經濟部國家產業創新獎－推薦閱讀

洪詠傑經理

洪詠傑

洪詠傑經理
台灣積體電路製造股份有限公司十二B廠

創新菁英－青年組

將選擇性成長沉積技術導入量產高築技術門檻

隨著製程進展，屬於中段製程的金屬內連線製造也面臨嚴峻挑戰。既有技術不再可行，必須採取新的方法，才能使晶片持續微縮。在洪詠傑團隊的一起努力下，台積公司領先世界，從7奈米開始將原仍停留在學術研究的選擇性成長沉積技術，成功導入量產，並延續至3奈米製程。這項獨創技術不僅為台積樹立極高的技術門檻，也開啟了延續摩爾定律的可能性。

先進邏輯晶片的製造可分為前段、中段及後段製程三大部分。前段主要處理底層的電晶體，後段則是晶片最上層的互連導線。顧名思義，中段製程是用來連接前段與後段製程，目的是提供金屬接點，將電晶體與導線相連。因此，中段金屬內連線是晶片中具關鍵性的金屬導線，一旦發生斷裂或其他問題，會對良率和後續製程帶來重大影響。

此外，越來越細的金屬連線亦會帶來電阻過高、晶片過熱、運算效能下降、可靠性降低等各種風險，所以降低金屬連線電阻已成為發展先進製程的重要目標，而若要克服電阻過高的問題，必須移轉至全新的無阻障層選擇性成長沉積技術，才有可能。任職台積7年多以來，洪詠傑一直專注於中段製程開發，在沒有任何先例可參考的情況下，他的創新研發與不輕易言敗精神，讓此目標成為現實，進一步推升了台積難以匹敵的競爭力。

熱愛材料科學產品開發初試啼聲

洪詠傑對材料科學的熱忱，可說是自小培養出來的，「我的父親是中鋼生產端的工程師，從小就常聽他談論工作上的所見所聞，以及材料對於推動製造業發展的重要性，讓我對材料充滿了好奇心。」於是，他選擇就讀成功大學材料系，畢業後前往美國佛羅里達大學攻讀材料系博士，一路朝此領域發展。

博士班期間，洪詠傑投入Wolfgang Sigmund教授門下，從事超疏水性介面及表面化學能的理論研究。「我的老師不只是做研究，也常鼓勵我們要開發新產品，申請專利，對社會做出貢獻，而不是關在學術的象牙塔裡。」他說。

在此氛圍下，洪詠傑提出了將超疏水性材料運用在塗料的想法，「透過研究介面能量，我開發出一種可噴塗式奈米級超疏水性塗料，不僅獲得兩家美國公司贊助拿到研究經費，還取得兩項美國專利認證。」2016年，洪詠傑亦得到哥倫比亞的塗料公司資助，前往當地試產樣品，該產品在試產結果檢驗中，可成功塗佈在10平方米大小的牆面，同時具有超疏水性及自潔能力。

「這段期間，指導教授嚴謹且務實的研究精神，給了我很大的啟發，而在產品開發過程中，東西文化差異也擴展了我的視野，對我來說，這些都是很重要的成長與歷練。」

2016年順利拿到博士學位後，剛好碰到台積到北美招募人才，洪詠傑當時就決定回臺灣，加入台積行列。

移除阻障層延續摩爾定律

「我還記得應徵時，主管跟我說，12B廠是非常具有挑戰性的地方，我們的任務是要將研發部門的成果落實在實際生產上，並協助其他廠導入大量生產。這剛好符合我的興趣，就此進入12B廠，擔任PVD的主任工程師。」PVD是Physical Vapor Deposition（物理氣相沉積）的縮寫。

形容自己是「對材料研究充滿熱情，每天都有想法，也不會覺得累」的人，進入公司的第一個專案是10奈米阻障層技術開發，從此開啟了對中段金屬化製程（MEOL metallization）的深入探究。

洪詠傑說，隨著技術節點前進，金屬化製程中的阻障層及成核層會佔據相當比例的金屬洞面積。到了7奈米階段，金屬導線的截面積已小於20奈米，約為頭髮的1/2500。「這麼細的導線會使電阻急劇提高，此問題到5奈米甚至3奈米之後會更嚴重，勢必得想辦法移除阻障層，留下空間給金屬導線，否則晶片將無法持續微縮。」於是，台積決定投入無阻障層的選擇性成長沉積技術開發。」

