半导体材料系列报告之一: 国际形式严峻,国产半导体材料行业如何发展 证券研究报告|专题报告2025/6/26 电子行业 投资评级 看好 五矿证券研究所 分析师:金凯笛 登记编码:S0950524080002 联系方式:jinkaidi@wkzq.com.cn 联系电话:021-61102509 分析师:何晓敏 登记编码:S0950523110001 联系方式:hexiaomin@wkzq.com.cn 联系电话:021-61102521 Contents目录 01 半导体技术发展趋势 国际形势与国家政策 03 02 04 地缘政治下半导体如何发展?总结 珍惜有限创造无限 摘要 半导体技术发展趋势:新材料和新架构的不断更替给半导体材料市场创造新机遇。 逻辑器件:当摩尔定律迈向极限,总会有新的材料和架构出现。随着制程的不断微缩,晶体管中栅极、介质层等尺寸变小,使得栅的控制能力不断下降,28nm节点,氧化铪、氧化锆等HighK介质和TiN等金属栅增强了栅控制力;当制程进一步微缩,FinFET架构应运而生。当前材料上,介电材料与互联金属不断优化,研发2D材料优化器件性能,使用钴等金属来增强互联效率;架构上,台积电开始采用GAAFET量产,持续提升能效比与集成密度。 DRAM:当前内存厂商开始采用铪、锆等HighK材料,来增强电荷控制能力;此外,研发铁电材料,开辟3D架构,突破容量瓶颈。 NAND:对于未来3DNAND的扩展,字线(WL)堆叠以及内存单元的特征尺寸缩小将继续成为关键驱动因素。在没有产生颠覆性技术以前,更高的层数是 NAND增加内存单元的主要路径。此外,在WL部分,使用Mo代替W,可能会给Mo相关产品带来更多市场空间。 先进封装:摩尔定律迈向极限,人工智能浪潮带来更多算力需求,先进封装需求激增,驱动IC载板、塑封料、底填胶等材料市场扩容。 第三代半导体:新能源车、5G基站等场景催生百亿级增量市场,碳化硅(SiC)/氮化镓(GaN)引领功率与射频半导体革新。 目前国际形势及国家政策下半导体如何发展? 光刻胶、碳化硅、氮化镓、氧化镓等半导体材料被列入“商业管制清单”,然而我国国内部分关键半导体材料国产化率仍然较低,市场格局分散。国家通过政 策、基金等方式,坚定支持我国实现半导体产业链的自主可控。 伴随半导体技术发展,新能源、AI等市场需要,国产化率较低的高端光刻胶、掩膜版、先进封装材料、前驱体、三/四代半导体在半导体产业链自主可控中扮 演的角色越来越重要,市场空间可观,兼具战略及商业价值。 3 半导体技术发展趋势 1.1半导体产业在全球经济中发挥关键作用,计算和存储、汽车、无线通信是主要增量 半导体产品应用包含手机/PC等消费电子,以及国防航空、人工智能、具身智能等前沿技术领域。 根据麦肯锡报告,2030年,全球半导体市场规模将达到万亿美元。2025-2030年,市场增量主要来源为计算和存储中心建设、无线通信和汽车电子等领域。 图表1:全球半导体产业链的倒金字塔结构图表2:全球半导体市场规模周期性波动上升(亿美元) 2021-2030 年产值 10000 CAGR7% 娱乐、软件、网络、电商、传媒、大数据等数字经济产业 几十万亿美元 8000 电子系统 万亿美元 6000 设备(10%)、制造 (18%)、设计(top10 49%) 千亿美元 4000 材料(1%) 封装(5%) 500亿美元+ 2000 EDA 13% 190亿美元+ *括号内百分数表示2024年YoY 0 1990年1995年2000年2005年2010年2015年2020年2025E2030E 资料来源:ESDAlliance,SEMI,Yole,TrendForce,Wind,弗若斯特沙利文,江苏半导体行业协会,五矿证券研究所 资料来源:麦肯锡,WSTS,同花顺,五矿证券研究所 5 1.2全球半导体市场受经济周期和技术周期双重影响,呈波动上升趋势 全球半导体市场规模随生产资料、需求周期波动。 图表3:全球GDP与半导体销售额共振 1987-2024年,全球GDP与半导体销售额的增长共振动。 每次半导体的技术进步,也会带动全球的制造业增长。 过去三十多年,全球半导体市场受PC、互联网、智能手机、新能源汽车等 多轮终端应用技术的驱动。 50% 40% 30% 20% 10% 0% 全球半导体销售额同比(左轴)全球GDP同比(右轴) 20% 15% 10% 5% 本轮半导体周期的核心是人工智能,AI应用场景的落地是关键,比如:智 能终端、自动驾驶、人形机器人、AI手机/电脑/物联网等。 图表4:半导体技术革新带动制造业增长 -10%19871992199720022007201220172022 -20% -30% -40% 资料来源:WSTS,Wind,五矿证券研究所 0% -5% -10% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% -20% -40% -60% -80% 全球半导体销售额同比(左轴)费城半导体指数同比(左轴)美国制造业PMI(右轴)美国服务业PMI(右轴) 70 5G 65 4G 60 55 50 45 40 35 2001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022202320242025 6 资料来源:WSTS,Wind,Yole,五矿证券研究所 1.3半导体器件主要分为四类:集成电路、分立器件、传感器和光电器件 集成电路(IC):晶体管数量远大于其他三类,衬底材料一般是硅,市场规模占比约85%。 O-S-D:光电器件(光传感器、图像传感器、激光发射器等);传感器(压力传感器、温度传感器、磁场传感器等);分立器件(二极管、 MOSFET、IGBT等)。