次奈米國家隊挑戰材料科技　助台積電衝破物理極限

 

台半導體材料進口需求世界第一　應力促自主與供應多元化

 

半導體材料科技目前以日本的實力最為驚人，市佔率可能佔全球5成以上。2019年7月日本對南韓半導體產業相關化學品實施出口管制，據南韓方面統計，被日本輸出管制的戰略材料項目與半導體相關的高達28項，並非日本公開的3項(光阻劑、高純度氟化氫、氟聚醯亞胺)。這項管制政策已對南韓半導體產業構成生產面的衝擊。2021年5月南韓業界在政府的支持下宣布十年計畫，要投入4,500億美元，建構IC設計、半導體材料、設備和製造生產的生態系。希望透過材料國產化和供應來源多元化等作為，減低對日本材料的依賴。

 

南韓產業通商資源部統計發現，來自日本的材料、零組件進口金額，佔南韓出口金額大約2成。經濟部統計發現，台灣半導體材料使用量佔全球22%，進口需求量名列世界第一，超越南韓。台灣雖然沒有遭日本輸出管制戰略材料，但還是要未雨綢繆，設法提升國產化比重，並且爭取與日本材料商合作，穩定料源供給。至於先進、未知的新興材料，台灣則要與日本、美國、歐洲等地的學術單位合作，找尋可能的材料技術選項。

 

在製程技術上領先南韓三星電子(Samsung Electronics)、英特爾(Intel)、格芯(GlobalFoundries)的台積電必須保持領先，才能持續獲得蘋果(Apple)、超微(AMD)、NVIDIA、高通(Qualcomm)的高價訂單。因此台積電董事會2021年2月9日火速核准於日本茨城縣筑波市投資設立材料研發中心，投入3DIC材料研究，日本東京大學和Ibiden、信越化學(Shin-Etsu Chemical)、JSR、旭化成(Asahi Kasei)、新光電工(Shinko)、日東電工(NittoDenko)等材料廠商也會參與合作。

 

台積電「登日」戰略意義　如何最大化？

 

台積電到日本投資，也符合日本的利益。2020年7月，日本政府甚至力邀台積電或其他晶片製造廠能與日本半導體設備供應商合作，共同在日本境內建立先進的晶片製造廠。日本經產省表明願意投資補助420億日圓，吸引台積電到日本。不過美國客戶佔台積電6成，中國佔2成，日本還不到5%，赴日本設晶圓廠的效益有限，但設立材料研發中心，對台積電未來十年的競爭力有關鍵性的戰略意義。

 

台灣晶圓代工雖稱霸全球，但前段製程除了矽晶圓與少部分光罩，後段製程有部分中低階構裝材料有能力自製外，其他材料幾乎全部掌握於日商、美商手中。因為半導體材料開發門檻高、時間長，不論管制項目或非管制項目清單中的材料，都是有相同的特性。更何況，台積電未來需要的材料，在地球上根本還未出現，有賴物理、材料、電子科學家積極探索與實驗。

 

台積電未來需要的材料當然就是能夠突破物理極限，也就是如何克服焦耳熱、元件過熱、能量耗損、穿隧漏電效應等問題。這需要物理、化學、材料、微電子等不同領域的研究人才共同合作，找出可商業化的材料元件及相關技術，解決3奈米以下半導體元件的缺陷。

 

挑戰物理極限　國家資源力挺台積電奪先機

 

為了保住台積電世界領先的技術與競爭力，政府動用國家資源正從多面向協助台積電取得先機。例如科技部運用前瞻基礎建設特別預算，已組成14個教授團隊執行「次奈米」半導體元件與晶片關鍵技術探索。其中「挑戰物理極限」就是這項計畫的重頭戲。

 

根據科技部核定的結果，陽明交通大學電子物理學系(所)教授張文豪、電子研究所林鴻志、林炯源；中山大學電機工程學系(所)陳昶孝等人將在過去傑出的研究成果上，未來5年選集中力量投入「非矽原子層通道材料：單晶生長與元件技術開發」。

 

