新材料、進階製程設備挑戰10奈米趨勢

進階半導體製程中，ion implantation為關鍵新材料導入的製作程序，在新一代處理器、高價值的功能晶片均已導入進階製程。Intel

因應行動裝置在增加續航力、體積輕薄化等產品設計需求，晶片製造商、半導體代工業者紛紛將關鍵產品導入3D IC製程，IC製程線寬下探10nm水準，晶片製程導入高階程序與新材料，持續追逐摩爾定律材料極限…

電子產品市場競爭激烈，產品運作效能要求高，考驗產品的電池效能表現，為了提升電子產品規格表現，以智慧型手機、平板電腦這類電子產品，只有經由更換更具效率、更省電的行動處理晶片才能使電子產品有跳躍性的性能提升，目前最有效的IC晶片升級作法除了導入更高密度線寬的先進製程，新的多晶片封裝技術、製程材料優化也能顯著改善整體晶片的效能與節能表現，顯見新IC製程已成為新一代電子產品更換、升級的關鍵，驅動IC製造商與封裝業者持續投入資本探尋更新穎優化的製程方案。

優化半導體製程 產能、產值可同步升級

呼應產品的低功耗設計要求，減少IC內線寬、在半導體相同晶片體積內置入更多電晶體、縮短連線距離也可達到降低晶片耗電設計目的，這也是為什麼晶片製造商為何積極追求電晶體更緊密的製程、更小的線寬，因為當單位面積可置入的晶片功能更多、線寬越小，則代表相同的一片晶圓可製作的元件數量可用倍數增加，不僅提升產能，也能同步為單位產值大幅增值。

因應晶片製程逐步轉向10nm製程，同時導入3D IC的立體化設計架構，更進一步優化縮小線寬帶來的晶片特性改善效果，但為了達到新製程要求，原有製程與材料多半無法因應更緊湊的製作材料而導致製造商必須重新尋覓新製法與材料因應，而半導體常用的矽材料在微縮線寬要求下，也被迫要改用新替代材料取代，以維持縮小線寬後同時還要兼具原有線路應有的導電特性、低阻抗表現，也就是新替代矽材質的材料必須在製作日趨緊湊的電晶體、亦必須同時增強電洞電子遷移率，讓新製品不會因為縮小體積反而影響材料元件應有的特性表現。

封裝技術雖可應付需求 但導入進階製程才能達到積極效益

同時，運用新的封裝技術，如使用晶片堆疊、覆晶等封裝方案，讓即便在製程無法快速滿足高密度的功能需求，也能運用垂直方向的晶片堆疊方式使單一封裝可乘載的晶片功能獲得數倍的提升，如快閃記憶體、隨機寫記憶體等元件就能運用這堆疊技術方案，讓功能特性在不改變晶片製程改善程度有限現制下，還能透過多晶片封裝方式提升數倍元件使用效益。

以半導體製程材料，一般矽材料普遍用於晶圓的磊晶層，但在進階至10nm製程水準時，矽材料已面臨物理極限，續用矽材料製作進階製程不僅影響品質、良率，也會導致晶片微縮的效益降低，半導體製造廠商則轉向開發新材料，研製更穩定、高效率的替代材料因應10nm製程需求。在眾多新材料嘗試中，以鍺和三五族元素新材料最受關注，因為鍺與三五族元素能有效提升電晶體通道電子遷移速度、增加晶片效能，同時達到省電節能目標，鍺和三五族元素已成為進階製程新材料的重點選項。

矽鍺化合物的低能隙特性 優化晶片效能

實際上，嘗試新材料優化製程，也是晶圓製造一環必須投入的研發成本，尤其是材料本身即左右半導體科技能否持續提升生產效益、突破限制的重要手段。而在半導體產業界中，多年前已開始已積極尋找半導體的新替代材料，相關研發也持續進行多年，世界級晶圓製造大廠，如Intel、TSMC、Samsung、GLOBALFOUNDRIES…多積極投入微縮單位體積的新製程，磊晶層材料優化則是提半導體中的單元電晶體通道設計的效能改善重點，而透過材料優化，同時還可達到使晶片更省電、效能數倍翻升的優點。

多數晶圓廠、代工廠持續嘗試在半導體P-type、N-type磊晶層電晶體Source與Drain兩端添加矽鍺化合物(SiGe)，期待透過以矽鍺化合物的低能隙特性進而優化半導體的電性表現，降低整體元件的功耗，在材料特性方面，利用體積較大的鍺材料物理性的擴張或擠壓電晶體的通道，進一步強化Hole Mobility(電洞遷移率)與Electron Mobility(電子遷移率)表現，在這種條件配置下，半導體內的電晶體即可在更低的驅動電壓下維持高速運作、同時也能減少材料本身的漏電流問題，大幅改善整個半導體元器件的電性表現。

挑戰10nm以下製程 三五族元素為決勝關鍵

對未來半導體材料技術演進，鍺材料的導入價值已產生綜效，半導體的材料地位越來越高，已成為新一代半導體電晶體中重要的P通道材料，至於半導體晶的N型部份，製作半導體材料可導入GaAs、InAs與InSb…等三五族元素，但實際上採行砷化鎵、砷化銦與銻化銦相關技術需大幅廷整製程與設備，多數業者相關應用仍多處於測試階段，量產導入技術估計會在10nm或更小線寬製程才會大量導入。

比較現實的問題，在半導體製程進入30nm以下後，單一晶片內的電晶體數即持續暴增，但受限於矽材料本身的物理限制，往往製成的晶片元器件在效能提升方面會因為整體功耗、電性問題導致性能與功能面提升的設計限制，必須釜底抽薪透過置換先進半導體材料才能有效擴展晶片功能、讓半導體製程再持續探索摩爾定律理論極限。

在進入10nm製程激烈競爭之前，最關鍵的就在產線導入關鍵製作設備，相關業者為了佈局市場也紛紛採購重點設備因應，例如離子佈值機(Ion Implantation)製程設備，而離子佈植機是目前半導體、積體電路製造設備中最複雜且龐大的設備儀器，也是左右半導體製程先進程度的關鍵設備。透過離子佈植機，在製程中可針對預欲摻雜的原子、分子轉為帶電離子，再透過加速過程獲得能量、並植入晶片之中，使之能停留在離晶體表面特定深度，進而改變材料本身的物理特性，而進階半導體優化製程即可在此狀態下進行材料處理、加工。離子佈植機能精確控制濃度與摻雜曲線分佈，一般為VLSI(Very Large Scale Integration)製程中用以精準控制精準摻質預置的關鍵技術。