白皮书:用于无线应用的创新型RF-SOI晶圆

概要

对无线数据带宽不断增长的需求以及LTE和LTE Advanced标准的出现促使射频（RF）IC设计人员开发具有更高级别集成RF功能的设备，以满足越来越严格的规范要求。制造这些设备的基板在实现该性能水平方面起着重要作用。

本文解释了使用RF-SOI基板的价值，以及最新一代Soitec Wave SOI TM（Soitec eSI™）为RF IC性能带来的影响，同时简化了IC制造工艺，以满足主流智能手机市场的需求。

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介绍

我们正在经历一场移动革命，这场革命为半导体行业提供了巨大的增长机会。随着这一机遇的到来，射频器件生产商面临两大挑战：

通过在更宽的频谱上遵守日益复杂的通信标准（如 LTE、LTE Advanced、802.11.ac 等），支持每秒 1 千兆位 （Gbps） 或更高的数据传输速率

通过提供创新、节能、紧凑且经济高效的解决方案，支持增长最快的入门级 smart 手机市场。射频工程基板在前端模块市场的增长中发挥着重要作用，如今，前端模块市场的年度业务规模超过60亿美元。与砷化镓晶圆的历史主流用法不同，高电阻率硅绝缘子（HR-SOI）具有成为当今首选的基材。采用Soitec的Smart CutTM技术生产的HR-SOI晶圆基于高电阻率，用于大多数智能手机，使其成为开关的主流工程基板。此外，HR-SOI正在成为带开关的高级多模、多频段功率放大器片上集成的首选解决方案。

HR-SOI晶圆的一个主要优点是，这些具有内置隔离的高线性度衬底与CMOS处理兼容，允许集成复杂的高功率、混合信号片上系统器件。

为了满足前端模块中使用的不同通信标准和功能，SOI技术的领导者Soitec开发了两种SOI产品 -HR-SOI和增强型信号完整性 TM （eSI）SOI，两者都与标准CMOS工艺兼容。虽然标准HR-SOI能够满足2G或3G要求，但先进的 eSI SOI实现了更高的线性度和隔离度，使设计人员能够满足一些最严格的LTE要求。这为以具有竞争力的成本在具有更好RF性能的设备上集成更多功能铺平了道路。

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移动革命：新的半导体行业驱动力

从PC到移动计算的重大转变正在进行中。到2015年，笔记本电脑、平板电脑和智能手机的单位出货量将比10年前高出八倍（来源：KPCB，Kleiner Perkins Caufield & Byers，9/12 – Ref [1]），其中智能手机和平板电脑将占16亿台，约占所有移动计算设备的80%。

与消费者对终极移动体验的渴望相关的多媒体应用程序的使用日益增加，这带来了重大的市场变化：

-->更多移动设备：2013年至2017年间，智能手机的数量将以14%的复合年增长率（CAGR）增长（来源：IDC - Ref [2]）。

-->更多移动用户：全球移动连接数量超过60亿，到2013年底将超过世界人口（来源：世界银行 – 参考文献 [3]）。

-->更多的多媒体应用程序：越来越多的应用程序在 手机上运行，包括视频流，电视，社交媒体和内容共享。这导致高通公司预测，2010年至2020年间，数据流量将增长1000倍（参考文献 [4]）。

-->更快的移动吞吐量：随着数据消耗的增加，需要更先进的技术，如LTE、LTE Advanced、Wi-Fi 802.11.ac 等，才能在无线网络上提供更高的1 Gbps或更高的数据速率。这些新标准已经出现 。

半导体行业将在几个方面受益于这场移动革命：

智能手机销量增加：智能手机是未来几年的主要增长领域，半导体含量越来越多（图 1 – Ref [5]）。

图1：高级和实用智能手机的增长

增加半导体的复杂性和内容：例如，从3G迁移到LTE Advanced通常意味着从四个3G频段增加到26个LTE频段。考虑到所有前端模块功能都是在硅中完成的，RF前端模块的等效硅面积将乘以三倍 。

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射频前端模块市场挑战

更高级标准的出现需要更多的频段才能实现所需的吞吐量。在前端模块级别，这将转化为每个主要功能的多个更改（图 2）：

-antenna开关数量激增，包括分集开关、功率模式和天线交换 开关

-先进的可调谐功率放大器架构，可在单个宽带功率放大器中实现紧凑且经济高效的多模、多频段传输

-先进的 电源管理：采用包络跟踪系统方法，宽带功率放大器的效率将接近或与单频功率放大器一样好

-先进的宽带天线：通过天线调谐器系统进行阻抗匹配和/或孔径调谐，天线可以有效地覆盖频率从700 MHz到3.5 GHz的频段，具有最佳效率和更小的占地面积

图 2：LTE 前端模块框图

为了满足所需的性能，许多变化正在各个层面发生，包括系统、架构、工艺和设备，以及工程基板的技术。制造器件的这些基板对最终器件能够实现的性能水平具有重大影响（参考文献[6]）。从历史上看，开关和功率放大器都是在砷化镓衬底上制造的。在过去三年中，业界广泛采用 新型衬底，如蓝宝石上硅（SoS）和绝缘高电阻衬底（HR-SOI）上的硅，从而在降低系统成本和占地面积的同时实现更高的性能。

