為何SOI在射頻類芯片中超受歡迎？

寄生電容小；集成密度高；速度快

什么是SOI

SOI全稱為Silicon-On-Insulator，即絕緣襯底上的硅，該技術是在頂層硅和背襯底之間引入了一層埋氧化層。原理就是在硅晶體管之間，加入絕緣體物質，可使兩者之間的寄生電容比原來的少上一倍。形成SOI材料的技術有以下3類：

1. 注入氧分離技術（Separation by Implanted Oxygen，SIMOX）

2. 鍵合減薄技術（Bond and Etch-back SOI，BESOI）

3. 智能剝離技術（Smart-Cut）

SOI的優勢

SOI材料具有了體硅所無法比擬的優點：可以實現集成電路中元器件的介質隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡單、短溝道效應小及特別適用于低壓低功耗電路等優勢。

此外，在SOI晶圓（SOI wafer）本身襯底的阻抗值的部分也會影響到元件的表現，因此后來也有公司在襯底上進行阻抗值的調整，達到射頻元件（Radio frequency component、RF component）特性的提升。原本應通過交換器的電子，有些會鉆入硅中造成浪費；SOI可防止電子流失，與補強一些原本Bulk wafer中CMOS元件的缺點。

RF SOI是一種具有獨特的硅/絕緣層/硅三層結構的硅基半導體工藝材料，它通過絕緣埋層(通常為SiO2)實現了器件和襯底的全介質隔離。由于RF-SOI 能夠以**的性價比實現更高的線性度和更低的插入損耗，它可以為人們帶來更快的數據速度、更長的電池壽命，和頻率更穩定、流暢的通信質量。

數十年來，電信基礎設施市場一直由宏和微基站驅動。如今，借助 5G 大規模 MIMO 有源天線系統，射頻 (RF) 組件行業正在選用越來越多的射頻組件。Yole Group 旗下的 Yole Intelligence 估計，電信基礎設施射頻市場在 2021 年價值30億美元，預計到 2025 年將達到45億美元。

SOI的三大發展方向

RF-SOI：是一種具有獨特的硅/絕緣層/硅三層結構的硅基半導體工藝材料，它通過絕緣埋層(通常為SiO2)實現了器件和襯底的全介質隔離。由于RF-SOI 能夠以**的性價比實現更高的線性度和更低的插入損耗，它可以為人們帶來更快的數據速度、更長的電池壽命，和頻率更穩定、流暢的通信質量。RF-SOI能夠保證非常高的信號的線性度和信號完整性。

Power-SOI：主要構造為單晶頂層硅片（mono-crystal top material），中間氧化埋層（buried oxide）及底層的硅基底（silicon base）。由于Power-SOI晶圓加厚Buried Oxide結構，能夠有效克服高電壓可能穿透元件的問題，實現功率元件使用上的穩定性。因此，Power-SOI主要應用于BCD（BIPOLAR-CMOS-DMOS）功率集成電路制造技術中的高壓元件集成。

FD-SOI：(全耗盡型絕緣體上硅)是一種平面工藝技術,從結構上看， FD-SOI晶體管的靜電特性優于傳統體硅技術。埋氧層可以降低源極和漏極之間的寄生電容，還能有效地抑制電子從源極流向漏極，從而大幅降低導致性能下降的漏電流。此外，FD-SOI還具有許多其他方面的獨特優點，包括具有背面偏置能力，極好的晶體管匹配特性，可使用接近閾值的低電源電壓，對輻射具有超低的敏感性，以及具有非常高的晶體管本征工作速度等，這些優點使得它能工作在毫米波頻段的應用中。

SOI的應用領域

• RF-SOI 應用于射頻應用，目前已經成為智能手機的開關和天線調諧器的**解決方案；

• POWER-SOI 用于智能功率轉換電路，主要應用于汽車、工業、家電消費類等高可靠性高性能場景；

• FD-SOI 具有減少硅幾何尺寸同時簡化制造工藝的優點，主要應用在智能手機、物聯網、5G、汽車 等對于高可靠性、高集成度、低功耗、低成本的應用領域；光學 SOI 應用于數據中心、云 計算等光通信領域。

