摘要：分析表明，全球集成電路產(chǎn)業(yè)先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造工藝技術(shù)已從16/14nm推向10nm。新興領(lǐng)域是驅(qū)動(dòng)2017年集成電路產(chǎn)業(yè)繼續(xù)向前發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。闡述2017年全球集成電路設(shè)計(jì)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，全球晶圓代工業(yè)和封裝測試業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r。

　　關(guān)鍵詞：集成電路制造,產(chǎn)業(yè)規(guī)模,調(diào)研數(shù)據(jù)

　　12017年全球集成電路設(shè)計(jì)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

　　根據(jù)ICInsights的數(shù)據(jù)，2017年全球集成電路(IC)設(shè)計(jì)業(yè)的營業(yè)收入為1006億美元[1]，首次突破1000億美元大關(guān)，比2016年上漲11%。高通(Qualcomm)依然穩(wěn)居全球IC設(shè)計(jì)廠商(Fabless)之首，2017年?duì)I業(yè)收入超過170億美元。2017年下半年，博通(Broadcom)的營業(yè)收入曾一度超過高通，但從全年來看，博通依然未超過高通。

　　但很明顯，兩家的差距正在逐步縮小。排名第三位的英偉達(dá)(Nvidia)和排名第六位的超微(AMD)都依賴于2017年以來人工智能(AI)的火熱發(fā)展，在過去的一年中兩家廠商都業(yè)績喜人。特別是AMD，在2017年推出了一系列新產(chǎn)品之后，讓其在和Intel的競爭中重獲不少優(yōu)勢。

　　排名第四位的聯(lián)發(fā)科(MediaTek)，在2017年痛失眾多大客戶訂單的情況下，可謂流年不利。2017年?duì)I業(yè)收入大幅下降44%，其排名由2016年的第三位降至2017年的第四位。不過有消息稱聯(lián)發(fā)科已經(jīng)和蘋果公司共同研發(fā)出新一代智能手機(jī)的基帶芯片，如果該消息屬實(shí)，可以相信聯(lián)發(fā)科的前景依然光明。

　　中國大陸地區(qū)的海思(HiSilicon)近年來受惠于華為手機(jī)出貨的強(qiáng)勢增長，以及麒麟系統(tǒng)應(yīng)用處理器和基帶芯片搭載率的提升，營業(yè)收入的提升較為明顯，因而在2017年的排名中居第七位。2017年，應(yīng)用海思麒麟系列芯片的華為手機(jī)銷售收入達(dá)到2360億元，營收規(guī)模較2016年擴(kuò)大約30%。華為和榮耀品牌智能手機(jī)全年出貨1.53億部，保持國內(nèi)市場份額第一位。

　　中國大陸地區(qū)的紫光集團(tuán)(Unigroup)在2017年全球前10大IC設(shè)計(jì)廠商排名中居第10位。紫光集團(tuán)自2013年開始，先后并購了展訊通信、銳迪科和新華三等國內(nèi)設(shè)計(jì)企業(yè)，同時(shí)與英特爾、西部數(shù)據(jù)和惠普結(jié)成聯(lián)盟，順利搭建了“從芯到云”的泛IT產(chǎn)業(yè)鏈，形成了以IC設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)和IT信息系統(tǒng)為主的高科技技術(shù)聯(lián)盟雛形。截至2017年年底，紫光集團(tuán)實(shí)現(xiàn)出貨超過10億顆芯片，其中手機(jī)芯片出貨6.5億片(套)。

　　在2016年排名第八位的是賽靈思(Xilinx)。2017年其營收實(shí)現(xiàn)了7%的增長，仍然保持第八位。馬威爾(Marvell)在2017年?duì)I收中出現(xiàn)了-1%的增長，其排名由2016年的第七位降至2017年的第九位�？v觀2017年全球前10大IC設(shè)計(jì)廠商排名，總部在美國的設(shè)計(jì)廠商有6家，中國大陸地區(qū)的設(shè)計(jì)廠商有2家，中國臺(tái)灣地區(qū)和新加坡的設(shè)計(jì)廠商各1家。2017年全球前10大IC設(shè)計(jì)廠商的營收總額為737.85億美元，占全球IC設(shè)計(jì)業(yè)全部銷售收入的73.7%，比2016年提升了12%。根據(jù)ICInsights的報(bào)告，2017年全球IC設(shè)計(jì)廠商(Fabless)銷售額按總部所在地的分布如圖1所示。

