东兴证券-电子行业半导体技术前瞻专题系列之一：AI半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议-240108

　　投资摘要：

　　半导体行业现状：晶圆厂建设成本加大，AI相关开支明显提升。http://www.hibor.com.cn【慧博投研资讯】在人工智能和汽车电动化的产业趋势下，半导体增长逻辑在强化，2030年半导体市场规模有望突破1万亿美元。http://www.hibor.com.cn（慧博投研资讯）随着工艺节点的突破，半导体研发投入和晶圆厂建设成本大幅提升，5nm晶圆厂建设成本高达54亿美元。晶体管微缩、3D堆叠等促进了CMOS先进工艺方面的投资，2024-2027年半导体制造设备市场有望保持持续增长。预计半导体公司AI/ML相关EBIT快速增长，中长期有望增加至每年850-950亿美元。AI对于半导体制造产生的贡献最大，约为380亿美元，但芯片研发和设计成本有望降低。未来越来越多的数据中心使用高性能服务器，预计2027年AI半导体销售额快速增长。

　　随着AI半导体晶体管数量增加，通过引入MPU、增大芯片面积，算力大幅提升，接下来我们对于AI半导体的新结构、新工艺和新材料等产业趋势进行前瞻性分析。

　　（一）新结构：晶体管微缩、存储器件堆叠，电容使用MIMCAP结构。AI半导体器件的新结构将加速由FinFET向GAA转变。GAAFET的器件结构中，沟道外延层、源极/漏极外延层出现多层结构，此外高性能/高带宽的DRAM使用High-k材料和金属材料，而这些材料和工艺都需要更多的ALD和PVD外延工艺。另外，随着生成式AI的发展，大容量数据高速运转，DRAM芯片使用HBM结构来降低互联的延迟。随着AI半导体的发展，未来将更多采用3D堆叠和低温/复杂器件结构。AI半导体增加了MIMCAP结构（Hf基ALD介质层），其中MIM为单元电容器。

　　（二）新工艺：FEOL采用HKMG工艺，部分BEOL采用背面供电工艺。逻辑器件制造可分为前道（FEOL）、中道（MOL）和后道（BEOL）工艺。SiON/Poly栅极集成解决方案存在一定局限性，随着SiON厚度不断减小，导致了更多功率损耗，使得HKMG集成解决方案应运而生。HKMG可以降低晶体管栅氧化层厚度，通过提高晶体管速度和Vdd微缩来降低功耗。背面供电工艺将电源线移动到芯片“背面”的方法，使得芯片“正面”专注于互连，英特尔背面供电方案IR降低了30%，每个核心的性能提高6%。

　　（三）新材料：硅材料、Hf、钼金属和high-k材料用量增加，封装基板使用量明显增大。为了获得更高的性能，小芯片使用量将增多，相应硅材料的使用量也会相应增大，随着芯片高密度互联的要求，硅面积或将增加一倍多。高性能/高带宽的DRAM需要采用High-k材料和金属材料，这些材料和工艺都需要更多的单片ALD和外延工艺。DRAM线宽越细，High-k材料用的越多。从材料端来看，后段制造工艺中钼金属替代CVD工艺中的钨以及PVD工艺中的铜金属，3DNAND中会更多地使用钼金属，而中段工艺将使用钼金属作为Via填充材料。

　　投资建议：随着AI的发展，AI半导体具有新结构、新工艺和新材料，我们建议积极关注以下几个方面的创新性变革：

　　（1）随着堆叠工艺增多，ALD设备需求量增多，受益标的：微导纳米；

　　（2）未来采用HKMG工艺，High-k材料需求量增大，前驱体使用量或将提升，受益标的：雅克科技；随着芯片高密度互联，硅片用量有所增加，推荐沪硅产业，受益标的：TCL中环、神工股份、立昂微。

　　（3）3D封装过程中会使用更多的封装基板，受益标的：兴森科技、深南电路。

　　风险提示：下游需求不及预期、技术迭代风险、客户拓展不及预期、中美贸易摩擦加剧。