芯片成品率提升方案市场调研(2021版)

EETOP 2021-03-18
来源:芯思想

近年来,电子信息产业迅猛发展,为了追求电子产品的高性能及便捷性,集成电路规模不断扩大,特征线宽不断缩小,当前国际上的工艺已经进展10纳米以下,7纳米和5纳米已经量产,3纳米将于2021年下半年开始风险性试产和小规模量产。

 

成品率下滑已成为纳米集成电路面临的最大挑战之一。而且,随着集成电路产品的快速升级,特别是对人工智能、5G移动通讯、物联网、汽车电子方向应用需求的高性能、低功耗、高密度、可靠性及高度功能集成需求,促使各种新材料、新工艺、新器件的引进,为集成电路产品的设计制造带来了前所未有的挑战。这些因素大大增加了集成电路制造过程中的不确定性,使得集成电路产品的成品率更加难以控制。由于成品率问题的重要性,在当前的集成电路研发中,对成品率问题的考虑已渗透到集成电路设计、晶圆制造的各个阶段。如何在研发高性能集成电路的同时,保证较高的成品率,一直是学术界及工业界关注的热点问题。

 

首先,集成电路生产工艺十分复杂,先进工艺下,芯片的产生往往要经过数千道工艺步骤,生产周期较长(数月),在整个制造过程中任何一个工艺步骤上的偏差,都将会对产品成品率造成影响。尤其在20纳米节点以后,采用多次曝光的浸入式光刻,大幅度增加了光刻和刻蚀的次数,对芯片成品率的影响剧增。目前采用非EUV光刻制作的10纳米和7纳米的工艺,刻蚀步数已经超过100次,一个偏差,成品率将有可能变成0

 

其次,集成电路制造,是一个高技术、高投入、高产出、高上下游产业链驱动力的行业。生产线的投资巨大,先进生产线的造价更是惊人。现在14纳米采用非EUV光刻,每万片产能的投资高达25亿美元。如果芯片成品率过低,难以付诸批量生产,投资成本将无法收回。 

 

第三,如果使用EUV光刻,其投资更是惊人,需要解决的问题也不少。最新的EUV光刻单台售价接近1.5亿欧元;而且EUV设备运行环境必须目前光刻设备运行环境要更高,如果有一粒灰尘掉到光罩上,都会带来直接的生产良率问题;而且EUV的光罩成品率相较传统193nm光罩良率要低,根据2019年的数据,两者相差近30%EUV光罩成品率仅为64.3%,而传统193nm光罩成品率是94.8%)。


据晶圆代工厂的工程师表示,影响芯片成品率的因素有很多,但主要来自几个大的方面:

 

第一是器件本身的性能达不到产品设计的要求。在产品中这些器件数以十亿百亿计,要保证这些器件都能够在设计预计的范围内,才能保护产品最终的功能、速度和功耗等要求。

 

第二是制造工艺缺陷或扰动对成品率的影响。缺陷包括制造过程中的出现变形变异、粉尘颗粒与冗余物等;或是由于工艺控制无法保证处于工艺窗口内,造成系统性的芯片结构变形变异。这些缺陷都会对芯片成品率造成重大的影响。

 

第三来自设计方面的影响,包括芯片设计参数和结构设计不合理,与相应的制造工艺特性不吻合,则会导致芯片功能或性能上出现缺失,造成成品率过低。

  

一般情况下,芯片产品的成品率与工艺的成熟度相关。新工艺刚出来的时候良率会很低,随着生产的进行和导致低良率的因素被发现和改进,则良率就会不断地被提升。因此提升成品率就成了半导体公司的一个永不停息的过程。

 

具体如何在制造中提升芯片成品率,晶圆代工厂的工程师表示,提升芯片成品率的关键是要在制造过程中对晶圆进行快速大量的检测,通过系统的数据分析手段快速的找出和定位制造或者设计的影响成品率的关键要素,进而对工艺或者设计进行改进。根据制造流程中所处环节的不同,工艺检测可分为前道检测和后道检测。前道检测主要通过光学、电子束等物理方法,借助椭偏仪、四探针、热波系统、光学和电子显微镜等设备,对集成电路制造过程中的参数及缺陷情况进行实时监测。这些检测也叫物理检测;后道检测主要指电学性能测试,在晶圆制造到一定阶段或完成制造后,通过测试机与探针台配合对测试芯片进行检测。EDA软件在物理检测和电性检测中都起到至关重要的作用。在物理检测中,EDA软件可以用来提升物理检测的效率。而在电性检测中,首先需要通过EDA软件来设计需要测试的测试结构(test key),然后可以通过软件算法和电路设计相结合来提升测试结构的效率。最后需要通过EDA软件对物理检测,电性检测以及制造过程的其它数据进行快速有效的分析,找出制造工艺或者设计中的问题,最终达到提升成品率的结果。通过高效的电学性能检测,同时结合设计和制造过程中的相关数据来快速找到工艺和设计的问题,最终达到提升成品率的目的,这个成套方案也可称为成品率提升整体方法(Holistic Yield Improvement Methodology

 

