集成電路特色工藝生產(chǎn)線研究

特色工藝是集成電路制造工藝的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于模擬器件、射頻器件、顯示驅(qū)動(dòng)、電源管理、傳感器等集成電路產(chǎn)品制造。我國在特色工藝領(lǐng)域已經(jīng)具備一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，月產(chǎn)能總計(jì)超過 80 萬片。隨著物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、工業(yè)控制、超高清視頻等新興應(yīng)用的快速發(fā)展，未來對特色工藝的產(chǎn)能需求還將進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)前應(yīng)抓住特色工藝新一輪發(fā)展機(jī)遇，加快提升我國芯片制造業(yè)整體產(chǎn)能水平和技術(shù)實(shí)力。

特色工藝定義與分類

（一）定義

產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界對特色工藝都沒有統(tǒng)一的定義，全球重點(diǎn)集成電路制造企業(yè)，如臺積電、聯(lián)電、中芯國際、意法半導(dǎo)體等，對提供的工藝有不同的分類方式。全球代工領(lǐng)域龍頭企業(yè)臺積電把工藝制程分為邏輯制程和特殊制程，邏輯制程包括3微米～5納米工藝，特殊制程包括MEMS技術(shù)、CMOS圖像傳感器、嵌入式閃存（eFlash）、混合/射頻、模擬工藝、高壓工藝和BCD工藝。聯(lián)電把工藝制程分為90～14納米、0.11微米鋁制程、RF解決方案、嵌入式高壓解決方案、電源管理解決方案、嵌入式非揮發(fā)性存儲器（eNVM）、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和汽車電子平臺。中芯國際把工藝制程分為先進(jìn)邏輯技術(shù)和成熟邏輯技術(shù)，先進(jìn)邏輯技術(shù)包括55～28納米技術(shù)，成熟邏輯技術(shù)包括0.35微米～90納米、eNVM、混合信號/射頻工藝技術(shù)、模擬/電源、IGBT、面板驅(qū)動(dòng)芯片、CMOS圖像傳感器、CMOS微電子機(jī)械系統(tǒng)、非易失性存儲器、物聯(lián)網(wǎng)解決方案、汽車電子工業(yè)平臺。

綜合業(yè)界主要集成電路制造企業(yè)的工藝技術(shù)，賽迪智庫主要參考臺積電的分類標(biāo)準(zhǔn)，將工藝技術(shù)分為邏輯工藝和特色工藝，特色工藝主要為采用特殊制程進(jìn)行芯片制造的生產(chǎn)線，代表工藝為eNVM、圖像傳感器、顯示驅(qū)動(dòng)器件、射頻器件、功率器件、模擬器件、汽車電子、BCD工藝和傳感器等。本報(bào)告選取其中使用較多的典型工藝，BCD工藝、功率器件工藝、eNVM工藝、射頻器件工藝、圖像傳感器工藝展開詳細(xì)討論。

（二）分類

1.按產(chǎn)品分類

根據(jù)特色工藝生產(chǎn)線制造的產(chǎn)品類別，可以分為eNVM、圖像傳感器、顯示驅(qū)動(dòng)器件、射頻器件、功率器件、模擬器件、汽車電子和傳感器。

2.按技術(shù)分類

根據(jù)特色工藝技術(shù)不同，可以分為BCD工藝、BiCMOS工藝、雙極工藝、VDMOS工藝、高性能模擬工藝、高壓CMOS工藝、超高壓CMOS工藝、SOI工藝、MEMS工藝、高溫工藝和化合物半導(dǎo)體工藝等。

3.按應(yīng)用分類

根據(jù)特色工藝應(yīng)用領(lǐng)域，可以分為消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子、工業(yè)/醫(yī)療四大領(lǐng)域，其中每個(gè)領(lǐng)域包括不同的細(xì)分應(yīng)用產(chǎn)品。

典型特色工藝和產(chǎn)品分析

（一）BCD工藝

1.工藝概述

BCD工藝是最典型的特色工藝，是一種單片集成工藝技術(shù)。上世紀(jì)80年代中期由意法半導(dǎo)體公司發(fā)明，并在此后不斷地開發(fā)和完善。BCD工藝在同一個(gè)芯片上集成雙極管（Bipolar）、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)（CMOS）和雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（DMOS）器件，整合三種不同制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以提高芯片可靠性、降低電磁干擾、縮小芯片面積。BCD工藝已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電源管理、模擬數(shù)據(jù)采集、顯示驅(qū)動(dòng)、汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

