最近一系列事件再次表明，制約中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素已集中到制造能力。如何快速提升制造能力，推動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展？只有不斷地研發(fā)和創(chuàng)新。

在芯片界，摩爾定律一直占據(jù)統(tǒng)治地位。

摩爾定律接下來(lái)是終結(jié)還是延續(xù)，已成為過(guò)去十年芯片界熱議的話題。

摩爾定律自1965年發(fā)明以來(lái)，一直引領(lǐng)著世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向?qū)崿F(xiàn)更低的成本、更強(qiáng)的性能、更高的經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)前進(jìn)。然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)逐漸逼近硅工藝尺寸極限，原摩爾定律導(dǎo)出的“IC的集成度約每隔18個(gè)月翻一倍，而性能也將提升一倍”的規(guī)律將受到挑戰(zhàn)。

為此， ITRS組織針對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中遠(yuǎn)期發(fā)展的挑戰(zhàn)，在技術(shù)路線制定上，提出選擇兩種發(fā)展方式（如圖1）：一是繼續(xù)沿著摩爾定律按比例縮小的方向前進(jìn)，專注于硅基CMOS技術(shù)；二是按“后摩爾定律”的多重技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用向前發(fā)展，即在產(chǎn)品多功能化（功耗、帶寬等）需求下，將硅基CMOS和非硅基等技術(shù)相結(jié)合，以提供完整的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)和滿足層出不窮的新市場(chǎng)發(fā)展。

· 繼續(xù)使用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，邁向5納米及以下

使用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的好處很多，晶體管密度更大、占用空間更少、性能更高、功率更低，但挑戰(zhàn)也越來(lái)越難以克服。

極小尺寸下，芯片物理瓶頸越來(lái)越難以克服。尤其在近幾年，先進(jìn)節(jié)點(diǎn)走向10nm、7nm、5nm，問(wèn)題就不再只是物理障礙了，節(jié)點(diǎn)越進(jìn)化，微縮成本越高，能擔(dān)負(fù)巨額研發(fā)費(fèi)用并實(shí)現(xiàn)盈利的設(shè)計(jì)公司越來(lái)越少。

根據(jù)公開(kāi)報(bào)道，28nm節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成本約為5000萬(wàn)美元，而到5nm節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)總成本已經(jīng)飆高到逾5億美元，相當(dāng)于逾35億人民幣。先進(jìn)工藝如果只能提升性能，無(wú)法有效降低甚至守住成本，選擇最先進(jìn)工藝的客戶將變得越來(lái)越有限。

· 以“三維集成”延續(xù)摩爾定律

幸運(yùn)的是，每當(dāng)摩爾定律被唱衰將走到盡頭，總會(huì)激發(fā)出科學(xué)家和工程師們創(chuàng)新構(gòu)想，提出力挽狂瀾的突破性技術(shù)，將看似走向終結(jié)的摩爾定律以“后摩爾定律”的形式延續(xù)下去。

“后摩爾定律”的實(shí)質(zhì)是，它除了會(huì)延續(xù)摩爾定律對(duì)集成度、性能的追求外，還會(huì)利用更多的技術(shù)，例如模擬/射頻、高壓功率電源、MEMS傳感器、生物芯片技術(shù)及系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）等三維集成技術(shù)，以提供具有更高附加值的系統(tǒng)。

ITRS指出，在“后摩爾定律”范疇，隨著新興應(yīng)用不斷出現(xiàn)，智能化微系統(tǒng)芯片將會(huì)進(jìn)入三維集成時(shí)代。

三維集成技術(shù)概覽和兩條主要的工藝路線

三維集成電路又稱立體集成電路，是集成電路從傳統(tǒng)平面集成方式向垂直方向立體集成方式延伸的產(chǎn)物。三維集成電路的優(yōu)勢(shì)在于：多層器件重疊結(jié)構(gòu)使芯片集成度成倍提高；TSV和混合鍵合工藝使芯片間互連長(zhǎng)度大幅度縮短，提高傳輸速度并降低了功耗；多種工藝混合集成，使集成電路功能多樣化；減少封裝尺寸，降低設(shè)計(jì)和制造成本。

