延續與創新摩爾定律的半導體製造技術發展

 

刊登日期:2017/5/15
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陳婉儀/工研院產經中心

一、展望2020年全球半導體元件的市場
根據國際調研機構的數據顯示,2016年全球半導體市場約達3,397億美元,年成長1.5%,整體市場從年初一開始的保守看待與庫存調整,到下半年市場開始出現供不應求而追加訂單與預訂產能的現象發生,使得全年在第三季達到高峰,第四季更是延續市場熱絡的現象呈現淡季不淡的景象。市場的熱絡主要受到終端電子產品的銷售穩定成長而帶動。其中半導體元件為終端電子產品的基石,包括記憶體、特殊應用標準元件、感測器、微元件、分離式元件與類比晶片等。市場比重最高的元件為特殊應用標準元件(ASSP),主要應用於無線通訊、資料處理與車用電子等。預估在未來五年的年複合成長率為1.7%,2020年營收可達935億美元;而占比第二的微元件,預估未來五年的年複合成長率為4.3%,2020年營收可達753億美元;而記憶體包含DRAM與NAND Flash等,後者NAND Flash屬於未來占比持續增加且年複合成長率高的產品,主要應用於資料儲存、資料處理與無線通訊等領域。前三大元件中,記憶體的製程技術發展,更是CMOS電晶體開發的領先指標,也因此在後摩爾定律中,記憶體是重要的關注元件。

圖一、2015-2020年全球半導體元件市場發展趨勢
圖一、2015-2020年全球半導體元件市場發展趨勢

半導體製程技術演進迄今,不管是記憶體或邏輯晶片等製程,伴隨整合度提高與製程微縮導致晶片複雜度增加、製造成本上升等技術瓶頸的議題不斷浮現。其中CMOS電晶體是組成各種晶片的關鍵基礎,過去跟隨摩爾定律發展,半導體製程技術已經從微米等級進入奈米等級,在2016年最先進的CMOS量產製程技術已經推進至14/16奈米,相當於100多個氫原子排列在一起的大小,屬於高分子的尺寸等級。在製程技術如此艱巨之下,除了持續延續製程微縮的發展以外,大部分的業者也希望透過改善效能與調整製程技術等模式來延續既有的技術,並加以延伸至新興應用上。因此本文探討後摩爾定律時代下,如何藉由生命週期長的製程世代(如32/28奈米與40/45奈米等),持續改進並吸引客戶青睞將成為製程技術發展的重要考量,甚而開展新型態的晶片產品,以延續未來記憶體的應用需求。

二、摩爾定律的衍伸,鰭式場效電晶體(FinFET)與全耗盡型絕緣上覆矽(FD-SOI)的選擇
當1X奈米以下面臨技術挑戰、效能與成本取捨議題時,技術生命週期長且性價比高的技術成為不需追求先進製程技術的產品與客戶的青睞,如28奈米製程節點。在20奈米以下的製程節點,除了28奈米的多元平台外,如超低功耗的28ULP、高效能的28HP等,業者亦積極開發其他衍伸或變形的技術,以具有成本競爭力與減少製程複雜度的技術為發展方向,如全耗盡型絕緣上覆矽(FD-SOI)。

全耗盡型絕緣上覆矽(FD-SOI)的主要原理是藉由在電晶體下方先置入一層薄的絕緣體,讓未經摻雜的通道達到全空乏狀態,使短通道效應產生的漏電流受到抑制,進而使源極(Source)至汲極(Drain)的電流得到控制。除此之外,FD-SOI具有「基底偏壓(Body-Bias)」可進行多種電壓改變,藉此調變耗電與速度,例如在操作過程中進行改變偏置電壓,使電晶體在不使用時進行省電模式,而在需要高速時達到超高效能,如靜態與動態操作模式的差異。傳統塊材電晶體製程採用一般矽基板,而FD-SOI則是使用---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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