シリコンウェーハから見る半導体市場と技術

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シリコンウェーハから見る半導体市場と技術

Semiconductor Market & Technology Outlook from the Viewpoint of Silicon Wafer

2020年6月18日

株式会社ＳＵＭＣＯ

小森隆行

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ご注意

2 当資料は、以下の注意事項をご理解のうえ、ご利用ください。 • 記載されている会社名、製品名は各社の登録商標または商標です。なお資料中では、TM 、(R)マーク等は明記しておりません。 • 各社・各団体の資料・データ・図表を引用または参考にしていますが、特定の企業・団体の見解を示したものではありません。 • 予測・予想・見込みについては、現時点で利用可能な情報および一定の前提・仮定に基づくものであり、様々な要因により大きく変化します。また、正確性や完全性、客観性が保証されるものではありません。 • 内容については、発行後、事前連絡なしに修正・変更されます。 • 無断で複製、配布することはご遠慮ください。

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内容

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1. 半導体とシリコンウェーハ

2. 半導体トレンドと Covid-19の影響

3. まとめ

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0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 19 80 19 81 19 82 19 83 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 20 08 20 09 20 10 20 11 20 12 20 13 20 14 20 15 20 16 20 17 20 18 M SqIn B US$

Semiconductor Shipment (US$ bn) Si Wafer Shipment (M SqIn)

半導体とシリコンウェーハの歩み

5 「会社に1台」「部課に1台」「家庭に1台」「1人に1台」「どこでも」

36x

29x

1 1 ■ 半導体出荷金額とシリコンウェーハ出荷面積の推移 Source: 製品写真は各社。グラフはSEMI、SIA、WSTSおよびSUMCOをもとに報告者作成（Apr 2019）機器の電子化・デジタル化、コンピューターの性能向上とパーソナル化・モバイル化などにより、半導体市場とシリコンウェーハ需要は成長し続けてきた。

SEMI Japan Members Day | 2020.6.18

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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 2,500 5,000 7,500 10,000 12,500 15,000 S em ic onduc to r ( B U S $)

Silicon Wafer (M SqIn)

半導体の価値は、消費するウェーハ面積に比例

6 半導体出荷金額とシリコンウェーハ出荷面積には強い相関がある。シリコンウェーハを多く消費する大きなチップほど価格(価値)が高い。 Source: SIA、WSTS、SEMIをもとに報告者作成（Mar 2019） 1980年-2017年 R2_=0.9896 半導体金額(価値)と ウェーハ面積は 比例関係 ■ 半導体出荷金額とシリコンウェーハ出荷面積の関係

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0% 20% 40% 60% 80% 100% 300mm 200mm 100/125/150 mm Memory Logic & Micro Analog DiscreteOthers PC, Server, Tablet, Mobile Phone Others Consumer, Automotive, Industrial, … 直径構成半導体用途構成電子機器用途構成

300mm

65％

_Memory

40％

Computing

60％

ウェーハ用途はコンピューティングとメモリが多い

7 ■ シリコンウェーハ出荷・消費の面積構成 Source: 各種データをもとに報告者推定（2017）コンピューティングには大量のメモリを必要とし、メモリは大容量化(微細化)と生産効率の向上(大口径化)を必要とした。結果、シリコンウェーハの300mm化が進んだ。

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隙間なく並ぶ半導体と電子部品。その数1,000個以上

8

Source: 左上製品写真はApple（https://www.apple.com/）、分解写真とレポートは報告者

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0 300 600 900 1,200 1,500 1,800 mm2 Opto Sensors Discretes Analog Logic DRAM Flash imm ArF + DPT imm ArF dry ArF KrF + i-line 単位：mm2

