汽車(chē)芯片的制程檢測：KLA教你如何實(shí)現高效零缺陷

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

        KLA可提供檢測和量測機臺，找出在制程中導致可靠性問(wèn)題的缺陷，讓問(wèn)題在最前端解決。KLA的新研究——在線(xiàn)檢測數據輔助芯片篩選法，即正在申請專(zhuān)利的新技術(shù) I-PAT，與常規的G-PAT方法相結合，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(gè)部分，一是檢測，即找出關(guān)鍵缺陷；另一個(gè)是量測，就是測量關(guān)鍵參數 (Measure critical parameters)，例如線(xiàn)寬(line)，高度(heights)及側壁刻蝕角(side wall angle)等。

        對于半導體制造商而言，不能發(fā)現問(wèn)題就無(wú)法解決，不能測量就無(wú)法控制。KLA所做的是提供設備給客戶(hù)，讓客戶(hù)檢測和量測每個(gè)關(guān)鍵制程步驟，確保芯片最后的良率和產(chǎn)出。

         在半導體制造過(guò)程中找到這些缺陷的挑戰是非常大的，因為缺陷的尺寸非常小，以DNA的雙螺旋為例，它是6 nm，而KLA要檢測的半導體線(xiàn)寬在7 nm左右，甚至小于5 nm。

        如果你是半導體制造商，你開(kāi)發(fā)了新工藝，想要芯片上市，需要良率指標。良率曲線(xiàn)圖如下圖，Y軸是良率，X軸是時(shí)間。KLA希望可以借助制程控制的能力，幫助客戶(hù)在更短的時(shí)間，達到更高的良率。因為良率越高，客戶(hù)的收益越高。

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

         2  汽車(chē)半導體制造的特點(diǎn)

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

       半導體在汽車(chē)中的占比越來(lái)越高，據統計，到2030年，新的電動(dòng)車(chē)和無(wú)人駕駛汽車(chē)的50％成本將是電子元件。但是汽車(chē)電子元器件也帶來(lái)了風(fēng)險，據統計，從下圖可見(jiàn)，如果將隨機故障（18％）、系統故障（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(mǎi)了一輛車(chē)，剛剛開(kāi)出去出了問(wèn)題， 47%機率是由于電子缺陷造成的故障，所以這是一個(gè)很高一個(gè)比例。

        以技術(shù)的節點(diǎn)來(lái)看（如下圖），以前消費電子和汽車(chē)電子沒(méi)有太多的關(guān)聯(lián)，但是現在汽車(chē)電子的技術(shù)節點(diǎn)越來(lái)越小。

        在消費電子和汽車(chē)電子之間，有很多應用條件是不同的，汽車(chē)電子對于操作參數的要求是更為嚴苛（如下表）。以溫度為例，手機基本在0到40℃就可以運作，但是汽車(chē)一般要在-40到160℃。

        3  KLA的解決方案

        KLA的角色是盡快發(fā)現問(wèn)題，并在問(wèn)題擴大之前對其進(jìn)行處理。KLA在整個(gè)汽車(chē)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(chǎng)合作，因此希望在元器件封裝之前就發(fā)現晶圓制造中的電子問(wèn)題。

        圖：汽車(chē)電子整個(gè)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈

        如上圖，從晶圓廠(chǎng)到封裝到組裝成零件，再到0公里，到最后的召回，每錯過(guò)一個(gè)階段的查找，停止和糾正問(wèn)題的成本就會(huì )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臺，第一時(shí)間找出在制程中導致可靠性問(wèn)題的缺陷，把問(wèn)題在最前面解決。

        3.1  當今汽車(chē)半導體的檢測挑戰

       不過(guò)，現在的汽車(chē)電子產(chǎn)品和以前很大不同。左下圖是以前的汽車(chē)電子模塊。在以前，汽車(chē)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臺。右下圖是現今的汽車(chē)電子，可見(jiàn)更加復雜，因而對制程控制的要求非常高。KLA針對此開(kāi)發(fā)了新方法，并為汽車(chē)電子制造廠(chǎng)提供技術(shù)領(lǐng)先的檢測和量測機臺。

