材料創新助力半導體製程超越極限

作者 : SEMI

隨著半導體製程持續朝個位數字奈米節點邁進,同時尋求藉由先進封裝技術實現「超越摩爾定律」(More than Moore)的異質整合解決方案,各種材料在其中扮演著不可或缺甚至是突破性的角色...

2020年已然在人類歷史上留下特殊印記──肆虐全球的新冠病毒肺炎(Covid-19)疫情徹底改變了人們的日常生活與工作模式,導致國際交通與眾多商業活動停擺,所造成的影響迄今仍難以估計。不過這場危機也加深大眾對於各種電子科技的依賴度,更進一步突顯了驅動這些科技的半導體產業之重要性。

作為全球半導體製造重鎮也是最大半導體材料消費市場的台灣,在過去幾個月成為國際間的「防疫模範生」,整體產業鏈也充分展現彈性應變實力,在疫情中仍然維持正常運轉、供應各方需求。而就如同台積電(TSMC)資深處長何軍在SEMICON Taiwan 2020國際半導體展期間舉行的策略材料高峰論壇(Strategic Material Conference,SMC)開場致詞時所言,「這是非常關鍵的任務,因為半導體不只能實現最新的手機或是遊戲機,還能拯救許多生命。」

隨著半導體製程持續朝個位數字奈米節點邁進,同時尋求藉由先進封裝技術實現「超越摩爾定律」(More than Moore)的異質整合解決方案,各種材料在其中扮演著不可或缺甚至是突破性的角色,包括傳統矽晶之外的其他半導體材料、封裝載板等等,以及在IC製程各步驟所需的不同化學品。而除了材料本身的技術創新,供應商如何進一步提高生產品質以因應先進製程節點對材料純淨化與客製化的需求,並在發生疫情危機時不讓生產線與物流發生中斷,都是必須一一克服的挑戰。

新材料成為半導體製程技術突破關鍵

在半導體元件本身的創新材料方面,不可不提的新興技術之一是近年來在市場上備受矚目的寬能隙(WBG)半導體,其中氮化鎵(GaN)具備高擊穿電流、開關速度與低導通電阻、開關損耗等特性,是催生新一代高頻高壓功率元件的明星技術,在電動車、電源開關/轉換器等應用領域的發展潛力看好。

交大副校長、材料科學與工程學系教授張翼在SMC專題演說中分享了以氮化鋁鎵(AlGaN)/氮化鎵/氮化鋁鎵雙異質磊晶結構(DH-FET)與低溫中間層(LT-interlayer)緩衝結構實現600V高擊穿電壓GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)元件,還有採用混合鐵電材料電荷陷阱閘極堆疊結構(hybrid ferroelectric charge trap gate stack,FEG-HEMT)實現高閾值電壓(Vth) E-mode GaN HEMT的技術成果,並達到了最長距離150公分的遠距充電應用實驗,可與業界進一步商業化合作。

半導體元件持續挑戰5奈米以下節點的微縮,除了極紫外光(EUV)、多重圖形(multi-patterning)等新一代微影技術的運用,包括利用原子層沉積(ALD)實現的區域選擇性沉積(ASD)、定向自組裝(DSA)等等所謂「由下而上」(bottom-up)的解決方案,被視為能有效簡化半導體個位數奈米級先進製程步驟、降低生產成本的突破性技術;而這類「由下而上」製程的成功與否,材料的創新扮演了決定性的關鍵角色。

德國大廠默克(Merck)致力於透過研發能提升選擇性沉積製程良率的創新材料,例如以烷硫醇(Alkanethiol)化合物為基礎的自組裝單分子層(SAM)材料,以及強化介電質薄膜高深寬比間隙填充(gap filling)效益的旋塗式介電(SOD)、流動式化學氣相沉積(FCVD)等技術,與半導體製造廠客戶共同克服製程微縮的艱困挑戰。該公司資深副總裁冉紓睿(Dr. Surésh Rajaraman)除了在SMC專題演說中分享最新研發進展,也強調「未來的半導體演進無法單靠一家材料供應的解決方案或創新來實現,需要透過產業生態系統夥伴的緊密合作,凝聚更強大的力量。」

