為何SOI在射頻類芯片中超受歡迎？

寄生電容?。患擅芏雀?；速度快

什么是SOI

SOI全稱為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的少上一倍。形成SOI材料的技術(shù)有以下3類：

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

SOI材料具有了體硅所無法比擬的優(yōu)點：可以實現(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；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、工藝簡單、短溝道效應小及特別適用于低壓低功耗電路等優(yōu)勢。

此外，在SOI晶圓（SOI wafer）本身襯底的阻抗值的部分也會影響到元件的表現(xiàn)，因此后來也有公司在襯底上進行阻抗值的調(diào)整，達到射頻元件（Radio frequency component、RF component）特性的提升。原本應通過交換器的電子，有些會鉆入硅中造成浪費；SOI可防止電子流失，與補強一些原本Bulk wafer中CMOS元件的缺點。

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

數(shù)十年來，電信基礎(chǔ)設施市場一直由宏和微基站驅(qū)動。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)正在選用越來越多的射頻組件。Yole Group 旗下的 Yole Intelligence 估計，電信基礎(chǔ)設施射頻市場在 2021 年價值30億美元，預計到 2025 年將達到45億美元。

SOI的三大發(fā)展方向

RF-SOI：是一種具有獨特的硅/絕緣層/硅三層結(jié)構(gòu)的硅基半導體工藝材料，它通過絕緣埋層(通常為SiO2)實現(xiàn)了器件和襯底的全介質(zhì)隔離。由于RF-SOI 能夠以**的性價比實現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗，它可以為人們帶來更快的數(shù)據(jù)速度、更長的電池壽命，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的線性度和信號完整性。

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題，實現(xiàn)功率元件使用上的穩(wěn)定性。因此，Power-SOI主要應用于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晶體管的靜電特性優(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特優(yōu)點，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)點使得它能工作在毫米波頻段的應用中。

SOI的應用領(lǐng)域

• RF-SOI 應用于射頻應用，目前已經(jīng)成為智能手機的開關(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，主要應用于汽車、工業(yè)、家電消費類等高可靠性高性能場景；

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

RF-SOI的適用范圍

采用RF SOI工藝的芯片針對各種應用，但**市場是手機中的射頻前端模塊。RF SOI芯片不是手機中唯一使用的器件。智能手機由數(shù)字芯片和射頻芯片組成，另外還包括電源管理芯片?；贑MOS的數(shù)字部分由應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，該模塊負責處理傳輸/接收功能。前端模塊由多個組件組成，包括功率放大器、天線調(diào)諧器、低噪聲放大器（LNA）、濾波器和射頻開關(guān)。LNA用于放大來自天線的小信號，而濾波器可防止任何不需要的信號進入系統(tǒng)。LNA和濾波器使用不同的工藝。

同時，開關(guān)芯片和調(diào)諧器基于RF SOI。RF開關(guān)將信號從一個組件傳送到另一個組件，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在智能手機中的應用

智能手機融合了多樣化的功能，包括無線電發(fā)射和接收、數(shù)字處理、 存儲、音頻、電池 管理、攝像和顯示等，通過前端模塊能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩電話和基站之間的射頻信號傳輸和接收。高性能開關(guān)的市場需求在2016年更加強烈。當時已經(jīng)演進出了LTE技術(shù)，出現(xiàn)了4G以及許多復雜的模塊，也出現(xiàn)了天線調(diào)諧器。RF-SOI也隨之被應用到越來越多的天線調(diào)諧器以及開關(guān)當中。對于射頻前端的開關(guān)、射頻前端控制等器件，RF-SOI是使用得最多的。

在智能手機中，射頻開關(guān)處于射頻前端的關(guān)鍵位置且必不可少，其插損、回損、隔離度、諧波抑制和功率容量等性能對射頻前端鏈路有重要影響。射頻開關(guān)的主要作用在于通過控制邏輯，實現(xiàn)對不同方向（接收或發(fā)射）、不同頻率的信號進行切換，以達到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。

發(fā)展到今天的5G時代，智能手機需要更加復雜的模塊和更高的集成度。LNA也被集成到開關(guān)當中。5G 毫米波對于高集成度有著更強烈的需求。目前，接近100%的射頻開關(guān)都是基于Connect-SOI技術(shù)開發(fā)的，即RF-SOI或FD-SOI技術(shù)；超過80%的集成低噪聲放大器都是基于RF-SOI開發(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)標準， 在大規(guī)模生產(chǎn)中被用于制造射頻前端模塊的IC ，同時滿足芯片制造商對成本與性能要求。

RF-SOI在汽車領(lǐng)域的應用

相比智能手機，現(xiàn)代汽車對于連接性的需求和依賴程度更高。目前的遠程通信不僅要使用蜂窩網(wǎng)絡，也非常依賴V2X的連接，還要使用專屬的近距離通信系統(tǒng)，包括WiFi、藍牙等。新興的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他連接系統(tǒng)正在助力移動服務范圍的進一步擴大。例如，它們通過提升車輛與道路基礎(chǔ)設施之間的無線交互來提高駕駛安全性，或是與其他車輛之間的無線交互來優(yōu)化交通條件。車載無線連接還可以輕松實現(xiàn)車內(nèi)的高質(zhì)量視頻與音頻娛樂內(nèi)容訪問，讓乘客體驗更加舒適。

RF- SOI不僅可以應用于智能手機上，許多日常生活中的設備上都能看到RF- SOI的身影。RF- SOI還用于每天使用的物聯(lián)網(wǎng)的設備上，比如說像智能耳機、手表等。而且也不僅僅適用于蜂窩通信，還包括5G、藍牙、WiFi以及超寬帶UWB。對于5G毫米波，當前也面臨著提高集成度等相似的挑戰(zhàn)。對于毫米波，客戶可以根據(jù)最終應用選擇不同的射頻前端架構(gòu)。一些客戶可能會優(yōu)先考慮非常高性能的射頻前端，而其他客戶可能會犧牲部分性能以獲得更高的集成度和更小的芯片尺寸。對于**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。這最終取決于客戶的應用以及他們的競爭策略。

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Tower RF-SOI平臺

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

Tower Semiconductor 的RF SOI平臺擁有低Ron-Coff（導通電阻-關(guān)斷電容）、高度線性、功能豐富的平臺，可實現(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?；诮?jīng)硅驗證的精確模型和設計庫，以及世界一流的設計支持，以及豐富的大規(guī)模量產(chǎn)經(jīng)驗，為客戶提供完美的射頻解決方案。此類工藝非常適合例如蜂窩式交換機等需要隔離的產(chǎn)品，可實現(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，高線性以及通過厚銅層或鋁層實現(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。襯底選項包括具備**Ron-Coff性能的“薄膜”工藝和類似有源MOSFET基極行為的“厚膜”工藝，無浮體效應。該平臺由我們的MPW計劃支持，用于快速項目開發(fā)。

RF-SOI平臺特色

• 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

• 高利用率標準單元庫

• 用于減少開關(guān)堆棧

• 高精度RF器件模型和快速寄生參數(shù)提取

• 先進的襯底模型

RF-SOI所服務的市場領(lǐng)域

ower Semiconductor

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

Tower Semiconductor 的客戶遍及汽車、醫(yī)療、工業(yè)、消費、航空航天和國防等領(lǐng)域。過去幾年中，Tower Semiconductor 在推動客戶成功的同時，實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄業(yè)績增長。我們將繼續(xù)追求卓越的技術(shù)與品質(zhì)，保持強勁的增長前景。