集成電路特色工藝生產線研究

特色工藝是集成電路制造工藝的重要組成部分，廣泛應用于模擬器件、射頻器件、顯示驅動、電源管理、傳感器等集成電路產品制造。我國在特色工藝領域已經具備一定的產業基礎，月產能總計超過 80 萬片。隨著物聯網、汽車電子、工業控制、超高清視頻等新興應用的快速發展，未來對特色工藝的產能需求還將進一步擴大。當前應抓住特色工藝新一輪發展機遇，加快提升我國芯片制造業整體產能水平和技術實力。

特色工藝定義與分類

（一）定義

產業界和學術界對特色工藝都沒有統一的定義，全球重點集成電路制造企業，如臺積電、聯電、中芯國際、意法半導體等，對提供的工藝有不同的分類方式。全球代工領域龍頭企業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、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、嵌入式非揮發性存儲器（eNVM）、物聯網、傳感器和汽車電子平臺。中芯國際把工藝制程分為先進邏輯技術和成熟邏輯技術，先進邏輯技術包括55～28納米技術，成熟邏輯技術包括0.35微米～90納米、eNVM、混合信號/射頻工藝技術、模擬/電源、IGBT、面板驅動芯片、CMOS圖像傳感器、CMOS微電子機械系統、非易失性存儲器、物聯網解決方案、汽車電子工業平臺。

綜合業界主要集成電路制造企業的工藝技術，賽迪智庫主要參考臺積電的分類標準，將工藝技術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行芯片制造的生產線，代表工藝為eNVM、圖像傳感器、顯示驅動器件、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討論。

（二）分類

1.按產品分類

根據特色工藝生產線制造的產品類別，可以分為eNVM、圖像傳感器、顯示驅動器件、射頻器件、功率器件、模擬器件、汽車電子和傳感器。

2.按技術分類

根據特色工藝技術不同，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體工藝等。

3.按應用分類

根據特色工藝應用領域，可以分為消費電子、網絡通信、汽車電子、工業/醫療四大領域，其中每個領域包括不同的細分應用產品。

典型特色工藝和產品分析

（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。上世紀80年代中期由意法半導體公司發明，并在此后不斷地開發和完善。BCD工藝在同一個芯片上集成雙極管（Bipolar）、互補金屬氧化物半導（CMOS）和雙擴散金屬氧化物半導體（DMOS）器件，整合三種不同制造技術的優點，可以提高芯片可靠性、降低電磁干擾、縮小芯片面積。BCD工藝已經被廣泛應用于電源管理、模擬數據采集、顯示驅動、汽車電子、工業控制等領域。

2.工藝特點

BCD工藝把雙極器件、CMOS器件、DMOS器件同時制作在同一芯片上，它綜合了三者各自的優勢，提高了雙極器件高精度處理模擬信號的能力，CMOS用于設計數字控制電路的優勢，DMOS用于開發電源和高壓開關器件的特點，使其互相取長補短，發揮各自的優點。因此BCD工藝具有高跨導、強負載驅動能力、集成度高、低功耗等優點，整合后的BCD工藝制程，可以提高系統性能，大幅降低功率耗損，節省電路的封裝費用，并具有更高的可靠性。

BCD工藝作為一種特色工藝，不同于標準CMOS工藝遵循摩爾定律向更小特征尺寸、更快速度的方向發展，而是根據應用需求，向高壓、高功率、高密度三個方向發展。

（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體，是分立器件的主要產品類別。從產品來看包括快恢復二極管（FRD）、肖特基勢壘二極管（SBD）等二極管、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極結型晶體管（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的作用IGBT是功率器件中的關鍵產品門類。作為新一代的功率器件，IGBT性能十分優異，適用于各類需要進行交直流轉換、電流電壓轉換的應用場景。在電網輸變電、新能源汽車、軌道交通、新能源、變頻家電等領域發揮巨大的作用。SiC和GaN等功率器件是產業關注熱點，在高壓、高頻、高溫、高功率應用市場優勢顯著。

2.工藝特點

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用場景，對關斷時承受的電壓和導通時可以通過的電流有不同的需求。如面向600V及以下電壓等級，如消費電子、家用電器等，MOSFET器件是市場應用的主流，在600V～6500V電壓等級，如新能源汽車、光伏、風能、軌道交通等。IGBT是市場應用的主流。在6500V以上電壓等級的智能電網領域，晶閘管是市場應用的主流。

