無線通信IC制程技術(shù)發(fā)展探微

無線通信IC制程技術(shù)發(fā)展探微
臺(tái)灣省工研院經(jīng)貿(mào)中心產(chǎn)業(yè)分析師 王英格

圖1 2000-2005年全球半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)品市場(chǎng)占有率變化

圖2 無線通信IC制程技術(shù)發(fā)展歷程

圖3 預(yù)估2004年移動(dòng)電話收發(fā)器市占率

圖4 預(yù)估2004年移動(dòng)電話功率放大器市占率（依制程區(qū)分）
前言
半導(dǎo)體的應(yīng)用可分為計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子、工業(yè)、汽車、以及軍事等市場(chǎng)，根據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)與研究機(jī)構(gòu)IC Insight等單位的統(tǒng)計(jì)，自2001年以后，計(jì)算機(jī)在半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)品市場(chǎng)的占有率開始滑落至50%以下，反觀通信與消費(fèi)類電子產(chǎn)品的占有率則逐年上升，成為帶動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)成長(zhǎng)的重要產(chǎn)品(見圖1)。其中，在通信市場(chǎng)中，年產(chǎn)量高達(dá)四億部左右的手機(jī)市場(chǎng)更是目前各大半導(dǎo)體廠商關(guān)注的重點(diǎn)，例如：全球兩大晶圓代工廠臺(tái)積電與聯(lián)電在2002年的技術(shù)論壇中，競(jìng)相宣布適用于無線通信IC的新制程技術(shù)藍(lán)圖更可看出，無線通信IC已成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重要支柱。
一般來說，整個(gè)無線通信IC依功能可以分成三部分：首先為負(fù)責(zé)接收/發(fā)送射頻信號(hào)的射頻IC(Radio Frequency IC)，此部分屬于射頻前端，為純粹的模擬電路設(shè)計(jì)；其次為負(fù)責(zé)二次升/降頻與調(diào)制/解調(diào)功能的中頻電路(IF IC)，以及與鎖相回路(PLL)、頻率合成器(Synthesizer)等組件，目前此段多屬于模擬/數(shù)字的混和模式(mixed mode)的電路；最后則是負(fù)責(zé)A/D、D/A、信號(hào)處理器及CPU等純數(shù)字部分的基頻IC(Baseband IC)。
由于基頻部分以處理數(shù)字信號(hào)為主，且其內(nèi)部組件多為主動(dòng)組件、線路分布極為密集，故向來以微細(xì)化與高集成度的純硅CMOS制程為主。而在射/中頻部分，由于無線通信對(duì)于射頻IC的規(guī)格要求相當(dāng)嚴(yán)格，且高頻晶體管的功能不同，其線路設(shè)計(jì)理念也不盡相同，因此，如何選擇不同的材料與制程，以使無線通信用集成電路的線路功能與價(jià)格達(dá)到平衡或是最佳化，往往是無線通信用集成電路制造最重要的課題。故本文將以無線通信射頻IC的制程技術(shù)為探討重點(diǎn)，藉以說明半導(dǎo)體制程技術(shù)在無線通信射頻IC領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)與趨勢(shì)。

無線通信半導(dǎo)體材料與制程概述
