本文來自半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫，作者/暢秋。
晶圓廠的兩大命根子——良率與性能——的重要性愈加凸顯，同時，良率與性能之間的關(guān)系也在發(fā)生著變化。
近期，半導(dǎo)體業(yè)倍受關(guān)注的一大熱點事件是三星官宣量產(chǎn)3nm制程芯片。實際上，在官方消息發(fā)出之前，業(yè)界就一直在議論此事，焦點就是良率問題。由于在追趕臺積電的道路上不遺余力，三星幾乎用盡渾身解數(shù)，這一次，在臺積電即將于下半年量產(chǎn)3nm制程之前，搶先宣布量產(chǎn)，比拼的意味濃厚。但從近些年的情況來看，在先進制程工藝方面，屢屢被臺積電碾壓，一個很重要的原因就是三星難以保證良率，這在獲取客戶信心方面是個很大的減分項。
前些年，在10nm和7nm制程剛量產(chǎn)的時候，高通驍龍845 SoC由三星代工生產(chǎn)，驍龍855、865則由臺積電7nm制程工藝生產(chǎn)，英偉達原計劃由三星生產(chǎn)的7nm制程GPU芯片，也轉(zhuǎn)移到了臺積電。那時，三星在良率方面就落后于臺積電，訂單量明顯少于對手。
2021年，4nm制程興起，高通將驍龍8 Gen1 Plus的生產(chǎn)訂單轉(zhuǎn)給了臺積電，很重要的原因就是三星4nm制程工藝的良率僅為35%左右，與臺積電超過70%的良率相比差太多。
今年2月，據(jù)韓媒Infostock Daily報道，三星電子懷疑旗下晶圓代工廠的產(chǎn)量及良率報告存在造假行為，因此，三星DS部門受到了管理咨詢部門對其晶圓代工廠5nm制程良率的調(diào)查，緊隨其后的將是4nm和3nm調(diào)查。該事件的起因是，三星晶圓代工業(yè)務(wù)飽受低良率之苦，特別是4/5nm制程量產(chǎn)后，出現(xiàn)了良率極其低下的情況，交貨時間不斷延后，招致了三星高層的懷疑。一位熟悉三星電子內(nèi)部情況的高管表示：“由于晶圓代工業(yè)務(wù)交付的數(shù)量難以滿足最近的訂單需求，我們對非內(nèi)存工藝的良率表示懷疑，眾所周知，基于該良率（指此前良率報告的數(shù)據(jù)）是可以滿足訂單交付的。”管理咨詢部門的懷疑對象是DS部門現(xiàn)任及前任高管，調(diào)查內(nèi)容包括：之前遞交的良率報告是否真實，用于提升良率的資金究竟流向何方。
今年6月，三星任命了內(nèi)存制造技術(shù)中心副總裁Kim Hong-shik領(lǐng)導(dǎo)晶圓代工技術(shù)創(chuàng)新團隊。通過改組，三星調(diào)動存儲芯片專家來領(lǐng)導(dǎo)代工業(yè)務(wù)的核心部門。此次，晶圓代工部門的重組，也是為了改善3nm芯片良率，努力反超臺積電。
臺積電之所以能在先進制程方面領(lǐng)先全球，高良率是殺手锏。據(jù)悉，該公司7nm制程在量產(chǎn)開始3個季度后，其不良率降至每平方厘米0.09，5nm制程量產(chǎn)初期，不良率低于同期的7nm，缺陷密度大約為每平方厘米0.10~0.11，隨著5nm芯片量產(chǎn)進程的推進，不良率降至0.10以下。
另一大芯片巨頭英特爾也飽受良率困擾，2020年7月，該公司發(fā)布消息稱，原計劃于2021年底上市的7nm芯片，因工藝存在缺陷，導(dǎo)致良率下降，發(fā)布時間推遲6個月。在此之前，英特爾在10nm制程的研發(fā)過程中就遇到了很多困難，多次延期，2019年初才實現(xiàn)量產(chǎn)。
綜上，芯片良率的重要性可見一斑。
芯片良率簡析
簡單的說，芯片良率就是晶圓上合格芯片數(shù)量與芯片總數(shù)的比值，這個數(shù)值越大，說明有用芯片數(shù)量越多，浪費越少，成本也就越低，利潤越高。
良率還可以細分為wafer（硅晶圓）良率、die良率和封測良率，這三種良率的乘積則是總良率?？偭悸适撬芯A廠的核心機密，外界很難知曉。它可以反應(yīng)出這家晶圓廠制造芯片的總體水平和營收能力。
芯片制造的每一個階段，從晶圓制造、中測、封裝到成測，每一步都會對總良率產(chǎn)生影響，其中，晶圓制造是影響良率的主要因素。
良率還受設(shè)備、原材料等因素影響，要想達到較高水平，需要穩(wěn)定工藝設(shè)備，定期做工藝能力恢復(fù)。另外，環(huán)境因素對以上提到的三種良率都會產(chǎn)生影響，如塵埃、濕度、溫度和光照亮度等，芯片制造和封測過程需要在超潔凈的工作環(huán)境中進行。
