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半导体工艺:要做小也要做深

集成电路发展有两大动力,一个是摩尔红利驱动的逻辑工艺,一个是市场细分驱动的特色工艺。今年年初,华虹集团旗下华虹无锡项目一期(华虹七厂)首批功率器件产品交付,标志着中国大陆最先进的12英寸功率器件平台成功实现量产。

此前,积塔半导体特色工艺生产线正式搬入首台光刻机,厦门士兰12英寸特色工艺产线封顶并投产。一方面,世界前十的晶圆代工厂都对特色工艺有所布局,竞争压力不容小觑;另一方面,特色工艺长尾效应明显,市场碎片化且容量大,为我国半导体企业带来发展机遇。
强手林立不乏竞争
相比以线宽为基准的逻辑工艺,特色工艺的竞争能力更加综合,包括工艺、产品、服务、平台等多个维度。特色工艺的竞争点在于工艺的成熟度和稳定性,工艺平台的多样性,以及产品种类的丰富程度。
老牌IDM厂商,往往在产品设计能力占优。例如,英飞凌IGBT已经做到650V,应用在电力电网、高铁汽车等领域,具有更高的电压阻断能力和稳定性。而国内许多IGBT厂商难以达到同等的电压阻断能力,聚焦在650V以下但附加值较低的消费电子领域。
同样,对于晶圆代工厂商,能否在更低线宽做出同等性能的元器件,决定了厂商的工艺能力。虽然特色工艺不追求线宽,但线宽越低,就越能控制批量生产成本。
在拓墣产业研究院公布的2019年全球前十晶圆代工厂商中,排名第12位的台积电三星等都在特色工艺有所布局;排名第3、4位的格芯和联电因为无力追赶先进制程步伐,分别在7nm节点和12nm节点中止了对制程节点的进一步开发,将主要精力转向特色工艺。
高塔、东部高科、世界先进则侧重特色工艺,目前高塔RF-SOI、RF-CMOS等射频元器件,以及BCD、CIS已经进展到65nm进程。
8英寸向12英寸迈进
从6英寸迈向8英寸,从8英寸迈向12英寸,是晶圆代工的大方向。2019年,无锡SK海力士二厂竣工投产,预计完全达产后将月产18万片12英寸晶圆。华虹七厂12英寸生产线月产能规划为4万片,面向移动通信、物联网、智能家居、人工智能、新能源汽车等新兴应用领域的中高端芯片需要。粤芯半导体12英寸芯片生产线投产,采用130nm~180nm的平台工艺,围绕“产品差异化工艺制程”,锁定高端模拟芯片汽车电子、生物医疗检测、5G前端模块等产品方向。
除了投资设厂,亦有厂商通过收购获得12英寸产能。联电获准收购与富士通半导体合资的12英寸晶圆厂三重富士通全部股权,预计联电12英寸月产将增加20%以上。
半导体业内专家莫大康向记者表示,特色工艺现阶段以8英寸为主,12英寸是少数,多为成熟制程,又分代工、IDM及非硅材料,中国在8英寸代工方面有优势,但IDM竞争对手均是国际老牌大厂,优势较难突破。在非硅材料方面,我国厂商起步较晚。
随着工艺进入到90nm~55nm,12英寸相对8英寸效能更高,但挑战不小。从90nm工艺开始,12英寸晶圆切入市场。相比8英寸,12英寸生产效率更高,在产品量大时能有效降低生产成本。但12英寸产线对于工艺指标要求更高,对于原材料的要求也更高。
现阶段,8英寸的优势仍旧明显,将与12英寸长期并存。莫大康表示,8英寸具有设备折旧期已过、工艺相对成熟稳定、设备软件升级较少受原厂控制等优势。

同时,8英寸特色工艺的线宽也开始步入90nm以下,例如三星的8英寸解决方案就包括了65nm的eFlash和70nm的显示器驱动IC。未来12英寸、8英寸产能将继续增加,长期并存。
长尾效应带来市场机遇
数据显示,2020年特色工艺的驱动力为混合信号芯片、射频IC、汽车电子、MEMS传感器MCU、图像传感器和智能卡IC。据悉,eNVM是华虹宏力2018年第一大营收来源,主要包括智能卡芯片和MCU两大类应用。同时,5G蜂窝网络的部署,将大幅提升对RF技术的需求。
5G、物联网、多摄像头手机等新技术、新终端,将为特色工艺市场持续注入动能。近年来特色工艺市场需求最大的变化就是需求量持续暴涨,射频通信、功率器件、MEMS、CIS、指纹和面部识别等产品对于晶圆的需求量不断增长。
碳化硅大功率器件是特色工艺市场的一个重要爆发点,技术基本成熟,市场正在快速起量的临界点。5G的商用对射频芯片需求、物联网对传感器和蓝牙芯片的需求、新能源汽车对功率器件和传感器的需求、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。
近年来国内的产能建设,也在厂内设施和设备形成优势。“国外大厂由于年代久远,设备陈旧,在新兴特色工艺竞争中,中国许多新建厂具有优势。”莫大康表示。
但是我国是全球最大集成电路市场,特色工艺产品与市场应用紧密结合,应用企业应在产品开发初期与特色工艺企业密切互动,加强整机与特色工艺企业的协同创新。

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