2.工藝特點(diǎn)

BCD工藝把雙極器件、CMOS器件、DMOS器件同時(shí)制作在同一芯片上，它綜合了三者各自的優(yōu)勢，提高了雙極器件高精度處理模擬信號的能力，CMOS用于設(shè)計(jì)數(shù)字控制電路的優(yōu)勢，DMOS用于開發(fā)電源和高壓開關(guān)器件的特點(diǎn)，使其互相取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。因此BCD工藝具有高跨導(dǎo)、強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力、集成度高、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，整合后的BCD工藝制程，可以提高系統(tǒng)性能，大幅降低功率耗損，節(jié)省電路的封裝費(fèi)用，并具有更高的可靠性。

BCD工藝作為一種特色工藝，不同于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝遵循摩爾定律向更小特征尺寸、更快速度的方向發(fā)展，而是根據(jù)應(yīng)用需求，向高壓、高功率、高密度三個(gè)方向發(fā)展。

（二）功率器件工藝

1.工藝概述

功率器件又稱電力電子器件或功率半導(dǎo)體，是分立器件的主要產(chǎn)品類別。從產(chǎn)品來看包括快恢復(fù)二極管（FRD）、肖特基勢壘二極管（SBD）等二極管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、雙極結(jié)型晶體管（BJT）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等晶體管以及晶閘（Thyristor，又稱可控硅）等。二極管主要起整流的作用，晶體管和晶閘管主要起開關(guān)的作用IGBT是功率器件中的關(guān)鍵產(chǎn)品門類。作為新一代的功率器件，IGBT性能十分優(yōu)異，適用于各類需要進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換、電流電壓轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場景。在電網(wǎng)輸變電、新能源汽車、軌道交通、新能源、變頻家電等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。SiC和GaN等功率器件是產(chǎn)業(yè)關(guān)注熱點(diǎn)，在高壓、高頻、高溫、高功率應(yīng)用市場優(yōu)勢顯著。

2.工藝特點(diǎn)

所承受的電壓電流等級決定使用的工藝類型。功率器件需要面向不同的應(yīng)用場景，對關(guān)斷時(shí)承受的電壓和導(dǎo)通時(shí)可以通過的電流有不同的需求。如面向600V及以下電壓等級，如消費(fèi)電子、家用電器等，MOSFET器件是市場應(yīng)用的主流，在600V～6500V電壓等級，如新能源汽車、光伏、風(fēng)能、軌道交通等。IGBT是市場應(yīng)用的主流。在6500V以上電壓等級的智能電網(wǎng)領(lǐng)域，晶閘管是市場應(yīng)用的主流。

（三）嵌入式存儲工藝（eNVM）

1.工藝概述

嵌入式存儲器不同于片外存儲器，是集成在片內(nèi)與系統(tǒng)中各個(gè)邏輯、混合芯片等IP共同組成單一芯片的基本組成部分。嵌入式存儲器包括嵌入式靜態(tài)存儲器、動(dòng)態(tài)存儲器和各種非揮發(fā)性存儲器。相對于傳統(tǒng)的片外存儲方案，嵌入式存儲具有更高的數(shù)據(jù)交換速度和更高的可靠性，因此在SoC芯片中應(yīng)用廣泛，基本每個(gè)SoC芯片中都含有一種或多種嵌入式存儲器。

嵌入式存儲器大體分為兩類，一類是揮發(fā)性存儲器（VM），另一類是非揮發(fā)性存儲器（NVM），揮發(fā)性存儲器包括速度快、功耗低、簡單的SRAM和高密度的DRAM；而非揮發(fā)性存儲器在實(shí)際使用中有更多種類，常用的包括eFuse、OTP、MTP、eEEPROM以及越來越普及的eFlash技術(shù)。其中，非揮發(fā)性存儲器主要用于存儲器掉電不丟失的固定數(shù)據(jù)和程式，在SoC芯片中面積占比逐年增加，嵌入式存儲器的優(yōu)劣對芯片系統(tǒng)的影響越來越大，因此為各大代工企業(yè)均會提供的工藝平臺，成為特色工藝中的重要類別。