張文豪領軍的跨校、跨學研與跨專長的團隊成立目的，就是要透過挑戰物理極限的二維半導體材料，打破現有半導體元件的框架。該計畫架構龐大，主計畫下還有五個子計畫。第一個子計畫要開發大面積單晶二維半導體化學氣相沉積(CVD)生長技術，達成低缺陷密度與高載子遷移率之技術指標；大面積(晶圓尺寸)生長技術部分，短期將先概念驗證不同晶體基板達成2吋晶圓單晶生長技術，中長期將與國研院儀科中心合作，將單晶生長技術延伸至4吋以上晶圓。

 

張文豪的第二個子計畫則要開發獨特的低水氧CVD材料生長環境，目標是探索典型過渡金屬二硫族化合物(TMD)材料以外之具有高載子遷移率的二維材料生長技術，材料將鎖定單硫族化合物以及VA族元素二維材料，並驗證其元件特性。第三是開發晶圓尺寸的轉印技術，達成非破壞性與高節淨高二維材料轉移技術。第四要將透過第一原理與非平衡格林函數之理論計算不同結構與不同金屬之接觸電阻，建立實現低金屬接觸電阻的策略，藉此引導實驗達成低接觸電阻的目標。第五，要建立獨特的短通道電晶體元件製程技術，應用在二維半導體短通道元件製程。張文豪團隊的研發目標，可說完全契合產業需求。

 

台灣大學電子工程學研究所教授吳安宇、劉宗德；台積電-台灣大學聯合研發中心劉致為；中央大學電機工程學系李進福等人也不遑多讓，提出「高密度高效能半導體之關鍵元件與智慧架構開發」計畫，投入高密度高效能元件技術開發、高效能記憶體內運算(CIM)電路設計與測試技術，以及抗變異之高效能混合式AI運算架構與晶片設計。

 

另外，同樣也是挑戰物理極限的還有國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心陳峰志、林郁洧；長庚大學電子工程學系賴朝松等人，要針對二維材料發展扮演類似基礎研究核心設施之角色，有條件開放產學研界進行前瞻性材料元件測試，協助半導體設備產業進入高附加價值之半導體製程設備供應鏈。而清華大學電子工程研究所教授邱博文、清華大學材料科學工程學系(所)闕郁倫、中興大學物理學系林彥甫等人，則確定投入次奈米二維場效電晶體關鍵材料與元件技術開發。

 

2奈米、1奈米　未來半導體材料在哪裡？

 

然而，台積電真的要進入2奈米、1奈米，其投資金額之大、控制條件之嚴苛、技術難度之艱深，恐非一般人所能想像。如果只有台灣14個學研團隊協助，可能還是不足以在三星電子趕上之前，就完成台積電想要的商業化的目標。因此台積電還是要儘早在日本、美國學界擴大找尋可用的論文、研發成果，以期早日與材料商討論，應用在產線上突破技術瓶頸。至於新材料的合成與生產，如果台灣、南韓、美國都不具備相關能力，最後仍有可能由日商主導。

 

日商主導的材料工業並非一朝一夕得來，是經年累月的研發與創新成果。既然日本是全球最大半導體材料供應國，台灣是全球最大半導體需求之地，兩者的互惠合作關係將愈來愈緊密。一旦日本材料科技進入全新的階段，較成熟的產品技術就可望由其他國家製造與供應。

 

對任何工業國家而言，產業發展所需的材料與設備長期仰賴進口，終究不是政府樂見的情況，一則是外匯流出，二則是憂心遭人控制。所以材料供應在地化及技術自主化是台灣一直在推動的政策。面板產業已經成功大半，但半導體還有很大的努力空間。

 

經濟部正委託工研院投入建置半導體材料的研發，包含半絕緣型碳化矽晶圓、原子層沉積前驅物、DUV深紫外光光阻及其配合材料、晶圓保護材料、天線封裝射頻晶片、可線路化增層材料、底部填充膠(underfill)等，並導入材料特性α-site 與β-site驗證。這裡的β-site是指服務或產品在正式上市前，開放給不特定人試用測試，提報缺失；α-site指服務或產品在開發完成後，將公開上市前，測試功能與檢查錯誤的過程。相信在政府、學研界和材料設備廠商共同協力下，台積電突破物理極限，應該是指日可待。原文轉載自【2021-09-01/DIGITIMES】】