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半導體製作流程
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2010-06-08 22:39:19
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http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=8235&ctNode=40&mp=1
歷經三十餘年的發展,半導體技術已經從微米進步到奈米尺度。所謂的「微電子」也被「奈米電子」所取代,電子產品會更輕薄短小,也更便宜好用。未來的挑戰在哪裡呢?

什麼是半導體技術

半導體技術就是以半導體為材料,製作成元件及積體電路的技術。在周期表裡的元素,依照導電性大致可以分成導體、半導體與絕緣體三大類。最常見的半導體是矽(Si),當然半導體也可以是兩種元素形成的化合物,例如砷化鎵(GaAs),但化合物半導體大多應用在光電方面。

絕大多數的電子元件都是以矽為基材做成的,因此電子產業又稱為半導體產業。半導體技術最大的應用是積體電路(IC),舉凡電腦、手機、各種電器與資訊產品中,一定有 IC 存在,它們被用來發揮各式各樣的控制功能,有如人體中的大腦與神經。

如果把電腦打開,除了一些線路外,還會看到好幾個線路板,每個板子上都有一些大小與形狀不同的黑色小方塊,周圍是金屬接腳,這就是封裝好的 IC。如果把包覆的黑色封裝除去,可以看到裡面有個灰色的小薄片,這就是 IC。

如果再放大來看,這些 IC 裡面布滿了密密麻麻的小元件,彼此由金屬導線連接起來。除了少數是電容或電阻等被動元件外,大都是電晶體,這些電晶體由矽或其氧化物、氮化物與其他相關材料所組成。整顆 IC 的功能決定於這些電晶體的特性與彼此間連結的方式。

半導體技術的演進,除了改善性能如速度、能量的消耗與可靠性外,另一重點就是降低製作成本。降低成本的方式,除了改良製作方法,包括製作流程與採用的設備外,如果能在矽晶片的單位面積內產出更多的 IC,成本也會下降。所以半導體技術的一個非常重要的發展趨勢,就是把電晶體微小化。當然元件的微小化會伴隨著性能的改變,但很幸運的,這種演進會使 IC 大部分的特性變好,只有少數變差,而這些就需要利用其他技術來彌補了。

半導體製程有點像是蓋房子,分成很多層,由下而上逐層依藍圖布局疊積而成,每一層各有不同的材料與功能。隨著功能的複雜,不只結構變得更繁複,技術要求也越來越高。與建築物最不一樣的地方,除了尺寸外,就是建築物是一棟一棟地蓋,半導體技術則是在同一片晶片或同一批生產過程中,同時製作數百萬個到數億個元件,而且要求一模一樣。因此大量生產可說是半導體工業的最大特色 。

把元件做得越小,晶片上能製造出來的 IC 數也就越多。儘管每片晶片的製作成本會因技術複雜度增加而上升,但是每顆 IC 的成本卻會下降。所以價格不但不會因性能變好或功能變強而上漲,反而是越來越便宜。正因如此,綜觀其他科技的發展,從來沒有哪一種產業能夠像半導體這樣,持續維持三十多年的快速發展。

半導體製程是一項複雜的製作流程,先進的 IC 所需要的製作程序達一千個以上的步驟。這些步驟先依不同的功能組合成小的單元,稱為單元製程,如蝕刻、微影與薄膜製程;幾個單元製程組成具有特定功能的模組製程,如隔絕製程模組、接觸窗製程模組或平坦化製程模組等;最後再組合這些模組製程成為某種特定 IC 的整合製程。

半導體奈米技術

奈米技術有很多種,基本上可以分成兩類,一類是由下而上的方式或稱為自組裝的方式,另一類是由上而下所謂的微縮方式。前者以各種材料、化工等技術為主,後者則以半導體技術為主。

以前我們都稱 IC 技術是「微電子」技術,那是因為電晶體的大小是在微米(10-6米)等級。但是半導體技術發展得非常快,每隔兩年就會進步一個世代,尺寸會縮小成原來的一半,這就是有名的摩爾定律(Moore's Law)。

大約在 15 年前,半導體開始進入次微米,即小於微米的時代,爾後更有深次微米,比微米小很多的時代。到了 2001 年,電晶體尺寸甚至已經小於 0.1 微米,也就是小於 100 奈米。因此現在是奈米電子時代,未來的 IC 大部分會由奈米技術做成。但是為了達到奈米的要求,半導體製程的改變須從基本步驟做起。每進步一個世代,製程步驟的要求都會變得更嚴格、更複雜。

製程技術的挑戰

曝光顯影:在所有的製程中,最關鍵的莫過於微影技術。這個技術就像照相的曝光顯影,要把 IC 工程師設計好的藍圖,忠實地製作在晶片上,就需要利用曝光顯影的技術。在現今的奈米製程上,不只要求曝光顯影出來的圖形是幾十奈米的大小,還要上下層結構在 30 公分直徑的晶圓上,對準的準確度在幾奈米之內。這樣的精準程度相當於在中國大陸的面積上,每次都能精準地找到一顆玻璃彈珠。因此這個設備與製程在半導體工廠裡是最複雜、也是最昂貴的。

以目前最先進的 12 吋晶圓的量產曝光機為例,價格在新臺幣 7 ~ 8 億左右,而且一個大型的工廠裡就需要將近 10 部。這也是為什麼一個 12 吋的晶圓廠,動輒需要上千億臺幣的投資。

