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(jìn)制程工藝方面,，屢屢被臺積電碾壓,，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)移到了臺積電,。那時(shí),，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(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?！惫芾碜稍儾块T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(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(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(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,，利潤越高,。

良率還可以細(xì)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(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收能力,。

芯片制造的每一個(gè)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(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(jìn)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(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煽啃缘囊蟛煌?，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(fèi)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(dá)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(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）,，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(jī)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(hù)良好且達(dá)到規(guī)格,。檢測取樣必須針對制程步驟達(dá)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(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)制程步驟才被檢測到，這對設(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)會先檢測一片晶圓，使其在指定的制程設(shè)備中運(yùn)行,，然后再次檢測,，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(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(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?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，良率占絕對上風(fēng),，因?yàn)橄M(fèi)電子產(chǎn)品對性能的要求沒那么高,。但隨著近些年消費(fèi)電子市場的疲軟，相應(yīng)地,，高性能計(jì)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(shí)，良率就不得不做些讓步了,，因?yàn)樵诮^對高性能的量產(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出現(xiàn)一些雜質(zhì)，雜質(zhì)會直接影響芯片良率,，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。

之所以會出現(xiàn)WSE這樣的超大芯片,，原因在于,，高性能計(jì)算市場對性能的敏感度高于價(jià)格，高性能計(jì)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(jì)算市場的應(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）面積做小（確保良率）,，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(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)這些的廠商恐怕會越來越少,。