嵌入式非揮發(fā)性存儲器按擦寫次數(shù)和容量分為eFlash、eEEPROM、MTP、OTP和eFuse等技術(shù)，適用于不同的應(yīng)用場景。對于高擦寫次數(shù)的應(yīng)用，如智能卡、SIM卡、MCU或物聯(lián)網(wǎng)，主要采用eEEPROM或eFlash；對于中低擦寫次數(shù)的應(yīng)用，如電源管理、顯示驅(qū)動(dòng)芯片，主要采用eMTP技術(shù)；對于一次性編程的應(yīng)用產(chǎn)品，如消費(fèi)電子等，主要采用eOTP和eFuse技術(shù)。當(dāng)前eFlash技術(shù)具有巨大的應(yīng)用市場。

2.工藝特點(diǎn)

一是嵌入式存儲器與其應(yīng)用芯片自身的工藝特性條件密切相關(guān)。嵌入式存儲器和分立式存儲器雖然都是存儲器，但是也存在一些重要的不同之處。嵌入式存儲器往往與應(yīng)用芯片的本身工藝特性條件有很大關(guān)系，如采用90nm和45nm工藝制造的芯片，其內(nèi)部嵌入式存儲器大小也有很大差別；而分立式存儲器件主要是圍繞存儲器器件進(jìn)行優(yōu)化工藝。為了方便SoC芯片設(shè)計(jì)和制造，當(dāng)前的嵌入式存儲器IP大多選擇兼容邏輯標(biāo)準(zhǔn)工藝，以實(shí)現(xiàn)在主流工藝上的快速應(yīng)用。

二是嵌入式存儲器在SoC芯片中所占面積比重逐年增加。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式存儲器對于芯片系統(tǒng)性能的影響越來越大。系統(tǒng)級芯片需要容量更大、速度更快、性價(jià)比更高的嵌入式存儲，使得嵌入式存儲在SoC芯片中面積比重也越來越高。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，1999年嵌入式存儲平均占比只有20%，2007年迅速上升到60%～70%，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到90%以上。

三是嵌入式存儲的選擇需要綜合衡量成本、功耗及性能。嵌入式存儲通常會增加工藝步驟，使得芯片制造的一次性成本和持續(xù)性成本都增加，同時(shí)eNVM的測試時(shí)間遠(yuǎn)大于芯片中的普通SRAM和ROM，因而增加了芯片的測試費(fèi)用。在選擇eNVM時(shí)，要從系統(tǒng)角度綜合考慮用途、容量、性能、可靠性等因素，以實(shí)現(xiàn)最終提高芯片性價(jià)比。

（四）射頻器件工藝

1.工藝概述

射頻器件（RF）是指發(fā)射或接受無線射頻信號的半導(dǎo)體器件。射頻器件是無線連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵?，凡是需要無線連接的地方必須使用射頻器件。

從制造工藝來看，包括RF CMOS工藝、RF-SOI工藝、SiGe工藝、GaAs HBT工藝、GaAs pHEMT工藝、GaAs BiHEMT工藝、GaN HEMT工藝、濾波器SAW和BAW工藝等。

從產(chǎn)品來看，包括功率放大器（Power Amplifier，PA）、低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）、濾波器（Filter）、射頻開關(guān)（Switch）、雙工/多工器（Duplexer/multiplexer）、衰減器（Attenuator）、振蕩器（Oscillator）、單片微波集成電路（MMIC）、射頻SoC芯片等。

從應(yīng)用來看，包括藍(lán)牙芯片、NFC芯片、Wi-Fi芯片、2G/3G/4G手機(jī)射頻芯片、2G/3G/4G基站射頻芯片、汽車?yán)走_(dá)芯片、軍用雷達(dá)芯片、無線充電芯片、射頻能源芯片等。

2.工藝特點(diǎn)

射頻工藝由射頻器件的產(chǎn)品和應(yīng)用場景決定。射頻器件跟據(jù)應(yīng)用場景需要匹配不同的無線電頻率和發(fā)射功率，同時(shí)還會考慮成本、集成度等因素，綜合考慮后決定使用哪種工藝來設(shè)計(jì)和制作器件。

例如，智能手機(jī)的功率放大器在2G通信階段使用的是CMOS工藝，進(jìn)入3G/4G階段后，由于通信頻段由900MHz提升至2000MHz，功率放大器開始使用GaAs HBT工藝，以滿足性能需求，主要的代工廠為穩(wěn)懋公司（WinSemi）；手機(jī)中濾波器工藝由2G/3G階段的聲表面波濾波器（SAW）改進(jìn)為4G階段的體聲波濾波器（BAW）和薄膜腔聲諧振濾波器（FBAR），主要的代工廠包括村田公司（Murata）和Qorvo公司等；面向消費(fèi)電子的藍(lán)牙SoC芯片的工作頻段在2400MHz，功率卻只有1～100mW，只有2G手機(jī)發(fā)射功率的1/2000～1/20，以滿足藍(lán)牙通信低功耗的要求，加之SoC集成化的需求，使得藍(lán)牙SoC芯片使用的是CMOS工藝，主要的代工廠為中芯國際等。