半導(dǎo)體材料可分為由單一元素構(gòu)成的元素半導(dǎo)體與兩種以上元素化合物所構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體兩類。前者如硅(Silicon)、鍺(Germanium)等所形成的半導(dǎo)體，后者如砷化鎵(Gallium Arsenide，GaAs)、磷化銦(Indium Phospide，InP)等化合物形成的半導(dǎo)體。在過去以個(gè)人計(jì)算機(jī)為應(yīng)用主軸的時(shí)期，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)皆以硅材料為發(fā)展重心。由于硅元素先天上的物理限制，傳統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)制程無法勝任處理1GHz以上的高頻信號(hào)，使得近兩三年在通訊應(yīng)用半導(dǎo)體的需求急增后，特別是對(duì)于高工作頻率、高放大率與低噪聲等條件要求極為嚴(yán)格的無線通信IC而言，特殊半導(dǎo)體材料與制程的需求便格外受到重視(見圖2)。在業(yè)界不斷努力研發(fā)之下，目前已開發(fā)出可應(yīng)用在無線通信IC的制程有：硅雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(Si Bipolar CMOS)、硅鍺(SiGe)、砷化鎵(GaAs)、以及其它仍在積極開發(fā)磷化銦或E-mode pHEMT等不同的制程。以下便再針對(duì)這幾種半導(dǎo)體材料與制程提出進(jìn)一步的說明(如表1所示)。
硅組件
●  Si BiCMOS為主流
以硅為基材的集成電路共有Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)、Si CMOS、與結(jié)合Bipolar與CMOS特性的Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等類。由于硅是當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用最為成熟的材料，因此，不論在產(chǎn)量或價(jià)格方面都極具優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)上以硅來制作的晶體管多采用BJT或CMOS，不過，由于硅材料沒有半絕緣基板，再加上組件本身的增益較低，若要應(yīng)用在高頻段操作的無線通信IC制造，則需進(jìn)一步提升其高頻電性，除了要改善材料結(jié)構(gòu)來提高組件的fT，還必須藉助溝槽隔離等制程以提高電路間的隔離度與Q值，如此一來，其制程將會(huì)更為復(fù)雜，且不良率與成本也將大幅提高。因此，目前多以具有低噪聲、電子移動(dòng)速度快、且集成度高的Si BiCMOS制程為主。而主要的應(yīng)用則以中頻模塊或低層的射頻模塊為主，至于對(duì)于低噪聲放大器、功率放大器與開關(guān)器等射頻前端組件的制造仍力有未逮。
●  SiGe制程嶄露頭角
1980年代IBM為改進(jìn)Si材料而加入Ge，以便增加電子流的速度，減少耗能及改進(jìn)功能，卻意外成功的結(jié)合了Si與Ge。而自98年IBM宣布SiGe邁入量產(chǎn)化階段后，近兩、三年來，SiGe已成了最被重視的無線通信IC制程技術(shù)之一。
依材料特性來看，SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導(dǎo)熱性好，而且制程成熟、整合度高，具成本較低之優(yōu)勢(shì)，換言之，SiGe不但可以直接利用半導(dǎo)體現(xiàn)有200mm晶圓制程，達(dá)到高集成度，據(jù)以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)規(guī)模，還有媲美GaAs的高速特性。隨著近來IDM大廠的投入，SiGe 技術(shù)已逐步在截止頻率(fT)與擊穿電壓(Breakdown voltage)過低等問題獲得改善而日趨實(shí)用。目前，這項(xiàng)由IBM所開發(fā)出來的制程技術(shù)已整合了高效能的SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)3.3V及0.5μm的CMOS技術(shù)，可以利用主動(dòng)或被動(dòng)組件，從事模擬、RF及混合信號(hào)方面的配置應(yīng)用。