スマートフォンが微細化と300mm需要を牽引

9 60％ 6％ 18％ 16％約1,700mm2 ■ 1台あたりの半導体別ウェーハ面積（推定） ■ 半導体プロセス別ウェーハ面積（推定） 60％ 6％ 18％ 16％ 27％ 11% 37% ■ Opto 7% ■ Sensors 1% ■ Discretes 0% ■ Analog 17% ■ Logic 27% ■ DRAM 11% ■ Flash 37% メモリ比率 48% 300mm 83% ■ imm ArF + DPT 56% ■ imm ArF 11% ■ dry ArF 16% 200/150mm 17% ■ KrF / i-line 17% Source: 報告者推定（Nov 2018）ハイエンドスマートフォンのウェーハ消費面積は約1,700mm2。ウェーハ面積の48%はメモリで占められ、通信や電力制御のアナログは17％。300mm比率が83％、ダブルパターニング以降の先端プロセス比率は56％と高く、スマホが300mm需要と微細化を牽引している。 ウェーハ消費面積の半 分以上は微細化最先端 プロセスを用いている

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SEMI Technology Symposium 2019 資料

「先端」とは。すべての半導体が進化を続けている

10 Wireless Network Display Camera Power Memory Application Processor NAND Flash DRAM Power Management Transceiver Envelope Tracker LiB Charger/ Protection Power Amplifier LNA / Switch Antenna Tuner Antenna Switch Gyro / Accelerometer Finger Print

Display Driver Touch Screen_Controller

Image Sensor LED Flash

Driver OIS/AF Driver IR Image Sensor ToF Sensor Pressure Memory/Storage Sensors Microphone Modem Ambient Light / Proximity ■ スマートフォンを構成する主な半導体 Source: 報告者推定（Nov 2018）「先端」はメモリやロジックの微細化だけではない。最新の電子機器は、アナログやセンサーの技術進歩に支えられている。各半導体ごとに様々な「先端」技術がある。

Memory Logic Analog Sensors Opto

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EUV導入、新しい構造･材料の採用で微細化は続く

12 Logic (Performance) Logic (Low Power) DRAM 3nm 5’ nm 5nm 7’ nm 7nm 10nm 14/16nm 40nm 28nm 22nm 12nm 1X nm FD-SOI 2X nm FD-SOI 1B nm 1A nm 1Z nm 1Y nm 1X nm 2Y nm ■ プロセスロードマップの見通し Source: 報告者推定（Nov 2018） Logicは、7nm世代からEUVを量産適用開始、5nm世代ではEUVの適用レイヤーが増加する。 3nm世代以降で、FinFETからNanosheet(GAA:Gate-All-Around)へ変化し、微細化は続く。低消費電力用途では、28nmをシュリンクした22nmや FD-SOIが量産化されている。 LogicもDRAMも構造や材料を変えながら、微細化は今後も続いていく。 ハイエンド･スマートフォン ミドルレンジ ローエンド 5G AI 自動運転 IoT･画像認識

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NANDの3D化、プロセスの変化と設備投資

13 256L 192L 128L 96L 64L 48L 32L 14nm 16nm 20nm

Source: 左図はWestern Digital (FMS 2016)、工場写真は Samsung, KIOXIA, 日本経済新聞、報告者推定 (Nov 2019)

Po ly -S i Co nt ro lG at e Tr ap SiN 耐久性向上 大容量化 多値化(TLC) 高速化 ■ NANDの3D化と多層化 ■3D-NANDの構造と3D化の利点 ■3D化・多層化への活発な設備投資 3D 2D x1.5 ■ 製造プロセスの変化成膜・エッチング 3D-NANDの高速･大容量･高信頼性がSSD需要を創出し、生産量を急速に伸ばした。構造上、成膜とエッチング工程が多くを占め、層数の増加にともない生産LTは長期化しつつある。

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多層化

多層化と非多層化技術を織り交ぜて進化していく

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Source: 図はWestern Digital (FMS 2016)、報告者推定 (Nov 2019)

メモリホール微細化積層化（CUA等）積層化（Xtacking等）薄膜化新構造新材料多段化 2-Tier 1-Tier 256L 192L 128L 96L 64L 48L 32L 多値化 QLC (4bit/cell) TLC (3bit/cell) MLC (2bit/cell) SLC (1bit/cell) Z 方向 X-Y 制御構造・材料 ■ 3D-NANDの技術進化 Z(高さ)方向の多層化と薄膜(微細)化と、X-Y(平面)方向の微細化に加え、ロジック回路上にメモリアレイを積層する技術なども進められており、進化の方向が広がっていく。 X Y Z

