無線通信IC制程技術(shù)發(fā)展探微

前言
半導(dǎo)體的應(yīng)用可分為計算機、通信、消費類電子、工業(yè)、汽車、以及軍事等市場，根據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會與研究機構(gòu)IC Insight等單位的統(tǒng)計，自2001年以后，計算機在半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)品市場的占有率開始滑落至50%以下，反觀通信與消費類電子產(chǎn)品的占有率則逐年上升，成為帶動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)成長的重要產(chǎn)品(見圖1)。其中，在通信市場中，年產(chǎn)量高達四億部左右的手機市場更是目前各大半導(dǎo)體廠商關(guān)注的重點，例如：全球兩大晶圓代工廠臺積電與聯(lián)電在2002年的技術(shù)論壇中，競相宣布適用于無線通信IC的新制程技術(shù)藍圖更可看出，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)送射頻信號的射頻IC(Radio Frequency IC)，此部分屬于射頻前端，為純粹的設(shè)計；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)、(Synthesizer)等組件，目前此段多屬于模擬/數(shù)字的混和模式( mode)的電路；最后則是負(fù)責(zé)A/D、D/A、信號處理器及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)字信號為主，且其內(nèi)部組件多為主動組件、線路分布極為密集，故向來以微細化與高集成度的純硅制程為主。而在射/中頻部分，由于無線通信對于射頻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格達到平衡或是最佳化，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，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)展重點與趨勢。

無線通信與制程概述
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()、鍺(Germanium)等所形成的半導(dǎo)體，后者如砷化鎵(Gallium Arsenide，)、磷化銦(Indium Phospide，InP)等化合物形成的半導(dǎo)體。在過去以個人計算機為應(yīng)用主軸的時期，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)的互補金屬氧化半導(dǎo)體(Complementary Oxide ，)制程無法勝任處理1GHz以上的高頻信號，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：硅雙極互補金屬氧化半導(dǎo)體(Si Bipolar )、硅鍺(SiGe)、砷化鎵()、以及其它仍在積極開發(fā)磷化銦或E-mode 等不同的制程。以下便再針對這幾種半導(dǎo)體材料與制程提出進一步的說明.

硅組件
● Si 為主流
以硅為基材的集成電路共有Si BJT(Si-Bipolar Junction )、Si CMOS、與結(jié)合Bipolar與CMOS特性的Si (Si Bipolar Complementary Oxide )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)量或價格方面都極具優(yōu)勢。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、電子移動速度快、且集成度高的Si 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，至于對于低噪聲、功率與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Si材料而加入Ge，以便增加電子流的速度，減少耗能及改進功能，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，換言之，SiGe不但可以直接利用半導(dǎo)體現(xiàn)有晶圓制程，達到高集成度，據(jù)以創(chuàng)造經(jīng)濟規(guī)模，還有媲美的高速特性。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 )過低等問題獲得改善而日趨實用。目前，這項由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 )3.3V及0.5μm的CMOS技術(shù)，可以利用主動或被動組件，從事模擬、RF及混合信號方面的配置應(yīng)用。

對于無線通信射頻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，可適用于手機射頻前端如LNA、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，而不適用于以為主的射頻IC設(shè)計，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.以下制程技術(shù)的配合、以及無線通信芯片整合趨勢的引領(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、基頻與存儲器等組件合而為一的高整合度，并同時降低組件成本。但是癥結(jié)點仍在于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)品多以對射頻規(guī)格要求較為寬松的與射頻IC，例如CSR、Oki、等芯片廠商皆已推出使用CMOS制造的傳送器；而Atheros、Envara等芯片廠商也在最近推出全CMOS制程的多模(.11b/g/a)射頻芯片組。不過，由于手機用射頻IC規(guī)格非常嚴(yán)格，到目前為止，除了 以數(shù)字技術(shù)來強化低中頻至基頻及數(shù)字頻道選擇功能，以降低CMOS噪聲過高的問題所生產(chǎn)的 低中頻 GSM/芯片組外，很少廠商以此技術(shù)制造手機射頻IC。再者，由于手機制造商對其可靠度的疑慮仍深，故除了韓國三星電子采用 的射頻芯片組外，幾乎未曾聽聞手機制造廠采用CMOS生產(chǎn)的RF芯片。由此觀之，RF CMOS欲在手機射頻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用在衛(wèi)星通信、軍事武器等國防工業(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。

