CMP：半导体平坦化核心技术，国内龙头放量在即.pdf

Table_Industry 证券研究报告 /专题研究报告 2020 年 5 月 12 日 化工 CMP:半导体平坦化核心技术，国内龙头放量在即 Table_Main Table_Title 评级： 买入 （维持） 分析师：谢楠 执业证书编号： S0740519110001 Email： xienanr.qlzq 分析师： 张波 执业证书编号 ： S0740520020001 S0740520020001 Email： zhangbor.qlzq Table_Profit 基本状况 上市公司数 334 行业总市值 (百万元 ) 29837.3 行业流通市值 (百万元 ) 24309.3 Table_QuotePic 行业 -市场走势对比 公司持有该股票比例 Table_Report 相关报告 Table_Finance 重点公司基本状况 简称 股价(元 ) EPS PE 评级 2019 2020E 2021E 2022E 2019 2020E 2021E 2022E 安集科技 292.58 1.24 1.62 2.35 3.10 236 180 124 94 增持 鼎龙股份 13.20 0.03 0.32 0.43 - 440 41 31 - 增持 备注 盈利预测 采用 wind 一致预期 Table_Summary 投资要点 化学机械抛光 CMP： 晶圆表面平坦化的关键技术。 CMP 工艺通过表面化学作用和机械研磨的技术结合来实现晶元表面微米 /纳米级不同材料的去除，从而达到晶圆表面的高度（纳米级）平坦化效应，使下一步的光刻工艺得以进行，是目前唯一能兼顾表面全局和局部平坦化的技术。CMP 主要用于浅槽隔离 (STI)抛光、铜的研磨与抛光、高 k 金属栅的抛光、 FinFET 晶体管的虚拟栅 CMP 等半导体制造过程中的核心 工艺 。 半导体市场放量及工艺制程复杂化 ， 带动全球 CMP 市场不断增长 。 全球半导体市场近年来 持续增长 ， 2012-2018 年复合增速 8.23%。 伴随着半导体工艺制程不断复杂化， 14 纳米以下逻辑芯片工艺要求的关键 CMP工艺将达到 20 步以上，使用的抛光液将从 90 纳米的五六种抛光液增加到二十种以上； 7 纳米及以下逻辑芯片工艺中 CMP 抛光步骤甚至可能达到 30 步，使用的抛光液种类接近三十种。而存储芯片由 2D NAND向 3D NAND 技术变革，也会使 CMP 抛光步骤数近乎翻倍。 2018 年全球 CMP 抛光材料市场规模达到 21.7 亿美元 ，国内的市场规模 29 亿元。 CMP 抛光液 ：安集科技有望 放量 。 抛 光液一般分为二氧化硅抛光液、钨抛光液、铝抛光液和铜抛光液。 2016 - 2018 年 ，全球化学机械抛光 液市场规模分别为 11.0 亿美元 、 12.0 亿美元和 12.7 亿美元 。全球化学机械抛光液市场主要被美国和日本企业所垄断，包括美国的 Cabot、 Versum、 陶氏 和日本的 Hitachi、 Fujimi，合计占比 78%。安集科技成功打破国外厂商垄断，实现进口替代， 目前占比 2%，未来有望伴随中国半导体制造企业快速放量。 CMP 抛光垫：陶氏一家独大，鼎龙有望突破 。 抛光垫的表面沟槽形状及尺寸影响化学反应速率和机械去除作用，从而影响到化学机械抛光的抛光质量和抛光效率 ，目前全球抛光垫专利的研发以美国和日本为主 。 2016 - 2018 年，全球化学机械抛光垫市场规模分别为 6.5 亿美元、 7.0 亿美元和 7.4 亿美元。 陶氏占据全球 79%的市场份额，鼎龙股份有望突破 投资建议 。 随着 下游 半导体 行业持续往中国转移， 相关 CMP 抛光材料企业行业有望打破国外垄断，迎来快速放量， 建议关注 安集科技 、 鼎龙股份 。 风险提示事件： CMP 材料 研发不及预期， CMP 材料 下游客户认证不 及预期 。 