O-S-D衬底材料多样,例如功率器件中,衬底还包括碳化硅、氮化镓等第三代化合物半导体材料。 图表5:全球半导体器件销售额中,集成电路占比约85%图表6:化合物半导体的应用与展望 半导体 光电器件 CAGR~5.4% 传感器 CAGR~5.1% 分立器件 CAGR~5.9% 集成电路 CAGR~7.1% 小信号 功率器件 模拟IC CAGR~4.9% 数字IC 二/三极管 MOSFET 功率/射频 IC IGBT ADC/DAC 电源管理 逻辑 CAGR~7.1% 存储 全球半导体市场规模(亿$) 8,000 ~85% 2,438 2,087 1,786 1,894 1,671 923763 837 793 812 832 794 197 187 200 432 421 437 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 逻辑存储MCU 模拟传感 器光电 分立 CAGR~7.5%CAGR~8.0% 微控制器 0355315334 *CAGR为2024-2030E市场规模的年复合增速 20232024E2025E 资料来源:芯语,WSTS,五矿证券研究所 资料来源:Yole,五矿证券研究所 7 1.4自1965年提出以来,摩尔定律(Moore’sLaw)一直是集成电路领域的指导性概念 摩尔定律定义了计算创新的节奏和成本之间的关系:集成电路上的晶体管数量大约每经过18-24个月便会增加一倍,同时成本降低一半。 集成电路制程已达从摩尔定律的时间线可以看出三个不同的阶段:1)晶体管密度受登纳德缩放定律控制(约1965年~2005年),即随着晶体管尺寸做小,功率密度保持不变,电压和电流按照比例减小,但是由于漏电流的问题失效;2)半导体芯片水平扩展(2005~2020年),转向多核架构,但功耗和散热成为限制因素;3)半导体芯片的垂直微缩,通过材料、架构和封装方式的进步来延续摩尔定律(2020年至今)。 微处理器晶体管密度、性能和架构的历史趋势与展望 异构集成时期 EUV 2D 材料 2025 多核时期 Dennard定律时期 图表7:半导体工艺节点演变路径 资料来源:Entegris,JOHNT.C.LEE,MKS《AIRequiresMorefromMoore’sLaw》,五矿证券研究所 8 1.5为了延续摩尔定律,新材料和新架构的不断更替 随着制程的不断微缩,晶体管中栅极、介质层尺寸缩小,栅的控制能力不断下降。为了保持栅控制能力(即栅电容Cgate),若不改变栅介质层材料(SiO2)的,即需要减少介质层的厚度,但这但来了栅极漏电等问题——当栅极介质层厚度降低到1.2nm以下后,电子隧穿引起的栅极漏电流过高,严重影响集成电路的可靠性和功耗(如图表9所示)。 为了解决这个问题,研究者不得不进行了材料的革新。 图表10:HighK材料能够在等效栅氧化层厚度下,得到更大物理厚度 图表8:栅极电容公式图表9:栅介质层厚度1.2nm以下,漏电严重 资料来源:JohnRobertsonetc.《High-KmaterialsandmetalgatesforCMOSapplications》,五矿证券研究所 资料来源:IRDS,五矿证券研究所 资料来源:JohnRobertsonetc.《High-KmaterialsandmetalgatesforCMOSapplications》,KazuyaOkamoto《ImportanceofAdvancedMetrologyinSemiconductorIndustryandValue-added 9 CreationUsingAI/ML》,五矿证券研究所 1.5.1逻辑电路栅极新材料:HKMG→2DM 图表11:High-K选择的关键要素:铪、锆、镧氧化物具有优越性 材料参数K禁带宽度(eV)导带偏移度(eV)不与硅反应 参数要求>12>5eV >1eV 生成氧化物 HighK:具有高介电常数的材料(相对于SiO2的K值3.9而言)。在 相同等效栅氧化层厚度(EOT)下,得到更大的物理厚度,从而改善栅极漏电等问题。 MetalGate金属栅:当由HighK材料作为栅介质层以后,原本 的多晶硅栅载流子密度低,产生多晶硅耗尽效应。此外,多晶硅栅极和HighK存在费米能级钉扎问题。未来解决这个问题,使用金属栅替代了原本的多晶硅。 2DM:在AI大数据时代,晶体管尺寸需要被进一步微缩,2D材料 (例如MoS2)在单层状态下也能够实现有效的栅极控制。 Si1.1 SiO2 3.9 9 3.2 Si3N4 7 5.3 2.4 AI2O3(ALD) 8 6.4 1.6 Y2O3 15 6 2.3 Ta2O5 22 4.4 0.35 × ZrO2 25 5.8 1.5 比Hf略强 HfO2 25 5.8 1.4 La2O3 30 6 2.3 具有吸湿性 a-LaAlO3 30 5.6 1.8 LaLuO3 32 5.2 2.1 TiO2 80 3.5 0 × SrTiO3 2000 3.2 0 × 资料来源:JohnRobertsonetc.《High-KmaterialsandmetalgatesforCMOSapplications》, 五矿证券研究所 图表12:相同Cgate,介质层厚度可增加图表13:部分材料的介电常数图表14:GAAFET中2D材料的运用 资料来源:SK海力士,五矿证券研究所资料来源:JohnRobertsonetc.《High-Kmaterialsandmetal gatesforCMOSapplications》,五矿证券研究所 资料来源:TSMC,semianalysis,五矿证券研究所10 1.5.1逻辑电路的下一代互联技术 接触窗层主要技术路线:由MOCVD法,将WF6作为Mo源沉积钨,但WF6会和S