半导体专题系列研究之十：半导体制造五大难点.pdf

请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 海外市场研究 Page 1 证券研究报告海外市场研究 港股/电子元器件 Table_IndustryInfo 半导体专题系列研究之十 2020年02月12日 Table_BaseInfo 一年该行业与恒生指数、标普500、纳指走势比较 相关研究报告： 半导体专题研究三：半导体制造产业链梳理 2020-02-07 半导体专题研究系列八：正在崛起的中国半导体设备 2020-02-10 半导体专题九：国内功率半导体产业投资宝典 2020-02-10 半导体研究专题二：从国家战略角度看半导体制造目标做大做强 2019-12-09 半导体研究专题一：从三个维度看芯片设计 2019-10-30 证券分析师：王学恒 电话： 010-88005382 E-MAIL： wangxuehguosen 证券投资咨询执业资格证书编码：S0980514030002 证券分析师：何立中 电话： 010-88005322 E-MAIL： helzguosen 证券投资咨询执业资格证书编码：S0980516110003 证券分析师：欧阳仕华 电话： 0755-81981821 E-MAIL： ouyangsh1guosen 证券投资咨询执业资格证书编码：S0980517080002 证券分析师：唐泓翼 电话： 021-60875135 E-MAIL： tanghyguosen 证券投资咨询执业资格证书编码：S0980516080001 独立性声明： 作者保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于本人的职业理解，通过合理判断并得出结论，力求客观、公正，其结论不受其它任何第三方的授意、影响，特此声明。 Table_Title 海外市场专题 半导体制造五大难点 半导体产业是集成了很多子系统的大系统 伴随着芯片的集成度越来越高、半导体制造的先进程度也逐渐提升。半导体产业包含越来越多的机械、化工、软件、材料等其它领域，是集成了很多子系统的大系统。 同时，涉及如此众多产业的半导体产业，也推动经济发展。因为，半导体产品的性能逐渐提升，而成本降低、价格下降。从而满足了市场对于高性能、低成本需求。 半导体制造五大难点 一是集成度越来越高。在一颗芯片上集成的晶体管的数量，越来越多，从20世纪60年代至今，从1个晶体管增加到 100亿以上。 二是对精度要求越来越高，工艺加工难度越大。关键尺寸从 1988 年的1um，减小到2020年的5nm，减少了99.5%。从此角度看，集成电路制造的难度在逐渐提升，难度提升的加速度也在变大。 三是单点技术突破难，构成半导体制造工序的最小单位的工艺技术就是单点技术，复杂电路的制造工序超过 500道工序，这些工序都是在精密仪器下进行，人类的肉眼是看不清楚的。 四是需要将多个技术集成。集成技术的难点在于，如何在短时间内完成从无限的组件技术组合中，制定低成本、满足规格且完全运行的工艺流程。类似：单人体育的乒乓球中国人可以全球拿冠军。但 11 人的足球队不能拿冠军，这就是集成技术的难点。 五是批量生产技术。将研发中心通过集成技术构建的工艺流程移交给批量生产工厂。严格意义上的精确复制基本是不可能的。即使开发中心和批量生产工厂的设备相同，在同样的工艺条件下也未必能够得到同样的结果。这是因为即使是同样的设备，两台机器之间也会存在微小的性能差异（机差）。机差是半导体制造设备厂家在生产同一型号的设备时，因不可控因素的存在而可能产生的设备差异。随着半导体精密化程度的不断提高，机差问题也日益显著。 半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈 半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈。电脑 CPU、手机SOC/基带等高端芯片，国内已经有替代，虽然性能与国际巨头产品有差距，但是至少可以“将就着用”。而半导体制造是处于“01”的突破过程中。假如海外半导体代工厂不给中国大陆设计公司代工，那么中国的半导体产业将会受到很严重影响。 投资建议 我们认为，市场对芯片设计、半导体设备的认识已经很充分。而对半导体制造环节认识不够。同时，再加上半导体制造领域研究的高壁垒，导致资本市场对半导体制造是被动型忽视的。2020年是半导体制造的大年，我们继续推荐两大龙头：中芯国际、华虹半导体。 -30.00-10.0010.0030.0019/2 19/5 19/8 19/11恒生指数 纳斯达克指数请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 2 投资摘要 本篇报告不同于一般的行业专题，我们从“实业工艺操作”的角度，分析半导体制造产业的难点所在。 