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转载—行业专题 |半导体刻蚀设备:多频共振驱动刻蚀市。娲蠢纯善冢ǘ)

2022-04-01 by Super User

二、市场+技术双轮驱动,刻蚀设备迎来市场机遇?

1、市场端:终端应用需求上行,刻蚀设备市场快速发展

半导体设备市场规模上行,预计2022年将超过1100亿美元。作为半导体产业链的基石,半导体设备支撑着全球上万亿的电子软硬件大生态,具有举足轻重的地位。根据SEMI的年终半导体设备总量预测,预计2021年原始设备制造商总销售额将达到1030亿美元,比2020年的市场规模猛增44.7%。在存储器需求回升、先进制程投资及中国大陆积极推动半导体投资的背景下,SEMI预计全球半导体设备市场将持续保持增长,到2022年全球半导体设备市场将扩大到1140亿美元。

全球半导体刻蚀设备市场快速发展,2025年有望达到155亿美元。2013年,全球刻蚀设备市场规模约为40亿美元,随着闪存技术突破,存储市场拉动刻蚀设备需求明显增大,至2019年市场规模突破百亿美元,达到115亿美元。SEMI预测2025年全球刻蚀设备市场空间达到155亿美元,年复合增速约为12%,市场空间增量主要来自于存储制造对刻蚀设备的需求激增。

我们认为,随着5G、大数据、物联网、人工智能等新兴产业的发展,半导体器件的需求将持续攀升。半导体设备作为推升半导体器件制造的基石,有望迎来新一轮发展机遇;而作为半导体设备的重要组成部分,刻蚀设备的需求也将水涨船高。

国内5G建设速度全球领先,5G机型出货量呈持续上升趋势。据工信部数据显示,2020年新建5G基站数达到58万,5G终端连接数已经超过2亿,已实现所有城市的5G覆盖,在全球居于绝对领先地位。据前瞻产业研究院测算,2021-2023年期间三大运营商逐年建设量约为80万个、110万个、85万个。与5G基建速度相对应,5G手机出货量也迅速攀升,中国信通院数据显示,中国信通院数据显示,2021年1-11月,国内市场手机总体出货量累计3.17亿部,同比增长12.8%,其中,5G手机出货量2.39亿部,同比增长65.3%,占同期手机出货量的73.3%。目前国内手机市场主要以5G智能手机为主,随着未来5G基础设施的进一步发展,5G智能手机占比还有望持续攀升。

5G的高速数据传输、低延时和大网络容量等特性正促使5G芯片需求上升。华为麒麟9000、骁龙888 和苹果的A14芯片都率先采取了5nm工艺制程,相比7nm工艺节点,5nm工艺可以使产品性能提高15%,晶体管密度最多提高1.8倍,性能提升的同时工艺复杂度也大幅增加。5nm工艺手机基带芯片已经在小米、华为、iPhone等系列手机中得到应用,未来随着技术成熟和新应用的出现,5nm甚至更先进的工艺芯片有望在手机终端实现普及,先进制程的需求将继续维持高景气度。

存储芯片在国内集成电路产业份额最大,大数据等新兴领域成为其市场增量。存储芯片一直都是国内集成电路市场中份额最大的产品类别,特别是在2018年存储芯片价格上涨的影响下,存储芯片市场占比进一步提升,2018年国内市场销售额达5,775亿元,同比增长34%,2016年至2018 年国内存储芯片市场销售额的年均复合增长率达40%。2019年因前期存储芯片厂商扩产导致存储芯片供给增加,同时下游需求增长有所放缓,导致市场规模有所收缩。未来随着物联网、大数据等新兴领域的快速发展,以及相关国家战略的陆续实施,存储芯片仍具有巨大的市场需求和发展空间。

DRAM和NAND Flash占据半导体存储器的九成份额,闪存市场有望迎来更多需求增量。2020年全球DRAM全球市场规模约 695 亿美元,NAND Flash 全球市场规模约421亿美元,NOR Flash、EEPROM及其他半导体存储器市场规模约76亿美元。IC Insights预测2021年存储芯片市场中,DRAM在营收中占比56%,闪存芯片占比43%,ROM芯片仅占1%。NAND Flash方面,全球的需求开始回升,市场整体呈现供不应求的局面;DRAM方面,随着物联网的普及、5G基站建设、汽车智能化的不断推进,DRAM产品将有望迎来更多增量需求。DRAM和NAND存储器占据90%存储器份额,采用存储单元堆叠式布局,需要更多通孔和导线等的刻蚀。

新兴终端应用驱动人工智能芯片市场规模持续增长。随着人工智能技术的日臻成熟,数字化基础设施不断完善,消费机器人、智能驾驶、智能家居等终端应用加速落地,推动人工智能芯片市场规模不断攀升。根据WSTS数据显示,2019年全球AI芯片市场规模为110亿美元,预计2025年全球人工智能芯片市场规模将达726亿美元。国内人工智能芯片行业处在起步阶段,自主创新能力和市场规模逐步提高。根据前瞻产业研究院预测,2023年预计国内人工智能芯片市场规模达到1339亿元,2019-2023年CAGR为84%,发展十分迅速。

