I. 引言
“汽车行业已经进入一个深刻变革的时代，这种变革在一百年中才会发生一次，”丰田汽车公司首席执行官丰田章男在2017年表示。继20世纪末的机械创新之后，数字技术的引入正在推动并维持这一重大转型。汽车市场从未经历过如此多的同步创新。近年来，许多颠覆性技术已被集成到大规模生产中，特别是在自动驾驶、照明、雷达和基于摄像头的传感器领域。人工智能现在已经成为未来自动驾驶汽车发展的关键组成部分。许多信息娱乐功能的改进也通过增强现实技术的引入而出现，例如抬头显示。最后，互联性已经变得无处不在，并即将成为未来出行的基石。随着汽车中传感器和电子系统的增多，车载E/E网络已接近其极限，目前正在转向区域架构网络，每个区域都有专用的区域控制器，这些控制器连接并控制该区域内的传感器和执行器，而中央计算机则在不同的区域控制器之间进行通信【1】。

工程化基板广泛应用于几乎所有的汽车应用中。尽管Power-SOI、SmartSiC™等凭借其出色的高压和高温能力在驱动系统电气化以及底盘和车身控制中得到了应用，但FD-SOI已被广泛采用，支持ADAS、互联汽车功能、信息娱乐和区域控制器。

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II. FD-SOI 基板的不同代际
1994年，Michael Bruel发明的Smart CutTM技术【2】使得大规模生产硅-绝缘体(SOI)工程化基板成为可能。完全耗尽的SOI (FD-SOI) 晶圆在硅基板上覆盖一层非常薄的硅膜，并且该硅膜上面有一层薄的埋氧化层(BOx)。薄硅膜作为FD-SOI MOSFET的完全耗尽通道，这为在这些晶圆上制造的MOSFET提供了优越的电静态控制，并减少了泄漏电流，从而支持30nm以下的节点。FD-SOI作为一种平面技术，相比FinFET具有更低的成本和更简单的设计。同时，与FinFET和大规模集成技术相比，FD-SOI具有更低的阈值电压(Vt)失配和更好的软错误率，而体偏置则为动态从低泄漏到高性能的转换提供了额外的灵活性，并能补偿PVT变化【3】。

图1：SOITEC的FD-SOI基板代。

SOITEC的第一代FD-SOI晶圆（Gen 1.1）目前广泛用于28nm、22nm和18nm工艺节点，由不同的代工厂提供，得益于Smart CutTM技术所提供的出色的硅膜和BOx层厚度控制。这些技术已广泛应用于工业领域，并在汽车应用中取得了非凡的成功，如Mobileye的EyeQ4和NXP的i.MX 8/i.MX RT。自适应体偏置帮助FD-SOI设计在超低泄漏和操作电压下实现非常高的性能，使其成为需要在有限功耗内提供高计算能力的汽车应用的理想选择，如ADAS、区域控制器和信息娱乐控制器。从功能安全的角度来看，FD-SOI提供了卓越的软错误率、高噪声免疫性，并且由于BOx层的存在，避免了锁存效应，隔离了晶体管的活性区域与基板。降低的待机和动态功耗以及简化的工艺流程帮助控制基于FD-SOI技术设计的系统的生命周期CO2排放，推动了汽车市场向可持续数字化过渡。FD-SOI技术还提供了非常好的射频(RF)性能，得益于其相比大规模集成和FinFET的较低寄生电容。结合应变诱导的迁移率增强，这帮助实现了30nm门长下，500 GHz（n型MOS）和350 GHz（p型MOS）的截止频率【4】。BOx层提供的绝缘性降低了基板耦合效应，从而使得RF/mmW与数字系统在同一芯片上的共集成变得更为容易。这对于需要数字射频/毫米波共集成的汽车雷达设计尤为重要。

图2：SOI厚度对不同几何形状和不同工作条件下28nm FD-SOI nMOS器件的全局和局部变化的贡献。

第二代FD-SOI基板，电气收缩芯片2（eSoC.2），已经在SOITEC的高产量制造中推出，进一步改善了硅膜的粗糙度和缺陷性。薄SOI膜对晶体管通道的电静态控制至关重要，尤其是在先进节点中，它有助于保持短通道效应的控制。对于FD-SOI MOSFET，阈值电压是前氧化层、硅通道（SOI）和埋氧化层（BOx）的垂直厚度的函数。此外，SOI厚度对电容的影响较大，对通道迁移率的影响则通过二次效应较弱【5】。通过在晶圆上的测量和使用经过校准的L-UTSOI【6】模型的仿真，已经证明SOI膜的变化可能会对这些器件的晶圆内变化贡献约70%（图2）【5】。得益于eSoC.2提供的更紧密的工艺窗口，设计能够实现更好的功率、性能、面积、成本（PPAC），同时较低的缺陷率有助于提高最终良率。eSoC.2已经在汽车应用中得到了采用。