　　其中，總部在美國的IC設(shè)計(jì)廠商銷售規(guī)模占了全球的53%。中國臺(tái)灣地區(qū)的IC設(shè)計(jì)廠商占了18%的份額。中國大陸地區(qū)的IC設(shè)計(jì)企業(yè)，扣除華為海思(HiSilicon)、中興微電子(ZTE)和大唐微電子(Datang)轉(zhuǎn)移為自用的IC產(chǎn)品之外，直接向市場供應(yīng)的IC產(chǎn)品銷售額占11%，如果計(jì)及中國大陸以上3家的全部IC產(chǎn)值，則2016年中國大陸地區(qū)IC設(shè)計(jì)業(yè)銷售收入占全球的百分比為16%。日本和歐洲的半導(dǎo)體廠商大多數(shù)為IDM，單獨(dú)的IC設(shè)計(jì)廠商(Fabless)很少，其銷售收入僅占全球的1%或不足1%，世界其他地區(qū)IC設(shè)計(jì)廠商的銷售份額約占17%。

　　2全球晶圓代工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

　　根據(jù)TrendFarce報(bào)道的數(shù)據(jù)，2017年全球晶圓代工業(yè)的銷售規(guī)模超過540億美元，比2016年增長7.5%。雖然2017年智能手機(jī)市場增長趨緩，但人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云端服務(wù)、虛擬貨幣等應(yīng)用陸續(xù)興起，使得整個(gè)晶圓代工業(yè)保持穩(wěn)步增長態(tài)勢，也使全球晶圓代工廠商有機(jī)會(huì)持續(xù)擴(kuò)展版圖。預(yù)計(jì)2018年全球純晶圓代工業(yè)繼續(xù)保持穩(wěn)定增長8.0%左右，市場規(guī)模達(dá)到575億美元。其中，韓國占2家，中國臺(tái)灣地區(qū)占4家，中國大陸地區(qū)占2家，美國和以色列各占1家。

　　臺(tái)積電(TSMC)繼續(xù)占全球純晶圓代工行業(yè)的主導(dǎo)地位。2017年，臺(tái)積電營業(yè)收入達(dá)到320.4億美元，同比增長8.8%，市場占有率為55.9%。格羅方德(GlobalFoundries)2017年?duì)I業(yè)收入為54.07億美元，同比增長8.2%，市場占有率為9.4%，繼續(xù)保持第二位。

　　聯(lián)電(UMC)仍然保持第三位，2017年?duì)I業(yè)收入為48.98億美元，同比增長6.8%。2017年5月，三星將晶圓代工部門分離出來成為獨(dú)立的純晶圓代工廠商，按其2017年?duì)I收規(guī)模擠進(jìn)了第四位，替代了中芯國際原來的位置。中芯國際2017年成功上量28nm技術(shù)，在第四季度時(shí)對營收的貢獻(xiàn)率超過11.3%，全年?duì)I收29.14億美元，同比增長6.4%，排名第五位，市場占有率為5.4%。塔富(TowerJazz)和力晶(Powerchip)是2017年?duì)I收增幅最大的2家純晶圓代工廠商，2017年?duì)I收增幅分別為11.1%和18.9%，但這兩家廠商的營收體量較小，僅占純晶圓代工市場份額的2.4%和1.8%。世界先進(jìn)(Vanguard)、華虹宏力(HuaHongGrace)和東部高科(DongbuHiTek)3家企業(yè)都從事8英寸晶圓代工。

