【研報】電子元器件行業半導體專題研究十：半導體制造五大難點-20200212[26頁].pdf

1、 請務必閱讀正文之后的免責條款部分 全球視野全球視野 本土智慧本土智慧 海外市場研究海外市場研究 Page 1 證券研究報告證券研究報告海外市場研究海外市場研究 港股港股/電子元器件電子元器件 半導體半導體專題專題系列系列研究研究之之十十 2020 年年 02 月月 12 日日 一 年 該 行 業 與一 年 該 行 業 與 恒 生 指 數 、 標 普恒 生 指 數 、 標 普500、 納 指、 納 指 走 勢 比 較走 勢 比 較 相關研究報告：相關研究報告： 半導體專題研究三：半導體制造產業鏈梳理 2020-02-07 半導體專題研究系列八：正在崛起的中國半導 體設備 2020-02-10

2、半導體專題九： 國內功率半導體產業投資寶典 2020-02-10 半導體研究專題二：從國家戰略角度看半導體 制造目標做大做強 2019-12-09 半導體研究專題一：從三個維度看芯片設計 2019-10-30 證券分析師：王學恒證券分析師：王學恒 電話： 010-88005382 E-MAIL： 證券投資咨詢執業資格證書編碼：S0980514030002 證券分析師：何立中證券分析師：何立中 電話： 010-88005322 E-MAIL： 證券投資咨詢執業資格證書編碼：S0980516110003 證券分析師：歐陽仕華證券分析師：歐陽仕華 電話： 0755-81981821 E-MAIL：

3、證券投資咨詢執業資格證書編碼：S0980517080002 證券分析師：唐泓翼證券分析師：唐泓翼 電話： 021-60875135 E-MAIL： 證券投資咨詢執業資格證書編碼：S0980516080001 獨立性聲明：獨立性聲明： 作者保證報告所采用的數據均來自合規渠道， 分析邏輯基于本人的職業理解，通過合理判斷 并得出結論，力求客觀、公正，其結論不受其 它任何第三方的授意、影響，特此聲明。 海外市場專題海外市場專題 半導體制造半導體制造五大五大難難點點 半導體產業是集成了很多子系統的大系統半導體產業是集成了很多子系統的大系統 伴隨著芯片的集成度越來越高、半導體制造的先進程度也逐漸提升。 半

4、導體產業包含越來越多的機械、化工、軟件、材料等其它領域，是 集成了很多子系統的大系統。 同時，涉及如此眾多產業的半導體產業，也推動經濟發展。因為，半 導體產品的性能逐漸提升，而成本降低、價格下降。從而滿足了市場 對于高性能、低成本需求。 半導體制造半導體制造五大難點五大難點 一是一是集成度越來越高。集成度越來越高。 在一顆芯片上集成的晶體管的數量， 越來越多， 從 20 世紀 60 年代至今，從 1 個晶體管增加到 100 億以上。 二是對精度要求越來越高二是對精度要求越來越高，工藝加工難度越大。關鍵尺寸從 1988 年 的 1um，減小到 2020 年的 5nm，減少了 99.5%。從此角度

5、看，集成 電路制造的難度在逐漸提升，難度提升的加速度也在變大。 三是單點技術突破難三是單點技術突破難，構成半導體制造工序的最小單位的工藝技術就 是單點技術，復雜電路的制造工序超過 500 道工序，這些工序都是在 精密儀器下進行，人類的肉眼是看不清楚的。 四是需要將多個技術集成。四是需要將多個技術集成。集成技術的難點在于，如何在短時間內完 成從無限的組件技術組合中，制定低成本、滿足規格且完全運行的工 藝流程。類似：單人體育的乒乓球中國人可以全球拿冠軍。但 11 人的 足球隊不能拿冠軍，這就是集成技術的難點。 五是批量生產技術。五是批量生產技術。將研發中心通過集成技術構建的工藝流程移交給 批量生產

