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华虹14nm SRAM良率25%从半导体工艺阶段来说这算是个啥水平啊离量产还多遥远?
发布时间:2023-10-25 18:21:52 分类:产品五类 点击量:

  半导体制造的上千道工序中,如果每一个环节的良率为99.9%,那么最后成品的良率将只有36.8%

  良率,亦称“合格率”。产品质量指标之一,指合格品量占全部加工品的百分率。在半导体工艺中,生产线良率表征的是晶圆从下线到成功出厂的概率;晶圆良率表征的是一片晶圆上的芯片合格率。生产线良率乘以晶圆良率就是总良率。

  下面是一片foundry寄给测试厂的wafer,现在要进行CP(晶圆级)测试了。

  现在我们假设这片wafer总共有100颗芯片,在完成CP1,CP2,CP3之后,只有92颗芯片是通过的。所以说,我们把这一片的良率称作是92%(92/100)。那你可能会问,那又怎么了,有92颗芯片能用,我就用92颗呗,可不是这样哦。因为foundry是按照wafer的价格卖给fabless的,可不是按照芯片的价格卖的。举个例子,假设一片wafer是按照1000美元的价格卖给fabless,那么如果测试的良率是98%,fabless有98颗芯片是能用的,但是如果测试的良率是68%,那只有68颗芯片能用,但是这个时候的价格仍然是1000美元。fabless是不是赔了?所以任何一家fabless都希望拿到的wafer良率是100%(虽然这是不可能的)。

  这里你也可能会问?难道foundry生产的wafer良率是0的话,难道fabless也要吃下?当然不是,每个foundry都有赔付标准,当一片wafer的良率如果低于某个值或者某条规则规定的值,而且是认定foundry的原因导致低良的话,fabless是可以找foundry索赔的。至于具体是多少,有哪些rule,这些涉及到商业机密。

  这里还要说一下,不同产品的良率肯定是不一样的,设计越复杂,测试项越多,良率肯定越低。一个负责任的foundry都会针对产品做良率持续提升,直到这个达到这款产品应该有的良率。那一个产品的良率到底是多少的时候才是合适的呢?

  在业界,每个foundry或者比较大型的fabless都有自己的良率计算公式,根据fabless设计的芯片的复杂程度(比如用了多少nm的工艺,多少层掩膜版,有多少层是非常容易造成defect的,一颗芯片的大小等等)给出一个数学公式,比如下图

  当然,这里面的公式都是比较旧的,现在早就不用了,而且这个公式在每个公司都属于比较机密的文件,一般不会外泄。但是可以肯定的就是每家都不一样。如果fabless和foundry计算出来的结果有差,那就会出现相互谈判的事情,一般是fabless让foundry做良率提升。

  台积电2022年第三季度净利润2,809亿元新台币,毛利率60.4%。销售额为6131.4亿元新台币。报告期内,台积电 5 纳米的出货量占总晶圆收入的 28%;7 纳米的出货量占 26%;7 纳米及更先进制程占晶圆总收入的 54%。所以先进制程能够带来更多的溢价!

  以技术平台来看,台积电第三季智能手机营收占比41%,高性能计算39%,物联网10%,车用电子5%,消费电子2%。其中,物联网营收大增33%,智能手机成长 25%,动能最强劲。

  据Business Next采访报道,半导体行业分析师和专家估计,目前台积电的N3良率可能在60%~70%,最高在75%~80%,第一批的成绩还算不错。金融分析师Dan Nystedt发推表示台积电目前的N3收益率与早期的N5收益率相似,后者可能高达80%。

  相比之下,三星代工厂的3GAE良率在早期阶段从10%~20%不等,废片率高得离谱,并且没有改善。

  查找资料显示中芯国际的14nm制程工艺产品良率已经追平台积电同等工艺,水准已经达到了90%-95%。种所周期,成熟工艺的大厂良率都在95%以上,SRAM良率不值一提!

