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集成电路特色工艺生产线

特色工艺定义与分类

(一)定义

产业界和学术界对特色工艺都没有统一的定义,全球重点集成电路制造企业,如台积电、联电、中芯国际、意法半导体等,对提供的工艺有不同的分类方式.全球代工领域龙头企业台积电把工艺制程分为逻辑制程和特殊制程,逻辑制程包括3微米~5纳米工艺,特殊制程包括MEMS技术、CMOS图像传感器、嵌入式闪存(eFlash)、混合/射频、模拟工艺、高压工艺和BCD工艺.联电把工艺制程分为90~14纳米、0.11微米铝制程、RF解决方案、嵌入式高压解决方案、电源管理解决方案、嵌入式非挥发性存储器(eNVM)、物联网、传感器和汽车电子平台.中芯国际把工艺制程分为先进逻辑技术和成熟逻辑技术,先进逻辑技术包括55~28纳米技术,成熟逻辑技术包括0.35微米~90纳米、eNVM、混合信号/射频工艺技术、模拟/电源、IGBT、面板驱动芯片、CMOS图像传感器、CMOS微电子机械系统、非易失性存储器、物联网解决方案、汽车电子工业平台.

综合业界主要集成电路制造企业的工艺技术,赛迪智库主要参考台积电的分类标准,将工艺技术分为逻辑工艺和特色工艺,特色工艺主要为采用特殊制程进行芯片制造的生产线,代表工艺为eNVM、图像传感器、显示驱动器件、射频器件、功率器件、模拟器件、汽车电子、BCD工艺和传感器等.本报告选取其中使用较多的典型工艺,BCD工艺、功率器件工艺、eNVM工艺、射频器件工艺、图像传感器工艺展开详细讨论.

(二)分类

1.按产品分类

根据特色工艺生产线制造的产品类别,可以分为eNVM、图像传感器、显示驱动器件、射频器件、功率器件、模拟器件、汽车电子和传感器.

2.按技术分类

根据特色工艺技术不同,可以分为BCD工艺、BiCMOS工艺、双极工艺、VDMOS工艺、高性能模拟工艺、高压CMOS工艺、超高压CMOS工艺、SOI工艺、MEMS工艺、高温工艺和化合物半导体工艺等.

3.按应用分类

根据特色工艺应用领域,可以分为消费电子、网络通信、汽车电子、工业/医疗四大领域,其中每个领域包括不同的细分应用产品.

典型特色工艺和产品分析

1.工艺概述

BCD工艺是最典型的特色工艺,是一种单片集成工艺技术.上世纪80年代中期由意法半导体公司发明,并在此后不断地开发和完善.BCD工艺在同一个芯片上集成双极管(Bipolar)、互补金属氧化物半导(CMOS)和双扩散金属氧化物半导体(DMOS)器件,整合三种不同制造技术的优点,可以提高芯片可靠性、降低电磁干扰、缩小芯片面积.BCD工艺已经被广泛应用于电源管理、模拟数据采集、显示驱动、汽车电子、工业控制等领域.

2.工艺特点

BCD工艺把双极器件、CMOS器件、DMOS器件同时制作在同一芯片上,它综合了三者各自的优势,提高了双极器件高精度处理模拟信号的能力,CMOS用于设计数字控制电路的优势,DMOS用于开发电源和高压开关器件的特点,使其互相取长补短,发挥各自的优点.因此BCD工艺具有高跨导、强负载驱动能力、集成度高、低功耗等优点,整合后的BCD工艺制程,可以提高系统性能,大幅降低功率耗损,节省电路的封装费用,并具有更高的可靠性.

BCD工艺作为一种特色工艺,不同于标准CMOS工艺遵循摩尔定律向更小特征尺寸、更快速度的方向发展,而是根据应用需求,向高压、高功率、高密度三个方向发展.

