随着半导体技术不断向着更小的工艺节点推进,成品率损失(yield loss)已经成为业界的心腹大患之一,这是《半导体国际》于5月24日在上海主办的第三届成品率提升研讨会上各位专家的共识。
比如由IBM、索尼和东芝联合开发的Cell处理器,可谓Play Station 3游戏机的“心脏”。不过90nm工艺的Cell芯片,从面世开始就饱受成品率损失的折磨。由于时钟频率较高时成品率实在太低,索尼只好将Cell的时钟频率由最初设计的3.50GHz降到2.80GHz。但这并不意味着成品率就能提高很多。IBM的副总裁Tom Reeves表示,虽然一般芯片的成品率可以达到95%,但是由于居高不下的缺陷率等因素的制约,像Cell这样复杂的芯片,成品率在10%到20%是很正常的,他甚至认为能够达到这样的成品率都应该额手称庆。以这样低的成品率来量产Cell处理器,成本当然不会便宜,Cell的售价一度超过200美元,目前仍在80美元以上,为低成品率买单的还是最终用户
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受摩尔定律的驱动,大部分领先的半导体公司都准备在今年开始量产65nm逻辑器件。IBM也不例外,它宣布为了提高性能、降低成本,从三月份开始65nm Cell处理器的量产。这其实很让PS3的玩家捏着把汗,根据90nm Cell的表现,他们有充足地理由置疑65nm Cell的成品率——如果出现个位数的百分比恐怕也不足为奇吧?集成度提高所节约的成本很可能会被成品率损失这头怪兽一口吞掉。
其实不只Cell处理器深受其害,一般的逻辑芯片也难逃成品率损失的魔爪。KLA-Tencor的主席兼首席执行官John Kispert评论说,在今年年初的时候,绝大多数芯片制造商的65nm工艺逻辑器件的成品率都远低于50%?!与成品率可以达到95%的90nm工艺相比,目前65nm芯片还很难表现出足够的成本优势。无独有偶,受到成品率问题困扰的还远不止此。由于采用深宽比很大的沟槽和high-k材料,以及严重的泄漏电流等问题,许多DRAM制造商在从110nm工艺转到90nm时都遇到过严重的成品率损失。而NAND闪存曾经以每年一代的超高速度等比例缩小,可现在却不得不慢下来,原因就是成品率提升的速度远远落后。没有人愿意象游戏发烧友们追捧PS3那样来为先进存储器的低成品率买单。
有趣的是,虽然Intel公布的成品率学习曲线表明,成品率提升的时间随着技术节点的缩小而不断变短。但在作为65nm工艺量产年的2007年,仍然低于50%的成品率是否意味着,事实上在更小的技术节点我们必须学会忍受漫长的成品率提升期?其实很大程度上成品率的高低算得上商业机密,深究其具体数值意义不大,但是其中冷暖,恐怕只有当事人自知。而成品率损失,却是人人欲灭之而后快的。
有鉴于此,与会专家们详细讨论了在先进工艺节点下成品率损失的主要原因,并分别从供应商和制造商的角度探讨提升成品率的方法。KLA-Tencor的Chong Chan Pin先生认为,大量新材料的引入,更强烈的分辨率增强技术(OPC)或浸入式光刻的使用,缺陷检测能力的不足等是影响65nm节点成品率的关键因素。成品率损失可以看作是一个短板问题。从0.13mm工艺引入Cu/low k开始,一时间高达80%的缺陷都与互连有关,后段工艺成为成品率损失的重灾区。而到了65nm以下,随着业界对Cu/low k的逐渐熟悉,深沟槽等三维结构的使用,为抑制栅泄漏电流而对栅绝缘层和栅极做的修改(high-k和金属栅即将被引入),以及为使193nm干法光刻满足65nm的需要而采用的更强烈的分辨率增强技术(水浸式光刻即将量产),成品率问题又开始集中到前段工艺。
更麻烦的是,能够引起成品率损失的致命缺陷的大小通常是特征尺寸的一半,对于65nm节点就是30nm左右,这已经快到传统光学缺陷检测方法的分辨率极限了。缺乏检测能力自然也无法对缺陷进行有效的控制,为了提升成品率,提高缺陷检测的分辨率势在必行。肖思群博士介绍了应用材料公司的一种解决方案,通过采用偏振光和激光光源来扩展光学方法的检测极限,据称有可能满足32nm节点的缺陷检测要求。同时,他和Chong Chan Pin等专家都很看好分辨率