半导体制造行业深度报告：从um级制造到nm级制造

半导体制造行业深度报告：从um级制造到nm级制造

1、半导体制造：半导体产业链中的王者

将半导体产业链分为上中下游。上游芯片制造封测支撑行业，主要是半导体设备和材料提供商，设备代表厂商有 ASML、应材、Lam，国内企业有北方华创、中微公司；材料代表厂商有信越化学、SUMCO、住友化学、陶氏化学，国内厂商有华特气体、安集科技等。中游半导体制造产业分为集成电路设计、制造、封测三个部分。IC 设计厂商有高通、AMD、英伟达、联发科，国内厂商有华为海思、卓胜微、圣邦股份、紫光国微等；IC 制造厂商有台积电、联电、格罗方德，国内厂商有中芯国际、华虹半导体；IC 封测厂商有日月光、矽品、AMKOR，国内厂商有长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技等。涵盖 IC 设计、制造、封测三者的 IDM 厂商有 Intel、三星电子、索尼、TI，国内厂商有长江存储和士兰微。半导体下游终端应用领域有汽车电子、工业电子、通信、消费电子、PC 等领域。

2. 半导体制造行业三大核心问题

摩尔定律还能走多远？

半导体制程工艺的发展，离不开摩尔定律。摩尔定律指出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔 18~24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。随着晶体管尺寸的减少，相同单位面积中可以容纳更多的晶体管，相同大小的处理器可以获得更高的处理能力。且小的晶体管消耗的功率少，这减少了芯片的总功耗，产生的热量也随之降低， 因此可以进一步提高时钟速度。

在制程发展上，Intel、IBM、三星、GF 等按着 180nm -> 130nm -> 90nm -> 65nm -> 45nm-> 32nm -> 22nm 的步调前行（三星和 GF 在 32nm 后转向 28nm），而台积电等半导体晶圆代工厂则走上了 150nm->110nm->80nm->55nm->40nm->28nm->20nm 的路线。随着制程的发展，行业集中度提升，10nm 以下制程只有英特尔、三星、台积电三个公司。

存储芯片制程发展与逻辑芯片制程发展速度不太一致，但都受到摩尔定律的限制。DRAM 目前最先进工艺位于 18-15nm 之间，通常认为 10nm 是物理极限。从 2016 年开始，供应商开始采用 1xnm 节点制，其中供应商在路线图上拥有三种 DRAM 产品（1xnm，1ynm 和 1znm）。最初，将 1xnm 节点定义为具有 17nm 至 19nm 几何形状的 DRAM，1ynm 是 14nm 至 16nm，1znm 是 11nm 至 13nm。目前供应厂商的节点停留在 1xnm 状态（1xnm， 1ynm，1znm，新三代制程包括 1anm，1bnm，1cnm 都属于 1xnm 节点机制）。各大厂商正在积极寻找新的解决方案，继续扩展 DRAM 并提高性能，在未来的制程节点上可能会使用 EUV 光刻实现转变。SK Hynix 计划在 1anm 使用 EUV，该技术将于 2021 年面世。三星在 1znm 完成了对 DRAM 的 EUV 测试，但不会用于量产，可能会用于 1a 或 1b 的产品中。美光则计划将 193nm 浸没式光刻和 SADP 扩展到 1bnm。

NAND 闪存驱动器的容量取决于芯片中的单元数量。在 2D NAND 结构中，存储单元在单个管芯层中彼此相邻放置，以提高存储容量。单元尺寸从 120 nm 减小到 1x nm，使容量增加了 100 倍，且当前 15nm/14nm 已经达到了极限。2D NAND 技术存在两个局限，一是单元缩小是依靠光刻技术实现的，当光刻技术到达极限时，单元无法进一步缩小；二是当存储单元降至 20 nm 以下时，电荷从一个单元泄漏到另一个单元的机会大大增加，这种单元间干扰会导致数据损坏，从而严重损害闪存的可靠性。因此厂商们转向 3D NAND， 单元以垂直堆叠的方式来增加密度。3D 堆叠有单层堆栈和线堆栈两种。在最新的 128 层中，厂商大多使用两个 64 层进行堆叠，三星计划单层堆叠，在没有其他新突破的情况下，128 层是单层堆叠的极限。而线堆叠在 500 层也可能存在问题，因此还需要探索新的堆叠方法。

