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发展半导体产业,特色工艺担大任

近年来,半导体企业在摩尔定律的“指挥棒”下不断追求更小的线宽,以提升芯片的性能并降低其成本。然而,随着芯片的工艺制程逐渐接近物理极限,每个工艺节点的成本变得高昂,因此通过“非尺寸依赖的特色工艺”优化器件成本,提升其整体性能成为了集成电路产业的又一发展之道。
发布时间:2020-09-01 13:12        来源:中国电子报        作者: 张依依 沈丛

近年来,半导体企业在摩尔定律的“指挥棒”下不断追求更小的线宽,以提升芯片的性能并降低其成本。然而,随着芯片的工艺制程逐渐接近物理极限,每个工艺节点的成本变得高昂,因此通过“非尺寸依赖的特色工艺”优化器件成本,提升其整体性能成为了集成电路产业的又一发展之道。

走特色工艺“道路”帮助不少厂商获得了高营收。8月27日,中芯国际发布科创板上市后的首次半年报,实现营业收入约18.43亿美元,创历史新高,同比增长26.3%;其中在成熟制程方面,中芯国际产能利用率持续满载,摄像头、电源管理、指纹识别和特殊内存等相关应用需求十分旺盛。除科创板“首秀”亮眼的中芯国际外,主打特色工艺的华虹半导体第二季度财报收入2.254亿美元,环比上升11.1%,特色工艺优势成为其利润的主要增长点。

特色工艺成为IC制造另一路径

与摩尔定律下不断追求晶体管尺寸缩小的先进制程不同,特色工艺不完全追求器件尺寸的缩小,功能的增加也能够提升芯片的性能。由于摩尔定律不可避免地趋向物理极限,IC制造成本的不断飙升使工艺尺寸的缩小变得愈发艰难。在这种背景下,微机电系统(MEMS)、射频、高电压、电源管理、2.5D和3D先进封装等特色工艺成为了半导体厂商眼中的“香饽饽”,受到了厂商的追捧。

特色工艺具备非尺寸依赖、工艺相对成熟、产品研发投入较低和产品种类繁多等优势,因此为了更好地平衡成本、性能和功耗,特色工艺得到了台积电、格芯、联电等全球主要晶圆代工厂的高度重视。台积电(南京)有限公司总经理罗镇球在2020年世界半导体大会上表示,要想感受到芯片的功能,特殊工艺是其中不可或缺的“工序”。罗镇球认为,如果把芯片的功能比作意欲传递的讯号,特殊工艺就是传递讯号的WiFi,因此只有不断地推进特殊工艺,芯片的性能才能更好地被发挥出来。

除了在2020年世界半导体大会上的明确表态,台积电在2018年年底宣布的投资案早已显示了他们对特殊工艺的强烈需求。为了增加新的产线,自2003年在上海建8英寸厂之后,台积电在台南科学园区兴建了一座新的8英寸晶圆厂,再次投建新的8英寸晶圆产能。

联电在特色工艺代工市场的领先优势明显。在面板驱动和有机发光二极管(OLED)IC领域,联电的市占率均处于领先地位。在务实发展战略的指导下,联电持续加强对成熟工艺平台的研发,22纳米超低功耗(ULP)工艺是联电深耕的重点领域,55/65纳米、40纳米和28纳米也成为了联电营收的主力。

另一晶圆代工巨头格芯于2008年宣布放弃7nm和更先进制程的研发,转攻特色工艺平台。基于客户对现有工艺差异化技术提供的强烈需求和先进工艺节点的高昂研发成本,格芯决定根据半导体制造工艺的发展现状,在晶体管微缩难以持续的情况下利用特色工艺持续提升芯片性能,以更好地满足市场需求。

“两条腿走路”战略带火特色工艺

目前,特色工艺和逻辑工艺同时提升的“两条腿走路”战略已成为中国半导体的业内共识。由于特色工艺是一个种类众多、应用强相关且尚无垄断的行业,业内对其发展前景较为看好,因此其发展和扩张的速度也非常之快。集邦咨询统计,2016年之前,中国8英寸特色工艺产线产能总计为75.6万片,没有12英寸特色工艺产线。2016年到2018年,中国共新建(规划)10条8英寸特色工艺产线,6条12英寸特色工艺产线,总月产能接近110万片(8英寸当量),显示了特色工艺产线和产能增长势头的迅猛。

