新材料、进阶制程设备挑战10纳米趋势

进阶半导体制程中，ion implantation为关键新材料导入的制作程序，在新一代处理器、高价值的功能芯片均已导入进阶制程。Intel

因应移动设备在增加续航力、体积轻薄化等产品设计需求，芯片制造商、半导体代工业者纷纷将关键产品导入3D IC制程，IC制程线宽下探10nm水准，芯片制程导入高端程序与新材料，持续追逐摩尔定律材料极限…

电子产品市场竞争激烈，产品运作效能要求高，考验产品的电池效能表现，为了提升电子产品规格表现，以智能手机、平板电脑这类电子产品，只有经由更换更具效率、更省电的移动处理芯片才能使电子产品有跳跃性的性能提升，目前最有效的IC芯片升级作法除了导入更高密度线宽的先进制程，新的多芯片封装技术、制程材料优化也能显着改善整体芯片的效能与节能表现，显见新IC制程已成为新一代电子产品更换、升级的关键，驱动IC制造商与封装业者持续投入资本探寻更新颖优化的制程方案。

优化半导体制程 产能、产值可同步升级

呼应产品的低功耗设计要求，减少IC内线宽、在半导体相同芯片体积内置入更多晶体管、缩短连线距离也可达到降低芯片耗电设计目的，这也是为什麽芯片制造商为何积极追求晶体管更紧密的制程、更小的线宽，因为当单位面积可置入的芯片功能更多、线宽越小，则代表相同的一片晶圆可制作的元件数量可用倍数增加，不仅提升产能，也能同步为单位产值大幅增值。

因应芯片制程逐步转向10nm制程，同时导入3D IC的立体化设计架构，更进一步优化缩小线宽带来的芯片特性改善效果，但为了达到新制程要求，原有制程与材料多半无法因应更紧凑的制作材料而导致制造商必须重新寻觅新制法与材料因应，而半导体常用的矽材料在微缩线宽要求下，也被迫要改用新替代材料取代，以维持缩小线宽后同时还要兼具原有线路应有的导电特性、低阻抗表现，也就是新替代矽材质的材料必须在制作日趋紧凑的晶体管、亦必须同时增强电洞电子迁移率，让新制品不会因为缩小体积反而影响材料元件应有的特性表现。

封装技术虽可应付需求 但导入进阶制程才能达到积极效益

同时，运用新的封装技术，如使用芯片堆叠、覆晶等封装方案，让即便在制程无法快速满足高密度的功能需求，也能运用垂直方向的芯片堆叠方式使单一封装可乘载的芯片功能获得数倍的提升，如快闪存储器、随机写存储器等元件就能运用这堆叠技术方案，让功能特性在不改变芯片制程改善程度有限现制下，还能透过多芯片封装方式提升数倍元件使用效益。

以半导体制程材料，一般矽材料普遍用于晶圆的磊晶层，但在进阶至10nm制程水准时，矽材料已面临物理极限，续用矽材料制作进阶制程不仅影响品质、良率，也会导致芯片微缩的效益降低，半导体制造厂商则转向开发新材料，研制更稳定、高效率的替代材料因应10nm制程需求。在众多新材料尝试中，以锗和三五族元素新材料最受关注，因为锗与三五族元素能有效提升晶体管通道电子迁移速度、增加芯片效能，同时达到省电节能目标，锗和三五族元素已成为进阶制程新材料的重点选项。

矽锗化合物的低能隙特性 优化芯片效能

实际上，尝试新材料优化制程，也是晶圆制造一环必须投入的研发成本，尤其是材料本身即左右半导体科技能否持续提升生产效益、突破限制的重要手段。而在半导体产业界中，多年前已开始已积极寻找半导体的新替代材料，相关研发也持续进行多年，世界级晶圆制造大厂，如Intel、TSMC、Samsung、GLOBALFOUNDRIES…多积极投入微缩单位体积的新制程，磊晶层材料优化则是提半导体中的单元晶体管通道设计的效能改善重点，而透过材料优化，同时还可达到使芯片更省电、效能数倍翻升的优点。

多数晶圆厂、代工厂持续尝试在半导体P-type、N-type磊晶层晶体管Source与Drain两端添加矽锗化合物(SiGe)，期待透过以矽锗化合物的低能隙特性进而优化半导体的电性表现，降低整体元件的功耗，在材料特性方面，利用体积较大的锗材料物理性的扩张或挤压晶体管的通道，进一步强化Hole Mobility(电洞迁移率)与Electron Mobility(电子迁移率)表现，在这种条件配置下，半导体内的晶体管即可在更低的驱动电压下维持高速运作、同时也能减少材料本身的漏电流问题，大幅改善整个半导体元器件的电性表现。

挑战10nm以下制程 三五族元素为决胜关键

对未来半导体材料技术演进，锗材料的导入价值已产生综效，半导体的材料地位越来越高，已成为新一代半导体晶体管中重要的P通道材料，至于半导体晶的N型部份，制作半导体材料可导入GaAs、InAs与InSb…等三五族元素，但实际上采行砷化镓、砷化铟与锑化铟相关技术需大幅廷整制程与设备，多数业者相关应用仍多处于测试阶段，量产导入技术估计会在10nm或更小线宽制程才会大量导入。

比较现实的问题，在半导体制程进入30nm以下后，单一芯片内的晶体管数即持续暴增，但受限于矽材料本身的物理限制，往往制成的芯片元器件在效能提升方面会因为整体功耗、电性问题导致性能与功能面提升的设计限制，必须釜底抽薪透过置换先进半导体材料才能有效扩展芯片功能、让半导体制程再持续探索摩尔定律理论极限。

在进入10nm制程激烈竞争之前，最关键的就在产线导入关键制作设备，相关业者为了布局市场也纷纷采购重点设备因应，例如离子布值机(Ion Implantation)制程设备，而离子布植机是目前半导体、集成电路制造设备中最复杂且庞大的设备仪器，也是左右半导体制程先进程度的关键设备。透过离子布植机，在制程中可针对预欲掺杂的原子、分子转为带电离子，再透过加速过程获得能量、并植入芯片之中，使之能停留在离晶体表面特定深度，进而改变材料本身的物理特性，而进阶半导体优化制程即可在此状态下进行材料处理、加工。离子布植机能精确控制浓度与掺杂曲线分布，一般为VLSI(Very Large Scale Integration)制程中用以精准控制精准掺质预置的关键技术。