無(wú)線(xiàn)通信IC制程技術(shù)發(fā)展探微

無(wú)線(xiàn)通信IC制程技術(shù)發(fā)展探微
臺灣省工研院經(jīng)貿中心產(chǎn)業(yè)分析師 王英格

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

圖2 無(wú)線(xiàn)通信IC制程技術(shù)發(fā)展歷程

圖3 預估2004年移動(dòng)電話(huà)收發(fā)器市占率

圖4 預估2004年移動(dòng)電話(huà)功率放大器市占率（依制程區分）
前言
半導體的應用可分為計算機、通信、消費類(lèi)電子、工業(yè)、汽車(chē)、以及軍事等市場(chǎng)，根據半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )與研究機構IC Insight等單位的統計，自2001年以后，計算機在半導體應用產(chǎn)品市場(chǎng)的占有率開(kāi)始滑落至50%以下，反觀(guān)通信與消費類(lèi)電子產(chǎn)品的占有率則逐年上升，成為帶動(dòng)半導體產(chǎn)業(yè)持續成長(cháng)的重要產(chǎn)品(見(jiàn)圖1)。其中，在通信市場(chǎng)中，年產(chǎn)量高達四億部左右的手機市場(chǎng)更是目前各大半導體廠(chǎng)商關(guān)注的重點(diǎn)，例如：全球兩大晶圓代工廠(chǎng)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(wú)線(xiàn)通信IC的新制程技術(shù)藍圖更可看出，無(wú)線(xiàn)通信IC已成為半導體產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要支柱。
一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信IC依功能可以分成三部分：首先為負責接收/發(fā)送射頻信號的射頻IC(Radio Frequency IC)，此部分屬于射頻前端，為純粹的模擬電路設計；其次為負責二次升/降頻與調制/解調功能的中頻電路(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/數字的混和模式(mixed mode)的電路；最后則是負責A/D、D/A、信號處理器及CPU等純數字部分的基頻IC(Baseband IC)。
由于基頻部分以處理數字信號為主，且其內部組件多為主動(dòng)組件、線(xiàn)路分布極為密集，故向來(lái)以微細化與高集成度的純硅CMOS制程為主。而在射/中頻部分，由于無(wú)線(xiàn)通信對于射頻IC的規格要求相當嚴格，且高頻晶體管的功能不同，其線(xiàn)路設計理念也不盡相同，因此，如何選擇不同的材料與制程，以使無(wú)線(xiàn)通信用集成電路的線(xiàn)路功能與價(jià)格達到平衡或是最佳化，往往是無(wú)線(xiàn)通信用集成電路制造最重要的課題。故本文將以無(wú)線(xiàn)通信射頻IC的制程技術(shù)為探討重點(diǎn)，藉以說(shuō)明半導體制程技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信射頻IC領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)與趨勢。