（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，是集成在片內與系統中各個邏輯、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存儲器、動態存儲器和各種非揮發性存儲器。相對于傳統的片外存儲方案，嵌入式存儲具有更高的數據交換速度和更高的可靠性，因此在SoC芯片中應用廣泛，基本每個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，一類是揮發性存儲器（VM），另一類是非揮發性存儲器（NVM），揮發性存儲器包括速度快、功耗低、簡單的SRAM和高密度的DRAM；而非揮發性存儲器在實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。其中，非揮發性存儲器主要用于存儲器掉電不丟失的固定數據和程式，在SoC芯片中面積占比逐年增加，嵌入式存儲器的優劣對芯片系統的影響越來越大，因此為各大代工企業均會提供的工藝平臺，成為特色工藝中的重要類別。

嵌入式非揮發性存儲器按擦寫次數和容量分為eFlash、eEEPROM、MTP、OTP和eFuse等技術，適用于不同的應用場景。對于高擦寫次數的應用，如智能卡、SIM卡、MCU或物聯網，主要采用eEEPROM或eFlash；對于中低擦寫次數的應用，如電源管理、顯示驅動芯片，主要采用eMTP技術；對于一次性編程的應用產品，如消費電子等，主要采用eOTP和eFuse技術。當前eFlash技術具有巨大的應用市場。

2.工藝特點

一是嵌入式存儲器與其應用芯片自身的工藝特性條件密切相關。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用芯片的本身工藝特性條件有很大關系，如采用90nm和45nm工藝制造的芯片，其內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行優化工藝。為了方便SoC芯片設計和制造，當前的嵌入式存儲器IP大多選擇兼容邏輯標準工藝，以實現在主流工藝上的快速應用。

二是嵌入式存儲器在SoC芯片中所占面積比重逐年增加。隨著信息技術的發展，嵌入式存儲器對于芯片系統性能的影響越來越大。系統級芯片需要容量更大、速度更快、性價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。統計數據顯示，1999年嵌入式存儲平均占比只有20%，2007年迅速上升到60%～70%，現在已經達到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性成本都增加，同時eNVM的測試時間遠大于芯片中的普通SRAM和ROM，因而增加了芯片的測試費用。在選擇eNVM時，要從系統角度綜合考慮用途、容量、性能、可靠性等因素，以實現最終提高芯片性價比。

（四）射頻器件工藝

1.工藝概述

射頻器件（RF）是指發射或接受無線射頻信號的半導體器件。射頻器件是無線連接和數據傳輸的核心，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（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。

從應用來看，包括藍牙芯片、NFC芯片、Wi-Fi芯片、2G/3G/4G手機射頻芯片、2G/3G/4G基站射頻芯片、汽車雷達芯片、軍用雷達芯片、無線充電芯片、射頻能源芯片等。

2.工藝特點

射頻工藝由射頻器件的產品和應用場景決定。射頻器件跟據應用場景需要匹配不同的無線電頻率和發射功率，同時還會考慮成本、集成度等因素，綜合考慮后決定使用哪種工藝來設計和制作器件。

例如，智能手機的功率放大器在2G通信階段使用的是CMOS工藝，進入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，主要的代工廠為穩懋公司（WinSemi）；手機中濾波器工藝由2G/3G階段的聲表面波濾波器（SAW）改進為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；面向消費電子的藍牙SoC芯片的工作頻段在2400MHz，功率卻只有1～100mW，只有2G手機發射功率的1/2000～1/20，以滿足藍牙通信低功耗的要求，加之SoC集成化的需求，使得藍牙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 ，是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，它被廣泛地應用在數碼相機和其他電子光學設備中，主要完成將相機外界光信號轉變為電信號的任務，然后經過一系列電信號的處理，進而轉換成可以在顯示器上或其他顯示設備上顯示的圖像。在當今的手機攝像、普通相機攝像、水下探測、空間對地遙感等應用領域，應用最為廣泛的圖像傳感器是電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）圖像傳感器和互補金屬氧化物半導體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器。

2.工藝特點

圖像傳感工藝是在光電技術基礎上發展起來的，利用光電器件的光—電轉化功能，將其感光面上的光信號轉換為與光信號成對應比例關系的電信號“圖像”的一門技術，該技術將光學圖像轉換成一維時序信號。

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

目前CIS在性能上已與CCD日趨接近，同時具有價格低、體積小、速度快、功耗低的優勢，正逐步成為市場主流。

我國特色工藝生產線概況

我國特色工藝生產線概況

產能分布。我國特色工藝主要為8英寸、6英寸生產線。目前國內正在運行（不含在建）的8英寸生產線共28條（包括3條中試線），產能總計超過80萬片/月，其中主要面向特色工藝的產線為18條，工藝技術分布于0.35微米～90納米各技術節點。產品包括數字芯片、混合信號芯片、嵌入式存儲器、數模混合芯片、特色模擬芯片、新型傳感器、新型功率器件（如IGBT）、化合物半導體等。