另外，wafer的尺寸會直接影響良率，一般情況下，中心區(qū)域的良率較高，邊緣區(qū)域的良率較低（這是由制造工藝決定的）。wafer尺寸越大，中心區(qū)面積占總面積比例也大，良率越高。
良率不是一成不變的，它會隨著工藝技術(shù)的不斷成熟而提升。一般情況下，新制程工藝剛量產(chǎn)的時候，良率比較低，隨著生產(chǎn)的推進，以及導(dǎo)致低良率的因素被發(fā)現(xiàn)和改進，良率會不斷提升，較為成熟的產(chǎn)線良率可以達到95%以上。
很多半導(dǎo)體公司都有專門從事良率提升工作的工程師，在晶圓廠，有專門的良率提高(YE)部門，良率工程師負責提高晶圓良率；在IC設(shè)計企業(yè)，運營部門有專業(yè)的產(chǎn)品工程師(PE)負責提高良率。
拿什么拯救你，我的良率
芯片良率如此重要，全行業(yè)都非常關(guān)注，晶圓廠、IC設(shè)計企業(yè)、半導(dǎo)體設(shè)備和材料廠商，以及行業(yè)科研機構(gòu)都在進行各種研究探索，為提升芯片良率添磚加瓦。
當然，提升良率的主戰(zhàn)場依然是晶圓廠（IDM廠或晶圓代工廠）。要提升良率，首先需要深入研究芯片良率與可靠性之間的關(guān)系，而可靠性與芯片缺陷有直接關(guān)系，因此，減少芯片生產(chǎn)過程中的缺陷數(shù)量可以提升基準良率，同時可以提高器件的可靠性。
為了提高可靠性，需要投入時間、資金和相關(guān)資源，以提高良率，這就需要進行權(quán)衡，因為不同類型芯片對可靠性的要求不同，與之對應(yīng)的資源投入也不同，這也會直接影響利潤。例如，消費類電子產(chǎn)品用芯片對可靠性要求沒有那么高（與工業(yè)和汽車芯片相比），因此，對于這類芯片，達到一定良率之后，晶圓廠不會做再高的追求，而是將資源分配到開發(fā)下一個節(jié)點的制程和設(shè)備，這樣可以提高成熟節(jié)點的盈利能力。而對于高可靠性要求的芯片（如車用芯片，其可靠性要求比消費類芯片高兩至三個數(shù)量級），晶圓廠必須追求更高的基準良率水平，也就需要在制程工藝和設(shè)備方面投入更多資源。不過，高性能與高良率之間是存在矛盾關(guān)系的，很難兼顧。
對于晶圓廠而言，大多數(shù)影響良率的系統(tǒng)性問題都已解決，實際良率損失主要是由制程設(shè)備或環(huán)境的隨機缺陷造成的。為了檢測出可靠性缺陷，晶圓廠的產(chǎn)線必須具備相應(yīng)的制程控制設(shè)備和檢測取樣機制，采用的缺陷檢測系統(tǒng)必須具備所需的缺陷靈敏度，并維護良好且達到規(guī)格。檢測取樣必須針對制程步驟達到足夠的頻次，以快速檢測到制程或設(shè)備的偏移。此外，必須有足夠的檢測產(chǎn)能用以支持加速異常偵測。
在實際操作過程中，常見的難點是精確找出基準缺陷的出處，有時，缺陷產(chǎn)生之后經(jīng)過多個制程步驟才被檢測到，這對設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和機制的要求很高，做不好的話，常常找不出問題的根源在哪。為了解決這個問題，系統(tǒng)會先檢測一片晶圓，使其在指定的制程設(shè)備中運行，然后再次檢測，第二次檢測發(fā)現(xiàn)的任何新缺陷必定是由該指定的制程設(shè)備產(chǎn)生的，這樣，就可以找出缺陷的根源所在。因此，設(shè)置好一套靈敏的檢測機制，可以揭示源自每個制程設(shè)備的隨機良率損失并將其解決。
此外，晶圓廠可以對每個設(shè)備上出現(xiàn)的缺陷進行分類，并生成資料庫，可作為現(xiàn)場故障的失效分析參考。這種方法需要非常頻繁的設(shè)備認證(至少每天一次)。
通過以上這些措施和方法，晶圓廠可以有效控制缺陷，從而提升芯片良率水平。當然，除了這些，晶圓廠還有其它提升良率的方式方法，這里就不再贅述了。
除了晶圓廠產(chǎn)線的流程控制，產(chǎn)業(yè)鏈上游的半導(dǎo)體材料廠商，特別是硅晶圓廠商，也可以通過創(chuàng)新技術(shù)，在晶圓層面為提升良率提供保障。
例如，來自韓國科學與信息通信技術(shù)部下屬的韓國機械與材料研究所（KIMM）和新加坡南洋理工大學（NTU）的科學家開發(fā)了一種技術(shù)——新型納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)（Nanotransfer-basedprinting），它可以制造出高度均勻的硅晶圓。他們將無化學粘合劑打印技術(shù)與金屬輔助化學蝕刻相結(jié)合，可以用于增強表面對比度以使納米結(jié)構(gòu)可見。