無(wú)線(xiàn)通信半導體材料與制程概述
半導體材料可分為由單一元素構成的元素半導體與兩種以上元素化合物所構成的化合物半導體兩類(lèi)。前者如硅(Silicon)、鍺(Germanium)等所形成的半導體，后者如砷化鎵(Gallium Arsenide，GaAs)、磷化銦(Indium Phospide，InP)等化合物形成的半導體。在過(guò)去以個(gè)人計算機為應用主軸的時(shí)期，全球半導體產(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，傳統的互補金屬氧化半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)制程無(wú)法勝任處理1GHz以上的高頻信號，使得近兩三年在通訊應用半導體的需求急增后，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格的無(wú)線(xiàn)通信IC而言，特殊半導體材料與制程的需求便格外受到重視(見(jiàn)圖2)。在業(yè)界不斷努力研發(fā)之下，目前已開(kāi)發(fā)出可應用在無(wú)線(xiàn)通信IC的制程有：硅雙極互補金屬氧化半導體(Si Bipolar CMOS)、硅鍺(SiGe)、砷化鎵(GaAs)、以及其它仍在積極開(kāi)發(fā)磷化銦或E-mode pHEMT等不同的制程。以下便再針對這幾種半導體材料與制程提出進(jìn)一步的說(shuō)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、與結合Bipolar與CMOS特性的Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等類(lèi)。由于硅是當前半導體產(chǎn)業(yè)應用最為成熟的材料，因此，不論在產(chǎn)量或價(jià)格方面都極具優(yōu)勢。傳統上以硅來(lái)制作的晶體管多采用BJT或CMOS，不過(guò)，由于硅材料沒(méi)有半絕緣基板，再加上組件本身的增益較低，若要應用在高頻段操作的無(wú)線(xiàn)通信IC制造，則需進(jìn)一步提升其高頻電性，除了要改善材料結構來(lái)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(lái)，其制程將會(huì )更為復雜，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。而主要的應用則以中頻模塊或低層的射頻模塊為主，至于對于低噪聲放大器、功率放大器與開(kāi)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(lái)，SiGe已成了最被重視的無(wú)線(xiàn)通信IC制程技術(shù)之一。
依材料特性來(lái)看，SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導熱性好，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體現有200mm晶圓制程，達到高集成度，據以創(chuàng )造經(jīng)濟規模，還有媲美GaAs的高速特性。隨著(zhù)近來(lái)IDM大廠(chǎng)的投入，SiGe 技術(shù)已逐步在截止頻率(fT)與擊穿電壓(Breakdown voltage)過(guò)低等問(wèn)題獲得改善而日趨實(shí)用。目前，這項由IBM所開(kāi)發(fā)出來(lái)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及混合信號方面的配置應用。
對于無(wú)線(xiàn)通信射頻IC應用而言，SiGe技術(shù)具有良好的線(xiàn)性度、低噪聲、快速等特性，可適用于手機射頻前端如LNA、Mixer等。因此，隨著(zhù)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(chǎng)與晶圓代工廠(chǎng)商皆已陸續投入此一技術(shù)的發(fā)展。
●  RF CMOS蓄勢待發(fā)
盡管純硅的CMOS制程被認為僅適用于數字功能需求較多的設計，而不適用于以模擬電路為主的射頻IC設計，不過(guò)歷經(jīng)十幾年的努力后，隨著(zhù)CMOS性能的提升、晶圓代工廠(chǎng)在0.25mm以下制程技術(shù)的配合、以及無(wú)線(xiàn)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(mén)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(shí)降低組件成本。但是癥結點(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(wèn)題，才能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信射頻電路嚴格的要求。
目前已采用RF CMOS制作射頻IC的產(chǎn)品多以對射頻規格要求較為寬松的Bluetooth與WLAN射頻IC，例如CSR、Oki、Broadcom等Bluetooth芯片廠(chǎng)商皆已推出使用CMOS制造的Bluetooth傳送器；而Atheros、Envara等WLAN芯片廠(chǎng)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(guò)，由于手機用射頻IC規格非常嚴格，到目前為止，除了Silicon Labs以數字技術(shù)來(lái)強化低中頻至基頻濾波器及數字頻道選擇濾波器功能，以降低CMOS噪聲過(guò)高的問(wèn)題所生產(chǎn)的Aero 低中頻 GSM/GPRS芯片組外，很少廠(chǎng)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Silicon Labs的Aero射頻芯片組外，幾乎未曾聽(tīng)聞手機制造廠(chǎng)采用CMOS生產(chǎn)的RF芯片。由此觀(guān)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星通信、軍事武器等國防工業(yè)上，只是其應用范圍狹隘，且產(chǎn)業(yè)結構較為封閉，以致于市場(chǎng)開(kāi)拓不易。不過(guò)，隨著(zhù)近年來(lái)無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展，砷化鎵制造的IC逐漸廣為應用在無(wú)線(xiàn)通信功率放大組件的制造。
依材料特性來(lái)看，砷化鎵為化合物半導體，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(lái)說(shuō)，砷化鎵在無(wú)線(xiàn)通信射頻前端的應用具有高工作頻率、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(lèi)方面，依晶體管制程結構可分為：金屬半導體場(chǎng)效應晶體管(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)結雙極晶體管(Heterostructure Bipolar Transistor，HBT)等三類(lèi)。其中HBT雖然是三者中最新開(kāi)發(fā)的技術(shù)，但其結構上的優(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(xiàn)性效果優(yōu)于其它晶體管結構，正適合目前講求輕薄短小、待機時(shí)間長(cháng)的移動(dòng)電話(huà)。
綜合上述各種應用于無(wú)線(xiàn)通信IC制造的半導體材料與制程技術(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(lái)兩三年內仍是高速模擬電路，特別是功率放大器的主流制程技術(shù)。不過(guò)GaAs也存在著(zhù)成本昂貴，且無(wú)法和硅芯片集成的缺點(diǎn)。
至于在硅制程方面，隨著(zhù)SiGe制程的崛起，與RF CMOS逐步朝向實(shí)用化階段邁進(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(guò)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(guò)低，使得SiGe難以應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)的應用上有極大的優(yōu)勢。但經(jīng)過(guò)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(wú)線(xiàn)通信IC大廠(chǎng)廣為應用在手機射頻前端如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GaAs在PA產(chǎn)品的優(yōu)勢。
除了上述的制程外，其它逐步應用在無(wú)線(xiàn)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用，效率更高，組件更小，被認為未來(lái)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為主的基頻模塊結合在一起以降低成本，依據Motorola的構想，砷化鎵與硅結合實(shí)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(lèi)產(chǎn)品上。不過(guò)砷化鎵與硅結合，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(wèn)題仍有待考驗。

