半导体料材技术动向及挑战

 

引言
半导体制造技术能否持续突破，材料一直扮演着重要的角色，从最早的锗（Ge），到随后普遍应用的硅（Si），近年来又衍生出更多的材料，本文将针对此方面的新材料、新趋势的发展，以及现有的技术难题等进行讨论。

铜导线材
在半导体技术发展初期的20世纪50年代，主要是以锗元素为材料，不过锗元素的耐高温性不足、抗辐射能力差，以致在20世纪60年代后逐渐被硅元素取代，硅在抗热、抗辐射等方面的表现都优于锗，适合用来制做大功率的集成电路。近年来，随着制造技术不断缩小到0.25um以下，集成电路在线路上的电阻电容延迟（RC-Delay）效应已增大到成为问题，使线路信号难以更快速传递，即晶体管导通、关闭的速率难以更快，并且线路间的串音噪声干扰也增加，这些问题在频率接近1GHz时就会产生。
为了克服这一阻障，必须更换半导体信号线路的材料，从过往的铝（Al）换替成铜（Cu），换材料之后线路的电阻值降低，铝的阻值为2.8微欧姆每厘米（2.8uOhm/cm），铜则是1.7uOhm/cm，这样寄生RC问题获得缓解，芯片的频率速率可进一步推升。同时，铜线路也有更好的抗“电子迁移”能力，使芯片可以更持久地运作。除了换材料，制造过程方面也必须搭配改变，过去铝线是采用溅镀方式制做，换成铜导线则使用电镀方式制做，如此在过程成本上也更为节省。此外，由于铜的反应较为活泼，因此容更易渗到硅基材中，也容易污染无尘室，这使得制造过程中需要更谨慎地控制。
 
图1  1998年IBM公司使用自有的CMOS 7S制程技术来产制芯片，图中的芯片具有六层电路，并使用上铜导线技术，其中晶体管的信道长度仅0.12um（图片来源cc.ee.ntu.edu.tw）

硅绝缘材
芯片电路不断精密后，除了有前面提到的延迟问题外，另一个问题是漏电。漏电问题愈来愈严重的结果是使芯片的功耗攀升，举例而言，过去Intel的Pentium 4处理器其总体功耗的1/4皆为漏电，只有3/4的用电是真正投入运算工作。很明显，过去的硅基板绝缘层（SOS）已难以抑制漏电，需要更换新的绝缘材来强化，业界提出了硅覆绝缘（SOI）技术（上覆硅技术），以二氧化硅（SiO2）为绝缘材减缓漏电率的成长。
善用SOI技术的结果，可以降低芯片50%左右的功耗，如今不仅便携电子产品讲究省电，就连机房用的高速运算也讲究省电，电力成为数据中心营运中，仅次于薪筹的第二大开销，因此在芯片日益强调省电特性下，SOI技术的重要性也持续增高。比较特别的是，业界也有人对SOI技术持不同看法，虽然硅绝缘抑制了漏电，但连带也阻碍了热消散。因为在于二氧化硅的热传导率低于50W/mk，而硅则是120W/mk，既然热消散不易，也就连带限制了芯片频率的提升，因为更高频率的运作会加速热的产生。再者，绝缘的氧化物具有离子化倾向，受辐射所影响则容易诱发出额外的电流，使芯片内噪声增加。
因此，也有人提出以钻石为绝缘层的作法，称为SOD，钻石的本质为碳（C），绝缘性佳（每公分阻值为10的16次方欧姆）、热传导率高（大于1200W/mk），可有效绝缘又可有效散热。虽然如此，但SOI仍是一项具变革性的新材料作法，目前SOI主要是用氧植入（SIMOX）法或氢植入法，其中氢植入法以法国Soitec公司的Smart Cut技术为主。
 
图2  IBM为日本任天堂（Nintendo）的新世代电视游乐器：Wii所设计、产制的中央处理器：Broadway（百老汇）即有使用上SOI制程技术。图为IBM的无尘室工作者正在检视Broadway芯片（图片来源IBM）

低介电质材

如前所述，铜导线技术在于降低RC-Delay效应，而铜线主要的目的是降低R值，但对线路与线路间的C值却没有改善，为了改善线路间的绝缘效果，人们开始思索用新的绝缘材料来替代原有的SiO2绝缘材料，这方面的替代方案称为低介电质技术。所谓低介电质，其k值（介电系数）愈低则绝缘性愈高，SiO2的k值约在3.9～4.5间，而可行的替代材料包括氟硅玻璃（FSG）、黑钻石、BLOK（Barrier Low k）等。以FSG而言，事实上还有不同的制成方法，以化学气相沉积法（CVD）产生的，可使k值达2.6～3.1，而使用旋转式涂布法（SOD）的则更可低至2.0。当然，最好的低介电质是真空，其k值为1，干燥的空气则接近1，但因为不是固态物而无法使用。
 
图3  Intel在其开发者论坛上提及用High-k材料取代现有的SiO2，做为晶体管闸极的绝缘层，使用High-k材料不仅可让晶体管运作更快速，也有助于减少漏电（图片来源：www.intel.com）