RF-SOI的適用范圍

采用RF SOI工藝的芯片針對各種應用，但**市場是手機中的射頻前端模塊。RF SOI芯片不是手機中唯一使用的器件。智能手機由數字芯片和射頻芯片組成，另外還包括電源管理芯片。基于CMOS的數字部分由應用處理器和其他器件組成。

射頻組件集成在射頻前端模塊中，該模塊負責處理傳輸/接收功能。前端模塊由多個組件組成，包括功率放大器、天線調諧器、低噪聲放大器（LNA）、濾波器和射頻開關。LNA用于放大來自天線的小信號，而濾波器可防止任何不需要的信號進入系統。LNA和濾波器使用不同的工藝。

同時，開關芯片和調諧器基于RF SOI。RF開關將信號從一個組件傳送到另一個組件，調諧器可幫助天線調整到任何頻段。

4G Phone FEM Example

隨著時間的推移，5G也將工作在毫米波波段。這涉及到30 GHz~300 GHz之間的頻段。RF架構需要修改，以覆蓋其中一個頻段。為此，RF收發器將把IF或中頻收發器和下變頻器與一個基于CMOS的毫米波RF前端模塊結合在一起。

GF毫米波5G波束形成系統

RF-SOI在智能手機中的應用

智能手機融合了多樣化的功能，包括無線電發射和接收、數字處理、 存儲、音頻、電池 管理、攝像和顯示等，通過前端模塊能夠實現蜂窩電話和基站之間的射頻信號傳輸和接收。高性能開關的市場需求在2016年更加強烈。當時已經演進出了LTE技術，出現了4G以及許多復雜的模塊，也出現了天線調諧器。RF-SOI也隨之被應用到越來越多的天線調諧器以及開關當中。對于射頻前端的開關、射頻前端控制等器件，RF-SOI是使用得最多的。

在智能手機中，射頻開關處于射頻前端的關鍵位置且必不可少，其插損、回損、隔離度、諧波抑制和功率容量等性能對射頻前端鏈路有重要影響。射頻開關的主要作用在于通過控制邏輯，實現對不同方向（接收或發射）、不同頻率的信號進行切換，以達到共用天線、節省終端產品成本的目的。

發展到今天的5G時代，智能手機需要更加復雜的模塊和更高的集成度。LNA也被集成到開關當中。5G 毫米波對于高集成度有著更強烈的需求。目前，接近100%的射頻開關都是基于Connect-SOI技術開發的，即RF-SOI或FD-SOI技術；超過80%的集成低噪聲放大器都是基于RF-SOI開發的，接近100%的天線調諧器是在用Soitec的SOI技術。據介紹，Soitec 的RF-SOI 產品已經成為行業標準， 在大規模生產中被用于制造射頻前端模塊的IC ，同時滿足芯片制造商對成本與性能要求。

RF-SOI在汽車領域的應用

相比智能手機，現代汽車對于連接性的需求和依賴程度更高。目前的遠程通信不僅要使用蜂窩網絡，也非常依賴V2X的連接，還要使用專屬的近距離通信系統，包括WiFi、藍牙等。新興的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他連接系統正在助力移動服務范圍的進一步擴大。例如，它們通過提升車輛與道路基礎設施之間的無線交互來提高駕駛安全性，或是與其他車輛之間的無線交互來優化交通條件。車載無線連接還可以輕松實現車內的高質量視頻與音頻娛樂內容訪問，讓乘客體驗更加舒適。