  每一种半导体工艺都有一个defect density(D0)的指标,表示一个layer的每平方厘米(或者每平方inch)的故障数。

  每个SoC产品使用这种工艺实现,都有Chip size(A),层数(Llayer),关键层数(Ncritical),设计复杂度factor(K)等参数。其中关键层数和设计复杂度factor需要估算,一般要靠以前项目的经验和数据。

  D0一般从刚开始研发到成熟量产的两年过程中会不断降低。下面请看32nm和22nm工艺当初的D0发展趋势。

  产品设计和工艺研发阶段,重点是在器件/工艺流程的建立和优化 以及各种在线和离线(inline/offline)的yield观测手段。

  良率提升阶段,重点是找出并解决工艺中的系统性失效问题,并降低随机缺陷密度。

  量产阶段,工艺线的管控和新产品导入是重点。前者要求减少各 种异常(excursion)事件(如设备故障,操作失误等),快速的问题 诊断(trouble shooting),降低关键制程的变异(variation)等,后者 要求确定工艺的最优条件,设计和工艺的交叉弱点的检测和改善等。

  先进半导体工艺,从一开始研发阶段到实现量产的时间跨度可能 达数个季度,甚至更长。差的yield,并不仅仅是单位晶粒成本的上 升,产品价格竞争力的下降,往往也意味着工艺线的不成熟,产品可 靠性方面的潜在风险,导致产品不能推出市场。由于yield低,市场导 入时间(time to market)的延长,可能导致商业机会的流失。对于大 的半导体公司而言,一个季度的时间差,可能是数十亿美元的销售额差异。

  不同企业的良率提升曲线的差异,并非简单的学习能力快慢的区 别,它综合反应了企业了解问题和解决问题的系统、方法、理念,实 际上有着深刻的企业文化烙印。客观评价生产线良率提升的速度、yield learning的效率,对企业的 发展有着战略指导意义。

  全球半导体检测和量测设备市场主要由海外厂商主导并垄断,其中KLA 在大多细分领域具有明显优势,此外AMAT、ASML、Nova、Hitachi 也有所布局。半导体工艺控制公司中KLA占比超50%。以长江存储项目2021年上半年设备中标情况来看,2021年上半年长江存储累计中标过程控制类设备约 350 台,其中国产设备累计约14 台。包括上海精测中标6 台集成式膜厚设备;中科飞测中标1 台晶圆表面凹陷检测系统、5 台光学表面三维形貌量测设备;睿励科学中标 1 台介质薄膜测量系统。与之相对,KLA 的设备机台数量占总数量约26%,中标数量约93 台,覆盖将近40种量测、检测需求,超过国产半导体量测设备的6倍。

  所以我们本土晶圆产线上的量测设备还不得不从美国、日本、欧洲等进口,因为全球半导体量测设备,75%被美系厂商(KLA、Onto、AMAT)占据,15%来自日本(日立高科技、LaserTec),6%来自欧洲(ASML),仅不足1%来自中国大陆。

  前道量测设备细分为量测设备、缺陷检测设备以及过程控制软件,据 VLSI Research 数据,缺陷检测设备占前道检测设备市场规模比例最大,超一半以上达到 62.6%;量测设备 占前道检测设备的 33.5%;过程控制软件占前道检测设备的 3.9%。 进一步按产品细分,根据智研咨询数据,价值量占比方面膜厚测量占比 12%、OCD-SEM 测量 占比 10%,CD-SEM 占比 11%、套刻误差测量占比 9%;缺陷检测中有图形晶圆检测占比 32%、 无图形晶圆检测占比 5%、电子束检测占比 12%、宏观缺陷检测占比 6%。

  上海精测全面布局膜厚及 OCD检测、SEM 检测等技术方向。在膜厚方面,上海精测已经推出了膜厚检测设备、OCD检测设备等多款半导体测量设备。技术演进路径从膜厚检测的EFILM 200UF 到 EFILM 300IM,再到EFILM 300SS/DS,再到OCD测量的EPROFILE 300FD,功能更加丰富,精密度逐渐提高。在电子光学SEM 检测方向,公司已于2020 年底交付首台电子束检测设备、2021 年交付首台OCD 设备。

