超高质量半导体制造，第1部分:汽车

蔡本、凯西·佩里·沙利文著

在所有半导体器件类型和设计节点中，都有一种生产高质量芯片的动力。汽车、物联网和其他工业应用要求芯片在长时间内实现非常高的可靠性，其中一些芯片在温度和湿度波动、振动或其他恶劣条件下运行时必须保持可靠的性能。具有≤5nm设计节点、gate all around (GAA)或其他3D架构的领先半导体ic，以及1000+个工艺步骤，需要仔细控制变性，以实现功率和性能目标。高质量的半导体制造创新对于实现可变性和缺陷控制至关重要，这样晶圆厂才能生产出满足严格可靠性和性能标准的芯片。

本文主要关注汽车行业的趋势和创新，以满足汽车集成电路的严格质量要求。的第二篇文章在本系列中，我们将探讨未来节点半导体的质量趋势。

汽车
汽车行业继续整合更复杂的自动驾驶辅助、安全和信息娱乐功能，并朝着电动发动机和完全自动驾驶的方向发展。随着网络连接、电气化和自动驾驶技术的进步，汽车中半导体芯片的数量也在增加。根据品牌和型号的不同，一辆新车每辆车上可能有6000到10000个芯片，^1、2电子子系统占整个成本的35%。^3.这些芯片包括处理器、存储器件、射频器件、led、功率器件和MEMS，涵盖了在200mm和300mm半导体晶圆厂生产的从4Xnm到<1Xnm的设计节点。汽车行业对半导体的广泛使用，以及对半导体未来创新的依赖，反映在汽车是增长最快的半导体领域，是行业增长率的2倍。⁴

汽车中的半导体含量正在增加，以支持电气化、互联互通和自动驾驶。(图片来源:KLA Corporation)

由于一辆汽车装有数千个芯片，其中许多用于关键任务功能，半导体质量成为人们关注的新焦点。如果一个关键芯片在现场出现故障，就可能导致昂贵的维修费用，损害汽车制造商的声誉，甚至造成人身伤害或生命损失。从根本上说，现场芯片故障是一个可靠性问题。当芯片从半导体制造商转移到供应链时，它具有良好的功能，并通过了标准的性能和质量控制测试，包括电气测试和老化测试。然而，它无法在车辆的波动操作条件(热、冷、振动、雪、雨等)下可靠地执行。与智能手机等应用中使用的消费级半导体不同，汽车半导体需要在5至10年甚至更长时间内，在多变的环境中满足更高的可靠性标准。这些标准推动了半导体制造业对极端质量控制的需求。

潜在的缺陷:到目前为止，汽车半导体制造商的主要关注点一直是如何更好地挑选出现场可靠性问题可能性较高的芯片，而不会浪费掉太多好的芯片。换句话说，晶圆厂现在除了优化产量外，还在优化可靠性。可靠性问题概率越高的芯片，越有可能存在潜在缺陷。潜在缺陷通常是与工艺相关的缺陷，其大小或位置不会杀死模具，或者位于模具的未测试区域。⁵车辆的操作环境激活了潜在缺陷，导致芯片故障或失效。

潜在缺陷(左)的大小或位置特征不会导致芯片失效。在车辆的极端工作环境中(热、冷、振动、潮湿)，潜在的缺陷可能被激活(右)，导致芯片故障或失效。(图片来源:KLA Corporation)

减小参数和缺陷余量是发现和去除潜在缺陷的有效方法。降低参数边界意味着芯片不仅需要功能，而且需要在更紧密的参数窗口内运行。减少缺陷边际意味着将可接受的缺陷大小设置为小于已被证明是产量杀手的缺陷。为了发现更细微的参数变化或更小的缺陷，晶圆厂需要实施更高灵敏度的过程控制策略⁶—通过提高过程控制工具的配方灵敏度，或者通过使用检测和计量系统来检测较小的缺陷或变化。有了更强大的过程控制系统，汽车晶片厂可以检测、监控和控制潜在缺陷，否则可能导致芯片可靠性过早失效。

