芯片良率危機(jī)凸顯

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(shí)，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(diǎn)事件是三星官宣量產(chǎn)3nm制程芯片。實(shí)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(diǎn)就是良率問題。由于在追趕臺(tái)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(tái)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(jìn)制程工藝方面，屢屢被臺(tái)積電碾壓，一個(gè)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(gè)很大的減分項(xiàng)。

前些年，在10nm和7nm制程剛量產(chǎn)的時(shí)候，高通驍龍845 SoC由三星代工生產(chǎn)，驍龍855、865則由臺(tái)積電7nm制程工藝生產(chǎn)，英偉達(dá)原計(jì)劃由三星生產(chǎn)的7nm制程GPU芯片，也轉(zhuǎn)移到了臺(tái)積電。那時(shí)，三星在良率方面就落后于臺(tái)積電，訂單量明顯少于對(duì)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(tái)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(tái)積電超過70%的良率相比差太多。

今年2月，據(jù)韓媒Infostock Daily報(bào)道，三星電子懷疑旗下晶圓代工廠的產(chǎn)量及良率報(bào)告存在造假行為，因此，三星DS部門受到了管理咨詢部門對(duì)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(shí)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(duì)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(bào)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(duì)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(bào)告是否真實(shí)，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(tuán)隊(duì)。通過改組，三星調(diào)動(dòng)存儲(chǔ)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(tái)積電。

臺(tái)積電之所以能在先進(jìn)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(gè)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(jìn)程的推進(jìn)，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(jì)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(shí)間推遲6個(gè)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

綜上，芯片良率的重要性可見一斑。

芯片良率簡(jiǎn)析

簡(jiǎn)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(gè)數(shù)值越大，說明有用芯片數(shù)量越多，浪費(fèi)越少，成本也就越低，利潤(rùn)越高。

良率還可以細(xì)分為wafer（硅晶圓）良率、die良率和封測(cè)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(jī)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(yíng)收能力。

芯片制造的每一個(gè)階段，從晶圓制造、中測(cè)、封裝到成測(cè)，每一步都會(huì)對(duì)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(dá)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(duì)以上提到的三種良率都會(huì)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(cè)過程需要在超潔凈的工作環(huán)境中進(jìn)行。

另外，wafer的尺寸會(huì)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(huì)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(shí)候，良率比較低，隨著生產(chǎn)的推進(jìn)，以及導(dǎo)致低良率的因素被發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)，良率會(huì)不斷提升，較為成熟的產(chǎn)線良率可以達(dá)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(fù)責(zé)提高晶圓良率；在IC設(shè)計(jì)企業(yè)，運(yùn)營(yíng)部門有專業(yè)的產(chǎn)品工程師(PE)負(fù)責(zé)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(jì)企業(yè)、半導(dǎo)體設(shè)備和材料廠商，以及行業(yè)科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行各種研究探索，為提升芯片良率添磚加瓦。

當(dāng)然，提升良率的主戰(zhàn)場(chǎng)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(zhǔn)良率，同時(shí)可以提高器件的可靠性。

為了提高可靠性，需要投入時(shí)間、資金和相關(guān)資源，以提高良率，這就需要進(jìn)行權(quán)衡，因?yàn)椴煌愋托酒瑢?duì)可靠性的要求不同，與之對(duì)應(yīng)的資源投入也不同，這也會(huì)直接影響利潤(rùn)。例如，消費(fèi)類電子產(chǎn)品用芯片對(duì)可靠性要求沒有那么高（與工業(yè)和汽車芯片相比），因此，對(duì)于這類芯片，達(dá)到一定良率之后，晶圓廠不會(huì)做再高的追求，而是將資源分配到開發(fā)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的制程和設(shè)備，這樣可以提高成熟節(jié)點(diǎn)的盈利能力。而對(duì)于高可靠性要求的芯片（如車用芯片，其可靠性要求比消費(fèi)類芯片高兩至三個(gè)數(shù)量級(jí)），晶圓廠必須追求更高的基準(zhǔn)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(duì)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(shí)際良率損失主要是由制程設(shè)備或環(huán)境的隨機(jī)缺陷造成的。為了檢測(cè)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(cè)取樣機(jī)制，采用的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)必須具備所需的缺陷靈敏度，并維護(hù)良好且達(dá)到規(guī)格。檢測(cè)取樣必須針對(duì)制程步驟達(dá)到足夠的頻次，以快速檢測(cè)到制程或設(shè)備的偏移。此外，必須有足夠的檢測(cè)產(chǎn)能用以支持加速異常偵測(cè)。

