张波

我国是集成电路的市场大国，大部分市场被国外产品占据，国产替代空间巨大；特色工艺产品与市场应用紧密相关，特殊的产品属性给予了我们许多发展空间与突破口；目前复杂的国际政治与产业生态，给自主可控芯片发展提供了改革开放40余年来前所未有的机遇；经过几代炎黄子孙的不懈努力，我们在特色工艺领域已具备加速发展的技术和产业基础。在这些因素的协同作用下，相信我国特色工艺已具备最佳的发展机遇。

半导体工艺技术的发展，怎么也绕不开摩尔定律。1965年，时任美国仙童半导体（Fairchild Semiconductor）公司研发主管的摩尔（Gordon E. Moore）博士为《电子学》杂志撰写了一篇文章“Cramming More Components onto integrated circuits”，预测集成电路的集成度（单芯片集成晶体管数目）每年增加一倍。1975年，已参与创建英特尔（Intel）公司的摩尔博士在IEDM（国际电子器件年会）以“Progress in digital integrated electronics”为题做主题报告，进一步将集成电路集成度的发展速度修订为每两年增加一倍。这就是半导体业界著名的“摩尔定律”（Moore's Law）。

一、半导体行业进入后摩尔时代

摩尔定律自诞生以来一直指引着半导体工艺技术的发展，这也是英特尔公司很长一段时间坚持两年一代工艺和Tick-Tock发展战略的主要依据。

长期以来，集成电路集成度的提升依赖于工艺线宽的不断缩小，从早期的10微米工艺线寬逐步缩小到现在的7纳米、5纳米工艺节点，这是以摩尔定律为引领的单一维度创新发展。但随着集成电路工艺线宽持续降低，特别是半导体微细加工工艺进入纳米尺度后，建厂成本、工艺研发和产品研制等费用急剧增加。一条先进的集成电路生产线建厂成本已高达150亿～200亿美元，超过新一代航空母舰（130亿美元）或一座新核电站（40亿～80亿美元）的建设成本；一个采用5纳米工艺节点的先进集成电路产品开发成本也已超过5亿美元。因此，从2005年开始，集成电路工艺技术逐渐从单一追求尺寸依赖的先进工艺，向先进工艺（More Moore）、非尺寸依赖的特色工艺（More than Moore）和先进封装（System in Package：SiP）三个维度并举发展，半导体行业进入后摩尔时代。

二、半导体特色工艺

More than Moore，国内很多人称之为“超越摩尔定律”，但这种直译无法反映More than Moore的全部内涵。根据More than Moore白皮书的定义：More than Moore是指不完全靠尺寸缩小，而是通过功能的增加，实现器件价值或者性能的提升。美国X-Fab公司是一家专注于More than Moore方向的国际著名半导体制造企业，其对More than Moore的定义是：在CMOS工艺基础上，采用特色技术，集成模拟功能，以提升器件性能和性价比。

在本文中，我们延续“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项（02专项）总体技术专家组对More than Moore的理解，将嵌入式非易失性存储（eNVM）工艺、RF-CMOS工艺、BiCMOS（Bipolar-CMOS）工艺、BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）工艺、微机电系统（MEMS）工艺，乃至GaAs、GaN、SiC工艺等不完全靠尺寸缩小来提升半导体器件性能的工艺统称为“非尺寸依赖的特色工艺”，简称 “特色工艺”。

特色工艺与先进工艺是相对概念。先进工艺是指遵循摩尔定律，追求线宽不断缩小的高端芯片制造工艺，一般用于制造量大通用的标准产品，如逻辑计算芯片和数据存储芯片等；特色工艺一般是指为满足多样化的非标应用需求，通过调整材料、工艺和器件结构等方式，实现特定功能（如信号的感知、保护、放大、转换等）的芯片制造方法。常见的特色工艺产品类别有图像传感器、微机械系统、功率器件（IGBT、功率MOS等）、射频器件、显示驱动芯片、接口芯片、电源管理芯片、嵌入式存储器、生物芯片等。

三、特色工艺的特点

特色工艺除了非尺寸依赖的特点外，还具有以下特点：

（1）特色工艺的工艺线宽较先进工艺更大，建厂与产线维护成本较先进工艺更低。

（2）相较先进工艺，特色工艺的工艺技术相对成熟，工艺与产品研发投入相对较少。

（3）特色工艺多基于成熟工艺，国内设备、材料、零部件产业链基础相对较好，在目前复杂的国际环境下更具发展优势。

（4）特色工艺平台众多，多种工艺平台共存。由于特色工艺产品与应用场景密切相关，对工艺制造的需求截然不同，形成特色工艺平台繁多、多种工艺平台共存的特殊局面。如X-FAB的模拟工艺平台，包含了0.13微米到1微米7种工艺节点，每个工艺节点又针对不同应用需求开发了特定的工艺平台，如0.18微米CMOS工艺，有XH018、XP018、XS018、XT018和XC018等5种特色工艺平台，分别采用外延和SOI技术，集成不同的器件模块，满足传感、汽车、工业、医疗、通讯及消费领域的不同需求。

