芯片、节点和晶圆

芯片、节点和晶片 A半导体数据收集分类 2024年8月 该论文于2024年7月26日通过数字政策委员会（DPC）和产业、创新与企业家精神委员会（CIIE）的书面程序批准并解密，并由经合组织秘书处准备出版。 给各代表团的说明： 本文档也可在O.N.E.会员和合作伙伴参考代码：DSTI/DPC/CIIE(2024)1/FINAL 本文件及其所包含的任何数据和地图均不涉及对任何领土的地位或主权、国际边界划界以及任何领土、城市或地区的名称。封面图片：©HAKINMHAN/Shutterstock.com ©OECD2024 使用本作品，无论是数字形式还是印刷版，均需遵守以下条款和条件，请参见：https://www.oecd.org/termsandconditions 前言 半导体价值链易受可能对现代经济构成重大风险的中断影响。政策制定者需要更准确的数据来识别瓶颈、监控特定半导体类型的需求与供应之间的平衡，并管理这些中断。本文提出了一种通用的半导体类型分类法，以促进标准化数据收集和共享。该分类法将半导体产品分为“逻辑”、“内存”、“模拟”和“其他”四大类，并根据其普遍性和特定功能进行子类别划分 。半导体生产设施根据所使用的技术、能够生产的不同类型的半导体能力、已安装的生产能力以及与之相关的其他工厂（和公司）特性进行分类。此分类法将成为半导体生产数据库的基础，并在未来随着半导体技术的发展进行修订。 本文由ChiraagShah、Charles-ÉdouardVandePut和FilipeSilva撰写，AudreyPlonk、GuyLalanne和VerenaWeber指导。作者衷心感谢SemiconductorInformalExchangeNetwork参与者的反馈，以及AngelaAttrey、GalliaDaor、GregoryLaRocca、DavidKanter、Jan-PeterKleinhans、TobiasProettel、LeaSamek、SaraRomaniegaSancho和AndySellars对大纲及本文件早期版本的建议。作者还感谢AnaísaGonçalves和ShaiSomek的支持。 目录 前言3 Executive总结6 导言7 1分类和半导体生产的范围数据库8 半导体值上的底漆链条8 目标和政策问题10 半导体生产的原则数据库12 2半导体制造：工艺、技术和产品14 主要类型技术14 的类型半导体17 3的现有分类半导体20 SEMI20 世界半导体贸易统计(WSTS)20 化合物半导体应用(CSA)弹射器22 IEEE新兴存储器分类设备22 Other分类法23 4拟议的分类法半导体25 建立证据基础：半导体生产的分类法数据库25 半导体的分类法类型30 5未来work32 参考文献33 附件A.相关HS代码半导体36 尾注37 Figures 图1.半导体生产第8阶段 图2.半导体和初级增值需求份额，201810 图3.晶体管类型：平面与FinFET与GAAFET16图4.的内存类型半导体19 图5.弹射器半导体分类法22 图6.IEEE的内存分类23 图7.OECD提出的半导体生产分类法27 图8.芯片的能力fabs27 图9.半导体的聚合和详细分类类型30 TABLES 表1.WSTS的分类和产品定义摘要21 表2.半导体生产数据库变量和定义28 表3.晶体管类型和工艺属性技术29 表AA.1.与半导体相关的HS代码产品36 执行摘要 半导体驱动现代经济体系，是众多高级工业产品的核心组成部分。它们广泛应用于智能手机、计算机、汽车、家用电器、医疗设备、LED灯或激光器等众多领域。半导体涵盖了从支持先进计算的复杂逻辑半导体到用于数据存储的记忆半导体，再到用于温度测量的基本传感器等多样化的复杂组件。半导体制造过程极其复杂，例如需要先进的光刻机在纳米级尺度上进行精密打印，并且需要严格控制空气中的微粒以维持清洁室环境。 