如亞太國際電機(Kokusai Electric Asia Pacific)總經理金山健司(Kenji Kanayama)就從半導體設備備製造商的角度,呼籲材料業者在產品早期開發階段就與設備業者共同合作,如此不但能達到縮短開發週期的效果,也能實現滿足各方面需求的創新解決方案。

具有百年歷史的法國工業氣體材料大廠液空集團(Air Liquide)技術長Dr. Jean-Marc Girard也呼應了以上看法,指出要讓ASD製程成功大量生產,需要整個產業生態系更深層的合作。Air Liquide是半導體沉積製程前驅物(precursor)化學品領導供應商,Girard在SMC演說中拋出的一個重要問題是,隨著半導體製程微縮更倚重於沉積製程與相關材料的創新,「如何讓產業界採用這些創新技術的同時,維持其成本的可負擔性?」

一種創新材料從開發到被業界廣泛採用,期間涉及的成本包括合成新材料所需的化學元素可取得性、材料合成的程序與設備,以及將材料供應至客戶端的容器與輸送系統等等。不過儘管需要權衡考量的面向相當複雜,Girard指出,「材料創新的目標與客戶希望成本可負擔的需求並不會背道而馳;」透過以智慧新方法重複利用現有設備與技術、擴大成熟產品應用範圍,還有利用分子微調技術簡化材料製程、提升使用效益,都有助於改善新材料的總持有成本,讓新一代製程能以更快的速度提升良率並被廣泛採用。

對安全性、永續供應與高品質的追求

Girard在演說最後強調,在追求材料創新的過程中,唯一不可妥協、沒有捷徑的考量點就是「安全」;而對於材料供應商來說,如何確保各種材料在運送流程與製程生產線上符合業界安全性標準,與來自客戶的嚴苛的品質要求,以及訂定妥善的供應鏈管理(SCM)與企業營運持續計畫(Business Continuity Plan,BCP),好在諸如Covid-19疫情等危機發生時不致發生供應中斷的情況,並避免自家公司與客戶面臨生產風險,會是與技術創新同樣重要的課題。

美商Moses Lake Industries (MLI)銷售與業務開發副總裁Mark Joseph Willey指出,以往大多數半導體製造商在選擇材料供應商時,會著重考量其價格、品質、技術能力等等條件,卻很少注意到其通常分散於全球不同區域之整體供應鏈的強韌性;而這個條件會在Covid-19影響下被放大檢視,因此材料供應商必須要謹慎檢視供應鏈策略。Willey分享MLI自身的經驗,表示該公司早在疫情發生前的過去幾年,就投入資源延攬SCM與BCP專家訂定最佳計畫,確保其供應鏈的彈性/復原能力(resilience),因此在Covid-19期間完全未遭遇中斷生產的情況。

長期觀察全球材料供應鏈的旗艦國際管理顧問有限公司(Linx Consulting)執行董事Mike Corbett亦強調BCP越來越顯著的重要性;他指出,市場對先進半導體製程的需求在疫情中不減反增,因此對製造商來說,材料供應商的穩定性非常關鍵。在這種趨勢下,具備建立第二供應來源、多生產據點能力的大型材料供應商將佔據優勢,但資源有限的本地小型業者就可能因為缺乏備援能力或難以負擔庫存成本而面臨窘境。

根據Corbett的觀察,隨著半導體各個製程步驟的技術創新,對材料的需求會越來越多樣化,這也為製造商帶來管理大量化學品與相容性的挑戰;他認為,半導體材料的開發會朝向更高程度客製化的趨勢發展,也預測材料供應商領域將會出現一波整併。

