶體材料中的超薄單晶矽層從供體襯底轉移到其他襯底上的技術,當今大部分SOI晶圓都採用了該項技術。

為了透過設計鞏固對半導體供應鏈從最佳化襯底到積體電路、系統應用的業務涵蓋,2018年8月底,Soitec收購Dolphin Integration的大部分股份。Dolphin Integration是一家專注於開發低功耗晶片的法國公司,透過收購,雙方能夠為市場帶來結合最佳化功率管理和正向體偏壓技術的獨特解決方案。Boudre認為,收購Dolphin Integration代表Soitec正在加強IP庫構建與相關服務,為基於FD-SOI的晶片設計提供更加節能高效的解決方案。這是FD-SOI與其他SOI晶圓片的主要區別,也是FD-SOI在相關市場領域得以推廣的重要因素。

值得一提的是,Soitec很早就支援中國當地SOI生態系統的建設。2007年,Soitec就與中國代工廠和研發中心開展產業合作;2014年,Soitec和上海新傲科技(Simgui)達成射頻和功率半導體市場200mm SOI晶圓的戰略夥伴關係,並簽署許可和技術轉移協議,有助在中國打造當地的SOI生態系統。

然而,儘管FD-SOI號稱有諸多優勢,但在一些媒體報導中,對於該製程的生產良率、專用晶圓片價格與供應來源穩定性,還有大量生產確切時程、整體技術支援生態系統完整性,產業界仍有諸多疑慮。歐美支持者也只有意法半導體(ST)、恩智浦(NXP)、格芯(Globalfoundries)、Soitec等少數幾家大廠和亞洲的三星(Samsung)。但在東方,尤其是中國,情況完全不一樣。無論是政府還是產業都給予了極大的支持和關注,並且認為這是一劑能夠幫助中國趕上世界先進水準的良方。

Boudre告訴記者,當前,各種類型的SOI產品,包括RF-SOI、FD-SOI、Power-SOI或矽光子(Silicon Photonics),已經被廣泛應用於各級各類市場中。很多世界級的晶圓代工廠、無晶圓廠(Fabless)設計公司和系統廠商都已採用SOI技術,以Globalfoundries為例,其22nm FD-SOI(22FDX)技術已獲得全球50多家公司的設計採用,中標收入逾20億美元。另外,三星也積極推廣28nm和18nm的FD-SOI產品,也擁有逾50家客戶群。在射頻前端模組領域,SOI甚至已經成為產業標準。

同樣的事情也發生在中國。海思(HiSilicon)、展銳(RDA/Spreadtrum)、瑞芯微(Rockchip)等企業基於SOI技術在4G、5G、人工智慧物聯網(AIoT)、先進駕駛輔助系統(ADAS)和資料中心等關鍵應用中取得了一系列突破性進展;以SMIC和HHGrace為代表的中國的晶圓代工企業也一直在提供基於RF-SOI的產品;Globalfoundries還與成都市政府成立了合資企業,同樣以22nm SOI技術作為發展重點。

充分利用產品優勢做好晶圓保障

目前,Soitec 300mm SOI產能可以達到每年165萬片,200mm晶圓產能超過90萬片,中國合作夥伴上海新傲科技200mm SOI(射頻與電源)產能超過100萬片。與此同時,Soitec三大策略投資者之一—上海矽產業投資有限公司(National Silicon Industry Group,NSIG)在2017年也宣佈收購Soitec股權(上海矽產業投資有限公司目前擁有Soitec11.49%的股份)。不過,業界似乎仍然對FD-SOI晶圓矽片的成本和供應有所顧慮。

Boudre認為,這樣的擔心毫無必要。在他看來,FD-SOI由於具有低功率/低漏電+類似FinFET性能+類比/混合訊號整合的獨特優勢,再加上單片機和汽車應用偏愛的eMRAM技術,該技術近年來快速部署並非意外的事情。

「FD-SOI和FinFET服務於不同的市場,他們之間其實並不存在競爭。」Boudre進一步解釋,對FinFET技術而言,它追求的是絕對高性能,但設計難度和製造成本卻在不斷攀升中。而FD-SOI更關注那些低功耗、性能靈活(能夠從休眠模式到高速運算靈活切換)、整合類比/射頻/混合訊號的應用。最好的例子是三星能夠為無晶圓廠同時提供這兩種類型的解決方案:用於物聯網、人工智慧、低功耗運算和5G應用的FD-SOI,以及用於極高性能但高成本的FinFET。

Boudre不否認由於使用了Planar技術,導致FD-SOI的晶圓襯底比矽晶片昂貴一些。但如果從製成品的成本和性能來看,28nm FDSOI比28nm bulk CMOS晶圓(28nm或22nm)可提供多30~50%的性能,22nm FD-SOI又比14nm FinFET成品晶圓成本降低20~30%,但由於具備射頻、體偏壓和整合優勢,又能夠提供幾乎相同的性能。

