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無線通訊IC製程技術探微
 

【作者: 王英裕】   2002年09月05日 星期四

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半導體的應用產品市場可分為電腦、通訊、消費電子、工業、汽車以及軍事等區隔市場,根據半導體產業協會與研究機構IC Insight等單位的統計,自2001年以後,電腦在半導體應用產品市場的佔有率開始滑落至50%以下,反觀通訊與消費性電子產品的佔有率則逐年上升,成為帶動半導體產業持續成長的重要產品,如(圖一)所示。其中,在通訊市場中,年產量高達四億支左右的手機市場更是目前各大半導體廠商關注的重點,例如:全球兩大晶圓代工廠台積電與聯電在今年(2002)的技術論壇中,競相宣布適用於無線通訊IC的新製程技術藍圖更可看出,無線通訊IC已成為半導體產業未來發展的重要支柱。



《圖一 2000-2005年全球半導體應用產品市場佔有率變化〈資料來源:SIA、IC Insight;工研院經資中心,2002/08〉》
《圖一 2000-2005年全球半導體應用產品市場佔有率變化〈資料來源:SIA、IC Insight;工研院經資中心,2002/08〉》

一般來說,整個無線通訊IC依功能可以分成三部分:首先為負責接收/發送射頻訊號的射頻(Radio Frequency;RF)IC,此部分屬於射頻前端,為純粹的類比電路設計;其次為負責二次昇/降頻與調變/解調功能的中頻(IF)電路,以及與鎖相迴路(PLL)、頻率合成器(Synthesizer)等元件,目前此段多屬於類比/數位的混合模式(mixed mode)的電路;最後則是負責A/D、D/A、信號處理器及CPU等純數位部分的基頻(Baseband)IC。


由於基頻部分以處理數位訊號為主,且其內部元件多為主動元件、線路分佈極為密集,故向來以微細化與高集積度的純矽CMOS製程為主。而在射/中頻部分,由於無線通訊對於射頻IC的規格要求相當嚴格,且高頻電晶體的功能不同,其線路設計理念也不盡相同,因此,如何選擇不同的材料與製程,以使無線通訊用積體電路的線路功能與價格達到平衡或是最佳化,往往是無線通訊用積體電路製造最重要的課題。故本文將以無線通訊射頻IC的製程技術為探討重點,藉以說明半導體製程技術在無線通訊射頻IC領域的發展重點與趨勢。


無線通訊半導體材料與製程概述

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之化合物所構成的化合物半導體兩類。前者如矽(Silicon)、鍺(Germanium)等所形成的半導體,後者如砷化鎵(Gallium Arsenide;GaAs)、磷化銦(Indium Phospide;InP)等化合物形成的半導體。在過去以個人電腦為應用主軸的時期,全球半導體產業皆以矽材料為發展重心。由於矽元素先天上的物理限制,傳統的矽-互補金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor;CMOS)製程較無法勝任處理1GHz以上的高頻訊號,使得近兩三年在通訊應用半導體的需求急增後,特別是對於高工作頻率、高放大率與低雜訊等條件極為要求的無線通訊IC而言,特殊半導體材料與製程的需求便格外受到重視。在產學界不斷努力研發之下,目前已開發出可應用在無線通訊IC的製程有:矽-雙截子互補金氧半導體(Si Bipolar CMOS)、矽鍺(SiGe)、砷化鎵(GaAs)、以及其他仍在積極開發的磷化銦或E-mode pHEMT等不同製程。以下便再針對這幾種半導體材料與製程提出進一步的說明,如(表一)所示。


矽元件

Si BiCMOS為主流

以矽為基材的積體電路共有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。由於矽是當前半導體產業應用最為成熟的材料,因此,不論在產能或價格方面都極具優勢。傳統上以矽來製作的電晶體多採用BJT或CMOS,不過,由於矽材料沒有半絕緣基板,再加上元件本身的增益較低,若要應用在高頻段操作的無線通訊IC製造,則需進一步提昇其高頻電性,除了要改善材料結構來提高元件的fT,還必須藉助溝槽隔離等製程以提高電路間的隔離度與Q值,如此一來,其製程將會更為繁複,且不良率與成本也將大幅提高。因此,目前多以具有低雜訊、電子移動速度快、且集積度高的Si BiCMOS製程為主。而主要的應用則以中頻模組或低層的射頻模組為主,至於對於低雜訊放大器、功率放大器與開關器等射頻前端元件的製造仍力有未逮。