eSoC.3 是目前在 SOITEC 开发中的第三代 FD-SOI 基板。它采用了最新的 Smart Cut™ 技术进展，完全消除了 SOI 薄膜厚度的统计相关变差，同时进一步减少了与 eSoC.2 相比的粗糙度、全局厚度变化和缺陷率。基于 [5] 中介绍的方法，可以证明，理论上 28 纳米 FD-SOI 晶体管通过从 Gen1.1 基板迁移到 eSoC.3，SOI 厚度引起的变差降低了约 40%。这有助于应对在向更小节点过渡时变异性的增加，并将下一个 FD-SOI 节点的整体工艺变化控制在可控范围内。

III. 汽车 FD-SOI 基板愿景

汽车行业的需求持续发展并不断增长。半导体技术需要同步发展，以跟上这些需求。雷达被广泛认为是自动驾驶辅助系统（ADAS）的关键技术之一，预计到本世纪末，每辆车将配备超过 10 个雷达。对于这些雷达的需求也预计将发生变化。目前，大多数汽车雷达在 77-81 GHz 频段运行，但未来这一频段会提高。下一代雷达预计将用于车内传感（乘客监控、手势识别等）、4D成像、长短距离检测等。这推动了工作频率达到 150 GHz，并要求更高的计算能力、数据传输速率和高效性，以支持人工智能（AI）和边缘计算。

表 1. 雷达需求与工程化基板属性的映射

如表 1 所示，下一代雷达的要求主要集中在更好的范围（最大范围和动态范围）和分辨率（距离、方向和相对速度 [多普勒]）。在电路层面，这需要更高输出功率（Pout）和更好的噪声指数（NF）的功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA），更宽的射频带宽，改善的线性度，系统噪声减少，更多的通道和低功耗/泄漏的存储器。为了实现边缘处理，避免雷达到中央处理器的高数据传输，所需更多的计算能力。从器件角度看，需求转化为更好的射频性能（Ft/Fmax、Q因子、线性度）、更小节点、更好的 PPA 和 NFs。可以明显看到对 RF/mmW 电路与高效、高速数字电路共集成的需求增大。这些需求与前面讨论的 FD-SOI 的价值主张高度一致，使得增强版 FD-SOI 技术成为下一代汽车雷达的最可行选择。

通过改进厚度控制和降低缺陷率，eSoC.3 FD-SOI 基板已经能够支持下一代雷达所需的 10nm 及更小节点，满足面积/计算功率要求。工程化基板为优化顶部 SOI 薄膜、BOx 层和基底层以增强器件性能提供了可能。通过工程化 SOI 和 BOx 厚度，可以提高通道的静电控制。引入应变到 SOI 薄膜中可增强载流子迁移率，并提升数字和射频器件性能。BOx 层在隔离器件和环境之间发挥着重要作用。调整其厚度、界面质量和材料特性可以改善噪声性能，降低泄漏，减少寄生效应和基底耦合。BOx 下的寄生基底导电性在器件的射频质量中起着重要作用，影响 Q 因子、线性度、串扰等。高电阻率（HR）基板和 BOx 下的富陷层（TR）是减少寄生导电性和提升射频性能的一些方法。满足汽车需求的理想基板可能是这些工程优化的混合体。以下是探索的两个最有前途的优化方案。

A. 全球应变SOI晶圆

局部应变最初作为移动性增强器在14纳米节点中引入【7】，随后在22纳米节点的高产量制造中使用【8】，用于pMOS的压应变<110>方向SiGe通道。全球拉伸应变SOI（sSOI）基板是下一代节点中用于提高设备性能的选项之一。拉伸应变对<110>方向通道中电子迁移率的影响已得到广泛验证【9-11】。sSOI晶圆是通过Smart Cut™工艺制造的，首先是SiGe缓冲层和sSi外延步骤，通过Ge含量来控制硅中最终的拉伸应变【12】。提出了一种使用埋藏SiGe应变源位于BOx下方的应变转移结构，作为在SOI层中引入拉伸应变的另一种方式【13，14】，TCAD模拟预测，在10纳米BOx下，来自应变源的应变超过10 GPa【14】。为了同时实现电子和孔迁移率的提升，需要应变工程来确保nMOS看到拉伸应变通道，pMOS沿通道具有单轴压应变。此外，应变强烈依赖于几何形状，并且需要巧妙的设计规则将双轴应变转化为单轴应变，并在所有几何形状中保持足够的应变【15】。在应变工程中，另一个挑战是控制晶体缺陷，如螺位错缺陷【16】和堆垛层错【17】，这些缺陷会影响器件性能并降低电路的最终良率。

