无线通信IC制程技术发展探微

　　半导体的应用可分为计算机、通信、消费类电子、工业、汽车、以及军事等市场，根据半导体产业协会与研究机构IC Insight等单位的统计，自2001年以后，计算机在半导体应用产品市场的占有率开始滑落至50%以下，反观通信与消费类电子产品的占有率则逐年上升，成为带动半导体产业持续成长的重要产品(见图1)。其中，在通信市场中，年产量高达四亿部左右的手机市场更是目前各大半导体厂商关注的重点，例如：全球两大晶圆代工厂台积电与联电在2002年的技术论坛中，竞相宣布适用于无线通信IC的新制程技术蓝图更可看出，无线通信IC已成为半导体产业未来发展的重要支柱。 
    
　　一般来说，整个无线通信IC依功能可以分成三部分：首先为负责接收/发送射频信号的射频IC(Radio Frequency IC)，此部分属于射频前端，为纯粹的模拟电路设计；其次为负责二次升/降频与调制/解调功能的中频电路(IF IC)，以及与锁相回路(PLL)、频率合成器(Synthesizer)等组件，目前此段多属于模拟/数字的混和模式(mixed mode)的电路；最后则是负责A/D、D/A、信号处理器及CPU等纯数字部分的基频IC(Baseband IC)。 
    
　　由于基频部分以处理数字信号为主，且其内部组件多为主动组件、线路分布极为密集，故向来以微细化与高集成度的纯硅CMOS制程为主。而在射/中频部分，由于无线通信对于射频IC的规格要求相当严格，且高频晶体管的功能不同，其线路设计理念也不尽相同，因此，如何选择不同的材料与制程，以使无线通信用集成电路的线路功能与价格达到平衡或是最佳化，往往是无线通信用集成电路制造最重要的课题。故本文将以无线通信射频IC的制程技术为探讨重点，藉以说明半导体制程技术在无线通信射频IC领域的发展重点与趋势。 

　　无线通信半导体材料与制程概述 
    
　　半导体材料可分为由单一元素构成的元素半导体与两种以上元素化合物所构成的化合物半导体两类。前者如硅(Silicon)、锗(Germanium)等所形成的半导体，后者如砷化镓(Gallium Arsenide，GaAs)、磷化铟(Indium Phospide，InP)等化合物形成的半导体。在过去以个人计算机为应用主轴的时期，全球半导体产业皆以硅材料为发展重心。由于硅元素先天上的物理限制，传统的互补金属氧化半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)制程无法胜任处理1GHz以上的高频信号，使得近两三年在通讯应用半导体的需求急增后，特别是对于高工作频率、高放大率与低噪声等条件要求极为严格的无线通信IC而言，特殊半导体材料与制程的需求便格外受到重视(见图2)。

　　在业界不断努力研发之下，目前已开发出可应用在无线通信IC的制程有：硅双极互补金属氧化半导体(Si Bipolar CMOS)、硅锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)、以及其它仍在积极开发磷化铟或E-mode pHEMT等不同的制程。以下便再针对这几种半导体材料与制程提出进一步的说明.

　　硅组件 

　　Si BiCMOS为主流 
    
　　以硅为基材的集成电路共有Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)、Si CMOS、与结合Bipolar与CMOS特性的Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等类。由于硅是当前半导体产业应用最为成熟的材料，因此，不论在产量或价格方面都极具优势。传统上以硅来制作的晶体管多采用BJT或CMOS，不过，由于硅材料没有半绝缘基板，再加上组件本身的增益较低，若要应用在高频段操作的无线通信IC制造，则需进一步提升其高频电性，除了要改善材料结构来提高组件的fT，还必须藉助沟槽隔离等制程以提高电路间的隔离度与Q值，如此一来，其制程将会更为复杂，且不良率与成本也将大幅提高。

　　因此，目前多以具有低噪声、电子移动速度快、且集成度高的Si BiCMOS制程为主。而主要的应用则以中频模块或低层的射频模块为主，至于对于低噪声放大器、功率放大器与开关器等射频前端组件的制造仍力有未逮。 

　　SiGe制程崭露头角 
    
　　1980年代IBM为改进Si材料而加入Ge，以便增加电子流的速度，减少耗能及改进功能，却意外成功的结合了Si与Ge。而自98年IBM宣布SiGe迈入量产化阶段后，近两、三年来，SiGe已成了最被重视的无线通信IC制程技术之一。 
     
　　依材料特性来看，SiGe高频特性良好，材料安全性佳，导热性好，而且制程成熟、整合度高，具成本较低之优势，换言之，SiGe不但可以直接利用半导体现有200mm晶圆制程，达到高集成度，据以创造经济规模，还有媲美GaAs的高速特性。随着近来IDM大厂的投入，SiGe 技术已逐步在截止频率(fT)与击穿电压(Breakdown voltage)过低等问题获得改善而日趋实用。目前，这项由IBM所开发出来的制程技术已整合了高效能的SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)3.3V及0.5μm的CMOS技术，可以利用主动或被动组件，从事模拟、RF及混合信号方面的配置应用。
    