关键结论 一、 半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈。电脑 CPU、手机SOC/基带等高端芯片，国内已经有替代，虽然性能与国际巨头产品有差距，但是至少可以“将就着用”。而半导体制造是处于“01”的突破过程中。 二、 半导体产业是集成了很多子系统的大系统，伴随着芯片的集成度越来越高、半导体制造的先进程度也逐渐提升。半导体产业包含越来越多的机械、化工、软件、材料等其它领域，是集成了很多子系统的大系统。同时，涉及如此众多产业的半导体产业，也推动经济发展。因为，半导体产品的性能逐渐提升，而成本降低、价格下降。从而满足了市场对于高性能、低成本需求。 三、 半导体制造的五大难点： 集成度高 精度高 单点技术突破难 集成技术难 批量生产技术难 四、 2020年是半导体制造的大年，我们继续推荐中芯国际、华虹半导体。 五、 附录： 中芯国际深度报告：中芯国际-00981.HK-深度报告：半导体代工龙头，看好先进制程20190916 华虹半导体深度报告：华虹半导体-01347.HK-后摩尔时代迎接汽车半导体红利201810 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 3 内容目录 半导体制造高度垄断 . 5 制造是半导体产业的重点 . 5 五大硅片厂垄断市场 . 5 全球代工被台积电垄断 . 6 半导体制造发展历史 . 6 20世纪50年代晶体管技术 . 6 20世纪60年代改进工艺 . 7 20世纪70年代提升集成度 . 7 20世纪80年代实现自动化 . 8 20世纪90年代高效率批量生产 . 8 半导体制造五大难点 . 8 集成众多子系统的大系统 . 8 第一，集成度越来越高 . 9 第二，对精度要求越来越高 . 10 第三，单点技术突破难 .11 第四，需要将多个技术集成 . 13 第五，批量生产技术 . 13 半导体制造的三大指标. 14 一是先进制程达到多少纳米 . 14 二是晶圆尺寸趋于大硅片 . 15 三是产能决定短期业绩 . 16 工艺制程不是越先进越好 . 17 先进制程和特殊工艺双向发展 . 18 半导体代工需求旺盛 . 19 代工增速超半导体行业整体增速 . 19 代工厂排名 . 21 投资建议 . 21 中芯国际（0981.hk）：半导体代工龙头，看好先进制程 . 21 华虹半导体（1347.hk）：公司专注特色工艺，收入增速强于全球市场 . 23 行业投资风险 . 23 国信证券投资评级 . 24 分析师承诺 . 24 风险提示 . 24 证券投资咨询业务的说明 . 25 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 4 图表目录 图1：一般情况半导体产业链划分 . 5 图2：2018前5大硅片厂商 . 5 图3：全球前十大晶圆代工市占率 2019Q3 . 6 图4：半导体制造发展历史 . 7 图5：半导体产业涉及领域 . 9 图6：半导体制造五大难点 . 9 图7：集成电路关键尺寸（nm） . 10 图8：晶体管关键尺寸（线宽，注意，此处线宽指栅长） . 10 图9：CMOS工艺流程中的主要步骤 . 11 图10：CMOS工艺流程中的主要步骤 . 11 图11：扩散用高温炉 . 12 图12：光刻工艺示意图 . 12 图13：刻蚀机（干法等离子刻蚀） . 12 图14：离子注入示意图 . 12 图15：薄膜生长示意图（CVD多腔集成设备） . 13 图16：亚微米制造厂的抛光区 . 13 图17：单点技术类似单人游戏 . 13 图18：集成技术类似11 人足球. 13 图19：全球主要半导体厂商工艺先进程度 . 15 图20：2018全球半导体代工厂按照工艺技术分布 . 15 图21：晶圆尺寸参数 . 16 图22：2018年不同尺寸晶圆占比 . 16 图23：晶圆尺寸占比走势 . 16 图24：2019Q3月产能，万片/月，等效8寸. 17 图25：IC design费用($M) . 17 图26：IC设计费用构成 . 17 图27：3nm以下晶体管结构从 FinFET到 GAA . 18 图28：EUV光刻机构造 . 18 图29：后摩尔时代半导体工艺发展方向 . 18 图30：后摩尔时代半导体工艺发展方向 . 19 图31：中国大陆半导体代工厂市场规模（亿美元） . 19 图32：全球Fabless代工需求（亿美元） . 20 图33：中国大陆Fabless代工需求（亿美元） . 20 图34：2010年半导体代工厂客户构成 . 20 图35：2017年半导体代工厂客户构成 . 20 图36：中国大陆半导体代工厂市场规模（亿美元） . 20 图37：全球前十大晶圆代工市占率 2019Q3 . 