本土汽車芯片制造如何提升可靠性？

　　長期以來，汽車電子芯片是我國芯片業(yè)的空白之一。為此，電子產(chǎn)品記者訪問了KLA-Tencor公司，請他們分享了汽車芯片制造中的可靠性控制方法。

　　汽車芯片與消費類芯片的區(qū)別

　　在工藝技術(shù)方面，汽車和消費類芯片基本相同——兩者的生產(chǎn)采用相同的工藝步驟、設(shè)備、圖案化等。汽車和消費類芯片的不同在于其可靠性要求不同。

　　用“工藝控制”協(xié)助控制汽車芯片的缺陷率

　　工藝控制策略對于協(xié)助汽車制造廠達(dá)到行業(yè)要求的零缺陷標(biāo)準(zhǔn)以確保設(shè)備可靠性至關(guān)重要。 從根本上說，導(dǎo)致汽車IC(芯片)可靠性故障的潛在缺陷與芯片制造工藝步驟中產(chǎn)生的隨機(jī)缺陷直接相關(guān)。如果晶圓廠采用恰當(dāng)?shù)臋z測設(shè)備、采樣策略和方法來發(fā)現(xiàn)并減少隨機(jī)缺陷率，那么這些工廠在線捕獲可靠性問題的概率會高得多。

　　在器件制造中，為了減少整體缺陷，首先采用的最佳方法是利用持續(xù)改進(jìn)計劃來密切控制工藝，并減少由工藝設(shè)備或環(huán)境所引起的隨機(jī)缺陷。 這需要改進(jìn)基線產(chǎn)量的基本技術(shù)——設(shè)備監(jiān)控(使用Surfscan?無圖案和Puma?圖案晶圓檢測系統(tǒng))和分區(qū)(使用寬帶等離子光學(xué)檢測系統(tǒng))。雖然這些策略在晶圓廠中已實施多年，但現(xiàn)在必須將標(biāo)準(zhǔn)提高，從而將缺陷水平降低來提升IC的可靠性。

　　第二種方法是確保對工藝的采樣足夠頻繁，可以追溯問題的起源。當(dāng)工藝偏移不可避免地發(fā)生時，零缺陷晶圓廠能夠準(zhǔn)確地知道偏移問題起始和停止的位置，并且可以將受影響的部分進(jìn)行隔離，直到可以有效地對其進(jìn)行處理或排除。將基線產(chǎn)量提升和可追溯性結(jié)合起來，就促使汽車制造廠使用更多的工藝控制設(shè)備(75個百分比)，并采用比批量生產(chǎn)先進(jìn)一個節(jié)點的工藝控制設(shè)備，以便捕獲更小的與可靠性有關(guān)的缺陷。

　　越來越受關(guān)注的一個方法是將在線缺陷信息不僅用于工藝控制，也用于在晶圓廠中辨識有可靠性風(fēng)險的芯片，因為出廠前糾正這些問題的成本最低。汽車工廠長期以來一直依賴的“篩選”方法——即采用高產(chǎn)量設(shè)備在制造工藝的后期少數(shù)幾層上對所有晶圓上100%的芯片進(jìn)行檢測。那些超標(biāo)(缺陷尺寸/類型/位置)的問題芯片被排除或“標(biāo)記”。雖然該方法對于大缺陷是有效的，但卻不適用于較小的潛在缺陷。一種名為I-PAT?(在線零件平均測試)的新型專利在線技術(shù)或許可以為這個問題找到解決方案。它利用一項已有20年歷史的被稱為參數(shù)化零件平均測試(Parametric Parts Average Testing)的汽車行業(yè)技術(shù)。這種以電子測試為基礎(chǔ)的原創(chuàng)方法可用于辨識總體正態(tài)分布之外的那些芯片，即便它們符合使用標(biāo)準(zhǔn)。通過犧牲0.5%~2.5%的良率，可靠性可以得到顯著提高。當(dāng)這些異常芯片被剔除時，有些工廠的可靠性提升了20%~30%。

　　I-PAT將這一技術(shù)轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線上，尋找那些在總體生產(chǎn)中的多個常規(guī)檢測中累計缺陷異常多的芯片。這些異常芯片從統(tǒng)計上來講更可能包含業(yè)界迫切希望消除的潛在缺陷。I-PAT的結(jié)果可用于剔除這些風(fēng)險芯片。或者，I-PAT結(jié)果可以與之后的電性異常芯片測試相結(jié)合，改進(jìn)芯片的整體通過/不通過的決策。