SiGe逐漸嶄露頭角

1980年代IBM為改進Si材料而加入Ge,以便增加電子流的速度,減少耗能及改進效能,卻意外成功的結合了Si與Ge。而自98年IBM宣布SiGe邁入量產化階段後,近兩、三年來,SiGe已成了最被重視的無線通訊IC製程技術之一。


依材料特性來看,SiGe高頻特性良好,材料安全性佳,導熱性好,而且製程成熟、整合度高,具成本較低之優勢,換言之,SiGe不但可以直接利用半導體現有八吋晶圓製程,達到高集積度,據以創造經濟規模,還有媲美GaAs的高速特性。隨著近來IDM大廠的投入,SiGe 技術已逐步在截止頻率(fT)與崩潰電壓(Breakdown voltage)過低等問題獲得改善而日趨實用。目前,這項由IBM所開發出來的製程技術已整合了高效能的SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)之3.3V及0.5μm的CMOS技術,可以利用主動或被動元件,從事類比、RF及混合訊號方面的配置應用。


對於無線通訊射頻IC應用而言,SiGe技術具有良好的線性度、低雜訊、快速等特性,可適用於手機射頻前端如LNA、Mixer等。因此,隨著SiGe製程技術的性能日趨完善,再加上整合性高,使得全球射頻晶片大廠與晶圓代工廠商皆已陸續投入此一技術的發展。


RF CMOS蓄勢待發

儘管純矽的CMOS製程被認為僅適用於數位功能需求較多的設計,而不適用於以類比電路為主的射頻IC設計,不過歷經十數年來的努力後,隨著CMOS性能的提昇、晶圓代工廠在0.25um以下製程技術的配合以及無線通訊晶片整合趨勢的引領下,RF CMOS製程不僅是學界研究的熱門課題,也引起了業界的關注。採用RF CMOS製程最大的好處,當然是可以將射頻、基頻與記憶體等元件合而為一的高整合度,並同時降低元件成本。但是癥結點仍在於RF CMOS是否能解決高雜訊、低絕緣度與Q值及降低改善性能所增加製程成本等問題,才能滿足無線通訊射頻電路嚴格的要求。


目前已採用RF CMOS製作射頻IC的產品多以對射頻規格要求較為寬鬆的Bluetooth與WLAN射頻IC,例如CSR、Oki、Broadcom等Bluetooth晶片廠商皆已推出使用CMOS製造的Bluetooth傳送器;而Atheros、Envara等WLAN晶片廠商亦在最近推出全CMOS製程的多模WLAN(.11b/g/a)射頻晶片組。不過,由於手機用射頻IC規格甚為嚴格,到目前為止,除了Silicon Labs藉由數位技術來強化低中頻至基頻濾波器及數位頻道選擇濾波器功能,以降低CMOS雜訊過高的問題所生產的Aero低中頻GSM/GPRS晶片組外,甚少廠商以此技術製造手機射頻IC。再者,由於手機製造商對其可靠度的疑慮仍深,故除了韓國三星電子採用Silicon Labs的Aero射頻晶片組外,幾乎未曾聽聞手機製造廠採用CMOS生產的RF晶片。由此觀之,RF CMOS欲在手機射頻IC製程中搶佔一席之地仍有許多亟待克服的障礙。


化合物半導體-GaAs

除了矽製程的晶片之外,以砷化鎵製程所生產的晶片亦早就被大量運用在衛星通訊、軍事武器等國防工業上,只是其應用範圍狹隘,且產業結構較為封閉,以致於市場開拓不易。不過,隨著近年來無線通訊的發展,砷化鎵製造的IC逐漸廣為被應用在無線通訊功率放大元件的製造。


依材料特性來看,砷化鎵為化合物半導體,由於電子移動率約為矽的5.7倍,且高頻使用消耗功率低,故多用於製作功率放大器元件。一般來說,砷化鎵在無線通訊射頻前端的應用具有高工作頻率、低雜訊、工作溫度適用範圍高以及能源利用率佳等幾種優點。


