半导体技术前瞻专题系列之一：电子行业：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议

行业研究 东兴证券股份有限公司证券研究报告 2024年1月8日 行业报告 电子 看好/维持 电子行业：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议 分析师 刘航电话：021-25102913邮箱：liuhang-yjs@dxzq.net.cn 执业证书编号：S1480522060001 ——半导体技术前瞻专题系列之一 投资摘要： 半导体行业现状：晶圆厂建设成本加大，AI相关开支明显提升。在人工智能和汽车电动化的产业趋势下，半导体增长逻辑在强化，2030年半导体市场规模有望突破1万亿美元。随着工艺节点的突破，半导体研发投入和晶圆厂建设成本大幅提升， 5nm晶圆厂建设成本高达54亿美元。晶体管微缩、3D堆叠等促进了CMOS先进工艺方面的投资，2024-2027年半导体制造设备市场有望保持持续增长。预计半导体公司AI/ML相关EBIT快速增长，中长期有望增加至每年850-950亿美元。AI对于半导体制造产生的贡献最大，约为380亿美元，但芯片研发和设计成本有望降低。未来越来越多的数据中心使用高性能服务器，预计2027年AI半导体销售额快速增长。 随着AI半导体晶体管数量增加，通过引入MPU、增大芯片面积，算力大幅提升，接下来我们对于AI半导体的新结构、新 工艺和新材料等产业趋势进行前瞻性分析。 （一）新结构：晶体管微缩、存储器件堆叠，电容使用MIMCAP结构。AI半导体器件的新结构将加速由FinFET向GAA转变。GAAFET的器件结构中，沟道外延层、源极/漏极外延层出现多层结构，此外高性能/高带宽的DRAM使用High-k 材料和金属材料，而这些材料和工艺都需要更多的ALD和PVD外延工艺。另外，随着生成式AI的发展，大容量数据高速运转，DRAM芯片使用HBM结构来降低互联的延迟。随着AI半导体的发展，未来将更多采用3D堆叠和低温 /复杂器件结构。AI半导体增加了MIMCAP结构（Hf基ALD介质层），其中MIM为单元电容器。 （二）新工艺：FEOL采用HKMG工艺，部分BEOL采用背面供电工艺。逻辑器件制造可分为前道（FEOL）、中道（MOL）和后道（BEOL）工艺。SiON/Poly栅极集成解决方案存在一定局限性，随着SiON厚度不断减小，导致了更多功率 损耗，使得HKMG集成解决方案应运而生。HKMG可以降低晶体管栅氧化层厚度，通过提高晶体管速度和Vdd微缩来降低功耗。背面供电工艺将电源线移动到芯片“背面”的方法，使得芯片“正面”专注于互连，英特尔背面供电方案IR降低了30%，每个核心的性能提高6%。 （三）新材料：硅材料、Hf、钼金属和high-k材料用量增加，封装基板使用量明显增大。为了获得更高的性能，小芯片使用量将增多，相应硅材料的使用量也会相应增大，随着芯片高密度互联的要求，硅面积或将增加一倍多。高性能/高带宽的DRAM需要采用High-k材料和金属材料，这些材料和工艺都需要更多的单片ALD和外延工艺。DRAM线宽越细，High-k材料用的越多。从材料端来看，后段制造工艺中钼金属替代CVD工艺中的钨以及PVD工艺中的铜金属，3DNAND中会更多地使用钼金属，而中段工艺将使用钼金属作为Via填充材料。 投资建议：随着AI的发展，AI半导体具有新结构、新工艺和新材料，我们建议积极关注以下几个方面的创新性变革： （1）随着堆叠工艺增多，ALD设备需求量增多，受益标的：微导纳米； （2）未来采用HKMG工艺，High-k材料需求量增大，前驱体使用量或将提升，受益标的：雅克科技；随着芯片高密度互联，硅片用量有所增加，推荐沪硅产业，受益标的：TCL中环、神工股份、立昂微。 （3）3D封装过程中会使用更多的封装基板，受益标的：兴森科技、深南电路。 风险提示：下游需求不及预期、技术迭代风险、客户拓展不及预期、中美贸易摩擦加剧。 P2东兴证券深度报告 电子行业：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议 目录 1.