　　按營收規(guī)模分別列于第八至第十位。2017年，隨著全球8英寸晶圓產(chǎn)能緊張，華虹宏力的特色工藝代工市場更顯緊俏，營收增幅在12%以上。東部高科(DongbuHiTek)2017年?duì)I收與2016年相比變化不大，排名第十位。X-Fab2016年排名為第十位，2017年無緣進(jìn)入全球前10大純晶圓代工廠商系列。2017年，智能手機(jī)芯片等移動(dòng)設(shè)備對晶圓代工市場的推動(dòng)作用有所減緩。

　　但高性能計(jì)算、人工智能、虛擬貨幣(比特幣)挖礦芯片和5G芯片等需求持續(xù)看好。車用電子、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等市場持續(xù)增長，為2017年和2018年全球晶圓代工市場持續(xù)發(fā)展增加了新的動(dòng)力。當(dāng)前移動(dòng)設(shè)備、高性能計(jì)算、人工智能、虛擬貨幣和5G芯片等主要集中在40nm及以下代工市場，而車用電子、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等需求帶動(dòng)了8英寸晶圓代工市場走俏，重現(xiàn)產(chǎn)能緊張的局面。

　　根據(jù)我國臺(tái)灣地區(qū)媒體《經(jīng)濟(jì)日報(bào)》的報(bào)道，全球晶圓代工大廠臺(tái)積電自2年前開始從事比特幣挖礦機(jī)芯片(ASIC)代工以來，至今臺(tái)積電已經(jīng)掌握了全球超過90%的挖礦機(jī)芯片(ASIC)的代工訂單。在2017年臺(tái)積電代工大類產(chǎn)品中已占第2位。為此，三星晶圓代工也積極切入，目前已攜手中國臺(tái)灣地區(qū)的智原硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司，借其為客戶增強(qiáng)委托(NRE)能力，爭取更多中小型挖礦芯片客戶青睞，深耕挖礦機(jī)芯片的商機(jī)。

　　由于2017年高性能計(jì)算、人工智能、虛擬貨幣等高端晶圓代工市場需求的增長，據(jù)格羅方德分析師估計(jì)，2017年10nm制程代工產(chǎn)生了50億美元的價(jià)值。到2018年，由于人工智能和5G芯片的更多加入，10nm制程收入增加到70億美元，而7nm制程的銷售額也增至30億美元。臺(tái)積電也表示，7nm節(jié)點(diǎn)將是一個(gè)長壽命節(jié)點(diǎn)，其FinFET將會(huì)有很多延伸，有很大的擴(kuò)展空間，7nm節(jié)點(diǎn)可能會(huì)達(dá)到與28nm一樣的成就。7nm的最初應(yīng)用是高端應(yīng)用處理器和高性能計(jì)算芯片，到2018年年底，臺(tái)積電的7nm制程將會(huì)有50次流片。

　　目前許多晶圓客戶仍堅(jiān)持使用28nm技術(shù)，因?yàn)?8nm技術(shù)提供了速度、功耗和成本的最佳組合，2017年全球28nm的晶圓代工的年收入達(dá)到了100億美元。為了填補(bǔ)市場空白，近期格羅方德、英特爾、臺(tái)積電和聯(lián)電正在開發(fā)一種新的22nm工藝技術(shù)。

　　22nm芯片比28nm更快，芯片開發(fā)成本也低于16/14nm。但是各家廠商的22nm技術(shù)都不一樣，如格羅方德開發(fā)的是22nmFD-SOI技術(shù)(22FDX)，臺(tái)積電和聯(lián)電正在開發(fā)的是22nm大容量CMOS工藝，而英特爾則采用新的低功耗22nmFinFET技術(shù)。在最近兩年，由于汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)、電源管理、指紋傳感器和顯示驅(qū)動(dòng)等芯片的市場需求仍然旺盛，8英寸晶圓代工仍保持緊俏。同時(shí)各項(xiàng)特色工藝技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，如數(shù)�；旌�、BCD、MEMS和RF射頻芯片技術(shù)等。

