RF als Antrieb für Prozesse der nächsten Generation

Von Dave Lammers
 
GLOBALFOUNDRIES is expanding its RF capabilities in two important ways: moving RF SOI manufacturing to larger wafers and a new technology platform at its East Fishkill 300mm fab. Secondly, RF IP development plays a key role in the 22FDX® platform.</em>
 
Erfolgreiche Halbleiterunternehmen stehen vor einer interessanten Herausforderung: Sie müssen in der Lage sein, Lösungen für die schnell wachsenden Märkte der Automobilindustrie und des Internets der Dinge zu entwickeln, indem sie drei Technologien kombinieren, die in der Vergangenheit oft getrennt waren: Prozessoren und andere digitale Kerne, Speicher und RF.

Subramani Kengeri, Vice President der CMOS Platforms Business Unit bei GF, sagte: "In Zukunft werden die SoCs für jeden aufstrebenden Markt ein Funkgerät haben. Mit der 22FDX-Plattform haben wir eine kosteneffiziente Lösung, bei der RF und Analog auf derselben Technologie wie Digitaltechnik basieren."

RF und digitale Konvergenz

Vollständig verarmtes SOI hat Vorteile für On-Chip-RF. Die planaren Transistoren in der 22FDX-Technologie weisen eine geringere Variabilität auf als finFETs auf einem Siliziumsubstrat, bei denen es schwierig ist, sowohl die Höhe als auch die Breite der Lamellen zu kontrollieren.
 
"Die FD-SOI-Technologie bietet bessere Transistor-Anpassungseigenschaften. Da 22FDX planar ist und eine viel geringere Variabilität aufweist, hilft dies beim Aufbau sauberer RF- und Analog- sowie digitaler Hochleistungsschaltungen", so Kengeri.
 
Um die Einführung von 22FDX zu beschleunigen, hat GF mit INVECAS, einem in Santa Clara ansässigen IP-Anbieter, einen Vertrag über 22nm-Bibliotheken und IP-Angebote auf höherer Ebene geschlossen, die exklusiv für GF-Silizium sind. Andere Ökosystempartner arbeiten vorrangig an der Entwicklung von siliziumerprobten WiFi- und Bluetooth-Cores.
 
"Über 45 Kunden befinden sich in verschiedenen Stadien der Zusammenarbeit, und führende Kunden haben Testchips entwickelt. Alle fünf führenden EDA-Anbieter haben Unterstützung für 22FDX angekündigt. Wir sind auf dem besten Weg, die Technologie noch in diesem Jahr zu qualifizieren", sagte Kengeri, und die Massenproduktion soll schnell folgen.

RF SOI auf dem Weg zu 300 mm

GF arbeitet auch an der Entwicklung seines RF-SOI-Prozesses der nächsten Generation, mit dem das Unternehmen seine Führungsposition bei RF-Front-End-Siliziumtechnologien weiter ausbaut. Mit der Auslieferung des 20-milliardsten RF-SOI-Chips hat foundry kürzlich einen wichtigen Meilenstein erreicht. Da die Leistungsanforderungen für RF SOI-Technologien immer anspruchsvoller werden und die Nachfrage aufgrund der Komplexität von Smartphone-Funkgeräten weiter steigt, arbeitet GF an der nächsten Innovationswelle im Bereich mobiler RF-Frontends. Die Fertigung auf 300mm-Wafern ist ein wichtiger Bestandteil dieser Strategie.
 
Peter Rabbeni, Senior Director des Geschäftsbereichs RF, sagte: "Wir haben bereits bewiesen, dass 300 mm neben der Kapazitätserweiterung eine Reihe weiterer Vorteile bieten kann. Die Verfügbarkeit neuer Materialien und eine kleinere Lithografie sind nur einige der Möglichkeiten der 300mm-Fertigung, die der Leistung der Geräte zugute kommen."
 
Eines der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale von RF-SOI ist, dass die Schaltungen auf einem speziellen Substrat aufgebaut werden, das sich von dem für digitale Anwendungen wie Low-Power-Mikrocontroller verwendeten SOI-Substrat deutlich unterscheidet und dessen Eigenschaften besser für Hochleistungs-HF geeignet sind. Die Substrateigenschaften unterstützen die hohe Isolation und das niedrige Oberwellenverhalten, die in HF-Frontend-Schaltungen benötigt werden, um Funkstörungen zu vermeiden und die Signaltreue zu erhalten, erklärte Rabbeni.
 
GF hat in enger Zusammenarbeit mit Substratlieferanten eine RF-SOI-Technologie entwickelt, die die strengen Anforderungen an Oberschwingungen und Linearität erfüllt, die heutige RF-Front-End-Schalter und Tuner benötigen.
 