對(duì)于無線通信射頻IC應(yīng)用而言，SiGe技術(shù)具有良好的線性度、低噪聲、快速等特性，可適用于手機(jī)射頻前端如LNA、Mixer等。因此，隨著SiGe制程技術(shù)的性能日趨完善，再加上集成度高，使得全球射頻芯片大廠與晶圓代工廠商皆已陸續(xù)投入此一技術(shù)的發(fā)展。
●  RF CMOS蓄勢(shì)待發(fā)
盡管純硅的CMOS制程被認(rèn)為僅適用于數(shù)字功能需求較多的設(shè)計(jì)，而不適用于以模擬電路為主的射頻IC設(shè)計(jì)，不過歷經(jīng)十幾年的努力后，隨著CMOS性能的提升、晶圓代工廠在0.25mm以下制程技術(shù)的配合、以及無線通信芯片整合趨勢(shì)的引領(lǐng)下，RF CMOS制程不僅是學(xué)界研究的熱門課題，也引起了業(yè)界的關(guān)注。采用RF CMOS制程最大的好處，當(dāng)然是可以將射頻、基頻與存儲(chǔ)器等組件合而為一的高整合度，并同時(shí)降低組件成本。但是癥結(jié)點(diǎn)仍在于RF CMOS是否能解決高噪聲、低絕緣度與Q值、與降低改善性能所增加制程成本等問題，才能滿足無線通信射頻電路嚴(yán)格的要求。
目前已采用RF CMOS制作射頻IC的產(chǎn)品多以對(duì)射頻規(guī)格要求較為寬松的Bluetooth與WLAN射頻IC，例如CSR、Oki、Broadcom等Bluetooth芯片廠商皆已推出使用CMOS制造的Bluetooth傳送器；而Atheros、Envara等WLAN芯片廠商也在最近推出全CMOS制程的多模WLAN(.11b/g/a)射頻芯片組。不過，由于手機(jī)用射頻IC規(guī)格非常嚴(yán)格，到目前為止，除了Silicon Labs以數(shù)字技術(shù)來強(qiáng)化低中頻至基頻濾波器及數(shù)字頻道選擇濾波器功能，以降低CMOS噪聲過高的問題所生產(chǎn)的Aero 低中頻 GSM/GPRS芯片組外，很少?gòu)S商以此技術(shù)制造手機(jī)射頻IC。再者，由于手機(jī)制造商對(duì)其可靠度的疑慮仍深，故除了韓國(guó)三星電子采用Silicon Labs的Aero射頻芯片組外，幾乎未曾聽聞手機(jī)制造廠采用CMOS生產(chǎn)的RF芯片。由此觀之，RF CMOS欲在手機(jī)射頻IC制程中搶占一席之地仍有許多亟待克服的障礙。
化合物半導(dǎo)體：GaAs
除了硅制程的芯片之外，以砷化鎵制程所生產(chǎn)的芯片亦早就被大量運(yùn)用在衛(wèi)星通信、軍事武器等國(guó)防工業(yè)上，只是其應(yīng)用范圍狹隘，且產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較為封閉，以致于市場(chǎng)開拓不易。不過，隨著近年來無線通信的發(fā)展，砷化鎵制造的IC逐漸廣為應(yīng)用在無線通信功率放大組件的制造。
依材料特性來看，砷化鎵為化合物半導(dǎo)體，由于電子移動(dòng)率約為硅的5.7倍，且高頻使用消耗功率低，故多用于制作功率放大器組件。一般來說，砷化鎵在無線通信射頻前端的應(yīng)用具有高工作頻率、低噪聲、工作溫度適用范圍高、以及能源利用率佳等幾種優(yōu)點(diǎn)。
在組件種類方面，依晶體管制程結(jié)構(gòu)可分為：金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal Semiconductor Field Effect Transistor，MESFET)、假晶高電子遷移率晶體管(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor，pHEMT)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(Heterostructure Bipolar Transistor，HBT)等三類。其中HBT雖然是三者中最新開發(fā)的技術(shù)，但其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，使信道上的電子流呈垂直方向，可以產(chǎn)生較高的功率密度，且僅需單一電壓，在同樣的輸出功率下，HBT的線性效果優(yōu)于其它晶體管結(jié)構(gòu)，正適合目前講求輕薄短小、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的移動(dòng)電話。
