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半导体产业增值的第三条路径:新材料的应用

半导体产业的共同技术路线图於2016年自原先沿用的ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)转成HIR(Heterogeneous International Roadmap),这象徵了半导体产业增值手段典范的移转:从原先只聚焦在制程微缩为主轴的增值手段,转换成以封装手段将不同制程、不同功能芯片结合在一起的系统整合增值手段。

这当然不意味着制程微缩就停止了它创造价值的功能,只是这方面的进展虽然持续,但能持续发展的已高度限缩在极少数几家公司。而产业共同的技术路线图是用来协调产业中各价值环节的大量公司以共同的步调前进。只有几家公司的研发,毋需如此大费周章。

第三种半导体的增值方式是采用新材料。这在产业内是人人可以琅琅上口,但是比较少见诸於台面的增值手段。

新材料的应用最早期的主要应用方式之一,为解决制程微缩过程中所遭遇的问题。譬如发生在还不算太久以前的以铜导线替代铝以解决电迁移(electromigration)所造成IC可靠性的问题,或者是在DRAM、场效晶体管中以二氧化铪来替代二氧化矽以提高介电常数,减少漏电、增加电容荷电能力。这些是典型的制程微缩问题:制程微缩可以获得芯片面积缩小的经济价值,但是微缩也会使半导体元件降低一些应有的特性能力,此时新材料就会用来解决问题,让制程微缩的路程得以继续。

新材料的应用方式之二为利用材料与矽不同的电性及物性,产生新的应用领域,譬如过去的化合物半导体砷化镓用之於射频、功率放大器,它达到的元件特性是矽基半导体远远无法企及的;又譬如目前快速成长的宽带隙半导体—碳化矽与氮化镓,因为其高击穿电压、高散热系数、高频运作等特性,被应用於高功率、高频元件等。值得注意的是这种应用的方式与制程微缩的增值并不直接相关,现在还有很多的这类新材料元件制造程序还停留在8寸、甚至6寸厂,表示它创造的经济价值与制程微缩有明显的区隔。

第三种新材料的应用方式是利用其特殊性质,设计出新的运作机制,因而产生新的应用方式。以前面提过的二氧化铪为例,它在电压不同时电阻值也不同,超过临界电压时材料就会变成不同相位,而这种变化是持久的,这就是记忆能力,因此这个特性就被应用於可变电阻式存储器(ReRAM),二氧化铪就当成记体体的储存单元。前几年二氧化铪的一种结构被发现有铁电(ferroelectric)性质,因此利用此特性的存储器元件FeRAM、FeFET等纷纷出炉。虽然这种应用创造价值的方式与制程微缩也不同,但是像存储器这种应用当然讲求密度的极大化,所以在新材料元件实施时会搭制程微缩的便车,利用可行的最先进制程。

由於制程微缩的增值方式已接近原分子尺度极限,半导体产业需要多元的增值方式来维持其高科技业持续高速成长的动能。新材料无疑的会扮演愈来愈重要的角色。像走进次纳米的世界,二维材料、半金属这些过去在半导体从未听过的材料纷纷出炉,并且可能变成次纳米元件主要的构成部分。

台湾以前在大型基础科研的国际合作中,往往只被要求贡献半导体元件制作,现在又多了一项:材料。这道理也很简单,半导体的持续发展需要材料科技的投入,而现代的新材料的制造需要对原分子有精密的掌控,这就是纳米技术,掌握在半导体产业手中。也就是说,半导体与材料科技是伴生的,这也解释了为什麽半导体的上游材料产业已有逐渐向台湾倾斜的迹象。正视材料科技,并且将之置於聚光灯下以形成单独产业,有助於增加台湾高科技产业的纵深。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教於中央大学,後转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾於 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在於台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。