為半導體晶圓廠客戶提供專用特殊化學品、先進材料,以及半導體生產線污染控制、晶圓輸送等解決方案的美商英特格(Entegris)先進技術應用處處長陳柏嘉也同意,半導體先進製程節點應用的材料越來越多樣化,而且材料對於提升半導體元件性能的貢獻度比重隨著製程節點朝個位數奈米前進而持續增加,超越了微縮技術與元件本身的設計。他並指出,採用新電晶體架構與新材料的先進半導體製程,對於材料的純淨度更為敏感。。

陳柏嘉表示,對先進製程良率影響重大的污染源無所不在,橫跨整個供應鏈以及生產流程,材料供應商除了得更注重自家產品的純化,還要能提供材料從出廠到抵達客戶生產線的整個運輸與應用過程都能實現污染控制的全套解決方案,涵蓋儲存容器、輸送系統、過濾裝置,以及這些設備與客戶生產線的清潔服務,再搭配檢測技術,才能因應先進製程的嚴苛要求。

針對5奈米以下先進半導體製程對材料的高純度要求,關東鑫林科技(KANTO-PPC)技術經理黃覃君表示,該公司的解決方案是透過為化學品建立「指紋」資料庫,紀錄其原材料、反應作用後產物/副產物、生產設備與程序、污染源、去雜質方法…等等特性,並強化自家實驗室的分析檢測與模擬能力來有效管理並提升產品品質。她表示,化學產業的萌芽可回溯至18世紀,許多半導體製程應用的化學品配方其實都已年代久遠,材料業者的使命就是持續為它們賦予新功能,同時與客戶緊密合作打造符合新製程與應用需求的最佳化方案。

與時俱進 以創新思維迎接新挑戰

對於材料品質為先進製程良率帶來的影響,晶圓代工龍頭台積電可以說是最重視此議題的半導體製造商之一;為有效執行進料品質控制(IQC),該公司也著手嘗試將最新的人工智慧(AI)/機器學習(ML)演算法導入系統,期望透過缺陷與異常問題大數據分類與分析,實現製程參數最佳化、可靠度的提升以及預測性設備維護等目標。不過台積電技術副理林亭宏強調,要利用AI實現高準確度、高效率的缺陷檢測與品質控管,仍有待時間累積、讓機器持續透過大量資料進行訓練,就如同汽車的自動駕駛技術,還需要充分的測試才能正式上路。

無論如何,能以前瞻眼光搶先投入資源推動研發創新,是廠商取得市場競爭力的關鍵策略。如半導體封裝大廠日月光(ASE)集團研發中心副總經理張欣晴在SMC分享該公司結合系統級封裝(SiP)與類載板PCB (SLP)實現能滿足元件多功能需求、同時降低總成本的異質整合解決方案,以及支援5G毫米波通訊的天線封裝(AiP)技術,就是在應用市場起飛之前領先業界取得競爭優勢的最佳案例之一。

其他在早期投入材料創新研發的案例,還有如光洋應用材料(Solar Applied Materials Technology)針對在AI與邊緣運算等新興應用具備發展潛力的STT-MRAM、PCRAM等新一代非揮發性記憶體,開發FeCoB等各種合金材料;還有美國大廠康寧(Corning)分別針對半導體前、後段製程開發支援先進封裝載板與光學感測器生產的創新玻璃材料技術。

今日的創新技術將成未來造福大眾科技的堅實基礎,主辦SMC的SEMI台灣材料委員會,最大的期望就是透過將產、學界的技術研發熱情傳遞給下一個世代,延續這樣的創新能量。而如同在SMC發表專題演說的台灣永光化學創辦人暨榮譽董事長陳定川所言,科技演進的過程中,「人」是最重要的核心,產業界能改變文化、建立策略合作關係,尊重、學習彼此優點,並注重人才培育,將是台灣半導體業再創下一個50年發展榮景的關鍵。

 

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