　　对于无线通信射频IC应用而言，SiGe技术具有良好的线性度、低噪声、快速等特性，可适用于手机射频前端如LNA、Mixer等。因此，随着SiGe制程技术的性能日趋完善，再加上集成度高，使得全球射频芯片大厂与晶圆代工厂商皆已陆续投入此一技术的发展。

　　RF CMOS蓄势待发 
    
　　尽管纯硅的CMOS制程被认为仅适用于数字功能需求较多的设计，而不适用于以模拟电路为主的射频IC设计，不过历经十几年的努力后，随着CMOS性能的提升、晶圆代工厂在0.25mm以下制程技术的配合、以及无线通信芯片整合趋势的引领下，RF CMOS制程不仅是学界研究的热门课题，也引起了业界的关注。采用RF CMOS制程最大的好处，当然是可以将射频、基频与存储器等组件合而为一的高整合度，并同时降低组件成本。但是症结点仍在于RF CMOS是否能解决高噪声、低绝缘度与Q值、与降低改善性能所增加制程成本等问题，才能满足无线通信射频电路严格的要求。
     
　　目前已采用RF CMOS制作射频IC的产品多以对射频规格要求较为宽松的Bluetooth与WLAN射频IC，例如CSR、Oki、Broadcom等Bluetooth芯片厂商皆已推出使用CMOS制造的Bluetooth传送器；而Atheros、Envara等WLAN芯片厂商也在最近推出全CMOS制程的多模WLAN(.11b/g/a)射频芯片组。不过，由于手机用射频IC规格非常严格，到目前为止，除了Silicon Labs以数字技术来强化低中频至基频滤波器及数字频道选择滤波器功能，以降低CMOS噪声过高的问题所生产的Aero 低中频 GSM/GPRS芯片组外，很少厂商以此技术制造手机射频IC。再者，由于手机制造商对其可靠度的疑虑仍深，故除了韩国三星电子采用Silicon Labs的Aero射频芯片组外，几乎未曾听闻手机制造厂采用CMOS生产的RF芯片。由此观之，RF CMOS欲在手机射频IC制程中抢占一席之地仍有许多亟待克服的障碍。

　　化合物半导体：GaAs 
    
　　除了硅制程的芯片之外，以砷化镓制程所生产的芯片亦早就被大量运用在卫星通信、军事武器等国防工业上，只是其应用范围狭隘，且产业结构较为封闭，以致于市场开拓不易。不过，随着近年来无线通信的发展，砷化镓制造的IC逐渐广为应用在无线通信功率放大组件的制造。 
    
　　依材料特性来看，砷化镓为化合物半导体，由于电子移动率约为硅的5.7倍，且高频使用消耗功率低，故多用于制作功率放大器组件。一般来说，砷化镓在无线通信射频前端的应用具有高工作频率、低噪声、工作温度适用范围高、以及能源利用率佳等几种优点。
在组件种类方面，依晶体管制程结构可分为：金属半导体场效应晶体管(Metal Semiconductor Field Effect Transistor，MESFET)、假晶高电子迁移率晶体管(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor，pHEMT)、异质结双极晶体管(Heterostructure Bipolar Transistor，HBT)等三类。其中HBT虽然是三者中最新开发的技术，但其结构上的优势，使信道上的电子流呈垂直方向，可以产生较高的功率密度，且仅需单一电压，在同样的输出功率下，HBT的线性效果优于其它晶体管结构，正适合目前讲求轻薄短小、待机时间长的移动电话。 
    
　　综合上述各种应用于无线通信IC制造的半导体材料与制程技术，由于GaAs等制程拥有高工作频率、低噪声等优点，因此在未来两三年内仍是高速模拟电路，特别是功率放大器的主流制程技术。不过GaAs也存在着成本昂贵，且无法和硅芯片集成的缺点。 
    
　　至于在硅制程方面，随着SiGe制程的崛起，与RF CMOS逐步朝向实用化阶段迈进，将影响Si BiCMOS制程目前在射频IC的主流地位，尤其是SiGe制程技术将会日益受到重视。过去在发展初期，SiGe由于截止频率(Cutoff frequency：fT)，及其相对的崩溃电压过低，使得SiGe难以应用在射频功率放大器上，相较之下GaAs不但具有高fT，而且其崩溃电压也远高于SiGe或Si制程，因此在功率放大器(PA)的应用上有极大的优势。但经过短短几年的改进，目前的SiGe HBT技术不仅已被Infineon、RF MD、Conexant等无线通信IC大厂广为应用在手机射频前端如LNA、Mixer等组件，也已发挥其制程集成能力完成集成RF/IF功能的Transceiver产品，更进一步挑战GaAs在PA产品的优势。
     