7奈米首次導入時，遭遇了導線電阻分佈不平均的挑戰。洪詠傑回到最基礎的原子成長研究，找出造成高阻值的晶格相態後，歷經種種困難，才終於開發出選擇性成長沉積技術1.0，可改善來源基材的介面，達到99%的晶片電阻均勻度。

他回憶說，「在3個月的時間內，我們的團隊可說是24小時輪番上陣，不間斷地做實驗、做穿透式電子顯微鏡（TEM）分析，檢討結果。看了近200張TEM及嘗試各種不同方法後，才終於找到最適合的參數，順利協助公司於2019年將N7P製程導入量產。」

這對台積來說，又是一次高築技術門檻的重要里程碑。因為即使競爭對手繞道此技術，改採其他製程進入7奈米以下節點，其金屬內連線的電阻一定會較高，使得晶片效能較差，無法與台積匹敵。因為此項技術突破，洪詠傑於2019年獲得台積「營業秘密金質獎」的肯定。

接下棒子傳遞研發薪火

有了7奈米的成功經驗，進入5 奈米世代，儘管面臨了金屬導線斷裂、成長底材腐蝕，以及可靠性等各種問題，洪詠傑仍一一克服迎面而來的挑戰，陸續開發出選擇性成長沉積技術2.0及2.1，改善金屬線缺陷達99%，達到可量產標準的良率。

特別是5奈米的量產成功，再度大幅拉開台積與競爭對手的距離，洪詠傑團隊又於2021年拿下公司頗具指標性的「Operations Idea Forum」第一名。

洪詠傑表示，「想要超越競爭對手，自然是困難重重，但當我們找到答案，當下的雀躍心情與成就感，讓過去的辛苦都忘記了！」

加入台積7年能有此成績，確實不容易。洪詠傑很感謝亦師亦友的直屬長官--薄膜二部蔡家銘部經理，讓他建立了兼顧現場環境、成本等各方面考量的務實研發態度，「他常把在天上飛的我，拉回到地上。」洪詠傑笑說。

對此，蔡家銘表示，「洪詠傑的特別之處在於，他雖是海外回國的博士，但願意重新學習，充滿創意與熱忱。所以我非常願意傾囊相授自己在技術面及生產面的經驗，也希望他能夠做為技術傳承者，去栽培、影響更多人，讓台積的創新薪火可以一直傳遞下去。」

現在，洪詠傑的任務除了要確保3奈米量產成功，並將此技術擴散到其他廠之外，還持續進行2奈米技術的研發。此外，他也是選擇性成長沉積技術委員會的成員，協助培訓更多人才。

展望未來，洪詠傑表示，除了持續精進技術，希望自己能跟蔡家銘以及12B資深廠長田博仁、技術處長范彧達等主管看齊，「他們都是能夠在混亂情況中冷靜判斷情勢，做出正確決策的人，這對從事先進研發來說，非常重要。這樣的豐富經驗、技術涵養以及洞察力都是我要努力學習的，才能進一步地成長與提升！」

得獎感言－洪詠傑經理

在美國求學時的教授Dr. Wolfgang Sigmund有句話讓我印象深刻，「博士生的養成除了具備獨立思考能力，還有累積多少實驗及經驗得以履行想法。」創新到落實的過程如同爬山登頂一般，需要擬定完整的計劃堅持向前，才能看見璀璨的日出。感謝台積公司提供絕佳的世界舞台，讓我能在創新的環境中，參與突破摩爾定律的「無阻障層金屬內連線計畫」，該計畫提出對於下一代內連線技術嶄新且可行的構想，落實過程雖遭遇無數挑戰，但是台積公司除了是個充滿新點子及可以挑戰新技術的環境，更重要的是，我們具有不輕易言敗的文化。感謝參與團隊孜孜矻矻地投入專案，一起讓創新落地並打造全世界運算效能最優良之晶片，能夠成為團隊一員讓我覺得無比驕傲及充滿成就感。