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先進半導體製程與材料選擇
作者：宋健民／中國砂輪企業股份有限公司總經理 日期：2008/12/10 來源：半導體科技
人類的物質文明可以說是建立在「材料科技」上，從史前的石器時代，到發明文字後的鐵器時代，或從近代的塑膠時代，到現在的矽晶時代，都是材料科技的里程碑，而物質文明的巔峰極緻將為「鑽石時代」...工欲善其事，必先利其器，鑽石，在現今環境裡，不再只是首飾，在工業應用可是極為重要的礦材，在一般工業用途最常見用於切割，為了在車床上做良好的切削，車刀本身也應具備足夠的強度、硬度、而且耐磨、耐熱。其中尤以鑽石刀具，常用於高級表面加工時，使用圓形或表面有刃緣的工業用鑽石來進行光製，得到更為光滑的表面。
鑽石時代
鑽石不僅質地堅硬，也早已成工業製造中不可或缺的超級磨料(每年使用1,000公噸)，它同時也是特性最優越的半導體！鑽石性能遠超過現在的主流矽晶。「鑽石」更已用在矽晶半導體的生產上(如台灣領先世界的鑽石碟)。此外，鑽石可成為矽晶積體電路(IC)最好的絕緣體及CPU最快的散熱面，有如下述。
摩爾定律
人類科技進步最快速的產品，即為積體電路(Integrated Circuit或IC)。1965年Intel的共同創始人Gordon Moore，曾大膽預言電腦CPU上的電晶體數目會以倍數成長，這個所謂的摩爾定律 (Moore’s Law)，迄今仍以每18個月成長1倍的高速持續挺進。由於電晶體的倍數成長已超過40年，2007年Intel推出的Penryn4核心晶片上竟有高達8億2,000萬個電晶體。
圖一：摩爾定律使IC內電路的線寬急速變窄，而其厚薄的差異更只有線寬的1/10，這種設計規格，使製程的困難度大幅提高，因此IC電路極小時，電流信號(Signal)與亂流雜訊(Noise)就難以區分。
45 nm IC 由於電晶體越來越多，它的尺寸越來越小，而聯結電晶體的電路(Interconnect)也越來越密。上述的Penryn晶片線寬已小至45 nm，相當於較小的濾過性病毒(Virus)。可以這麼形容，Penryn是藥片大小的晶片，其上密佈接近中國人口總數，但比病菌小10倍的電路開關。
2007年，只有Intel及台積電(TSMC)有能力量產45nm的IC。但全球的其他主要半導體大戶，都加入IBM聯盟(Consortium)合作發展45nm的IC製程，預計在今年許多聯盟成員將陸續導入量產45nm的IC。
圖二：2007年Intel推出以High K Metal Gate的Penryn晶片(45nm)。
半導體的三國演義
值得注意的是，IBM不僅將移轉45nm的技術給晶圓代工的韓國三星(Samsung)及新加坡特許(Chartered Semiconductor)，更將技術賣給了中國的中芯。
中芯已開始規劃在深圳成立研發中心，及建設8吋和12吋兩座晶圓廠，準備接收IBM領先世界的技術。中芯本身也開始在12吋晶圓上生產65nm的IC。台積電及聯電雖是晶圓代工的龍頭，但面對IBM的技術輸出，將會被北、中、南的低價製造者聯合夾殺。Intel早看出國際無力封殺中芯，因此就進行「以華制華」，它正緊鑼密鼓在大連建立12吋晶圓廠，將在2010年量產90nm的IC。可嘆的是台灣目前仍只准8吋晶圓帶180nm的技術登陸，以原始的武器和先進的對手「境外交戰」。
中國已成為世界最大的晶片市場，2010年中芯規模將超越聯電，其製造成本會低於台積電。台灣晶圓代工主導世界的時代可能結束。台積電應和聯電聯盟或合併，組成「台聯」對抗中、韓、新的3面包抄。台積電更應和中芯停止互控，在法庭外合解，雙方甚至可討論如何分工生產，以華人晶片佔據中國市場。「台聯中」可和Intel及IBM聯盟演出「三國演義」，這樣台灣就可以持續主導未來的晶圓代工。