2、技术端:先进制程拉动刻蚀用量,复杂结构打开设备市场

逻辑芯片不断突破,先进工艺刻蚀次数也不断提升。晶圆代工行业呈现越来越高的资金和技术壁垒,如今晶圆厂一条28nm的4万/月的生产线需要40-50亿美元资本开支,研发新一代制程节点可能需要数十亿美元,如此庞大的投入构筑起了高资金和技术壁垒。而随着“摩尔定律”放缓, 从7纳米到5纳米乃至3纳米,每一个制程节点都举步维艰,拥有高端制程能力的公司屈指可数,而对于不同节点的产品研发也需要海量的资金投入。而随着先进制程工艺不断演进,所需要的刻蚀次数也逐渐增多,从65nm制程的20次增加至5nm制程的160次,复杂度提升了8倍,显著提升了半导体刻蚀设备的数量和质量。

逻辑电路制程不断微缩,FinFET成为当前主流工艺。逻辑电路工艺不断的向着微型化发展,基于传统平面MOSFET结构的晶胞单元不断的缩。、源的间距也不断的减。ぜ目刂屏筒欢系募跞,导致器件的性能恶化,同时增加了静态的功耗。当半导体工艺向更高技术节点挺进时,平面结构制程工艺逐渐达到极限难以突破,3D结构的FinFET工艺逐渐成为主流。与平面晶体管相比,FinFET器件改进了对沟道的控制,从而减小了短沟道效应,同时能够更好地对沟道进行静电控制。然而,当工艺制程来到3nm之后,鳍片(Fin)宽度达到5nm(等于3nm节点)时,FinFET将接近实际极限,再向下就会遇到瓶颈。此时全环栅晶体管GAA有望延续半导体技术经典“摩尔定律”的新兴技术路线,进一步增强栅极控制能力,克服当前技术的物理缩放比例和性能限制。

先进工艺结构增加刻蚀难度与刻蚀步骤,对刻蚀设备提出了更高的要求。半导体逻辑电路的不断微缩,包括技术本身进化的需求,刻蚀工艺在不断迭代,像Multiple Patterning技术、基于金属硬掩模的双大马士革工艺等等,都提高了刻蚀的难度,相应刻蚀机制造的难度也随之增加。同时先进制程增加了刻蚀的步骤,多次刻蚀要求每一个步骤的精确度足够高,才能保证整体生产的良率。

存储工艺革新带动刻蚀需求提升。NAND Flash技术不断成熟和进步,现已经迈入3D NAND时代,3D NAND采用将存储单元立体堆叠的方式,使得储存能力提升明显,而其技术复杂程度较2D有显著提升。3D NAND需要先经过干法和湿法刻蚀形成柱形通孔和3D NAND单元,由内层依次形成沉积氧化层-氮化层-氧化层结构后形成浮栅层,然后刻蚀多余的FG使之能够实现完全隔离,最后通过多步沉积形成3D NAND Flash。3D NAND形成过程中需要用到多步刻蚀,并且要保证刻蚀的各向异性和尽量小的偏差,对于刻蚀设备和相应技术都有着极高的要求。

高深宽比通道刻蚀与选择性刻蚀等步骤使3D NAND刻蚀难度全面升级。在96层3D NAND中纵横比高达70:1,每块晶圆中有一万亿个微小孔通道,孔道随着叠加层数而增多,故保证孔道的均匀性和平整性才能保证器件的性能。其中,克服不完全刻蚀、弓形刻蚀、扭曲以及堆叠顶部和底 部之间的CD差异成为刻蚀3D NAND工艺中面临的巨大挑战。此外,选择性刻蚀是3D NAND刻蚀工艺中的关键步骤,刻蚀的均一性直接影响后续栅极电介质的沉积质量,但随着堆叠层数增加,畸形氧化沉积层变厚,严重时会直接导致氧化层塌陷,影响芯片性能。因此,3D NAND更高堆叠层数的突破将带来刻蚀难度的极大提升,器件性能的突破也往往伴随着刻蚀工艺的长足进步。

DRAM微缩工艺拉动刻蚀设备需求。DRAM制程工艺进入20nm以后,由于制造难度越来越高,内存芯片制造厂商对工艺的定义已经不是具体的线宽,而是分成了1x、1y、1z,大体来讲,1x-nm制程相当于16~19nm、1y-nm相当于14~16nm,而1z-nm 则相当于12~14nm。如今传统的DRAM面临越来越严峻的微缩挑战,随着半导体制造技术持续朝更小的技术节点迈进,DRAM电路图形密度增大,多重图案化重复次数增加,极大地增加了刻蚀工艺的设备需求。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?本文转载自“英迪那米(徐州)半导体科技有限公司”微信公众号

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