SOI技术引领的芯片浪潮:探究其在国内市场中的影响与发展趋势
0 2023-11-27

什么是SOI


SOI全称为Silicon-On-Insulator,即绝缘衬底上的硅,该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。原理就是在硅晶体管之间,加入绝缘体物质,可使两者之间的寄生电容比原来的少上一倍。形成SOI材料的技术有以下3类:

  1. 注入氧分离技术(Separation by Implanted Oxygen,SIMOX)
  2. 键合减薄技术(Bond and Etch-back SOI,BESOI)
  3. 智能剥离技术(Smart-Cut)


SOI的优势


SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点:可以实现集成电路中元器件的介质隔离,彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应;采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势。

此外,在SOI晶圆(SOI wafer)本身衬底的阻抗值的部分也会影响到元件的表现,因此后来也有公司在衬底上进行阻抗值的调整,达到射频元件(Radio frequency component、RF component)特性的提升。原本应通过交换器的电子,有些会钻入硅中造成浪费;SOI可防止电子流失,与补强一些原本Bulk wafer中CMOS元件的缺点。
RF SOI是一种具有独特的硅/绝缘层/硅三层结构的硅基半导体工艺材料,它通过绝缘埋层(通常为SiO2)实现了器件和衬底的全介质隔离。由于RF-SOI 能够以最优的性价比实现更高的线性度和更低的插入损耗,它可以为人们带来更快的数据速度、更长的电池寿命,和频率更稳定、流畅的通信质量。
数十年来,电信基础设施市场一直由宏和微基站驱动。如今,借助 5G 大规模 MIMO 有源天线系统,射频 (RF) 组件行业正在选用越来越多的射频组件。Yole Group 旗下的 Yole Intelligence 估计,电信基础设施射频市场在 2021 年价值30亿美元,预计到 2025 年将达到45亿美元。

SOI的三大发展方向


RF-SOI:是一种具有独特的硅/绝缘层/硅三层结构的硅基半导体工艺材料,它通过绝缘埋层(通常为SiO2)实现了器件和衬底的全介质隔离。由于RF-SOI 能够以最优的性价比实现更高的线性度和更低的插入损耗,它可以为人们带来更快的数据速度、更长的电池寿命,和频率更稳定、流畅的通信质量。RF-SOI能够保证非常高的信号的线性度和信号完整性。


Power-SOI:主要构造为单晶顶层硅片(mono-crystal top material),中间氧化埋层(buried oxide)及底层的硅基底(silicon base)。由于Power-SOI晶圆加厚Buried Oxide结构,能够有效克服高电压可能穿透元件的问题,实现功率元件使用上的稳定性。因此,Power-SOI主要应用于BCD(BIPOLAR-CMOS-DMOS)功率集成电路制造技术中的高压元件集成。


FD-SOI:(全耗尽型绝缘体上硅)是一种平面工艺技术,从结构上看, FD-SOI晶体管的静电特性优于传统体硅技术。埋氧层可以降低源极和漏极之间的寄生电容,还能有效地抑制电子从源极流向漏极,从而大幅降低导致性能下降的漏电流。此外,FD-SOI还具有许多其他方面的独特优点,包括具有背面偏置能力,极好的晶体管匹配特性,可使用接近阈值的低电源电压,对辐射具有超低的敏感性,以及具有非常高的晶体管本征工作速度等,这些优点使得它能工作在毫米波频段的应用中。


SOI的应用领域


  • RF-SOI 应用于射频应用,目前已经成为智能手机的开关和天线调谐器的最佳解决方案;
  • POWER-SOI 用于智能功率转换电路,主要应用于汽车、工业、家电消费类等高可靠性高性能场景;
  • FD-SOI 具有减少硅几何尺寸同时简化制造工艺的优点,主要应用在智能手机、物联网、5G、汽车 等对于高可靠性、高集成度、低功耗、低成本的应用领域;光学 SOI 应用于数据中心、云 计算等光通信领域。

RF-SOI的适用范围


采用RF SOI工艺的芯片针对各种应用,但最大市场是手机中的射频前端模块。RF SOI芯片不是手机中唯一使用的器件。智能手机由数字芯片和射频芯片组成,另外还包括电源管理芯片。基于CMOS的数字部分由应用处理器和其他器件组成。

射频组件集成在射频前端模块中,该模块负责处理传输/接收功能。前端模块由多个组件组成,包括功率放大器、天线调谐器、低噪声放大器(LNA)、滤波器和射频开关。LNA用于放大来自天线的小信号,而滤波器可防止任何不需要的信号进入系统。LNA和滤波器使用不同的工艺。
同时,开关芯片和调谐器基于RF SOI。RF开关将信号从一个组件传送到另一个组件,调谐器可帮助天线调整到任何频段。

RF Front End Module

4G Phone FEM Example

随着时间的推移,5G也将工作在毫米波波段。这涉及到30 GHz~300 GHz之间的频段。RF架构需要修改,以覆盖其中一个频段。为此,RF收发器将把IF或中频收发器和下变频器与一个基于CMOS的毫米波RF前端模块结合在一起。


GF毫米波5G波束形成系统


RF-SOI在智能手机中的应用


智能手机融合了多样化的功能,包括无线电发射和接收、数字处理、 存储、音频、电池 管理、摄像和显示等,通过前端模块能够实现蜂窝电话和基站之间的射频信号传输和接收。高性能开关的市场需求在2016年更加强烈。当时已经演进出了LTE技术,出现了4G以及许多复杂的模块,也出现了天线调谐器。RF-SOI也随之被应用到越来越多的天线调谐器以及开关当中。对于射频前端的开关、射频前端控制等器件,RF-SOI是使用得最多的。


