為何SOI在射頻類(lèi)芯片中超受歡迎？

寄生電容??；集成密度高；速度快

什么是SOI

SOI全稱(chēng)為Silicon-On-Insulator，即絕緣襯底上的硅，該技術(shù)是在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層。原理就是在硅晶體管之間，加入絕緣體物質(zhì)，可使兩者之間的寄生電容比原來(lái)的少上一倍。形成SOI材料的技術(shù)有以下3類(lèi)：

1. 注入氧分離技術(shù)（Separation by Implanted Oxygen，SIMOX）

2. 鍵合減薄技術(shù)（Bond and Etch-back SOI，BESOI）

3. 智能剝離技術(shù)（Smart-Cut）

SOI的優(yōu)勢(shì)

SOI材料具有了體硅所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡(jiǎn)單、短溝道效應(yīng)小及特別適用于低壓低功耗電路等優(yōu)勢(shì)。

此外，在SOI晶圓（SOI wafer）本身襯底的阻抗值的部分也會(huì)影響到元件的表現(xiàn)，因此后來(lái)也有公司在襯底上進(jìn)行阻抗值的調(diào)整，達(dá)到射頻元件（Radio frequency component、RF component）特性的提升。原本應(yīng)通過(guò)交換器的電子，有些會(huì)鉆入硅中造成浪費(fèi)；SOI可防止電子流失，與補(bǔ)強(qiáng)一些原本Bulk wafer中CMOS元件的缺點(diǎn)。

RF SOI是一種具有獨(dú)特的硅/絕緣層/硅三層結(jié)構(gòu)的硅基半導(dǎo)體工藝材料，它通過(guò)絕緣埋層(通常為SiO2)實(shí)現(xiàn)了器件和襯底的全介質(zhì)隔離。由于RF-SOI 能夠以**的性?xún)r(jià)比實(shí)現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗，它可以為人們帶來(lái)更快的數(shù)據(jù)速度、更長(zhǎng)的電池壽命，和頻率更穩(wěn)定、流暢的通信質(zhì)量。

數(shù)十年來(lái)，電信基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)一直由宏和微基站驅(qū)動(dòng)。如今，借助 5G 大規(guī)模 MIMO 有源天線系統(tǒng)，射頻 (RF) 組件行業(yè)正在選用越來(lái)越多的射頻組件。Yole Group 旗下的 Yole Intelligence 估計(jì)，電信基礎(chǔ)設(shè)施射頻市場(chǎng)在 2021 年價(jià)值30億美元，預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到45億美元。

SOI的三大發(fā)展方向

RF-SOI：是一種具有獨(dú)特的硅/絕緣層/硅三層結(jié)構(gòu)的硅基半導(dǎo)體工藝材料，它通過(guò)絕緣埋層(通常為SiO2)實(shí)現(xiàn)了器件和襯底的全介質(zhì)隔離。由于RF-SOI 能夠以**的性?xún)r(jià)比實(shí)現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗，它可以為人們帶來(lái)更快的數(shù)據(jù)速度、更長(zhǎng)的電池壽命，和頻率更穩(wěn)定、流暢的通信質(zhì)量。RF-SOI能夠保證非常高的信號(hào)的線性度和信號(hào)完整性。

Power-SOI：主要構(gòu)造為單晶頂層硅片（mono-crystal top material），中間氧化埋層（buried oxide）及底層的硅基底（silicon base）。由于Power-SOI晶圓加厚Buried Oxide結(jié)構(gòu)，能夠有效克服高電壓可能穿透元件的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)功率元件使用上的穩(wěn)定性。因此，Power-SOI主要應(yīng)用于BCD（BIPOLAR-CMOS-DMOS）功率集成電路制造技術(shù)中的高壓元件集成。

FD-SOI：(全耗盡型絕緣體上硅)是一種平面工藝技術(shù),從結(jié)構(gòu)上看， FD-SOI晶體管的靜電特性?xún)?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(dú)特優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(diǎn)使得它能工作在毫米波頻段的應(yīng)用中。

SOI的應(yīng)用領(lǐng)域

• RF-SOI 應(yīng)用于射頻應(yīng)用，目前已經(jīng)成為智能手機(jī)的開(kāi)關(guān)和天線調(diào)諧器的**解決方案；

• POWER-SOI 用于智能功率轉(zhuǎn)換電路，主要應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)、家電消費(fèi)類(lèi)等高可靠性高性能場(chǎng)景；

• FD-SOI 具有減少硅幾何尺寸同時(shí)簡(jiǎn)化制造工藝的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、汽車(chē) 等對(duì)于高可靠性、高集成度、低功耗、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域；光學(xué) SOI 應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、云 計(jì)算等光通信領(lǐng)域。