圖三：IBM聯盟展示HKMG所製32nm IC的晶圓。圖中的聯盟成員代表包括IBM、Freescale、AMD、Samsung、Chartered Semiconductor、Infineon等公司。
High K Metal Gate
世界晶圓大戰的下一個關鍵，乃是發展32nm的製程技術。當電晶體的Gate Gap進入這個「次病毒」的領域時，其電極(多晶矽)的電阻太大，而且電流不穩，必須改用金屬(Metal Gate)。更有甚者，絕緣層(二氧化矽)變得太薄(＜1nm)，只有不到10個原子的堆疊高度，這時電極的電子便會穿隧過去 (Tunnel Through)，其結果為不僅造成漏電，而且使電晶體的開關信號難以辨認。
Intel為了解決這個漏電問題，在設計45nm IC時就把電極改用鉿合金(Hf Alloy)，而其絕緣層則改為鉿化物(HfO2或HfC)。由於鉿化物的誘電率(Dielectric Constant或K)比氧化矽高得多，這種介金屬層的厚度可以加倍(＞2nm)，因此避免了穿隧的漏電。Intel的HKMG(High K Metal Gate)已用在Penryn的晶片上，其設計將延伸至32nm線寬的電晶體IC。IBM已驗證HKMG可用在32nm的SRAM晶片上。台積電雖成功的試製32nm的傳統IC，但尚未成功的開發HKMG。聯電仍未生產45nm製程，更惶論HKMG了。
圖四：電晶體漏電示意圖。
半導體的散熱
Intel雖以HKMG解決了穿隧的漏電問題，但卻有更多的電流，經矽晶本身漏掉。原來矽晶為半導體，並非絕緣層，當線寬細到45nm時，經矽流失的電流已高達1/3。為了阻絕漏電，法國的Soitec發展出氧化矽絕緣層墊在電晶體下。這種技術稱為絕緣底半導體(Semiconductor On Insulator或SOI)。
SOI已大量用在電晶體緊密的晶片上，例如NVIDIA的繪圖晶片、及Sony的遊戲晶卡都用SOI晶片。然而SOI解除漏電危機，卻惡化了另一個更大的問題，即目前半導體業束手無策的散熱瓶頸。晶片的生熱速度與熱源密度，已遠超過煮飯的電爐，所以用晶片煮蛋會比電爐快得多。過去摩爾定律除了加密電晶體外，也同時加速電晶體的開關速率。但當這個速率快到4 GHz時，電晶體就有燒毀之虞。Intel不能解決這個問題乃將單核心拆成雙核心。
Intel又將電晶體的時脈(Clock Speed)降下，再加大晶片把熱源分散。但這個轉進策略只是以空間換取時間，當線路的寬度更窄時，生熱的速率更快。Intel被迫只好將雙核心再拆成4核心，而8核心的產品也已經上路。這種多核心的設計無法將CPU的運算能力發揮盡致。台灣已製成鑽銅散熱片，其熱傳導率可倍於現今散熱最快的銅散熱片。這種快速散熱片可避免晶片分成多核心而可組回單核心使用。
鑽石底半導體
SOI以氧化矽阻電，但氧化矽卻同時阻擋了熱流，所以晶片的時脈更難提升，為徹底解決這個難題，台灣發明了鑽石底半導體(Semiconductor On diamond或SOD)。鑽石的熱傳導率(＞1,000 w/mk)比氧化矽高10倍以上。尤有進者，鑽石的晶格是所有材料中最穩定的。以SOD製造32nm的IC不僅可以降溫、加速，還可以避免背景輻射所引發的亂流(Noise)。32nm電晶體的電流信號極為微弱，因此矽晶內自發的雜訊(Noise)會干擾開關狀態判別，SOD新技術則可把雜訊降到最低。
IC內的熱源，除了電晶體的開關及漏電外，也來自銅導線內電流所生電磁波彼此的干擾(RC Delay)。為了隔絕電磁波，銅線乃以低誘電(Low K或LK)材料製成。LK材料內含大量氣孔，所以非常脆弱。當線寬縮小到32nm時，LK材料的氣孔率大於50%。這種脆弱材料不僅難以蝕刻，更不能在CMP時拋光。
