半导体周报(国科龙晖整理)-0813
一、行业动态及新闻
1、半导体设计：
据外媒报道，8月9日，SK海力士宣布，通过321层4D NAND样品的发布，正式成为业界首家正在开发300层以上NAND闪存的公司。SK海力士于当地时间8日，在美国加利福尼亚州圣克拉拉举办的“2023闪存峰会”* (Flash Memory Summit, FMS)上，公布了321层1Tb TLC(Triple Level Cell)* 4D NAND闪存开发的进展，并展示了现阶段开发的样品。作为业界首家公布300层以上NAND具体开发进展的公司，SK海力士宣布，将进一步完善321层NAND闪存，并计划于2025年上半期开始量产。
《科创板日报》10日讯，SK海力士宣布，该公司此前推出的全球最高速移动平台内存芯片——LPDDR5T，已经通过了联发科的认证，将应用于联发科下一代天玑旗舰移动平台（预计为天玑9300）。目前，SK海力士已经向联发科提供样品用于测试。
财联社8月9日电，英伟达宣布推出一款更新的人工智能(AI)处理器，以增强芯片容量和速度，进而巩固公司在这个新兴市场的主导地位。英伟达在洛杉矶举行的Siggraph大会上表示，图形芯片和处理器相结合的Grace Hopper超级芯片将从一种新型内存中获益。该产品依赖于高带宽存储器3（即HBM3e），后者能够以每秒钟高达5TB的速度访问信息。英伟达表示，这款名为GH200的超级芯片将于2024年第二季度投产。
2、半导体制造及封测：
财联社8月9日电，据日经新闻，台积电将在高雄的一家在建工厂生产下一代2纳米芯片。台积电还计划从2025年开始在新竹县生产2纳米半导体。台积电还在寻找新厂的选址，这可能成为其在台湾地区的第三个2纳米芯片中心。台积电发言人表示2纳米芯片量产的开始日期尚未确定。
台积电8月8日发布声明，公司董事会已批准一项在德国投资半导体工厂的计划，将与博世、英飞凌和恩智浦共同成立合资公司ESMC，批准向ESMC投资不超39.9993亿欧元，台积电将持有合资公司70%股权，博世、英飞凌和恩智浦各持有10%股权。德国晶圆厂由台积电运营，总投资预计将超过100亿欧元，规划月产能为4万片12英寸晶圆，计划于2024年下半年开建，2027年底开始生产。此外，台积电董事会批准向美国亚利桑那州子公司注资不超过45亿美元。
财联社8月10日电，天津华信泰科技有限公司建设的国内首条芯片原子钟生产线日前在滨海高新区落成投产。该条生产线可达到年产3万台的生产能力。芯片原子钟属于电子信息技术中时间频率技术领域的核心基础器件，具有授时精准度高、功耗低、体积小等特点，适用于卫星导航授时、通信同步、水下探测等应用领域，具有广泛的应用空间。
3、其他：
据台媒经济日报报道，业界传出，受终端需求不振与市场竞争影响，台积电与转投资世界先进近期陆续调降8吋晶圆代工报价，最高降幅高达三成。即便8吋晶圆代工并非台积电营收主要来源，但台积电过往在价格上相对坚定，不轻易涨价也不会随便降价，如今降幅最高达三成，引发关注。
据法新社10日消息，欧盟内部市场专员蒂埃里·布雷顿在RTL电台节目中表示，欧盟将在半导体生产政策方面投资超1000亿欧元，以在该领域实现自给自足。他表示，目前在19国有超68个项目，“这些项目将使我们重新获得竞争力和战略自主权”。“欧盟芯片法案”提出，将调动430亿欧元的公共和私人投资（其中33亿欧元来自欧盟预算），目标是将欧盟在全球半导体市场的份额翻一番，从现在的10%提高到2030年的至少20%。
《科创板日报》9日讯，三星将于10月举行的2023年三星技术日上公布其系统半导体愿景。三星电子准备详细阐述其创建“Semicon人形机器人”的计划，即拥有类似人类的感官能力，包括嗅觉和味觉。三星电子系统LSI部门总裁Park Yong-in预计将发表主题演讲，概述这些人形机器人的进展和商业化战略。
