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KT高管谈:本土汽车芯片制造如何提升可靠性?
wangying | 2018-12-03 14:28:15    阅读:4775   发布文章

——访KLA-Tencor资深营销总监Robert Cappel先生

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        长期以来,汽车电子芯片是我国芯片业的空白之一。为此,电子产品记者访问了KLA-Tencor公司,请他们分享了汽车芯片制造中的可靠性控制方法。

        汽车芯片与消费类芯片的区别
        在工艺技术方面,汽车和消费类芯片基本相同——两者的生产采用相同的工艺步骤、设备、图案化等。汽车和消费类芯片的不同在于其可靠性要求不同。

        用“工艺控制”协助控制汽车芯片的缺陷率
        工艺控制策略对于协助汽车制造厂达到行业要求的零缺陷标准以确保设备可靠性至关重要。 从根本上说,导致汽车IC(芯片)可靠性故障的潜在缺陷与芯片制造工艺步骤中产生的随机缺陷直接相关。如果晶圆厂采用恰当的检测设备、采样策略和方法来发现并减少随机缺陷率,那么这些工厂在线捕获可靠性问题的概率会高得多。
        在器件制造中,为了减少整体缺陷,首先采用的最佳方法是利用持续改进计划来密切控制工艺,并减少由工艺设备或环境所引起的随机缺陷。 这需要改进基线产量的基本技术——设备监控(使用Surfscan®无图案和Puma™图案晶圆检测系统)和分区(使用宽带等离子光学检测系统)。虽然这些策略在晶圆厂中已实施多年,但现在必须将标准提高,从而将缺陷水平降低来提升IC的可靠性。
        第二种方法是确保对工艺的采样足够频繁,可以追溯问题的起源。当工艺偏移不可避免地发生时,零缺陷晶圆厂能够准确地知道偏移问题起始和停止的位置,并且可以将受影响的部分进行隔离,直到可以有效地对其进行处理或排除。将基线产量提升和可追溯性结合起来,就促使汽车制造厂使用更多的工艺控制设备(75个百分比),并采用比批量生产先进一个节点的工艺控制设备,以便捕获更小的与可靠性有关的缺陷。

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        越来越受关注的一个方法是将在线缺陷信息不仅用于工艺控制,也用于在晶圆厂中辨识有可靠性风险的芯片,因为出厂前纠正这些问题的成本最低。汽车工厂长期以来一直依赖的“筛选”方法——即采用高产量设备在制造工艺的后期少数几层上对所有晶圆上100%的芯片进行检测。那些超标(缺陷尺寸/类型/位置)的问题芯片被排除或“标记”。虽然该方法对于大缺陷是有效的,但却不适用于较小的潜在缺陷。一种名为I-PAT™(在线零件平均测试)的新型专利在线技术或许可以为这个问题找到解决方案。它利用一项已有20年历史的被称为参数化零件平均测试(Parametric Parts Average Testing)的汽车行业技术。这种以电子测试为基础的原创方法可用于辨识总体正态分布之外的那些芯片,即便它们符合使用标准。通过牺牲0.5%~2.5%的良率,可靠性可以得到显著提高。当这些异常芯片被剔除时,有些工厂的可靠性提升了20%~30%。

        I-PAT将这一技术转移到生产线上,寻找那些在总体生产中的多个常规检测中累计缺陷异常多的芯片。这些异常芯片从统计上来讲更可能包含业界迫切希望消除的潜在缺陷。I-PAT的结果可用于剔除这些风险芯片。或者,I-PAT结果可以与之后的电性异常芯片测试相结合,改进芯片的整体通过/不通过的决策。

        良率缺陷与可靠性缺陷之间的关系
        芯片可靠性与随机缺陷率高度相关。事实上,对于设计良好的工艺和产品,早期芯片可靠性问题(外在可靠性)主要是由随机缺陷造成的。杀手缺陷(影响良率的缺陷)是指那些导致器件在时间t = 0(最终测试)时失败的缺陷。 潜在缺陷(影响芯片可靠性的缺陷)则是指那些导致器件在t> 0(老化后)时失效的缺陷。 杀手缺陷(良率)和潜在缺陷(可靠性)之间的关系源于观察到影响良率的那些缺陷类型同样也会影响可靠性。 两者的区别主要在于它们的尺寸以及它们在器件结构上的位置。
        良率和可靠性缺陷之间的关系不仅限于少数特定缺陷类型;任何可能导致良率损失的缺陷类型都可能引起可靠性问题。 失效分析表明,大多数可靠性缺陷实际上是起源于晶圆厂的工艺相关缺陷。 由于良率和可靠性缺陷具有相同的根本原因,因此增加良率(通过减少良率相关缺陷)将对提高可靠性带来额外益处。

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        未来汽车芯片是否会采用先进工艺?
        大多数汽车器件的设计规则为65 nm或更高并且历来是在较陈旧的200mm晶圆厂制造,或者或多或少是在成熟的300 mm代工厂中制造。然而,转型自动驾驶汽车需要额外的计算能力,并且是旧的器件和晶圆厂所无法提供的。对先进技术以及更多的制造能力的需求将加速汽车产能向高级逻辑300 mm代工厂的迁移。预计到这一趋势,代工厂已经准备好为汽车领域针对14 nm和10 nm SoC提供服务,并且正在开发更小的汽车设计方案。

        采用先进工艺生产汽车电子产品所面临的主要挑战是在使用为消费者移动产品而设计的方法时会产生工艺基线良率问题以及偏移,并导致可靠性不尽人意。工艺的不成熟带来了实施新工艺控制策略的需求,以防止可能的器件可靠性故障。竞争环境和强劲的市场拉动给晶圆厂带来额外的压力,使其需要比以往更快地达到极为成熟的良率。
        汽车工业是否是会成为推动先进工艺的开发动力之一?
        KLA-Tencor预计,随着汽车内部自动驾驶功能的应用持续增长,对先进工艺的依赖将会增加。目前3级及以上的高级驾驶辅助系统(ADAS)的计划需要最先进的计算和存储设计规则。 新车中的高级导航、娱乐和传感器系统也将推动对前沿处理器和存储的需求。移动、计算和存储平台仍然是高级工艺的主要驱动因素,但随着自动驾驶功能的应用不断增加,汽车行业也将成为主要的推动力。

        中国本土汽车芯片制造商在可靠性方面如何迎头赶上?
        具有竞争优势的汽车半导体工厂将会是那些具有最高的、重复性最好的和最稳定的工艺良率的工厂。这些工厂还会有适当的方法来辨识和消除包括潜在可靠性缺陷的各种可靠性缺陷。 为此,晶圆厂需要拥有世界一流的工艺控制、检测和量测策略,其中包括:
        • 最好的检测和量测产品系列;
        • 侧重于减少缺陷密度的持续改进计划;
        • 一流的量测策略,确保整体芯片性能符合规格要求;
        • 生产线内的工艺控制高度采样,包括关键工艺步骤的筛选检测;
        • 用以识别并消除可能在汽车中出现的潜在可靠性缺陷的方法。

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