可配置且簡(jiǎn)單易用的組合式可靠性檢查

簡(jiǎn)介

雖然產(chǎn)品可靠性一直以來(lái)都是半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)重要因素，但隨著交通運(yùn)輸、醫(yī)療設(shè)備和 通信等領(lǐng)域越來(lái)越多地使用電子設(shè)備，對(duì)于能夠在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品壽命期內(nèi)按預(yù)期工作的集成 電路 (IC) 的需求已呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)趨勢(shì)。然而，盡管對(duì)于精準(zhǔn)的可靠性驗(yàn)證的需求已顯 著增長(zhǎng)，但使用現(xiàn)有的驗(yàn)證技術(shù)確保 IC 可靠性一直是 IC 設(shè)計(jì)公司面臨的重大挑戰(zhàn)之一。技 術(shù)節(jié)點(diǎn)尺寸的縮減加上不同類型的設(shè)計(jì)應(yīng)用的快速增長(zhǎng)，讓該問(wèn)題變得更加復(fù)雜，增加了 需要的可靠性檢查數(shù)量及其復(fù)雜性。所有這些因素都在有力地推動(dòng)對(duì)于準(zhǔn)確的自動(dòng)化芯片 可靠性驗(yàn)證方法的需求。如今，Calibre? PERC? 可靠性平臺(tái) [1] 等全新的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 工具應(yīng)運(yùn)而生，為設(shè)計(jì)人員提供了強(qiáng)大的功能來(lái)實(shí)施可靠性檢查，讓他們能夠利用 拓?fù)?、電壓傳?[2] 和邏輯驅(qū)動(dòng)的版圖 (LDL) 功能快速、準(zhǔn)確地驗(yàn)證各種可靠性問(wèn)題。

許多晶圓代工廠現(xiàn)在提供可靠性規(guī)則集來(lái)驗(yàn)證 IC 設(shè)計(jì)選定的可靠性，其中最常見(jiàn)的是評(píng)估靜 電放電 (ESD) 保護(hù)和閂鎖效應(yīng) (LUP) 事件 [3]。臺(tái)積電 (TSMC) 是全球最大的晶圓代工廠之一， 該公司基于 Calibre PERC 可靠性平臺(tái)提供完整的 ESD/LUP 規(guī)則檢查覆蓋 [4]。TSMC ESD/LUP 套件通過(guò)使用拓?fù)洹Ⅻc(diǎn)對(duì)點(diǎn) (P2P) 電阻、電流密度 (CD) 和基于版圖的 LUP 檢查提供可靠性驗(yàn) 證 [5,6]。也可以從其他晶圓代工廠獲取可靠性規(guī)則集，例如 GLOBALFOUNDRIES [7]、 Samsung [8]、UMC [9] 和 TowerJazz [10]。

晶圓代工廠規(guī)則集提供了可靠的可靠性基準(zhǔn)，在評(píng)估總體可靠性時(shí)應(yīng)始終用作一線參考。 設(shè)計(jì)人員可利用這些規(guī)則集深入了解晶圓代工廠所重視的 Sign-off 標(biāo)準(zhǔn)。但每家設(shè)計(jì)公司 通常也會(huì)根據(jù)其產(chǎn)品的獨(dú)特需求和用途提出額外的可靠性要求。當(dāng)今的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期很 短，這也鼓勵(lì)設(shè)計(jì)公司根據(jù)自身產(chǎn)品的應(yīng)用開(kāi)發(fā)自定義的檢查作為晶圓代工廠可靠性驗(yàn)證 流程的補(bǔ)充，以確保徹底驗(yàn)證可靠性要求。這些自定義的預(yù)編碼檢查可提供額外的有針對(duì) 性的可靠性覆蓋，以支持取得市場(chǎng)成功。

不止于晶圓代工廠規(guī)則集：自定義可靠性檢查

為確保滿足公司的所有可靠性驗(yàn)證需求，創(chuàng)建自定義檢查是一種有用而且往往很有必要的 手段。但隨著不同應(yīng)用的可靠性檢查數(shù)量以及這些檢查的復(fù)雜性日益增加，設(shè)計(jì)人員需要 一種驗(yàn)證流程，方便其快速、輕松地選擇和配置這類預(yù)編碼檢查，而無(wú)需在運(yùn)行期間管理 檢查的復(fù)雜性問(wèn)題。

