最新測(cè)試技術(shù)在芯片良率提高中發(fā)揮新作用

在納米設(shè)計(jì)時(shí)代，可制造性設(shè)計(jì)(DFM)方法在提高良率方面中已經(jīng)占據(jù)了中心地位。為了實(shí)現(xiàn)更高的良率，人們?cè)诔跏荚O(shè)計(jì)和制造過(guò)程本身采用了各種技術(shù)。由于采用了DFM規(guī)則，驗(yàn)證這些技術(shù)的有效性就至關(guān)重要。新的測(cè)試方法學(xué)重點(diǎn)是識(shí)別故障機(jī)制，從而提供使測(cè)量取得成功的有價(jià)值的反饋鏈。這些方法學(xué)使故障診斷更為有效，從而縮短良率提高周期。

過(guò)去，測(cè)試的基本目的是識(shí)別有缺陷的器件并防止它們流出制造廠。這就是制造測(cè)試和掃描測(cè)試診斷要以全新的觀點(diǎn)進(jìn)行故障和良率分析的原因。

與簡(jiǎn)單地將經(jīng)測(cè)試器件分箱裝入合格/失效桶的做法相比，新的診斷技術(shù)可被用于從有價(jià)值的數(shù)據(jù)中探測(cè)故障機(jī)制，最終隔離造成故障的根本原因和能夠被校正的良率損失機(jī)制。在此，要采用測(cè)試技術(shù)來(lái)解決其它富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，包括首次流片診斷和提高良率，這兩個(gè)任務(wù)都需要有效地對(duì)無(wú)法通過(guò)測(cè)試的器件實(shí)施故障隔離。

隨著大量的設(shè)計(jì)向130nm及其以下工藝轉(zhuǎn)移，亞波長(zhǎng)光罩蝕刻效應(yīng)、更低的電源電壓和增大的泄漏電流對(duì)良率有著重要影響。在良率低下與企業(yè)要滿足市場(chǎng)需求之間形成了尖銳矛盾。

提高良率對(duì)企業(yè)增強(qiáng)贏利能力極為重要。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)問題區(qū)域的清晰跡象，就要開始采取正確的行動(dòng)。當(dāng)特征尺寸減小到130nm以下時(shí)，由于缺陷通常是不可見的，在線檢查工具的效率會(huì)下降，從而使問題更加復(fù)雜。這正是測(cè)試技術(shù)需要發(fā)揮重要作用的地方。

圖1：在良率受到制約的納米時(shí)代，利用DFM技術(shù)來(lái)提高初始良率固然重要；但從長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)來(lái)看，晶圓廠具備精確預(yù)測(cè)成熟良率的能力或許更為重要。

過(guò)去20年，可測(cè)性設(shè)計(jì)(DFT)開發(fā)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，改進(jìn)了測(cè)試質(zhì)量，并降低了測(cè)試成本。最近的進(jìn)展如壓縮掃描測(cè)試模式及高速存儲(chǔ)器內(nèi)建自測(cè)試(MBIST)已經(jīng)很快被工程師所掌握，并廣泛見諸于當(dāng)今的設(shè)計(jì)之中。DFT也將很快被部署用于可靠的故障分析，從而成為加快提高良率的要旨。

綜合故障分析策略包括以下幾個(gè)方面：用于嵌入式存儲(chǔ)器診斷、掃描鏈和門邏輯的故障診斷的各種方法學(xué)。除了診斷每一個(gè)故障之外，還要將幾個(gè)方面相關(guān)到到器件版圖設(shè)計(jì)及最終識(shí)別實(shí)際缺陷的機(jī)制中。

識(shí)別嵌入式存儲(chǔ)器缺陷

嵌入式存儲(chǔ)器或許是考察故障識(shí)別過(guò)程的最佳例子，其構(gòu)造的規(guī)則性使故障隔離比門邏輯要容易得多。實(shí)際上，采用針對(duì)測(cè)試算法的綜合MBIST，就有可能不僅隔離特定的故障存儲(chǔ)器單元，而且可能隔離單個(gè)晶體管。正是因?yàn)槿绱?，存?chǔ)器故障分析成為許多良率改進(jìn)方案的基礎(chǔ)。

MBIST可以全面測(cè)試嵌入式存儲(chǔ)器的每一個(gè)例程，有時(shí)多以百計(jì)。典型的MBIST診斷引擎采用串行接口，通常利用JTAG寄存器將測(cè)試故障的準(zhǔn)確位置及失敗的算法步驟信息一起發(fā)出。該信息可以被映射到器件的物理版圖以便設(shè)計(jì)工程師精確地發(fā)現(xiàn)缺陷的趨勢(shì)。

除了測(cè)試獨(dú)立的單元，測(cè)試其它存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特征也很重要。針對(duì)測(cè)試這些特征的算法包括用于獨(dú)立使能線、地址解碼晶體管和多接口存取電路的專用測(cè)試。如果不能正確地測(cè)試嵌入式存儲(chǔ)器的所有結(jié)構(gòu)特征，那就可能留下巨大的測(cè)試質(zhì)量隱患，并最終妨礙提高良率。最后，所有算法都應(yīng)該進(jìn)行at-speed操作以獲得最高的測(cè)試質(zhì)量。當(dāng)然，在診斷過(guò)程中既不能對(duì)這些算法，也不能對(duì)at-speed操作進(jìn)行折衷處理。