6、工廠。嚴格意義上的精確復制基本是不可能的。即使開發中 心和批量生產工廠的設備相同，在同樣的工藝條件下也未必能夠得到 同樣的結果。這是因為即使是同樣的設備，兩臺機器之間也會存在微 小的性能差異 （機差） 。 機差是半導體制造設備廠家在生產同一型號的 設備時，因不可控因素的存在而可能產生的設備差異。隨著半導體精 密化程度的不斷提高，機差問題也日益顯著。 半導體制造是目前中國大陸半導體發展的最大瓶頸半導體制造是目前中國大陸半導體發展的最大瓶頸 半導體制造是目前中國大陸半導體發展的最大瓶頸。電腦 CPU、手機 SOC/基帶等高端芯片，國內已經有替代，雖然性能與國際巨頭產品有 差距，但是至少可以“將就著

7、用” 。而半導體制造是處于“01”的突 破過程中。假如海外半導體代工廠不給中國大陸設計公司代工，那么 中國的半導體產業將會受到很嚴重影響。 投資建議投資建議 我們認為，市場對芯片設計、半導體設備的認識已經很充分。而對半 導體制造環節認識不夠。 同時， 再加上半導體制造領域研究的高壁壘， 導致資本市場對半導體制造是被動型忽視的。 2020 年是半導體制造的 大年，我們繼續推薦兩大龍頭：中芯國際、華虹半導體。 -30.00 -10.00 10.00 30.00 19/219/519/819/11 恒生指數納斯達克指數 全球視野全球視野 本土智慧本土智慧 Page 2 投資摘要投資摘要 本篇報告不同

8、于一般的行業專題，我們從“實業工藝操作”的角度，分析半導體制 造產業的難點所在。 關鍵結論關鍵結論 一、 半導體制造是目前中國大陸半導體發展的最大瓶頸。 電腦 CPU、 手機 SOC/ 基帶等高端芯片， 國內已經有替代， 雖然性能與國際巨頭產品有差距， 但是 至少可以“將就著用” 。而半導體制造是處于“01”的突破過程中。 二、 半導體產業是集成了很多子系統的大系統， 伴隨著芯片的集成度越來越高、 半導體制造的先進程度也逐漸提升。半導體產業包含越來越多的機械、化 工、軟件、材料等其它領域，是集成了很多子系統的大系統。同時，涉及如 此眾多產業的半導體產業， 也推動經濟發展。 因為， 半導體產品的

9、性能逐漸 提升， 而成本降低、 價格下降。 從而滿足了市場對于高性能、 低成本需求。 。 三、 半導體制造的五大難點： 集成度高 精度高 單點技術突破難 集成技術難 批量生產技術難 四、 2020 年是半導體制造的大年，我們繼續推薦中芯國際、華虹半導體。 五、 附錄： 中芯國際深度報告： 中芯國際-00981.HK-深度報告： 半導體代工龍頭， 看好先進 制程20190916 華虹半導體深度報告：華虹半導體-01347.HK-后摩爾時代迎接汽車半導體紅利 201810 全球視野全球視野 本土智慧本土智慧 Page 3 內容目錄內容目錄 半導體制造高度壟斷半導體制造高度壟斷 . 5 制造是半導體

10、產業的重點 . 5 五大硅片廠壟斷市場 . 5 全球代工被臺積電壟斷 . 6 半導體制造發展歷史半導體制造發展歷史 . 6 20 世紀 50 年代晶體管技術 . 6 20 世紀 60 年代改進工藝 . 7 20 世紀 70 年代提升集成度 . 7 20 世紀 80 年代實現自動化 . 8 20 世紀 90 年代高效率批量生產 . 8 半導體制造五大難點半導體制造五大難點 . 8 集成眾多子系統的大系統 . 8 第一，集成度越來越高 . 9 第二，對精度要求越來越高 . 10 第三，單點技術突破難 .11 第四，需要將多個技術集成 . 13 第五，批量生產技術 . 13 半導體制造的三大指標半導