财联社8月11日电，据日经新闻周五报道，日本拟将向那些提高国内半导体和电动汽车电池生产的企业提供税项减免。经济产业省将从2024年4月开始寻求修订税则，目标是加强经济安全和支持脱碳。
二、本周话题——晶圆制造（一）
半导体行业呈现垂直化分工格局。半导体产业链的上游为支撑产业，包括半导体材料、半导体制造设备、半导体检测设备等；产业链中游为制造产业，包括芯片设计、晶圆制造以及封装测试三大环节；产业链下游是各类终端应用，包括移动通信、汽车电子、物联网等。
资料来源：国泰君安证券研究
晶圆代工是半导体产业中极为重要的环节，专门负责晶圆制造，为芯片设计公司提供晶圆代工服务。半导体产业在前期只有垂直整合（IDM）一种经营模式，包括从半导体设计、制造、测试到最终销售的全部环节。随着行业分工的不断深化，台积电的设立意味着半导体设计及制造业务的分离，晶圆代工模式正式成立。同时，专门从事 IC 芯片设计的无晶圆厂模式也成立了。华虹公司的业务模式属于晶圆代工模式。
半导体产业的企业经营模式
资料来源：华虹公司招股说明书，国泰君安证券研究
工艺流程简介
晶圆代工的工艺流程由前期处理、掩模版制造、图形转移、功能实现以及检测入库五个步骤组成。晶圆的前期处理主要是为了保证后续工艺的稳定性。图形转移则通过光刻、刻蚀、去胶等将掩模版上的电路图准确地转移到硅片上。工艺中的功能实现通过离子注入、退火、扩散、薄膜沉积、化学机械研磨等实现。在检测入库前，可多次循环掩模版制造到功能实现几个步骤以满足客户需求。
1、前期处理
（1）硅片清洗：使用喷淋或沉浸的方式，先用多种化学品对半导体硅片进行清洗，再用超纯水对半导体硅片进行二次清洗去除残留的化学液。清洗工序的目的是去除半导体硅片表面的尘埃颗粒、残留有机物、表面金属离子等杂质，提高后续生长热氧化层的质量，保证后续工艺的稳定性（后续每步操作后亦有清洗工序）。
（2）热氧化：在高温氧气和惰性气体的环境下，在半导体硅片表面生成二氧化硅薄膜。
工艺流程图
资料来源：华虹公司招股说明书
2、掩模版制作：
晶圆掩膜板用于在晶圆上进行光刻过程，将芯片设计的图案转移到光敏感的光刻胶上，以便在半导体材料上制造微小的结构和电路元件。
晶圆掩膜板通常在透明基片（如石英玻璃）上涂覆了一层光刻胶，并使用光刻机进行曝光。掩膜板上的图案是通过将芯片设计的电子版图案（通常由计算机生成）转移到光刻胶上得到的。这些图案代表了在晶圆上制造电路所需的结构，如晶体管、导线、电容等。
掩模版一般制作流程如下：1、光刻胶涂覆： 掩模版的基片（通常为石英玻璃）先经过净化处理，然后在基片上涂覆一层光刻胶。光刻胶是一种光敏感的化合物，会在曝光后形成图案。2、电子束曝光或光刻曝光： 掩模版的图案需要通过电子束曝光或光刻曝光来转移到光刻胶层上。在电子束曝光中，使用电子束来直接绘制图案。在光刻曝光中，使用光源和掩膜来通过光刻机将图案投影到光刻胶上。3、显影： 曝光后的光刻胶会发生化学反应，暴露的部分变得溶解性，未暴露的部分则保持不变。通过显影过程，将未暴露的光刻胶去除，形成图案。4、腐蚀或沉积： 根据掩模版的用途，可以使用化学腐蚀或物理沉积等方法，在基片上加工出需要的图案。5、去除光刻胶： 在加工完成后，需要将剩余的光刻胶去除，通常通过化学方法进行。6、检验和质量控制： 制作完成的掩模版需要经过严格的检验和质量控制，以确保图案的精确性和准确性。7、封装和保护： 制作完成的掩模版需要进行封装和保护，以防止损坏和污染。
掩模版应用示意图
资料来源：互联网公开资料整理
3、图形转移：
图形转移是为了在不同的表面上制作精确的微细图案，主要采用光刻技术来实现。光刻（Photolithography）是半导体制造过程中的关键步骤之一，用于将芯片设计的图案转移到晶圆上，从而创建微小的电子元件和结构。光刻是一种光影映射技术，它使用光敏感的光刻胶（photoresist）来实现图案转移。以下是光刻的一般步骤：
