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DSA將成3奈米製程重頭戲 默克持續加碼投資台灣

文‧黃繼寬 發布日期:2020/09/29 關鍵字:定向自組裝Merck微影製程EUV

微影製程一直是半導體製程微縮的過程中,最難攻克的技術關卡。為了在晶圓表面生成線寬僅數十奈米,甚至數奈米的圖形,半導體業界必須使用更昂貴、更複雜,也更耗電的微影設備。因此,能自動生成奈米級圖形的材料,例如定向自組裝(Directed Self Assemblying, DSA)材料,具有十分可觀的發展潛力,也成為半導體材料大廠默克(Merck)積極發展的目標。默克預估,DSA材料將在三奈米製程進入應用階段,並改寫過去幾十年來半導體微影製程只有「由上而下」的典範。

默克薄膜科技資深副總裁冉紓睿(Surésh Rajaraman)表示,為了在晶圓表面創造出奈米等級的細微線路圖形,半導體製造商必須使用極為昂貴的極紫外光(EUV)微影設備,例如7奈米製程就必須使用EUV設備,才能在晶圓表面曝光出所需要的圖形。但光靠標準EUV機台,將無法滿足5奈米製程的需求,因此業界又另外發展出雙重圖形化(Double Patterning)與高數值孔徑(High -NA) EUV,才能創造出更小的圖形。

然而,這些外加的技術讓原本就已經很昂貴的EUV設備與微影製程變得更昂貴,也更複雜。因此,這條路走到某個製程節點後,必然會遇到物理與經濟面的瓶頸。半導體業界需要發展出新的做法。默克認為,DSA將是各種可以產生奈米級圖形的次世代技術中,最具潛力,也最革命性的新技術。

「由下而上」的顛覆性創新
電晶體微縮化之所以越來越昂貴,是因為業界習慣以「由上而下」的方式,亦即從晶圓上方的曝光光源向下發射雷射光束,搭配中間的光罩和塗布在晶圓表面的光阻液,在晶圓上形成電路圖樣。然而,要延續摩爾定律,除了由上而下的方法外,還應該搭配「由下而上」的新作法,也就是直接在晶圓表面向上「長」出電路圖樣。

默克是「由下而上」方法的材料專家,透過各種材料解決方案,能縮短開發時間、降低成本和減少結構複雜性。有很多種方法屬於「由下而上」的範疇,其中有一些已經廣泛應用在半導體製程中,例如自對準型圖形化技術(Self-aligned Patterning)與原子層沉積(ALD)等自限制型技術(Self-limiting Process)。

DSA也是一種由下而上的技術。DSA的基礎是一種塊狀共聚合物(BCP),由兩股不同聚合物以端對端交聯而成。這些聚合物有一個特性,就是在特定條件下,會出現同類相吸、異類相斥的現象,因此只要控制BCP中兩股材料的長短比例,就能讓BCP沿著導電結構自行排列成不同形狀,形成極精細電晶體和印刷導電體的基礎。

DSA材料由兩股不同的聚合物組成,在特定條件下會出現同類相吸,異類相斥的現象。對此一特性善加控制,便可實現極為精細的圖樣。

對半導體製造商而言,這意味著在晶片製造過程中,可以先使用較為成熟的微影技術,在晶圓表面上形成間距比較寬鬆的結構,再透過DSA在這些縫隙間生成線寬更窄的圖案,進而達成線路微縮的目標。目前默克已經與晶圓廠客戶在5奈米製程上進行技術評估,預計在3奈米製程上便會開始大量導入。

半導體晶片微型化驅動沉積製程創新
晶片設計以快速且多變的方式進展,未來不僅趨向微型化,還朝向更複雜的結構進行。默克致力於發展各種解決方案,以克服奈米級的微縮化及3D結構所帶來的挑戰,如微型化製程與填洞步驟。因此,挑選適合的沉積技術是實現新型晶片結構的關鍵。現階段所有許多類型的技術應用於氧化矽填洞技術,包括旋塗式介電(SOD)、流動式化學氣象沉積(FCVD)、原子層沉積、以及化學氣象沉積技術。為了優化晶片效能,默克期待能結合以上技術,提供最具協同效益的整合性解決方案供客戶使用。
   
台灣為默克沉積材料創新重鎮
根據國際半導體產業協會(SEMI)的統計資料,台灣已連續10年蟬聯全球半導體材料消費市場冠軍,2019年總金額達113億美元。因此,作為產品線幾乎橫跨所有半導體製程材料的默克,自然會將台灣視為重要的策略市場及技術發展重鎮,特別是在奈米製程扮演關鍵角色的沉積材料技術。

台灣默克集團董事長謝志宏表示,該公司已擬定長期投資計畫,目標是建立與提升默克位於南科的高雄廠之相關核心能力。此擴建計畫將增加在地化創新與生產技術、確保安全營運與卓越供應,並透過與客戶的更緊密合作與縮短溝通時間,加速半導體客戶的創新研發步伐。

本投資計畫已於2020年初啟動,預計將建置新廠房,以容納更多尖端研發與生產設備。

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