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文 | 半導體產業縱橫
近期，半導體業倍受關注的一大熱點事件是三星官宣量產3nm製程芯片。實際上，在官方消息發出之前，業界就一直在議論此事，焦點就是良率問題。由於在追趕台積電的道路上不遺餘力，三星幾乎用盡渾身解數，這一次，在台積電即將於下半年量產3nm製程之前，搶先宣布量產，比拼的意味濃厚。但從近些年的情況來看，在先進製程工藝方面，屢屢被台積電碾壓，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製程剛量產的時候，高通驍龍845 SoC由三星代工生產，驍龍855、865則由台積電7nm製程工藝生產，英偉達原計劃由三星生產的7nm製程GPU芯片，也轉移到了台積電。那時，三星在良率方面就落後於台積電，訂單量明顯少於對手。
2021年，4nm製程興起，高通將驍龍 8 Gen1 Plus的生產訂單轉給了台積電，很重要的原因就是三星4nm製程工藝的良率僅為35%左右，與台積電超過70%的良率相比差太多。
今年2月，據韓媒Infostock DAIly報道，三星電子懷疑旗下晶圓代工廠的產量及良率報告存在造假行為，因此，三星DS部門受到了管理諮詢部門對其晶圓代工廠5nm製程良率的調查，緊隨其後的將是4nm和3nm調查。該事件的起因是，三星晶圓代工業務飽受低良率之苦，特別是4/5nm製程量產後，出現了良率極其低下的情況，交貨時間不斷延後，招致了三星高層的懷疑。一位熟悉三星電子內部情況的高管表示：“由於晶圓代工業務交付的數量難以滿足最近的訂單需求，我們對非內存工藝的良率表示懷疑，眾所周知，基於該良率（指此前良率報告的數據）是可以滿足訂單交付的。”管理諮詢部門的懷疑對象是DS部門現任及前任高管，調查內容包括：之前遞交的良率報告是否真實，用於提升良率的資金究竟流向何方。
今年6月，三星任命了內存製造技術中心副總裁Kim Hong-shik領導晶圓代工技術創新團隊。通過改組，三星調動存儲芯片專家來領導代工業務的核心部門。此次，晶圓代工部門的重組，也是為了改善3nm芯片良率，努力反超台積電。
台積電之所以能在先進制程方面領先全球，高良率是殺手鐧。據悉，該公司7nm製程在量產開始3個季度後，其不良率降至每平方厘米0.09，5nm製程量產初期，不良率低於同期的7nm，缺陷密度大約為每平方厘米0.10~0.11，隨着5nm芯片量產進程的推進，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，該公司發布消息稱，原計劃於2021年底上市的7nm芯片，因工藝存在缺陷，導致良率下降，發布時間推遲6個月。在此之前，英特爾在10nm製程的研發過程中就遇到了很多困難，多次延期，2019年初才實現量產。
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量與芯片總數的比值，這個數值越大，說明有用芯片數量越多，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。總良率是所有晶圓廠的核心機密，外界很難知曉。它可以反應出這家晶圓廠製造芯片的總體水平和營收能力。
芯片製造的每一個階段，從晶圓製造、中測、封裝到成測，每一步都會對總良率產生影響，其中，晶圓製造是影響良率的主要因素。
良率還受設備、原材料等因素影響，要想達到較高水平，需要穩定工藝設備，定期做工藝能力恢復。另外，環境因素對以上提到的三種良率都會產生影響，如塵埃、濕度、溫度和光照亮度等，芯片製造和封測過程需要在超潔凈的工作環境中進行。
另外，wafer的尺寸會直接影響良率，一般情況下，中心區域的良率較高，邊緣區域的良率較低（這是由製造工藝決定的）。wafer尺寸越大，中心區面積佔總面積比例也大，良率越高。
良率不是一成不變的，它會隨着工藝技術的不斷成熟而提升。一般情況下，新製程工藝剛量產的時候，良率比較低，隨着生產的推進，以及導致低良率的因素被發現和改進，良率會不斷提升，較為成熟的產線良率可以達到95%以上。
很多半導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設計企業，運營部門有專業的產品工程師(PE)負責提高良率。
拿什麼拯救你，我的良率
芯片良率如此重要，全行業都非常關注，晶圓廠、IC設計企業、半導體設備和材料廠商，以及行業科研機構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係，而可靠性與芯片缺陷有直接關係，因此，減少芯片生產過程中的缺陷數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、資金和相關資源，以提高良率，這就需要進行權衡，因為不同類型芯片對可靠性的要求不同，與之對應的資源投入也不同，這也會直接影響利潤。例如，消費類電子產品用芯片對可靠性要求沒有那麼高（與工業和汽車芯片相比），因此，對於這類芯片，達到一定良率之後，晶圓廠不會做再高的追求，而是將資源分配到開發下一個節點的製程和設備，這樣可以提高成熟節點的盈利能力。而對於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量級），晶圓廠必須追求更高的基準良率水平，也就需要在製程工藝和設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係的，很難兼顧。