在设计和制造前期准备阶段,EDA工具也可以对成品率起到关键作用。首先在设计阶段,通过相关EDA工具能够使芯片更加容易生产(DFM)和达到更高的成品率(DFY)。在出光罩掩模过程中,通过OPC以保证生产过程中设计的图形的边缘得到完整的刻蚀,从而达到更高的成品率。


随着芯片研发及制造企业的竞争日趋激烈,成品率问题作为影响企业经济效益的关键因素,已成为芯片设计及晶圆制造企业提高产品市场竞争力的重要砝码。 进入2000年后,国内在成品率提升软件方面开展了相当多的研究,如西安电子科技大学在缺陷导致的集成电路功能成品率问题方面的研究、浙江大学在利用光学校正技术(OPC)改善集成电路成品率的研究等都取得较好的成果。但始终没有市场化。

 

芯思想研究院(ChipInsights)在调研中发现,业界大厂除台积电、英特尔各拥有一支强大的成品率团队可以自主进行先进成品率管理以外,其他的晶圆制造厂的成品率提升和管理都需要较多借助外力。目前主流国际市场上,集成电路产业界较普遍采用的和成品率提升相关的关键软件、硬件提供商有Applied Material、ASML、CadenceKeysightKLA-Tencor、Optimal+PDF SolutionsSemitronixSynopsys等。

 

以下是国际主流晶圆制造厂使用的一些主流软硬件。 

 


Applied Material、ASMLKLA-Tencor是全球前五大半导体专用装备供应商,在晶圆制造厂具有相当强的影响力。

 

SynopsysCadence是全球知名的EDA工具提供商,其参数化单元设计软件广泛应用于集成电路设计领域,这其中也包括成品率提升方面。

 

Keysight是德科技是全球领先的测量仪器公司,为电子设计、电动汽车、网络监控、物联网、智能互联汽车等提供测试解决方案。

 

 Optimal+是一家数据分析服务商,为半导体和电子产业提供可操作性的制造和测试数据分析。其成品率业务仅涵盖数据分析,但是其营收主要来自于电子行业,半导体产业为其贡献的营收仅约占其营收20%

 

PDF Solutions是一家半导体产业跨界整合技术服务公司,其主要业务是帮助晶圆制造厂提升新技术开发能力,完善工艺流程控制。

 

杭州广立微电子有限公司(Semitronix)是国内一家以集成电路成品率和电学性能监控方案为主营业务的企业,已经开发完成成品率提升相关软硬件工具,并在多个FAB得到应用。

 

随着近年来中国半导体行业发展环境的持续利好以及国内半导体企业的成长,大家对于技术、质量、效率的要求越来越高,很多国内领先的集成电路设计公司和晶圆生产厂商已经和国际接轨。 

 

据中芯国际、华虹集团的工程师表示,从2017年就开始采用广立微提供的新工艺制程研发提供整合性服务,包括早期工艺开发、产品设计流程确立、中后期产品量产时的可寻址测试结构,直到yield ramp阶段基于产品版图的测试芯片。

 

韩国顶级半导体公司代工部门的技术人员表示,广立微提供的基于测试芯片的软、硬件系统产品以及整体解决方案用于高效测试芯片自动设计、高速电学测试和智能数据分析的全流程平台,利用特有的流程平台与技术方法可以提高集成电路性能、良率、稳定性和产品上市速度的定制服务。公司代工部门的技术人员表示,目前和广立微在7纳米以下的多个工艺节点进行合作,而且基于广立微的软硬件的实用性和成本效益,向公司存储业务部门进行了推荐,现在公司存储业务也已经开始采购广立微的产品。该公司代工部门的技术人员还表示,由于之前欧美国家成品率方案供应商的市场垄断性,业界一直不太欢迎其商业模式。这一说法得到了多家晶圆代工厂的认可。 


成品率提升软件市场规模

 

根据WSTS的数据,2020年全球半导体芯片产业的营收超过4300多亿美元。而根据三大EDA厂商的营收数据,预估2020年全球EDA市场约为120亿美元。

 

芯思想研究院(ChipInsights)根据调研数据发现,全球各大晶圆制造厂每家每年在成品率提升软件方面的投入约在50-70万美元。而晶圆代工公司的投入规模要大一些,一般在200-300万美元,高的在800万美元。

 

根据不完全统计,2020年全球成套成品率提升方案(Holistic Yield Improvement)的EDA软件规模整体在9000万美元到1亿美元之间,成品率管理软件(YMS)和相关数据EDA软件规模整体在2亿到5亿美元左右,这些数据不包括晶圆代工公司内部在成品率提升和YMS上面的投入。目前有很多工厂的成品率提升工作由内部人员承担,也有部分大型的晶圆代工公司的YMS由公司内部完成,因此集成电路成品率相关的EDA软件市场规模实际体量更大。

 


得益于中国晶圆制造业的成长,中国正在兴建多座FAB,国内的市场是有增无减,预计到2025年全球成品率软件市场规模有望达2亿美元,成品率管理软件(YMS)和相关数据EDA软件规模达到5-6亿美元,预计2025年中国(包括台湾)的市场将达8000-10000万美元,YMS和相关数据EDA软件规模达到2-3亿美元,这将为国产成品率提升软件拓展国内的市场提供机会。


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