先进半导体制程与材料选择

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1、半導體科技>雜誌導讀>技術專文先進半導體製程與材料選擇 作者：宋健民／中國砂輪企業股份有限公司總經理  日期：2008/12/10   來源：半導體科技    人類的物質文明可以說是建立在「材料科技」上，從史前的石器時代，到發明文字後的鐵器時代，或從近代的塑膠時代，到現在的矽晶時代，都是材料科技的里程碑，而物質文明的巔峰極緻將為「鑽石時代」...工欲善其事，必先利其器，鑽石，在現今環境裡，不再只是首飾，在工業應用可是極為重要的礦材，在一般工業用途最常見用於切割，為了在車床上做良好的切削，車刀本身也應具備足

2、夠的強度、硬度、而且耐磨、耐熱。其中尤以鑽石刀具，常用於高級表面加工時，使用圓形或表面有刃緣的工業用鑽石來進行光製，得到更為光滑的表面。鑽石時代鑽石不僅質地堅硬，也早已成工業製造中不可或缺的超級磨料(每年使用1,000公噸)，它同時也是特性最優越的半導體！鑽石性能遠超過現在的主流矽晶。「鑽石」更已用在矽晶半導體的生產上(如台灣領先世界的鑽石碟)。此外，鑽石可成為矽晶積體電路(IC)最好的絕緣體及CPU最快的散熱面，有如下述。摩爾定律人類科技進步最快速的產品，即為積體電路(IntegratedCircuit

3、或IC)。1965年Intel的共同創始人GordonMoore，曾大膽預言電腦CPU上的電晶體數目會以倍數成長，這個所謂的摩爾定律(Moore’sLaw)，迄今仍以每18個月成長1倍的高速持續挺進。由於電晶體的倍數成長已超過40年，2007年Intel推出的Penryn4核心晶片上竟有高達8億2,000萬個電晶體。圖一：摩爾定律使IC內電路的線寬急速變窄，而其厚薄的差異更只有線寬的1/10，這種設計規格，使製程的困難度大幅提高，因此IC電路極小時，電流信號(Signal)與亂流雜訊(Noise)就難以區

4、分。45nmIC由於電晶體越來越多，它的尺寸越來越小，而聯結電晶體的電路(Interconnect)也越來越密。上述的Penryn晶片線寬已小至45nm，相當於較小的濾過性病毒(Virus)。可以這麼形容，Penryn是藥片大小的晶片，其上密佈接近中國人口總數，但比病菌小10倍的電路開關。2007年，只有Intel及台積電(TSMC)有能力量產45nm的IC。但全球的其他主要半導體大戶，都加入IBM聯盟(Consortium)合作發展45nm的IC製程，預計在今年許多聯盟成員將陸續導入量產45nm的IC。

5、圖二：2007年Intel推出以HighKMetalGate的Penryn晶片(45nm)。半導體的三國演義值得注意的是，IBM不僅將移轉45nm的技術給晶圓代工的韓國三星(Samsung)及新加坡特許(CharteredSemiconductor)，更將技術賣給了中國的中芯。中芯已開始規劃在深圳成立研發中心，及建設8吋和12吋兩座晶圓廠，準備接收IBM領先世界的技術。中芯本身也開始在12吋晶圓上生產65nm的IC。台積電及聯電雖是晶圓代工的龍頭，但面對IBM的技術輸出，將會被北、中、南的低價製造者聯合夾

6、殺。Intel早看出國際無力封殺中芯，因此就進行「以華制華」，它正緊鑼密鼓在大連建立12吋晶圓廠，將在2010年量產90nm的IC。可嘆的是台灣目前仍只准8吋晶圓帶180nm的技術登陸，以原始的武器和先進的對手「境外交戰」。中國已成為世界最大的晶片市場，2010年中芯規模將超越聯電，其製造成本會低於台積電。台灣晶圓代工主導世界的時代可能結束。台積電應和聯電聯盟或合併，組成「台聯」對抗中、韓、新的3面包抄。台積電更應和中芯停止互控，在法庭外合解，雙方甚至可討論如何分工生產，以華人晶片佔據中國市場。「台聯中」

7、可和Intel及IBM聯盟演出「三國演義」，這樣台灣就可以持續主導未來的晶圓代工。圖三：IBM聯盟展示HKMG所製32nmIC的晶圓。圖中的聯盟成員代表包括IBM、Freescale、AMD、Samsung、CharteredSemiconductor、Infineon等公司。HighKMetalGate世界晶圓大戰的下一個關鍵，乃是發展32nm的製程技術。當電晶體的GateGap進入這個「次病毒」的領域時，其電極(多晶矽)的電阻太大，而且電流不穩，必須改用金屬(MetalGate)。更有甚者，絕緣層(二

8、氧化矽)變得太薄(＜1nm)，只有不到10個原子的堆疊高度，這時電極的電子便會穿隧過去(TunnelThrough)，其結果為不僅造成漏電，而且使電晶體的開關信號難以辨認。Intel為了解決這個漏電問題，在設計45nmIC時就把電極改用鉿合金(HfAlloy)，而其絕緣層則改為鉿化物(HfO2或HfC)。由於鉿化物的誘電率(DielectricConstant或K)比氧化矽高得多，這種介金屬層的厚度可以加倍(＞2nm)，因此避