在智能手机中,射频开关处于射频前端的关键位置且必不可少,其插损、回损、隔离度、谐波抑制和功率容量等性能对射频前端链路有重要影响。射频开关的主要作用在于通过控制逻辑,实现对不同方向(接收或发射)、不同频率的信号进行切换,以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。
发展到今天的5G时代,智能手机需要更加复杂的模块和更高的集成度。LNA也被集成到开关当中。5G 毫米波对于高集成度有着更强烈的需求。目前,接近100%的射频开关都是基于Connect-SOI技术开发的,即RF-SOI或FD-SOI技术;超过80%的集成低噪声放大器都是基于RF-SOI开发的,接近100%的天线调谐器是在用Soitec的SOI技术。据介绍,Soitec 的RF-SOI 产品已经成为行业标准, 在大规模生产中被用于制造射频前端模块的IC ,同时满足芯片制造商对成本与性能要求。

RF-SOI在汽车领域的应用


相比智能手机,现代汽车对于连接性的需求和依赖程度更高。目前的远程通信不仅要使用蜂窝网络,也非常依赖V2X的连接,还要使用专属的近距离通信系统,包括WiFi、蓝牙等。新兴的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他连接系统正在助力移动服务范围的进一步扩大。例如,它们通过提升车辆与道路基础设施之间的无线交互来提高驾驶安全性,或是与其他车辆之间的无线交互来优化交通条件。车载无线连接还可以轻松实现车内的高质量视频与音频娱乐内容访问,让乘客体验更加舒适。
RF- SOI不仅可以应用于智能手机上,许多日常生活中的设备上都能看到RF- SOI的身影。RF- SOI还用于每天使用的物联网的设备上,比如说像智能耳机、手表等。而且也不仅仅适用于蜂窝通信,还包括5G、蓝牙、WiFi以及超宽带UWB。对于5G毫米波,当前也面临着提高集成度等相似的挑战。对于毫米波,客户可以根据最终应用选择不同的射频前端架构。一些客户可能会优先考虑非常高性能的射频前端,而其他客户可能会牺牲部分性能以获得更高的集成度和更小的芯片尺寸。对于第一种情况,可以在 RF-SOI 中集成完整的高性能射频前端(PA + LNA + 开关 + 移相器 + 支持功能);而在第二种情况下,可以选择将部分频率转换与 RFFE 集成到 FD-SOI 技术中。这最终取决于客户的应用以及他们的竞争策略。

Tower RF-SOI平台


Tower Semiconductor的RF-SOI和RF-CMOS技术解决方案可为消费、基础设施和汽车应用提供高速、低噪音及低功耗的产品。
Tower Semiconductor 的RF SOI平台拥有低Ron-Coff(导通电阻-关断电容)、高度线性、功能丰富的平台,可实现最高性能的4G/LTE和5G前端模块(FEM)产品。Tower Semiconductor的RF-SOI工艺系列结合了3-7金属层CMOS工艺以及1.2V、1.8V、2.5V和5V晶体管选项。基于经硅验证的精确模型和设计库,以及世界一流的设计支持,以及丰富的大规模量产经验,为客户提供完美的射频解决方案。此类工艺非常适合例如蜂窝式交换机等需要隔离的产品,可实现优于>-40dB的出色信道隔离度、低于0.35 dB的插入损耗,在蜂窝功率水平下优于110dBc的低谐波,以及低于-117 dBm的互调失真。低噪声放大器还可以与特定的低噪声、高增益器件,高线性以及通过厚铜层或铝层实现的低损耗电感集成在一起。除有源器件外,工艺选择还包括硅化及非硅化多晶电阻、RF金属-绝缘体-金属(MIM)电容、金属边际电容(MFC)、可缩放几何电感、固定几何电感、固定几何巴伦(平衡-不平衡变换器),和变压器。衬底选项包括具备最佳Ron-Coff性能的“薄膜”工艺和类似有源MOSFET基极行为的“厚膜”工艺,无浮体效应。该平台由我们的MPW计划支持,用于快速项目开发。

RF-SOI平台特色

  • 提供高阻SOI基板的200mm和300mm工艺技术

  • Sub-60fs Ron-Coff 2.5V NMOS

  • 用于LNA集成的专用器件

  • 高密度(4IF/μm2)和高压(> 25V)MIM电容;高线性度金属边际电容

  • 低值和高值电阻器、RF变容管、高Q电感

  • 高阻抗、高线性SOl衬底

  • BSIM4 SOI PSP、HiSIM SOI模型

  • 铝或铜低RC金属化工艺

  • 支持1.2、1.8V、2.5、3.3或5V MOSFETS

  • 高利用率标准单元库

  • 用于减少开关堆栈

  • 高精度RF器件模型和快速寄生参数提取

  • 先进的衬底模型

RF-SOI所服务的市场领域

手机

平板电脑

笔记本电脑

可穿戴设备

物联网设备


图源Tower Semiconductor公众号

Tower Semiconductor


Tower Semiconductor Ltd. (NASDAQ: TSEM, TASE: TSEM),全球特种工艺晶圆代工的领导者, 同旗下Jazz Semiconductor, Inc. 和 TowerJazz Texas Inc.以及TowerJazz Panasonic Semiconductor Co. 合作经营品牌Tower Semiconductor 。

Tower Semiconductor 的客户遍及汽车、医疗、工业、消费、航空航天和国防等领域。过去几年中,Tower Semiconductor 在推动客户成功的同时,实现了创纪录业绩增长。我们将继续追求卓越的技术与品质,保持强劲的增长前景。

RF与HPA

电源管理

混合信号/CMOS

CMOS图像传感器

汽车电子

MEMS



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