1、基片准备： 首先，将待加工的晶圆（基片）经过清洗和处理，以确保表面干净，准备好接受光刻胶。2、光刻胶涂覆： 将光刻胶涂覆在晶圆表面，形成一层薄膜。光刻胶是一种光敏感的化合物，当暴露在紫外光下时，暴露区域的化学性质会发生变化，使得光刻胶在显影过程中可以被选择性去除。3、曝光： 使用光刻机将光刻胶上的图案转移到晶圆上。这通常通过将掩膜（掩模版）上的图案投影到光刻胶上来实现。掩膜是一个透明的板子，上面有芯片设计的图案，它决定了将要形成的结构。4、显影： 曝光后的光刻胶会在光刻机中进行化学显影。显影会将暴露区域的光刻胶去除，而未暴露区域的胶层保留下来。5、腐蚀或沉积： 暴露出的晶圆表面，通常是半导体材料（如硅），会通过腐蚀（etching）或物理气相沉积（CVD）等方法进行加工，以便形成所需的微细结构。6、去除光刻胶： 在加工完成后，需要将剩余的光刻胶去除，通常通过化学方法进行。7、清洗和质量控制： 最终的晶圆需要进行清洗和质量控制，以确保加工过程的准确性和精确性。
光刻工艺流程
资料来源：互联网公开资料整理
4、器件结构形成与功能实现
（1）离子注入、退火
离子注入是一种将离子（通常是氮、磷、硼等元素）注入到半导体材料中的过程。这些离子在高速加速器的作用下，以高能量射入晶体表面，然后在晶体内部产生掺杂。掺杂可以改变半导体材料的电子特性，例如导电性和能带结构。离子注入可用于形成杂质掺杂区域，制造晶体管的源极、漏极等区域，或者用于调整半导体材料的光学性质。
退火是一种加热材料到一定温度并保持一段时间，然后逐渐冷却的过程。退火可以用来改变材料的晶体结构、消除材料中的缺陷，以及调整材料的电子性质。在半导体制造中，退火可以用来激活离子注入后的材料，使其成为良好的导电材料。此外，退火还可以帮助减少材料中的晶格缺陷，提高晶体的质量。
资料来源：互联网公开资料整理
（2）扩散
扩散是半导体制造中一种常见的工艺，用于在半导体材料中控制杂质浓度分布，以改变材料的电子性能、形成特定区域，或者制造各种半导体器件。
在半导体制造中，有两种主要类型的扩散：零扩散（零级扩散）和有源扩散（非零级扩散）。零扩散（零级扩散）：这是指在半导体材料的表面或浅层区域进行的杂质掺杂。零扩散用于创建薄浅的掺杂层，通常用于形成PN结、形成特定区域，或者用于形成电容等元件。这些区域通常不涉及深入材料内部。有源扩散（非零级扩散）：这是指将杂质掺杂引入半导体材料的深层区域，通常用于制造晶体管的源极、漏极以及其他深层结构。有源扩散可以通过控制温度和时间来调整，从而控制掺杂的深度和浓度分布。
在扩散过程中，半导体材料通常被加热到高温，以促进杂质的迁移和扩散。在加热的过程中，杂质会从高浓度区域向低浓度区域扩散，从而改变材料的掺杂分布。这种工艺对于控制半导体器件的电子性能、电阻、电导率以及PN结的特性非常重要。
（3）化学气相沉积
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种在半导体制造和其他领域中广泛使用的工艺，用于在基片表面上沉积薄膜材料。CVD是一种气相反应，通过在高温和低压条件下，将气态前体分子分解并反应，形成固态材料在基片表面上沉积。
CVD的基本步骤包括以下几个方面：1、气相前体供应：首先，将气相前体（通常是气体或挥发性液体化合物）引入反应室中。这些前体分子是制备所需材料的成分，例如，硅源气体用于制备硅薄膜。2、热解和反应：在反应室中，气相前体分子通过加热和分解来发生化学反应。这可能涉及分子的裂解、去除挥发性成分和生成固态产物。反应的选择和控制可以通过调整温度、压力和气相前体的浓度来实现。3、沉积：反应生成的固态产物会在基片表面上沉积，形成薄膜。基片通常是半导体材料（如硅），但也可以是玻璃、金属等。沉积的薄膜可以具有各种性质，如导电、绝缘、光学等，取决于所使用的气相前体和反应条件。4、生长和控制：CVD过程中的薄膜生长速率可以通过控制反应的参数来调整，例如温度、压力、气相前体浓度和反应时间。这种控制可以实现所需的薄膜厚度和性能。