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射频器件SOI的出现

大多数基于SOI的RF设备直接或通过许可给第三方，都采用Soitec的Smart CutTM技术（图3）。

图3：智能切割™技术流程概要

传统上，SOI使用体硅作为基础晶圆。对于RF应用，埋藏的氧化物不够厚，无法防止电场扩散到基板中，从而引起高频信号损耗、非线性和串扰。

为了改善 开关所需的插入损耗、谐波失真和隔离性能，用高电阻率基板代替体硅，通常规定在1 KOhm.cm 以上。HR-SOI晶圆在RF应用中的采用允许RF前端模块的单片集成，从而实现更小的尺寸、更好的可靠性、更高的性能和更低的系统成本（图4和图5）（参考文献[7]， 参考文献[8]）。

资料来源：RFMD，A Tombak，2009年

图 4：从 12 cm² 模块到 6 mm² 模块

图 5：RF-SOI简史

由于RF-SOI晶圆可实现大批量3G和LTE应用所需的器件集成、成本效益和高性能，因此它们在手机RF开关中的采用率超过65%（来源：Yole Développement）。此外，第一款 RF-SOI功率放大器集成前端模块在市场上受到好评并获得动力。根据目前的采用水平和性能，用于集成前端模块的RF-SOI晶圆的使用预计将遵循 与开关相同的采用率。

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解决下一个射频标准和集成步骤

该基板的特性使RF设计人员能够集成开关、功率放大器和天线调谐器等各种功能，同时以比传统技术更低的成本提供出色的RF隔离、良好的插入损耗和更好的信号完整性（图 6）。

图 6：RF-SOI 的优势

Soitec提供两种风格的Wave SOI™基板：

使用标准高电阻率基板的苏铁克 HR-SOI 产品线 使用工程化高电阻率基板的苏铁克 eSI 产品线

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Soitec HR-SOI基板

Soitec 的 HR-SOI 产品线采用标准的高电阻率基底。与标准 SOI 相比，HR-SOI 可显著降低电阻率损耗和串扰，并已用于集成 2G 和 3G 应用的开关。虽然HR-SOI衬底非常适合这些应用，但对更高线性度和更高集成度的需求需要提高衬底功能。

由于埋藏的氧化物中仍有电荷，因此在膨胀的氧化物下方感应出低欧姆导电层，从而降低整个RF工程基板的性能[Ref 9]。为了达到性能的下一步并满足4G要求，必须限制寄生表面传导。应用各种光刻技术来获得更好的结果，尽管它们会影响过程复杂性并施加性能和设计权衡。

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Soitec eSi基板

Soitec和鲁汶天主教大学（UCL）合作开发了一种技术，通过在埋藏的氧化物下方添加富含陷阱的层来冻结寄生表面传导（图7）。

Soitec使用一系列非常具体的专利，应用其专有技术和积累的知识来构建 eSI 产品线。

图7：Soitec Wave SOI eSI 晶圆

由于该层是在基板级别构建的，因此eSI晶圆上不需要昂贵的工艺步骤，例如高能植入物和保守的设计规则，从而导致更便宜的工艺和每个功能的芯片面积可能更小。

该基板允许RF设计人员在同一芯片上集成各种功能，如开关、功率放大器和天线调谐器，这些功能具有出色的RF隔离、良好的插入损耗和比传统技术更好的信号完整性。

如图 8 所示， eSI 超越了 HR-SOI，提供了一些重大的性能改进，可实现完整的前端模块集成：

射频损耗

o通过维护从直流到射频频谱的恒定衬底电阻率来改善射频损耗; eSI 衬底的行为类似于准无损耗衬底，其性能可与砷化镓和蓝宝石类型的底板相媲美，在2 GHz下显示小于0.15 dB / mm

线性

o将二次谐波 （H2） 提高 20 dB 以上，使器件能够达到或超过 IMD（互调失真）开关 规格

高 Q 无源

o改进的电感器质量因数（2 GHz 时 2nH 电感的 Q 因数高出两倍），可实现调谐器、耦合器和有源电路（如退化低噪声放大器和多模、多频段功率放大器）的高性能匹配网络