11、體制造的三大指標. 14 一是先進制程達到多少納米 . 14 二是晶圓尺寸趨于大硅片 . 15 三是產能決定短期業績 . 16 工藝制程不是越先進越好 . 17 先進制程和特殊工藝雙向發展 . 18 半導體代工需求旺盛半導體代工需求旺盛 . 19 代工增速超半導體行業整體增速 . 19 代工廠排名 . 21 投資建議投資建議 . 21 中芯國際（0981.hk） ：半導體代工龍頭，看好先進制程 . 21 華虹半導體（1347.hk） ：公司專注特色工藝，收入增速強于全球市場 . 23 行業投資風險行業投資風險 . 23 國信證券投資評級國信證券投資評級 . 24 分析師承諾分析師承諾 . 24

12、 風險提示風險提示 . 24 證券投資咨詢業務的說明證券投資咨詢業務的說明 . 25 全球視野全球視野 本土智慧本土智慧 Page 4 圖圖表表目錄目錄 圖圖 1：一般情況半導體產業鏈劃分：一般情況半導體產業鏈劃分 . 5 圖圖 2：2018 前前 5 大硅片廠商大硅片廠商 . 5 圖圖 3：全球前十大晶圓代工市占率：全球前十大晶圓代工市占率 2019Q3 . 6 圖圖 4：半導體制造發展歷史：半導體制造發展歷史 . 7 圖圖 5：半導體產業涉及領域：半導體產業涉及領域 . 9 圖圖 6：半導體制造五大難點：半導體制造五大難點 . 9 圖圖 7：集成電路關鍵尺寸（：集成電路關鍵尺寸（nm） .

13、 10 圖圖 8：晶體管關鍵尺寸（線寬，注意，此處線寬指柵長）：晶體管關鍵尺寸（線寬，注意，此處線寬指柵長） . 10 圖圖 9：CMOS 工藝流程中的主要步驟工藝流程中的主要步驟 . 11 圖圖 10：CMOS 工藝流程中的主要步驟工藝流程中的主要步驟 . 11 圖圖 11：擴散用高溫爐：擴散用高溫爐 . 12 圖圖 12：光刻工藝示意圖：光刻工藝示意圖 . 12 圖圖 13：刻蝕機（干法：刻蝕機（干法等離子刻蝕）等離子刻蝕） . 12 圖圖 14：離子注入示意圖：離子注入示意圖 . 12 圖圖 15：薄膜生長示意圖（：薄膜生長示意圖（CVD 多腔集成設備）多腔集成設備） . 13 圖圖 1

14、6：亞微米制造廠的拋光區：亞微米制造廠的拋光區 . 13 圖圖 17：單點技術類似單人游戲：單點技術類似單人游戲 . 13 圖圖 18：集成技術類似：集成技術類似 11 人足球人足球. 13 圖圖 19：全球主要半導體廠商：全球主要半導體廠商工藝先進程度工藝先進程度 . 15 圖圖 20：2018 全球半導體代工廠按照工藝技術分布全球半導體代工廠按照工藝技術分布 . 15 圖圖 21：晶圓尺寸參數：晶圓尺寸參數 . 16 圖圖 22：2018 年不同尺寸晶圓占比年不同尺寸晶圓占比 . 16 圖圖 23：晶圓尺寸占比走勢：晶圓尺寸占比走勢 . 16 圖圖 24：2019Q3 月產能，萬片月產能，

15、萬片/月，等效月，等效 8 寸寸. 17 圖圖 25：IC design 費用費用($M) . 17 圖圖 26：IC 設計費用構成設計費用構成 . 17 圖圖 27：3nm 以下晶體管結構從以下晶體管結構從 FinFET 到到 GAA . 18 圖圖 28：EUV 光刻機構造光刻機構造 . 18 圖圖 29：后摩爾時代半導體工藝發展方向：后摩爾時代半導體工藝發展方向 . 18 圖圖 30：后摩爾時代半導體工藝發展方向：后摩爾時代半導體工藝發展方向 . 19 圖圖 31：中國大陸半導體代工廠市場規模（億美元）：中國大陸半導體代工廠市場規模（億美元） . 19 圖圖 32：全球：全球 Fable