21 表1：集成电路晶体管个数发展趋势 . 10 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 5 半导体制造高度垄断 制造是半导体产业的重点 一般情况下，我们将半导体产业划分为：设计制造封测，EDA面向设计和制造，设备面向制造和封测。 半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈，电脑 CPU、手机 SOC/基带等高端芯片，国内已经有替代，虽然性能与国际巨头产品有差距，但是至少可以“将就着用”。 而半导体制造是处于“01”的突破过程中，假如海外半导体代工厂不给中国大陆设计公司代工，那么中国的半导体产业将会受到很严重影响。 图1：一般情况半导体产业链划分 资料来源：国信证券经济研究所整理 五大硅片厂垄断市场 全球半导体硅片市场主要集中在几家大企业，行业集中度高，技术壁垒较高。2018前5大硅片厂商合计95%市场份额，行业前五名企业的市场份额分别为：日本信越化学市场份额 28%，日本 SUMCO 市场份额 25%，德国 Siltronic 市场份额 14%，中国台湾环球晶圆市场份额为 14%，韩国 SKSiltron市场份额占比为11%，法国Soitec为4%。 图2：2018前5大硅片厂商 资料来源：SEMI，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 6 全球代工被台积电垄断 2019年Q3全球十大晶圆厂排名为：台积电、三星、格罗方德、联电、中芯国际、高塔、华虹、世界先进、力晶、东部高科。 国内代工龙头中芯国际排名第五，市场占有率 4.4%。 图3：全球前十大晶圆代工市占率 2019Q3 资料来源: 公司财报，证券经济研究所整理 半导体制造发展历史 20世纪50年代晶体管技术 自从 1947 年贝尔实验室的第一个晶体管发明以来，20 世纪 50 年代是各种半导体晶体管技术发展丰收的时期。 第一个晶体管用锗半导体材料。 第一个制造硅晶体管的是德州仪器公司。 随着 1959 年集成电路的发明，产业准备好用固体晶体管技术作为真空管的替代品并且开发新的应用市场。新制造技术必须将 20世纪50年代的实验室硅片制造技术变成60年代的生产工艺。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 7 图4：半导体制造发展历史 资料来源: 半导体制造技术，证券经济研究所整理 20世纪60年代改进工艺 在20世纪60年代，半导体产业进入面向解决生产半导体集成电路基本问题的时代。这是集成电路的开始以及小规模集成电路时代。半导体制造商激增。 此阶段，半导体制造商重点在工艺技术的改进，致力于提高集成电路性能以及降低成本。由于半导体制造的工艺性涉及多个行业，专门从事供应的行业发展起来以提供硅片制造需要的化学材料和设备。 众多高技术公司于20世纪60年代成立，： 1961年仙童公司( Fairchild )的工程师成立了Signetics公司。 1968年，罗伯特诺伊思、戈登摩尔和格罗夫离开仙童公司成立英特尔公司。 1969年杰里桑德斯和其他来自仙童公司的科学家成立 AMD。 20世纪70年代提升集成度 20 世纪 70 年代初期是芯片设计的中规模集成电路时期，制造工艺大部分是按批次加工的手工操作。典型的硅片制造厂以 5%或 10%的成品率开始生产新产品，并且经过努力可能提高到 30%。 在20世纪70年代初期，微处理器是德州仪器公司和英特尔公司发明的，随者被市场应用广泛接受，产生了对更多芯片集成在一起的需求。大规模级的集成电路仅存在了几年，就被超大规模集成电路迅速取代，超大规模集成电路是 20世纪70年代末的集成标准。 迅速变化的半导体产业变成混沌状态硅片制造厂使用的许多设备和工艺是由多家制造半导体器件的公司开发的，不具备工业标准。这样一来，造成了制造商和供应商的低效率、亚洲出现了令人畏惧的竞争者，日本成为半导体变革和制造的强国。在半导体领域，亚洲电子巨头挑战美国的统治地位。到 1979年， 日本已经获取世界存储器微芯片 40%以上的需求量。 随着更复杂芯片需求的增长，设备技术从 20世纪60年代的手工设备变成可由操作者控制以及单板固体控制器的按钮半自动操作。对于关键半导体设备，设备供应商也遇到来自日本和亚洲的顽强竞争。 建造一个硅片制造厂的费用变得极其昂贵。硅片沾污水平的控制成为缩小器件请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 8 特征尺寸的关键，要求专门硅片制造厂的净化线标准，几乎超过其他所有行业。用于加工的水、空气和许多化学材料以及气体，需要特别的纯度规定。到 20世纪70年代末期，硅片制造厂的费用大约是 3000万美元并继续上涨。市场需求和持续更换设备以保证先进技术的需求，促进了新厂的建设。 