        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(méi)有通過(guò)。但中下圖的情況是危險的，可以看到兩條線(xiàn)之間的距離太小，但這個(gè)芯片將在晶圓探針和最終測試中通過(guò)測試。

        當你駕駛汽車(chē)時(shí)，本來(lái)并沒(méi)有發(fā)現這缺陷，隨著(zhù)電子遷移、張力遷移，在慢慢的張力轉移過(guò)程中，本來(lái)有一個(gè)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(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。

       4  汽車(chē)電子制程控制的三種方法

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

       4.1  大幅“基線(xiàn)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，對于消費類(lèi)電子產(chǎn)品，圖中的藍線(xiàn)顯示了典型的良率曲線(xiàn)。藍線(xiàn)的后面加上的紅虛線(xiàn)代表汽車(chē)電子，汽車(chē)電子對良率的要求比一般消費類(lèi)電子產(chǎn)品的良率更高，需要測量到可靠性缺陷來(lái)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  偏移的監控。該方法在制程控制時(shí)一直被運用，但是汽車(chē)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。

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

        4.3  芯片篩選。為了實(shí)現在線(xiàn)檢測數據輔助芯片篩選，KLA有正在申請專(zhuān)利的新技術(shù) I-PAT (在線(xiàn)零件平均測試 ，Inline PAT)。這是KLA之前沒(méi)有做過(guò)的事情。當芯片被制造出來(lái)后，需要通過(guò)晶圓探針（wafer probe）或電性能異常芯片測試（e-test）來(lái)確定芯片的好壞。下圖左是通過(guò)電性能檢測以后，打X的是不好的芯片。傳統方法就是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，因為只能檢測到致命缺陷，沒(méi)有辦法檢測可靠性缺陷。所以為了安全起見(jiàn)，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(chǎng)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(chǎng)家來(lái)說(shuō)這意味著(zhù)資金的浪費。

       為此，KLA開(kāi)發(fā)出了更先進(jìn)的在線(xiàn)零件平均測試（I-PAT）技術(shù)，并且通過(guò)犧牲較少的良率，而顯著(zhù)提升可靠性。方法是下圖左已查出一些不好的芯片，根據KLA在線(xiàn)上檢測出來(lái)的跡象，看到四條跡象，把它們重疊，之后把重疊的部分/有問(wèn)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(jiǎn)而言之，I-PAT技術(shù)利用基于硬件（檢測設備）和軟件（數據分析）尋找那些在總體生產(chǎn)中的多個(gè)常規檢測中累計缺陷異常多的芯片。這些異常芯片從統計上來(lái)講更可能包含需要消除的潛在可靠性缺陷。I-PAT結果可以與電性能異常芯片測試相結合，改進(jìn)芯片的整體“通過(guò)/不通過(guò)”決策。

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

       另外的問(wèn)題是：現在增加了檢測的項目和技術(shù)，速度是不是就會(huì )降下來(lái)一些？答案是：有可能，因為你需要做更多的檢測，你可能要么花費更多的時(shí)間，或者使用更多的檢測設備，這樣成本會(huì )上升，但另一方面，可以提早發(fā)現問(wèn)題。所以對整個(gè)成本來(lái)說(shuō)，還是下降的。目前，汽車(chē)電子行業(yè)存在很昂貴的問(wèn)題，KLA主要針對3個(gè)方面準備了解決方案。

        4 結論

       汽車(chē)電子是一個(gè)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體汽車(chē)電子的芯片和對整個(gè)質(zhì)量的一些新的要求，如可靠性。為了滿(mǎn)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(xiàn)缺陷；二是更高的采樣率可以捕捉偏移；三是智能使用在線(xiàn)缺陷檢測結果來(lái)幫助芯片篩選的準確性。