16、ss 代工需求（億美元）代工需求（億美元） . 20 圖圖 33：中國大陸：中國大陸 Fabless 代工需求（億美元）代工需求（億美元） . 20 圖圖 34：2010 年半導體代工廠客戶構成年半導體代工廠客戶構成 . 20 圖圖 35：2017 年半導體代工廠客戶構成年半導體代工廠客戶構成 . 20 圖圖 36：中國大陸半導體代工廠市場規模（億美元）：中國大陸半導體代工廠市場規模（億美元） . 20 圖圖 37：全球前十大晶圓代工市占率：全球前十大晶圓代工市占率 2019Q3 . 21 表表 1：集成電路晶體管個數發展趨勢：集成電路晶體管個數發展趨勢 . 10 全球視野全球視野 本土智慧本

17、土智慧 Page 5 半導體半導體制造制造高度壟斷高度壟斷 制造是半導體產業的重點制造是半導體產業的重點 一般情況下，我們將半導體產業劃分為：設計制造封測，EDA 面向設 計和制造，設備面向制造和封測。 半導體制造是目前中國大陸半導體發展的最大瓶頸，電腦 CPU、手機 SOC/基 帶等高端芯片，國內已經有替代，雖然性能與國際巨頭產品有差距，但是至少 可以“將就著用” 。 而半導體制造是處于“01”的突破過程中，假如海外半導體代工廠不給中國大 陸設計公司代工，那么中國的半導體產業將會受到很嚴重影響。 圖圖 1：一般情況一般情況半導體產業鏈半導體產業鏈劃分劃分 資料來源：國信證券經濟研究所整理 五

18、大硅片廠壟斷市場五大硅片廠壟斷市場 全球半導體硅片市場主要集中在幾家大企業，行業集中度高，技術壁壘較高。 2018 前 5 大硅片廠商合計 95%市場份額， 行業前五名企業的市場份額分別為： 日本信越化學市場份額 28%，日本 SUMCO 市場份額 25%，德國 Siltronic 市 場份額 14%，中國臺灣環球晶圓市場份額為 14%，韓國 SKSiltron 市場份額占 比為 11%，法國 Soitec 為 4%。 圖圖 2：2018 前前 5 大硅片廠商大硅片廠商 資料來源：SEMI，國信證券經濟研究所整理 全球視野全球視野 本土智慧本土智慧 Page 6 全球代工被臺積電壟斷全球代工被

19、臺積電壟斷 2019 年 Q3 全球十大晶圓廠排名為：臺積電、三星、格羅方德、聯電、中芯國 際、高塔、華虹、世界先進、力晶、東部高科。 國內代工龍頭中芯國際排名第五，市場占有率 4.4%。 圖圖 3：全球前十大晶圓代工市占率全球前十大晶圓代工市占率 2019Q3 資料來源: 公司財報，證券經濟研究所整理 半導體制造發展歷史半導體制造發展歷史 20 世紀世紀 50 年代年代晶體管技術晶體管技術 自從 1947 年貝爾實驗室的第一個晶體管發明以來，20 世紀 50 年代是各種半 導體晶體管技術發展豐收的時期。 第一個晶體管用鍺半導體材料。 第一個制造硅晶體管的是德州儀器公司。 隨著 1959 年集

20、成電路的發明，產業準備好用固體晶體管技術作為真空管的替 代品并且開發新的應用市場。新制造技術必須將 20 世紀 50 年代的實驗室硅片 制造技術變成 60 年代的生產工藝。 全球視野全球視野 本土智慧本土智慧 Page 7 圖圖 4：半導體制造發展歷史：半導體制造發展歷史 資料來源: 半導體制造技術，證券經濟研究所整理 20 世紀世紀 60 年代年代改進工藝改進工藝 在 20 世紀 60 年代，半導體產業進入面向解決生產半導體集成電路基本問題的 時代。這是集成電路的開始以及小規模集成電路時代。半導體制造商激增。 此階段，半導體制造商重點在工藝技術的改進，致力于提高集成電路性能以及 降低成本。由