　　因此，8英寸晶圓產(chǎn)能緊缺可能還會(huì)延續(xù)一段時(shí)間，這就可能促使晶圓制造廠商尋找新的創(chuàng)新的方法來應(yīng)對產(chǎn)能緊缺。例如，有的晶圓制造廠商將一些8英寸晶圓的制造技術(shù)轉(zhuǎn)移到12英寸晶圓生產(chǎn)線，或仿照12英寸晶圓建設(shè)超大型生產(chǎn)線(MegaFab)的方法建設(shè)8英寸晶圓MegaFab。這些方法在我國正在實(shí)施，如上海華虹集團(tuán)在無錫新建12英寸晶圓數(shù)�；旌闲酒�生產(chǎn)線;中芯國際將中芯國際(天津)的8英寸晶圓生產(chǎn)線從3.5萬片/月擴(kuò)建至15萬片/月，建成目前全球最大的8英寸晶圓生產(chǎn)單體。近期全球主要晶圓代工廠商的發(fā)展情況如下。

　　(1)臺(tái)積電(TSMC)。臺(tái)積電一直是全球純晶圓代工行業(yè)的領(lǐng)頭羊。自張忠謀復(fù)出董事長以來，臺(tái)積電處處表現(xiàn)出雄心勃勃。2017年臺(tái)積電營收達(dá)到320億美元，在全球純晶圓代工業(yè)中市場占用率高達(dá)55.9%。在技術(shù)優(yōu)勢方面，2016年臺(tái)積電16nm制程獨(dú)拿了蘋果A10處理器(iPhone7)訂單，2017年臺(tái)積電10nm制程又搶得了蘋果A11Bionic(iPhone8)大單。2017年年底臺(tái)積電率先推出7nm工藝技術(shù)，在與三星的技術(shù)競爭中，不斷搶得先機(jī)。臺(tái)積電的7nm制程及7nm+(7nmplus)制程分別采用193nmArF浸沒式光刻和極紫外光刻技術(shù)(EUV)。

　　7nm制程具有承先啟后的劃時(shí)代意義。近兩年來臺(tái)積電的優(yōu)勢主要表現(xiàn)于先進(jìn)制程導(dǎo)入時(shí)間領(lǐng)先同行，以及搶先建設(shè)全球第一座5nm制程工廠。2018年1月26日，臺(tái)積電在臺(tái)南科學(xué)園區(qū)(南科園區(qū))新建全球第一座5nm制程工廠(Fab18)，臺(tái)積電董事長張忠謀親自主持了動(dòng)土典禮。該項(xiàng)目投資金額達(dá)到5000億元新臺(tái)幣，計(jì)劃于2020年開始量產(chǎn)，加上在新竹園區(qū)總部的5nm工廠，臺(tái)積電在5nm制程建設(shè)上投資高達(dá)7000億元新臺(tái)幣。

　　目前臺(tái)積電的16nm和20nm制程均在南科園區(qū)生產(chǎn)，占臺(tái)積電整體營收高達(dá)40%。未來在南科園區(qū)建成5nm先進(jìn)制程后，所占的營收比重將提升至50%以上。臺(tái)積電還計(jì)劃近期在5nm生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，適時(shí)開工3nm制程的建設(shè)。臺(tái)積電大手筆投資5nm制程，并計(jì)劃投產(chǎn)后5年內(nèi)收回投資，繼續(xù)將3nm落腳我國臺(tái)灣地區(qū)。

　　因此，南科園區(qū)Fab18晶圓工廠建設(shè)，對于臺(tái)積電具有三層意義：一是體現(xiàn)臺(tái)積電對于先進(jìn)技術(shù)繼續(xù)前進(jìn)的承諾;二是體現(xiàn)臺(tái)積電會(huì)持續(xù)成長的承諾;三是體現(xiàn)臺(tái)積電決心深耕中國臺(tái)灣地區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的承諾。2018年新年伊始，臺(tái)積電不斷爆出一些好消息。2018年1月2日，臺(tái)積電接獲我國大陸地區(qū)高性能運(yùn)算(HPC)芯片急單，總計(jì)追加10萬片數(shù)量。該類芯片采用了臺(tái)積電具有成本優(yōu)勢的12nm制程。

