先進制程面臨的經濟考驗 - 為什么說7nm工藝對半導體來說是個大挑戰(zhàn)

　　需求規(guī)?？植蛔恪∠冗M制程面臨經濟因素考驗

　　臺積電是全球晶圓代工的龍頭，它的動向對于半導體產業(yè)發(fā)展都具有重大的影響力，每一季財務發(fā)表會的聲明皆為半導體產業(yè)發(fā)展的風向球，故分析其營收趨勢，可約略窺探與預測未來全球IC產業(yè)的發(fā)展，圖6為臺積電各制程節(jié)點的每季營收趨勢圖。

　　圖6　臺積電各制程節(jié)點營收趨勢圖 圖片來源：TSMC

　　由圖6可看出，目前主要營收貢獻來自28納米。過去40納米營收用了13季超越65納米，28納米因搭上了行動裝置的熱潮，只用了6季便超越40納米。先進制程如20/16納米制程從推出至今已達7季，雖維持高檔，但仍未超越28納米。從營收的另一個角度觀察，價格乘上銷售數(shù)量等于營收，20/16納米制程的代工價格必定高于28納米制程，但營收卻未高過于28納米，可依此推論終端客戶對20/16納米制程的需求與投片量相較于28納米制程應該是低上不少。且在2016第一季時，20/16納米制程的營收較上季下滑，28納米制程卻較上季上升，再加上臺積電在法說會上提到28納米制程的產能利用率未來幾個季度依舊維持高檔，這些跡象顯示出終端客戶對先進制程需求的態(tài)度保守。

　　過去智慧型手機與平板電腦帶動半導體先進制程的發(fā)展與高成長，但現(xiàn)在行動通訊裝置的熱潮已明顯消退，IC產業(yè)鏈相關廠商亦希望找出下一個殺手級應用，繼續(xù)帶動半導體產業(yè)發(fā)展。

　　目前業(yè)界一致認為，物聯(lián)網（Internet of Things， IoT）為最佳候選人之一。物聯(lián)網主要架構是將會使用大量微控制器（Micro Controller Unit， MCU）與微機電感測器（MEMS Sensor），以及微型Wi-Fi芯片作為數(shù)十億計的“物”的控制與連結元件，這些“物”的訊號將會傳送到背后數(shù)以千萬計，具有高運算能力的伺服器進行大數(shù)據（Big Data）分析，以提供使用者及時且有用的資訊。

　　由此可知，與“物”相關的芯片數(shù)量應該會相當驚人，但其所需的半導體制程技術應是成熟型甚至是28納米制程即可應付；而最需要先進制程技術的伺服器中央處理器芯片，相較于“物”的數(shù)量應會低上不少，對相關IC制造廠商的貢獻營收是否仍可繼續(xù)支撐制程開發(fā)與設備的投資，仍是未知數(shù)。市場給予IC制造廠商的壓力與挑戰(zhàn)，并不亞于前文所提到的制程挑戰(zhàn)。

　　技術挑戰(zhàn)時時存在　產業(yè)生態(tài)轉變才是真考驗

　　隨著制程技術的演進，遇到的挑戰(zhàn)與困難只會多不會少，并且制程節(jié)點已進入到10納米以下，快要接觸到物理極限，所以除了線寬微縮外，改變元件結構或是使用新的材料等選項，已是一條不可不走的路。

　　像前段制程的元件部份，除了線寬微縮的挑戰(zhàn)之外，其他如功耗的將低或是運算能力的增進，亦是等待解決的課題之一。FinFET將過去的平面式結構轉為立體式結構，增加對閘極的控制能力，未來更有可能轉為全包覆式的閘極以降低漏電流。

　　另外，改變通道材料，由過去的矽改為SiGe或是III-V族等通道材料，為的都是增加電子或是電洞的遷移率。但晶圓制造業(yè)者要如何把異質材料整合至矽基板上，又兼顧可靠度，將是避無可避的挑戰(zhàn)。

　　后段金屬導線在材料上的選擇亦遇到阻擋層與襯墊層沉積的挑戰(zhàn)，間接導致電鍍銅的困難度增加，過去是使用氮化鉭/鉭作為阻擋層與襯墊層，但隨著金屬導線臨介尺寸的縮小，鉭/氮化鉭已漸漸地不符合制程的要求。鈷已在20納米制程部份取代了鉭，作為襯墊層的主要材料，未來釕更會在7納米制程繼續(xù)接棒。但因鈷、釕與銅電化學與材料的特性，增加了化學機械研磨與后清洗的挑戰(zhàn)。

　　回顧過去的歷史，技術上的難關總有辦法克服，但接下來半導體產業(yè)還要面臨經濟上的考驗。未來的制程節(jié)點發(fā)展難度將會越來越高，相對的，制程開發(fā)與設備的投資金額也將會越來越龐大，最終必定將會反應到晶圓的銷售價格上。

　　上一波行動裝置如智慧型手機與平板裝置的熱賣，帶起了28納米制程營收的高峰，但未來先進制程可能不會有類似的機遇。在行動通訊裝置的退燒，以及物聯(lián)網應用的普及帶動下，成熟型制程如微機電與28納米將仍可持續(xù)發(fā)光發(fā)熱，但高成本的先進制程未來在市場的接受度上，仍有不少的質疑聲浪與挑戰(zhàn)，未來的發(fā)展有待持續(xù)觀察。