B. HR/TR FD-SOI基板

高阻抗（HR）基板和BOx下的TR多晶硅层已经在RF-SOI基板中引入，以提高无源元件的质量，减少高阶谐波和串扰【18】。FD-SOI提供了如背栅和BOx下的隔离二极管等功能，但由于增加了pn结泄漏，引入多晶硅层成为一个问题。已经提出了在BOx下使用智能PN注入作为限制FD-SOI中寄生基板导电性并提高无源元件质量的替代方案【19】。通过在无源元件下使用智能PN注入，已在22FDX中证明了LNA设计的增益提高了0.6 dB，噪声系数（NF）减少了0.25 dB【20】。双BOx结构是一种RF增强FD-SOI的晶圆级解决方案，其中将多晶硅TR层引入两个BOx层之间，从而防止了漏电的pn结【21】。

IV. 基板感知PDK：释放完整性能的手段

工程化基板的潜力

图3：SAPDK概念

如前所述，工程化基板通过工程化三层材料的属性，在晶圆级别上提升了技术，以满足应用需求。基板感知PDK（SAPDK）旨在将电路/系统的性能指标（FoMs）与基板属性进行映射，如图3所示。从电路/系统的角度来看，主要决定因素是功率、性能、面积和成本（PPAC）。在当今由人工智能驱动的世界中，需求是能够以最快的速度操作并拥有最大的内存，同时能够始终实时连接到所有事物，并且这一切都以最低的能量和成本完成。这为不同系统/电路/IC的共同集成增加了第五个要求。

A. 通用FEOL TCAD派生的有限PDK v0.0.1

PDK v0.0.1基于在TCAD中开发的理论通用FEOL流程。该PDK的重点是将基板创新的价值主张转化为理论设备/电路。PDK v0.0.1有助于优化基板，以最大化终端用户的价值，并允许终端用户做出基于PPAC（功率、性能、面积和成本）的选择，选出适合其应用的正确工程化基板代际。此PDK保持了有限的设备库，以便在开发/维护工作量可控的同时，加速新工程基板的反馈周期。

图 4：PDK v0.0.1。

如图4所示，PDK v0.0.1的开发流程从在TCAD中构建工程基板模型开始，模型包括基板不同层次的所有属性。开发了一个通用的FEOL流程，在TCAD过程模拟器中，确保技术启用所需的关键工艺步骤和器件特征被包含其中。使用这些器件进行设备仿真，以提取其IV/CV/RF特性。开发并仿真了一个包含关键设备的有限库。基于典型原始模型和基板特定增强功能，开发了SPICE模型，并使用这些模型构建了PDK。PDK v0.0.1允许在电路级别对工程化基板的价值进行首次评估，并为驱动正确基板的开发提供了有价值的市场反馈。

B. 基于子系统的PDK：共同努力

工程化基板带来了额外的价值，帮助改善最终的电路/设计。当前的PDK通常由代工厂/晶圆厂为其FEOL/BEOL流程开发和维护，往往未能准确反映工程化基板的价值，导致电路/系统未能优化，无法充分利用基板提供的全部优势。Zou等人[22]展示了正确建模基板寄生效应的重要性，使用了电流镜和工业制造的测试芯片作为示例。未能正确考虑基板泄漏会导致电流镜中的杂散信号丢失，测试芯片设计无法预测基板耦合引起的信号响应对汽车测试信号的影响。随着混合信号设计的增加以及RF/mmW和数字电路的共同集成，设计依赖于复杂的隔离方案以满足系统要求，这些方案在面积和设计工作量上都很昂贵。SOI由于BOx层提供了更好的固有隔离性，可以被利用来优化这些设计，并节省在复杂隔离方案上的面积和时间。SAPDK以及像SubstrateXtractor[23]这样的专用CAD工具有助于确保在设计中能够考虑所有基板效应和工程化基板提供的增强功能。使用工程化基板的技术的PDK开发需要基板供应商和代工厂之间的共同努力，以确保基板和FEOL器件的全部价值都被包含在内。

V. 结论

图5：满足未来汽车需求的基板代次

FD-SOI工程化基板为汽车应用提供了巨大的价值。如图5所示，不同代的FD-SOI基板（Gen1.1、eSoC.2、eSoC.3）推动了汽车行业对超低功耗/泄漏的更高计算能力的需求，这对于信息娱乐系统、视觉处理器和区域控制器是必需的。虽然当前在77-81 GHz频段工作的汽车雷达可以很好地使用Gen1.1基板，但未来的140 GHz雷达需要新的基板创新，可能结合应变和高阻/陷阱技术，以满足RF性能和计算需求。基于基板的PDK能够在合适的时间为合适的应用开发合适的基板。