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 2 - 内容目录 CMP 材料 . - 5 - CMP 材料概况 . - 5 - CMP 工艺应用广泛 . - 6 - 半导体制造工艺推动 CMP 行业发展 . - 7 - CMP 市场持续发展 . - 9 - CMP 市场分类 . - 10 - CMP 抛光液 . - 11 - CMP 抛光液需求不断增长 . - 11 - CMP 抛光液竞争格局 . - 12 - CMP 抛光垫 . - 14 - CMP 抛光垫概况 . - 14 - CMP 研发以美日为主 . - 14 - CMP 抛光垫竞争格局 . - 16 - 相关上市公司 . - 17 - 安集科技：国内 CMP 抛光液龙头 . - 17 - 鼎龙股份：持续发力 CMP 抛光垫 . - 18 - 风险提示 . - 19 - 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 3 - 专题研究报告 表目录 图 1： CMP 抛光机 . - 5 - 图 2： CMP 工作机理示意图 . - 5 - 图 3： CMP 发展历史 . - 5 - 图 4： Direct STI CMP 抛光工艺 . - 6 - 图 5：铜 CMP 中采用双大马士革工艺 . - 6 - 图 6：用“栅后方法 ”经 CMP 形成高 k 金属栅 . - 7 - 图 7：采用 PN 节 隔离的体硅 FinFET 器件工艺流程 . - 7 - 图 8：逻辑 /晶圆代工厂商制程路线图 . - 8 - 图 9： NAND Falsh 大厂技术量产制程 . - 8 - 图 10：逻辑芯片技术趋势 . - 8 - 图 11：存储芯片技术趋势 . - 8 - 图 12： NAND 从 2D 向 3D 转换带来 CMP 步骤翻番 . - 8 - 图 13：逻辑芯片随制程缩小 CMP 工艺步骤增长 . - 8 - 图 14：全球半导体市场及增速 . - 9 - 图 15：国内半导体行业发展迅速 . - 9 - 图 16：全球各地区半导体材料市场占比 . - 9 - 图 17：半导体制造材料占比 . - 9 - 图 18：全球 CMP 抛光材料市场规模及增速 . - 10 - 图 19：国内 CMP 抛光材料市场规模及增速 . - 10 - 图 20： CMP 抛 光材料占比 . - 10 - 图 21： CMP 抛光液 . - 11 - 图 22： CMP 抛光液微观结构 . - 11 - 图 23：抛光液组分 . - 12 - 图 24：抛光液分类 . - 12 - 图 25：全球 CMP 抛光液市场规模及增速 . - 12 - 图 26： 全球抛光液格局 . - 12 - 图 27：全球抛光液市场格局 . - 13 - 图 28： CMP 抛光垫 . - 14 - 图 29： CMP 抛光垫微观结构 . - 14 - 图 30：全球抛光液市场格局 . - 15 - 图 31： CMP 抛光垫 . - 15 - 图 32： CMP 抛光垫微观结构 . - 15 - 图 33：全球 CMP 抛光垫市场规模及增速 . - 16 - 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 4 - 专题研究报告 图 34：全球抛光垫市场格局 . - 16 - 图 35：安集科技营业收入及增速 . - 17 - 图 36：安集科技归母净利润及增速 . - 17 - 图 37：鼎龙股份营业收入 及增速 . - 18 - 图 38：鼎龙股份归母净利润及增速 . - 18 - 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 5 - 专题研究报告 CMP 材料 CMP 材料 概况 化学机械抛光 (chemical mechanical polishing, CMP)是集成电路制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键技术。