填補晶圓結構尺寸空窗區,促進摩爾定律發展的重要技術:SOI 晶圓

晶圓示意圖

【為什麼我們要挑選這篇文章】5G、AI 需要龐大的運算能力,同時設備的體積也愈縮愈小;為了提高運算元件密度,晶圓構造從 MOSFET 升級到 FinFET,然而這兩個結構間有 16 到 20 奈米的尺寸空窗區域,SOI 晶圓成為填補空窗的關鍵。

相較於傳統矽晶圓,SOI 在高頻與高功率環境中具優勢;而相較於 FinFET,SOI 具有成本低、製程技術簡單等優點。此外,SOI 單價與毛利是傳統矽晶圓的數倍,有良好的獲利表現。目前台灣在 SOI 領域有哪些關鍵廠商?(責任編輯:郭家宏)

SOI(絕緣層上覆矽)晶圓具備高效能、低功耗等特性,相較傳統矽晶圓,在高頻與高功率環境中更具優勢,近來受惠 5G、AI 邊緣運算等應用,對其元件需求持續擴增,且 SOI 晶圓單價與毛利是傳統矽晶圓的數倍,獲利表現可期,台矽晶圓廠包含環球晶、合晶等近來積極擴大佈局,盼能站穩 5G 世代的風口,搶食商機。

SOI 填補 MOSFET 與 FinFET 的尺寸空窗區域

半導體製程持續依循摩爾定律推進,相同晶圓面積下得填入更多電晶體管,閘極(Gate)線寬便是其中微縮重點。傳統平面構造的 MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)元件閘極線寬,已微縮至極限,當閘極線寬縮小至 20 奈米以下,需改變元件結構,才能持續推進摩爾定律,立體構造的 FinFET(鰭式場效電晶體)元件也因此問世。

雖然 FinFET 可符合微縮尺寸的需求,但閘極線寬必須在 16 奈米以下,才能有效控制從源極(Source)與汲極(Drain)間的電流開關,也就是說,在平面 MOSFET 構造與立體 FinFET 構造間,閘極線寬仍存在一段空窗尺寸區域,此缺口剛好由 FD-SOI 元件補上。

SOI(Silicon On Insulator)為絕緣層上覆矽技術,主要是在矽晶圓上做特殊材質處理,在矽基板上增加絕緣層,物理上由於多了一層材料,可使複雜的製程較易處理,不會因晶圓過薄影響良率,電性表現上較更節能省電,產出的晶片也會有較高的效能。

SOI 晶圓具備特殊結構特性,可調整結構產生多種應用

FD-SOI 則是為低功率處理而設計的製程,整合類比 / 射頻 / 混合訊號功能,可在低洩漏 / 休眠模式與高速運算中靈活切換,具備低功耗、製造週期短等優勢,製程技術較 FinFET 簡單、成本也較低,但元件尺寸較大、散熱也較慢。FinFET 技術則追求絕對高性能,但設計難度與製造成本不斷攀升。

FD-SOI 適合邏輯與類比電路使用,應用面為 SOI 技術中最廣泛,囊括物聯網、車用電子、機器學習等領域;隨著半導體線寬持續微縮,FD-SOI 與 FinFET 製程成為推進技術發展的兩大陣營。

不過,SOI 晶圓類型不只 FD-SOI,由於 SOI 晶圓具備特殊結構特性,元件應用可能性多元,依據不同的矽層厚度、絕緣層厚度,或額外添加的材料層,在結構上進行調整與設計,產生不同類型的 SOI 晶圓,可應用在通訊射頻前端 RF-SOI、高功率 Power-SOI、光通訊 Photonics-SOI、成像 Imager-SOI 等。

SOI 晶圓主要在 6 至 12 吋,從目前晶圓市占率來看,RF-SOI 應用占整體 SOI 晶圓銷售額約 6 成,高功率 Power-SOI 占比約 2 成,其餘則是 FD-SOI 及其他技術應用,隨著 5G 技術發展帶動,RF-SOI 成為其中最火熱的技術,未來市場整體產能與市占率可望持續擴增。

環球晶與格芯針對 RF SOI 領域合作,著眼行動裝置與 5G 應用

供應商方面,目前 SOI 晶圓龍頭為法國 Soitec 半導體,市占率囊括 7 成以上,其他供應商包括日本勝高(SUMCO)、信越(Shin-Etsu)、中國的上海新傲,台廠則有環球晶,其中,信越與上海新傲技術均授權自 Soitec。

晶圓代工廠方面,主要龍頭廠為美國格芯,其他包括韓廠三星、瑞士的意法半導體、以色列 TowerJazz,中國則有中芯國際與華虹宏力,台廠則有聯電。

從國內 SOI 晶圓廠佈局來看,環球晶 2016 年時,收購當時全球第四大晶圓廠 SEMI,取得 SOI 晶圓技術專利,為格芯 8 吋 SOI 晶圓長期供應商,基於雙方未來市場發展與穩定供應需求,環球晶與格芯日前簽署 MOU,將共同合作擴大 12 吋 SOI 晶圓產能,並簽訂長期供應協議。

環球晶與格芯的合作主要針對 RF SOI 領域,著眼目前與下一代行動裝置與 5G 應用,提供低功耗、高效能和易整合解決方案,搶食 5G 帶來的龐大應用商機。而合晶 SOI 產能也已量產,主要應用端為微機電(MEMS)、智能電源等領域,目標為 2 年內營收占比可達 3-5%。

(本文經合作夥伴 鉅亨網 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈〈觀察〉SOI 晶圓擁多重優勢應用廣泛 迎 5G 時代站穩風口起飛 〉。首圖來源:Flickr CC Licensed

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