半导体行业现状：晶圆厂建设成本加大，AI开支明显提升3 2.AI半导体：新结构、新材料和新工艺6 2.1新结构：晶体管微缩、存储器件堆叠，使用MIMCAP结构7 2.2新工艺：FEOL采用HKMG工艺，BEOL采用背面供电工艺10 2.3新材料：硅材料、Hf、钼金属和High-k材料用量增加，封装基板使用量增大12 3.投资建议13 4.风险提示14 相关报告汇总15 插图目录 图1：2030年半导体市场有望突破1万亿美元3 图2：先进工艺晶圆厂建设成本较高，5nm晶圆厂建设成本约为54亿美元3 图3：2024-2027年半导体制造设备市场有望持续增长4 图4：预计4年后，人工智能对于半导体产生的EBIT增加至850-950亿美元，约占半导体销售额的20%4 图5：AI对于半导体制造的EBIT影响最大，约为380亿美元5 图6：下游工业、消费电子和计算领域对应的AI半导体销售额快速增长5 图7：在数据中心侧和边缘侧，不同类型芯片的占比不同6 图8：未来AI芯片晶体管数量增加，并通过引入MPU、增大芯片面积来提升算力优先级6 图9：器件结构由FinFET到GAA，再到CFET7 图10：GAAFET工艺将会使用更多ALD和外延工艺7 图11：单硅片ALD设备2020-2025年CAGR为16-20%8 图12：外延设备2020-2025年CAGR为13-18%8 图13：DRAM从平面结构转换为HBM结构8 图14：通过将外接电路和存储阵列键合在一起，3DNAND的性能明显提升8 图15：随着AI半导体的发展，采用3D堆叠和低温/复杂器件结构9 图16：AI半导体采用MIMCAP来增加存储9 图17：逻辑器件制造可分为前道（FEOL）、中道(MOL)和后道（BEOL）工艺10 图18：当电压降低时，需要降低厚度来提升性能，HKMG可以用于持续微缩10 图19：HKMG可以实现晶体管栅氧化层厚度减少，并通过提高晶体管速度和Vdd微缩来实现功率降低11 图20：英特尔采用背面供电技术路径，形成了“三明治”结构11 图21：MOS管High-k材料用量有所增多12 图22：随着芯片高密度互联，硅材料用量有所增加12 图23：3DNAND中使用Mo13 图24：MOL将使用Mo作为Via填充材料13 图25：FC-BGA搭载更多芯片，通过载板进行连接和传输13 图26：在3D封装过程中会使用更多的封装基板13 P3 东兴证券深度报告 电子行业：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议 1.半导体行业现状：晶圆厂建设成本加大，AI开支明显提升 在人工智能和汽车电动化、智能化的产业趋势下，半导体增长的逻辑仍在强化，2030年半导体市场规模有望突破1万亿美元。 图1：2030年半导体市场有望突破1万亿美元 资料来源：ASM公司公告、TechInsights、东兴证券研究所 随着工艺节点的突破，半导体研发投入和晶圆厂建设成本大幅提升，预计5nm晶圆厂建设成本高达54亿美元。半导体公司由于资本开支巨大，形成了较强的技术壁垒和资金壁垒，它们通过不断地缩短产品的生命周期，并不断地通过技术创新来保持产品竞争力。随着工艺节点的突破，半导体设计和研发投入对应的资本开支大幅提升，例如65nm工艺研发设计成本约为2800万美元，而5nm工艺相关的设计和研发成本为5.4亿美元；与此同时，65nm到5nm晶圆厂建设成本也从4亿美元提升至54亿美元。. 图2：先进工艺晶圆厂建设成本较高，5nm晶圆厂建设成本约为54亿美元 资料来源：McKinsey官网、IBS、东兴证券研究所 P4东兴证券深度报告 电子行业：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议 晶体管微缩、3D堆叠等技术创新使得CMOS先进工艺方面的投资加大，2024-2027年半导体制造设备市场有望保持持续增长。 图3：2024-2027年半导体制造设备市场有望持续增长 资料来源：ASM公司公告、TechInsights、Gartner、东兴证券研究所 半导体公司AI/ML（人工智能/机器学习）有关的EBIT快速增长，预计4年以后有望增加至每年850-950亿美元。