后摩爾時(shí)代的特色工藝及中國(guó)發(fā)展機(jī)遇

張波

我國(guó)是集成電路的市場(chǎng)大國(guó)，大部分市場(chǎng)被國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)，國(guó)產(chǎn)替代空間巨大；特色工藝產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用緊密相關(guān)，特殊的產(chǎn)品屬性給予了我們?cè)S多發(fā)展空間與突破口；目前復(fù)雜的國(guó)際政治與產(chǎn)業(yè)生態(tài)，給自主可控芯片發(fā)展提供了改革開(kāi)放40余年來(lái)前所未有的機(jī)遇；經(jīng)過(guò)幾代炎黃子孫的不懈努力，我們?cè)谔厣に囶I(lǐng)域已具備加速發(fā)展的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在這些因素的協(xié)同作用下，相信我國(guó)特色工藝已具備最佳的發(fā)展機(jī)遇。

半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，怎么也繞不開(kāi)摩爾定律。1965年，時(shí)任美國(guó)仙童半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）公司研發(fā)主管的摩爾（Gordon E. Moore）博士為《電子學(xué)》雜志撰寫(xiě)了一篇文章“Cramming More Components onto integrated circuits”，預(yù)測(cè)集成電路的集成度（單芯片集成晶體管數(shù)目）每年增加一倍。1975年，已參與創(chuàng)建英特爾（Intel）公司的摩爾博士在IEDM（國(guó)際電子器件年會(huì)）以“Progress in digital integrated electronics”為題做主題報(bào)告，進(jìn)一步將集成電路集成度的發(fā)展速度修訂為每?jī)赡暝黾右槐?。這就是半導(dǎo)體業(yè)界著名的“摩爾定律”（Moore's Law）。

一、半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入后摩爾時(shí)代

摩爾定律自誕生以來(lái)一直指引著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，這也是英特爾公司很長(zhǎng)一段時(shí)間堅(jiān)持兩年一代工藝和Tick-Tock發(fā)展戰(zhàn)略的主要依據(jù)。

長(zhǎng)期以來(lái)，集成電路集成度的提升依賴于工藝線寬的不斷縮小，從早期的10微米工藝線寬逐步縮小到現(xiàn)在的7納米、5納米工藝節(jié)點(diǎn)，這是以摩爾定律為引領(lǐng)的單一維度創(chuàng)新發(fā)展。但隨著集成電路工藝線寬持續(xù)降低，特別是半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝進(jìn)入納米尺度后，建廠成本、工藝研發(fā)和產(chǎn)品研制等費(fèi)用急劇增加。一條先進(jìn)的集成電路生產(chǎn)線建廠成本已高達(dá)150億～200億美元，超過(guò)新一代航空母艦（130億美元）或一座新核電站（40億～80億美元）的建設(shè)成本；一個(gè)采用5納米工藝節(jié)點(diǎn)的先進(jìn)集成電路產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本也已超過(guò)5億美元。因此，從2005年開(kāi)始，集成電路工藝技術(shù)逐漸從單一追求尺寸依賴的先進(jìn)工藝，向先進(jìn)工藝（More Moore）、非尺寸依賴的特色工藝（More than Moore）和先進(jìn)封裝（System in Package：SiP）三個(gè)維度并舉發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入后摩爾時(shí)代。

二、半導(dǎo)體特色工藝

More than Moore，國(guó)內(nèi)很多人稱之為“超越摩爾定律”，但這種直譯無(wú)法反映More than Moore的全部?jī)?nèi)涵。根據(jù)More than Moore白皮書(shū)的定義：More than Moore是指不完全靠尺寸縮小，而是通過(guò)功能的增加，實(shí)現(xiàn)器件價(jià)值或者性能的提升。美國(guó)X-Fab公司是一家專注于More than Moore方向的國(guó)際著名半導(dǎo)體制造企業(yè)，其對(duì)More than Moore的定義是：在CMOS工藝基礎(chǔ)上，采用特色技術(shù)，集成模擬功能，以提升器件性能和性價(jià)比。

