半导体行业专题报告:半导体制造五大难点

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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“0~1”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。

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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%。

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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%。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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)。

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第三,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,或者组件技术。集 成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。

复杂电路的制造工序超过 500 道工序,500 道工序相当于 500 个单点技术,并 且,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,给制造带来 很大的困难。以最典型的 CMOS 工艺为例,涉及到以下步骤。

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我们将上图众多步骤划分为 6 个独立的生产区——扩散(包括氧化、膜淀积和掺 杂工艺)、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入和抛光。

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1.扩散。进行高温工艺及薄膜淀积的区域。扩散的主要设备是高温扩散炉和湿法 清洗设备。高温扩散炉可以在近 1200 度的高温下工作,并能完成多种工艺流 程,包括氧化、扩散、淀积、退火以及合金。

2.光刻。光刻的目的是将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。

光刻处于硅片加工过程的中心,光刻常被认为是 IC 制造中最关键的步骤,需要 高性能以便结合其他工艺获得高成品率。据估计,光刻成本在整个硅片加工成 本超过三分之一。光刻工艺是一个复杂过程,它有很多影响其工艺宽容度的工 艺变量。例如减小的特征尺寸、对准偏差、掩膜层数目以及硅片表面的清洁度。

3.刻蚀。刻蚀工艺是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。刻蚀区最 常见的工具是等离子体刻蚀机、等离子体去胶机和湿法清洗设备。

4.离子注入。气体带着要掺的杂质,例如砷(As)、磷 (P)、硼 (B)在注入机中离化, 采用高电压和磁场来控制并加速离子。

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5.薄膜生长。薄膜区主要负责生产各个步骤当中的介质层与金属层的淀积。薄膜 生长中所采用的温度低于扩散区中设备的工作温度。薄膜生长区中有很多不同 的设备。

6.抛光。CMP (化学机械平坦化)工艺的目的是使硅片表面平坦化,这是通过将 硅片表面突出的部分减薄到下凹部分的高度实现的。硅片表面凹凸不平给后续 加工带来了困难,而 CMP 使这种硅片表面的不平整度降到最小。

第四,需要将多个技术集成

结合单点技术,将电路植入硅片,构建此工艺流程的技术就是集成技术。例如 在生产 DRAM 需要 500 道以上工序,该流程先在研发中心制定,且制定的流程 是可以实际生产的。

在制定工艺流程阶段,单点技术的组合方式是无限的,即使是制造同样集成度、 同样精密度的 DRAM,不同半导体厂家采取的方式也各不相同。此外,不同的 技术集成人员的工艺流程结构也不同。

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。

集成技术我们用通过乒乓球、足球来理解。半导体制造的单点技术我们中国人 可以突破,就跟单人体育的乒乓球一样,中国人可以全球拿冠军。但是,把这些 单点技术组合到一起,就跟 11 人的足球队伍一样,组合到一起就不能拿冠军。 这就是集成技术的难点。

第五,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,在硅片上植入 符合目标质量要求的半导体并进行大量生产的技术就是批量生产技术。

批量生产移交的方法有精确复制和基本复制两种。如果开发中心和批量生产工 厂的设备属于同一机种,一般会直接复制工艺条件。这就是精确复制。但是如果两者设备不同时,为得到相同的工艺结果,就必须调整工艺条件。这就是基 本复制。毋庸置疑,精确复制要比基本复制更容易进行批量生产。

但其实真正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。坦率地说, 一般情况下难以得到相同的结果。

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。这种差 异称作机差。机差可以说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。

也就是说,随着精密化程度的提升,需要实施高精度的加工,(此前生产过程中 不会成为问题的微小的)机差都成了严重的问题。

英特尔要求位于爱尔兰、以色列以及美国的 12 英寸晶圆批量生产工厂不仅要统 一制造设备的类型、型号,就连每一根管道的规格都要严格统一。此外,它还制 定了设备维修、维护检查细节等的详细指南,要求上述三个工厂严格按照操作 指南执行作业。即便如此,上述三个工厂产品的成品率还是有差异。其根本原 因还是在于设备的机差。

在批量生产技术方面,良率具有重大意义。良率就是植入晶圆片的半导体成品 中合格产品所占比率。一般来说,刚从开发中心将工艺流程转移到批量生产工 厂的阶段,批量生产工厂的良率几乎是 0%。

而将成品率尽快提高到 100% ,并且长期维持接近 100%的成品率的技术,才 是真正的批量生产技术。

开发中心的集成技术人员的使命就是尽最大努力制定工艺流程,使至少一个产 品能够完整运行。批量生产工厂的集成技术人员的使命则是在该工艺流程的基 础上,完成能获得高成品率的工艺流程。毋庸置疑,此时,批量生产工厂的集成 技术人员会指挥工厂里的组件技术人员。

但是,有时也会遇到成品率难以提高的情形。这时,有可能需要重新制定工艺 流程。需要进行大规模调整时,该工艺流程就会被退回开发中心。更不幸时,则 可能需要重新设计。

这样,从开发中心最初制定的工艺流程到形成能使批量生产工厂获得高成品率 的工艺流程,通常需要 5~10 次反复。

半导体的制造需要精密集成了各种组件技术的集成技术以及提高成品率的批量 生产技术。只有这样才能制造出半导体。

目前全国范围的半导体制造投资热是基于这样的逻辑——“只要买了设备、排 列好,按下按钮,人人都可以生产半导体”。这种观点是错误的,这种观点应用 于其它行业有可能对,但是半导体制造是肯定错误的。

