半导体料材技术动向及挑战.docx

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半导体料材技术动向及挑战

出版品代號:

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CT

期數:

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文章代碼:

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CS2

文章標題:

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半導體料材技術動向及挑戰

文章副標:

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出版品單元:

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CTCS

文章來源:

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作者:

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陸向陽

譯者:

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引言:

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半導體製造技術能否持續突破，材料一直扮演著重要的角色，從過去最早初的鍺（Germanium；Ge），到之後普遍運用的矽（Silicon；Si），而近年來又有更多的新樣與衍生，以下本文將針對此方面的新用材、新趨勢發展，以及現有的技術難度等，進行一番討論。

附圖定義:

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圖一（p1.gif）,圖二（p2.gif）,圖三（p3.gif）,圖四（p4.gif）,圖五（p5.gif）,圖六（p6.gif）

附表定義:

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公式圖檔定義:

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文章後之資料:

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屬性（人物）:

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屬性（產業類別）:

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REN

屬性（關鍵字）:

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SOI,RC-Delay,High-k

屬性（組織）:

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屬性（產品類別）:

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EDM

屬性（網站單元）:

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ZESC

內容:

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@標題:

半導體料材技術動向及挑戰

@作者:

作者　陸向陽

@引文:

@大標:

銅導線材

@內文:

在半導體技術發展初期的50年代，主要是以鍺元素為材料，不過鍺元素的耐高溫性不足、抗輻射能力差，以致在60年代後逐漸由矽元素取代其地位，矽在抗熱、抗輻射等表現上都優於鍺，適合用來製做大功率的積體電路。

到了近年來，隨著製程技術的不斷細密化，到了0.25um以下，積體電路在線路上的電阻電容延遲（RC-Delay）效應已增大到成為問題，使線路信號難以更快速傳遞，亦即電晶體導通、關閉的速率難以更快，並且線路間的串音雜訊干擾（CrossTalkNoise）也增加，這些問題約在時脈近1GHz時就會產生。

@圖說:

圖一　

@圖註:

圖註：

1998年IBM公司使用自有的CMOS7S製程技術來產製晶片，圖中的晶片具有六層電路，並使用上銅導線技術，其中電晶體的通道長度僅0.12um。

（資料來源：

cc.ee.ntu.edu.tw）

@內文:

為了克服此一阻障，必須更換半導體信號線路的材料，從過往的鋁（Aluminum；Al）材換替成銅（Cooper；Cu）材，換材之後線路的電阻值降低，鋁的阻值為每公分2.8微歐姆（2.8uOhm/cm），銅則是1.7uOhm/cm，如此寄生RC問題獲得延緩，使晶片的時脈速率可進一步推升。

同時，銅線路也有較佳的抗「電子遷移」能力，使晶片可以更久耐地運作。

在換材外，製造過程（製程）方面也必須搭配改變，過去鋁線是使用濺鍍方式製作，換成銅導線（CopperWiring）後則使用電鍍方式製作，如此在程序成本上也更為精省。

此外，由於銅的反應較為活潑，因此容易滲到矽基材中，也容易污染無塵室，這也使得製造過程中需要更多的謹慎控制。

@大標:

矽絕緣材

@內文:

晶片電路不斷縮密後，除了有前述的延遲問題外，另一個問題是漏電問題，漏電問題愈來愈嚴重的結果，是使晶片的功耗攀升，若舉實例而言，過去Intel的Pentium4處理器，其總體功耗的1／4皆為漏電，只有3／4的用電是真正投入運算工作。

很明顯的，過去的矽基板絕緣層（SilicononSilicon；SOS）已難以抑制漏電，需要換用新的絕緣材來強化，如此業界提出了矽覆絕緣（SilicononInsulator；SOI）技術或是上覆矽技術，以二氧化矽（SiO2）為絕緣材，減緩漏電率的成長。

善用SOI技術的結果，可以降低晶片50％左右的功耗，今日不僅外用的行動電子產品講究省電，就連機房端的重度運算也講究省電，電力成為資料中心（DataCenter）營運中，僅次於薪資的第二大開銷，因此在晶片日益強調省電特性下，SOI技術的重要性也持續增高。

@圖二　

@圖註:

圖註：

IBM為日本任天堂（Nintendo）的新世代電視遊樂器：

Wii所設計、產製的中央處理器：

Broadway（百老匯）即有使用上SOI製程技術。

圖為IBM的無塵室工作者正在檢視Broadway晶片。

（資料來源：

IBM）

@內文:

比較特別的是，業界也有人對SOI技術抱持不同看法，雖然矽絕緣抑制了漏電，但連帶也阻礙了熱消散，原因在於二氧化矽的熱傳導率低於50W/mk，而矽則是120W/mk，既然熱消散不易，也就連帶限制了晶片時脈的提升，因為更高頻率的運作會加速熱的產生。

再者，絕緣的氧化物具有離子化傾向，受輻射所影響則容易誘發出額外的電流，使晶片內雜訊增加。

因此，也有人提出以鑽石為絕緣層的作法，稱為SOD（SemiconductoronDiamond），鑽石的本質為碳（Carbon；C），絕緣性佳（每公分阻值為10的16次方歐姆）、熱傳導率高（大於1200W/mk），可有效絕緣又可有效散熱。

雖然如此，但SOI仍是一項具變革性的新材料作法，目前SOI主要是用氧植入（SeparationbyIMplantationofOXygen；SIMOX）法或氫植入法，其中氫植入法以法國Soitec的SmartCut技術為主。

@大標:

低介電質材

@內文:

前面已述，銅導線技術在於降低RC-Delay效應，而銅線主要是降低R值，但對線路與線路間的C值卻沒有改善，為了改善線路間的絕緣效果，人們開始思索用新的絕緣材料來替代原有的SiO2絕緣材料，此方面的替代方案稱為低介電質（Low-kdielectric）技術。

所謂低介電質，其k值（介電係數）愈低則絕緣性愈高，SiO2的k值約在3.9～4.5間，而換替的可行材料包括氟矽玻璃（FluorinatedSilicateGlass；FSG）、黑鑽石（BlackDiamond）、BLOK（BarrierLowk）等。

以FSG而言，事實上還有不同的製成方法，以化學氣相沈積法（ChemicalVapourDeposition；CVD）產生的FSG材質，可使k值達2.6～3.1；而使用旋轉式塗佈法（Spin-onDielectric；SOD）的FSG材質，則更可低至2.0。

無庸置疑地，最佳的低介電質是真空，其k值為1，乾燥的空氣則接近1，但因為不是固態物而無法使用。

@大標:

高介電質、應變矽

@內文:

除上述外，為了讓晶片有更快的效能，因而提出了高介電質（High-k）與應變矽（strainedsilicon）等技術，高介電質材料主要是替換原有位在閘極金屬電極與矽基板間的SiO2絕緣材，如此可使電晶體的導通、關閉更加快速，推估可比傳統SiO2作法快上60％，此外閘極的漏電也能降低（將絕緣層加厚），降低漏電就能減少功耗與發熱。

不過目前高介電質技術仍有些方面不易突破。

至於應變矽方面，應變矽技術並非更替材料，晶圓基板材料依舊是矽，但卻改變矽原子結構的間距，使電子移動的速度增快，進而提升晶片的運作效率。

@圖說:

圖三　

@圖註:

圖註：

Intel在其開發者論壇上提及用High-k材料取代現有的SiO2，做為電晶體閘極的絕緣層，使用High-k材料不僅可讓電晶體運作更快速，也有助於減少漏電。

（圖片來源：

）

@大標:

太陽能板

@內文:

由於石油將在數十年後用盡，使人們增加對太陽能發電、太陽電池（SolarCell，或被稱為PhotovoltaicCell、PVCell）等技術的關注度，其中太陽能發電中的太陽能板也是用半導體材料所製作。

目前太陽電池最廣泛使用的為矽材料，並可分成晶矽（Crystallin）與非晶矽（Amorphous；a-Si），其中晶矽還可再分成單晶矽（SingleCrystalin）與多晶矽（PolyCrystalin），如此即有三種類型的材料：

單晶矽、多晶矽、非晶矽，三種材料的光電轉換效率也各有差異，分別為12％～24％、10％～19％、1％～13％，而真正較常運用的是單晶與非晶，前者的轉換效率高而受青睞，後者則是成本低、製造容易而受用。

@圖說:

圖四　德國西門子公司（Siemens）用單晶矽材料製成的太陽能基板

@內文:

要注意的是，非晶矽除純矽之外，也有化合性質的作法，如碳化矽SiC、鍺化矽SiGe、氫化矽SiH、氧化矽SiO等等。

除了矽為主體的太陽能基板，也有非矽的化合物作法，一樣區分成單晶類與多晶類，單晶類的材料為砷化鎵GaAs、磷化銦InP；多晶類則有硫化鎘CdS、碲化鎘CdTe、銅鍺化銦CuInSe、二鍺銅化銦／鎵Cu（In，Ga）Se2等等。

非晶矽材料或化合物材料多用在薄膜技術製成太陽能板中。

附帶一提的，還有一種初展露、尚在研發的有機（Oganic）太陽能電池、奈米（Nano）太陽能電池，使用的材料為二氧化鈦TiO2，然而因為光電轉換率僅1％～4％，離實用化仍有一段距離。

@大標:

無線射頻

@內文:

無線射頻（RadioFrequency；RF）電路、積體電路、微波功率電路等所用的材料，必須從形成的基礎構造來討論，這包括電晶體（Transistor）、異質接面雙極電晶體（HeterojunctionBipolarTransistor；HBT）、金屬半導體場效電晶體（Metal-SemiconductorFieldEffectTransistor；MESFET）、以及高電子遷移率電晶體（HighElectronMobilityTransistor；HEMT，另稱為異質結構場效電晶體，HeterostructureFET；HFET）。

在具體材料上，電晶體用的是矽，HBT的基板部分使用SiGe、GaAs，其上的生成層則用AlGaAs、InP、InGaP，此外寬能隙（Wide-bandgap）的材料也備受矚目，如GaN、InGaN；MESFET則是GaAs、InP、SiC（從未使用純矽）；HEMT則是以「GaAs與AlGaAs」或「AlGaN與GaN」所構成。

除了材料外，基礎結構也有所不同，以Si為主材料若用於射頻電路中，多半採行BiCMOS的基礎結構，即是結合BJT與CMOS的結構特點而成，此稱為SiBiCMOS製程技術，射頻電路採行SiGe、SiBiCMOS等作法，在高頻運作時有較佳的表現。

另外，與HEMT相關的還有pHEMT（pseudomorphicHEMT）、mHEMT（metamorphicHEMT）等，使用的基板主材是GaAs，緩衝層則是AlInAs，通道材料則是GaInAs。

@大標:

發光二極體

@內文:

過去一般人認為發光二極體（LightEmittingDiode；LED）僅做為狀態燈號之用，但其實這只是可見光的部分，不可見光的紅外線LED、紫外線LED也各有用途，紅外線LED用於遙控器、保全裝置，紫外線則用於鈔票鑑識器、樹脂硬化、光催化等，最新的超短波長的遠紫外線LED則可望用在污染物分解、新型光儲存媒體讀寫、奈米科技等。

@圖說:

圖五　運用紅光LED的照射使植物（農作物）增長，此種作法未來有可能運用在太空中生產食物。

@內文:

更進一步的，由於藍光技術成熟後，白光也成為可行，加上亮度表現的不斷提升，使LED的應用範疇逐漸提升，包括液晶顯示器的背光、電子照明等開始陸續採行LED。

以下列出常見的LED發光材料：

@內標:

●AlGaAs：

紅光、紅外光

●AlGaP：

綠光

●AlGaInP：

高亮度的橘光、橙光、黃光、綠光

●GaAsP：

紅光、橘光、黃光

●GaP：

紅光、黃光、綠光

●GaN：

綠光、草綠光、藍光

●InGaN：

近紫外光，藍綠光，藍光

●ZnSe：

藍光

●C（鑽石）：

紫外光

●AlN：

遠紫外光～近紫外光

●AlGaN：

遠紫外光～近紫外光

@內文:

值得注意的是，近年來為了因應LED持續提升亮度的需求，在（藍光LED）基板材料上也進行了多番變革，包括碳化矽SiC、藍寶石（Sapphire，三氧化二鋁，Al2O3）等，此外純矽的材料也相當受到關切，尤其基板不僅要與發光體搭配，還必須達到最高的透光率，以免阻礙發光體的亮度發揮。

@圖說:

圖六　今日藍光LED所用的基板材料主要為碳化矽（SiC）或藍寶石（Sapphire，Al2O3），圖為藍寶石。

@內文:

當然，以上主要為無機類的LED，與LED相關的雷射二極體（LaserDiode；LD）、以及有機類的OLED、以及發光所用的螢光質、為增加亮度所嵌入的銀質等，則不在以上討論之列。

@大標:

結論

@內文:

毫無疑問的，無論是積體電路、太陽電池、無線微波、發光二極體等各種的半導體運用，都仍在製程與材料上進行精進、提升、與突破，甚至經常要在各種取向中權衡取捨，包括特性表現（導電、散熱、透光、速度、硬度、熱膨脹性）、製程難易度、材料成本等，進一步的還要規避他人的專利而達到相同目的，以及更外圍的封裝材料與技術搭配。

然而技術的突破也使市場及應用更加寬廣，這也是半導體材料技術持續誘人與爭相投入的原因。

@延伸閱讀:

漏電流成為65奈米的頭號難題

由於製程變異問題惡化，可製造性設計（DFM）演變成一個更大的問題。

而隨著佈線密度加大，訊號完整性問題變得更加明顯。

在製造性方面，解析度強化技術（RET）在65nm變得更複雜，雖然90nm的一些問題在65nm更為惡化，但起碼沒出現新問題。

另外，除了採用鎳矽化物製造電晶體之外，向65nm節點的演進不涉及重要的材料改變。

低介電常數絕緣介質的失效

由於大部分經時擊穿失效TDDB的分析資料表明失效發生在絕緣介質和頂部覆蓋層的交接面上，因此SiCOH和頂部覆蓋層的交接面是十分關鍵的。

澱積頂部覆蓋層工藝，澱積頂部覆蓋層前的等離子體預處理工藝以及化學機械研磨（CMP）工藝，這些都會損傷SiCOH。

因此控制金屬銅的腐蝕以及表面濕度能夠有效的抑制電化學反應的發生。

無線通訊IC製程技術的發展現況與趨勢探討（上）

http:

//www.itri.org.tw/chi/services/ieknews/e0801-B10-02353-BDCF-0.doc

在產學界不斷努力研發之下，目前已開發出可應用在無線通訊IC的製程有：

矽-雙截子互補金氧半導體（SiBipolarCMOS）、矽鍺（SiGe）、砷化鎵（GaAs）、以及其他仍在積極開發磷化銦或E-modepHEMT等不同的製程。

以下便再針對這幾種半導體材料與製程提出進一步的說明。

@市場動態:

海力士成功量產High-kMIM　三星積極研發High-k50製程技術

.tw/ShowNews.aspx?

zCatId=642&zNotesDocId=5051016632469285482571FB0048DF70

除海力士和三星外，全球最大半導體業者英特爾（Intel）亦在三閘極電晶體（Tri-GateTransistor）上，採High-k技術；High-k為具有絕緣體電磁特性的高介電率物質（以常數k表現），簡單來說，High-k係指具有把電荷聚在一起能力的物質，k值越高，攔截半導體配線間漏損電流的能力越好。

太陽能電池發展狀況

http:

//cdnet.stpi.org.tw/techroom/market/energy/energy022.htm

多晶矽的矽原子堆積方式不只一種，它是由多種不同排列方向的單晶所組成。

多晶矽是以熔融的矽鑄造固化而成，因其製程簡單，所以成本較低。

目前由多晶矽所製作出的太陽電池產量，已經逐漸超越單晶矽的太陽電池。

多晶太陽能電池較非晶太陽能電池能夠轉化多一倍以上的太陽能為電能，但單、多晶的價格比非晶的價格貴兩三倍以上。

利用四氟化碳電漿預處理改善高介電材料特性之製程

http:

//cdnet.stpi.org.tw/techroom/tech/tech_05006.htm

此方法是利用四氟化碳電漿預處理改善高介電常數之絕緣層與矽晶圓介面之特性，我們可以發現使用此方法可以有效的降低閘極漏電流，再者此方法也可有效的增加氟原子含量，較多的氟原子含量可增加元件的可靠度，顯示使用四氟化碳電漿預處理可有較好的崩潰電荷，意指能忍受較多次的操作，有較長時間的可靠度。