不管是逻辑芯片还是存储芯片，制程量级越低，技术难度越大，制作成本也越高。IBS 的数据显示：28nm 体硅器件的设计成本大致在 5130 万美元左右，而 7nm 芯片需要 2.98 亿， 5nm 则需要 5.42 亿美元，成本的增长速度越来越快。

半导体制程以 28nm 为界线，分为先进制程和成熟制程。从需求上看，先进制程需求在逐年增长，成熟制程需求较为稳定。

28nm 是半导体制程里性价比最高、长周期属性明显的制程。一方面，相较于 40nm 及更早期制程，28nm 工艺在频率调节、功耗控制、散热管理和尺寸压缩方面具有明显优势。另一方面，由于 16nm/14nm 及更先进制程采用 FinFET 技术，维持高参数良率以及低缺陷密度难度加大，每个逻辑闸的成本都高于 28nm，从前面制程成本比较的图中也可以看出， 先进制程每一代成本都加速上升。随着成本不断上升，只有少数客户能够负担得起转向高级节点的费用。

28nm 工艺处于 32nm 和 22nm 之间，业界在 45nm 阶段引入了 high-k 值绝缘层/金属栅极（HKMG）工艺，在 32nm 处引入了第二代 high-k 绝缘层/金属栅工艺，这些为 28nm 的逐步成熟打下了基础。而在之后的先进工艺方面，从 22nm 开始采用 FinFET（鳍式场效应晶体管）等。28nm 正好处于制程过渡的关键点上，使其性价比高。

28nm 制程主要有 HKMG 工艺（金属栅极+高介电常数绝缘层 High-k 栅结构）和poly/SiON 工艺（多晶硅栅+氮氧化碳绝缘层的栅极结构）。与传统的 Poly/SiON 工艺相比， HKMG 技术可以有效的改善驱动能力，进而提高晶体管的性能，同时大幅降低低栅极漏电量。Poly/SiON 工艺的特点是成本低，工艺简单，适合对性能要求不高的手机和移动设备。HKMG 的优点是大幅减小漏电流，降低晶体管的关键尺寸从而提升性能，但是工艺相对复杂，成本与 Poly/SiON 工艺相比较高。

市场上提供 28nm 制程的主要厂商有台积电、联电、三星、GF、中芯国际、华虹半导体等。台积电于 2011 年开始导入 28nm 制程量产，并在 2012 年攻克了 28nm HKMG 制程，三星则是在 2012 年实现了 28nm 的量产，并于 2013 年导入了 28nm HKMG。UMC 在 2014 年实现量产 28nm 的 HKMG，目前公司放弃了 12nm 以下先进制程的研发。格芯在 2013 年量产，格芯的主要工艺是 FD-SOI。中芯国际在 2015 年开始导入 28nm 制程量产的， 并于 2018 年导入 HKMG，同年华虹宣布开始 28nm 制程量产。

目前，虽然高端市场被 7nm、10nm 以及 14nm/16nm 工艺占据，但 40nm、28nm 等并不会退出。28nm~16nm 工艺现在仍然是台积电的营收主力，中芯国际则在持续提高28nm 良率。

在下游需求方面，IoT/穿戴装置与面板驱动 IC 需求看涨。一方面，IoT 芯片功能大多以数据收集为主，功能单纯且需维持长时间使用并兼顾低价高量，因此多半集中在 28nm 以上的节点制造。近年 IoT 与各项领域结合程度越来越高，5G 与 AI 的推动让 IoT 有了进一步的技术需求，也让客户评估制程技术转移的可能性。另一方面，受惠 OLED 面板在更多的终端应用产品上渗透率持续上升，以及国内 OLED 厂商产能陆续开出，OLED DDIC(面板驱动 IC)市场也将成为新一波 28nm 的成长动能；过去 OLED DDIC 以 40nm 制程为主，但为了满足日后需求量上升，在既有 40nm 产能已满载而 28nm 产能出现空缺的情况下，晶圆代工厂商也积极与客户合作制程转移，期望能达到填补 28nm 缺口并囊括更多订单。