21、于半導體制造的工藝性涉及多個行業，專門從事供應的行業發展 起來以提供硅片制造需要的化學材料和設備。 眾多高技術公司于 20 世紀 60 年代成立， ： 1961 年仙童公司( Fairchild )的工程師成立了 Signetics 公司。 1968 年， 羅伯特 諾伊思、 戈登 摩爾和格羅夫離開仙童公司成立英特爾公司。 1969 年杰里桑德斯和其他來自仙童公司的科學家成立 AMD。 20 世紀世紀 70 年代年代提升集成度提升集成度 20 世紀 70 年代初期是芯片設計的中規模集成電路時期，制造工藝大部分是按 批次加工的手工操作。典型的硅片制造廠以 5%或 10%的成品率開始生產新產 品，并

22、且經過努力可能提高到 30%。 在 20 世紀 70 年代初期，微處理器是德州儀器公司和英特爾公司發明的，隨者 被市場應用廣泛接受，產生了對更多芯片集成在一起的需求。大規模級的集成 電路僅存在了幾年，就被超大規模集成電路迅速取代，超大規模集成電路是 20 世紀 70 年代末的集成標準。 迅速變化的半導體產業變成混沌狀態硅片制造廠使用的許多設備和工藝是由多 家制造半導體器件的公司開發的，不具備工業標準。這樣一來，造成了制造商 和供應商的低效率、亞洲出現了令人畏懼的競爭者，日本成為半導體變革和制 造的強國。 在半導體領域， 亞洲電子巨頭挑戰美國的統治地位。 到 1979 年， 日 本已經獲取世界存

23、儲器微芯片 40%以上的需求量。 隨著更復雜芯片需求的增長，設備技術從 20 世紀 60 年代的手工設備變成可由 操作者控制以及單板固體控制器的按鈕半自動操作。對于關鍵半導體設備，設 備供應商也遇到來自日本和亞洲的頑強競爭。 建造一個硅片制造廠的費用變得極其昂貴。硅片沾污水平的控制成為縮小器件 全球視野全球視野 本土智慧本土智慧 Page 8 特征尺寸的關鍵， 要求專門硅片制造廠的凈化線標準， 幾乎超過其他所有行業。 用于加工的水、空氣和許多化學材料以及氣體，需要特別的純度規定。到 20 世 紀 70 年代末期，硅片制造廠的費用大約是 3000 萬美元并繼續上漲。市場需求 和持續更換設備以保證

24、先進技術的需求，促進了新廠的建設。 產業試圖組建一個協作公司以規范這種混亂。 在 1970 年， 為了標準化及促進業 界的設備、材料和服務， SEMI (半導體設備和材料學會)成立。1977 年，在羅 伯特諾伊思的領導下半導體行業協會(SIA)成立。其目標是針對由于迅速增長 產生的共性問題進行更多的業界合作，統一業界標準，實現自動化。 20 世紀世紀 80 年代年代實現自動化實現自動化 20 世紀 80 年代，個人計算機產業的成長點燃了硬件和軟件的需求，同時面對 日本集成電路制造商的競爭壓力，日本擴展他們的制造能力使得成品率和質量 達到了意想不到的水平。隨著這些發展，美國半導體公司由于競爭力弱

25、大為震 驚，甚至恐慌。到 20 世紀 80 年代中期，日本幾乎完全占領了快速增長和技術 需求的 DRAM (動態隨機存儲器)市場份額 1987 年在美國國防部指導下，半導體產業界成立了 SEMATECH。一是開發關 于制造設備的規范和變革全行業的政策，二是應對來自日本競爭威脅。 美國的公司強調改善半導體設備、制造效率和產品質量。例如實現半導體制造 設備、晶圓加工流程的自動化，目的是大幅度減少工藝中的操作者，因為人是 凈化間中的主要沾污源。 由于芯片快速向超大規模集成電路發展，芯片設計方法變化、特征尺寸減小。 這些變化向工藝制造提出挑戰，需要綜合工藝的開發，實現批量生產。 20 世紀世紀 90