LTE-Kommunikation und Trägeraggregation erfordern RF SOI der nächsten Generation mit verbesserter Einfügedämpfung und Linearität. Bei der Trägeraggregation werden zum Beispiel Methoden zur Erweiterung der Datenrate eingeführt, bei denen zwei oder mehr Träger zu einem einzigen Datenstrom verbunden werden. Dies führt zu einer gewissen Komplexität im HF-Pfad, die berücksichtigt werden muss, um sicherzustellen, dass alle nichtlinearen Produkte, die durch diesen Vorgang entstehen, minimiert werden.
 
"Ein weiterer wichtiger Trend, den wir beobachten, ist die Integration von mehr digitalen Inhalten. So wird beispielsweise die MIPI-Schnittstelle für die RF-Front-End-Steuerung in erheblichem Umfang eingesetzt und macht nun einen größeren Prozentsatz der Chips aus", sagte er.
 
Über die Anforderungen des LTE-Standards hinaus, so Rabbeni, wird der RF-SOI-Prozess der nächsten Generation die Grundlage für den 5G-Mobilfunkstandard bilden. Obwohl der endgültige 5G-Standard noch nicht ratifiziert wurde, entwickeln Kunden bereits 5G-Demonstrationssysteme für die Olympischen Spiele 2018 und 2020. Der Millimeterwellenbetrieb scheint am besten geeignet zu sein, um die Versprechen von 5G zu erfüllen, einschließlich niedriger Latenzzeiten, spektraler Effizienz und hoher Datenraten am Zellenrand. "Wenn dies die Richtung ist, die die Industrie einschlägt, wird mehr Integration erforderlich sein, als die heutigen RF-SOI-Technologien erreichen können", sagte Rabbeni.
 
Die Kunden können die Strahlformer, Leistungsverstärker, Phasenschieber, LNAs (rauscharme Verstärker) und sogar einige Teile des Transceivers auf einem einzigen Chip unter digitaler Hochgeschwindigkeitssteuerung integrieren. "Es ist sicher, dass unsere Kunden in Zukunft deutlich mehr Integration mit RF SOI wünschen werden. Wir nutzen einen Großteil der Erkenntnisse, die wir mit unserer 45SOI-Technologie gewonnen haben, um diesen Sprung nach vorn zu schaffen", sagte er.
 
Letzten Endes kommt es auf die Möglichkeiten an, die den Entwicklern helfen, ihr Produkt schnell auf den Markt zu bringen. "Wir betreiben einen erheblichen Aufwand und sind sehr stolz darauf, sehr genaue Modelle und qualitativ hochwertige Prozessdesign-Kits (PDKs) bereitzustellen, damit die Kunden sicher sein können, dass das, was sie simulieren, genau dem entspricht, was das Silizium leistet, wenn es aus der Fertigung kommt. Wir verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Herstellung von RF-Siliziumtechnologien. Es gibt nicht viele große Foundries, die das von sich behaupten können.
 
Diese wachsenden Marktchancen haben dazu geführt, dass wir uns stark auf die Umgestaltung unserer Fertigungskapazitäten konzentrieren. Wir haben einige sehr gezielte Entscheidungen über Kapazitätserweiterungen für RF SOI und Silizium-Germanium getroffen, um sicherzustellen, dass wir die erwartete Nachfrage decken können. Die Erweiterung zur Deckung der kommenden Nachfrage aus China ist ein wichtiger Schwerpunkt für uns", sagte Rabbeni.
 
Da Chinas Mobilfunknutzer auf 4G- und LTE-fähige Mobiltelefone umsteigen und sich der 5G-Standard durchzusetzen beginnt, könnte die Nachfrage nach RF-SOI- und SiGe-basierten Chips schnell steigen, genau wie vor einigen Jahren.

Beobachtung der 300-mm-Bewegung

Joanne Itow, Geschäftsführerin bei Semico Research (Phoenix), sagte, sie beobachte genau, wie sich der Übergang zu 300mm RF SOI-Wafern bei GF und anderen Anbietern von foundry entwickelt.
 
Als IBMs Burlington-Betrieb einen siliziumbasierten Weg zu RF-Front-End-ICs entwickelte, "war der Wechsel zu RF-SOI und weg von GaAs ziemlich schnell, da die Vorteile offensichtlich waren. Die Foundries, die in der Lage sind, auf 300-mm-Wafer umzusteigen, haben einen Vorsprung. Allein diese Option ist ein echtes Plus", sagte Itow.
 
Itow sagte, sie beobachte, wie die SOI-Wafer-Lieferanten, vor allem Soitec (Grenoble, Frankreich), mit einer zuverlässigen Lieferung von 300-mm-RF-SOI-Wafern reagieren und wie die Foundries und Kunden die Vorteile der größeren Wafergrößen nutzen.
 
"Wir prüfen den nächsten Schritt, um Produkte auf 300 mm Kapazität zu bringen. Was uns von den Gießereien gesagt wird, hört sich gut an, und es klingt so, als ob GF am richtigen Ort ist und sich auf die richtigen Märkte vorbereitet. Jetzt müssen wir abwarten und sehen, ob es funktioniert oder nicht", sagte sie.