通過(guò)在簡(jiǎn)單易用的流程中包含精心編寫(xiě)的預(yù)編碼檢查，設(shè)計(jì)人員可以運(yùn)行這些檢查，而無(wú) 需在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行自定義檢查編碼。為確保設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)需要覆蓋不同的可靠性方面， 該流程必須允許他們組合多項(xiàng)檢查，對(duì)目標(biāo)設(shè)計(jì)、知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 模塊或全芯片運(yùn)行驗(yàn)證， 這一點(diǎn)也很重要。提供允許設(shè)計(jì)人員輕松配置和運(yùn)行自定義檢查及檢查組合的流程，有助 于設(shè)計(jì)公司在進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)，滿足當(dāng)今日益苛刻的產(chǎn)品上市時(shí)間表。

組合多項(xiàng)檢查

不同的 IC 設(shè)計(jì)具有不同的可靠性要求和關(guān)注點(diǎn)，在驗(yàn)證期間必須使用各種可靠性檢查對(duì)其 進(jìn)行評(píng)估。通?？赏ㄟ^(guò)選擇和利用規(guī)則檢查的組合來(lái)滿足多種驗(yàn)證需求，其中每項(xiàng)檢查集 中處理一個(gè)特定的方面，從而實(shí)現(xiàn)完整的可靠性驗(yàn)證覆蓋。

作為說(shuō)明，我們來(lái)看兩項(xiàng)設(shè)計(jì)應(yīng)用，一項(xiàng)為多電源域設(shè)計(jì)，另一項(xiàng)為模擬設(shè)計(jì)。這些應(yīng)用 描述了應(yīng)如何運(yùn)用不同的可靠性檢查，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)提供全面的可靠性驗(yàn)證覆蓋。在實(shí) 際設(shè)計(jì)流程中，可能還需要額外的檢查才能實(shí)現(xiàn)所需的全面、嚴(yán)格的可靠性驗(yàn)證。

多電源域應(yīng)用

具有多個(gè)電源域的設(shè)計(jì)存在電氣過(guò)應(yīng)力 (EOS) 的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)電參數(shù)超過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)便會(huì)發(fā)生 EOS。EOS 事件可能造成廣泛的后果，導(dǎo)致不同程度的性能下降，甚至是 IC 永久失效的災(zāi) 難性損壞 [2]。圖 1 顯示了一種器件級(jí) EOS

條件，其中的一個(gè) PMOS 晶體管的管腳被 連接到不同的電源域。在此示例中，如果 vcc2 被連接到 3.3v，并且柵極切換電壓為 1.8v (vcc1 = 1.8v)，則此組合將會(huì)在 m2 柵極 產(chǎn)生氧化應(yīng)力。這種特殊版圖構(gòu)成一種微 妙的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，會(huì)隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致失效，而不會(huì)導(dǎo)致立即失效。

圖 1：器件級(jí) EOS 風(fēng)險(xiǎn)。

復(fù)雜的片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)計(jì)具有更多的模擬和數(shù)字電路，需要不同的電壓來(lái)支持芯片上的 各個(gè)電源域。具有多個(gè)電源域的設(shè)計(jì)包含須從一個(gè)電源域跨越到另一個(gè)電源域的信號(hào)網(wǎng) 絡(luò)，而這些跨越點(diǎn)經(jīng)常成為故障點(diǎn)或損傷點(diǎn)。因此需要采用保護(hù)方案來(lái)控制這些跨域接口處的電壓。設(shè)計(jì)人員必須插入一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器模 塊，完成從一個(gè)電源／電壓域到另一個(gè)電源／電 壓域的轉(zhuǎn)換（圖 2）。如果某個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)從低壓域 轉(zhuǎn)移到高壓域而未使用低電平到高電平轉(zhuǎn)換器， 則該信號(hào)網(wǎng)絡(luò)將無(wú)法驅(qū)動(dòng)高壓域電路工作。如果 某個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)從高壓域轉(zhuǎn)移到低壓域而未使用高

圖 2：在兩個(gè)不同電源域的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)之間連接的電平轉(zhuǎn) 換器電路。

