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

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电子行业：AI 半导体的新结构、新工艺、

新材料与投资建议

——半导体技术前瞻专题系列之一

2024 年1月8日

看好/维持

电子

行业报告

分析师

刘航电话：021-25102913 邮箱：liuhang-yjs@dxzq.net.cn

执业证书编号：S1480522060001

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。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。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，

3D NAND 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。

东兴证券深度报告

电子行业：AI 半导体的新结构、新工艺、新材料与投资建议

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1. 半导体行业现状：晶圆厂建设成本加大，AI 开支明显提升 ................................................................................................. 3

2. AI 半导体：新结构、新材料和新工艺 .................................................................................................................................. 6

2.1 新结构：晶体管微缩、存储器件堆叠，使用 MIMCAP 结构 ....................................................................................... 7

2.2 新工艺：FEOL 采用 HKMG 工艺，BEOL 采用背面供电工艺................................................................................... 10

2.3 新材料：硅材料、Hf、钼金属和 High-k 材料用量增加，封装基板使用量增大 ......................................................... 12

3. 投资建议 ........................................................................................................................................................................... 13

4. 风险提示 ........................................................................................................................................................................... 14

相关报告汇总 ......................................................................................................................................................................... 15

插图目录

图1： 2030 年半导体市场有望突破 1万亿美元 ...................................................................................................................... 3

图2：先进工艺晶圆厂建设成本较高，5nm 晶圆厂建设成本约为 54 亿美元 ......................................................................... 3

图3： 2024-2027 年半导体制造设备市场有望持续增长 ......................................................................................................... 4

图4：预计 4年后，人工智能对于半导体产生的 EBIT 增加至 850-950 亿美元，约占半导体销售额的 20% ......................... 4

图5： AI 对于半导体制造的 EBIT 影响最大，约为 380 亿美元 .............................................................................................. 5

图6：下游工业、消费电子和计算领域对应的 AI 半导体销售额快速增长 .............................................................................. 5

图7：在数据中心侧和边缘侧，不同类型芯片的占比不同...................................................................................................... 6

图8：未来 AI 芯片晶体管数量增加，并通过引入 MPU、增大芯片面积来提升算力优先级 ................................................... 6

图9：器件结构由 FinFET 到GAA，再到 CFET ................................................................................................................... 7

图10： GAAFET 工艺将会使用更多 ALD 和外延工艺 ........................................................................................................... 7

图11：单硅片 ALD 设备 2020-2025 年CAGR 为16-20% .................................................................................................... 8

图12：外延设备 2020-2025 年CAGR 为13-18% ................................................................................................................. 8

图13： DRAM 从平面结构转换为 HBM 结构 ......................................................................................................................... 8

图14：通过将外接电路和存储阵列键合在一起，3D NAND 的性能明显提升 ........................................................................ 8

图15：随着 AI 半导体的发展，采用 3D 堆叠和低温/复杂器件结构 ....................................................................................... 9

图16： AI 半导体采用 MIMCAP 来增加存储 .......................................................................................................................... 9

图17：逻辑器件制造可分为前道（FEOL）、中道(MOL)和后道（BEOL）工艺 .................................................................. 10

图18：当电压降低时，需要降低厚度来提升性能，HKMG 可以用于持续微缩 .................................................................... 10

图19： HKMG 可以实现晶体管栅氧化层厚度减少，并通过提高晶体管速度和 Vdd 微缩来实现功率降低 ............................11

图20：英特尔采用背面供电技术路径，形成了“三明治”结构 ...........................................................................................11

图21： MOS 管High-k 材料用量有所增多 .......................................................................................................................... 12

图22：随着芯片高密度互联，硅材料用量有所增加 ............................................................................................................ 12

图23： 3D NAND 中使用 Mo ............................................................................................................................................... 13

图24： MOL 将使用 Mo 作为 Via 填充材料 ......................................................................................................................... 13

图25： FC-BGA 搭载更多芯片，通过载板进行连接和传输 ................................................................................................. 13

图26：在3D 封装过程中会使用更多的封装基板 ................................................................................................................. 13

东兴证券深度报告

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1. 半导体行业现状：晶圆厂建设成本加大，AI 开支明显提升

在人工智能和汽车电动化、智能化的产业趋势下，半导体增长的逻辑仍在强化，2030 年半导体市场规模有

望突破 1万亿美元。

图1：2030 年半导体市场有望突破 1万亿美元

资料来源：

ASM

公司公告、

TechInsights

、东兴证券研究所

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，预计 5nm 晶圆厂建设成本高达 54 亿美

元。半导体公司由于资本开支巨大，形成了较强的技术壁垒和资金壁垒，它们通过不断地缩短产品的生命周

期，并不断地通过技术创新来保持产品竞争力。随着工艺节点的突破，半导体设计和研发投入对应的资本开

支大幅提升，例如 65nm 工艺研发设计成本约为 2800 万美元，而 5nm 工艺相关的设计和研发成本为 5.4 亿

美元；与此同时，65nm 到5nm 晶圆厂建设成本也从 4亿美元提升至 54 亿美元。.

图2：先进工艺晶圆厂建设成本较高，5nm 晶圆厂建设成本约为 54 亿美元

资料来源：

McKinsey

官网、

IBS

、东兴证券研究所

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标签： #导体

摘要：

本文作为半导体技术前瞻专题系列的开篇，深入剖析了AI驱动下半导体行业在结构、工艺与材料三大维度的革命性变革。文章系统梳理了新型晶体管架构（如GAA、3D堆叠）、先进封装工艺（如Chiplet、异构集成）以及关键新材料（如宽禁带半导体、高K介质）的最新技术突破，并基于行业现状与未来趋势，提出针对性的投资建议，旨在帮助读者精准把握AI时代半导体产业链的核心成长逻辑与价值洼地。

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