特色工艺的迅速发展让其相关产品的市占率进一步提升,特色工艺产品几乎占据了国内市场的“半壁江山”。《2019中国半导体特色工艺市场分析报告》显示,特色工艺产品国内市场占比约为40%,所含产品主要为嵌入式非易失性存储、模拟IC以及OSD产品(光学器件、传感器、分立器件)。

特色工艺平台繁多,利用特殊工艺构筑的竞争壁垒能够使厂商在产能上取得领先并实现高盈利,因此各种中国半导体企业都纷纷投入特色工艺的生产。作为中国本土晶圆代工的“领头羊”,中芯国际在开发14nm及以下逻辑制程工艺之外,也在积极扩充它在天津、深圳、宁波、绍兴等地的8英寸产能。现阶段的特色工艺以8英寸为主,这意味着中芯国际为了实现产品的差异化,也积极投入到了特色工艺的研发中。此外,专注于差异化技术晶圆代工的华虹宏力目前已经建立了多个差异化的工艺平台,包括嵌入式非易失性存储器(eNVM)、功率分立器件(discrete)、模拟和电源管理IC、射频(RF)等。

投身特色工艺平台的研发可能是多数国内半导体企业发展的必由之路。半导体行业专家莫大康在接受《中国电子报》记者采访时指出,对于绝大部分的中国半导体企业来说,它们的首要任务是求生存,因此能实现盈利才是它们发展的当务之急。在这种情况下,仅仅让它们去追踪摩尔定律,或者去尝试存储器的IDM模式量产是不客观的。

差异化市场需求带动特色工艺发展

5G技术的落地和物联网等技术的普及使得特色工艺的市场前景更为广阔,多样化和差异化的市场需求为半导体特色工艺市场的持续发展注入了新的动力。华虹宏力执行副总裁范恒告诉记者,随着半导体产业的发展和终端应用的日益多样化,市场对差异化工艺的需求也越来越多。尤其对于智能卡、电源管理芯片和分立器件这些占绝对多数的半导体芯片种类而言,从制造成本、生产稳定性和交付可靠性方面来看,特色工艺是更优的选择。

近年来,新兴技术带动的新兴市场对特色工艺的需求量持续暴涨,特色工艺的市场需求持续升温。

作为新基建的重要内容之一,新能源汽车的发展对电驱动的小型化和轻量化提出了更高的要求。碳化硅(SiC)材料具有耐高压、耐高温、高效率和高频率等优异的物理和化学特性,能够极大地提升现有能源的转换效率,满足电驱动小型化和轻量化的需求。因此,SiC功率器件在新能源汽车的应用中具有很多优势,成为了特色工艺市场的重要爆发点之一。此外,由于SiC功率器件的相关技术基本成熟,市场也正处于快速起量的临界点。

5G的商用也让特色工艺的市场需求明显增加。中芯国际联合首席执行官赵海军在二季度业绩电话会议上曾表示,“5G的相关应用需求量增长后,0.18微米和0.15微米这两个成熟工艺的需求缺口特别大。”

除此之外,物联网对传感器和蓝牙芯片的需求、智能手机和机器视觉对图像传感器的需求都会是未来的市场爆发点。

然而,半导体产业的迅速发展使中国大陆的晶圆代工企业面临着一个重要问题。先进工艺高昂的研发投资和成本与所获利润并不对等,未来能用得起、用得上先进工艺的客户群在减少,大量营收依然来自成熟工艺。针对这点,联电有三条非常值得借鉴的良策:其一,半导体企业不要急于追求先进工艺的开发,对于眼下已掌握的技术要做到稳扎稳打,精益求精。其二,半导体企业应当拥抱成熟、特色工艺市场,采取“两条腿走路”战略,在需求更广阔的成熟、特色工艺市场取得突破。其三,半导体企业应当结合自身状况,借鉴先进的管理经验。毕竟,只有少数企业才有可能参与先进工艺的竞逐,更多的晶圆制造工企业还是要面向更加广阔的成熟与特色工艺市场。

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