電平到低電平轉(zhuǎn)換器，則該信號(hào)將會(huì)過(guò)驅(qū)低壓域 電路，長(zhǎng)期下去器件將會(huì)受損。因此，缺失電平轉(zhuǎn)換器會(huì)帶來(lái)可靠性風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)人員不僅必須驗(yàn)證各個(gè)域接口部署了適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換器， 還要確認(rèn)連接正確。

驗(yàn)證這些類型的設(shè)計(jì)需要運(yùn)行 EOS 檢查來(lái)檢測(cè)連接到不同電壓的器件，還需要運(yùn)行電平轉(zhuǎn) 換器檢查來(lái)檢測(cè)電平轉(zhuǎn)換器是否存在并且已正確安裝。沒(méi)有這兩項(xiàng)檢查，可靠性驗(yàn)證便不 完整。

模擬設(shè)計(jì)性能和老化

模擬電路通常對(duì)版圖設(shè)計(jì)技術(shù)、工作條件和工藝變化的改變非常敏感。在常見(jiàn)的電流鏡等 模擬電路中，器件之間的比率對(duì)于實(shí)現(xiàn)正確的設(shè)計(jì)性能至關(guān)重要。模擬設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)之一是 實(shí)現(xiàn)并保持準(zhǔn)確的比率。此外，模擬設(shè)計(jì)也很容易受制造工藝中的變化的影響，這可能表 現(xiàn)為制造電路中的意外后果。所有這些版圖挑戰(zhàn)往往會(huì)對(duì)電路的可靠性和穩(wěn)健性產(chǎn)生負(fù)面 影響，導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)出在預(yù)期的產(chǎn)品壽命期內(nèi)可靠工作的電路。

需要使用版圖約束，最大限度減小應(yīng)具備相似行為的器件組（例如差分 對(duì)或電流鏡）中存在的這類變化 [11]。例如，器件之間的對(duì)稱檢查可確 保器件全部具有相對(duì)水平／垂直軸或中心的對(duì)稱形狀。對(duì)于一系列器 件，檢查器件形狀之間的匹配以及所有器件之間是否具有相同的間距， 可以確保陣列的均勻性。圖 3 顯示了一幅對(duì)稱不匹配的快照。

圖 3：相對(duì)垂直軸的對(duì)稱 不匹配。

模擬設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要版圖方面是阱區(qū)鄰近效應(yīng) (WPE)。阱區(qū)鄰近是指 器件與其所在阱區(qū)的邊緣之間的距離。為使器件對(duì)稱地老化，阱區(qū)中的 所有器件都必須與阱區(qū)邊緣具有相同的間距。器件與阱區(qū)邊緣之間的距 離即使存在細(xì)小的差異，也會(huì)導(dǎo)致器件出現(xiàn)老化差異，從而導(dǎo)致性能下 降，最終縮短產(chǎn)品壽命 [12]。圖 4 顯示了一種 WPE 情形，其中的器件 A、B 和 C 與阱區(qū)邊緣具有不同的間隔距離。

為了充分驗(yàn)證模擬版圖的可靠性，設(shè)計(jì)人 員通常必須進(jìn)行多項(xiàng)檢查，包括版圖對(duì)稱 性、器件匹配、WPE、器件之間的間距一 致性，等等。

CALIBRE PERC 組合式檢查流程

通過(guò)使用 Calibre PERC 組合式檢查框 架，設(shè)計(jì)人員可以快速、輕松地將多 項(xiàng)可靠性檢查組合到一次運(yùn)行中，進(jìn) 行設(shè)計(jì)的可靠性驗(yàn)證（圖 5）。利用 該框架可以輕松地選擇和配置預(yù)編碼 檢查，最大限度地提高易用性和減少 運(yùn)行時(shí)設(shè)置。

圖 4：WPE 導(dǎo)致器件老化差異，從而造成長(zhǎng)期的性 能下降。

圖 5：Calibre PERC 組合式檢查流程。

組合式檢查流程的輸入是一個(gè)用戶配置文件，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)設(shè)計(jì)需要在其中選擇檢查項(xiàng) 并配置每項(xiàng)檢查的參數(shù)。此輸入約束文件由封裝管理器處理，它會(huì)訪問(wèn)檢查數(shù)據(jù)庫(kù)并創(chuàng)建 一個(gè)規(guī)則文件，其中包含了所有選定的檢查以及將在指定的設(shè)計(jì)上運(yùn)行的正確配置參數(shù)。