RF-SOI的適用范圍

采用RF SOI工藝的芯片針對(duì)各種應(yīng)用，但**市場(chǎng)是手機(jī)中的射頻前端模塊。RF SOI芯片不是手機(jī)中唯一使用的器件。智能手機(jī)由數(shù)字芯片和射頻芯片組成，另外還包括電源管理芯片。基于CMOS的數(shù)字部分由應(yīng)用處理器和其他器件組成。

射頻組件集成在射頻前端模塊中，該模塊負(fù)責(zé)處理傳輸/接收功能。前端模塊由多個(gè)組件組成，包括功率放大器、天線調(diào)諧器、低噪聲放大器（LNA）、濾波器和射頻開(kāi)關(guān)。LNA用于放大來(lái)自天線的小信號(hào)，而濾波器可防止任何不需要的信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)。LNA和濾波器使用不同的工藝。

同時(shí)，開(kāi)關(guān)芯片和調(diào)諧器基于RF SOI。RF開(kāi)關(guān)將信號(hào)從一個(gè)組件傳送到另一個(gè)組件，調(diào)諧器可幫助天線調(diào)整到任何頻段。

4G Phone FEM Example

隨著時(shí)間的推移，5G也將工作在毫米波波段。這涉及到30 GHz~300 GHz之間的頻段。RF架構(gòu)需要修改，以覆蓋其中一個(gè)頻段。為此，RF收發(fā)器將把IF或中頻收發(fā)器和下變頻器與一個(gè)基于CMOS的毫米波RF前端模塊結(jié)合在一起。

GF毫米波5G波束形成系統(tǒng)

RF-SOI在智能手機(jī)中的應(yīng)用

智能手機(jī)融合了多樣化的功能，包括無(wú)線電發(fā)射和接收、數(shù)字處理、 存儲(chǔ)、音頻、電池 管理、攝像和顯示等，通過(guò)前端模塊能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩電話和基站之間的射頻信號(hào)傳輸和接收。高性能開(kāi)關(guān)的市場(chǎng)需求在2016年更加強(qiáng)烈。當(dāng)時(shí)已經(jīng)演進(jìn)出了LTE技術(shù)，出現(xiàn)了4G以及許多復(fù)雜的模塊，也出現(xiàn)了天線調(diào)諧器。RF-SOI也隨之被應(yīng)用到越來(lái)越多的天線調(diào)諧器以及開(kāi)關(guān)當(dāng)中。對(duì)于射頻前端的開(kāi)關(guān)、射頻前端控制等器件，RF-SOI是使用得最多的。

在智能手機(jī)中，射頻開(kāi)關(guān)處于射頻前端的關(guān)鍵位置且必不可少，其插損、回?fù)p、隔離度、諧波抑制和功率容量等性能對(duì)射頻前端鏈路有重要影響。射頻開(kāi)關(guān)的主要作用在于通過(guò)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向（接收或發(fā)射）、不同頻率的信號(hào)進(jìn)行切換，以達(dá)到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。

發(fā)展到今天的5G時(shí)代，智能手機(jī)需要更加復(fù)雜的模塊和更高的集成度。LNA也被集成到開(kāi)關(guān)當(dāng)中。5G 毫米波對(duì)于高集成度有著更強(qiáng)烈的需求。目前，接近100%的射頻開(kāi)關(guān)都是基于Connect-SOI技術(shù)開(kāi)發(fā)的，即RF-SOI或FD-SOI技術(shù)；超過(guò)80%的集成低噪聲放大器都是基于RF-SOI開(kāi)發(fā)的，接近100%的天線調(diào)諧器是在用Soitec的SOI技術(shù)。據(jù)介紹，Soitec 的RF-SOI 產(chǎn)品已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 在大規(guī)模生產(chǎn)中被用于制造射頻前端模塊的IC ，同時(shí)滿(mǎn)足芯片制造商對(duì)成本與性能要求。

RF-SOI在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用

相比智能手機(jī)，現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)于連接性的需求和依賴(lài)程度更高。目前的遠(yuǎn)程通信不僅要使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，也非常依賴(lài)V2X的連接，還要使用專(zhuān)屬的近距離通信系統(tǒng)，包括WiFi、藍(lán)牙等。新興的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他連接系統(tǒng)正在助力移動(dòng)服務(wù)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。例如，它們通過(guò)提升車(chē)輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的無(wú)線交互來(lái)提高駕駛安全性，或是與其他車(chē)輛之間的無(wú)線交互來(lái)優(yōu)化交通條件。車(chē)載無(wú)線連接還可以輕松實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)的高質(zhì)量視頻與音頻娛樂(lè)內(nèi)容訪問(wèn)，讓乘客體驗(yàn)更加舒適。