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ネットワークとサーバーの負荷増大、双方向へ変化

15 SEMI Japan Members Day | 2020.6.18

■ 外出自粛で生まれる需要 ■データセンター、動画配信とウェブ会議 • 在宅勤務増加でMEMSマイクの需要増加。 • ビデオストリーミング時間が 20%増加。 • ウェブ会議トラフィックが 50％増加。 • オンラインおよびクラウドゲームが25％成長。 • データトラフィック、一部地域では50%増加。

Source: 各種ニュース記事より抜粋 (Mar 2020)、報告者推定・作成 (Apr 2020)

広帯域化 キャッシュ負荷分散

双方向データ 高負荷

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SEMI Technology Symposium 2019 資料

RFアナログは通信高速化で需要増、シリコン化進む

16 5G 4G 3G 2G • バンド(周波数帯域)数の増加 • アンテナ数の増加 • 複数バンドの同時使用 ■ RF半導体の需要増加

Source: 左図は SOITEC Whitepaper (2013)、報告者推定 (Sep 2019)

■ スマートフォンのRF半導体シリコン面積(mm2)の例

■ RF半導体の種類と材料 Antenna

Switch AntennaTuner LNA+SwitchLNA / AmplifierPower

5G High-end 4G High-end 4G Middle 4G Low-end

通信速度(受信) 2,000 Mbps 1,000 Mbps 300 Mbps 300 Mbps 通信速度(送信) 150 Mbps 150 Mbps 150 Mbps 50 Mbps RF半導体シリコン面積 SOI SOI GaAs SiGe SOI GaAs SiGe GaAs GaAs 1 x 1.8 x 4.8 x 6.6 周波数帯の増加、通信の高速化により、RF半導体の搭載量増加が続いている。パワーアンプは特性の良さからGaAsが主流だが、スイッチやチューナーはシリコン･SOI に置き換わった。

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5Gスマホ、一気に低価格化し普及が加速

17 ■ Huawei P40 lite 5G 39,800円 ■ Xiaomi/Redmi K30 5G 約30,000円 ■ OPPO Reno3 5G 約50,000円

Source: Huawei、Xiaomi、OPPO

2019年の5G用プロセッサは､CPUと5Gモデムが分離した2チップ構成で高価だったが、 Qualcommから5Gモデムを統合したSnapdragon765、Huaweiも5Gモデム統合のKirin820、同じくMediaTekのDimensity 800/1000Lが登場し、低価格化を加速。いずれのプロセッサも 7nmプロセスで製造され、先端プロセスの需要を牽引している。

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SEMI Technology Symposium 2019 資料 0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 2018 2030 (億円) Si 新材料(SiC, GaN 他)

IGBT、Power MOSの需要拡大で大口径化へ動き

18 ■ パワー半導体の世界市場

Source: 富士経済（Jun 2019)、図はSUMCO (ISPSD 2018)、報告者推定 (Sep 2019) 出典：富士経済「2019年版次世代パワーデバイス&パワエレ関連機器市場の現状と将来展望」(2019年6月5日) https://www.fuji-keizai.co.jp/market/detail.html?cid=19038 45%増 16倍 シリコンも新材料も成長続く • 自動車の電動化・電装化 • SiCが先行、GaNは22年以降普及 ■ Power MOSFET・IGBTの用途とシリコンウェーハの種類 高品質化と生産性向上で 300mm化へ EVやロボットなどモーター機器の増加、電子機器の高効率な電源需要などから、半導体構造や製造プロセス、材料ウェーハまで技術進化が求められている。生産性から大口径化も進む。 Power MOSFET オン抵抗低減 MCZ化・オン電圧特性改善IGBT