尽管其至关重要的地位，半导体价值链易受干扰。半导体价值链高度细分，不同地理位置包含了生产阶段，但每个阶段通常具有较高的地理集中度。这为现代经济带来了显著的风险。 增强半导体价值链的韧性需要基于实证的政策制定。更好的数据对于决策者识别瓶颈、监控特定半导体类型需求与供应之间的平衡，并管理价值链中断至关重要。 在2023年6月召开的经合组织半导体非正式交流网络（以下简称网络）会议上，高级政府官员聚集一堂，旨在促进半导体供应链的透明度和信息交换。基于其交流活动，并考虑到不同经济体中使用的不同半导体分类，本文提出了一种通用的半导体类型和生产设施（工厂）分类体系，以促进一致的数据收集与共享。 分类体系由网络发展制定，将半导体产品分为“逻辑”，“存储”，“模拟”和“其他”四大类，以及基于其普遍性、特定功能和最终用途的子类别。根据所用技术及生产不同类型的半导体（产能）的能力，以及已安装的生产能力，半导体生产设施被分类。此外，还包括地理、人口统计和其他与工厂（及企业）相关的特征信息。 本分类将作为半导体生产数据库的基础。因此，该分类可能需要在未来根据半导体技术的发展进行修订。分类的未来扩展可以包括，视数据可用性而定，增加关于半导体公司、半导体应用或半导体替代性的额外信息。 Introduction 经合组织半导体非正式交流网络（以下简称“网络”）的工作强调了建立半导体类型和生产设施（工厂）分0F类体系的重要性 ，以实现数据收集与共享的一致性。一致的数据收集方法支持网络的目标，即提高对半导体的理解，并帮助成员国迈向更坚韧的半导体价值链。本文提供了由网络开发的通用半导体分类，并基于半导体生产数据规划了未来工作方向。 半导体价值链的复杂性和分布性质是提高透明度和理解的关键挑战之一。开发一种分类体系以对半导体数据进行分类，使得数据集成，并涵盖生产过程的所有阶段，既至关重要又是一项艰巨且资源密集的任务。因此，网络在处理半导体数据的工作中采取了双管齐下的策略：i)针对半导体制造/前端制造阶段开展分析；ii)描绘半导体生态系统，包括半导体价值链条中的关键上游和下游活动。 本文提供了前端制造领域的分类体系，为从这一阶段对设施、流程和产品进行分析奠定了基础。近期2020-2022年的半导体短缺及其相关分析表明，这一阶段可能是价值链中的关键瓶颈（Haramboure等人，2023年）。[1]尽管如此，价值链中的其他部分也可能存在瓶颈，尤其是在发现某些投入品供应高度集中时。 描述了芯片和晶圆分类以及半导体生产数据库的范围与目标（第1节）后，本文提供了对半导体生产过程的概述（第2节），包括关键输入、技术、芯片类型以及最终用途市场，以帮助指导分类。第3节概述了对分类半导体生产设备和产品的不同方法 。第4节展示了网络提议的用于分类半导体产品类型（芯片）和工厂（晶圆厂）的分类体系，以及支持第1节中描述的网络目标的半导体生产数据库的组成部分。有关半导体行业相关统计分类的信息见附录A。 1F 1 分类和半导体生产数据库的范围 本节简要定义了半导体价值链。随后，它解释了芯片和工厂分类的目的以及半导体生产数据库的原则。 半导体价值链上的底漆 半导体价值链由三个核心阶段组成，如图1所示： 设计阶段包括设定芯片需求、设计其架构以及在测试平台验证其设计。 晶圆制造：基于半导体材料（通常为硅，见第2节其他材料）的晶圆，在此阶段通过打印（或“蚀刻”）前一阶段设计的集成电路在晶圆上。这一过程发生在晶圆制造工厂（“fabs”）中，依赖于使用制造设备和化学物质的许多复杂高级制造流程。 封装、测试与包装(ATP)：这一阶段包括将晶圆切割成单独的芯片，将芯片封装到框架或树脂壳中，并对其进行测试。 图1.半导体生产阶段 来源：Haramboure,A.等（2023），《半导体供应链的脆弱性》，经合组织科学、技术与工业工作论文，第2023/05号，经合组织出版，巴黎， https://doi.org/10.1787/6bed616f-en. 