此外，LK材料也容易吸附水氣，變得更易於變質。幸虧台灣已發明先進鑽石碟(Advanced Diamond Disk或ADDTM)。CMP時ADD可以低接觸應力，快速拋光晶圓。LK材料也可使用鑽石和鐵氟龍的網路沈積生成，這樣不僅可以微影蝕刻，也不會吸附水氣。
全碳積體電路
電腦的中央處理單元(central Proce Unit或CPU)，乃以矽晶製造電晶體(Transistor)，再以銅線連接(Interconnect)。電晶體的開關乃以High K Gate (如Hf化合物)控製，而線路之間則以Low K Dielectric (如含HF的SiC)絕緣。
碳是奇蹟的材料，它可形成導電率比銅高的單晶石墨層(Graphene)，石墨層可蝕刻成為奈米電路，層間可以奈米碳管導通。石墨和鑽石可以交互數層原子堆砌成超晶格(Supperlattice)。碳的超晶格具有極高的誘電(K)能力，但卻不會漏電，而且它可以在高電場下運作。這種未來材料可取代鉿化合物的High K Metal Gate。除此之外，碳可和氟形成鐵弗龍(Teflen)似的網狀結構，具有極低(K=2)的誘電力和極高的電阻，它可取代現行的Low K脆弱材質(如Black Diamond)。
上述的夢幻設計可組成全碳的電路，其性能將遠勝於現有的任何設計。全碳IC可延伸摩爾定律至線寬10nm以下。不僅如此，石墨及鑽石散熱速度超過銅的多倍。全碳CPU有內建的散熱系統，它可使電晶體的運作頻率遠高於4GHz。摩爾定律的CPU原來為單晶片，但因不能解決CPU散熱問題，於是拆成多核心，而靠加大面積避免熱源過度集中。
全碳CPU可使多核心重合成為單一晶片，讓摩爾定律回歸正統。
尤有進者，鑽石半導體比矽晶耐溫及抗壓，而且它的運算快速。鑽石的P型半導體可填入比矽晶更多的硼原子，而使電洞的濃度大增。鑽石的N型半導體可以鋰氮(LiN)滲透製成。鑽石半導體可和上述的全碳IC整合製成全碳CPU。由於鑽石是散熱極品，全碳CPU的體積會比矽晶小很多，但速度可高百倍。這種「神算機」可把人類的物質文明推上顛峰，進入永遠的鑽石時代。
台灣的科技向來尾隨西方的先行國家，但全碳CPU的發展可以領先世界。台灣政府若有遠見應該加速發展鑽石科技把缺乏資源的台灣建設成為「鑽石島」。摩爾定律所面對的漏電、散熱、拋光等難題都可以台灣的鑽石科技迎刃而解。
450mm大晶圓
晶圓生產的成本，受限於晶圓上的晶片多寡。台灣雖已加碼投資300mm晶圓廠成為最密集的生產國家，但Intel、TSMC、Toshiba、Samsung已在規劃試製450mm(18吋)的晶圓，預計在2012年導入量產。但這麼大的晶圓其直徑比線寬大數千萬倍，加上線路的電流對線寬的敏感度大增，晶圓表面在CMP拋光時其平坦度比300mm要求更高，目前的CMP技術根本辦不到。
圖五：Intel的Mike Goldstein手持矽粉燒結的450mm晶圓，及未來晶圓表面可能密佈電晶體(電流開關)的示意。這種大晶圓與小線寬(22nm)的比率可超過千萬倍(107x)。一片晶圓上旳電晶體總數將超過全球人口總數的百倍。
幸虧台灣推出ADD鑽石碟，可以把拋光墊表面修整得非常平坦但卻不溜滑，這樣就可把大晶圓快速拋光，而不傷及纖弱的銅導線路、與有氣孔的Low K絕緣及堅硬的High K Metal Gate。SST-AP/Taiwan
圖六：ADD的面相(左圖)，其尖錐乃以微米鑽石在超高壓(6GPa)及高溫(1400℃)燒結製成。這是台灣產品壟斷全球獨一無二的設計。右圖為下一世代的IDD產品，它乃由氣相沈積的多晶鑽石構建而成，這也是台灣的獨門絕活。
作者
宋健民，現為中國砂輪企業股份有限公司總經理，亦為鑽石科技專利發明人。在CMP的領域，作者亦為台灣品牌DiaGrid鑽石碟及ADD鑽石碟的發明人，亦協助Applied Materials發展eCMP，現正協助韓國的SKC及台灣的IVT研究次世代的CMP Pad。