RF- SOI不僅可以應用于智能手機上，許多日常生活中的設備上都能看到RF- SOI的身影。RF- SOI還用于每天使用的物聯網的設備上，比如說像智能耳機、手表等。而且也不僅僅適用于蜂窩通信，還包括5G、藍牙、WiFi以及超寬帶UWB。對于5G毫米波，當前也面臨著提高集成度等相似的挑戰。對于毫米波，客戶可以根據最終應用選擇不同的射頻前端架構。一些客戶可能會優先考慮非常高性能的射頻前端，而其他客戶可能會犧牲部分性能以獲得更高的集成度和更小的芯片尺寸。對于**種情況，可以在 RF-SOI 中集成完整的高性能射頻前端（PA + LNA + 開關 + 移相器 + 支持功能）；而在第二種情況下，可以選擇將部分頻率轉換與 RFFE 集成到 FD-SOI 技術中。這最終取決于客戶的應用以及他們的競爭策略。

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Tower RF-SOI平臺

Tower Semiconductor的RF-SOI和RF-CMOS技術解決方案可為消費、基礎設施和汽車應用提供高速、低噪音及低功耗的產品。

Tower Semiconductor 的RF SOI平臺擁有低Ron-Coff（導通電阻-關斷電容）、高度線性、功能豐富的平臺，可實現最高性能的4G/LTE和5G前端模塊（FEM）產品。Tower Semiconductor的RF-SOI工藝系列結合了3-7金屬層CMOS工藝以及1.2V、1.8V、2.5V和5V晶體管選項。基于經硅驗證的精確模型和設計庫，以及世界一流的設計支持，以及豐富的大規模量產經驗，為客戶提供完美的射頻解決方案。此類工藝非常適合例如蜂窩式交換機等需要隔離的產品，可實現優于>-40dB的出色信道隔離度、低于0.35 dB的插入損耗，在蜂窩功率水平下優于110dBc的低諧波，以及低于-117 dBm的互調失真。低噪聲放大器還可以與特定的低噪聲、高增益器件，高線性以及通過厚銅層或鋁層實現的低損耗電感集成在一起。除有源器件外，工藝選擇還包括硅化及非硅化多晶電阻、RF金屬-絕緣體-金屬（MIM）電容、金屬邊際電容（MFC）、可縮放幾何電感、固定幾何電感、固定幾何巴倫（平衡-不平衡變換器），和變壓器。襯底選項包括具備**Ron-Coff性能的“薄膜”工藝和類似有源MOSFET基極行為的“厚膜”工藝，無浮體效應。該平臺由我們的MPW計劃支持，用于快速項目開發。

RF-SOI平臺特色

• 提供高阻SOI基板的200mm和300mm工藝技術

• Sub-60fs Ron-Coff 2.5V NMOS

• 用于LNA集成的專用器件

• 高密度（4IF/μm2）和高壓（> 25V）MIM電容；高線性度金屬邊際電容

• 低值和高值電阻器、RF變容管、高Q電感

• 高阻抗、高線性SOl襯底

• BSIM4 SOI PSP、HiSIM SOI模型

• 鋁或銅低RC金屬化工藝

• 支持1.2、1.8V、2.5、3.3或5V MOSFETS

• 高利用率標準單元庫

• 用于減少開關堆棧

• 高精度RF器件模型和快速寄生參數提取

• 先進的襯底模型

RF-SOI所服務的市場領域

ower Semiconductor

Tower Semiconductor Ltd. （NASDAQ: TSEM, TASE: TSEM），全球特種工藝晶圓代工的領導者， 同旗下Jazz Semiconductor, Inc. 和 TowerJazz Texas Inc.以及TowerJazz Panasonic Semiconductor Co. 合作經營品牌Tower Semiconductor 。

Tower Semiconductor 的客戶遍及汽車、醫療、工業、消費、航空航天和國防等領域。過去幾年中，Tower Semiconductor 在推動客戶成功的同時，實現了創紀錄業績增長。我們將繼續追求卓越的技術與品質，保持強勁的增長前景。