在元件種類方面,依電晶體製程結構可分為:金屬半導體場效電晶體(Metal Semiconductor Field Effect Transistor;MESFET)、假型高速電子移動場效電晶體(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor;pHEMT)、與異質接面雙極電晶體(Heterostructure Bipolar Transistor;HBT)等三類。其中HBT雖然是三者中最新開發的技術,但其結構上的優勢,讓通道上的電子流呈垂直方向,可以產生較高的功率密度,且僅需單一電壓來源,在同樣的輸出功率下,HBT的線性效果優於其他電晶體結構,正適合目前講求輕薄短小、待機時間長的行動電話。


表一 各種無線通訊IC製程技術比較
  SiGe HBT RF CMOS Bi CMOS GaAs HBT
gm High Low High High
FT(GHz) 75 40 25 20
Fmax(GHz) 80 30(Lg=0.25μm) 20 20
Fmin(dB)@1GHz 0.5 1.5 1.0 1.5
Q value for passive elements Low Low Low High
Implemented Circuits PA, Signal Source Integrated Transceiver Integrated Transceiver/Baseband High level Integrated Transceiver Signal Source/PA
Cost Middle Low Middle Middle
資料來源:工研院經資中心整理,2002/08







綜合上述各種應用於無線通訊IC製造的半導體材料與製程技術,由於GaAs等三五族製程擁有高工作頻率、低雜訊等優點,因此在未來兩三年內仍是高速類比電路,特別是功率放大器的主流製程技術。不過GaAs亦存在著成本昂貴,且無法和矽晶圓整合的缺點。


至於在矽製程方面,隨著SiGe製程的崛起,與RF CMOS逐步朝向實用化階段邁進,將影響Si BiCMOS製程目前在射頻IC的主流地位,尤其是SiGe製程技術將會日益受到重視。過去在發展初期,SiGe由於截止頻率(Cutoff frequency;fT),及其相對的崩潰電壓過低,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於SiGe或Si製程,因此在PA的應用上有極大的優勢。但經過短短幾年的改進,目前的SiGe HBT技術不僅已被Infineon、RF MD、Conexant等無線通訊IC大廠廣為應用在手機射頻前端如LNA、Mixer等元件,亦已發揮其製程整合能力完成整合RF/IF功能的Transceiver產品,更進一步挑戰GaAs在PA產品的優勢。


《圖二 無線通訊IC製程技術發展歷程〈資料來源:Infineon,工研院經資中心,2002/08〉》
《圖二 無線通訊IC製程技術發展歷程〈資料來源:Infineon,工研院經資中心,2002/08〉》

除了上述的製程外,其他逐步應用在無線通訊高頻元件的基材還有磷化銦(InP)或GaAs on Si等製程。前者較砷化鎵更適於高頻使用,效率更高,元件更小,被認為未來有可能會取代砷化鎵,只是目前價格昂貴;後者主要由Motorola發展,於2001年9月宣佈成功使用於商業用途,可將GaAs的功率放大器(PA)與Si為主的基頻模組結合在一起以降低成本,依據Motorola的構想,GaAs on Si實用化後,最初將先運用在輸出功率未滿10W的WLAN和手機等消費產品上。不過GaAs on Si,需要額外的加工工程,製程程序增加,良率會降低,因此其成本與商業化進程等問題仍有待考驗。


無線通訊IC整合趨勢

個別元件製程技術發展

以手機射頻IC中最主要的兩大元件Transceiver與PA製程為例:在Transceiver的製程部分,雖然目前BiCMOS製程仍為市場主力,但近來廠商也積極發展RF CMOS與SiGe BiCMOS等製程技術。根據Strategy Unlimited的估計,到2004年BiCMOS製程的Transceiver晶片的市場佔有率將逐步下滑到僅約全球66%,而SiGe製程的Transceiver晶片則可成長至21%的市場佔有率,RF CMOS製程的Transceiver亦可望佔有13%的市場。隨著越來越多廠商推出SiGe製程的Transceiver,再加上代工廠也陸續切入SiGe製程的代工,未來兩、三年內手機Transceiver的製程將以Si BiCMOS與SiGe BiCMOS製程為主流,如(圖三)。


《圖三 2004年行動電話Transceiver市佔率(依製程區分)〈資料來源︰Strategy Unlimited〉》
《圖三 2004年行動電話Transceiver市佔率(依製程區分)〈資料來源︰Strategy Unlimited〉》

