電子科技新旋風：半導體技術的奈米之路
94/09/06
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蔡銘進｜
工業技術研究院電子工業研究所
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3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1千個以上的步驟。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
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。
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3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。