化学气相沉积原理图
资料来源：互联网公开资料整理
（4）物理气相沉积
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）涉及将固态材料从源物质中通过物理手段转移到基片表面。与化学气相沉积（CVD）不同，PVD过程中不涉及气体化学反应，而是通过物理机制来实现薄膜的沉积。
PVD涉及的主要技术包括：1、蒸发（Evaporation）：在蒸发PVD中，源材料被加热至高温，使其蒸发成气体或蒸气。这些蒸气会在真空环境中沉积在基片上，形成薄膜。蒸发PVD通常分为电子束蒸发和磁控溅射两种主要类型。2、溅射（Sputtering）：溅射是一种通过将离子轰击固态源材料来使其粒子从源中脱离并沉积在基片上的过程。这通常在真空室中进行。在溅射过程中，离子轰击源材料表面，使源材料的粒子被释放并沉积在基片上。
PVD工艺通常在真空环境中进行，以避免气体的干扰。这种工艺适用于制备各种材料薄膜，如金属、合金、氧化物、氮化物等。PVD的优点之一是可以实现较高的沉积速率，适用于制造需要较厚薄膜的应用。此外，PVD还具有良好的均匀性和控制性。
物理气相沉积原理图
资料来源：互联网公开资料整理
（5）化学机械研磨
"化学机械研磨"（Chemical Mechanical Polishing，CMP）用于平整化、抛光和清洁半导体器件的表面。它是一种同时结合化学反应和机械磨削的技术，旨在去除表面的不均匀性、粗糙度和杂质。
CMP主要用于以下几个方面：1、晶圆平坦化： 在半导体制造中，晶圆表面需要非常平坦，以便进行后续的图形转移和制造步骤。CMP可以将晶圆表面的不平坦性和粗糙度减小到所需的水平，以便于后续工艺步骤。2、多层结构制造： 在集成电路制造中，通常需要多个层次的薄膜结构。CMP可以用来平坦化不同层次之间的界面，使得后续层次能够正确附着在上一层上。3、清洁和去除杂质： CMP工艺还可以用于去除表面的污染物、氧化物和杂质。通过化学反应和机械磨削，表面的不纯物质可以被清除，从而提高器件的质量和性能。
CMP的基本原理是将基片（通常是晶圆）放置在涂有磨料的悬浮液之上，然后在机械压力的作用下，进行旋转研磨。悬浮液中含有化学物质，这些化学物质可以与材料发生反应，帮助去除表面的材料。同时，机械压力也有助于磨削过程。
5、检测入库
（1）晶圆测试：晶圆加工完成后，使用探针等检测设备对晶圆性能进行测试，验证其功能是否符合工艺平台的规格要求。
（2）包装入库：将检测合格的晶圆真空包装后入库。
行业壁垒：
1、技术壁垒
晶圆代工行业属于资本、人才及技术密集型行业，技术研发涉及多学科交叉，生产工艺流程复杂，行业具有较强的技术壁垒。对于行业新进入者而言，短期内无法突破核心技术，面临较高的技术壁垒。
2、人才壁垒
随着半导体行业技术的不断进步，对技术人才的专业性、经验要求和管理能力的要求也不断提升，已形成较高的门槛，拥有高端专业的人才是晶圆代工企业保持市场竞争的关键。晶圆代工企业需要拥有大量的多学科、多领域的专业人才，而高端人才的聘用成本较高，且集中于行业领先企业，使得行业新进入者短期内组建全面、优秀的人才团队的难度较大。
3、资金和规模壁垒
晶圆代工行业技术更新迭代快、资金投入大、研发周期长，属于资本、人才及技术密集型行业，固定资产投资的需求大、设备购置成本高。随着代工产品种类不断丰富、工艺节点不断发展，晶圆代工企业需要长期的研发投入以实现技术突破。若没有足够的资金支持，新进入者的竞争力与已经取得资金和规模优势的企业存在较大差异。
