解析先进半导体制程未来可能面临的挑战及解决办法-2
随着线宽的微缩，对于黄光微影与蚀刻的挑战当然不在话下，曝光显影的线宽一致性（Uniformity），光阻材料（Photo Resist，PR）的选择，都将会影响到后续蚀刻的结果。蚀刻后导线的线边缘粗糙度（Line Edge Roughness，LER），与导线蚀刻的临界尺寸（Critical Dimension，CD）与其整片晶圆一致性等最基本的要求，都是不小的挑战。
后段制程另外一个主要的挑战则是前文所提到铜离子扩散。目前阻挡层的主要材料是氮化钽（TaN），并在阻挡层之上再沉积衬垫层，作为铜与阻挡层之间的黏着层（Adhesion Layer），一般来说是使用钽（Ta）。
然而，钽沉积的覆盖均匀性不佳，容易造成导线沟槽的堵塞，20奈米节点以前因导线的深宽比（Aspect Ratio，AR）较低而尚可接受，但随着制程的演进，导线线宽缩小导致深宽比越来越高，钽沉积的不均匀所造成的缩口将会被严重突显出来，后端导致铜电镀出现困难，容易产生孔洞（Void）现象，在可靠度测试（Reliability Test）时容易失败。另外，钽的不均匀性容易造成沟槽填充材料大部份是钽而不是铜，由于钽金属导线的阻值将会大幅上升，抵销原先铜导线所带来的好处，其示意如图4所示。
前文提到衬垫层必需具有低电阻率、良好的覆盖均匀性、是铜的良好黏着层等重要特性，钽在20奈米节点以下已无法符合制程的需求，找出新的材料已经刻不容缓。
钴（Cobalt，Co）与钌（Ruthenium，Ru）是目前最被看好的候选材料。钴是相当不错的衬垫层，具有比钽更低的电阻率，对铜而言是亦是不错的黏着层，且在电镀铜时具有连续性，不容易造成孔洞现象出现。但钴衬垫层也有其不理想之处，主要是因为铜的腐蚀电位高于钴，因此在铜、钴的接触面上，容易造成钴的腐蚀，此现象称为电流腐蚀（Galvanic Corrosion），亦称为伽凡尼腐蚀。
解决电流腐蚀的问题必须从化学机械研磨（Chemical Mechanical Polish，CMP）的与后清洗（Post CMP Clean）着手，使用特殊的化学原料改变铜与钴之间的腐蚀电位，以降低或消除腐蚀现象。目前预估钴衬垫层将可延伸到10奈米制程节点。
接着在7奈米，阻挡层与衬垫层的候选材料将有可能是钌，铜可以直接在钌上电镀，并有效阻挡铜离子对介电层的扩散，如图5所示。
不过，钌跟钴在与铜接触时，一样都会有电流腐蚀问题，只是钌的情况与钴恰巧相反，钌的腐蚀电位高于铜，因此铜金属将会被腐蚀。另外，钌的硬度相当高，且化学性质稳定，不容易与其它化学成份反应，只有使用类似像过碘酸钾（KIO4）这种强氧化剂（过去是使用双氧水作为氧化剂）才可使其氧化，以提高研磨率（大约100∼150A/min）。钌的物理与化学特性，为化学机械研磨制程带来不小的挑战，目前业界还在寻找适当的解决办法。
需求规模恐不足先进制程面临经济因素考验
台积电是全球晶圆代工的龙头，它的动向对于半导体产业发展都具有重大的影响力，每一季财务发表会的声明皆为半导体产业发展的风向球，故分析其营收趋势，可约略窥探与预测未来全球IC产业的发展，图6为台积电各制程节点的每季营收趋势图。
由图6可看出，目前主要营收贡献来自28奈米。过去40奈米营收用了13季超越65奈米，28奈米因搭上了行动装置的热潮，只用了6季便超越40奈米。先进制程如20/16奈米制程从推出至今已达7季，虽维持高档，但仍未超越28奈米。从营收的另一个角度观察，价格乘上销售数量等于营收，20/16奈米制程的代工价格必定高于28奈米制程，但营收却未高过于28奈米，可依此推论终端客户对20/16奈米制程的需求与投片量相较于28奈米制程应该是低上不少。且在2016第一季时，20/16奈米制程的营收较上季下滑，28奈米制程却较上季上升，再加上台积电在法说会上提到28奈米制程的产能利用率未来几个季度依旧维持高档，这些迹象显示出终端客户对先进制程需求的态度保守。
过去智慧型手机与平板电脑带动半导体先进制程的发展与高成长，但现在行动通信装置的热潮已明显消退，IC产业链相关厂商亦希望找出下一个杀手级应用，继续带动半导体产业发展。
目前业界一致认为，物联网（Internet of Things，IoT）为最佳候选人之一。物联网主要构架是将会使用大量微控制器（Micro Controller Unit，MCU）与微机电感测器（MEMS Sensor），以及微型Wi-Fi芯片作为数十亿计的「物」的控制与连接元件，这些「物」的信号将会传送到背后数以千万计，具有高运算能力的服务器进行大数据（Big Data）分析，以提供使用者及时且有用的信息。
由此可知，与「物」相关的芯片数量应该会相当惊人，但其所需的半导体制程技术应是成熟型甚至是28奈米制程即可应付；而最需要先进制程技术的服务器中央处理器芯片，相较于「物」的数量应会低上不少，对相关IC制造厂商的贡献营收是否仍可继续支撑制程开发与设备的投资，仍是未知数。市场给予IC制造厂商的压力与挑战，并不亚于前文所提到的制程挑战。
技术挑战时时存在产业生态转变才是真考验
随着制程技术的演进，遇到的挑战与困难只会多不会少，并且制程节点已进入到10奈米以下，快要接触到物理极限，所以除了线宽微缩外，改变元件结构或是使用新的材料等选项，已是一条不可不走的路。
像前段制程的元件部份，除了线宽微缩的挑战之外，其他如功耗的将低或是运算能力的增进，亦是等待解决的课题之一。FinFET将过去的平面式结构转为立体式结构，增加对闸极的控制能力，未来更有可能转为全包复式的闸极以降低漏电流。
另外，改变信道材料，由过去的硅改为SiGe或是III-V族等信道材料，为的都是增加电子或是电洞的迁移率。但晶圆制造业者要如何把异质材料整合至硅基板上，又兼顾可靠度，将是避无可避的挑战。
后段金属导线在材料上的选择亦遇到阻挡层与衬垫层沉积的挑战，间接导致电镀铜的困难度增加，过去是使用氮化钽/钽作为阻挡层与衬垫层，但随着金属导线临介尺寸的缩小，钽/氮化钽已渐渐地不符合制程的要求。钴已在20奈米制程部份取代了钽，作为衬垫层的主要材料，未来钌更会在7奈米制程继续接棒。但因钴、钌与铜电化学与材料的特性，增加了化学机械研磨与后清洗的挑战。
回顾过去的历史，技术上的难关总有办法克服，但接下来半导体产业还要面临经济上的考验。未来的制程节点发展难度将会越来越高，相对的，制程开发与设备的投资金额也将会越来越庞大，最终必定将会反应到晶圆的销售价格上。
上一波行动装置如智慧型手机与平板装置的热卖，带起了28奈米制程营收的高峰，但未来先进制程可能不会有类似的机遇。在行动通信装置的退烧，以及物联网应用的普及带动下，成熟型制程如微机电与28奈米将仍可持续发光发热，但高成本的先进制程未来在市场的接受度上，仍有不少的质疑声浪与挑战，未来的发展有待持续观察。
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