綜合上述各種應(yīng)用于無線通信IC制造的半導(dǎo)體材料與制程技術(shù)，由于GaAs等制程擁有高工作頻率、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因此在未來兩三年內(nèi)仍是高速模擬電路，特別是功率放大器的主流制程技術(shù)。不過GaAs也存在著成本昂貴，且無法和硅芯片集成的缺點(diǎn)。
至于在硅制程方面，隨著SiGe制程的崛起，與RF CMOS逐步朝向?qū)嵱没A段邁進(jìn)，將影響Si BiCMOS制程目前在射頻IC的主流地位，尤其是SiGe制程技術(shù)將會(huì)日益受到重視。過去在發(fā)展初期，SiGe由于截止頻率(Cutoff frequency：fT)，及其相對(duì)的崩潰電壓過低，使得SiGe難以應(yīng)用在射頻功率放大器上，相較之下GaAs不但具有高fT，而且其崩潰電壓也遠(yuǎn)高于SiGe或Si制程，因此在功率放大器(PA)的應(yīng)用上有極大的優(yōu)勢(shì)。但經(jīng)過短短幾年的改進(jìn)，目前的SiGe HBT技術(shù)不僅已被Infineon、RF MD、Conexant等無線通信IC大廠廣為應(yīng)用在手機(jī)射頻前端如LNA、Mixer等組件，也已發(fā)揮其制程集成能力完成集成RF/IF功能的Transceiver產(chǎn)品，更進(jìn)一步挑戰(zhàn)GaAs在PA產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。
除了上述的制程外，其它逐步應(yīng)用在無線通信高頻組件的基材還有磷化銦(InP)或GaAs on Si等制程。前者較砷化鎵更適于高頻應(yīng)用，效率更高，組件更小，被認(rèn)為未來有可能會(huì)取代砷化鎵，只是目前價(jià)格昂貴；后者主要由Motorola發(fā)展，于2001年9月宣布成功用于商業(yè)用途，可將GaAs的功率放大器(PA)與Si為主的基頻模塊結(jié)合在一起以降低成本，依據(jù)Motorola的構(gòu)想，砷化鎵與硅結(jié)合實(shí)用化后，最初將先運(yùn)用在輸出功率小于10W的WLAN和手機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品上。不過砷化鎵與硅結(jié)合，需要額外的加工工程，制程程序增加，良率會(huì)降低，因此其成本與商業(yè)化進(jìn)程等問題仍有待考驗(yàn)。

無線通信IC整合趨勢(shì)
個(gè)別組件的制程技術(shù)發(fā)展
以手機(jī)射頻IC中最主要的兩大組件收發(fā)器與PA制程為例：在收發(fā)器的制程部分，雖然目前BiCMOS制程仍為市場(chǎng)主力，但近來廠商也積極發(fā)展RF CMOS與SiGe BiCMOS等制程技術(shù)。根據(jù)Strategy Unlimited的估計(jì)，到2004年BiCMOS制程的收發(fā)器芯片的市場(chǎng)占有率將逐步下滑到僅占全球66％，而SiGe制程的收發(fā)器芯片則可成長(zhǎng)至21％的市場(chǎng)占有率，RF CMOS制程的收發(fā)器亦可望占有13％的市場(chǎng)。隨著越來越多廠商推出SiGe制程的收發(fā)器，再加上代工廠也陸續(xù)切入SiGe制程的代工，未來兩、三年內(nèi)手機(jī)收發(fā)器的制程將以Si BiCMOS 與SiGe BiCMOS制程為主流(見圖3)。
