AI半導(dǎo)體的新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料與投資建議

半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)狀：晶圓廠建設(shè)成本加大，AI開支明顯提升在人工智能和汽車電動(dòng)化、智能化的產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)下，半導(dǎo)體增長(zhǎng)的邏輯仍在強(qiáng)化，2030年半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模有望突破1萬億美元。圖1：2030年半導(dǎo)體市場(chǎng)有望突破1萬億美元資料來源：ASM公司公告、TechInsights、5nm晶圓廠建設(shè)成本高達(dá)54億美元。65nm28005nm5.4億65nm5nm454.圖2：先進(jìn)工藝晶圓廠建設(shè)成本較高，5nm晶圓廠建設(shè)成本約為54億美元資料來源：McKinsey官網(wǎng)、IBS、晶體管微縮、3D堆疊等技術(shù)創(chuàng)新使得CMOS先進(jìn)工藝方面的投資加大，2024-2027年半導(dǎo)體制造設(shè)備市場(chǎng)有望保持持續(xù)增長(zhǎng)。圖3：2024-2027年半導(dǎo)體制造設(shè)備市場(chǎng)有望持續(xù)增長(zhǎng)資料來源：ASM公司公告、TechInsights、Gartner、半導(dǎo)體公司AI/ML（人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)）有關(guān)的EBIT快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)4年以后有望增加至每年850-950半導(dǎo)體公司每年AI/ML貢獻(xiàn)的EBIT50-802-3350-400億4850-950圖4：預(yù)計(jì)4年后，人工智能對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)生的EBIT增加至850-950億美元，約占半導(dǎo)體銷售額的20%資料來源：McKinsey官網(wǎng)、AIEBIT380制造業(yè)將在AI/MLAI380圖5：AI對(duì)于半導(dǎo)體制造的EBIT影響最大，約為380億美元資料來源：McKinsey官網(wǎng)、GPUASICDRAMAI圖6：下游工業(yè)、消費(fèi)電子和計(jì)算領(lǐng)域?qū)?yīng)的AI半導(dǎo)體銷售額快速增長(zhǎng)資料來源：ASM公司公告、Gartner、在數(shù)據(jù)中心側(cè)和邊緣側(cè)，不同類型芯片的占比不同。在數(shù)據(jù)中心側(cè)，推理和訓(xùn)練芯片ASIC芯片占比大幅提升；而在邊緣側(cè)推理芯片GPU大幅提升，訓(xùn)練芯片F(xiàn)PGA占比大幅提升。圖7：在數(shù)據(jù)中心側(cè)和邊緣側(cè)，不同類型芯片的占比不同資料來源：McKinsey官網(wǎng)、半導(dǎo)體：新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝隨著半導(dǎo)體晶體管數(shù)量增加，通過引入MPU（微處理器AI圖8：未來AI芯片晶體管數(shù)量增加，并通過引入MPU、增大芯片面積來提升算力優(yōu)先級(jí)資料來源：SUMCO公司公告、新結(jié)構(gòu)：晶體管微縮、存儲(chǔ)器件堆疊，使用MIMCAP結(jié)構(gòu)隨著AIFinFET到GAA，再到CFET轉(zhuǎn)變。1999Fn（TFiT為D除了平面FET的短溝道效應(yīng)。但當(dāng)工藝節(jié)點(diǎn)達(dá)到5nm之后，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)無法提供足夠的靜電控制。GAAFET(Gate-All-AroundFET)把柵極和漏極從鰭片變成了納米線，柵極對(duì)電流的控制力進(jìn)一步提升。據(jù)IMEC20242nmFinFETCFET圖9：器件結(jié)構(gòu)由FinFET到GAA，再到CFET資料來源：KOKUSAIELECTRIC公司公告、GAAFET高帶寬的使用High-k材料和金屬材料，而這些材料和工藝都需要更多的ALD和PVD外延工藝。圖10：GAAFET工藝將會(huì)使用更多ALD和外延工藝資料來源：ASM公司公告、ALD設(shè)備行業(yè)是薄膜沉積市場(chǎng)中增速最快的細(xì)分板塊，隨著器件復(fù)雜性增加、引入3D結(jié)構(gòu)，新材料的種類與用量均有所增加。圖11：?jiǎn)喂杵珹LD設(shè)備2020-2025年CAGR為16-20% 圖12：外延設(shè)備2020-2025年CAGR為13-18%資料來源：ASM公司公告、 資料來源：ASM公司公告、芯片使用HBM（HighBandwidthDRAM從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為HBMTSV圖13：DRAM從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為HBM結(jié)構(gòu)資料來源：SUMCO公司公告、通過將外接電路和存儲(chǔ)陣列晶圓鍵合在一起，3DNAND芯片將具備更高的存儲(chǔ)密度和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，3DNAND的性能明顯提升。