Fab工艺质量:汽车半导体制造商正在采取提高质量的心态，以防止芯片在该领域的可靠性问题。例如，持续改进程序减少了过程工具引入的随机缺陷，而更严格的表征和监控策略确保了过程工具处于最佳运行状态。⁷IC制造商需要转向在尽可能好的条件下运行工艺，以达到可靠性标准，而不是只专注于优化晶圆厂工艺以获得良率。这种质量心态可能会在短期内增加晶片厂的成本，但从长期来看，将通过提供汽车制造商所需的更高可靠性芯片而节省成本。

部分平均测试:除了通过降低整体工艺缺陷来优化晶圆厂质量外，汽车晶圆厂还可以从实施新的模具筛选方法中受益，以防止潜在的可靠性故障从晶圆厂逃脱。一种新的内联技术，称为I-PAT(内联缺陷部件平均测试)，使用内联缺陷信息来识别晶圆厂中存在可靠性问题风险的模具。⁸I-PAT将多个关键工艺步骤中检测到的缺陷叠加到一个复合检测结果中，从而显示在考虑所有工艺步骤时具有高缺陷的模具。缺陷水平在总体正态分布之外的模具具有更高的潜在缺陷概率，可以从汽车供应链中排除。

汽车工艺控制和模具筛选方法，帮助汽车半导体晶圆厂实现零缺陷标准。(图片来源:KLA Corporation)

未来的创新:随着汽车电子产品的复杂性不断增加，半导体行业可能会引入汽车芯片架构的变化，以确保可靠性。例如，考虑冗余，这对于关键的汽车子系统来说是必要的，以防发生故障。^9、10如果半导体芯片是故障风险最大的最关键部分，那么与其依赖一个处理器来做出关键决策，不如在芯片中构建三个同时运行的处理器。所有三个处理器的结果都将用于关键决策——主要是通过投票。然后，如果一个处理器被宇宙射线粒子击中，导致比特翻转，给出错误答案，或者如果一个潜在缺陷被激活，导致处理器故障，其他两个处理器仍然会给出正确答案。在当今晶体管成本较低的情况下，使用较小的设计节点或略大的芯片尺寸可以在不大幅增加芯片成本的情况下实现内置容错。

汽车电子仿真软件工具也可以集成更多功能，以实现可靠性设计。这些汽车仿真能力可以从内部开始，然后在未来发展成为一个独立的eda类型的汽车电子行业。

汽车电子产品的超高质量制造仍处于早期阶段。展望未来，汽车半导体行业将开发新的可追溯性方法，利用制造过程中产生的大量数据，帮助从供应流中去除风险的模具，并帮助推动消除潜在缺陷所需的工艺改进。为此，半导体晶圆厂可能会通过建立自己的超高质量汽车集成电路制造流程来脱颖而出，而汽车制造商将通过建立值得信赖的半导体供应商合作关系来脱颖而出，帮助生产更可靠的电子产品和更安全的汽车。

参考文献

1. https://www.audi-mediacenter.com/en/techday-quality-9568/semiconductor-lab-9572
2. 奥迪公司，半导体战略PSCP，韩国SEMICON, 2018年1月。
3. https://www.statista.com/statistics/277931/automotive-electronics-cost-as-a-share-of-total-car-cost-worldwide/
4. 来源:Gartner
5. 普莱斯，萨瑟兰和拉瑟特"过程观察:半导体(汽车)问题，“固态技术，2018年1月。
6. 普莱斯，萨瑟兰，拉瑟特，麦科马克和萨维尔"过程监视:汽车缺陷敏感性要求，“固态技术，2018年8月。
7. 普莱斯，萨瑟兰和拉瑟特"流程观察:基线良率预测基线可靠性，”固态技术，2018年3月。
8. 普莱斯，萨瑟兰和拉瑟特"过程观察:提高芯片可靠性的统计方法半导体文摘，2019年9月。
9. https://www.bosch.com/stories/redundant-systems-automated-driving/
10. https://blog.nxp.com/automotive/automotive-functional-safety-the-evolution-of-fail-safe-to-fail-operational-architecture

凯西·佩里·沙利文博士是KLA的技术营销经理。