無(wú)線(xiàn)通信IC整合趨勢
個(gè)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(chǎng)主力，但近來(lái)廠(chǎng)商也積極發(fā)展RF CMOS與SiGe BiCMOS等制程技術(shù)。根據Strategy Unlimited的估計，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(cháng)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(zhù)越來(lái)越多廠(chǎng)商推出SiGe制程的收發(fā)器，再加上代工廠(chǎng)也陸續切入SiGe制程的代工，未來(lái)兩、三年內手機收發(fā)器的制程將以Si BiCMOS 與SiGe BiCMOS制程為主流(見(jiàn)圖3)。
在手機的PA部分，由于GaAs材料特性的優(yōu)勢，故仍將主導手機PA制程市場(chǎng)，至于SiGe則在不斷改善制程技術(shù)后，將有機會(huì )侵蝕過(guò)去GaAs獨占的PA市場(chǎng)。Strategy Unlimited便預估，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(cháng)至13％與18%的市場(chǎng)占有率(見(jiàn)圖4)。不過(guò)，若以目前發(fā)展看來(lái)，推出SiGe制程PA的廠(chǎng)商仍屬少數，再加上認證與設計的時(shí)間，到2004年SiGe PA仍不易有高成長(cháng)，未來(lái)三年手機PA的制程未來(lái)仍將以GaAs制程為發(fā)展主流。
就未來(lái)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(gè)別組件的發(fā)展來(lái)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
射頻電路組件應用在移動(dòng)電話(huà)等各式無(wú)線(xiàn)通信設備上，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(chǎng)商更佳的應用便利性。從TI、Infineon等國際芯片大廠(chǎng)所規劃的技術(shù)藍圖來(lái)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。至于臺灣省廠(chǎng)商方面，自今年起威盛與聯(lián)發(fā)科相繼宣布積極投入后，也已加快國內廠(chǎng)商朝向手機關(guān)鍵零組件SoC的腳步。

結語(yǔ)
綜合上述的討論，臺灣省工研院認為，從半導體制程技術(shù)及其應用在無(wú)線(xiàn)通信IC的歷程來(lái)看，短期內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，短期內GaAs仍將主導手機的功率放大器市場(chǎng)，不過(guò)，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(lái)應用在各種系統產(chǎn)品中最經(jīng)濟的解決方案，但是現階段仍?xún)H限于WLAN收發(fā)器與Bluetooth，而在手機IC的應用則仍需進(jìn)一步發(fā)展。
藉由對半導體制程的討論可以看出，半導體制程的進(jìn)展不僅影響手機射頻IC的發(fā)展，也影響無(wú)線(xiàn)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(chǎng)商而言，在投入GaAs生產(chǎn)制造時(shí)，更應對快速發(fā)展且日益增多的SiGe集成產(chǎn)品加以注意，以隨時(shí)做好應變的規劃。至于IC設計公司亦應密切掌握本地晶圓代工廠(chǎng)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，更可拉近與國際無(wú)線(xiàn)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。)