（五）圖像傳感器工藝

1.工藝概述

圖像傳感器 ，是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)和其他電子光學(xué)設(shè)備中，主要完成將相機(jī)外界光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕娜蝿?wù)，然后經(jīng)過一系列電信號的處理，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成可以在顯示器上或其他顯示設(shè)備上顯示的圖像。在當(dāng)今的手機(jī)攝像、普通相機(jī)攝像、水下探測、空間對地遙感等應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的圖像傳感器是電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）圖像傳感器和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器。

2.工藝特點(diǎn)

圖像傳感工藝是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用光電器件的光—電轉(zhuǎn)化功能，將其感光面上的光信號轉(zhuǎn)換為與光信號成對應(yīng)比例關(guān)系的電信號“圖像”的一門技術(shù)，該技術(shù)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時(shí)序信號。

圖像傳感器主要包括CMOS傳感器（CIS）和CCD傳感器兩種產(chǎn)品類型。CCD靈敏度高，但響應(yīng)速度低。

目前CIS在性能上已與CCD日趨接近，同時(shí)具有價(jià)格低、體積小、速度快、功耗低的優(yōu)勢，正逐步成為市場主流。

我國特色工藝生產(chǎn)線概況

我國特色工藝生產(chǎn)線概況

產(chǎn)能分布。我國特色工藝主要為8英寸、6英寸生產(chǎn)線。目前國內(nèi)正在運(yùn)行（不含在建）的8英寸生產(chǎn)線共28條（包括3條中試線），產(chǎn)能總計(jì)超過80萬片/月，其中主要面向特色工藝的產(chǎn)線為18條，工藝技術(shù)分布于0.35微米～90納米各技術(shù)節(jié)點(diǎn)。產(chǎn)品包括數(shù)字芯片、混合信號芯片、嵌入式存儲器、數(shù)模混合芯片、特色模擬芯片、新型傳感器、新型功率器件（如IGBT）、化合物半導(dǎo)體等。

區(qū)域分布。從區(qū)域分布情況看，國內(nèi)特色工藝生產(chǎn)線分布較為分散。目前正在運(yùn)行的8英寸特色工藝生產(chǎn)線主要分布在上海地區(qū)，包括12條生產(chǎn)線，主要企業(yè)有中芯國際、華虹宏力、上海先進(jìn)，占據(jù)總產(chǎn)能一半以上份額。第二大區(qū)域在蘇州，包括3條生產(chǎn)線。第三大區(qū)域?yàn)槌啥?，包?條生產(chǎn)線。其他區(qū)域包括北京、杭州、遼寧、深圳、天津、無錫、武漢、張家港等，均只有一條生產(chǎn)線。

我國發(fā)展特色工藝生產(chǎn)線的措施建議

緊抓物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等新興應(yīng)用代工需求。一是抓住新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ厣に嚨拇ば枨蟆ｋS著物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等新興應(yīng)用的快速發(fā)展，對模擬、射頻、傳感器等特色工藝代工需求不斷增長，導(dǎo)致全球特色工藝產(chǎn)能嚴(yán)重短缺。我國在物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的市場空間，應(yīng)鼓勵(lì)企業(yè)抓住發(fā)展機(jī)遇快速擴(kuò)充產(chǎn)能。二是鼓勵(lì)應(yīng)用企業(yè)與特色工藝企業(yè)加強(qiáng)互動(dòng)。發(fā)揮特色工藝產(chǎn)品與應(yīng)用結(jié)合緊密的特點(diǎn)，以應(yīng)用為牽引，鼓勵(lì)應(yīng)用企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)初期就與特色工藝企業(yè)開展緊密互動(dòng)，共同進(jìn)行產(chǎn)品定義、芯片設(shè)計(jì)、工藝驗(yàn)證、產(chǎn)品上市推廣等過程，加強(qiáng)特色工藝企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新，豐富特色工藝平臺IP庫。三是以資本為紐帶加強(qiáng)特色工藝與應(yīng)用之間形成協(xié)同。鼓勵(lì)汽車電子、工業(yè)控制等大型整機(jī)應(yīng)用企業(yè)，以成立子公司、入股或成立基金等方式，投資特色工藝企業(yè)，加強(qiáng)整機(jī)應(yīng)用與特色工藝之間協(xié)同創(chuàng)新，支持國內(nèi)特色工藝企業(yè)做大做強(qiáng)。