對於晶圓廠而言，大多數影響良率的系統性問題都已解決，實際良率損失主要是由製程設備或環境的隨機缺陷造成的。為了檢測出可靠性缺陷，晶圓廠的產線必須具備相應的製程控制設備和檢測取樣機制，採用的缺陷檢測系統必須具備所需的缺陷靈敏度，並維護良好且達到規格。檢測取樣必須針對製程步驟達到足夠的頻次，以快速檢測到製程或設備的偏移。此外，必須有足夠的檢測產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，缺陷產生之後經過多個製程步驟才被檢測到，這對設備監控系統和機制的要求很高，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，系統會先檢測一片晶圓，使其在指定的製程設備中運行，然後再次檢測，第二次檢測發現的任何新缺陷必定是由該指定的製程設備產生的，這樣，就可以找出缺陷的根源所在。因此，設置好一套靈敏的檢測機制，可以揭示源自每個製程設備的隨機良率損失並將其解決。
此外，晶圓廠可以對每個設備上出現的缺陷進行分類，並生成資料庫，可作為現場故障的失效分析參考。這種方法需要非常頻繁的設備認證(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，這裡就不再贅述了。
除了晶圓廠產線的流程控制，產業鏈上游的半導體材料廠商，特別是硅晶圓廠商，也可以通過創新技術，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）的科學家開發了一種技術——新型納米轉移印刷技術（Nanotransfer-basedprinting），它可以製造出高度均勻的硅晶圓。他們將無化學粘合劑打印技術與金屬輔助化學蝕刻相結合，可以用於增強表面對比度以使納米結構可見。
這種納米轉移印刷技術是通過在相對低溫（160°C）下將金（Au）納米結構層轉移到硅襯底上，形成具有納米線（nanowires）的高度均勻的晶圓，以實現在製造過程中控制所需的厚度。這種技術允許快速、均勻、大規模製造晶圓，同時，製造的晶圓幾乎沒有缺陷，生產出的芯片良率非常高。在實驗室測試中，能夠將99%的20nm厚Au薄膜轉移到6英寸晶圓上。當採用該方法加工6英寸晶圓時，結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技術具有出色的均勻性和穩定性。
KIMM-NTU團隊認為該技術可以很容易地擴展到12英寸晶圓上，而這是三星，英特爾、台積電和GlobalFoundries等晶圓廠產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係的。在消費類電子產品芯片大行其道的時代，良率占絕對上風，因為消費電子產品對性能的要求沒那麼高。但隨着近些年消費電子市場的疲軟，相應地，高性能計算（HPC）、汽車電子市場快速發展，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要求下，良率不可能做得像消費類芯片那麼高。
這樣，各種新型芯片架構就湧現了出來。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，人工智能初創公司Cerebras Systems發布了Cerebras Wafer Scale Engine（WSE）處理器，這是一個超大芯片，由一個12英寸晶圓製成。而傳統芯片則很小，一個12英寸晶圓可以製造出三、四百個芯片。
WSE擁有1.2萬億個晶體管，專門面向AI任務開發，這顆巨型芯片，面積達到42225平方毫米。
通常情況下，晶圓廠不會製造這麼大的芯片，因為在單個晶圓的加工過程中通常會出現一些雜質，雜質會直接影響芯片良率，而單個芯片越大，整體良率越低。像Cerebras這麼大的芯片，其良率保障是個凸出的問題。不過，Cerebras Systems公司表示，其設計的芯片留有冗餘，一種雜質不會導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。該公司稱設計出了一個可以繞過任何製造缺陷的系統來實現100%的良率，最初，Cerebras有1.5%的額外內核允許缺陷的存在。
之所以會出現WSE這樣的超大芯片，原因在於，高性能計算市場對性能的敏感度高於價格，高性能計算市場的主要客戶並非C端，而是B端的行業客戶，他們對成本不敏感，最關心的是性能。特別是近些年，AI在雲計算市場的應用風起雲湧，雲端AI芯片的客戶主要是谷歌這樣的互聯網巨頭，在這些巨頭眼裡，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公司這樣的芯片屬於極端案例，大多數情況下，高性能計算市場的芯片尺寸還是在傳統範圍以內。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）面積做小（確保良率），並用高級封裝技術把不同的芯粒集成在一起。這樣，芯粒之間的通信並不需要走PCB板，可以在封裝內進行，這就大大降低了片外通信的開銷。AMD最先在數據中心商用了Chiplet方案，且取得了良好的效果，看到商機後，英特爾也在跟進，開發了一整套先進制程工藝和封裝技術。
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，能夠玩轉這些的廠商恐怕會越來越少。