在實(shí)際操作過程中，常見的難點(diǎn)是精確找出基準(zhǔn)缺陷的出處，有時(shí)，缺陷產(chǎn)生之后經(jīng)過多個(gè)制程步驟才被檢測(cè)到，這對(duì)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)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(gè)問題，系統(tǒng)會(huì)先檢測(cè)一片晶圓，使其在指定的制程設(shè)備中運(yùn)行，然后再次檢測(cè)，第二次檢測(cè)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(cè)機(jī)制，可以揭示源自每個(gè)制程設(shè)備的隨機(jī)良率損失并將其解決。

此外，晶圓廠可以對(duì)每個(gè)設(shè)備上出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分類，并生成資料庫，可作為現(xiàn)場(chǎng)故障的失效分析參考。這種方法需要非常頻繁的設(shè)備認(rèn)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(dāng)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(xué)與信息通信技術(shù)部下屬的韓國機(jī)械與材料研究所（KIMM）和新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的科學(xué)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(xué)粘合劑打印技術(shù)與金屬輔助化學(xué)蝕刻相結(jié)合，可以用于增強(qiáng)表面對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)，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(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，能夠?qū)?9%的20nm厚Au薄膜轉(zhuǎn)移到6英寸晶圓上。當(dāng)采用該方法加工6英寸晶圓時(shí)，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(tuán)隊(duì)認(rèn)為該技術(shù)可以很容易地?cái)U(kuò)展到12英寸晶圓上，而這是三星，英特爾、臺(tái)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(zhēng)

談到芯片良率，就不能不談性能，因?yàn)檫@兩者之間是存在矛盾關(guān)系的。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品芯片大行其道的時(shí)代，良率占絕對(duì)上風(fēng)，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%B6%88%E8%B4%B9%E7%94%B5%E5%AD%90/">消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)性能的要求沒那么高。但隨著近些年消費(fèi)電子市場(chǎng)的疲軟，相應(yīng)地，高性能計(jì)算（HPC）、汽車電子市場(chǎng)快速發(fā)展，且潛力巨大，而這些類型的芯片對(duì)性能要求極高，此時(shí)，良率就不得不做些讓步了，因?yàn)樵诮^對(duì)高性能的量產(chǎn)要求下，良率不可能做得像消費(fèi)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(jí)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(gè)超大芯片，由一個(gè)12英寸晶圓制成。而傳統(tǒng)芯片則很小，一個(gè)12英寸晶圓可以制造出三、四百個(gè)芯片。

WSE擁有1.2萬億個(gè)晶體管，專門面向AI任務(wù)開發(fā)，這顆巨型芯片，面積達(dá)到42225平方毫米。

通常情況下，晶圓廠不會(huì)制造這么大的芯片，因?yàn)樵趩蝹€(gè)晶圓的加工過程中通常會(huì)出現(xiàn)一些雜質(zhì)，雜質(zhì)會(huì)直接影響芯片良率，而單個(gè)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(gè)凸出的問題。不過，Cerebras Systems公司表示，其設(shè)計(jì)的芯片留有冗余，一種雜質(zhì)不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片都不能用。

2021年4月，Cerebras Systems公司又推出了WSE的升級(jí)版WSE-2，集成了2.6萬億個(gè)晶體管。該公司稱設(shè)計(jì)出了一個(gè)可以繞過任何制造缺陷的系統(tǒng)來實(shí)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(huì)出現(xiàn)WSE這樣的超大芯片，原因在于，高性能計(jì)算市場(chǎng)對(duì)性能的敏感度高于價(jià)格，高性能計(jì)算市場(chǎng)的主要客戶并非C端，而是B端的行業(yè)客戶，他們對(duì)成本不敏感，最關(guān)心的是性能。特別是近些年，AI在云計(jì)算市場(chǎng)的應(yīng)用風(fēng)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(duì)算力的追求幾乎是無止境的，這一點(diǎn)和信奉“夠用就好”的消費(fèi)電子市場(chǎng)完全不同。

當(dāng)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(jì)算市場(chǎng)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(shí)，Chiplet應(yīng)運(yùn)而生，它在兼顧性能和良率方面有獨(dú)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(shí)兼顧這兩點(diǎn)。Chiplet可將單一芯粒（die）面積做?。ù_保良率），并用高級(jí)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(jìn)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(jī)后，英特爾也在跟進(jìn)，開發(fā)了一整套先進(jìn)制程工藝和封裝技術(shù)。

總之，在先進(jìn)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(shí)，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(huì)越來越少。