半导体制造的三大指标

一是先进制程达到多少纳米

工艺制程反应半导体制造技术先进性,目前能够量产的最先进工艺是台积电的 5nm,国内半导体代工厂最新先进的是中芯国际的 14nm。此处的 14nm、5nm 是指芯片内部的晶体管的栅长,通俗讲就是芯片内部的最小线宽。

一般情况下,工艺制程越先进,芯片的性能越高,特别是数字电路。

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从工艺制程组成看,全球 40%的半导体代工厂收入来自 40nm 及以下的先进工 艺制程,这个比例将来会提升。

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二是晶圆尺寸趋于大硅片

目前,全球主要晶圆尺寸是 6 寸、8 寸、12 寸。

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生产功率半导体主要使用 6 英寸和 8 英寸硅片,微控制器使用 8 英寸硅片,逻 辑芯片和存储芯片则需要 12 英寸硅片,因此随着半导体技术的发展和市场需求 的变化,目前硅片正向大尺寸趋势发展。

2018 年全球 12 英寸硅片需求平均值要在 600-650 万片/月,而 8 英寸硅片需求 平均值在 550-600 万片/月。就技术角度来看,12 英寸硅片需求主要被 NAND 和 DRAM 所驱动,从市场角度来讲,智能手机的存储量逐渐增长以及对数据传 输的依赖,促进了固态硬盘(SSD)对原有机械硬盘(HDD)的替代;传感器 在智能手机中的运用也起到了一定的作用。8 英寸硅片被更多的运用在了汽车 电子领域,如 ADAS 系统与车载娱乐的普及,加剧了市场对逻辑电路以及高精 度元器件的需求,长期来看 8 英寸硅片也依然有巨大需求。

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三是产能决定短期业绩

一般情况下,半导体制造厂商不会轻易扩产,产能在 1 年左右的短期内是稳定 的,当半导体景气度来临,产能决定公司的收入。

截至 2019 年 Q3,全球主要半导体代工厂产能排名:台积电、联电、中芯国际、 世界先进、华虹半导体。

工艺制程不是越先进越好

一是上游 IC 设计费用越来越高。先进制程满足为设备提供了良好的功耗比,但 是 IC 设计费用越来越高,代际设计费用增速也越来越高。例如 7nm 芯片设计 成本超过 3 亿美元,华为 mate20 麒麟 980 芯片就是用台积电的 7nm 工艺制 程,麒麟 980 是由超过 1000 名半导体工程师组成的团队历时 3 年时间、经历 超过 5000 次的工程验证才成功应用。

IBS 的测算要是基于 3nm 开发出 NVIDIA GPU 设计成本达 15 亿美元。从芯片 设计经济效益看,7nm 是长期存在节点,5nm/3nm 的功耗性能面积成本难达到 平衡点,除非有超额的出货量来均摊成本。

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二是工艺逼近极限,中游投资增加但边际效果下降

14nm 之前,每 18 个月进步一代的制程,性价有 50%的提升,14nm 之后,趋 势就已经逐渐衰微了。

例如,当处理器速度提升 1 倍,但用户体验到的速度达不到 1 倍。用户体验是 一个完整系统,处理器性能发挥收到内存、系统软件、网络等限制。

工艺尺寸的升级需要光刻系统配合,7nm 后光刻系统已经从 DUV 转向 EUV 升 级,投资成本急剧增加,例如三星 7nm 产线投资额 56 亿美元升级 Hwaseong 的晶圆厂,需要 8 台 EUV,每套 EUV 系统 15 亿人民币。

另外,工艺升级晶体管升级也要创新,14nm 开创了 FinFET,3nm 需要 GAA经晶体管结构,晶体管级的创新对代工厂的产线来说是彻底的改造。

三是客户从代工厂稳定性可靠性考虑。

 技术路线符合客户需求——客户希望代工厂的投入、发展方向符合客户技 术发展方向;对现有工艺差异化技术需求。

 扩大客户投资价值——客户希望从每一代技术中获得更多价值,充分利用 设计每个技术节点所需的大量投资。

 财务稳健确保供应——客户希望代工厂的财务稳健,以满足未来十年芯片 生产需求。 考虑以上因素,格罗方德、联电都放弃 14/12nm 以下的开发。

先进制程和特殊工艺双向发展

未来半导体工艺发展有两个方向,一是继续追求先进制程小型化,典型代表台 积电、三星、英特尔、中芯国际;二是聚焦特色工艺的满足多样化需求,实现人 与环境的互动,例如华虹半导体、联电、格罗方德、世界先进。

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半导体代工需求旺盛

代工增速超半导体行业整体增速

半导体厂商模式分为只有设计无制造的 Fabless 模式和有设计有制造的 IDM。 Fabless、IDM、系统厂商都是代工厂的客户。

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2019 年中国大陆半导体代工市场规模预计在 110 亿美元同比增长 14.6%。

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2019 年全球 Fabless 半导体代工需求为 1260 亿美元,同比增长 13.5%,其中 中国市场需求为 280 亿美元,同比增长 21.7%。

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IDM 厂商产能不足的时候外找代工厂,一些 system 厂商自己做芯片,例如汇川 (变频器)、合肥阳光(电源)、英威腾(变频器),这些终端系统商为了减低成 本,保证供应链,自己设计芯片交给代工厂制造。

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半导体代工增速超半导体行业增速,2013~2019 年,全球半导体增长 34%,而 Fabless 需求(对应代工厂收入)增加 83%。

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代工厂排名

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%。

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投资建议

我们看好国内的半导体上游的芯片设计产业,上游芯片设计公司越多,对下游 的代工需求越旺盛,有利于国内的半导体代工厂,国内两大代工巨头都在港股, 我们在港股范围内推荐华虹半导体和中芯国际。

……

(报告来源:国信证券)

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