定位邏輯故障

綜合故障分析策略包括用于存儲(chǔ)器陣列和門邏輯的精確故障識(shí)別。不幸的是，許多公司對(duì)門邏輯采用有限的隔離，客戶返回的除外。這就可能導(dǎo)致一大堆缺陷類型逃避早期的識(shí)別，因而在良率改善過(guò)程中留下巨大的隱患，從而加長(zhǎng)了良率學(xué)習(xí)的時(shí)間，因?yàn)楸匦鑼?duì)更多的缺陷器件采樣，以便確實(shí)識(shí)別缺陷的變化趨勢(shì)。

不難理解為什么門邏輯故障隔離比存儲(chǔ)器陣列要復(fù)雜得多。邏輯的隨機(jī)特性不僅僅使測(cè)試生成更為困難，而且使故障隔離更為復(fù)雜。即使門邏輯診斷工具能夠?qū)⒐收细綦x為一小塊邏輯，但這對(duì)于識(shí)別特定的制造缺陷來(lái)說(shuō)可能是無(wú)效的。

診斷一個(gè)未通過(guò)掃描測(cè)試的器件首先要考慮的是掃描鏈本身的問題。超過(guò)30%的掃描測(cè)試故障都?xì)w因于掃描鏈本身的問題且并不是罕見的。由于測(cè)試條件所造成的這些故障類型是令人惱怒的問題：即一個(gè)單個(gè)掃描失敗可能造成整個(gè)掃描鏈中的結(jié)果是無(wú)效的-即使不是全部，也是絕大部分。

幸運(yùn)的是診斷工具配備了針對(duì)掃描鏈故障的算法，這些算法工作的基礎(chǔ)是每一個(gè)獨(dú)立的掃描鏈通過(guò)彼此之間的邏輯相連，因此，通過(guò)分析鄰近掃描鏈的數(shù)據(jù)，掃描鏈故障定位的更精確估算就可以被推斷出來(lái)。

在流片診斷過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)掃描鏈加載和卸載期間的時(shí)序問題(如圖2所示)。對(duì)于診斷工具而言，重要的是正確地識(shí)別這些條件并精確地報(bào)告所懷疑的故障電路單元。即使采用合適功能的掃描鏈，精確識(shí)別引起門邏輯測(cè)試故障的征兆遠(yuǎn)非易事。曝光缺陷首先需要高質(zhì)量的測(cè)試模式集。利用較大的故障模型集，如跳變和橋接，就可以獲得高質(zhì)量的測(cè)試模式集。

測(cè)試壓縮技術(shù)增加了可能的故障類型并保持測(cè)試成本的低廉，現(xiàn)在130nm及以下的設(shè)計(jì)都將測(cè)試壓縮技術(shù)集成到測(cè)試開發(fā)流程之中。當(dāng)然，任何測(cè)試壓縮方法都必須具備不增加特別的模式就能直接診斷故障的能力。這就不會(huì)增加測(cè)試負(fù)擔(dān)或消除了由僅用于故障隔離的不同測(cè)試模式所引起的診斷不確定性。這樣，生產(chǎn)故障日志就可以被診斷工具直接采用，而不必在測(cè)試設(shè)備上重新插入被測(cè)器件。

確定故障的準(zhǔn)確邏輯位置可能是一個(gè)困難的問題。簡(jiǎn)單的粘著故障(stuck-at faults)最容易被定位。但另一方面，以某種方式可以證明，橋接缺陷本身就確實(shí)難以進(jìn)行識(shí)別。在這些情況下，診斷工具可以執(zhí)行一些二次計(jì)算來(lái)識(shí)別可能的疑點(diǎn)，并對(duì)這些疑點(diǎn)按照故障真實(shí)原因的可能性進(jìn)行排隊(duì)。利用這些結(jié)果和其它信息(如版圖數(shù)據(jù))，可以證明這是一種確定器件故障根本原因的有效方法。

物理版圖中的缺陷識(shí)別

把探頭伸進(jìn)芯片內(nèi)部直接識(shí)別制造缺陷是一種成本極高的方法，它需要很昂貴的設(shè)備投資和高技能的技術(shù)人員。在開始de-processing之前，重要的是，要確保診斷工具所顯示的故障邏輯網(wǎng)絡(luò)就是某種可識(shí)別缺陷的實(shí)際位置。

圖2：時(shí)序問題可能出現(xiàn)在掃描鏈的加載和卸載過(guò)程中

即使對(duì)該邏輯網(wǎng)絡(luò)具有高度信心，要開始做de-processing通常還不夠精確。許多網(wǎng)絡(luò)很長(zhǎng)，在繼續(xù)往前布線之前應(yīng)做必要的物理隔離。在版圖中加亮網(wǎng)絡(luò)可以被用于更精確地識(shí)別缺陷的位置及可能的缺陷原因。例如，如果可疑的網(wǎng)格被診斷工具中識(shí)別為開路，那么最好要檢查過(guò)孔。或許，如果該可疑網(wǎng)格與另外一個(gè)網(wǎng)格在很長(zhǎng)一段相鄰，那么很可能存在橋接故障。進(jìn)一步說(shuō)，故障網(wǎng)絡(luò)的特征可以被用作創(chuàng)建DFM規(guī)則的基礎(chǔ)。

本文小結(jié)

故障分析是一個(gè)正在成長(zhǎng)中的領(lǐng)域，工具越好用，收效也就越大。業(yè)界對(duì)更細(xì)微劃分可疑類型的診斷工具存在持續(xù)不斷的需求。這將加速首次流片的糾錯(cuò)。缺陷診斷的自動(dòng)化使得故障分析可以在較多的樣品上進(jìn)行，從而縮短良率學(xué)習(xí)周期。顯然，這些工具可以在縮短上市時(shí)間并改善產(chǎn)品質(zhì)量上發(fā)揮重要作用。