1.工艺概述

功率器件又称电力电子器件或功率半导体,是分立器件的主要产品类别.从产品来看包括快恢复二极管(FRD)、肖特基势垒二极管(SBD)等二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等晶体管以及晶闸(Thyristor,又称可控硅)等.二极管主要起整流的作用,晶体管和晶闸管主要起开关的作用IGBT是功率器件中的关键产品门类.作为新一代的功率器件,IGBT性能十分优异,适用于各类需要进行交直流转换、电流电压转换的应用场景.在电网输变电、新能源汽车、轨道交通、新能源、变频家电等领域发挥巨大的作用.SiC和GaN等功率器件是产业关注热点,在高压、高频、高温、高功率应用市场优势显著.

2.工艺特点

所承受的电压电流等级决定使用的工艺类型.功率器件需要面向不同的应用场景,对关断时承受的电压和导通时可以通过的电流有不同的需求.如面向600V及以下电压等级,如消费电子、家用电器等,MOET器件是市场应用的主流,在600V~6500V电压等级,如新能源汽车、光伏、风能、轨道交通等.IGBT是市场应用的主流.在6500V以上电压等级的智能电网领域,晶闸管是市场应用的主流.

(二)功率器件工艺

1.工艺概述

嵌入式存储器不同于片外存储器,是集成在片内与系统中各个逻辑、混合芯片等IP共同组成单一芯片的基本组成部分.嵌入式存储器包括嵌入式静态存储器、动态存储器和各种非挥发性存储器.相对于传统的片外存储方案,嵌入式存储具有更高的数据交换速度和更高的可靠性,因此在SoC芯片中应用广泛,基本每个SoC芯片中都含有一种或多种嵌入式存储器.

嵌入式存储器大体分为两类,一类是挥发性存储器(VM),另一类是非挥发性存储器(NVM),挥发性存储器包括速度快、功耗低、简单的SRAM和高密度的DRAM;而非挥发性存储器在实际使用中有更多种类,常用的包括eFuse、OTP、MTP、eEEPROM以及越来越普及的eFlash技术.其中,非挥发性存储器主要用于存储器掉电不丢失的固定数据和程式,在SoC芯片中面积占比逐年增加,嵌入式存储器的优劣对芯片系统的影响越来越大,因此为各大代工企业均会提供的工艺平台,成为特色工艺中的重要类别.

(三)嵌入式存储工艺(eNVM)

1 .工艺概述

嵌入式非挥发性存储器按擦写次数和容量分为eFlash、eEEPROM、MTP、OTP和eFuse等技术,适用于不同的应用场景.对于高擦写次数的应用,如智能卡、SIM卡、MCU或物联网,主要采用eEEPROM或eFlash;对于中低擦写次数的应用,如电源管理、显示驱动芯片,主要采用eMTP技术;对于一次性编程的应用产品,如消费电子等,主要采用eOTP和eFuse技术.当前eFlash技术具有巨大的应用市场.

2.工艺特点

一是嵌入式存储器与其应用芯片自身的工艺特性条件密切相关.嵌入式存储器和分立式存储器虽然都是存储器,但是也存在一些重要的不同之处.嵌入式存储器往往与应用芯片的本身工艺特性条件有很大关系,如采用90nm和45nm工艺制造的芯片,其内部嵌入式存储器大小也有很大差别;而分立式存储器件主要是围绕存储器器件进行优化工艺.为了方便SoC芯片设计和制造,当前的嵌入式存储器IP大多选择兼容逻辑标准工艺,以实现在主流工艺上的快速应用.

二是嵌入式存储器在SoC芯片中所占面积比重逐年增加.随着信息技术的发展,嵌入式存储器对于芯片系统性能的影响越来越大.系统级芯片需要容量更大、速度更快、性价比更高的嵌入式存储,使得嵌入式存储在SoC芯片中面积比重也越来越高.统计数据显示,1999年嵌入式存储平均占比只有20%,2007年迅速上升到60%~70%,现在已经达到90%以上.

三是嵌入式存储的选择需要综合衡量成本、功耗及性能.嵌入式存储通常会增加工艺步骤,使得芯片制造的一次性成本和持续性成本都增加,同时eNVM的测试时间远大于芯片中的普通SRAM和ROM,因而增加了芯片的测试费用.在选择eNVM时,要从系统角度综合考虑用途、容量、性能、可靠性等因素,以实现最终提高芯片性价比.

