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半導體產業增值的第三條路徑:新材料的應用

半導體產業的共同技術路線圖於2016年自原先沿用的ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)轉成HIR(Heterogeneous International Roadmap),這象徵了半導體產業增值手段典範的移轉:從原先只聚焦在製程微縮為主軸的增值手段,轉換成以封裝手段將不同製程、不同功能晶片結合在一起的系統整合增值手段。

這當然不意味著製程微縮就停止了它創造價值的功能,只是這方面的進展雖然持續,但能持續發展的已高度限縮在極少數幾家公司。而產業共同的技術路線圖是用來協調產業中各價值環節的大量公司以共同的步調前進。只有幾家公司的研發,毋需如此大費周章。

第三種半導體的增值方式是採用新材料。這在產業內是人人可以琅琅上口,但是比較少見諸於檯面的增值手段。

新材料的應用最早期的主要應用方式之一,為解決製程微縮過程中所遭遇的問題。譬如發生在還不算太久以前的以銅導線替代鋁以解決電遷移(electromigration)所造成IC可靠性的問題,或者是在DRAM、場效電晶體中以二氧化鉿來替代二氧化矽以提高介電常數,減少漏電、增加電容荷電能力。這些是典型的製程微縮問題:製程微縮可以獲得晶片面積縮小的經濟價值,但是微縮也會使半導體元件降低一些應有的特性能力,此時新材料就會用來解決問題,讓製程微縮的路程得以繼續。

新材料的應用方式之二為利用材料與矽不同的電性及物性,產生新的應用領域,譬如過去的化合物半導體砷化鎵用之於射頻、功率放大器,它達到的元件特性是矽基半導體遠遠無法企及的;又譬如目前快速成長的寬帶隙半導體—碳化矽與氮化鎵,因為其高擊穿電壓、高散熱係數、高頻運作等特性,被應用於高功率、高頻元件等。值得注意的是這種應用的方式與製程微縮的增值並不直接相關,現在還有很多的這類新材料元件製造程序還停留在8吋、甚至6吋廠,表示它創造的經濟價值與製程微縮有明顯的區隔。

第三種新材料的應用方式是利用其特殊性質,設計出新的運作機制,因而產生新的應用方式。以前面提過的二氧化鉿為例,它在電壓不同時電阻值也不同,超過臨界電壓時材料就會變成不同相位,而這種變化是持久的,這就是記憶能力,因此這個特性就被應用於可變電阻式記憶體(ReRAM),二氧化鉿就當成記體體的儲存單元。前幾年二氧化鉿的一種結構被發現有鐵電(ferroelectric)性質,因此利用此特性的記憶體元件FeRAM、FeFET等紛紛出爐。雖然這種應用創造價值的方式與製程微縮也不同,但是像記憶體這種應用當然講求密度的極大化,所以在新材料元件實施時會搭製程微縮的便車,利用可行的最先進製程。

由於製程微縮的增值方式已接近原分子尺度極限,半導體產業需要多元的增值方式來維持其高科技業持續高速成長的動能。新材料無疑的會扮演愈來愈重要的角色。像走進次奈米的世界,二維材料、半金屬這些過去在半導體從未聽過的材料紛紛出爐,並且可能變成次奈米元件主要的構成部分。

台灣以前在大型基礎科研的國際合作中,往往只被要求貢獻半導體元件製作,現在又多了一項:材料。這道理也很簡單,半導體的持續發展需要材料科技的投入,而現代的新材料的製造需要對原分子有精密的掌控,這就是奈米技術,掌握在半導體產業手中。也就是說,半導體與材料科技是伴生的,這也解釋了為什麼半導體的上游材料產業已有逐漸向台灣傾斜的跡象。正視材料科技,並且將之置於聚光燈下以形成單獨產業,有助於增加台灣高科技產業的縱深。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。