摘要：分析表明，全球集成電路產業先進的設計和制造工藝技術已從16/14nm推向10nm。新興領域是驅動2017年集成電路產業繼續向前發展的主要驅動力。闡述2017年全球集成電路設計業的發展狀況，全球晶圓代工業和封裝測試業的發展狀況。

　　關鍵詞：集成電路制造,產業規模,調研數據

　　12017年全球集成電路設計業的發展狀況

　　根據ICInsights的數據，2017年全球集成電路(IC)設計業的營業收入為1006億美元[1]，首次突破1000億美元大關，比2016年上漲11%。高通(Qualcomm)依然穩居全球IC設計廠商(Fabless)之首，2017年營業收入超過170億美元。2017年下半年，博通(Broadcom)的營業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(Nvidia)和排名第六位的超微(AMD)都依賴于2017年以來人工智能(AI)的火熱發展，在過去的一年中兩家廠商都業績喜人。特別是AMD，在2017年推出了一系列新產品之后，讓其在和Intel的競爭中重獲不少優勢。

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

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

　　中國大陸地區的紫光集團(Unigroup)在2017年全球前10大IC設計廠商排名中居第10位。紫光集團自2013年開始，先后并購了展訊通信、銳迪科和新華三等國內設計企業，同時與英特爾、西部數據和惠普結成聯盟，順利搭建了“從芯到云”的泛IT產業鏈，形成了以IC設計、存儲和IT信息系統為主的高科技技術聯盟雛形。截至2017年年底，紫光集團實現出貨超過10億顆芯片，其中手機芯片出貨6.5億片(套)。

　　在2016年排名第八位的是賽靈思(Xilinx)。2017年其營收實現了7%的增長，仍然保持第八位。馬威爾(Marvell)在2017年營收中出現了-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設計廠商排名，總部在美國的設計廠商有6家，中國大陸地區的設計廠商有2家，中國臺灣地區和新加坡的設計廠商各1家。2017年全球前10大IC設計廠商的營收總額為737.85億美元，占全球IC設計業全部銷售收入的73.7%，比2016年提升了12%。根據ICInsights的報告，2017年全球IC設計廠商(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設計廠商銷售規模占了全球的53%。中國臺灣地區的IC設計廠商占了18%的份額。中國大陸地區的IC設計企業，扣除華為海思(HiSilicon)、中興微電子(ZTE)和大唐微電子(Datang)轉移為自用的IC產品之外，直接向市場供應的IC產品銷售額占11%，如果計及中國大陸以上3家的全部IC產值，則2016年中國大陸地區IC設計業銷售收入占全球的百分比為16%。日本和歐洲的半導體廠商大多數為IDM，單獨的IC設計廠商(Fabless)很少，其銷售收入僅占全球的1%或不足1%，世界其他地區IC設計廠商的銷售份額約占17%。

　　2全球晶圓代工業的發展狀況

　　根據TrendFarce報道的數據，2017年全球晶圓代工業的銷售規模超過540億美元，比2016年增長7.5%。雖然2017年智能手機市場增長趨緩，但人工智能、物聯網、云端服務、虛擬貨幣等應用陸續興起，使得整個晶圓代工業保持穩步增長態勢，也使全球晶圓代工廠商有機會持續擴展版圖。預計2018年全球純晶圓代工業繼續保持穩定增長8.0%左右，市場規模達到575億美元。其中，韓國占2家，中國臺灣地區占4家，中國大陸地區占2家，美國和以色列各占1家。

　　臺積電(TSMC)繼續占全球純晶圓代工行業的主導地位。2017年，臺積電營業收入達到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年營業收入為54.07億美元，同比增長8.2%，市場占有率為9.4%，繼續保持第二位。

　　聯電(UMC)仍然保持第三位，2017年營業收入為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立的純晶圓代工廠商，按其2017年營收規模擠進了第四位，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，在第四季度時對營收的貢獻率超過11.3%，全年營收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年營收增幅最大的2家純晶圓代工廠商，2017年營收增幅分別為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(Vanguard)、華虹宏力(HuaHongGrace)和東部高科(DongbuHiTek)3家企業都從事8英寸晶圓代工。

　　按營收規模分別列于第八至第十位。2017年，隨著全球8英寸晶圓產能緊張，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年營收與2016年相比變化不大，排名第十位。X-Fab2016年排名為第十位，2017年無緣進入全球前10大純晶圓代工廠商系列。2017年，智能手機芯片等移動設備對晶圓代工市場的推動作用有所減緩。

　　但高性能計算、人工智能、虛擬貨幣(比特幣)挖礦芯片和5G芯片等需求持續看好。車用電子、物聯網、可穿戴設備等市場持續增長，為2017年和2018年全球晶圓代工市場持續發展增加了新的動力。當前移動設備、高性能計算、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、物聯網、可穿戴設備等需求帶動了8英寸晶圓代工市場走俏，重現產能緊張的局面。

　　根據我國臺灣地區媒體《經濟日報》的報道，全球晶圓代工大廠臺積電自2年前開始從事比特幣挖礦機芯片(ASIC)代工以來，至今臺積電已經掌握了全球超過90%的挖礦機芯片(ASIC)的代工訂單。在2017年臺積電代工大類產品中已占第2位。為此，三星晶圓代工也積極切入，目前已攜手中國臺灣地區的智原硅知識產權公司，借其為客戶增強委托(NRE)能力，爭取更多中小型挖礦芯片客戶青睞，深耕挖礦機芯片的商機。