在本文中，我們延續(xù)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”國(guó)家科技重大專項(xiàng)（02專項(xiàng)）總體技術(shù)專家組對(duì)More than Moore的理解，將嵌入式非易失性存儲(chǔ)（eNVM）工藝、RF-CMOS工藝、BiCMOS（Bipolar-CMOS）工藝、BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工藝、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）工藝、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝，乃至GaAs、GaN、SiC工藝等不完全靠尺寸縮小來(lái)提升半導(dǎo)體器件性能的工藝統(tǒng)稱為“非尺寸依賴的特色工藝”，簡(jiǎn)稱 “特色工藝”。

特色工藝與先進(jìn)工藝是相對(duì)概念。先進(jìn)工藝是指遵循摩爾定律，追求線寬不斷縮小的高端芯片制造工藝，一般用于制造量大通用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如邏輯計(jì)算芯片和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片等；特色工藝一般是指為滿足多樣化的非標(biāo)應(yīng)用需求，通過(guò)調(diào)整材料、工藝和器件結(jié)構(gòu)等方式，實(shí)現(xiàn)特定功能（如信號(hào)的感知、保護(hù)、放大、轉(zhuǎn)換等）的芯片制造方法。常見(jiàn)的特色工藝產(chǎn)品類別有圖像傳感器、微機(jī)械系統(tǒng)、功率器件（IGBT、功率MOS等）、射頻器件、顯示驅(qū)動(dòng)芯片、接口芯片、電源管理芯片、嵌入式存儲(chǔ)器、生物芯片等。

三、特色工藝的特點(diǎn)

特色工藝除了非尺寸依賴的特點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)：

（1）特色工藝的工藝線寬較先進(jìn)工藝更大，建廠與產(chǎn)線維護(hù)成本較先進(jìn)工藝更低。

（2）相較先進(jìn)工藝，特色工藝的工藝技術(shù)相對(duì)成熟，工藝與產(chǎn)品研發(fā)投入相對(duì)較少。

（3）特色工藝多基于成熟工藝，國(guó)內(nèi)設(shè)備、材料、零部件產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)相對(duì)較好，在目前復(fù)雜的國(guó)際環(huán)境下更具發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

（4）特色工藝平臺(tái)眾多，多種工藝平臺(tái)共存。由于特色工藝產(chǎn)品與應(yīng)用場(chǎng)景密切相關(guān)，對(duì)工藝制造的需求截然不同，形成特色工藝平臺(tái)繁多、多種工藝平臺(tái)共存的特殊局面。如X-FAB的模擬工藝平臺(tái)，包含了0.13微米到1微米7種工藝節(jié)點(diǎn)，每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)又針對(duì)不同應(yīng)用需求開(kāi)發(fā)了特定的工藝平臺(tái)，如0.18微米CMOS工藝，有XH018、XP018、XS018、XT018和XC018等5種特色工藝平臺(tái)，分別采用外延和SOI技術(shù)，集成不同的器件模塊，滿足傳感、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、通訊及消費(fèi)領(lǐng)域的不同需求。

（5）特色工藝產(chǎn)品繁雜。特色工藝產(chǎn)品通常屬于模擬器件，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)不同的產(chǎn)品性能需求，導(dǎo)致特色工藝產(chǎn)品繁雜，不僅類型眾多，同類器件還存在多個(gè)品種。如美國(guó)安森美（ON Semi）公司僅功率MOS器件就高達(dá)2500余種，其配套的柵極驅(qū)動(dòng)芯片也多達(dá)154種；國(guó)際功率半導(dǎo)體行業(yè)龍頭企業(yè)德國(guó)英飛凌（Infineon）公司的功率MOS產(chǎn)品，覆蓋了電壓范圍從12V到950V乃至1700V，產(chǎn)品類型從平面柵、溝槽柵、分離柵到超級(jí)結(jié)（Superjunction），材料從硅到碳化硅，質(zhì)量等級(jí)從工業(yè)級(jí)到汽車級(jí)的諸多品類，曾經(jīng)多達(dá)3300余種，此外還有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柵極驅(qū)動(dòng)芯片400余種。