區域分布。從區域分布情況看，國內特色工藝生產線分布較為分散。目前正在運行的8英寸特色工藝生產線主要分布在上海地區，包括12條生產線，主要企業有中芯國際、華虹宏力、上海先進，占據總產能一半以上份額。第二大區域在蘇州，包括3條生產線。第三大區域為成都，包括2條生產線。其他區域包括北京、杭州、遼寧、深圳、天津、無錫、武漢、張家港等，均只有一條生產線。

我國發展特色工藝生產線的措施建議

緊抓物聯網、汽車電子等新興應用代工需求。一是抓住新興應用領域對特色工藝的代工需求。隨著物聯網、汽車電子等新興應用的快速發展，對模擬、射頻、傳感器等特色工藝代工需求不斷增長，導致全球特色工藝產能嚴重短缺。我國在物聯網、汽車電子等應用領域具有廣闊的市場空間，應鼓勵企業抓住發展機遇快速擴充產能。二是鼓勵應用企業與特色工藝企業加強互動。發揮特色工藝產品與應用結合緊密的特點，以應用為牽引，鼓勵應用企業在產品研發初期就與特色工藝企業開展緊密互動，共同進行產品定義、芯片設計、工藝驗證、產品上市推廣等過程，加強特色工藝企業產品創新，豐富特色工藝平臺IP庫。三是以資本為紐帶加強特色工藝與應用之間形成協同。鼓勵汽車電子、工業控制等大型整機應用企業，以成立子公司、入股或成立基金等方式，投資特色工藝企業，加強整機應用與特色工藝之間協同創新，支持國內特色工藝企業做大做強。

針對不同的特色工藝類別選擇合適的發展模式。一方面，針對量大面廣應用的特色工藝，如嵌入式存儲、顯示驅動、電源管理（BCD工藝）、圖像傳感器、汽車電子等工藝或產品，鼓勵企業繼續以代工模式發展。如依托中芯國際、華虹宏力兩家骨干企業，對內加強整合，對外擴大合作，繼續推動產品創新，提升技術水平，豐富完善現有工藝平臺。另一方面，針對重點行業應用的特色工藝，如功率器件、射頻器件等，扶持國內企業發展IDM模式。整合國內現有資源，擴大現有企業規模，并適時通過并購等手段，進一步提高產品技術水平和生產制造能力。如依托國內士蘭微或華潤打造功率器件IDM生產線，依托株洲中車打造IGBT IDM生產線，提升國內特色工藝整體實力。

加強國產裝備材料與特色工藝生產線協同互動。特色工藝生產線目前主要仍采用8英寸生產線，部分化合物半導體工藝甚至采用6英寸生產線，對工藝制程和設備要求相對先進工藝較低，且隨著產能快速擴充對設備保持強勁需求，均為國產設備和材料發展提供重要機遇。一是建立以國產裝備和材料為主的特色工藝驗證平臺。鼓勵國內能提供8英寸設備和材料的企業聯合建立特色工藝驗證平臺，進行成熟制程的產品量產，積累國產設備數據，并不斷加以完善，加快提升設備和材料的國產化水平，建立國內特色工藝生產線產業生態。二是鼓勵國內特色工藝制造企業為國產設備材料提供試錯機會。繼續采用首臺（套）重大技術裝備保險補償機制政策，支持國內特色工藝生產線企業加大對國產設備和材料的采購力度，為國產設備提供實際量產測試機會，部分關鍵設備逐步實現國產替代。

堅持主體集中開展國內特色工藝生產線布局。國內集成電路產業發展環境逐漸優化，各地發展熱情積極高漲，生產線布局應避免一哄而上，防止低端產能重復建設。一是堅持主體集中、區域分散開展特色工藝生產線布局。堅持產業的區域集聚，選擇優勢高端特色工藝企業落地，防范多地盲目建設，引導地方立足自身基礎優勢展開布局，形成各地特色突出、優勢互補的產業發展格局。二是加強對國內特色工藝龍頭企業培育。支持骨干企業整合國內現有8英寸生產線資源，面向模擬芯片、高壓混合、汽車電子、工業控制、傳感器芯片等領域，調整工藝技術組合，實現差異化競爭，保持并增強在利潤率較高應用領域的競爭優勢，提升企業整體實力和市場競爭力。