半导体企业拥有不同的业务模式。整合型设备制造商（IDMs）将全部三个核心生产阶段整合在一起，而其他企业则专门从事单个阶段，作为外包和专业化战略的一部分。例如，“合约晶圆厂”（也被称作“纯晶圆厂”）专注于由其他企业设计的芯片（前端）的制造。无晶圆厂（fabless）公司仅专注于芯片设计。同样，外包半导体组装与测试（OSAT）企业仅专注于生产流程的最后三个阶段（后端）。 2F 核心半导体价值链依赖于关键的上游输入，包括：专门的软件（电子设计自动化，EDA）、用于设计处理器架构所必需的知 识产权、原材料（例如硅、稀有稀土金属、铂族金属、镓、锗）、化学品和气体，以及资本设备（沉积和光刻工具、测量和检测设备）——参见Haramboure等人（2023年）。[1])；Kleinhans和Baisakova（2020年[2])了解更多细节。 新兴技术天文台的半导体供应链浏览器（ETO，2022[3]）提供了芯片制造过程每个阶段所涉及的基本输入的交互式概述。 43F 前端制造/半导体制造过程中的步骤 芯片制造过程中的关键步骤包括以下几个方面(时间，2021年[4]): 1.沉积:在硅晶片上沉积导电、隔离或半导体材料的薄膜。 2.光刻胶涂层:用光敏涂层覆盖晶片。 3.光刻：光刻工具通过光罩将光线投射到硅片上以绘制图案，从而创建构成半导体的微小电路。 4.刻蚀：通过使用气体（干刻）或化学物质（湿刻）去除退化的光阻剂以显现出预期图案的过程。 5.掺杂：故意向半导体晶体中引入杂质以改变其导电性。这可以通过扩散（促使杂质原子从高浓度区域移动到低浓度区域）或离子注入（用正负离子轰击硅片来制造晶体管）来实现。 先进的包装模糊了前端和后端制造之间的界限 先进封装技术（如异质集成和硅堆叠）的引入使得同一代封装内能够包含多个集成电路（IC），从而超越传统几何扩展方式提升芯片性能。单个芯片封装中提高集成度的趋势（作为电路板上多芯片替代方案）也受到产品成本工程的影响（Bailey,2024）。[5]). 先进封装市场主要由扇出式芯片级封装主导，占据约60%的市场份额（Burkacky,KimandYeom,2023）[6]但是，新兴技术包括2.5D或3D堆叠、集成扇出（InFO）和系统级芯片技术，这些技术允许将芯片或晶圆垂直堆叠，并通过中间层连接堆叠的芯片（Burkacky,Kim和Yeom,2023）。[6]基于所使用的中继器类型，2.5-D和3-D堆叠有几种类别，不同的制造商使用不同的中继器技术（Patel,2022）。[7]；Burkacky，Kim和Yeom，2023年[6]台积电凭借其芯片在晶圆上的封装技术（CoWoS）引领市场，这是高级逻辑芯片、包括人工智能（AI）应用所广泛采用的最流行封装技术。 先进封装与前端制造相关，因为必须制作中间层（interposer），这可以通过晶圆厂（foundries）内部完成（Patel,Xie和 Wong,2023）。[8])，除了OSAT公司。 近期的技术发展还包括“三维整合”，其内容是在前端阶段（例如铜对铜粘合）直接将芯片进行连接。三维整合还要求对被粘合的芯片进行特定的设计。低温粘合技术与超薄设备层堆叠的发展是三维集成电路快速技术前沿的实例。 半导体的最终用途 半导体是广泛行业生产的关键投入。例如，在电信设备或机动车中，所嵌入的半导体价值与能源成本同等重要（图2）。 图2.2018年半导体和初级增加值需求份额 注：各行业最终产品的价值增加中半导体所占的比例以蓝色显示，红色点表示该行业主要能源（包括煤炭、石油和天然气）的价值增加，用于比较目的。样本仅限于前20大购买国。例如，在汽车行业中，半导体代表了1.5%的价值增加，略少于主要能源（2%）。 来源：Haramboure,A.等（2023），《半导体供应链的脆弱性》，经合组织科学、技术与工业工作论文，第2023