半导体公司每年AI/ML贡献的EBIT目前来看为50-80亿美元，在未来2-3年将会产生350-400亿美元。而4年以后有望增加至每年850-950亿美元。 图4：预计4年后，人工智能对于半导体产生的EBIT增加至850-950亿美元，约占半导体销售额的20% 资料来源：McKinsey官网、东兴证券研究所整理 AI在整个半导体产业链中，对于制造的EBIT影响最大，约为380亿美元，未来芯片研发和设计成本有望降低。制造业将在AI/ML中明显受益，特别是考虑到了资本开支、运营支出和材料成本。AI对于半导体制造产生的贡献最大，约为380亿美元。同时受益于芯片设计和验证自动化，芯片研发和设计成本也相应降低。 P5 东兴证券深度报告 电子行业：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议 图5：AI对于半导体制造的EBIT影响最大，约为380亿美元 资料来源：McKinsey官网、东兴证券研究所 随着GPU、ASIC、通讯设备和高带宽DRAM用量增加，下游工业、消费电子和计算领域对应的AI半导体销售额快速增长。 图6：下游工业、消费电子和计算领域对应的AI半导体销售额快速增长 资料来源：ASM公司公告、Gartner、东兴证券研究所 P6东兴证券深度报告 电子行业：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议 在数据中心侧和边缘侧，不同类型芯片的占比不同。在数据中心侧，推理和训练芯片ASIC芯片占比大幅提升；而在边缘侧推理芯片GPU大幅提升，训练芯片FPGA占比大幅提升。 图7：在数据中心侧和边缘侧，不同类型芯片的占比不同 资料来源：McKinsey官网、东兴证券研究所 2.AI半导体：新结构、新材料和新工艺 随着AI半导体晶体管数量增加，通过引入MPU（微处理器）、增大芯片面积，算力将会大幅提升。我们接下来对于AI半导体的新结构、新工艺和新材料等产业趋势进行前瞻性分析。 图8：未来AI芯片晶体管数量增加，并通过引入MPU、增大芯片面积来提升算力优先级 资料来源：SUMCO公司公告、东兴证券研究所 P7 东兴证券深度报告 电子行业：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议 2.1新结构：晶体管微缩、存储器件堆叠，使用MIMCAP结构 随着AI半导体技术发展，半导体器件结构更加复杂，由FinFET到GAA，再到CFET转变。1999年，胡正明教授正式发明FinFET（鳍式场效应晶体管），相比平面FET的平面设计，FinFET为3D立体结构，消除了平面FET的短沟道效应。但当工艺节点达到5nm之后，FinFET结构无法提供足够的静电控制。GAAFET(Gate-All-AroundFET)把栅极和漏极从鳍片变成了纳米线，栅极对电流的控制力进一步提升。据IMEC数据，GAA预计将于2024完成，采用2nm节点取代FinFET技术。而CFET采用多层纳米片替代GAA中的纳米线，更大宽度的片状结构增加了接触面，器件结构继续微缩。 图9：器件结构由FinFET到GAA，再到CFET 资料来源：KOKUSAIELECTRIC公司公告、东兴证券研究所 GAAFET的器件结构中，沟道外延层、源极/漏极外延层出现了多层结构，高性能/高带宽的DRAM使用High-k 材料和金属材料，而这些材料和工艺都需要更多的ALD和PVD外延工艺。 图10：GAAFET工艺将会使用更多ALD和外延工艺 资料来源：ASM公司公告、东兴证券研究所 P8东兴证券深度报告 电子行业：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议 ALD设备行业是薄膜沉积市场中增速最快的细分板块，随着器件复杂性增加、引入3D结构，新材料的种类与用量均有所增加。 图11：单硅片ALD设备2020-2025年CAGR为16-20%图12：外延设备2020-2025年CAGR为13-18% 资料来源：ASM