高介电质、应变硅

除上述外，为了让芯片有更快的效能，提出了高介电质与应变硅等技术，高介电质材料主要是替换原有位在闸极金属电极与硅基板间的SiO2绝缘材，如此可使晶体管的导通、关闭更加快速，推计可比传统SiO2作法快上60%，此外闸极的漏电也能降低（将绝缘层加厚），降低漏电就能减少功耗与发热。不过目前高介电质技术仍有些方面不易突破。至于应变硅方面，应变硅技术并非更替材料，晶圆基板材料依旧是硅，但却改变硅原子结构的间距，使电子移动的速度增快，进而提升芯片的运作效率。

太阳能板

由于石油将在数十年后用尽，使人们增加对太阳能发电、太阳电池等技术的关注度，其中太阳能发电中的太阳能板也是用半导体材料所制做。目前太阳电池最广泛使用的材料为硅，并可分成晶硅与非晶硅，其中晶硅还可再分成单晶硅与多晶硅，如此即有三种类型的材料：单晶硅、多晶硅、非晶硅，三种材料的光电转换效率也各有差异，分别为12%～24%、10%～19%、1%～13%，而真正较常运用的是单晶与非晶，前者因转换效率高而受青睐，后者则因为成本低、制造容易。要注意的是，非晶硅除纯硅之外，也有化合性质的作法，如碳化硅SiC、锗化硅SiGe、氢化硅SiH、氧化硅SiO等等。除了硅为主体的太阳能基板，也有非硅的化合物作法，一样区分成单晶类与多晶类，单晶类的材料为砷化镓GaAs、磷化铟InP；多晶类则有硫化镉CdS、碲化镉CdTe、铜锗化铟CuInSe、二锗铜化铟/镓Cu(In,Ga)Se2等等。非晶硅材料或化合物材料多用在薄膜技术制成太阳能板中。

附带一提的还有一种初展露、尚在研发的有机（Oganic）太阳能电池、纳米太阳能电池，使用的材料为二氧化钛TiO2，然而因为光电转换率仅1%～4%，离实用化仍有一段距离。
 
图4  德国西门子公司（Siemens）用单晶硅材料制成的太阳能基板

无线射频

无线射频（RF）电路、集成电路、微波功率电路等所用的材料，必须从形成的基础构造来讨论，这包括晶体管、异质接面双极晶体管（HBT）、金属半导体场效晶体管（MESFET）、以及高电子迁移率晶体管（HEMT，也称异质结构场效晶体管HFET）。
在具体材料上，晶体管用的是硅，HBT的基板部分使用SiGe、GaAs，其上的生成层则用AlGaAs、InP、InGaP，此外宽能带（Wide-bandgap）的材料也备受瞩目，如GaN、InGaN；MESFET则是GaAs、InP、SiC（从未使用纯硅）；HEMT则是以“GaAs与AlGaAs”或“AlGaN与GaN”所构成。除了材料外，基础结构也有所不同，以Si为主材料若用于射频电路中，多半采行BiCMOS的基础结构，即是结合BJT与CMOS的结构特点而成，此称为Si BiCMOS制程技术，射频电路采行SiGe、Si BiCMOS等作法，在高频运作时有较好的表现。
另外，与HEMT相关的还有pHEMT、mHEMT等，使用的基板主材是GaAs，缓冲层则是AlInAs，信道材料则是GaInAs。

发光二极管

过去认为发光二极管仅做为状态灯号之用，但其实这只是可见光的部分，不可见光的红外线LED、紫外线LED也各有用途：红外线LED用于遥控器、保全装置；紫外线则用于钞票鉴识器、树脂硬化、光催化等;最新的超短波长的远紫外线LED则可望用在污染物分解、新型光储存媒体读写、纳米科技等。更进一步，由于蓝光技术成熟后，白光也成为可行，加上亮度表现的不断提升，使LED的应用范畴逐渐提升，包括液晶显示器的背光、电子照明等开始陆续采行LED。以下列出常见的LED发光材料：
AlGaAs：红光、红外光
AlGaP：绿光
AlGaInP：高亮度的橘光、橙光、黄光、绿光
GaAsP：红光、橘光、黄光
GaP：红光、黄光、绿光
GaN：绿光、草绿光、蓝光
InGaN：近紫外光，蓝绿光，蓝光
ZnSe：蓝光
C（钻石）：紫外光
AlN：远紫外光～近紫外光
AlGaN：远紫外光～近紫外光
值得注意的是，近年来为了适应LED持续提升亮度的需求，在（蓝光LED）基板材料上也进行了多番变革，包括碳化硅SiC、蓝宝石（Al2O3）等，此外纯硅的材料也相当受到关切，尤其基板不仅要与发光体搭配，还必须达到最高的透光率，以免阻碍发光体的亮度发挥。
 
图5  运用红光LED的照射使植物（农作物）增长，此种作法未来有可能运用在太空中生产食物
 
图6  今日蓝光LED所用的基板材料主要为碳化硅（SiC）或蓝宝石（Sapphire，Al2O3），图为蓝宝石

结语
毫无疑问的，无论是集成电路、太阳电池、无线微波、发光二极管等各种的半导体运用，都仍在制做过程与材料上进行精进、提升与突破，甚至经常要在各种取向中权衡取舍，包括特性表现（导电、散热、透光、速度、硬度、热膨胀性）、制程难易度、材料成本等，进一步的还要规避他人的专利而达到相同目的，以及更外围的封装材料与技术搭配。然而技术的突破也使市场及应用更加宽广，这也是半导体材料技术持续诱人与争相投入的原因。

（本文摘自台湾《零组件》杂志）