电子科技大学张波谈后摩尔时代的特色工艺及中国发展机遇

  发布时间: 2019年07月15日 14:05:30   作者: 广丰能源网

在第二届中国(成都)电子展集成电路产业发展高峰论坛上,电子科技大学集成电路中心主任张波教授做了“后摩尔时代的特色工艺及中国发展机遇”的主旨演讲。张波教授从集成电路工艺的发展和特色工艺的特点出发,介绍了中国特色工艺的产业基础和市场环境,并分析了特色工艺在中国的发展机遇。 

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张波教授表示,说到半导体工艺的发展,怎么也绕不开摩尔定律。1965年,当时还是美国Fairchild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”,预测了集成电路的集成度(一个芯片中集成的晶体管数目)将每年翻一番。1975年,已参与创建Intel的摩尔博士在IEDM(国际电子器件年会)上做了一个主题报告“Progress in digital integrated electronics”,在其报告中,摩尔博士明确将集成电路的集成度发展修订为每两年翻一番。这就是半导体业界著名的“摩尔定律(Moore’s Law)”。摩尔定律长期以来指引着微电子技术的发展,这也是Intel公司很长一段时间坚持两年一代工艺和Tick-Tock 发展战略的依据。

长期以来,集成度的提升靠的是集成电路工艺线宽的缩小,这是一维方向的坚持发展。但随着线宽的持续降低,半导体工艺发展到纳米尺度,带来无论是建厂成本、工艺研发还是产品研制费用的急剧增加,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)和先进封装三个维度并举发展。

张波教授表示,非尺寸依赖的特色工艺是“02”国家科技重大专项对More than Moore的称谓。 More than Moore,国内很多人称为“超越摩尔定律”,这种直译似乎不够准确,无法反映More than Moore的内涵。

根据More than Moore白皮书对More than Moore的定义,More than Moore是指器件价值或者性能的提升,不完全靠尺寸缩小,而是通过功能的增加。 

X-Fab公司是一家专注More than Moore方向的国际著名公司,其对More than Moore的理解,是强调在CMOS工艺上,采用特色技术,集成模拟功能,以提升器件性能和性价比(Integrating analog function into CMOS-based specialty technologies enables cost-optimized and value–added system solutions)。

因此我们把嵌入式非易失性存储工艺eNVM、BiCMOS工艺、RFCMOS工艺、BCD工艺、MEMS工艺,乃至GaAs、GaN、SiC工艺等不完全靠尺寸缩小来提升性能的工艺统称为非尺寸依赖的特色工艺。

特色工艺除了非尺寸依赖,还有何特色呢?我们首先想到的是由于工艺线宽较先进工艺大,因此建厂与生产线维护成本低,同时相较于5nm、7nm等先进工艺,特色工艺相对成熟,产品研发投入相对较少,此外还有啥特色?

特色工艺的另一个特点是由于许多特色工艺产品与应用场景密切相关,因此工艺平台繁多、产品种类庞杂,多种工艺平台共存。 如X-FAB的模拟工艺平台,从0.13um到1um七种工艺平台共存,即使0.18um节点的CMOS工艺,又有四种工艺平台,分别对应不同的应用需求。 

特色工艺不仅平台多、产品类型多,同一类器件品种还多,如功率MOS器件,美国安森美(ON Semi)公司就高达2500余种,另外还有功率MOS应用时所需的驱动芯片154种。我们再看一下德国英飞凌(Infineon)公司,这家功率半导体器件龙头企业的情形,英飞凌的功率MOS产品电压范围从12V到950V,质量等级从工业级到汽车级,种类高达3315种。前期英飞凌公司介绍其驱动芯片时宣称高达500余种,我们在其官网上也可查到各种拓扑的驱动芯片369种。

为何特色工艺产品品种如此多样?张波教授表示,这是因为很多特色产品都是模拟器件,产品性能与应用场景密切相关。也正是因为这种产品属性,特色工艺产品往往无法形成垄断企业。即使功率半导体分立器件老大,德国英飞凌公司收购了美国IR公司,其市场占有率也只有18.5%,也不能独霸市场。全球前十大功率半导体分立器件厂商加起来也只占据60%左右的市场。这给后来者留下了足够的发展空间。 

功率器件如此,扩展到模拟芯片也是如此。根据IC Insights数据,2017年全球前十大模拟芯片厂商销售了约330亿美元,占据了接近61%的市场份额。2018年全球前十大模拟芯片厂商销售了361亿美元,占据了60%的市场份额。模拟芯片市场在扩大,但仍无垄断企业。

张波教授强调也正是特色工艺具有品种众多、与应用强相关,且无垄断企业等特点,构成了中国的发展机遇。

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