　　除了上述的制程外，其它逐步应用在无线通信高频组件的基材还有磷化铟(InP)或GaAs on Si等制程。前者较砷化镓更适于高频应用，效率更高，组件更小，被认为未来有可能会取代砷化镓，只是目前价格昂贵；后者主要由Motorola发展，于2001年9月宣布成功用于商业用途，可将GaAs的功率放大器(PA)与Si为主的基频模块结合在一起以降低成本，依据Motorola的构想，砷化镓与硅结合实用化后，最初将先运用在输出功率小于10W的WLAN和手机等消费类产品上。不过砷化镓与硅结合，需要额外的加工工程，制程程序增加，良率会降低，因此其成本与商业化进程等问题仍有待考验。 

　　无线通信IC整合趋势 
  
　　个别组件的制程技术发展 
    
　　以手机射频IC中最主要的两大组件收发器与PA制程为例：在收发器的制程部分，虽然目前BiCMOS制程仍为市场主力，但近来厂商也积极发展RF CMOS与SiGe BiCMOS等制程技术。根据Strategy Unlimited的估计，到2004年BiCMOS制程的收发器芯片的市场占有率将逐步下滑到仅占全球66％，而SiGe制程的收发器芯片则可成长至21％的市场占有率，RF CMOS制程的收发器亦可望占有13％的市场。随着越来越多厂商推出SiGe制程的收发器，再加上代工厂也陆续切入SiGe制程的代工，未来两、三年内手机收发器的制程将以Si BiCMOS 与SiGe BiCMOS制程为主流。
      
　　在手机的PA部分，由于GaAs材料特性的优势，故仍将主导手机PA制程市场，至于SiGe则在不断改善制程技术后，将有机会侵蚀过去GaAs独占的PA市场。Strategy Unlimited便预估，到2004年全球GaAs制程的PA芯片市场占有率将下滑到仅占68％，而CMOS与SiGe制程的PA芯片则将分别成长至13％与18%的市场占有率(见图4)。不过，若以目前发展看来，推出SiGe制程PA的厂商仍属少数，再加上认证与设计的时间，到2004年SiGe PA仍不易有高成长，未来三年手机PA的制程未来仍将以GaAs制程为发展主流。
      
　　就未来发展高集成度(integration level) RF IC芯片组而言，由于Si-CMOS、SiGe电路的重复性与一致性较GaAs制程高，且单位面积的电路密度高，就电路的集成度、易产性及成本，目前商用RF IC以CMOS、SiGe制程具备较佳的竞争力。若从个别组件的发展来看，SiGe制程将成为PA与Switch等射频前端组件在GaAs制程外的另一种选择；而收发器与LNA等组件则将出现SiGe与CMOS抢占Si BiCMOS制程市场的局面。
逐步迈向SoC 
    
　　射频电路组件应用在移动电话等各式无线通信设备上，除考虑成本与性能外，更需力求其体积的微小化与采用的方便性。因此，为使所研发的产品更符合市场趋势与需求，射频组件制造商纷纷朝向更高整合度与集成度迈进，藉以提供下游厂商更佳的应用便利性。从TI、Infineon等国际芯片大厂所规划的技术蓝图来看，2003-2004年将逐步发展成PA模块、射频单芯片、基频芯片等三颗芯片或芯片模块，至于集成射频与基频的SoC则到2005年以后才有可能实现。至于台湾省厂商方面，自今年起威盛与联发科相继宣布积极投入后，也已加快国内厂商朝向手机关键零组件SoC的脚步。 

　　结语 
    
　　综合上述的讨论，台湾省工研院认为，从半导体制程技术及其应用在无线通信IC的历程来看，短期内SiGe与BiCMOS将是手机收发器的主流制程，其次，即便面临SiGe或CMOS的挑战，短期内GaAs仍将主导手机的功率放大器市场，不过，在WLAN与Bluetooth的功率放大器将以SiGe与CMOS为主。至于CMOS虽然是未来应用在各种系统产品中最经济的解决方案，但是现阶段仍仅限于WLAN收发器与Bluetooth，而在手机IC的应用则仍需进一步发展。
    
　　藉由对半导体制程的讨论可以看出，半导体制程的进展不仅影响手机射频IC的发展，也影响无线通信IC产业，甚至是上游的圆片制造产业。因此，对于台湾省圆片制造厂商而言，在投入GaAs生产制造时，更应对快速发展且日益增多的SiGe集成产品加以注意，以随时做好应变的规划。至于IC设计公司亦应密切掌握本地晶圆代工厂的制程技术动向，除了可妥善利用本地的晶圆制造产能，以降低海外投片的成本，更可拉近与国际无线通信IC制造技术的差距。