4、市场及客户壁垒
在晶圆代工领域，公司的技术创新与客户的长期协作密不可分，与下游芯片设计厂商建立长期稳定的合作关系，能够掌握行业、产品最新技术动态，及时了解和把握客户最新需求，准确地进行晶圆代工服务更新升级，确保公司产品在市场竞争中保持竞争优势，同时积累产品行业应用经验，完善产品性能，提高产品质量水平。因此，客户对其长期合作的晶圆代工企业黏性较大，对新进入者构成了市场及客户壁垒。
行业现状
2022 年，晶圆产能将继续提升。根据 IC Insights 数据，2016-2021 年，全球集成电路行业晶圆装机量逐年增长，CAGR 达 6.3%。人工智能、物联网等新下游应用领域的快速发展，带动晶圆产能需求持续提升。IC Insights 预测，晶圆装机量将由 2021 年的 24,250 万片增加至 2022 年的 26,360 万片，同比增加 8.7%。
2016-2022 年晶圆装机量（等效 8 寸晶圆）
资料来源：IC Insights
龙头公司加大资本开支，积极扩产。年度资本支出将超 1,900 亿美元。半导体公司显著增加了资本开支以扩充产能。据IC Insights 统计数据，2021 年全球半导体行业资本支出为 1,539 亿美金，同比增长 36%；2022 年全球半导体行业资本支出将达 1,904 亿美金，同比增长 24%，创历史新高。在2021 年前，半导体行业的年度资本支出从未超过 1,150 亿美元。
2008-2022F 全球半导体行业资本支出
资料来源：IC Insights，首创证券
台积电、三星、英特尔三家公司共占据行业支出总额的一半以上。台积电、三星、英特尔为扩大其在晶圆代工领域的优势，2022 年纷纷加大资本开支。台积电预计 2022年资本开支达 400-440 亿，同比增长 33.2%-46.5%，主要用于 7nm 和 5nm 先进制程扩产。三星 2022 年在芯片领域的资本支出约为 379 亿美元，同比增长 12.46%。英特尔 2022年的资本开支预计将达到 250 亿美元。
2022 年半导体行业资本开支情况
资料来源：IC Insights，公司官网，首创证券
中国大陆晶圆代工行业快速发展，市场规模将不断扩大。近几年，随着中国芯片设计产业的快速成长，政府对集成电路技术的不断投资，以及国家政策的大力支持，国内半导体设计公司对晶圆代工服务的需求日益旺盛，中国大陆晶圆代工行业的市场规模不断扩大。根据 ICInsights 披露，2016 年至 2021 年国内代工市场规模从 46 亿美元提升至 94 亿美元，近五年 CAGR 为 15.12%，市场份额稳步提升至 8.5%。但是受到美国出口条例管制，该增速即将放缓。2026 年市场份额预计将提升至 8.8%。
中国大陆代工行业市场规模
资料来源：ICInsights，国泰君安证券研究
竞争格局：
全球代工市场集中度高。2021 年，全球前十大晶圆代工厂共实现营业收入 1,029亿美元。全球代工市场集中度高，排名前十的晶圆代工厂共占据全球晶圆代工市场 93.4%的市场份额。台积电一家独大。2021 年，台积电营业收入为 568 亿美元，占据全球市场 51.6%的市场份额。
中国大陆地区三家厂商进入全球前十大晶圆代工厂。2021 年，进入全球前十大晶圆代工厂的中国大陆地区厂商共有三家，分别为中芯国际、华虹半导体、晶合集成，市场份额分别为 4.9%、1.5%、0.8%。
资料来源：各公司官网，首创证券
大陆相关企业
中芯国际：