半導體技術進入奈米世界後,除了水平方向尺寸的微縮造成對微影技術的嚴苛要求外,在垂直方向的要求也同樣地嚴格。一些薄膜的厚度都是 1 ~ 2 奈米,而且在整片 12 吋晶片上的誤差小於 5%。這相當於在100個足球場的面積上要很均勻地舖上一層約1公分厚的泥土,而且誤差要控制在 0.05 公分的範圍內。

蝕刻:另外一項重要的單元製程是蝕刻,這有點像是柏油路面的刨土機或鑽孔機,把不要的薄層部分去除或挖一個深洞。只是在半導體製程中,通常是用化學反應加上高能的電漿,而不是用機械的方式。在未來的奈米蝕刻技術中,有一項深度對寬度的比值需求是相當於要挖一口 100 公尺的深井,挖完之後再用三種不同的材料填滿深井,可是每一層材料的厚度只有 10 層原子或分子左右。這也是技術上的一大挑戰。

除了精準度與均勻度的要求外,在量產時對於設備還有一項嚴苛的要求,那就是速度。因為時間就是金錢,在同樣的時間內,如果能製造出較多的成品,成本自然下降,價格才有競爭力。另外品質的穩定性也非常重要,不只同一批產品的品質要一樣,今天生產的 IC 與下星期、下個月生產的也要具有同樣的性能,因此品質管控非常重要。通常量產工廠對於生產條件的管制,包括原料、設備條件、製程條件與環境條件等要求都非常嚴格,不容任意變更,為的就是保持品質的穩定度。

材料問題

電子元件進入奈米等級後,在材料方面也開始遭遇到一些瓶頸,因為原來使用的材料性能已不能滿足要求。最簡單的一個例子,是所謂的閘極介電層材料;這層材料的基本要求是要能絕緣,不讓電流通過。現在使用的是由矽基材氧化而成的二氧化矽,在一般狀況下這是一個非常好的絕緣材料。

但因元件的微縮,使得這層材料需要越做越薄。在奈米尺度時,如果繼續使用這個材料,這層薄膜只能有約 1 奈米的厚度,也就是 3 ~ 4 層分子的厚度。但是在這種厚度下,任何絕緣材料都會因為量子穿隧效應而導通電流,造成元件漏電,以致失去應有的功能,因此只能改用其他新材料。但二氧化矽已經沿用了三十多年,幾乎是集各種優點於一身,這也是使矽能夠在所有的半導體中脫穎而出的關鍵,要找到比它功能更好的材料與更合適的製作方式,實在難如登天。

而且,材料是元件或 IC 的基礎,一旦改變,所有相關的設備與後續的流程都要跟著改變,真的是牽一髮而動全身,所以半導體產業還在堅持,不到最後一刻絕對不去改變它。這也是為什麼 CPU 會越來越燙,消耗的電力越來越多的原因。因為現在的 CPU 中,電晶體數量甚多,運作又快速,而每一個電晶體都會「漏電」所造成。這種情形對桌上型電腦可能影響不大,但在可攜式的產品如筆記型電腦或手機,就會出現待機或可用時間無法很長的缺點。

也因為這樣,近年來許多學者相繼提出各種新穎的結構或材料,例如利用自組裝技術製作奈米碳管電晶體,想利用奈米碳管的優異特性改善其功能或把元件做得更小。但整個產業要做這麼大的更動,在實務上是不可行的,頂多只能在特殊的應用上,如特殊感測元件,找到新的出路。

進步快速的主因

儘管有種種挑戰,半導體技術還是不斷地往前進步。分析其主要原因,總括來說有下列幾項。

先天上,矽這個元素和相關的化合物性質非常好,包括物理、化學及電方面的特性。利用矽及相關材料組成的所謂金屬氧化物半導體場效電晶體,做為開關元件非常好用。此外,因為性能優異,輕、薄、短、小,加上便宜,所以應用範圍很廣,可以用來做各種控制。換言之,市場需求很大,除了各種產業都有需要外,新興的所謂 3C 產業,更是以 IC 為主角。

因為需求量大,自然吸引大量的人才與資源投入新技術與產品的研發。產業龐大,分工也越來越細。半導體產業可分成幾個次領域,每個次領域也都非常龐大,譬如 IC 設計、光罩製作、半導體製造、封裝與測試等。其他配合產業還包括半導體設備、半導體原料等,可說是一個火車頭工業。

因為投入者眾,競爭也劇烈,進展迅速,造成良性循環。一個普遍現象是各大學電機、電子方面的課程越來越多,分組越細,並且陸續從工學院中獨立成電機電子與資訊方面的學院。其他產業也紛紛尋求在半導體產業中的應用,這在全世界已經變成一種普遍的趨勢。

總而言之,半導體技術已經從微米進步到奈米尺度,微電子已經被奈米電子所取代。半導體的奈米技術可以代表以下幾層意義:它是唯一由上而下,採用微縮方式的奈米技術;雖然沒有革命性或戲劇性的突破,但整個過程可以說就是一個不斷進步的歷程,這種動力預期還會持續一、二十年。

此外,元件會變得更小,IC 的整合度更大,功能更強,價格也更便宜。未來的應用範圍會更多,市場需求也會持續增加。像高速個人電腦、個人數位助理、手機、數位相機等等,都是近幾年來因為 IC 技術的發展,有了快速的 IC 與高密度的記憶體後產生的新應用。由於技術挑戰越來越大,投入新技術開發所需的資源規模也會越來越大,因此預期會有更大的就業市場與研發人才的需求。

相關附件:《科學發展》2005年9月,393期,6∼11頁

2010-06-08 22:43:56
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