可靠性覆蓋和可供設(shè)計(jì)使用的特定檢查的性質(zhì)，取決于所參考的特定檢查數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的 檢查。參考的庫(kù)可能包含全套可用的可靠性檢查，也可能僅包含專門針對(duì)特定設(shè)計(jì)要求的 子集。特定檢查庫(kù)中可能包含的檢查示例包括：

■ 器件計(jì)數(shù)（所有類型和特定類型）

■ 電氣過(guò)應(yīng)力

■ 電平轉(zhuǎn)換器檢測(cè)

■ 查找設(shè)計(jì)中的圖形

■ 串?dāng)_易感性

■ 熱載流子注入效應(yīng) (HCI)

■ 拓?fù)涓兄拈V鎖

■ 電壓感知的閂鎖

■ 電壓感知的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 (DRC)

■ IO 環(huán)檢查

■ 靜態(tài)供電分析和識(shí)別

■ 熱結(jié)點(diǎn)識(shí)別

■ 阱區(qū)鄰近效應(yīng)易感性（器件老化）

■ 差分對(duì)對(duì)稱

■ 模擬約束檢查

– 對(duì)稱性、器件匹配、器件的公共質(zhì)心、間 距檢查、參數(shù)匹配、集群、器件對(duì)齊、虛 擬器件存在

與 Calibre PERC 可靠性平臺(tái)中運(yùn)行的其他規(guī)則集一樣，每次檢查都會(huì)生成并報(bào)告結(jié)果。雖然 組合式檢查可以更輕松地選擇和組合檢查，但在組合中運(yùn)行多項(xiàng)檢查也會(huì)改變結(jié)果的顯示 方式。圖 6 顯示了使用 Calibre PERC 組合式檢查流程的 EOS、電平轉(zhuǎn)換器和器件計(jì)數(shù)檢查結(jié) 果，其中 EOS 和電平轉(zhuǎn)換器檢查報(bào)告了錯(cuò)誤結(jié)果，器件計(jì)數(shù)檢查則報(bào)告了信息性結(jié)果。設(shè) 計(jì)人員可以使用 Calibre RVE 結(jié)果查看器來(lái)對(duì)這些結(jié)果（包括錯(cuò)誤和信息性結(jié)果）進(jìn)行調(diào)試。

圖 6：Calibre RVE 快照 顯示了使用 C alibr e PERC 組合式檢查流程 時(shí)的 EOS、電平轉(zhuǎn)換器 和器件計(jì)數(shù)檢查結(jié)果。

總結(jié)

隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加以及對(duì) IP 到全芯片的各級(jí)芯片設(shè)計(jì)可靠性的高度關(guān)注，針對(duì) IC 設(shè)計(jì) 中的不同可靠性問(wèn)題提供準(zhǔn)確且完整的驗(yàn)證覆蓋至關(guān)重要。要確保設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的使用壽命 內(nèi)按預(yù)期工作，可能需要進(jìn)行晶圓代工廠和自定義的可靠性檢查。利用 Calibre PERC 組合 式檢查流程，設(shè)計(jì)人員可以自行或在 CAD 或可靠性團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下，快速、輕松地選擇、配 置和組合多種預(yù)編碼檢查。隨后，組合式檢查管理器只需要極少的設(shè)置，便可根據(jù)所選檢 查自動(dòng)生成一個(gè)規(guī)則文件，并啟動(dòng) Calibre PERC 運(yùn)行，將選定的檢查應(yīng)用于版圖。然后生 成任何錯(cuò)誤結(jié)果，以便在版圖查看器中查看并進(jìn)行調(diào)試和更正。由于設(shè)計(jì)人員可以使用 Calibre PERC 組合式檢查流程來(lái)選擇和組合檢查，而不必?fù)?dān)心需要針對(duì)任何復(fù)雜的設(shè)置或 運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行編碼，因此能夠更加輕松、快速和一致地運(yùn)行可靠性驗(yàn)證，這有助于縮短設(shè) 計(jì)周期時(shí)間，同時(shí)保障產(chǎn)品可靠性。

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