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0 100 200 20 18 /01 20 18 /02 20 18 /03 20 18 /04 20 18 /05 20 18 /06 20 18 /07 20 18 /08 20 18 /09 20 18 /10 20 18 /11 20 18 /12 20 19 /01 20 19 /02 20 19 /03 20 19 /04 20 19 /05 20 19 /06 20 19 /07 20 19 /08 20 19 /09 20 19 /10 20 19 /11 20 19 /12 20 20 /01 20 20 /02 20 20 /03 20 20 /04 20 20 /05 (万台) 0 100 200 300 20 18 /01 20 18 /02 20 18 /03 20 18 /04 20 18 /05 20 18 /06 20 18 /07 20 18 /08 20 18 /09 20 18 /10 20 18 /11 20 18 /12 20 19 /01 20 19 /02 20 19 /03 20 19 /04 20 19 /05 20 19 /06 20 19 /07 20 19 /08 20 19 /09 20 19 /10 20 19 /11 20 19 /12 20 20 /01 20 20 /02 20 20 /03 20 20 /04 20 20 /05 (万台) 0 10 20 30 20 18 /01 20 18 /02 20 18 /03 20 18 /04 20 18 /05 20 18 /06 20 18 /07 20 18 /08 20 18 /09 20 18 /10 20 18 /11 20 18 /12 20 19 /01 20 19 /02 20 19 /03 20 19 /04 20 19 /05 20 19 /06 20 19 /07 20 19 /08 20 19 /09 20 19 /10 20 19 /11 20 19 /12 20 20 /01 20 20 /02 20 20 /03 20 20 /04 20 20 /05 (万台)

自動車販売の回復は意外と強いが､NEVは低迷続く

19 ■ 米国自動車販売台数 ■ 中国自動車販売台数 ■ 中国NEV販売台数 Source: 各調査会社データをもとに報告者作成 (Jun 2020)

2月 -79％ 4月 -46％ 5月 +14％ 5月 -30％ 19年7月以降前年割れ続く 5月 -21％ 自動車販売台数は、外出禁止・販売店の休業によって、中国は2月、米国は4月に大幅に落ち込んだが、5月実績は大きく回復している。 NEV（EV､PHEV､FCV）の普及は、環境規制や補助金次第という状況から大きく変わらず。

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支持基板シリコンウェーハ (周辺回路) シリコンウェーハ

裏面照射に積層構造を活用した付加価値創造へ進む

20 シリコンウェーハ (支持基板) 周辺回路 PD PD 貼合界面 Source: 左図はソニー/ソニーセミコンダクターソリューションズ発表資料をもとに報告者作成。報告者推定 (Nov 2019) 高画素高感度高精度演算高速処理高速I/F 高い開口率 プロセス最適化 微細化 人が見ることを目的とした映像非可視光域物体認識空間認識 マシンビジョン 機械が見るためのセンサデータ偏光(方向) PD構造の変化 微細化 高演算性能 ■ イメージセンサは表面照射から裏面照射、積層化へ裏面照射型により開口率が高まり、高画素化と高感度化を実現。高画質化の追求は続くが、今後はマシンビジョンに向けたベクトルの違う技術開発が進むと考えられる。周辺回路

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マシンビジョンへ向けた製品が相次いで登場

業界最小 5μm画素で、可視光から非可視光帯域 まで撮像可能なSWIR（短波長赤外）イメージセ ンサー 2タイプを産業機器向けに商品化 世界初 AI処理機能を搭載したインテリジェント ビジョンセンサー 2タイプを商品化 ■ ソニー､短波長赤外の撮影可能なイメージセンサー発表 ■ ソニー､AI機能を積層化したビジョンセンサーを発表（左：可視光環境右：短波長赤外光環境） Source: ソニー、ソニーセミコンダクタソリューションズ（左：2020年5月12日、右：2020年5月14日） SWIRイメージセンサー IMX990 波長（横軸）と量子効率（縦軸）インテリジェントビジョンセンサー IMX500､IMX501 レジにおける商品や作業のリアルタイムトラッキング例 画像データを出力しない､ メタデータのみの出力可能