（6）特色工藝產(chǎn)品難以形成壟斷企業(yè)。由于特色工藝產(chǎn)品與應(yīng)用密切相關(guān)，品種繁雜，往往無(wú)法如先進(jìn)工藝產(chǎn)品那樣形成壟斷企業(yè)。功率半導(dǎo)體分立器件領(lǐng)域市場(chǎng)占比最大的德國(guó)英飛凌公司，收購(gòu)美國(guó)國(guó)際整流器（IR）公司以后，其市場(chǎng)占有率最高也不足20%；全球前十大功率半導(dǎo)體分立器件廠商總共也只占據(jù)60%左右的市場(chǎng)份額，這給后來(lái)者留下了足夠的發(fā)展空間。功率半導(dǎo)體分立器件如此，領(lǐng)域擴(kuò)大到整個(gè)模擬芯片仍是如此。根據(jù)國(guó)際著名咨詢機(jī)構(gòu)IC Insights統(tǒng)計(jì)，2020年全球前十大模擬芯片廠商銷售了354億美元，占據(jù)全球大約62%的市場(chǎng)份額，其中銷售量最大的美國(guó)德州儀器（TI）公司占據(jù)全球模擬芯片19%的市場(chǎng)份額，整個(gè)模擬芯片領(lǐng)域仍未形成壟斷。

四、中國(guó)的發(fā)展機(jī)遇

正是特色工藝所具有的上述特點(diǎn)，帶來(lái)了中國(guó)的發(fā)展機(jī)遇。

1.中國(guó)是全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場(chǎng)

改革開(kāi)放40余年，我國(guó)建立了門類齊全的現(xiàn)代工業(yè)體系，實(shí)力迅速壯大并躍升為世界第一制造大國(guó)，也是全世界唯一擁有聯(lián)合國(guó)產(chǎn)業(yè)分類中全部工業(yè)門類的國(guó)家。2020年中國(guó)制造業(yè)增加值為3.85萬(wàn)億美元，占全球28.58%，超過(guò)美國(guó)（排名第二）和日本（排名第三）兩國(guó)制造業(yè)增加值的總和，遙遙領(lǐng)先于世界其他國(guó)家。這也促使我國(guó)成為全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場(chǎng)。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)集成電路進(jìn)口額3500.4億美元，占全球半導(dǎo)體銷售額4404億美元的79.5%。

2.特色工藝產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)替代空間巨大

但我們必須看到，我國(guó)進(jìn)口的3500.4億美元集成電路中，單塊集成電路均價(jià)僅為0.64美元。意味著我國(guó)進(jìn)口的集成電路產(chǎn)品，除了動(dòng)輒上百美元的高端CPU外，還有大量無(wú)需先進(jìn)工藝的半導(dǎo)體分立器件、電源管理集成電路、通用處理器、控制器等集成電路產(chǎn)品。由此可見(jiàn)，特色工藝產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)替代空間巨大。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)外產(chǎn)品先行占領(lǐng)市場(chǎng)且技術(shù)先進(jìn)，加之對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片存在不信任的心理，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)芯片常面臨“產(chǎn)品做出來(lái)沒(méi)人用”的窘?jīng)r，發(fā)展步履艱難。特色工藝產(chǎn)品多屬于模擬芯片范疇，更需在“試錯(cuò)”中迭代發(fā)展，這次中美貿(mào)易摩擦特別是中興、華為事件，疊加芯片市場(chǎng)缺貨行情，讓國(guó)產(chǎn)芯片有了更多“試錯(cuò)”的機(jī)會(huì)，打開(kāi)了國(guó)產(chǎn)替代的空間。