三維集成技術(shù)可將多層集成電路芯片或晶圓堆疊鍵合，通過(guò)三維互連實(shí)現(xiàn)多層之間的電信號(hào)連接。三維集成技術(shù)能實(shí)現(xiàn)異質(zhì)芯片互連結(jié)合，發(fā)揮出最高系統(tǒng)性能水平，是其獨(dú)特的最大優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過(guò)十來(lái)年的發(fā)展，三維集成技術(shù)逐漸形成兩條主要的工藝路線：晶圓間三維堆疊和封裝廠主導(dǎo)的芯片間三維互連。

· 晶圓間三維堆疊技術(shù)

通過(guò)鍵合堆疊和連通孔工藝的持續(xù)改進(jìn)滿足芯片對(duì)更大帶寬、更小功耗的要求。其工藝目前主要用于圖像傳感器的生產(chǎn)，近些年，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和5G對(duì)更大帶寬、更小功耗和更低延時(shí)等特性產(chǎn)品的要求，晶圓級(jí)三維集成開(kāi)始應(yīng)用于大容量存儲(chǔ)、存算一體、高性能計(jì)算等領(lǐng)域。代表廠家有Intel、TSMC、Samsung、SONY等。

· 多顆芯片間三維互連技術(shù)

芯片級(jí)三維集成，主要追求芯片間凸點(diǎn)（Bump）連接小型化，來(lái)提高集成度和芯片性能。其技術(shù)特點(diǎn)依托于封裝打線（Wire bond）和凸點(diǎn)（bump）為基礎(chǔ)，把不同功能的芯片通過(guò)毫米級(jí)的封裝工藝連接。代表廠家主要為半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的后端封裝廠，如Amkor、SPIL、ASE、長(zhǎng)電、華進(jìn)等。

二者互有優(yōu)劣，晶圓間堆疊工藝精度高、互聯(lián)密度大；但相較芯片間互連，其良率相對(duì)較低、對(duì)芯片尺寸匹配度要求高。

國(guó)內(nèi)晶圓級(jí)三維集成技術(shù)平臺(tái)代表：武漢新芯

從2012年起，紫光集團(tuán)旗下的武漢新芯就開(kāi)始研發(fā)第一代晶圓級(jí)三維集成制造工藝，并于2013年成功實(shí)現(xiàn)背照式影像傳感器的量產(chǎn)，并同步開(kāi)始第二代晶圓級(jí)三維集成技術(shù)的研發(fā)，2014年硅通孔堆疊技術(shù)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和積累，武漢新芯的三維集成制造工藝水平與業(yè)界第一梯隊(duì)公司TSMC，索尼，三星等相當(dāng)，產(chǎn)品已打入國(guó)際知名手機(jī)品牌以及國(guó)內(nèi)知名品牌終端。在上兩代技術(shù)的基礎(chǔ)上，武漢新芯于2016年完成第三代三維集成技術(shù)的研發(fā)，成功研制出晶圓級(jí)混合鍵合技術(shù)，并成功應(yīng)用于長(zhǎng)江存儲(chǔ)64層3D NAND產(chǎn)品上，其技術(shù)能力已達(dá)到世界頂尖水平。

2018年，武漢新芯啟動(dòng)第四代三維集成技術(shù)—多晶圓堆疊技術(shù)研發(fā)，并于2018年底完成工藝驗(yàn)證，成功邁入多晶圓垂直整合領(lǐng)域。未來(lái)還將深耕三維集成領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)異質(zhì)集成技術(shù)，目標(biāo)成為國(guó)內(nèi)一流的12寸三維集成技術(shù)工藝生產(chǎn)平臺(tái)。

通過(guò)自身半導(dǎo)體三維集成技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品拓展，武漢新芯將帶動(dòng)上下游企業(yè)共同發(fā)展。在目前工藝條件下，提供更小的芯片面積，以及更高的集成度，力主獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)體系和成套工藝解決方案，并將之應(yīng)用于芯片的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的局部突破和升級(jí)，使我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)在三維集成技術(shù)這一領(lǐng)域，縮小與世界先進(jìn)水平的差距。