半導體料材技術動向及挑戰

 

引言
半導體制造技術能否持續突破，材料一直扮演著重要的角色，從最早的鍺（Ge），到隨后普遍應用的硅（Si），近年來又衍生出更多的材料，本文將針對此方面的新材料、新趨勢的發展，以及現有的技術難題等進行討論。

銅導線材
在半導體技術發展初期的20世紀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20世紀60年代后逐漸被硅元素取代，硅在抗熱、抗輻射等方面的表現都優于鍺，適合用來制做大功率的集成電路。近年來，隨著制造技術不斷縮小到0.25um以下，集成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，即晶體管導通、關閉的速率難以更快，并且線路間的串音噪聲干擾也增加，這些問題在頻率接近1GHz時就會產生。
為了克服這一阻障，必須更換半導體信號線路的材料，從過往的鋁（Al）換替成銅（Cu），換材料之后線路的電阻值降低，鋁的阻值為2.8微歐姆每厘米（2.8uOhm/cm），銅則是1.7uOhm/cm，這樣寄生RC問題獲得緩解，芯片的頻率速率可進一步推升。同時，銅線路也有更好的抗“電子遷移”能力，使芯片可以更持久地運作。除了換材料，制造過程方面也必須搭配改變，過去鋁線是采用濺鍍方式制做，換成銅導線則使用電鍍方式制做，如此在過程成本上也更為節省。此外，由于銅的反應較為活潑，因此容更易滲到硅基材中，也容易污染無塵室，這使得制造過程中需要更謹慎地控制。
 
圖1  1998年IBM公司使用自有的CMOS 7S制程技術來產制芯片，圖中的芯片具有六層電路，并使用上銅導線技術，其中晶體管的信道長度僅0.12um（圖片來源cc.ee.ntu.edu.tw）

硅絕緣材
芯片電路不斷精密后，除了有前面提到的延遲問題外，另一個問題是漏電。漏電問題愈來愈嚴重的結果是使芯片的功耗攀升，舉例而言，過去Intel的Pentium 4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，過去的硅基板絕緣層（SOS）已難以抑制漏電，需要更換新的絕緣材來強化，業界提出了硅覆絕緣（SOI）技術（上覆硅技術），以二氧化硅（SiO2）為絕緣材減緩漏電率的成長。
善用SOI技術的結果，可以降低芯片50%左右的功耗，如今不僅便攜電子產品講究省電，就連機房用的高速運算也講究省電，電力成為數據中心營運中，僅次于薪籌的第二大開銷，因此在芯片日益強調省電特性下，SOI技術的重要性也持續增高。比較特別的是，業界也有人對SOI技術持不同看法，雖然硅絕緣抑制了漏電，但連帶也阻礙了熱消散。因為在于二氧化硅的熱傳導率低于50W/mk，而硅則是120W/mk，既然熱消散不易，也就連帶限制了芯片頻率的提升，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，使芯片內噪聲增加。
因此，也有人提出以鉆石為絕緣層的作法，稱為SOD，鉆石的本質為碳（C），絕緣性佳（每公分阻值為10的16次方歐姆）、熱傳導率高（大于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（SIMOX）法或氫植入法，其中氫植入法以法國Soitec公司的Smart Cut技術為主。
 
圖2  IBM為日本任天堂（Nintendo）的新世代電視游樂器：Wii所設計、產制的中央處理器：Broadway（百老匯）即有使用上SOI制程技術。圖為IBM的無塵室工作者正在檢視Broadway芯片（圖片來源IBM）

低介電質材

如前所述，銅導線技術在于降低RC-Delay效應，而銅線主要的目的是降低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，這方面的替代方案稱為低介電質技術。所謂低介電質，其k值（介電系數）愈低則絕緣性愈高，SiO2的k值約在3.9～4.5間，而可行的替代材料包括氟硅玻璃（FSG）、黑鉆石、BLOK（Barrier Low k）等。以FSG而言，事實上還有不同的制成方法，以化學氣相沉積法（CVD）產生的，可使k值達2.6～3.1，而使用旋轉式涂布法（SOD）的則更可低至2.0。當然，最好的低介電質是真空，其k值為1，干燥的空氣則接近1，但因為不是固態物而無法使用。
 