（5）特色工艺产品繁杂。特色工艺产品通常属于模拟器件，不同应用场景对应不同的产品性能需求，导致特色工艺产品繁杂，不仅类型众多，同类器件还存在多个品种。如美国安森美（ON Semi）公司仅功率MOS器件就高达2500余种，其配套的栅极驱动芯片也多达154种；国际功率半导体行业龙头企业德国英飞凌（Infineon）公司的功率MOS产品，覆盖了电压范围从12V到950V乃至1700V，产品类型从平面栅、沟槽栅、分离栅到超级结（Superjunction），材料从硅到碳化硅，质量等级从工业级到汽车级的诸多品类，曾经多达3300余种，此外还有不同拓扑结构的栅极驱动芯片400余种。

（6）特色工艺产品难以形成垄断企业。由于特色工艺产品与应用密切相关，品种繁杂，往往无法如先进工艺产品那样形成垄断企业。功率半导体分立器件领域市场占比最大的德国英飞凌公司，收购美国国际整流器（IR）公司以后，其市场占有率最高也不足20%；全球前十大功率半导体分立器件厂商总共也只占据60%左右的市场份额，这给后来者留下了足够的发展空间。功率半导体分立器件如此，领域扩大到整个模拟芯片仍是如此。根据国际著名咨询机构IC Insights统计，2020年全球前十大模拟芯片厂商销售了354亿美元，占据全球大约62%的市场份额，其中销售量最大的美国德州仪器（TI）公司占据全球模拟芯片19%的市场份额，整个模拟芯片领域仍未形成垄断。

四、中国的发展机遇

正是特色工艺所具有的上述特点，带来了中国的发展机遇。

1.中国是全球规模最大、增速最快的集成电路市场

改革开放40余年，我国建立了门类齐全的现代工业体系，实力迅速壮大并跃升为世界第一制造大国，也是全世界唯一拥有联合国产业分类中全部工业门类的国家。2020年中国制造业增加值为3.85万亿美元，占全球28.58%，超过美国（排名第二）和日本（排名第三）两国制造业增加值的总和，遥遥领先于世界其他国家。这也促使我国成为全球规模最大、增速最快的集成电路市场。据海关统计，2020年我国集成电路进口额3500.4亿美元，占全球半导体销售额4404亿美元的79.5%。

2.特色工艺产品国产替代空间巨大

但我们必须看到，我国进口的3500.4亿美元集成电路中，单块集成电路均价仅为0.64美元。意味着我国进口的集成电路产品，除了动辄上百美元的高端CPU外，还有大量无需先进工艺的半导体分立器件、电源管理集成电路、通用处理器、控制器等集成电路产品。由此可见，特色工艺产品，国产替代空间巨大。

长期以来，国外产品先行占领市场且技术先进，加之对国产芯片存在不信任的心理，导致国产芯片常面临“产品做出来没人用”的窘况，发展步履艰难。特色工艺产品多属于模拟芯片范畴，更需在“试错”中迭代发展，这次中美贸易摩擦特别是中兴、华为事件，叠加芯片市场缺货行情，让国产芯片有了更多“试错”的机会，打开了国产替代的空间。

也许有人会说，讲“国产替代”站位不高，应该强调“先进器件引领系统发展”。确实，引领系统发展是我们“芯片人”的使命，但如果没看见“国产替代”这样一个大市场，不踏踏实实一步步做起，夯实基础，我国半导体产业就很难做大做强。

3.我国已具备较好的特色工艺发展基础

2021年3月发布的我国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要中，第一次将集成电路特色工艺和先进工艺突破并列，特色工艺的发展机遇已经被国家和行业所认识。如中芯国际在坚持先进工艺突破的同时也在大力发展特色工艺，上海華虹宏力坚定地持续推进特色工艺，华润微电子已将特色工艺作为自身发展之本，杭州士兰微在特色工艺上不断提升自己的研发与量产能力，还有中国电子的积塔半导体、广州粤芯等多条新建12英寸特色工艺生产线。国内新建或在建的特色工艺芯片生产线不仅有垂直整合型IDM模式，还有大量的芯片代工厂，这给我国特色工艺产品设计公司提供了发展平台。

4.我国发展特色工艺及产品所面临的挑战

特色工艺平台众多，产品种类繁杂。国际领先的半导体特色产品企业通过数十年的发展和产业并购，产品系列丰富。相较而言，我国相关企业产品体系单薄，对用户的供应链管理处于弱势。特色工艺相关的特色产品常常与器件设计、工艺制造、产品封装、应用环境密切相关，因此国外半导体特色产品企业通常是IDM形态，而国内缺乏大型的IDM企业，导致产品同质化严重，竞争力缺乏。同时国外半导体特色产品企业大都具有悠久历史，产品经验丰富、人才集聚，并进行了相关产品的专利布局，能响应市场需求快速研制出新的产品并占领市场。

五、总结

尽管我国发展特色工艺面临众多挑战，但从前面的分析中可以看出，我们仍然有发展的优势与潜力。我国是集成电路的市场大国，大部分市场被国外产品占据，国产替代空间巨大；特色工艺产品与市场应用紧密相关，特殊的产品属性给予了我们许多发展空间与突破口；目前复杂的国际政治与产业生态，给自主可控芯片发展提供了改革开放40余年来前所未有的机遇；经过几代炎黄子孙的不懈努力，我们在特色工艺领域已具备加速发展的技术和产业基础。在这些因素的协同作用下，相信我国特色工艺已具备最佳的发展机遇。

（作者为电子科技大学集成电路研究中心主任）