　　由于2017年高性能計算、人工智能、虛擬貨幣等高端晶圓代工市場需求的增長，據格羅方德分析師估計，2017年10nm制程代工產生了50億美元的價值。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。臺積電也表示，7nm節點將是一個長壽命節點，其FinFET將會有很多延伸，有很大的擴展空間，7nm節點可能會達到與28nm一樣的成就。7nm的最初應用是高端應用處理器和高性能計算芯片，到2018年年底，臺積電的7nm制程將會有50次流片。

　　目前許多晶圓客戶仍堅持使用28nm技術，因為28nm技術提供了速度、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到了100億美元。為了填補市場空白，近期格羅方德、英特爾、臺積電和聯電正在開發一種新的22nm工藝技術。

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

　　因此，8英寸晶圓產能緊缺可能還會延續一段時間，這就可能促使晶圓制造廠商尋找新的創新的方法來應對產能緊缺。例如，有的晶圓制造廠商將一些8英寸晶圓的制造技術轉移到12英寸晶圓生產線，或仿照12英寸晶圓建設超大型生產線(MegaFab)的方法建設8英寸晶圓MegaFab。這些方法在我國正在實施，如上海華虹集團在無錫新建12英寸晶圓數�；旌闲酒�生產線;中芯國際將中芯國際(天津)的8英寸晶圓生產線從3.5萬片/月擴建至15萬片/月，建成目前全球最大的8英寸晶圓生產單體。近期全球主要晶圓代工廠商的發展情況如下。

　　(1)臺積電(TSMC)。臺積電一直是全球純晶圓代工行業的領頭羊。自張忠謀復出董事長以來，臺積電處處表現出雄心勃勃。2017年臺積電營收達到320億美元，在全球純晶圓代工業中市場占用率高達55.9%。在技術優勢方面，2016年臺積電16nm制程獨拿了蘋果A10處理器(iPhone7)訂單，2017年臺積電10nm制程又搶得了蘋果A11Bionic(iPhone8)大單。2017年年底臺積電率先推出7nm工藝技術，在與三星的技術競爭中，不斷搶得先機。臺積電的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(EUV)。

　　7nm制程具有承先啟后的劃時代意義。近兩年來臺積電的優勢主要表現于先進制程導入時間領先同行，以及搶先建設全球第一座5nm制程工廠。2018年1月26日，臺積電在臺南科學園區(南科園區)新建全球第一座5nm制程工廠(Fab18)，臺積電董事長張忠謀親自主持了動土典禮。該項目投資金額達到5000億元新臺幣，計劃于2020年開始量產，加上在新竹園區總部的5nm工廠，臺積電在5nm制程建設上投資高達7000億元新臺幣。

　　目前臺積電的16nm和20nm制程均在南科園區生產，占臺積電整體營收高達40%。未來在南科園區建成5nm先進制程后，所占的營收比重將提升至50%以上。臺積電還計劃近期在5nm生產線的基礎上，適時開工3nm制程的建設。臺積電大手筆投資5nm制程，并計劃投產后5年內收回投資，繼續將3nm落腳我國臺灣地區。

　　因此，南科園區Fab18晶圓工廠建設，對于臺積電具有三層意義：一是體現臺積電對于先進技術繼續前進的承諾;二是體現臺積電會持續成長的承諾;三是體現臺積電決心深耕中國臺灣地區半導體產業的承諾。2018年新年伊始，臺積電不斷爆出一些好消息。2018年1月2日，臺積電接獲我國大陸地區高性能運算(HPC)芯片急單，總計追加10萬片數量。該類芯片采用了臺積電具有成本優勢的12nm制程。

　　英偉達(Nvidia)的GPU和聯發科(MediaTek)的主力手機也將導入臺積電的12nm制程。全球5G的商用時間表落實于2020年，但是2018～2019年兩年4GLTE仍然是智能手機的主流技術，2017年年底高通的業界傳輸速率最高的X24基帶芯片采用了臺積電的7nm制程。高通新一代搭載X24的驍龍855(Snapdragon855)手機芯片也同樣采用臺積電的7nm制程芯片。華為海思和臺積電一直合作緊密，從28nm就開始攜手前進，然后在16nm、10nm、7nm等節點上一直延續下來。海思的麒麟970首發采用臺積電10nm，麒麟980首批上臺積電7nm也不例外，估計在2018年第二季度后期進入量產，成為首批量產的7nmSoC。

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

　　3結語

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

　　此外，CMOS兩種閾值電壓必須進行調節，以達到互相匹配。制程完成后，平面結構與橫向尺寸和剖面結構與縱向尺寸能否實現芯片要求，關鍵取決于各工序的工藝規范值。如果制程完成后芯片得到的參數不精確，則電路性能就達不到設計指標。所以芯片制造中要嚴格按照工藝規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數據，達到規范值后，才能測試芯片的電參數特性。如果主要PCM數據未達到規范值，偏離數值很大，則該晶圓做報廢處理。

　　參考文獻

　　[1]潘桂忠.CMOS芯片結構與制程技術分析[J].集成電路應用，2017，34(04):43-46.

　　[2]潘桂忠.MOS集成電路工藝與制造技術[M].上海：上�？茖W技術出版社，2012.

　　集成電路論文投稿刊物：中國集成電路(月刊)創刊于1992年，是由中國信息產業部主管，中國半導體行業協會/集成電路設計分會主辦的全國性專業電子刊物。自創刊以來，一直致力于IC市場應用分析，介紹先進的IC設計、制造、封裝工藝和技術以及先進的組織形式和管理經驗。在業界形成了一定影響和良好口碑，并隨中國集成電路產業一同成長。