26、年代年代高效率批量生產高效率批量生產 在 20 世紀 80 年代后期和 90 年代初期，生產芯片的特征尺寸縮小到 1um 以 下。到了 90 年代末，最小特征尺寸是 0.18um。0.1 um 以下的亞微米工藝幾何 尺寸開創甚大規模集成電路時代，高性能集成電路包含 1000 萬個晶體管或者 更多。具有最先進技術的兩種芯片是微處理器和存儲器芯片。高度集成芯片要 求多層電路互連(多達 8 層并正在增加)，制造芯片多達 450 多道工藝步驟。 在 20 世紀 90 年代，半導體產業競爭已經變得更加激烈。要想在世界芯片市場 生存，制造商在約定的時間內，生產出復雜的高質量芯片是至關重要的。 半導體設備是

27、高度自動化的，先進的材料傳送系統在工作站之間移動硅片無須 入工干涉。軟件系統控制了幾乎所有設備功能，包括故障查詢診斷。技師和工 程師干預下載生產菜單到設備軟件數據庫，并翻譯軟件診斷命令，以采取正確 的設備維護行動。 半導體制造半導體制造五大五大難難點點 集成眾多子系統的大系統集成眾多子系統的大系統 伴隨著芯片的集成度越來越高、 半導體制造的先進程度也逐漸提升。 半導體產業包 含越來越多的機械、 化工、 軟件、 材料等其它領域， 是集成了很多子系統的大系統。 同時，涉及如此眾多產業的半導體產業，也推動經濟發展。因為，半導體產品的性 能逐漸提升，而成本降低、價格下降。從而滿足了市場對于高性能、低成

28、本需求。 全球視野全球視野 本土智慧本土智慧 Page 9 圖圖 5：半導體產業涉及領域半導體產業涉及領域 資料來源： 半導體制造技術 ，國信證券經濟研究所整理 如此高度行業集成的產業，具有五大難點具有五大難點，分兩類。，分兩類。 一類是一類是：高精細：高精細度度、高集成度高集成度。 二類是：單點工藝技術、集成單點技術、批量生產技術。二類是：單點工藝技術、集成單點技術、批量生產技術。 圖圖 6：半導體制造五大難點半導體制造五大難點 資料來源：國信證券經濟研究所整理 第一，第一，集成度集成度越來越越來越高高 在一顆芯片上集成的晶體管的數量，越來越多，從 20 世紀 60 年代至今，從 1 個 晶

29、體管增加到 100 億以上。電路集成度越高， 挑戰半導體制造工藝的能力， 在可接 受的成本條件下改善工藝技術， 以生產高級程度的大規模集成電路芯片。 為達到此 目標， 半導體產業已變成高度標準化的， 大多數制造商使用相似的制造工藝和設備。 開發市場成功的關鍵是公司在合適的時間推出合適的產品的能力。 全球視野全球視野 本土智慧本土智慧 Page 10 表表 1：集成電路晶體管個數發展趨勢集成電路晶體管個數發展趨勢 電路集成電路集成 時間時間 每個芯片元件數每個芯片元件數 沒有集成，分離元件 1960 年之前 1 小規模集成電路（SSI） 20 世紀 60 年代 250 中規模集成電路（MSI）

30、20 世紀 60 年代 205 千 大規模集成電路（LSI） 20 世紀 70 年代 5 千10 萬 超大規模集成電路（VLSI） 20 世紀 80 年代 10 萬100 萬 甚大規模集成電路（ULSI） 20 世紀 90 年代后期 100 萬1000 萬 更大規模集成電路 21 世紀至今 100 億+ 資料來源: 國信證券經濟研究所整理 第二，第二，對對精度要求精度要求越來越越來越高高 精度高體現在關鍵尺寸（CD） ，芯片上的物理尺寸特征被成為特征尺寸，業內描述 特征尺寸的術語是電路幾何尺寸。 通俗理解是， 關鍵尺寸越小， 工藝加工難度越大。 關鍵尺寸從 1988 年的 1um，減小到 2020 年的 5nm，減少了 9