RF- SOI不僅可以應(yīng)用于智能手機(jī)上，許多日常生活中的設(shè)備上都能看到RF- SOI的身影。RF- SOI還用于每天使用的物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備上，比如說(shuō)像智能耳機(jī)、手表等。而且也不僅僅適用于蜂窩通信，還包括5G、藍(lán)牙、WiFi以及超寬帶UWB。對(duì)于5G毫米波，當(dāng)前也面臨著提高集成度等相似的挑戰(zhàn)。對(duì)于毫米波，客戶(hù)可以根據(jù)最終應(yīng)用選擇不同的射頻前端架構(gòu)。一些客戶(hù)可能會(huì)優(yōu)先考慮非常高性能的射頻前端，而其他客戶(hù)可能會(huì)犧牲部分性能以獲得更高的集成度和更小的芯片尺寸。對(duì)于**種情況，可以在 RF-SOI 中集成完整的高性能射頻前端（PA + LNA + 開(kāi)關(guān) + 移相器 + 支持功能）；而在第二種情況下，可以選擇將部分頻率轉(zhuǎn)換與 RFFE 集成到 FD-SOI 技術(shù)中。這最終取決于客戶(hù)的應(yīng)用以及他們的競(jìng)爭(zhēng)策略。

如您有流片需求，歡迎掃碼聯(lián)系

Tower RF-SOI平臺(tái)

Tower Semiconductor的RF-SOI和RF-CMOS技術(shù)解決方案可為消費(fèi)、基礎(chǔ)設(shè)施和汽車(chē)應(yīng)用提供高速、低噪音及低功耗的產(chǎn)品。

Tower Semiconductor 的RF SOI平臺(tái)擁有低Ron-Coff（導(dǎo)通電阻-關(guān)斷電容）、高度線性、功能豐富的平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)最高性能的4G/LTE和5G前端模塊（FEM）產(chǎn)品。Tower Semiconductor的RF-SOI工藝系列結(jié)合了3-7金屬層CMOS工藝以及1.2V、1.8V、2.5V和5V晶體管選項(xiàng)。基于經(jīng)硅驗(yàn)證的精確模型和設(shè)計(jì)庫(kù)，以及世界一流的設(shè)計(jì)支持，以及豐富的大規(guī)模量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為客戶(hù)提供完美的射頻解決方案。此類(lèi)工藝非常適合例如蜂窩式交換機(jī)等需要隔離的產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于>-40dB的出色信道隔離度、低于0.35 dB的插入損耗，在蜂窩功率水平下優(yōu)于110dBc的低諧波，以及低于-117 dBm的互調(diào)失真。低噪聲放大器還可以與特定的低噪聲、高增益器件，高線性以及通過(guò)厚銅層或鋁層實(shí)現(xiàn)的低損耗電感集成在一起。除有源器件外，工藝選擇還包括硅化及非硅化多晶電阻、RF金屬-絕緣體-金屬（MIM）電容、金屬邊際電容（MFC）、可縮放幾何電感、固定幾何電感、固定幾何巴倫（平衡-不平衡變換器），和變壓器。襯底選項(xiàng)包括具備**Ron-Coff性能的“薄膜”工藝和類(lèi)似有源MOSFET基極行為的“厚膜”工藝，無(wú)浮體效應(yīng)。該平臺(tái)由我們的MPW計(jì)劃支持，用于快速項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

RF-SOI平臺(tái)特色

• 提供高阻SOI基板的200mm和300mm工藝技術(shù)

• Sub-60fs Ron-Coff 2.5V NMOS

• 用于LNA集成的專(zhuān)用器件

• 高密度（4IF/μm2）和高壓（> 25V）MIM電容；高線性度金屬邊際電容

• 低值和高值電阻器、RF變?nèi)莨?、高Q電感

• 高阻抗、高線性SOl襯底

• BSIM4 SOI PSP、HiSIM SOI模型

• 鋁或銅低RC金屬化工藝

• 支持1.2、1.8V、2.5、3.3或5V MOSFETS

• 高利用率標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)

• 用于減少開(kāi)關(guān)堆棧

• 高精度RF器件模型和快速寄生參數(shù)提取

• 先進(jìn)的襯底模型

RF-SOI所服務(wù)的市場(chǎng)領(lǐng)域

ower Semiconductor

Tower Semiconductor Ltd. （NASDAQ: TSEM, TASE: TSEM），全球特種工藝晶圓代工的領(lǐng)導(dǎo)者， 同旗下Jazz Semiconductor, Inc. 和 TowerJazz Texas Inc.以及TowerJazz Panasonic Semiconductor Co. 合作經(jīng)營(yíng)品牌Tower Semiconductor 。

Tower Semiconductor 的客戶(hù)遍及汽車(chē)、醫(yī)療、工業(yè)、消費(fèi)、航空航天和國(guó)防等領(lǐng)域。過(guò)去幾年中，Tower Semiconductor 在推動(dòng)客戶(hù)成功的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)。我們將繼續(xù)追求卓越的技術(shù)與品質(zhì)，保持強(qiáng)勁的增長(zhǎng)前景。