<p>論及半導體產業，臺灣相關的產業成就絕對是全球的佼佼者之一。這片小小土地上匯聚了完整的半導體產業鏈聚落，從製造設備、材料供應、晶圓製造，到封裝測試與 IC 設計等皆蓬勃發展。卓越亮眼的製程技術讓半導體元件能以更小的體積發揮出更加強大的運算能力。即使目前半導體元件的微縮趨近於物理極限，臺灣也透過強勁的科學研究能量，持續挑戰與精進。</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">小還要更小——半導體產業的奈米製程微縮趨勢</span></strong></h2>
<p>被奉為半導體產業圭臬的摩爾定律（Moore&#8217;s law），自 1965 年被提出來、歷經產業發展趨勢後，有過修正。現在通常是指積體電路上可容納的電晶體數量，每 18 至 24 個月約可增加一倍，代表新一代晶片推出都有著約 40% 的效能提升。此定律不僅用作預測產業發展，其正向效應也與科技創新、生產效能、經濟成長等有關。目前赫赫有名的台積電是為數不多，並有足夠能力維持摩爾定律推出新製品的半導體企業。而時常耳聞的 7 奈米製程、更小的 3 奈米製程，以及媒體上沸沸揚揚宣傳，將在未來推出的 2 奈米製程，都是透過奈米製程微縮技術把電路做得更加細微，因此相同功能的晶片以這類先進製程製作，能夠比以往更加微小且效能倍增，同樣尺寸的一片晶圓因而能夠產出更多晶片，連帶降低了生產成本，且現今發展出的眾多科技技術，也須搭配這類進階晶片，才能發揮出更強大的功能、開發出多元的延伸應用。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/7-1_670x460.jpg"></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">半導體製程趨勢持續往微縮推進，晶片縮小但運算速度大增。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">微縮製程面臨挑戰，未來應用卻無遠弗屆</span></strong></h2>
<p>從生活家電、車用電子到電腦都與半導體息息相關，而智慧手機乃至於雲端資料庫、5G、AI 人工智慧等應用範疇多元的科技，也完全離不開半導體。想處理日益增長且繁多複雜的數據資料需求，各種運算功能強大的晶片是不可或缺的，而當資訊與科技搭配合宜時，將發揮出相乘的效能，讓應用無遠弗屆。簡而言之，微縮的製程技術，在科技的演進中扮演著舉足輕重的角色。不過，現實總是會遭遇種種挑戰，當電晶體密度增加的同時，其閘極密度隨之縮小。閘極就如同半導體元件中的啟閉開關，被電壓觸發開啟通道後，便能讓電子通過、產生電流，使晶片運作。</p>
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<p>然而，電晶體微縮伴隨而來的短通道效應（short channel effect）也帶來諸多負面影響，例如降低控制電流的能力，造成漏電流（current leakage）的現象。換句話說，就是閘極未被觸發時，也會有電流通過。那會產生什麼問題呢？例如我們不樂見的能量耗損、錯誤訊號等問題，而這即是在半導體產業微縮製程進展這條路上，需要攻克的關卡之一。可想而知，半導體元件體積越來越小，短通道效應將越來越嚴重。既然已知問題所在，勢必會有人尋求解決之道。除改變電晶體的設計架構之外，「材料」與「技術」亦是研究人員著眼的研究焦點。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/7-2_670x460.jpg"></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">如 AI 這類對運算速度需求高的各種新興科技快速崛起，半導體產業製造工藝與其輔車相依，未來應用更是難以想像。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">向原子等級推進的半導體材料</span></strong></h2>
<p>最為熟悉的半導體材料可從「矽晶圓」這個名稱，推斷晶圓主材料為矽（Si），而現今材料種類繁多，大致可區分出「元素半導體」材料，如矽與鍺（Ge），與因應高頻訊號傳輸需求所開發的「化合物半導體」材料，如砷化鎵（GsAs）、磷化銦（InP），以及為迎合高功率應用需求的「寬能隙半導體」材料，如碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）。每種半導體材料各有其強勢之處，也分別於不同應用領域內獨占鰲頭。然而，這些材料在積體電路微縮化歷程中，仍無法完全推倒聳立於前，被喚為短通道效應的這道障礙，但隨著較新穎的「二維半導體材料」被發展出來後，半導體領域專家迎來其中一個挑戰物理極限的有力武器。</p>
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<p>大多數人其實都聽過一種二維材料，就是與諾貝爾獎有關的「石墨烯」（graphene），但石墨烯屬半金屬材料，以其作為電晶體雖然電子遷移率高，但在閘極關閉後，卻有著嚴重的漏電流問題，因此更受到半導體領域研究人員青睞的，是另一種層狀二維材料「過渡金屬二硫族化合物」（transition metal dichalcogenides, TMD），TMD 係由一個過渡金屬元素與兩個硫屬元素所組成，一般化學式為 MX<sub>2</sub>。相較於目前使用的矽基電晶體，由 TMD 製造的二維材料受到短通道效應的影響較輕微，使其成為 3 奈米以下製程的重要非矽原子層通道候選材料，其中較為典型且成熟的材料為二硫化鉬（MoS<sub>2</sub>）、二硫化鎢（WS<sub>2</sub>）、二硒化鉬（MoSe<sub>2</sub>）以及二硒化鎢（WSe<sub>2</sub>）等，這 4 種也是陽明交通大學電子物理系張文豪教授在「非矽原子層通道材料：單晶生長與元件技術開發」整合型研究計畫中，戮力發展新世代半導體合成技術的候選材料。</p>