  睿励科学成立于 2005 年,专注于半导体量测检测设备。睿励的主营产品为光学膜厚测量设备和光学缺陷检测设备。22021 年 4 月,睿励首台自主研发的高精度光学缺陷检测设备(WSD200)装箱出货。2021 年6 月,公司自主研发的第三代光学膜厚测量设备TFX4000i 交付设备。

  中科飞测总部位于深圳龙华区,自主研发针对生产质量控制的世界领先的光学检测技术,以工业智能检测设备为核心产品。公司在下游客户已经正式出货尺寸量测、缺陷检测设备等。

  深圳埃芯半导体基于半导体前道薄膜量测、关键尺寸量测、材料量测也已经推出多系列设备。可以对应7nm、5nm及以上技术节点的量测需求,以及3D NAND的128-256层堆叠结构;也具备了将X射线应用在量测设备中的能力。

  测量过程包括使用检查设备根据特定标准检查合规或不合规,以及异常或不适用,是一种检测晶圆中任何颗粒或缺陷的过程,涉及许多的工具和技术。

  原子力显微镜,Atomic Force Microscope,简称AFM是一种纳米级高分辨的扫描探针显微镜,优于光学衍射极限1000倍。该技术使用微型探针来实现芯片结构的测量。

  AFM是利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力,从而达到检测的目的,具有原子级的分辨率。

  CD-SEM。临界尺寸扫描电子显微镜 (CD-SEM) 是晶圆厂的主要计量工具。它用于自上而下的测量。它使用聚焦的电子束在结构表面产生信号。CD-SEM 是平面晶体管的关键计量工具,过去这些系统只能为 FinFET 做有限的工作。该工具可以测量FinFET宽度,但无法呈现出FinFET的高度和侧壁角度。

  在FinFET中,给定的计量工具必须进行12次或更多不同的测量,例如栅极高度、鳍片高度和侧壁角。这些部分中的每一个还需要一个或多个单独的测量。然而,CD-SEM 供应商最近通过在工具中添加倾斜光束功能进行了升级。通过倾斜,该工具可以测量 FinFET 中的鳍片宽度、鳍片高度和侧壁角度。

  一些供应商在CD-SEM中添加了其他新功能,例如反向散射。背散射电子检测器或 BSE 集成到CD-SEM中,作为捕获背散射电子的手段。这反过来又使 CD-SEM能够确定结构的成分或表面形貌。

  CD-SAXS是下一代X射线散射计量技术。它测量周期性纳米结构的平均形状、它们的边缘粗糙度和间距行走。该技术仍处于研发阶段。主要限制是拥有足够明亮的X射线源来进行测量。

  事实上没有一种工具可以满足FinFET的所有计量需求。所以一段时间以来,业界一直在谈论一种称为混合计量的技术。在这种方法中,芯片制造商使用多种不同工具技术的混合搭配,然后将每种工具的数据结合起来。在一个示例中,通过CD-SEM和AFM测FinFET结构。然后,将结果输入OCD工具以验证模型。

  然而,混合计量仍处于发展的早期阶段。挑战在于这一过程需要将竞争对手的工具放在同一流程中并告诉竞争对手进行协作。

  基于模型的红外反射仪 (MBIR)。在基于模型的红外反射仪中,红外光被样品反射。然后,使用样品结构模型分析反射强度与波长的关系。MBIR用于对3D NAND和DRAM中的薄膜堆栈进行成像。

  散射测量。这是一种流行的光学临界尺寸 (OCD) 计量形式。散射测量分析设备中光强度的变化,多用于内存和逻辑芯片的检测。OCD的关键在于芯片制造商必须开发复杂且耗时的模型。获得参考数据的一种方法是切割晶片并使用 TEM 制作器件的横截面。由于一过程花费极大,业内开发了一种可以预测来自 TEM 的参考数据的技术。这可以降低 OCD的成本和上市时间。

  光谱椭偏仪。这是光学临界尺寸 (OCD) 计量的一种形式。光谱椭偏仪着眼于逻辑和存储芯片中薄膜结构的特性。椭偏仪是一种非破坏性的光学技术。

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