　　良率缺陷與可靠性缺陷之間的關(guān)系

　　芯片可靠性與隨機(jī)缺陷率高度相關(guān)。事實上，對于設(shè)計良好的工藝和產(chǎn)品，早期芯片可靠性問題(外在可靠性)主要是由隨機(jī)缺陷造成的。殺手缺陷(影響良率的缺陷)是指那些導(dǎo)致器件在時間t = 0(最終測試)時失敗的缺陷。 潛在缺陷(影響芯片可靠性的缺陷)則是指那些導(dǎo)致器件在t> 0(老化后)時失效的缺陷。 殺手缺陷(良率)和潛在缺陷(可靠性)之間的關(guān)系源于觀察到影響良率的那些缺陷類型同樣也會影響可靠性。 兩者的區(qū)別主要在于它們的尺寸以及它們在器件結(jié)構(gòu)上的位置。

　　良率和可靠性缺陷之間的關(guān)系不僅限于少數(shù)特定缺陷類型;任何可能導(dǎo)致良率損失的缺陷類型都可能引起可靠性問題。 失效分析表明，大多數(shù)可靠性缺陷實際上是起源于晶圓廠的工藝相關(guān)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(通過減少良率相關(guān)缺陷)將對提高可靠性帶來額外益處。

　　未來汽車芯片是否會采用先進(jìn)工藝?

　　大多數(shù)汽車器件的設(shè)計規(guī)則為65 nm或更高并且歷來是在較陳舊的200mm晶圓廠制造，或者或多或少是在成熟的300 mm代工廠中制造。然而，轉(zhuǎn)型自動駕駛汽車需要額外的計算能力，并且是舊的器件和晶圓廠所無法提供的。對先進(jìn)技術(shù)以及更多的制造能力的需求將加速汽車產(chǎn)能向高級邏輯300 mm代工廠的遷移。預(yù)計到這一趨勢，代工廠已經(jīng)準(zhǔn)備好為汽車領(lǐng)域針對14 nm和10 nm SoC提供服務(wù)，并且正在開發(fā)更小的汽車設(shè)計方案。

　　采用先進(jìn)工藝生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品所面臨的主要挑戰(zhàn)是在使用為消費者移動產(chǎn)品而設(shè)計的方法時會產(chǎn)生工藝基線良率問題以及偏移，并導(dǎo)致可靠性不盡人意。工藝的不成熟帶來了實施新工藝控制策略的需求，以防止可能的器件可靠性故障。競爭環(huán)境和強(qiáng)勁的市場拉動給晶圓廠帶來額外的壓力，使其需要比以往更快地達(dá)到極為成熟的良率。

　　汽車工業(yè)是否是會成為推動先進(jìn)工藝的開發(fā)動力之一?

　　KLA-Tencor預(yù)計,隨著汽車內(nèi)部自動駕駛功能的應(yīng)用持續(xù)增長，對先進(jìn)工藝的依賴將會增加。目前3級及以上的高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的計劃需要最先進(jìn)的計算和存儲設(shè)計規(guī)則。 新車中的高級導(dǎo)航、娛樂和傳感器系統(tǒng)也將推動對前沿處理器和存儲的需求。移動、計算和存儲平臺仍然是高級工藝的主要驅(qū)動因素，但隨著自動駕駛功能的應(yīng)用不斷增加，汽車行業(yè)也將成為主要的推動力。

　　中國本土汽車芯片制造商在可靠性方面如何迎頭趕上?

　　具有競爭優(yōu)勢的汽車半導(dǎo)體工廠將會是那些具有最高的、重復(fù)性最好的和最穩(wěn)定的工藝良率的工廠。這些工廠還會有適當(dāng)?shù)姆椒▉肀孀R和消除包括潛在可靠性缺陷的各種可靠性缺陷。 為此，晶圓廠需要擁有世界一流的工藝控制、檢測和量測策略，其中包括：

　　? 最好的檢測和量測產(chǎn)品系列;

　　? 側(cè)重于減少缺陷密度的持續(xù)改進(jìn)計劃;

　　? 一流的量測策略，確保整體芯片性能符合規(guī)格要求;

　　? 生產(chǎn)線內(nèi)的工藝控制高度采樣，包括關(guān)鍵工藝步驟的篩選檢測;

　　? 用以識別并消除可能在汽車中出現(xiàn)的潛在可靠性缺陷的方法。