产业试图组建一个协作公司以规范这种混乱。在 1970年，为了标准化及促进业界的设备、材料和服务， SEMI (半导体设备和材料学会)成立。1977年，在罗伯特诺伊思的领导下半导体行业协会(SIA)成立。其目标是针对由于迅速增长产生的共性问题进行更多的业界合作，统一业界标准，实现自动化。 20世纪80年代实现自动化 20 世纪 80 年代，个人计算机产业的成长点燃了硬件和软件的需求，同时面对日本集成电路制造商的竞争压力，日本扩展他们的制造能力使得成品率和质量达到了意想不到的水平。随着这些发展，美国半导体公司由于竞争力弱大为震惊，甚至恐慌。到20世纪80年代中期，日本几乎完全占领了快速增长和技术需求的DRAM (动态随机存储器)市场份额 1987年在美国国防部指导下，半导体产业界成立了 SEMATECH。一是开发关于制造设备的规范和变革全行业的政策，二是应对来自日本竞争威胁。 美国的公司强调改善半导体设备、制造效率和产品质量。例如实现半导体制造设备、晶圆加工流程的自动化，目的是大幅度减少工艺中的操作者，因为人是净化间中的主要沾污源。 由于芯片快速向超大规模集成电路发展，芯片设计方法变化、特征尺寸减小。这些变化向工艺制造提出挑战，需要综合工艺的开发，实现批量生产。 20世纪90年代高效率批量生产 在 20 世纪 80 年代后期和 90 年代初期，生产芯片的特征尺寸缩小到 1um 以下。到了90年代末，最小特征尺寸是 0.18um。0.1 um以下的亚微米工艺几何尺寸开创甚大规模集成电路时代，高性能集成电路包含 1000 万个晶体管或者更多。具有最先进技术的两种芯片是微处理器和存储器芯片。高度集成芯片要求多层电路互连(多达8层并正在增加)，制造芯片多达450多道工艺步骤。 在20世纪90年代，半导体产业竞争已经变得更加激烈。要想在世界芯片市场生存，制造商在约定的时间内，生产出复杂的高质量芯片是至关重要的。 半导体设备是高度自动化的，先进的材料传送系统在工作站之间移动硅片无须入工干涉。软件系统控制了几乎所有设备功能，包括故障查询诊断。技师和工程师干预下载生产菜单到设备软件数据库，并翻译软件诊断命令，以采取正确的设备维护行动。 半导体制造五大难点 集成众多子系统的大系统 伴随着芯片的集成度越来越高、半导体制造的先进程度也逐渐提升。半导体产业包含越来越多的机械、化工、软件、材料等其它领域，是集成了很多子系统的大系统。 同时，涉及如此众多产业的半导体产业，也推动经济发展。因为，半导体产品的性能逐渐提升，而成本降低、价格下降。从而满足了市场对于高性能、低成本需求。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 9 图5：半导体产业涉及领域 资料来源：半导体制造技术，国信证券经济研究所整理 如此高度行业集成的产业，具有五大难点，分两类。 一类是：高精细度、高集成度。 二类是：单点工艺技术、集成单点技术、批量生产技术。 图6：半导体制造五大难点 资料来源：国信证券经济研究所整理 第一，集成度越来越高 在一颗芯片上集成的晶体管的数量，越来越多，从 20 世纪 60 年代至今，从 1 个晶体管增加到100亿以上。电路集成度越高，挑战半导体制造工艺的能力，在可接受的成本条件下改善工艺技术，以生产高级程度的大规模集成电路芯片。为达到此目标，半导体产业已变成高度标准化的，大多数制造商使用相似的制造工艺和设备。开发市场成功的关键是公司在合适的时间推出合适的产品的能力。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 10 表1：集成电路晶体管个数发展趋势 电路集成 时间 每个芯片元件数 没有集成，分离元件 1960 年之前 1 小规模集成电路（SSI） 20世纪60 年代 250 中规模集成电路（MSI） 20世纪60 年代 205千 大规模集成电路（LSI） 20世纪70 年代 5千10万 超大规模集成电路（VLSI） 20世纪80 年代 10万100万 甚大规模集成电路（ULSI） 20世纪90 年代后期 100万1000万 更大规模集成电路 21世纪至今 100亿+ 资料来源: 国信证券经济研究所整理 第二，对精度要求越来越高 精度高体现在关键尺寸（CD），芯片上的物理尺寸特征被成为特征尺寸，业内描述特征尺寸的术语是电路几何尺寸。通俗理解是，关键尺寸越小，工艺加工难度越大。 关键尺寸从 1988 年的 1um，减小到 2020 年的 5nm，减少了 99.5%。从此角度看，集成电路制造的难度在逐渐提升，难度提升的加速度也在变大。 图7：集成电路关键尺寸（nm） 资料来源：国信证券经济研究所整理 从晶体管结构图看，关键尺寸是晶体管的栅长（下图中的线宽）。 图8：晶体管关键尺寸（线宽，注意，此处线宽指栅长） 资料来源：国信证券经济研究所整理