汽車芯片的制程檢測：KLA教你如何實(shí)現(xiàn)高效零缺陷

        在SEMICON China 2019期間，KLA在上海舉辦新聞發(fā)布會，企業(yè)傳播高級總監(jiān)Becky Howland女士和中國區(qū)總裁張智安先生向電子產(chǎn)品世界等媒體介紹了汽車半導(dǎo)體的檢測技術(shù)。

        KLA可提供檢測和量測機(jī)臺，找出在制程中導(dǎo)致可靠性問題的缺陷，讓問題在最前端解決。KLA的新研究——在線檢測數(shù)據(jù)輔助芯片篩選法，即正在申請專利的新技術(shù) I-PAT，與常規(guī)的G-PAT方法相結(jié)合，使可靠性檢測效率大幅提高。

        1  制程控制為什么重要

        KLA制程控制包含兩個部分，一是檢測，即找出關(guān)鍵缺陷；另一個是量測，就是測量關(guān)鍵參數(shù) (Measure critical parameters)，例如線寬(line)，高度(heights)及側(cè)壁刻蝕角(side wall angle)等。

        對于半導(dǎo)體制造商而言，不能發(fā)現(xiàn)問題就無法解決，不能測量就無法控制。KLA所做的是提供設(shè)備給客戶，讓客戶檢測和量測每個關(guān)鍵制程步驟，確保芯片最后的良率和產(chǎn)出。

         在半導(dǎo)體制造過程中找到這些缺陷的挑戰(zhàn)是非常大的，因?yàn)槿毕莸某叽绶浅Ｐ?，以DNA的雙螺旋為例，它是6 nm，而KLA要檢測的半導(dǎo)體線寬在7 nm左右，甚至小于5 nm。

        如果你是半導(dǎo)體制造商，你開發(fā)了新工藝，想要芯片上市，需要良率指標(biāo)。良率曲線圖如下圖，Y軸是良率，X軸是時間。KLA希望可以借助制程控制的能力，幫助客戶在更短的時間，達(dá)到更高的良率。因?yàn)榱悸试礁撸蛻舻氖找嬖礁摺?/p>

        另外，制程上，可以通過KLA的設(shè)備讓客戶更快地研發(fā)芯片，以便快速進(jìn)入市場，實(shí)際上也是幫助客戶獲得更多利潤。

         2  汽車半導(dǎo)體制造的特點(diǎn)

         在消費(fèi)類電子中，通?？紤]晶圓廠制程是否在控制之中。但是，對于汽車電子，不僅僅是整個制程是否在控制當(dāng)中，還需要考慮最終的芯片是否可靠。所以汽車電子要求不僅是良率，還有可靠性。

       半導(dǎo)體在汽車中的占比越來越高，據(jù)統(tǒng)計，到2030年，新的電動車和無人駕駛汽車的50％成本將是電子元件。但是汽車電子元器件也帶來了風(fēng)險，據(jù)統(tǒng)計，從下圖可見，如果將隨機(jī)故障（18％）、系統(tǒng)故障（29％）和測試覆蓋率故障（14％）加總，大約有47％的零公里故障是源自于電子元器件的缺陷。何謂零公里故障？加入我今天買了一輛車，剛剛開出去出了問題， 47%機(jī)率是由于電子缺陷造成的故障，所以這是一個很高一個比例。

        以技術(shù)的節(jié)點(diǎn)來看（如下圖），以前消費(fèi)電子和汽車電子沒有太多的關(guān)聯(lián)，但是現(xiàn)在汽車電子的技術(shù)節(jié)點(diǎn)越來越小。

        在消費(fèi)電子和汽車電子之間，有很多應(yīng)用條件是不同的，汽車電子對于操作參數(shù)的要求是更為嚴(yán)苛（如下表）。以溫度為例，手機(jī)基本在0到40℃就可以運(yùn)作，但是汽車一般要在-40到160℃。

        3  KLA的解決方案

        KLA的角色是盡快發(fā)現(xiàn)問題，并在問題擴(kuò)大之前對其進(jìn)行處理。KLA在整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈里面的作用就是它在最前端（如下圖），即橙色(Fab)端起功效。KLA與晶圓廠合作，因此希望在元器件封裝之前就發(fā)現(xiàn)晶圓制造中的電子問題。

        圖：汽車電子整個生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈

        如上圖，從晶圓廠到封裝到組裝成零件，再到0公里，到最后的召回，每錯過一個階段的查找，停止和糾正問題的成本就會增加10倍，所以召回的成本是最昂貴的。因此，KLA所做的是使用檢測和量測機(jī)臺，第一時間找出在制程中導(dǎo)致可靠性問題的缺陷，把問題在最前面解決。

        3.1  當(dāng)今汽車半導(dǎo)體的檢測挑戰(zhàn)

       不過，現(xiàn)在的汽車電子產(chǎn)品和以前很大不同。左下圖是以前的汽車電子模塊。在以前，汽車電子的制程控制是相對容易的，人們用的是比較舊型的檢測和量測的機(jī)臺。右下圖是現(xiàn)今的汽車電子，可見更加復(fù)雜，因而對制程控制的要求非常高。KLA針對此開發(fā)了新方法，并為汽車電子制造廠提供技術(shù)領(lǐng)先的檢測和量測機(jī)臺。