与传统的纯机械或纯化学的抛光方法不同， CMP 工艺是通过表面化学作用和机械研磨的技术结合来实现晶元表面微米 /纳米级不同材料的去除，从而达到晶圆表面的高度（纳米级）平坦化效应，使下一步的光刻工艺得以进行。 CMP 技术结合了机械抛光和化学抛光，相对于其他平坦化技术而言有着极大的优势，它不但能够对硅片表面进行局部处理，同时也可以对整个硅片表面进行平坦化处 理 , 是目前唯一能兼顾表面 全局和局部平坦化的技术。 图 1： CMP 抛光机 图 2： CMP 工作机理示意图 资料来源： 安集科技招股说明书 、中泰证券研究所 资料来源： 安集科技招股说明书 、中泰证券研究所 图 3： CMP 发展历史 资料来源： 电子工业专用设备 、中泰证券研究所 自从 1988 年 IBM 公司将化学机械抛光技术 (CMP)应用于 4M DRAM 芯片的制造，集成电路制造工艺就逐渐对 CMP 技术产生了越来越强烈的依赖，主要是由于器件特征尺寸（ CD）微细化，以及技术升级引入的多层布线和一些新型材料的出现。特别是进入 0.25 m 节点后的 Al 布线和进入 0.13 m 节点后的 Cu 布线， CMP 技术的重要性更显突出。进入 90 65nm 节点后，铜互连技术和低 k 介质的采用， CMP 的研磨对象主要是铜互连层、绝缘膜和浅沟槽隔离（ STI)。从 45 nm 开始，逻辑器件的晶体管中引入高 k 金属请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 6 - 专题研究报告 栅结构（ HKMG），因而同时引入了两个关键的平坦化应用，即虚拟栅开口 CMP 工艺和替代金属栅 CMP 工艺。到了 32nm 和 22nm 节点，铜互连低 k 介质集成的 CMP 工艺技术支持 32nm 和 22nm 器件的量产。在 22nm 开始出现的 FinFET 晶体管添加了虚拟栅平坦化工艺，这是实现后续 3D 结构刻蚀的关键技术。先进的 DRAM 存储器件在凹槽刻蚀形成埋栅结构前采用了栅金属平坦化工艺。引入高迁层间移率沟道材料（如用于 nFET 的 III-V材料和用于 pFET 的锗）后，需要结合大马士革类型的工艺，背面抛光这些新材料。另外， CMP 也在 PCRAM 技术中担当起了 GST CMP 的重任。总之，诸如此类层出不穷， CMP 在纳米集成电路制造中的作用至关重要。 CMP 工艺应用广泛 CMP 主要用于浅槽隔离 (STI)抛光 、 铜的 研磨与 抛光 、高 k 金属栅的抛光、 FinFET 晶体管的虚拟栅 CMP、 GST 的 CMP、 埋入字线 DRAM 存储器的栅 CMP、 高迁移率沟道材料未来的 CMP 等工艺。未来，伴随着半导体制造工艺日益复杂， CMP 的用处更加广泛 。 浅槽隔离 (STI)抛光是较早被采用的 CMP 工艺，也是 CMP 在芯片制造中最基本的应用。 纳米集成电路芯片制程中， STI CMP 工艺要求磨掉氮化硅 (Si3N4)层上的氧化硅(SiO2)，同时又 要尽可能地减少沟槽中氧化硅的凹陷。进入 45nm 及以下节点后，为了填充越来越窄小的沟槽， LPCVD 被采用，其形成的氧化硅薄膜具有更厚的覆盖层，这无疑加大了 CMP 的研磨量。随着 CMP 研磨液的发展，一 种高选择比 (大于 30)的研磨液采用氧化铈 (CeO2)作为研磨颗粒。这样，以氮化硅 (Si3N4)为抛光终止 层的直接抛光(Direct STI CMP)成为现实。直至今日，采用氧化铈研磨液的抛光工艺依然是 STI CMP的主流方法。 