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2023/03/7-3_670x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">未來的原子等級的半導體，將不只使用矽材料，也會使用非矽材料，而這些非矽材料又都是至少兩種元素組成的化合物，因此又稱為化合物半導體材料，圖是名為 MoS<sub>2</sub> 的化合物半導體材料的原礦石。</div>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">聚焦於突破瓶頸的關鍵合成技術</span></strong></h2>
<p>清華大學電子工程研究所邱博文教授指出，TMD 在未來的積體電路應用潛力極大，但要與現有先進製程整合，仍須開發相關的技術，才能打磨這個有望成為新一代半導體元件中的亮眼新星材料。目前有多種合成二維材料的技術，化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）、原子層沉積（atomic layer deposition, ALD）是其中之二。化學氣相沉積是目前主要使用的成膜技術，此技術在典型的半導體產業製程應用是以晶圓作為基底（substrate），並暴露於欲合成之材料的前驅物（precursor）蒸氣環境當中，使晶圓表面產生反應而沉積薄膜，在製程環境的精準調控下，亦可沉積單層 TMD，但此法需著重控制薄膜成長時的缺陷密度，方能用於高階半導體通道材料。張文豪教授研究團隊開發出在單晶金表面生長單層二硒化鉬（MoSe<sub>2</sub>）的技術，此研究技術降低了合成薄膜時的缺陷密度，代表大面積單晶生長技術往產業應用推進了一步。</p>
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<p>原子層沉積技術是現今半導體製程中另一受到倚賴的技術。此技術優勢在於有高度均勻性、可精準控制厚度等，十分符合現在的半導體發展需求。這種能將材料一層一層生成的薄膜製程技術，其典型製程的第一步驟是利用含特定成分前驅物氣體以自我限制方式與基底反應，第二步驟再利用大量惰性氣體，如氮氣（N<sub>2</sub>）、氬氣（Ar）將過多的前驅物及副產物移除（purge），第三步驟則注入第二前驅物氣體與先前引入的第一前驅物反應至完成，最後的第四步驟將再次利用惰性氣體移除非必需物質，透過重複前述四個步驟的反應製程，部分技術更達成將每次鍍膜厚度精準維持在原子等級（約 0.1 nm）尺度。此法另一特點為製程溫度相較 CVD 低，因此某些溫度耐受較低的基底材料也可應用此技術，但製程溫度低卻不適合原子遷移，因此用於成長 TMD 時伴隨而來的是結晶性不佳以及含有較高濃度的晶體缺陷等問題，也是此技術需要持續研究並克服之處。</p>
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<p>綜觀以上兩種技術，且回歸產業的應用面來討論，CVD 作為在半導體工業中應用最廣泛的技術，已被開發出多種不同的類型，多個領域皆應用這些技術生產高效能及高純度的材料，原子層沉積技術亦可說是其中一個衍伸出來的分支。因此，透過不斷的研究投入，以原有的 CVD 為基礎並持續優化精進，CVD 在未來仍將開發出更多的應用範疇，同時擔任著半導體產業中的主流技術。</p>
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<h2><strong><span style="font-size: 20px;">整合跨域團隊提前布局，持續引領國際</span></strong></h2>
<p>半導體產業鏈包含著不同的專業分工區塊，而新興材料開發與製程技術雖直接與晶圓製造較爲相關，但是當具應用潛力的材料、技術發展成熟，彼此搭配相得益彰之時，牽動的將可能是整個半導體產業，可推想其影響之大。當前原子等級的二維半導體技術尚未在半導體市場中獨占一方，但在國際間可說是未來應用上的潛力新星，國內產官學界也提前布局。邱博文教授就提及 10 年前國科會早已啟動「尖端晶體計畫」，在原子層半導體的材料成長與特型研究開始進行不同面向的布局，至 2021 年開始進一步推展為更大型的「A 世代前瞻半導體專案計畫」，針對多項應用的核心議題進行技術開發。相信透過國內匯聚的研發能量，無論是材料、技術的開發，我國的的半導體製造工藝技術仍將嶄露鋒芒，持續領航於國際。</p>
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<p><span style="font-weight: 400;">（客座總編輯｜國家實驗研究院台灣半導體研究中心 侯拓宏主任；研究顧問團隊｜清華大學電子工程研究所 邱博文教授；責任編輯｜曹盛威、劉品萱）</span></p>
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