芯片、节点和晶圆： 半导体数据收集的分类法（英）

芯片、节点和晶片 半导体数据收集的分类方法 2024年8月 这篇论文于2024年7月26日经数字政策委员会（DPC）和工业、创新与创业委员会（CIIE）书面程序批准并去密，并由经合组织秘书处准备出版。 代表团注意：本文件也在O.N.E.成员及合作伙伴中可用，参考代码：DSTI/DPC/CIIE(2024)1/FINAL 本文件及其中包含的任何数据和地图，均不涉及任何领土地位或主权问题，不涉及国际边界和边界的划定问题，也不涉及任何领土、城市或区域的名称问题。 封面图片：©HAKINMHAN/Shutterstock.com ©OECD2024 本作品的使用，无论是数字的还是印刷的，均受以下条款和条件的约束： https://www.oecd.org/termsandconditions 芯片，节点和晶片：半导体数据收集的分类方法3 前言 半导体供应链容易受到可能导致现代经济体面临重大风险的中断。更好的数据对于政策制定者识别瓶颈、监控特定类型半导体的需求与供应平衡以及管理中断至关重要。本文提出了一种通用的半导体分类体系，以促进协调的数据收集和共享。该分类体系将半导体产品分为四大类——“逻辑”、“内存”、“模拟”和“其他” ——并根据其普及程度和特定功能进一步细分。半导体生产设施按照所使用的技术、生产能力（能够生产不同类型半导体的能力）、安装产能以及其他相关工厂（和企业）特征进行分类。该分类体系将成为半导体生产数据库的基础，并将随着半导体技术的发展在未来进行修订。 本报告由查拉格·谢赫（ChiraagShah）、查尔斯-埃do尔·范德·皮特（Charles-ÉdouardVandePut）和菲利佩·席尔瓦（FilipeSilva）撰写，并在奥黛丽·普朗克（AudreyPlonk）、居耶·拉兰ne（GuyLalanne）和维伦娜·韦伯（VerenaWeber）的指导下完成。作者衷心感谢半导体非正式交流网络参与者以及安吉拉·阿特雷伊（AngelaAttrey）、加利娅·多尔（GalliaDaor）、格里高利·拉罗卡（GregoryLaRocca）、大卫·卡纳特（DavidKanter）、jan-彼得·克莱因哈恩（Jan-PeterKleinhans）、托比亚斯·普特尔（TobiasProettel）、莱亚·塞梅克（LeaSamek）、萨拉·罗马尼埃加·桑乔（SaraRomaniegaSancho）和安迪·塞勒斯（AndySellars）对草拟分类法及本文件早期版本提供的反馈。作者还要感谢安娜伊斯·贡萨尔维斯（AnaísaGonçalves）和沙伊·苏梅克（ShaiSomek）的支持。 目录 前言3 执行摘要6 导言7 1分类和半导体生产数据库的范围8 半导体价值链上的底漆8 目标和政策问题10 半导体生产数据库的原则12 2半导体制造：工艺、技术和产品14 主要技术类型14 半导体的类型17 3半导体的现有分类法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22IEEE新兴存储设备分类22 其他分类23 4半导体的拟议分类法25 建立证据基础：半导体生产数据库的分类法25半导体类型的分类法30 5今后的工作32 参考文献33 附件A.与半导体相关的HS代码36尾注37 Figures 芯片，节点和晶片：半导体数据收集的分类法5 图1.半导体生产阶段8 图2.2018年半导体和初级增加值需求份额10 图3.晶体管类型：平面与FinFET与GAAFET16图4.半导体的存储器类型19 图5.弹射器半导体分类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.晶圆厂的能力27 图9.半导体类型的聚合和详细分类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.晶体管类型和工艺技术的属性29 表AA.1.与半导体产品相关的HS代码36 执行摘要 半导体驱动现代经济并广泛应用于众多先进工业产品中。它们存在于智能手机、计算机、汽车、家用电器 、医疗设备、LED灯或激光器等众多设备中（仅举几例）。半导体涵盖一系列复杂的组件，从支持高级计算的先进逻辑半导体到用于数据存储的记忆体半导体，再到用于温度测量的基本传感器。半导体制造过程可能极其复杂，例如需要使用先进的光刻机在纳米尺度上进行特征打印，并且需要在严格控制空气中颗粒物的洁净室中进行。 尽管半导体供应链对于现代经济至关重要，但它仍然容易受到中断的影响。半导体供应链高度细分，生产阶段分布在不同的地理区域，但每个阶段通常具有高度集中的地理特征。这给现代经济带来了相当大的风险。 增强半导体价值链的韧性需要基于证据的政策制定。更好的数据对于政策制定者识别瓶颈、监控特定类型半导体的需求与供应平衡以及管理价值链中断至关重要。 OECD半导体非正式交流网络（以下简称该网络），于2023年6月召开，旨在汇集高级政府官员，促进半导体价值链的透明度和信息交流。基于其交流内容，并考虑到不同经济体使用的不同半导体分类法，本文提出了一个共同的半导体类型和生产设施（工厂）分类法，以促进数据收集和共享的一致性。 该分类体系由网络开发，将半导体产品划分为四大类别——“逻辑”、“存储”、“模拟”和“其他”——并根据其普遍性、特定功能和最终用途划分子类别。半导体生产设施按照所使用的技术、生产能力（能够生产不同类型的半导体的能力）以及安装的生产产能进行分类。此外，还包含了地理、人口统计和其他相关工厂（及企业）特征的信息。 这种分类将作为半导体生产数据库的基础。因此，该分类在未来可能需要根据半导体技术的发展进行修订 。未来对分类的扩展可能包括，在数据可用的情况下，增加关于半导体公司、半导体终端用途或半导体替代性的额外信息。 