在半导体制程进化的过程中，um 级及高尺寸 nm 级采用的都是 MOS 结构，缩小尺寸就是缩小了栅极横向的宽度。随着制程要求的进一步提高，如果采用 MOS 结构，线宽需要继续缩小，这会造成源端和漏端短路，电路会因此失效，且饱和电流会过小。

为了解决这些问题，出现了 FinFET 技术和 FD-SOI 技术。

FinFET 是一种场效应晶体管，其具有一从基材突出的狭窄半导体材料有源区域，因此， 类似于鳍(fin)。此鳍包括源极区域与漏极区域。鳍的有源区域通过浅沟槽隔离(shallow trench isolat1n, STI)而被分隔，一般通过二氧化娃(S12)。鳍式场效应晶体管也包括一位于源极区域与漏极区域之间的栅极区域。栅极区域形成于鳍的上表面与侧壁，以包裹围绕鳍。在栅极下方延伸且介于源极区域与漏极区域之间的鳍的部分为沟道区域。

FD-SOI 技术是一种平面工艺，利用不同的起始衬底，利用现有的 CMOS 平面制造方法的性能并扩展其性能。FD-SOI 衬底具有一层超薄的绝缘体层掩埋氧化物，位于基底硅的顶部。晶体管通道由非常薄的硅薄膜组成。在设计上，FD-SOI 技术比传统的大体积 CMOS 具有更好的晶体管静电特性，并减少了器件泄漏。

SOI 技术不需要在 Fab 厂上进行大量投资，且具有良好的背栅偏置选项。通过在 BOX 下方创建后栅极区域，我们还可以控制电压，这使其适用于低功耗应用。但 SOI 技术很难控制晶片中的锡硅膜，故晶片的成本要高于块状硅晶片，且 SOI 晶圆的供应商数量比较少， 这将使总工艺成本增加约 10％。与 SOI 相比，FinFET 具有更高的驱动电流，应变技术可用于增加载流子迁移率，但 FinFET 制造工艺复杂。

在应用上，FinFET 主要应用于高性能、高集成度领域，比如 GPU 和 CPU 等高性能器件。

FD-SOI 在 IoT、5G、AI 和 ADAS/自动驾驶中在成本和性能方面显现出优势。

两种技术各有特点，未来在 40/28 纳米，14/10 纳米的 FD-SOI 和 FinFET 技术会共存一段相当长时间。最终发展到 7 纳米及以下时，SOI 也将从 2D 发展到 3D，即发展为 SOI FinFET 工艺。这表明 SOI 与 FinFET 技术可能殊途同归。

沟道材料

沟道是连接MOS 器件源和漏之间的一个导电区域，沟道材料影响电子在沟道中的迁移率。半导体制程向更先进的节点迈进时，需要找到合适的沟道材料，加快电子在沟道中的移动速度，提高器件的频率。锗及 III-V 族化合物具有这种特性，但是这些材料必须要具备与硅材料兼容的工艺，因此目前 SiGe 是比较好的选择。

随着这三个问题的解决，半导体制程向先进工艺发展。目前，台积电和三星均已有 7nm 工艺，英特尔为 10nm 工艺，但从晶体管密度上看，英特尔 10nm 技术可与三星和台积电的 7nm 技术媲美。

从客户端来看，目前选择 7nm 工艺的客户已经超过 10 多家（AMD、苹果、Bitman、博通、海思、联发科、英伟达、高通、赛灵思、平头哥等），7nm EUV 至少有 5 家（AMD、苹果、海思、三星、高通），6nm 的客户则除了以上的 5 家之外，还多了博通和联发科，5nm 目前已确认将采用的客户则有 AMD、苹果、海思、三星和赛灵思。这些客户带来庞大体量的订单给代工厂带来高额营收，2019年，台积电作为唯一采用 7nm 工艺技术的纯晶圆代工厂，每片晶圆营收显着增加。

晶圆的原材料就是硅片，晶圆尺寸、需求与硅片息息相关。全球半导体硅片市场最主流的产品规格为 300mm 和 200mm，300mm 硅片出货面积增长速度明显高于 200mm 和150mm。2018 年，300mm 硅片和 200mm 硅片市场份额分别为 63.83 %和 26.14% ，两种尺寸硅片合计占比接近 90%。