也許有人會(huì)說(shuō)，講“國(guó)產(chǎn)替代”站位不高，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“先進(jìn)器件引領(lǐng)系統(tǒng)發(fā)展”。確實(shí)，引領(lǐng)系統(tǒng)發(fā)展是我們“芯片人”的使命，但如果沒(méi)看見(jiàn)“國(guó)產(chǎn)替代”這樣一個(gè)大市場(chǎng)，不踏踏實(shí)實(shí)一步步做起，夯實(shí)基礎(chǔ)，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)就很難做大做強(qiáng)。

3.我國(guó)已具備較好的特色工藝發(fā)展基礎(chǔ)

2021年3月發(fā)布的我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，第一次將集成電路特色工藝和先進(jìn)工藝突破并列，特色工藝的發(fā)展機(jī)遇已經(jīng)被國(guó)家和行業(yè)所認(rèn)識(shí)。如中芯國(guó)際在堅(jiān)持先進(jìn)工藝突破的同時(shí)也在大力發(fā)展特色工藝，上海華虹宏力堅(jiān)定地持續(xù)推進(jìn)特色工藝，華潤(rùn)微電子已將特色工藝作為自身發(fā)展之本，杭州士蘭微在特色工藝上不斷提升自己的研發(fā)與量產(chǎn)能力，還有中國(guó)電子的積塔半導(dǎo)體、廣州粵芯等多條新建12英寸特色工藝生產(chǎn)線。國(guó)內(nèi)新建或在建的特色工藝芯片生產(chǎn)線不僅有垂直整合型IDM模式，還有大量的芯片代工廠，這給我國(guó)特色工藝產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司提供了發(fā)展平臺(tái)。

4.我國(guó)發(fā)展特色工藝及產(chǎn)品所面臨的挑戰(zhàn)

特色工藝平臺(tái)眾多，產(chǎn)品種類繁雜。國(guó)際領(lǐng)先的半導(dǎo)體特色產(chǎn)品企業(yè)通過(guò)數(shù)十年的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)并購(gòu)，產(chǎn)品系列豐富。相較而言，我國(guó)相關(guān)企業(yè)產(chǎn)品體系單薄，對(duì)用戶的供應(yīng)鏈管理處于弱勢(shì)。特色工藝相關(guān)的特色產(chǎn)品常常與器件設(shè)計(jì)、工藝制造、產(chǎn)品封裝、應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，因此國(guó)外半導(dǎo)體特色產(chǎn)品企業(yè)通常是IDM形態(tài)，而國(guó)內(nèi)缺乏大型的IDM企業(yè)，導(dǎo)致產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，競(jìng)爭(zhēng)力缺乏。同時(shí)國(guó)外半導(dǎo)體特色產(chǎn)品企業(yè)大都具有悠久歷史，產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)豐富、人才集聚，并進(jìn)行了相關(guān)產(chǎn)品的專利布局，能響應(yīng)市場(chǎng)需求快速研制出新的產(chǎn)品并占領(lǐng)市場(chǎng)。

五、總結(jié)

盡管我國(guó)發(fā)展特色工藝面臨眾多挑戰(zhàn)，但從前面的分析中可以看出，我們?nèi)匀挥邪l(fā)展的優(yōu)勢(shì)與潛力。我國(guó)是集成電路的市場(chǎng)大國(guó)，大部分市場(chǎng)被國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)，國(guó)產(chǎn)替代空間巨大；特色工藝產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用緊密相關(guān)，特殊的產(chǎn)品屬性給予了我們?cè)S多發(fā)展空間與突破口；目前復(fù)雜的國(guó)際政治與產(chǎn)業(yè)生態(tài)，給自主可控芯片發(fā)展提供了改革開(kāi)放40余年來(lái)前所未有的機(jī)遇；經(jīng)過(guò)幾代炎黃子孫的不懈努力，我們?cè)谔厣に囶I(lǐng)域已具備加速發(fā)展的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在這些因素的協(xié)同作用下，相信我國(guó)特色工藝已具備最佳的發(fā)展機(jī)遇。

（作者為電子科技大學(xué)集成電路研究中心主任）