        3.2  潛在缺陷檢測

        潛在缺陷——latent defect（影響芯片可靠性的缺陷）和致命缺陷（影響良率的缺陷）有何不同？

        一些潛在的可靠性缺陷是最嚴(yán)重的。左下圖是好的芯片（good die），右下圖是壞的芯片（bad die），它的電性能異常芯片測試（e-test）沒有通過。但中下圖的情況是危險的，可以看到兩條線之間的距離太小，但這個芯片將在晶圓探針和最終測試中通過測試。

        當(dāng)你駕駛汽車時，本來并沒有發(fā)現(xiàn)這缺陷，隨著電子遷移、張力遷移，在慢慢的張力轉(zhuǎn)移過程中，本來有一個小的接觸，慢慢接觸了以后，變成右上圖，就發(fā)生短路了。

        好消息是潛在缺陷與致命缺陷的檢測方法實(shí)際上是相同的：只要你知道如何檢測影響良率的致命缺陷，提高機(jī)臺的靈敏度，就能測量到影響芯片可靠性的缺陷。這方面正是KLA的專業(yè)領(lǐng)域。

       4  汽車電子制程控制的三種方法

        汽車電子新的制程控制方法主要有三點(diǎn)：一是大大減少基線缺陷；二是更高的采樣率可以捕捉偏移；三是智能使用在線缺陷檢測結(jié)果來幫助芯片篩選的準(zhǔn)確性。

       4.1  大幅“基線缺陷減少 。這是在已經(jīng)使用的減少缺陷檢測的策略上做更多的事情。例如，提高靈敏度并確保檢測到影響芯片可靠性的缺陷。如下圖，對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，圖中的藍(lán)線顯示了典型的良率曲線。藍(lán)線的后面加上的紅虛線代表汽車電子，汽車電子對良率的要求比一般消費(fèi)類電子產(chǎn)品的良率更高，需要測量到可靠性缺陷來提高良率。KLA的解決方案就是把靈敏度提高到更高程度。

        4.2  偏移的監(jiān)控。該方法在制程控制時一直被運(yùn)用，但是汽車電子對制程控制的要求更高，所以需要把抽樣增加，技巧性更加強(qiáng)。

        上文所述是通過減少所有缺陷來降低潛在缺陷的制程控制，現(xiàn)在還有第三種方法——芯片篩選。

        4.3  芯片篩選。為了實(shí)現(xiàn)在線檢測數(shù)據(jù)輔助芯片篩選，KLA有正在申請專利的新技術(shù) I-PAT (在線零件平均測試 ，Inline PAT)。這是KLA之前沒有做過的事情。當(dāng)芯片被制造出來后，需要通過晶圓探針（wafer probe）或電性能異常芯片測試（e-test）來確定芯片的好壞。下圖左是通過電性能檢測以后，打X的是不好的芯片。傳統(tǒng)方法就是G-PAT (Geographic Part Average Testing)，所做的是移除壞的芯片，但在其附近的芯片也可能都不是好的，因?yàn)橹荒軝z測到致命缺陷，沒有辦法檢測可靠性缺陷。所以為了安全起見，附近所有的芯片也要被丟棄。下右圖在打黑X的旁邊，可疑的用紅X表示，把這些全部拿掉，以便不讓這些不好的或者有可能不好的芯片往下游走。這種方法不是廠家愿意看到的情況——把不好的或懷疑不好的芯片全部拿掉。但這種方式就有可能把好的芯片丟棄，對廠家來說這意味著資金的浪費(fèi)。

       為此，KLA開發(fā)出了更先進(jìn)的在線零件平均測試（I-PAT）技術(shù)，并且通過犧牲較少的良率，而顯著提升可靠性。方法是下圖左已查出一些不好的芯片，根據(jù)KLA在線上檢測出來的跡象，看到四條跡象，把它們重疊，之后把重疊的部分/有問題的去掉。這樣可以看到，下圖右懷疑壞的芯片比上圖右的少了很多，這樣就減少好的芯片被去掉。

       簡而言之，I-PAT技術(shù)利用基于硬件（檢測設(shè)備）和軟件（數(shù)據(jù)分析）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需要消除的潛在可靠性缺陷。I-PAT結(jié)果可以與電性能異常芯片測試相結(jié)合，改進(jìn)芯片的整體“通過/不通過”決策。

       那么，I-PAT是種新的設(shè)備，還是在原有的設(shè)備上做一些軟件的升級？答案是：目前這還不是一個產(chǎn)品，只是一項(xiàng)研究。這會是新的產(chǎn)品，只針對汽車電子。

       另外的問題是：現(xiàn)在增加了檢測的項(xiàng)目和技術(shù)，速度是不是就會降下來一些？答案是：有可能，因?yàn)槟阈枰龈嗟臋z測，你可能要么花費(fèi)更多的時間，或者使用更多的檢測設(shè)備，這樣成本會上升，但另一方面，可以提早發(fā)現(xiàn)問題。所以對整個成本來說，還是下降的。目前，汽車電子行業(yè)存在很昂貴的問題，KLA主要針對3個方面準(zhǔn)備了解決方案。

        4 結(jié)論

       汽車電子是一個很重要和發(fā)展很快的產(chǎn)業(yè)，目前的趨勢是，我們看到一些前沿的半導(dǎo)體汽車電子的芯片和對整個質(zhì)量的一些新的要求，如可靠性。為了滿足這些新要求，也需要新的制程控制方法。主要有三點(diǎn)：一是大大減少基線缺陷；二是更高的采樣率可以捕捉偏移；三是智能使用在線缺陷檢測結(jié)果來幫助芯片篩選的準(zhǔn)確性。