IC製造業正接近元件微小化的終點，在地平線上若隱若現的是原子級的尺寸以及經濟因素的限制。新材料廣泛被視為積體電路未來能繼續創造獲利的關鍵創新項目，所以從製程工程師到業務方面的專家，每個人都應該閱讀剛剛發布的2013年國際半導體技術藍圖（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）其中一章關於新興材料之研究（emerging research materials, ERM）。

2013年ITRS材料報告涵蓋了近期（2014至2020年）和長期（2020年之後）預計用什麼樣的材料和製程來打造理想積體電路的構想（圖一，表ERM15）。然而，要正確理解當前版本的資訊，我們需要考慮IC晶圓產業自1992年以來出現的變化，該年也是ITRS的前身，也就是美國國家半導體技術藍圖（NTRS）第一版出版的時間。

圖一：具有潛力的新興材料其浮出檯面的可能時間點與應用領域

22年前，在這個產業中有幾十座晶圓廠正開發著下一代技術，那時所謂的創新是由微影技術所主導，對於材料逐步改變的趨勢則獲得廣泛的共識。如今，這個產業有3座邏輯晶圓廠，以及相當多的記憶體產線推動更小尺寸的製程，並且各廠可能各自使用相當不同的革命性材料。如今的結果是對於新材料的選擇，眾人還是無法取得共識，充其量我們只能從許多可行的方案中以比較相對利益的方式選出一個或另一個方案。

事實上，因為只剩少數業者還留在市場上，任何一位公布資訊（例如革命性材料的訊息）的業者將會失去許多先機。Mark Thirsk是Linx Consulting的合夥管理人，具備材料方面的專業知識，他說：「過去我們以隱身和模糊的方式建立了現有的事業，然後再以大分類的方式預測未來。但是現在已經很少人在挑戰極限了。我們被要求針對特定的晶圓廠製程進行模組設計，例如Intel或台積電使用的製程。」

由於上述原因，我們最好多了解這一份ITRS。當我們眼前的道路到達終點時，可以將它當作一份量化地形起伏的評估報告。特殊材料如石墨烯和銦鎵磷化物可能被用來取代電晶體中的Si通道、新型的原子層疊層也可能作為電極的接觸點、還有自旋電子和單電子元件可能有一天會取代固態儲存晶片中的DRAM和快閃晶片。然而，上述各個方案在推動這些新技術進入大量製造的階段時都存在「極大的挑戰」。

在短期內，以各式金屬阻障層包覆的銅線預計將提供最佳的整體互連性能。正如在「2013年執行摘要」上所說的，「有關互連線的部分不幸地沒有新的突破，因為沒有具有比銅還低的電阻率的可用材料。然而無邊包覆（edgeless wrapped）材料（如碳奈米管，石墨烯組合等）的進步顯示「彈道式導體」（ballistic conductors）將有可能在未來十年出現。」

專業材料供應商

圖二（圖ERM5）顯示開發一個商用積體電路生產所需的新型化學前驅體（precursor）時的高度複雜性。本章總結了未來研發原子尺度的晶片時，其固有的困難包括：提升新型元件、互連線和封裝技術效能的關鍵ERM因素在於測試和控制嵌入式介面屬性的能力。由於尺寸接近奈米等級，些微的熱擾動都可能會影響材料尺寸的集中度和控制材料特性的能力。

圖二：開發一個商用積體電路生產所需的新式化學前軀體之流程

除了這些艱鉅的前驅體研發技術問題，化學供應商的商業模式也因為產業整合以及尺寸收縮的緣故而受限。合併意味著每個工廠都有各自獨特的前驅體要求，所以可能出現開發的化學品只有一個客戶會買的情形，如果客戶忽然決定使用不同的方案則投資就不能得到相應的回報。

此外，尺寸縮小到原子等級意味著化學品的需求量可能只要幾毫升就夠，而不是幾升的數量級。例如，原子層沉積（atomic-layer deposition, ALD）的前驅體研發需要分子和化學工程方面的專業知識和投資，但是研發成本卻被大幅削減。Thirsk提醒說，「前驅體的需求將因為不同公司的專屬智慧財產權的緣故出現爆炸性的增長，但是被要求發展規格不斷增加的供應鏈的人，其利潤和銷售量卻同時受到擠壓。」

對於Co、Ru、La和Ti合金等工廠可能使用到的材料，我們需要發展的技術不僅僅只有沉積和測量步驟而已。我們可能也會需要原子級的製程，例如清洗和蝕刻/CMP。這樣的需求可能會誘發另一個客製的材料解決方案。

目前已經存在的化學品供應商 – 例如Air Liquide, Dow, DuPont, Linde, Praxair, SAFC – 這些國際企業在各地服務許多產業。IC製造只是其業務的一小部分，因此如果投資回報率毫無吸引力，那麼它們大可一走了之，離開這個產業。Thirsk警告說，「我們發現越來越多，例如在濕式化學清洗領域，市場上的最上一層是平的。你還是可以找到一些專業的化學供應商它們具有較好的利潤，但是市場的現況就是需求量減少以及獲利能力下降。試問長此久往，創新又將從何而來？」

通道材料的替代品

如今當FinFET和SOI元件都能在全耗盡（fully-depleted）的模式下運行時，應變矽的替代材料也被廣泛地探討，其目的是為了提供更好的MOSFET性能，同時降低功率損耗。實際的例子包括III-V族半導體，鍺，石墨烯，碳奈米管，以及其他半導體奈米線（NW）。為了實現互補式MOSFET的高性能，在Si上整合不同材料（即III-V族和Ge）將可能是必要的。重要的材料問題如缺陷減少、界面化學、金屬接觸電阻和製程整合都必須予以解決才能真正實現這些改善方案。

奈米線電晶體

由上而下製造的一維奈米線（NW），其結構是可以從二維的FinFET結構中衍生而得。據報導，經過圖形化以及蝕刻之後 <5nm的矽NW在室溫以及施加背面閘極電壓的情況下會出現量子振盪的特性，其電子遷移率的峰值將近~900 cm2/Vs。另一方面，儘管有大量的研發能量投入，成長式的矽NW卻顯示其特性不如經圖形化及蝕刻之NW。同時要在指定的位置控制其成長仍然具有非常大的挑戰。總體而言，要整合NW到高密度，特別是當我們的目標放在閘極環繞的橫向NW和低接觸電阻時的種種困難一定要予以克服。 

原文請參閱《半導體科技雜誌 SST-AP Taiwan》

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