(四)射频器件工艺

1.工艺概述

射频器件(RF)是指发射或接受无线射频信号的半导体器件.射频器件是无线连接和数据传输的核心,凡是需要无线连接的地方必须使用射频器件.

从制造工艺来看,包括RF CMOS工艺、RF-SOI工艺、SiGe工艺、GaAs HBT工艺、GaAs pHEMT工艺、GaAs BiHEMT工艺、GaN HEMT工艺、滤波器SAW和BAW工艺等.

从产品来看,包括功率放大器(Power Amplifier,PA)、低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、滤波器(Filter)、射频开关(Switch)、双工/多工器(Duplexer/multiplexer)、衰减器(Attenuator)、振荡器(Oscillator)、单片微波集成电路(MMIC)、射频SoC芯片等.

从应用来看,包括蓝牙芯片、NFC芯片、Wi-Fi芯片、2G/3G/4G手机射频芯片、2G/3G/4G基站射频芯片、汽车雷达芯片、军用雷达芯片、无线充电芯片、射频能源芯片等.

2.工艺特点

射频工艺由射频器件的产品和应用场景决定.射频器件跟据应用场景需要匹配不同的无线电频率和发射功率,同时还会考虑成本、集成度等因素,综合考虑后决定使用哪种工艺来设计和制作器件.

例如,智能手机的功率放大器在2G通信阶段使用的是CMOS工艺,进入3G/4G阶段后,由于通信频段由900MHz提升至2000MHz,功率放大器开始使用GaAs HBT工艺,以满足性能需求,主要的代工厂为稳懋公司(WinSemi);手机中滤波器工艺由2G/3G阶段的声表面波滤波器(SAW)改进为4G阶段的体声波滤波器(BAW)和薄膜腔声谐振滤波器(FBAR),主要的代工厂包括村田公司(Murata)和Qorvo公司等;面向消费电子的蓝牙SoC芯片的工作频段在2400MHz,功率却只有1~100mW,只有2G手机发射功率的1/2000~1/20,以满足蓝牙通信低功耗的要求,加之SoC集成化的需求,使得蓝牙SoC芯片使用的是CMOS工艺,主要的代工厂为中芯国际等.

(五)图像传感器工艺

1.工艺概述

图像传感器 ,是一种将光学图像转换成电子信号的设备,它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中,主要完成将相机外界光信号转变为电信号的任务,然后经过一系列电信号的处理,进而转换成可以在显示器上或其他显示设备上显示的图像.在当今的手机摄像、普通相机摄像、水下探测、空间对地遥感等应用领域,应用最为广泛的图像传感器是电荷耦合器件(CCD,Charge Coupled Device)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS,Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器.

2.工艺特点

图像传感工艺是在光电技术基础上发展起来的,利用光电器件的光—电转化功能,将其感光面上的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号“图像”的一门技术,该技术将光学图像转换成一维时序信号.

图像传感器主要包括CMOS传感器(CIS)和CCD传感器两种产品类型.CCD灵敏度高,但响应速度低.

目前CIS在性能上已与CCD日趋接近,同时具有低、体积小、速度快、功耗低的优势,正逐步成为市场主流.

我国特色工艺生产线概况

我国特色工艺生产线概况

产能分布.我国特色工艺主要为8英寸、6英寸生产线.目前国内正在运行(不含在建)的8英寸生产线共28条(包括3条中试线),产能总计超过80万片/月,其中主要面向特色工艺的产线为18条,工艺技术分布于0.35微米~90纳米各技术节点.产品包括数字芯片、混合信号芯片、嵌入式存储器、数模混合芯片、特色模拟芯片、新型传感器、新型功率器件(如IGBT)、化合物半导体等.