在晶圓供應方面,Soitec和SEH(日本)所提供的FD-SOI晶圓襯底均屬於高成熟度產品,產能和品質完全能夠滿足當前和未來的產業需求。多家晶圓代工廠也可提供技術和產能支援,包括三星(28nm、18nm)、Globalfoundries(22nm、12nm)、瑞薩電子(Renesas Electronics)(65nm)和意法半導體(28nm),再加上ARM、Synopsis、 Cadence、SILVACO等IP供應商和中國設計服務公司VeriSilicon的加入,FD-SOI的整個生態系統已經完整浮現。

抓住市場機遇 擴大SOI產品市場影響力

摩爾定律(Moore’s Law)發展趨緩,英特爾(Intel)10nm製程受阻,Globalfoundries與聯華電子(UMC)紛紛宣佈放棄7nm以下先進製程。對此,Boudre認為,FD-SOI其實並不試圖在絕對性能方面與FinFET展開競爭。儘管不惜一切代價追求高性能的市場仍然存在,但正在萎縮,FinFET陣營現在也不得不面臨成本增加和市場規模縮小的挑戰,很多市場和應用已經放棄追尋這條路線。相比之下,FD-SOI成本和性能都更為合理,有分析師認為,未來10~15年FD-SOI的採用量約為400~800萬片/年。

由於投資10nm晶片設計的成本接近5億美元,使得能支付得起如此高昂費用的無晶圓廠IC設計公司越來越少。這也側面解釋了為什麼許多代工廠放棄這場競爭的原因,因為隨著客戶和設計數量的減少,他們沒有機會建立起理想的盈利模式。然而,在那些看起來「並不那麼先進」的CMOS節點中,卻存在許多商業機會,能夠幫助這些晶圓廠繼續為市場提供服務。

Boudre不認為英特爾及台積電(TSMC)所主張的FinFET技術將為成為未來產業唯一的標準。「正如之前所述,產業需要多個標準,FinFET會是其中之一,但行動、物聯網、人工智慧、ADAS等領域卻需要不同的標準和價值,這就是FD-SOI的巨大機會所在,而當前快速增長的採用趨勢也證實了FD-SOI同樣可以成為標準/主流技術。」他說。

從技術角度來看,RF-SOI是專為射頻前端模組設計的先進製程,在4G/LTE,包括即將到來的5G應用中,是眾多天線開關、天線調諧器、低雜訊放大器(LNA)和功率放大器的首選技術,並從2012年開始快速取代傳統用於射頻元件的砷化鎵(GaAs)材料。目前,100%智慧型手機的射頻前端模組均基於RF-SOI設計製造,甚至已經成為了天線開關、調諧器和低雜訊放大器的產業標準。透過將多個射頻元件高度整合在一顆晶片上,RF-SOI滿足了4G和5G所需要的射頻性能,並顯著降低了設備成本和元件尺寸,這對物聯網類型的應用也至關重要。

而FD-SOI則是一種為低功率處理而設計的製程,整合了眾多類比混合訊號功能,無論設備處於低洩漏/睡眠模式還是處於高性能模式,該技術都能為其帶來獨特性,自然成為行動和AIoT應用的理想選擇。另一方面,由於FD-SOI具備較高的Fmax特性,使其在射頻收發器、毫米波(mmWave)汽車雷達等應用中得到了廣泛關注。

5G帶來新成長機會

5G網路具有兩種不同的應用方式:一種是透過sub-6GHz頻段,另一種則是利用全新技術毫米波。根據Boudre的介紹,目前,RF-SOI已成為蜂巢電話中前端模組大量元件的實際應用技術,今天RF-SOI市場產量約為150萬片,這在10年前是無法想像的。同時,FD-SOI也已經成為毫米波RF-CMOS連接和高能效電池供電設備的首選技術。三星和Globalfoundries都已推出針對5G毫米波應用的FD-SOI產品。

他將5G列為Soitec產品(包括FD-SOI、RF-SOI、Photonics-SOI、POA和其他具有III-V族材料)最大的增長機會之一。如前所述,由於RF-SOI為射頻前端模組帶來了獨特的射頻特性,例如射頻訊號線性、低插入損耗、較小尺寸、高整合、低成本,目前還沒有其他技術能夠提供類似的價值。因此,FD-SOI平台可以針對5G需要提供無與倫比的整合度,還可以為窄頻物聯網(NB-IoT)帶來優越的低功耗性能,這些都是FinFET製程無法比擬的優勢。

不過,不同的通訊設備如汽車、智慧型手機和其他設備,它們的射頻前端需要差異化的技術,如何提供合適的成本和性能權衡,從而促進其引入和採用,一直是業界思考的問題。在Soitec提供的解決方案中,一類是採用高電阻率基礎襯底的HR-SOI技術,一類是射頻增強訊號完整性TM(RFeSI)SOI,它在高電阻率基礎上增加了富陷阱層,有助於滿足嚴格的線性要求。

這兩類技術都與標準CMOS製程和代工廠相容,兩種襯底系列有直徑200mm和300mm,在線性度、插入損耗、隔離、雜訊係數和其他關鍵規格方面具有不同的優勢,因此,它們可用於設計和製造射頻前端的不同模組和功能。