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)體場效應(yīng)晶體管( Field Effect ，)、假晶高電子遷移率晶體管(Pseudomorphic Electron Transistor，)、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，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、待機時間長的移動電話。

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，因此在未來兩三年內(nèi)仍是高速，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。

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，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。但經(jīng)過短短幾年的改進，目前的SiGe HBT技術(shù)不僅已被、RF MD、等無線通信IC大廠廣為應(yīng)用在手機射頻前端如LNA、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，更進一步挑戰(zhàn)GaAs在PA產(chǎn)品的優(yōu)勢。

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)為未來有可能會取代砷化鎵，只是目前價格昂貴；后者主要由發(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)的構(gòu)想，砷化鎵與硅結(jié)合實用化后，最初將先運用在輸出功率小于10W的WLAN和手機等消費類產(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，良率會降低，因此其成本與商業(yè)化進程等問題仍有待考驗。

無線通信IC整合趨勢
個別組件的制程技術(shù)發(fā)展
以手機射頻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，到2004年BiCMOS制程的收發(fā)器芯片的市場占有率將逐步下滑到僅占全球66％，而SiGe制程的收發(fā)器芯片則可成長至21％的市場占有率，RF CMOS制程的收發(fā)器亦可望占有13％的市場。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)手機收發(fā)器的制程將以Si BiCMOS 與SiGe BiCMOS制程為主流。

在手機的PA部分，由于GaAs材料特性的優(yōu)勢，故仍將主導(dǎo)手機PA制程市場，至于SiGe則在不斷改善制程技術(shù)后，將有機會侵蝕過去GaAs獨占的PA市場。Strategy Unlimited便預(yù)估，到2004年全球GaAs制程的PA芯片市場占有率將下滑到僅占68％，而CMOS與SiGe制程的PA芯片則將分別成長至13％與18%的市場占有率(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)計的時間，到2004年SiGe PA仍不易有高成長，未來三年手機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 ) 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制程具備較佳的競爭力。若從個別組件的發(fā)展來看，SiGe制程將成為PA與等射頻前端組件在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制程市場的局面。

逐步邁向SoC
射頻電路組件應(yīng)用在移動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，藉以提供下游廠商更佳的應(yīng)用便利性。從TI、等國際芯片大廠所規(guī)劃的技術(shù)藍圖來看，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年以后才有可能實現(xiàn)。至于臺灣省廠商方面，自今年起威盛與聯(lián)發(fā)科相繼宣布積極投入后，也已加快國內(nèi)廠商朝向手機關(guān)鍵零組件SoC的腳步。

結(jié)語
上述的討論，臺灣省工研院認(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)手機的功率放大器市場，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)濟的，但是現(xiàn)階段仍僅限于WLAN收發(fā)器與Bluetooth，而在手機IC的應(yīng)用則仍需進一步發(fā)展。

藉由對半導(dǎo)體制程的討論可以看出，半導(dǎo)體制程的進展不僅影響手機射頻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，對于臺灣省圓片制造廠商而言，在投入GaAs生產(chǎn)制造時，更應(yīng)對快速發(fā)展且日益增多的SiGe集成產(chǎn)品加以注意，以隨時做好應(yīng)變的規(guī)劃。至于IC設(shè)計公司亦應(yīng)密切掌握本地晶圓代工廠的制程技術(shù)動向，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，更可拉近與國際無線通信IC制造技術(shù)的差距。