区域分布.从区域分布情况看,国内特色工艺生产线分布较为分散.目前正在运行的8英寸特色工艺生产线主要分布在上海地区,包括12条生产线,主要企业有中芯国际、华虹宏力、上海先进,占据总产能一半以上份额.第二大区域在苏州,包括3条生产线.第三大区域为成都,包括2条生产线.其他区域包括北京、杭州、辽宁、深圳、天津、无锡、武汉、张家港等,均只有一条生产线.

我国发展特色工艺生产线的措施建议

紧抓物联网、汽车电子等新兴应用代工需求.一是抓住新兴应用领域对特色工艺的代工需求.随着物联网、汽车电子等新兴应用的快速发展,对模拟、射频、传感器等特色工艺代工需求不断增长,导致全球特色工艺产能严重短缺.我国在物联网、汽车电子等应用领域具有广阔的市场空间,应鼓励企业抓住发展机遇快速扩充产能.二是鼓励应用企业与特色工艺企业加强互动.发挥特色工艺产品与应用结合紧密的特点,以应用为牵引,鼓励应用企业在产品研发初期就与特色工艺企业开展紧密互动,共同进行产品定义、芯片设计、工艺验证、产品上市推广等过程,加强特色工艺企业产品创新,丰富特色工艺平台IP库.三是以资本为纽带加强特色工艺与应用之间形成协同.鼓励汽车电子、工业控制等大型整机应用企业,以成立子公司、入股或成立基金等方式,投资特色工艺企业,加强整机应用与特色工艺之间协同创新,支持国内特色工艺企业做大做强.

针对不同的特色工艺类别选择合适的发展模式.一方面,针对量大面广应用的特色工艺,如嵌入式存储、显示驱动、电源管理(BCD工艺)、图像传感器、汽车电子等工艺或产品,鼓励企业继续以代工模式发展.如依托中芯国际、华虹宏力两家骨干企业,对内加强整合,对外扩大合作,继续推动产品创新,提升技术水平,丰富完善现有工艺平台.另一方面,针对重点行业应用的特色工艺,如功率器件、射频器件等,扶持国内企业发展IDM模式.整合国内现有资源,扩大现有企业规模,并适时通过并购等手段,进一步提高产品技术水平和生产制造能力.如依托国内士兰微或华润打造功率器件IDM生产线,依托株洲中车打造IGBT IDM生产线,提升国内特色工艺整体实力.

加强国产装备材料与特色工艺生产线协同互动.特色工艺生产线目前主要仍采用8英寸生产线,部分化合物半导体工艺甚至采用6英寸生产线,对工艺制程和设备要求相对先进工艺较低,且随着产能快速扩充对设备保持强劲需求,均为国产设备和材料发展提供重要机遇.一是建立以国产装备和材料为主的特色工艺验证平台.鼓励国内能提供8英寸设备和材料的企业联合建立特色工艺验证平台,进行成熟制程的产品量产,积累国产设备数据,并不断加以完善,加快提升设备和材料的国产化水平,建立国内特色工艺生产线产业生态.二是鼓励国内特色工艺制造企业为国产设备材料提供试错机会.继续采用首台(套)重大技术装备保险补偿机制政策,支持国内特色工艺生产线企业加大对国产设备和材料的采购力度,为国产设备提供实际量产测试机会,部分关键设备逐步实现国产替代.

坚持主体集中开展国内特色工艺生产线布局.国内集成电路产业发展环境逐渐优化,各地发展热情积极高涨,生产线布局应避免一哄而上,防止低端产能重复建设.一是坚持主体集中、区域分散开展特色工艺生产线布局.坚持产业的区域集聚,选择优势高端特色工艺企业落地,防范多地盲目建设,引导地方立足自身基础优势展开布局,形成各地特色突出、优势互补的产业发展格局.二是加强对国内特色工艺龙头企业培育.支持骨干企业整合国内现有8英寸生产线资源,面向模拟芯片、高压混合、汽车电子、工业控制、传感器芯片等领域,调整工艺技术组合,实现差异化竞争,保持并增强在利润率较高应用领域的竞争优势,提升企业整体实力和市场竞争力.

集成电路论文范文结:

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