图 4： Direct STI CMP 抛光工艺 图 5： 铜 CMP 中 采用 双大马士革工艺 资料来源： 纳米集成电路制造中的 CMP 、中泰证券研究所 资料来源： 纳米集成电路制造中的 CMP 、中泰证券研究所 Cu CMP 工艺产生于 21 世纪初 130nm 节点及其之后，一直沿用到纳米集成电路 28 22 nm 节点。 当前的 Cu CMP 工艺通常分为三步：首先用铜研磨液 (Slurry)来磨去晶圆上铜布线层表面的大部分多余的铜料；第二步，继续用铜研磨液低速精磨与阻挡层接触的铜，同时通过终点检测技术控制研磨终止于阻挡层上；第三步，则用阻挡层研请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 7 - 专题研究报告 磨液磨除 阻挡层及少量的介质氧化物，并进行 CMP 后去离子水清洗。 图 6： 用“栅后方法 ”经 CMP 形成高 k 金属栅 图 7： 采用 PN 节隔离的体硅 FinFET 器件工艺流程 资料来源： 纳米集成电路制造中的 CMP 、中泰证券研究所 资料来源： 纳米集成电路制造中的 CMP 、中泰证券研究所 在 32 nm 及以下节点工艺中，高 k 金属栅的“栅后方法”是形成高 k 金属栅的主流方法之一，其中 CMP 担当着富有挑战性角色。 “栅后方法”工艺流程中的 CMP，第一次是 ILD CMP，用以研磨开多晶门；第二次是 Al CMP，用以抛光铝金属。多晶门的制程涉及材料种类较多，同时要研磨氧化硅、氮化硅及多晶硅。具体来讲： 第一步采用硅胶研磨液，其中的氧化硅颗粒去除大部分 SiO2 层，留下 100-200 nm 的氧化硅层在多晶硅门上；第二步，采用氧化铈研磨液或固定研磨液，类似于 STI CMP，研磨抛光终止在 Si3N4 层上； 第三步， 采用硅胶研磨液，去除 Si3N4，研磨抛光终止在多晶硅门上，这就是最富于挑战性的一步。 从平面 CMOS 晶体管设计转变为 FinFET 晶体管，在 虚拟栅多晶硅薄膜中产生了新的 CMP 工艺。 平面晶体管中，淀积的多晶硅薄膜有平坦的表面形貌，不需要 CMP，但在 FinFET 设计中，同样的淀积薄膜的表面形貌不平整，必须在栅刻蚀前平坦化。这种不平整形貌是因前面形成硅鳍的工艺引起的。此时， STI 氧化物薄膜的凹槽给随后的多晶硅薄膜淀积创建了底层形貌。 CMP 应用的主要价值在于产生满足光刻成像焦深和分辨率的平坦基准平面，能实现极其重要的光刻曝光和栅堆叠刻蚀。由于其在晶体管栅上停止，控制了栅的高度。过抛光会使栅太短，欠抛光则会使栅太高，这会影响字线的电流携带能力。 因此，无论是晶圆中还是晶圆与晶圆间，抛光后的栅高度必须严格控制在小于 5nm 内。 半导体制造工艺推动 CMP 行业发展 化学机械抛光材料种类繁杂。集成电路工艺的进化带来了对抛光材料的各种新需求，逻辑芯片随着制程增加，抛光材料种类和用量也迅速增长，比如 14 纳米以下逻辑芯片工艺要求的关键 CMP 工艺将达到 20 步以上，使用的抛光液将从 90 纳米的五六种抛光液增加到二十种以上； 7 纳米及以下逻辑芯片工艺中 CMP 抛光步骤甚至可能达到 30步，使用的抛光液种类接近三十种。而存储芯片由 2D NAND 向 3D NAND 技术变革，也会使 CMP 抛光步骤数近乎翻倍。 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 8 - 专题研究报告 图 8： 逻辑 /晶圆代工厂商制程路线图 图 9： NAND Falsh 大厂技术量产制程 资料来源： IC Insights、中泰证券研究所 资料来源： Trendforce、中泰证券研究所 图 10： 逻辑芯片技术趋势 图 11： 存储芯片 技术趋势 资料来源： SEMI、 IHS、 中泰证券研究所 资料来源： SEMI、 IHS、 中泰证券研究所 图 12： NAND 从 2D 向 3D 转换带来 CMP 步骤翻番 图 13： 逻辑芯片随制程缩小 CMP 工艺步骤增长 资料来源： 安集科技招股说明书 、中泰证券研究所 资料来源： 安集科技招股说明书 、中泰证券研究所 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 9 - 专题研究报告 CMP 市场持续发展 全球半导体市场规模近年来增速平稳， 2012-2018 年复合增速 8.23%。