圖3  Intel在其開發者論壇上提及用High-k材料取代現有的SiO2，做為晶體管閘極的絕緣層，使用High-k材料不僅可讓晶體管運作更快速，也有助于減少漏電（圖片來源：www.intel.com）

高介電質、應變硅

除上述外，為了讓芯片有更快的效能，提出了高介電質與應變硅等技術，高介電質材料主要是替換原有位在閘極金屬電極與硅基板間的SiO2絕緣材，如此可使晶體管的導通、關閉更加快速，推計可比傳統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。至于應變硅方面，應變硅技術并非更替材料，晶圓基板材料依舊是硅，但卻改變硅原子結構的間距，使電子移動的速度增快，進而提升芯片的運作效率。

太陽能板

由于石油將在數十年后用盡，使人們增加對太陽能發電、太陽電池等技術的關注度，其中太陽能發電中的太陽能板也是用半導體材料所制做。目前太陽電池最廣泛使用的材料為硅，并可分成晶硅與非晶硅，其中晶硅還可再分成單晶硅與多晶硅，如此即有三種類型的材料：單晶硅、多晶硅、非晶硅，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，前者因轉換效率高而受青睞，后者則因為成本低、制造容易。要注意的是，非晶硅除純硅之外，也有化合性質的作法，如碳化硅SiC、鍺化硅SiGe、氫化硅SiH、氧化硅SiO等等。除了硅為主體的太陽能基板，也有非硅的化合物作法，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。非晶硅材料或化合物材料多用在薄膜技術制成太陽能板中。

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、納米太陽能電池，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。
 
圖4  德國西門子公司（Siemens）用單晶硅材料制成的太陽能基板

無線射頻

無線射頻（RF）電路、集成電路、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，這包括晶體管、異質接面雙極晶體管（HBT）、金屬半導體場效晶體管（MESFET）、以及高電子遷移率晶體管（HEMT，也稱異質結構場效晶體管HFET）。
在具體材料上，晶體管用的是硅，HBT的基板部分使用SiGe、GaAs，其上的生成層則用AlGaAs、InP、InGaP，此外寬能帶（Wide-bandgap）的材料也備受矚目，如GaN、InGaN；MESFET則是GaAs、InP、SiC（從未使用純硅）；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為主材料若用于射頻電路中，多半采行BiCMOS的基礎結構，即是結合BJT與CMOS的結構特點而成，此稱為Si BiCMOS制程技術，射頻電路采行SiGe、Si BiCMOS等作法，在高頻運作時有較好的表現。
另外，與HEMT相關的還有pHEMT、mHEMT等，使用的基板主材是GaAs，緩沖層則是AlInAs，信道材料則是GaInAs。

發光二極管

過去認為發光二極管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用于遙控器、保全裝置；紫外線則用于鈔票鑒識器、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、納米科技等。更進一步，由于藍光技術成熟后，白光也成為可行，加上亮度表現的不斷提升，使LED的應用范疇逐漸提升，包括液晶顯示器的背光、電子照明等開始陸續采行LED。以下列出常見的LED發光材料：
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（鉆石）：紫外光
AlN：遠紫外光～近紫外光
AlGaN：遠紫外光～近紫外光
值得注意的是，近年來為了適應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，包括碳化硅SiC、藍寶石（Al2O3）等，此外純硅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5  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
 
圖6  今日藍光LED所用的基板材料主要為碳化硅（SiC）或藍寶石（Sapphire，Al2O3），圖為藍寶石

結語
毫無疑問的，無論是集成電路、太陽電池、無線微波、發光二極管等各種的半導體運用，都仍在制做過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舍，包括特性表現（導電、散熱、透光、速度、硬度、熱膨脹性）、制程難易度、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。

（本文摘自臺灣《零組件》雜志）