在手機(jī)的PA部分，由于GaAs材料特性的優(yōu)勢(shì)，故仍將主導(dǎo)手機(jī)PA制程市場(chǎng)，至于SiGe則在不斷改善制程技術(shù)后，將有機(jī)會(huì)侵蝕過去GaAs獨(dú)占的PA市場(chǎng)。Strategy Unlimited便預(yù)估，到2004年全球GaAs制程的PA芯片市場(chǎng)占有率將下滑到僅占68％，而CMOS與SiGe制程的PA芯片則將分別成長(zhǎng)至13％與18%的市場(chǎng)占有率(見圖4)。不過，若以目前發(fā)展看來，推出SiGe制程PA的廠商仍屬少數(shù)，再加上認(rèn)證與設(shè)計(jì)的時(shí)間，到2004年SiGe PA仍不易有高成長(zhǎng)，未來三年手機(jī)PA的制程未來仍將以GaAs制程為發(fā)展主流。
就未來發(fā)展高集成度(integration level) RF IC芯片組而言，由于Si-CMOS、SiGe電路的重復(fù)性與一致性較GaAs制程高，且單位面積的電路密度高，就電路的集成度、易產(chǎn)性及成本，目前商用RF IC以CMOS、SiGe制程具備較佳的競(jìng)爭(zhēng)力。若從個(gè)別組件的發(fā)展來看，SiGe制程將成為PA與Switch等射頻前端組件在GaAs制程外的另一種選擇；而收發(fā)器與LNA等組件則將出現(xiàn)SiGe與CMOS搶占Si BiCMOS制程市場(chǎng)的局面。
逐步邁向SoC
射頻電路組件應(yīng)用在移動(dòng)電話等各式無線通信設(shè)備上，除考慮成本與性能外，更需力求其體積的微小化與采用的方便性。因此，為使所研發(fā)的產(chǎn)品更符合市場(chǎng)趨勢(shì)與需求，射頻組件制造商紛紛朝向更高整合度與集成度邁進(jìn)，藉以提供下游廠商更佳的應(yīng)用便利性。從TI、Infineon等國(guó)際芯片大廠所規(guī)劃的技術(shù)藍(lán)圖來看，2003-2004年將逐步發(fā)展成PA模塊、射頻單芯片、基頻芯片等三顆芯片或芯片模塊，至于集成射頻與基頻的SoC則到2005年以后才有可能實(shí)現(xiàn)。至于臺(tái)灣省廠商方面，自今年起威盛與聯(lián)發(fā)科相繼宣布積極投入后，也已加快國(guó)內(nèi)廠商朝向手機(jī)關(guān)鍵零組件SoC的腳步。

結(jié)語(yǔ)
綜合上述的討論，臺(tái)灣省工研院認(rèn)為，從半導(dǎo)體制程技術(shù)及其應(yīng)用在無線通信IC的歷程來看，短期內(nèi)SiGe與BiCMOS將是手機(jī)收發(fā)器的主流制程，其次，即便面臨SiGe或CMOS的挑戰(zhàn)，短期內(nèi)GaAs仍將主導(dǎo)手機(jī)的功率放大器市場(chǎng)，不過，在WLAN與Bluetooth的功率放大器將以SiGe與CMOS為主。至于CMOS雖然是未來應(yīng)用在各種系統(tǒng)產(chǎn)品中最經(jīng)濟(jì)的解決方案，但是現(xiàn)階段仍僅限于WLAN收發(fā)器與Bluetooth，而在手機(jī)IC的應(yīng)用則仍需進(jìn)一步發(fā)展。
藉由對(duì)半導(dǎo)體制程的討論可以看出，半導(dǎo)體制程的進(jìn)展不僅影響手機(jī)射頻IC的發(fā)展，也影響無線通信IC產(chǎn)業(yè)，甚至是上游的圓片制造產(chǎn)業(yè)。因此，對(duì)于臺(tái)灣省圓片制造廠商而言，在投入GaAs生產(chǎn)制造時(shí)，更應(yīng)對(duì)快速發(fā)展且日益增多的SiGe集成產(chǎn)品加以注意，以隨時(shí)做好應(yīng)變的規(guī)劃。至于IC設(shè)計(jì)公司亦應(yīng)密切掌握本地晶圓代工廠的制程技術(shù)動(dòng)向，除了可妥善利用本地的晶圓制造產(chǎn)能，以降低海外投片的成本，更可拉近與國(guó)際無線通信IC制造技術(shù)的差距?！?nbsp; (本文選自《零組件雜志》2002年9期。)