根据制程节点划分，200mm 当量晶圆月产能如下所示。先进制程的发展是晶圆需求的强劲拉动力。

截至 2019 年 12 月，全球排名前五名晶圆每月的产能超过 100 万片晶圆（200mm 等效晶圆），产能合计占全球晶圆总产能的 53％。

2017 至 2020 年，全球芯片制造产能（折合成 200mm）预计将从 1985 万片/月增长至2407 万片/月，年均复合增长率 6.64 ；中国芯片制造产能从 276 万片/月增长至 460 万片/月，年均复合增长率 18.50 。近年来，随着中芯国际、华力微电子、长江存储、华虹宏力等中国大陆芯片制造企业的持续扩产，中国大陆芯片制造产能增速高于全球芯片产能增速。

单看纯晶圆代工厂，台积电、中芯国际、联电、格芯资本支出均在全球纯晶圆代工厂前列。台积电飞速上升，其中台积电 19 年资本支出同比增长 61.6 %。中芯国际在这两年略有下降，但相较 15 年前依旧处于较高水平。联电在放弃 7nm 制程的研发后，资本支出近两年有明显下降。格芯虽然放弃了 7nm 制程，但是转战 SOI 工艺，因此资本支出下降没有联电明显

长远来看，逻辑芯片和存储芯片的增量市场来自于 5G、云计算、AI 和物联网，数据种类、数量高速的增长，对处理器的要求越来越高，对存储的需求也在增大，因此摩尔定律的主导市场发展空间大，利润率高，依旧是各大厂商竞相追逐的领域。

对于半导体制造厂商而言，目前 CPU 和存储领域是制造龙头蚕食的区域，拥有先进制程的制造公司才有能力加入这个市场。且手机、PC 经过多年的发展基本上属于稳定的存量市场，因此为了争夺市场份额，各大厂商在制程上追逐。除此之外，制造厂商迅速布局 5G、云计算、AI 和物联网提供的新的增量市场。由于先进制程研发的稳步推进，台积电一直是苹果的代工，而高通的订单则一直被三星和台积电争夺，技术是设计厂商选择代工的影响因素，因此想要在摩尔定律主导的市场获取市场份额，持续实现成长，制造厂商第一要务是推动自身先进制程的发展。

超越摩尔定律应用领域

摩尔定律的推进降低了 CPU、存储、逻辑芯片的成本，但是不能给模拟芯片、传感器芯片、射频芯片等带来理想的成本效益。RF、电源管理、MEMS、CMOS 传感器等芯片需要更专业化，需要通过集成增加更多功能。虽然这些专用芯片的制造商仍然关注尺寸、速度和功率，但是不一定需要在最先进的节点上进行功能集成，它们需要综合考虑性能、集成度和成本。这类应用统称为超越摩尔定律的应用领域。摩尔制程主导的领域追求的是制程的发展，而超越摩尔定律的应用领域朝着多样化发展。

物联网应用就是一个很好的例子。典型的物联网设备可能包括具有模拟接口的传感器、用于编码和数据存储的存储器、用于数据通信的射频功能、用于控制设备和处理数据的处理器，另外可能还有电池和电池接口。大多数情况下，这些设备可能处于休眠模式，所以超低漏电是一个关键要求。然而，一旦被信号唤醒，设备必须立即切换到高性能模式，以便在存储器中获取或存储数据，处理数据，然后传输或接收数据。7nm 逻辑芯片在处理这些不同功能方面没有任何实际优势。还有云计算和数据中心的人工智能推理/训练应用与芯片制程关系不大，其最大的问题是功耗。

电源管理芯片、传感器芯片等对芯片制程要求没有那么苛刻，因此除了龙头厂商外，其他半导体制造厂商也能分一杯羹，格芯、联电、中芯国际、华虹半导体等在这些细分领域都能拥有一定市场。之前格芯和联电都宣布了放弃研发 7nm 工艺，把更多的精力放在了专用芯片的制造商。因此，各大厂商如果在制程竞争上没有优势，可以抓住这类市场的机会， 进行专用芯片的研发。

报告来源：天风证券