中国大陆规模最大、技术最先进的集成电路制造企业。公司地位：中国第一、全球第五大晶圆代工厂商，全球市场占有率约 5%。公司是世界领先的集成电路制造企业之一，是中国大陆技术最先进、规模最大的集成电路制造企业。公司面向全球客户提供跨 0.35μm 至 14nm 的制程技术，工艺涵盖逻辑芯片，混合信号/射频，高压芯片，闪存，EEPROM，影像传感器，电源管理，MEMS 等。公司是国内首家提供 28nm PolySiON 和 HKMG 先进制程的晶圆代工企业，28nm HKC+已于 2018年下半年正式量产，14nm FinFET 于 2019 年第三季度实现量产。晶圆代工为主业，12 英寸与 8 英寸晶圆收入比例为 2:1，同时拥有中国大陆最大及最先进的内部光罩厂。2022Q1，公司营业收入约 92.5%收入来自晶圆代工，7.5%来自光掩模制造及其他。公司 2021Q4 晶圆收入按照技术节点划分，最大为0.15/0.18μm（28.6%），其次依次为 55/65nm（26.8%）、28nm 及 FinFET（18.6%）、40/45nm（15.3%）、0.11/0.13μm（5.3%）、0.25/0.35μm（2.9%）、90nm（2.5%），覆盖了先进逻辑技术、成熟逻辑技术和特殊工艺，其中 FinFET 技术代表了中国大陆自主研发集成电路的最先进水平。
华虹公司：
华虹半导体（后续简称为“华虹公司”）是中国大陆领先的特色工艺晶圆代工企业，特色工艺覆盖最为全面，专注于非易失性存储器、功率器件、模拟及电源管理和逻辑及射频等差异化工艺平台，同时公司还提供相关配套服务，包括 IP 设计、测试、晶圆后道加工等。公司经过 20 多年的发展，晶圆产能持续扩张，工艺持续迭代、产品结构持续优化，为客户带来成本和性能优势。公司持续进行产能优化和扩张，主要体现为 8 英寸厂的优化升级，12英寸厂华虹无锡的扩产以及 12 英寸厂华虹制造的新增产线。8 英寸厂的优化升级主要为满足各大特色工艺平台的技术升级需求；12 英寸厂华虹无锡主要新增月产能 2.95 万片，预计 23 年投产；12 英寸厂华虹制造总投资 67 亿美元，新增产线的月产能达产后为 8.3 万片，预计 25 年投产。公司产品多元化，抗风险能力强，产能利用率持续维持高位。2020-2022年产能分别为248.52/326.04/386.27 万片，产能利用率别为92.70%/107.50%/107.40%。
晶合集成：
合肥晶合集成电路股份有限公司（简称“晶合集成”）成立于 2015 年 5 月，由合肥市建设投资控股（集团）有限公司与台湾力晶科技股份有限公司合资建设，是安徽省首家 12 英寸晶圆代工企业。专注晶圆代工业务，12 英寸晶圆代工产能国内领先。晶合集成主要从事 12 英寸晶圆代工业务，搭建了 150nm、110nm、90nm、55nm 等制程的研发平台，其中除 55nm制程外均已实现量产，55nm 制程节点正在进行风险量产。公司研发平台涵盖了 DDIC、CIS、MCU、PMIC、E-Tag、Mini LED 以及其他逻辑芯片等领域，主要产品为面板显示驱动芯片，被广泛应用于液晶面板领域，包括电视、显示屏、笔记本电脑、 平板电脑、手机、智能穿戴设备等产品中。截至 2022 年，公司 12 英寸晶圆代工产能为 126.21 万片，年营收突破 100 亿元，在液晶面板驱动芯片代工领域市占率全球第一，成为中国大陆第三大12 英寸晶圆代工企业。
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参考资料：
五矿证券：晶圆厂迎扩产潮，大国利剑国产替代前景可期
首创证券：晶圆代工争上游，国产硅片显身手
国泰君安证券：华虹公司：特色工艺晶圆代工龙头，五大平台齐头并进
中信证券：中芯国际：中国大陆晶圆代工龙头，受益国产替代
浙商证券：晶合集成：晶圆代工领军企业，品类扩展助力长期高增长
华虹公司招股说明书