　　英偉達(dá)(Nvidia)的GPU和聯(lián)發(fā)科(MediaTek)的主力手機(jī)也將導(dǎo)入臺(tái)積電的12nm制程。全球5G的商用時(shí)間表落實(shí)于2020年，但是2018～2019年兩年4GLTE仍然是智能手機(jī)的主流技術(shù)，2017年年底高通的業(yè)界傳輸速率最高的X24基帶芯片采用了臺(tái)積電的7nm制程。高通新一代搭載X24的驍龍855(Snapdragon855)手機(jī)芯片也同樣采用臺(tái)積電的7nm制程芯片。華為海思和臺(tái)積電一直合作緊密，從28nm就開始攜手前進(jìn)，然后在16nm、10nm、7nm等節(jié)點(diǎn)上一直延續(xù)下來。海思的麒麟970首發(fā)采用臺(tái)積電10nm，麒麟980首批上臺(tái)積電7nm也不例外，估計(jì)在2018年第二季度后期進(jìn)入量產(chǎn)，成為首批量產(chǎn)的7nmSoC。

　　(2)三星電子。三星晶圓代工部門自2017年5月從三星半導(dǎo)體事業(yè)部分離出來之后，其晶圓代工業(yè)務(wù)呈現(xiàn)快速增長之勢。2017年，三星晶圓代工營收規(guī)模為44億美元，占全球純晶圓代工市場份額的7.7%。

　　3結(jié)語

　　制程中使用了13次掩模，各次光刻確定了SubmironCMOS芯片各層平面結(jié)構(gòu)與橫向尺寸。工藝完成后確定了：(1)芯片各層平面結(jié)構(gòu)與橫向尺寸;(2)剖面結(jié)構(gòu)與縱向尺寸;(3)硅中的雜質(zhì)濃度、分布及其結(jié)深;(4)電路功能和電氣性能等。芯片結(jié)構(gòu)及其尺寸和硅中雜質(zhì)濃度及其結(jié)深是制程的關(guān)鍵[2]。它們不僅與下列工藝參數(shù)：(1)襯底硅電阻率;(2)阱深度、摻雜濃度及其分布;(3)場區(qū)氧化層和柵氧化層厚度;(4)有效溝道長度;(5)源漏結(jié)深度及其薄層電阻等有關(guān)。而且與器件的閾值電壓、源漏擊穿電壓、跨導(dǎo)以及漏電流等密切相關(guān)。

　　此外，CMOS兩種閾值電壓必須進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到互相匹配。制程完成后，平面結(jié)構(gòu)與橫向尺寸和剖面結(jié)構(gòu)與縱向尺寸能否實(shí)現(xiàn)芯片要求，關(guān)鍵取決于各工序的工藝規(guī)范值。如果制程完成后芯片得到的參數(shù)不精確，則電路性能就達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)。所以芯片制造中要嚴(yán)格按照工藝規(guī)范才能得到合格的電路。晶圓完成制程加工以后，先測試晶圓PCM數(shù)據(jù)，達(dá)到規(guī)范值后，才能測試芯片的電參數(shù)特性。如果主要PCM數(shù)據(jù)未達(dá)到規(guī)范值，偏離數(shù)值很大，則該晶圓做報(bào)廢處理。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2]潘桂忠.MOS集成電路工藝與制造技術(shù)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

　　集成電路論文投稿刊物：中國集成電路(月刊)創(chuàng)刊于1992年，是由中國信息產(chǎn)業(yè)部主管，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)/集成電路設(shè)計(jì)分會(huì)主辦的全國性專業(yè)電子刊物。自創(chuàng)刊以來，一直致力于IC市場應(yīng)用分析，介紹先進(jìn)的IC設(shè)計(jì)、制造、封裝工藝和技術(shù)以及先進(jìn)的組織形式和管理經(jīng)驗(yàn)。在業(yè)界形成了一定影響和良好口碑，并隨中國集成電路產(chǎn)業(yè)一同成長。