這種納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)是通過在相對低溫（160°C）下將金（Au）納米結(jié)構(gòu)層轉(zhuǎn)移到硅襯底上，形成具有納米線（nanowires）的高度均勻的晶圓，以實現(xiàn)在制造過程中控制所需的厚度。這種技術(shù)允許快速、均勻、大規(guī)模制造晶圓，同時，制造的晶圓幾乎沒有缺陷，生產(chǎn)出的芯片良率非常高。在實驗室測試中，能夠?qū)?9%的20nm厚Au薄膜轉(zhuǎn)移到6英寸晶圓上。當采用該方法加工6英寸晶圓時，結(jié)果顯示印刷層保持完整，在蝕刻過程中彎曲最小，證明該Nanotransfer-basedprinting技術(shù)具有出色的均勻性和穩(wěn)定性。
KIMM-NTU團隊認為該技術(shù)可以很容易地擴展到12英寸晶圓上，而這是三星，英特爾、臺積電和GlobalFoundries等晶圓廠產(chǎn)線中的主流晶圓尺寸。
性能與良率之爭
談到芯片良率，就不能不談性能，因為這兩者之間是存在矛盾關(guān)系的。在消費類電子產(chǎn)品芯片大行其道的時代，良率占絕對上風，因為消費電子產(chǎn)品對性能的要求沒那么高。但隨著近些年消費電子市場的疲軟，相應(yīng)地，高性能計算（HPC）、汽車電子市場快速發(fā)展，且潛力巨大，而這些類型的芯片對性能要求極高，此時，良率就不得不做些讓步了，因為在絕對高性能的量產(chǎn)要求下，良率不可能做得像消費類芯片那么高。
這樣，各種新型芯片架構(gòu)就涌現(xiàn)了出來。最具代表性的，也是最極端的就是Cerebras的晶圓級大芯片。
2019年8月，人工智能初創(chuàng)公司Cerebras Systems發(fā)布了Cerebras Wafer Scale Engine（WSE）處理器，這是一個超大芯片，由一個12英寸晶圓制成。而傳統(tǒng)芯片則很小，一個12英寸晶圓可以制造出三、四百個芯片。
WSE擁有1.2萬億個晶體管，專門面向AI任務(wù)開發(fā)，這顆巨型芯片，面積達到42225平方毫米。
通常情況下，晶圓廠不會制造這么大的芯片，因為在單個晶圓的加工過程中通常會出現(xiàn)一些雜質(zhì)，雜質(zhì)會直接影響芯片良率，而單個芯片越大，整體良率越低。像Cerebras這么大的芯片，其良率保障是個凸出的問題。不過，Cerebras Systems公司表示，其設(shè)計的芯片留有冗余，一種雜質(zhì)不會導(dǎo)致整個芯片都不能用。
2021年4月，Cerebras Systems公司又推出了WSE的升級版WSE-2，集成了2.6萬億個晶體管。該公司稱設(shè)計出了一個可以繞過任何制造缺陷的系統(tǒng)來實現(xiàn)100%的良率，最初，Cerebras有1.5%的額外內(nèi)核允許缺陷的存在。
之所以會出現(xiàn)WSE這樣的超大芯片，原因在于，高性能計算市場對性能的敏感度高于價格，高性能計算市場的主要客戶并非C端，而是B端的行業(yè)客戶，他們對成本不敏感，最關(guān)心的是性能。特別是近些年，AI在云計算市場的應(yīng)用風起云涌，云端AI芯片的客戶主要是谷歌這樣的互聯(lián)網(wǎng)巨頭，在這些巨頭眼里，算力就是王道，它們對算力的追求幾乎是無止境的，這一點和信奉“夠用就好”的消費電子市場完全不同。
當然，像Cerebras Systems公司這樣的芯片屬于極端案例，大多數(shù)情況下，高性能計算市場的芯片尺寸還是在傳統(tǒng)范圍以內(nèi)。但良率與性能之間的矛盾問題還是有增無減。需要有新的解決方案。
此時，Chiplet應(yīng)運而生，它在兼顧性能和良率方面有獨到之處。如果要提升性能就必須減少片外通信，而想提升良率則必須保證單一芯片面積不能太大。Chiplet方案恰恰能同時兼顧這兩點。Chiplet可將單一芯粒（die）面積做?。ù_保良率），并用高級封裝技術(shù)把不同的芯粒集成在一起。這樣，芯粒之間的通信并不需要走PCB板，可以在封裝內(nèi)進行，這就大大降低了片外通信的開銷。AMD最先在數(shù)據(jù)中心商用了Chiplet方案，且取得了良好的效果，看到商機后，英特爾也在跟進，開發(fā)了一整套先進制程工藝和封裝技術(shù)。
總之，在先進制程不斷迭代的今天，芯片良率問題變得越來越突出，與此同時，高性能需求也在給良率找麻煩。一切都好難，能夠玩轉(zhuǎn)這些的廠商恐怕會越來越少。