針對不同的特色工藝類別選擇合適的發(fā)展模式。一方面，針對量大面廣應(yīng)用的特色工藝，如嵌入式存儲、顯示驅(qū)動(dòng)、電源管理（BCD工藝）、圖像傳感器、汽車電子等工藝或產(chǎn)品，鼓勵(lì)企業(yè)繼續(xù)以代工模式發(fā)展。如依托中芯國際、華虹宏力兩家骨干企業(yè)，對內(nèi)加強(qiáng)整合，對外擴(kuò)大合作，繼續(xù)推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新，提升技術(shù)水平，豐富完善現(xiàn)有工藝平臺。另一方面，針對重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用的特色工藝，如功率器件、射頻器件等，扶持國內(nèi)企業(yè)發(fā)展IDM模式。整合國內(nèi)現(xiàn)有資源，擴(kuò)大現(xiàn)有企業(yè)規(guī)模，并適時(shí)通過并購等手段，進(jìn)一步提高產(chǎn)品技術(shù)水平和生產(chǎn)制造能力。如依托國內(nèi)士蘭微或華潤打造功率器件IDM生產(chǎn)線，依托株洲中車打造IGBT IDM生產(chǎn)線，提升國內(nèi)特色工藝整體實(shí)力。

加強(qiáng)國產(chǎn)裝備材料與特色工藝生產(chǎn)線協(xié)同互動(dòng)。特色工藝生產(chǎn)線目前主要仍采用8英寸生產(chǎn)線，部分化合物半導(dǎo)體工藝甚至采用6英寸生產(chǎn)線，對工藝制程和設(shè)備要求相對先進(jìn)工藝較低，且隨著產(chǎn)能快速擴(kuò)充對設(shè)備保持強(qiáng)勁需求，均為國產(chǎn)設(shè)備和材料發(fā)展提供重要機(jī)遇。一是建立以國產(chǎn)裝備和材料為主的特色工藝驗(yàn)證平臺。鼓勵(lì)國內(nèi)能提供8英寸設(shè)備和材料的企業(yè)聯(lián)合建立特色工藝驗(yàn)證平臺，進(jìn)行成熟制程的產(chǎn)品量產(chǎn)，積累國產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)，并不斷加以完善，加快提升設(shè)備和材料的國產(chǎn)化水平，建立國內(nèi)特色工藝生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)生態(tài)。二是鼓勵(lì)國內(nèi)特色工藝制造企業(yè)為國產(chǎn)設(shè)備材料提供試錯(cuò)機(jī)會。繼續(xù)采用首臺（套）重大技術(shù)裝備保險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制政策，支持國內(nèi)特色工藝生產(chǎn)線企業(yè)加大對國產(chǎn)設(shè)備和材料的采購力度，為國產(chǎn)設(shè)備提供實(shí)際量產(chǎn)測試機(jī)會，部分關(guān)鍵設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。

堅(jiān)持主體集中開展國內(nèi)特色工藝生產(chǎn)線布局。國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境逐漸優(yōu)化，各地發(fā)展熱情積極高漲，生產(chǎn)線布局應(yīng)避免一哄而上，防止低端產(chǎn)能重復(fù)建設(shè)。一是堅(jiān)持主體集中、區(qū)域分散開展特色工藝生產(chǎn)線布局。堅(jiān)持產(chǎn)業(yè)的區(qū)域集聚，選擇優(yōu)勢高端特色工藝企業(yè)落地，防范多地盲目建設(shè)，引導(dǎo)地方立足自身基礎(chǔ)優(yōu)勢展開布局，形成各地特色突出、優(yōu)勢互補(bǔ)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。二是加強(qiáng)對國內(nèi)特色工藝龍頭企業(yè)培育。支持骨干企業(yè)整合國內(nèi)現(xiàn)有8英寸生產(chǎn)線資源，面向模擬芯片、高壓混合、汽車電子、工業(yè)控制、傳感器芯片等領(lǐng)域，調(diào)整工藝技術(shù)組合，實(shí)現(xiàn)差異化競爭，保持并增強(qiáng)在利潤率較高應(yīng)用領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢，提升企業(yè)整體實(shí)力和市場競爭力。