在手機的PA部分,由於GaAs材料特性的優勢,故仍將主導手機PA製程市場,至於SiGe則在不斷改善製程技術後,將有機會侵蝕過去GaAs獨佔的PA市場


。Strategy Unlimited便預估,到2004年全球GaAs製程的PA晶片市場佔有率將下滑到僅約68%,而CMOS與SiGe製程的PA晶片則將分別成長至13%與18%的市場佔有率,如(圖四)所示。不過,若以目前發展看來,推出SiGe製程PA的廠商仍屬少數,再加上認證與design in的時間,到2004年SiGe PA仍不易有高成長,未來三年手機PA的製程未來仍將以GaAs製程為發展主流。


《圖四 2004年行動電話PA市佔率(依製程區分)〈資料來源:Strategy Unlimited〉》
《圖四 2004年行動電話PA市佔率(依製程區分)〈資料來源:Strategy Unlimited〉》

就未來發展高整合度(Integration Level)之RFIC晶片組而言,由於Si-CMOS、SiGe其電路的重覆性與一致性較GaAs製程為高,且單位面積的電路密度亦較高,就電路之整合度、易產性及成本,目前商用RFIC以CMOS、SiGe製程具備較佳的競爭力。若從個別元件的發展來看,SiGe製程將成為PA與Switch等射頻前端元件在GaAs製程外的另一種選擇;而Transceiver與LNA等元件則將出現SiGe與CMOS搶佔Si BiCMOS製程市場的局面,如(表二)。


表二 無線通訊元件製程發展趨勢
系統產品 PA/Switch Transceiver/LNA BB/Memory
Cellular
Phone
GaAs→GaAs/SiGe Bipolar/Si BiCMOS→
SiGe/Si BiCMOS/CMOS
CMOS
WLAN GaAs→
GaAs/SiGe/CMOS
Bipolar/Si BiCMOS→CMOS CMOS
Bluetooth Si BiCMOS→CMOS Si BiCMOS→CMOS CMOS
GPS
Bipolar/Si BiCMOS→CMOS CMOS
資料來源:工研院經資中心,2002/08







逐步邁向SoC

射頻電路元件應用在行動電話等各式無線通訊設備上,除成本與性能的考量外,更需力求其體積的微小化與採用的方便性。因此,為使所研發的產品更符合市場趨勢與需求,射頻元件製造商紛紛朝向更高整合度與集積度邁進,藉以提供下游廠商更佳的採用便利性。從TI、Infineon等國際晶片大廠所規劃的技術藍圖來看,2003~2004年將逐步發展成PA模組、射頻單晶片、基頻晶片等三顆晶片或晶片模組,至於整合射頻與基頻的SoC則到2005年以後才有可能實現。至於國內廠商方面,自今年起威盛與聯發科相繼宣布積極投入後,亦已加快國內廠商朝向手機關鍵零組件SoC的腳步。



《圖五 手機零組件SoC的發展趨勢〈資料來源:工研院經資中心,2002/08〉》
《圖五 手機零組件SoC的發展趨勢〈資料來源:工研院經資中心,2002/08〉》

結論

綜合上述的討論,工研院IEK認為,從半導體製程技術及其應用在無線通訊IC的歷程來看,短期內SiGe與BiCMOS將是手機收發器的主流製程,其次,即便面臨SiGe或CMOS的挑戰,短期內GaAs仍將主導手機的PA市場,不過,在WLAN與Bluetooth的PA將以SiGe與CMOS為主。至於CMOS雖然是未來應用在各種系統產品中最經濟的解決方案,不過,現階段仍僅限於WLAN收發器與Bluetooth,而在手機IC的應用則仍需進一步發展。


藉由對半導體製程的討論可以看出,半導體製程的進展不僅影響手機射頻IC的發展,也影響無線通訊IC產業,甚至是上游的晶圓製造產業。因此,對於台灣晶圓製造廠商而言,在投入GaAs生產製造時,更應對快速發展且日益增多的SiGe整合產品加以注意,以隨時做好應變的規劃。至於IC設計公司亦應密切掌握國內晶圓代工廠的製程技術動向,除了可妥善利用國內的晶圓製造產能,以降低海外投片的成本,更可拉近與國際無線通訊IC製造技術的差距。


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