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2.5D、3D/TSVの活用とパッケージの大型化が進む

22 DRAM DRAM DRAM DRAM Package Substrate Silicon Interposer Logic DRAM DRAM DRAM DRAM TSV

Source: 写真左上 NVIDIA, 右上 Samsung, 左下および中央下 Intel, 右下 AMD

Base Die Base Die

■ 2.5D＋3D/TSV：大量のデータを高速・高帯域・低消費電力で供給 ■ 多コア化が進みピン数増加、パッケージサイズも大型化 ■ 微細化とコストを両立させたチップレット 面積 4倍 ピン数 3.6倍 8 CPU 7nm 8 CPU 7nm 8 CPU 7nm 8 CPU 7nm I/O 14nm 8 CPU 7nm 8 CPU 7nm 8 CPU 7nm 8 CPU 7nm 64コア･128スレッド、256MB L3 cache、TDP 225W 14nm、2Die 56コア･112スレッド 77MB L3 cache 400W システムとしての性能向上および電力やコスト削減を目的に、チップ分割やシリコンインターポーザー、3D/TSV積層、高密度パッケージなどの活用が広がってきている。薄化

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性能向上に伴い､高密度パッケージの活用広がる

23 μBu m p P it c h ( um ) Size (mm2) サイズ拡大 狭ピッチ化 Interposer Size (mm2) Mem or y s ize , Bu m p Pi tc h サイズ拡大 狭ピッチ化 メモリ増加

■ Intel Lakefield、1＋4 CPU ■ NVIDIA A100、7nm 826mm2 ■ ダイサイズとバンプピッチ

■ インターポーザとメモリ/バンプ HBM2 x6 stack 8 Die/Stack TSMC 7nmプロセス ダイサイズ 826mm2 540億トランジスタ 最大電力 400W DRAM 10nm CPU 22nm I/O

Source: 写真左 Intel（6月10日発表）, 中央 NVIDIA（5月14日発表）, グラフは報告者推定(Jun 2019)

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2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 出荷面積 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 出荷金額

Covid-19の影響は？先行きはまだ不透明

■ シリコンウェーハ市場への影響は？ ■ 半導体製造装置市場への影響は？ Source: 調査会社データなどを参考に報告者予想（Jun 2020） Covid-19は、スマートフォンや家電などの民生機器や自動車・産業機械の需要へ直接的・間接的に影響を与えるが、その大きさや回復ペースは予測できない。一方、在宅勤務や遠隔授業のPCやタブレット需要、それに伴うネットワークやデータセンターなどインフラ需要もあり、シリコンウェーハ・半導体製造装置とも、先端半導体関連の需要は底堅いと予想する。 19年の調整から 回復基調だが… パワー/レガシーに影響先端投資への影響軽微 製造装置の生産・ 配送遅延は考慮せず

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まとめ：半導体は多様な先端技術で｢次代のコア｣へ

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Source: 報告者推定 (Jun 2020)

シリコンウェーハから見る半導体市場と技術 • 近年はスマートフォンが半導体とウェーハの需要拡大、微細化を牽引してきた。 • LogicとDRAMは、微細化を進めるためにも、材料や構造変化などの特性向上技術が必要になってきている。 • NANDは、当面は多層化が続くが、多層化以外の大容量化技術が必要になる。 • RFアナログは、微細化を含むプロセス技術で特性向上し、化合物からシリコンへの転換が進んだ。さらなる高周波対応と機能統合などへ進む。 • パワーICは、高耐圧・高温対応とともに、機能向上に向けて微細化・大口径化も進む。 • パワートランジスタは、薄化技術やウェーハ品質の進化で大口径化し生産性向上へ。 • イメージセンサは、高画質化の他、マシンビジョンでの非可視光の活用などへ向かう。 • 2.5D/シリコンインターポーザ、3D/貼合・TSV、パッケージ技術の重要さが増している。 • Covid-19対策において、半導体技術･製品が大きな役割を果たしている。 微細化は今後も継続するが、半導体の性能向上には微細化以外の多様な「先端」技術が求め られており、装置メーカー・材料メーカーが担う役割はますます広がり大きくなっていく。

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シリコンウェーハから見る 半導体市場と技術