Introduction OECD半导体非正式交换网络(以下简称网络)的工作1 为半导体和生产设施类型制定分类法的重要性(0F指向s植物）以实现数据收集和共享的一致性。一致的 数据收集方法支持网络增加对半导体的理解目标，并帮助成员朝着更具韧性的半导体价值链方向发展。本文提供了由网络开发的共同半导体分类法，并基于半导体生产数据规划未来的工作。 半导体价值链的复杂性和分布性是提高透明度和理解的关键挑战之一。开发一种分类半导体数据的taxonomy，使数据集成并涵盖生产过程的所有阶段，既重要又具有挑战性和资源密集性。因此，网络在半导体数据方面采取了双管齐下的方法：一是专注于半导体制造/前端制造阶段进行分析；二是映射半导体生态系统 ，包括半导体价值链中的关键上下游活动。 这篇论文提供了前端制造的分类体系，为设施、过程和产品从这一阶段的分析奠定基础。近期2020-2022年半导体短缺的经验及其相关分析表明，这一阶段可能是价值链中的一个重要瓶颈（Haramboure等，2023）。[1]).然而，价值链中的其他环节也可能出现瓶颈，尤其是在某些输入物资的供应高度集中时。 在描述了芯片和晶圆厂分类以及半导体生产数据库的范围和目标（第1节）之后，本文提供了半导体生产过程的概览（第2节），包括关键输入、技术、芯片类型以及最终用途市场，以帮助制定分类标准。第3节概述了不同的分类方法来分类半导体生产设施和产品。第4节提出了网络建议的分类体系，用于分类半导体生产和产品。产品类型(芯片)2 1Fand植物(晶圆厂)，并支持第1节中先前描述的网络目标所需的半导体生产数据库要素。有关半导体行 业统计分类的信息详见附录A。 1分类和半导体生产数据库的范围 这一部分简要定义了半导体价值链。随后解释了芯片和工厂分类法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： •Design这个阶段包括设定芯片的要求、设计其架构，并在测试台上验证其设计。 •制造在前一阶段设计集成电路的基础上，这一阶段涉及将该集成电路印刷（或“蚀刻”）到半导体材料（通常为硅，详见第二部分其他材料）的晶圆上。该过程发生在晶圆制造工厂（“fabs”）中，依赖于许多复杂而先进的制造工艺，并使用各种制造设备和化学物质。 •装配、测试和包装(ATP):this阶段涉及将晶圆切片成单独的芯片、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 资料来源：Haramboure，A.等人。(2023)，“半导体供应链中的脆弱性”经合组织科学、技术和工业工作文件，2023/05号，经合组织出版社，巴黎，https://doi.org/10.1787/6bed616f-en. 2F 半导体公司有不同的商业模式。集成设备制造商（IDMs）整合了所有三个核心生产阶段，而其他公司则专注于其中的一个阶段，这是外包和专业化战略的一部分。例如，“合同代工厂”（也称为“纯粹代工厂”）专门从事由其他公司设计的芯片（前端）的制造。无厂晶圆制造商（fabless）仅专注于芯片设计。同样，外包半导体组装和测试（OSAT）公司专注于最后一个生产阶段（后端）。3 核心半导体供应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、稀土矿物、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（2023）。[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中每个阶段所涉及的基本 3F 输入的交互式概述。4 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内容(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.平版印刷术:光刻工具通过光掩模将光线投射到硅晶圆上，以绘制图案，从而形成构成半导体的微小电 路。4.蚀刻去除降解的光刻胶以揭示预期的图案，可以使用气体（干刻）或化学溶液（湿刻）。5。兴奋剂向半导体晶体中故意掺入杂质以改变其导电性。这可以通过扩散（诱导杂质原子从高浓度区域 向低浓度区域移动）或离子植入（用正离子或负离子轰击硅晶圆以形成晶体管）来实现。 先进的包装模糊了前端和后端制造之间的界限 先进封装技术如异构集成和硅堆叠的引入，使得在同一封装中集成了多个集成电路（IC），从而超越传统几何缩放提升了芯片性能。单个芯片封装内增加集成度的趋势（作为替代多芯片电路板的一种方式）也受到产品成本工程的驱动（Bailey,2024）。[5]). 先进封装市场由扇出型wafer级封装占据主导地位，市场份额约为60%（Burkacky,Kim和Yeom,2023 ）。[6]),但新型技术包括2.5-D或3-D堆叠、集成扇出（InFO）、以及系统级芯片技术，这些技术使芯片或晶圆能够通过中介层垂直堆叠（Burkacky,KimandYeom,2023）。[6]).根据所使用的中介板类型，存在几种类别的一点五维（2.5-D）和三维（3-D）堆叠方式，并且不同的制造商采用不同的中介板技术（Patel,2022）。[7]；Burkacky，Kim和Yeom，2023年[6]).TSMC在市场上处于领先地位，它们采用芯片-on-晶圆-on基板（CoWoS）技术，这是高级逻辑芯片（包括用于人工智能应用的芯片）最流行的封装技术。 芯片、节点和晶片：半导体数据收集的分类 先进封装与前端制造相关，因为需要制作中介层（interposer），这可以由晶圆厂在内部完成（Patel,XieandWong,2023）。[8])，除了OSAT公司。 最近的技术发展还包括“三维集成（3DIntegration）”，这涉及在前端阶段直接连接芯片（例如铜对铜键合 ）。三维集成还需要对连接的芯片进行特定设计。低温键合和超薄器件层堆叠技术的发展是三维集成电路 （3D-