尺寸

o由于 eSI 层使晶体管"独立于"衬底静电，因此改进了晶体管匹配;当需要高晶体管堆栈来处理超过40 V的电压时，这是非常有益的

o埋藏氧化物下的内置隔离 简化了设计规则和在晶体管之间使用宽沟槽的要求，从而为节省芯片面积留出了空间

导热系数

o改进的导热性：尽管SOI以前可能出现"热障碍"的事实限制了其在功率放大器中的应用 ，

Soitec已经证明，射频性能不会因使eSI晶圆中的埋地氧化物变薄而降低，事实上，使用更薄的埋地氧化物可以为现有的功率放大器解决方案提供更大的设计余量。

串扰

o改进串扰，通常在1 GHz时为20 dB;这为日益复杂的混合信号片上系统器件的设计人员在芯片布局分区方面提供了更大的自由度，从而实现了更好的性能并避免了多次 重频。

o由于 eSI 层是完全埋藏的氧化物表面，因此无论金属层是否在活性器件上方运行，与基板的耦合都是相同的

图 8：eSI 与 HR-SOI 性能

eSI产品的另一项重大创新来自在制造eSI衬底后立即预测基板的RF谐波失真性能的能力 ，以及在其上制造任何设备之前。这种保证是通过谐波质量因数（HQF）规范来证明的。

作为解决下一代RF标准（图9）和集成步骤的解决方案， eSI 晶圆通过满足一些最困难的LTE和LTE高级线性规格来实现这一市场。这些晶圆通过更好的导热性进一步开辟了在SOI上集成功率器件的途径，并通过改善所有关键电气参数简化了复杂的片上系统集成 。

Soitec的 eSI 产品现已全面投产，并已被用作需要高线性度性能和成本效益的功能的首选基板。

资料来源：Soitec 基于 Navian RF 设备/模块的蜂窝网络，2013 年 11 月。

图9：Soitec产品的目标市场

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结论

移动革命正在如火如荼地进行，给智能手机和设备制造商带来了压力，以支持对 数据流量不断增长的需求。这需要价值链上所有参与者的贡献，包括基板制造商。SOI基板现在在RF应用中发挥着重要作用，Soitec凭借其创新的 eSI 基板，能够有效地集成越来越多的功能以及更好的RF性能，以满足主流智能手机市场的需求。

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关于作者

Eric Desbonnets 是Soitec的RF应用业务开发经理。

Christophe Didier是Soitec通信和电源业务部门的产品营销经理。

Nazila Pautou是Soitec电子部门的营销经理。

引用

[1]KPCB， Kleiner Perkins Caufield & Byers：2012 Internet Trends （Update）

http://www.kpcb.com/insights/2012-internet-trends-update

[2]IDC：根据IDC的数据，2013年全球手机市场预测在10亿部智能手机出货量的推动下，2013年全球手机市场将增长7.3%http://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS24302813

[3]世界银行：移动电话接入覆盖地球人口的四分之三——2012年7月 http://www.worldbank.org/en/news/press-release/2012/07/17/mobile-phone-access-reaches-three 四分之一地球人口

[4]高通：1000倍移动数据挑战赛 – 2013年11月

http://www.qualcomm.com/media/documents/web1000x-mobile-data-challenge

[5]Gartner：全球手机产量和半导体TAM预测 分析

[6]RFMD Ali Tombak - 用于高级手机/移动PA的设备和设计技术 - RFIC 2009 – 波士顿，2009年6月7日至12 日 http://www.rfmd.com/cs/documents/COMMali_TombakRFIC.pdf

[7]Yole Développement：蜂窝手机的RF滤波器，PA，天线开关和可调性

[8]J.-P. 拉斯金、A.维维亚尼、D.弗兰德和J.-P. Colinge，"使用SOI技术减少衬底串扰"，IEEE Transactions on Electron Devices，第44卷，第12期，第2252-2261页，1997年12月

[9]D. 莱德勒和J.-P.Raskin，"全 加工SOI基板的有效电阻率"，固态电子学，第49期，第491-496页， 2005年

[10]K. 本·阿里， C. 罗达· 内夫， A. Gharsallah 和J.-P.Raskin，"RF SOI CMOS技术在 商用富陷阱高电阻率SOI晶圆上的应用"，IEEE国际SOI会议 – SOI'12 ，美国加利福尼亚州纳帕，2012年10月1-4日，pp. 112-112

[11]C. 罗达·内夫拉斯金和E. Desbonnets，"用于RF前端模块集成的工程衬底路径 - 专注于捕获丰富的高电阻率绝缘体上硅"，（特邀论文），第42届欧洲固态器件研究会议 - ESSDERC 2012，SINANO-NanoFunction研讨会 - 高性能片上RF应用的新材料，器件和技术，波尔多，

法国，2012年9月17-21日

[12]Soitec：RF Substrate Technologies for Mobile Communications – Eric Desbonnet， Stephane Laurent -

http://www.soitec.com/pdf/

RF_SubstratesTechnologies_2011-07-07.pdf

全文翻译自Soitec白皮书,2013年出版