圖14：通過將外接電路和存儲(chǔ)陣列鍵合在一起，3DNAND的性能明顯提升資料來源：SUMCO公司公告、隨著3D復(fù)雜器件結(jié)構(gòu)，NANDflash增加至500DRAM由2D向3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，更多采用低溫工藝/復(fù)雜器件結(jié)構(gòu)。圖15：隨著AI半導(dǎo)體的發(fā)展，采用3D堆疊和低溫/復(fù)雜器件結(jié)構(gòu)資料來源：KOKUSAIELECTRIC公司公告、AI半導(dǎo)體增加了MIMCAP（Hf基介質(zhì)層MIMAIMIMCAP放在Graphcore在N7MIM30%。圖16：AI半導(dǎo)體采用MIMCAP來增加存儲(chǔ)資料來源：ASM公司公告、新工藝：FEOL采用HKMG工藝，BEOL采用背面供電工藝（FE、中道M）和后道（E）工藝。ELSiacieareaN型和PBEOL圖17：邏輯器件制造可分為前道（FEOL）、中道(MOL)和后道（BEOL）工藝資料來源：、SNPolySNHKMG（,gateoxide）和電,gateSiON(SiON)的厚度。但隨著SiON這使得高k/Hfk入金屬電極來代替多晶硅。圖18：當(dāng)電壓降低時(shí)，需要降低厚度來提升性能，HKMG可以用于持續(xù)微縮資料來源：SKhynix官網(wǎng)、HKMGVddHKMG優(yōu)poly/SiON，SKhynix33%25%。圖19：HKMG可以實(shí)現(xiàn)晶體管柵氧化層厚度減少，并通過提高晶體管速度和Vdd微縮來實(shí)現(xiàn)功率降低資料來源：SKhynix官網(wǎng)、案IR降低了。變得越來越小而增加。英特爾PowerViaIR降低了30%6%。圖20：英特爾采用背面供電技術(shù)路徑，形成了“三明治”結(jié)構(gòu)資料來源：IT之家、新材料：硅材料、Hf、鉬金屬和High-k材料用量增加，封裝基板使用量增大高性能高帶寬的需要使用High-k（High-k）45nmALD10DRAMHigh-KHigh-k圖21：MOS管High-k材料用量有所增多資料來源：ASM公司公告、增加一倍多。圖22：隨著芯片高密度互聯(lián)，硅材料用量有所增加資料來源：SUMCO公司公告、從材料端來看，后段制造工藝中鉬金屬會(huì)替代CVD工藝中的鎢以及PVD工藝中的銅金屬，3DNAND中會(huì)更多地使用鉬金屬，而中段工藝將使用鉬金屬作為Via填充材料。圖23：3DNAND中使用Mo 圖24：MOL將使用Mo作為Via填充材料資料來源：《ALDConference》(Se-WonLee,Moo-SungKim,ChangwonLee,SergeiIvanov,AnneliesDelabie,MarleenvanderVeen)、

資料來源：《ALDConference》(Se-WonLee,Moo-SungKim,ChangwonLee,SergeiIvanov,AnneliesDelabie,MarleenvanderVeen)、隨著（）3D圖25：FC-BGA搭載更多芯片，通過載板進(jìn)行連接和傳輸 圖26：在3D封裝過程中會(huì)使用更多的封裝基板資料來源：昭和電工公司公告、 資料來源：昭和電工公司公告、投資建議ALDHKMG工藝，high-k3D風(fēng)險(xiǎn)提示下游需求不及預(yù)期、技術(shù)迭代風(fēng)險(xiǎn)、客戶拓展不及預(yù)期、中美貿(mào)易摩擦加劇。相關(guān)報(bào)告匯總報(bào)告類型 標(biāo)題 日期報(bào)告類型 標(biāo)題 日期行業(yè)深度報(bào)告 FPGA的自主開發(fā)現(xiàn)在是什么情況？未來是哪些方向？—“FPGA五問五答”系列報(bào)2023-12-26告五行業(yè)深度報(bào)告 如何理解FPGA商業(yè)模式？龍頭競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的來源？—“FPGA五問五答”系列報(bào)告2023-12-25報(bào)告三行業(yè)深度報(bào)告報(bào)告三行業(yè)深度報(bào)告2042023-11-29行業(yè)深度報(bào)告電子元器件行業(yè)：復(fù)盤海外光掩膜行業(yè)龍頭發(fā)展之路，給我們帶來哪些啟示？2023-09-28行業(yè)深度報(bào)告電子行業(yè)2023年中期投資策略：從模式創(chuàng)新到技術(shù)創(chuàng)新，擁抱硬件創(chuàng)新浪潮2023-07-03行業(yè)深度報(bào)告導(dǎo)電膠行業(yè)：封測(cè)材料替代進(jìn)行時(shí)，看好導(dǎo)電膠領(lǐng)域2023-05-26行業(yè)普通報(bào)告eMaginOLEDXR行業(yè)發(fā)展2023-05-22行業(yè)深度報(bào)告 FPGA在各行業(yè)究竟用在哪里？未來哪個(gè)下游最有機(jī)會(huì)五問五答系列2023-12-25行業(yè)深度報(bào)告 海外硬科技龍頭復(fù)盤研究系列之四：