其中，中国大陆集成电路销售规模从 2158 亿元迅速增长到 2018 年的 6531 亿元，复合增速为20.27%，远超全球其他地区，全球半导体产业加速向大陆转移。集成电路一般分为设计、制造和 封测三个子行业， 在 制造和封测行业中，均需要大量的半导体新材料支持。 图 14：全球半导体市场及增速 图 15：国内半导体行业发展迅速 资料来源： WSTS、中泰证券研究所 资料来源：前瞻产业研究院、中泰证券研究所 2018 年全球半导体材料市场产值为 519.4 亿美元，同比增长 10.68%。其中晶圆制造材料和封装材料分别为 322 亿美元和 197.4 亿美元，同比 +15.83%和 +3.30%。 2018年，在市场产值为 322 亿美金的半导体制造材料中，大硅片、特种气体、光掩模、 CMP材料、光刻胶、光刻胶配套、湿化学品、靶材分别占比 33%、 14%、 13%、 7%、 6%、7%、 4%、 3%。分地区来看，目前大陆半导体材料市场规模 83 亿美元，全球占比 16%，仅次于中国台湾和韩国，为全球第三大半导体材料区域。 图 16：全球各地区半导体材料市场占比 图 17：半导体制造材料占比 资料来源： SEMI、中泰证券研究所 资料来源： SEMI、中泰证券研究所 随着半导体市场不断放量以及 工艺制程不断复杂 ，全球 CMP 抛光材料市场不断增长，CMP 材料在半导体制造材料中占比 7%。 2018 年全球 CMP 抛光材料市场规模达到 21.7亿美元 ， 近几年持续增长 。 受益于国内半导体行业的大发展 ， 国内半导体用 CMP 材料市-20%0%20%40%60%80%100%0100020003000400050002012 2013 2014 2015 2016 2017 2018全球半导体市场规模 (亿美元 ) 同比增长 (%,右轴 ) 0%10%20%30%010002000300040005000600070002012 2013 2014 2015 2016 2017 2018制造行业营收 (亿元 ) 封装行业营收 (亿元 ) 设计行业营收 (亿元 ) 同比增长 (%,右轴 ) 22% 17% 16% 15% 11% 7% 12% 中国台湾 韩国 中国大陆 日本 美国 欧洲 其他 33% 14% 13% 7% 6% 7% 4% 3% 13% 大硅片 特种气体 光掩模 CMP材料 光刻胶 光刻胶配套 湿化学品 靶材 其他 请务必阅读正文之后的 重要声明 部分 - 10 - 专题研究报告 场增速较快 ， 2018 年国内的市场规模 29 亿元，未来有望持续高增长。 图 18： 全球 CMP 抛光材料 市场规模及增速 图 19： 国内 CMP 抛光材料 市场规模及增速 资料来源： SEMI、中泰证券研究所 资料来源： 前瞻产业研究院 、中泰证券研究所 CMP 市场分类 CMP 工艺过程中所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光液、抛光垫、后 CMP 清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。 其中 CMP 材料主要包括抛光液、抛光垫、调节器、 CMP 清洗以及其他等耗材。其中抛光液和抛光垫占 CMP 材料细分市场的 80%以上，是 CMP 工艺的核心材料。 图 20： CMP 抛光材料占比 资料来源： 安集科技 招股说明书 、中泰证券研究所 49%33%9%5%4%抛光液 抛光垫 调节器 清洗 其他