芯片世界观︱射频器件升温，RF MEMS/RF SOI两种工艺的博弈才刚刚开始？

解决方案
今天，手机的功率放大器主要使用砷化镓（GaAs）技术。几年前，OEM将射频开关等制造工艺从GaAs和蓝宝石（SoS）迁移到RF SOI上。GaAs和SoS是SOI的变体，随着RF开关变得越来越复杂，这两种工艺变得太贵了。

RF SOI不同于完全耗尽的SOI（FD-SOI），适用于数字应用。与FD-SOI类似，RF SOI在衬底中具有很薄的绝缘层，能够实现高击穿电压和低漏电流。

GlobalFoundries RF业务部门主管Peter Rabbeni表示："移动市场继续看好RF SOI，因为它能够在宽频率范围内提供低插入损耗、低谐波以及高线性度，实现了良好的性能和成本效益。"

今天，Qorvo、Peregrine、Skyworks等公司提供基于RF SOI的射频开关。通常，RF开关制造商使用代工厂来制造这些产品。GlobalFoundries、意法半导体、TowerJazz和联电是RF SOI代工业务的领军企业。

因此，OEM在组件供应商和代工产品方面有多种选择。通常，代工厂提供RF SOI工艺，涵盖从180nm到45nm的节点和不同的晶片尺寸。

决定使用哪一个节点取决于具体应用。联电公司业务管理副总裁吴坤表示："关于RF SOI技术的具体化，一切都是从技术性能、成本和功耗的角度来考虑适用于终端应用的技术解决方案。"

即便有多种选择，RF开关制造商也面临一些挑战。RF开关本身包含场效应晶体管（FET）。与大多数器件一样，FET受到不需要的沟道电阻和电容的影响。

在RF开关中，FET被堆叠使用。通常而言，当今的RF开关中堆叠了10到14个FET。据专家介绍，随着FET数量的增加，器件可能会遇到插入损耗和电阻带来的相关问题。

另一个问题是电容。Skyworks在2014年发表的一篇题为《RF应用中SOI工艺的最新进展和未来趋势》的文章中表示，"在RF开关中，30％或更多不需要的电容来自于器件中的互连。互连是金属层或微型布线方案，包括基于RF SOI的开关。

通常，在4G手机中，RF开关的主流制造工艺是200mm晶圆的180nm和130nm节点。许多(但不是全部）互连层基于铝。铝互联在IC行业使用多年，价格便宜，但也具有较高的电容。

因此，铜被用于RF器件中一些被选定的层。铜是更好的导体，并且电阻小于铝。Ng表示："用于130nm RF CMOS工艺产品的传统金属堆叠包括具有成本优势的铝互连层和具有性能优势的铜互连层。"这是平衡成本和性能的最佳解决方案。RF SOI解决方案通常包含一定数量的铝金属层和一个或多个铜层。

通常，在顶层上使用铜作为超厚金属层，帮助改善无源器件性能。他说："最好是铜这样的厚顶层金属，它能够最小化欧姆损耗，从而提高性能。"

最近，RF设备制造商已经从200mm晶圆迁移到300mm晶圆，其工艺节点也从130nm迁移到45nm。通常，300mm晶圆厂只使用铜互连。

只使用铜互连，RF开关制造商可以降低电容。但是，300mm晶圆提高了制造成本，从而在市场上造成一些矛盾。一方面，成本敏感的手机OEM厂商需要RF开关保持较低的价格。另一方面，RF开关设备制造商和代工厂希望能够保持利润。

"今天，只有极少的RF SOI器件采用300mm晶圆生产，"Ng说。"这种情况的出现有很多原因，包括300mm RF SOI衬底的成本/可用性，以及支持后硅处理的基础设施等因素。然而，我们预计，在未来几年内，这些挑战将会在很大程度上得到解决，然后大部分大批量的RF SOI应用将会迁移到300mm晶圆上。"

在此之前，行业可能会面临300mm的供需问题。"我们认为，在更多的生产迁移到300mm晶圆之前，市场将一直面临供不应求的挑战。产能上马有多快，需求有多大，都将反映在供需矛盾上。"他说。

今天的RF SOI工艺适用于4G手机。GlobalFoundries希望在5G竞赛中脱颖而出，最近为5G应用推出了45nm RF SOI工艺。该工艺利用了高电阻阱富集的SOI衬底。

5G是4G网络的升级。今天的LTE网络频段介于700 MHz到3.5 GHz之间。相比之下，5G不仅与LTE共存，而且还将在30 GHz至300 GHz之间的毫米波段内运行。5G将数据传输速率提高到10Gbps以上，即LTE的100倍。但5G的大规模部署预计得到2020年及以后了。

无论如何，5G需要一个新的组件。"（45nm RF SOI）主要集中在5G毫米波前端，它集成了PA、LNA、开关、移相器，为5G系统创建了一个集成的毫米波可控波束形成器。"GlobalFoundries的Rabbeni说。

5G还有其它的解决方案，RF MEMS就是其中一种可能。此外，TowerJazz和加利福尼亚大学圣地亚哥分校最近展示了一个12Gbps的5G相控阵芯片组。该芯片组采用了TowerJazz的SiGe BiCMOS技术。

哪种工艺将胜出？只有时间会告诉我们答案。"目前尚不清楚RF MEMS是否在5G应用上具有优势。"Strategy Analytics的Taylor说。