嵌入式測試器實現(xiàn)SoC中存儲子系統(tǒng)的良品率

　　系統(tǒng)級芯片(SoC)中存儲器容量的增加以及嵌入式存儲器支配整個裸片良品率的事實，使良品率設(shè)計(DFY)面臨日益嚴峻的挑戰(zhàn)，特別是在新興的90nm和65nm半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。由于嵌入式存儲器容易產(chǎn)生較高的缺陷率，會對整個芯片良品率和良品率管理產(chǎn)生重要影響，因而DFY成為制造的關(guān)鍵問題。

　　傳統(tǒng)的存儲器測試和修復(fù)方法不能有效地管理當(dāng)前SoC的復(fù)雜度和水漲船高的測試成本。為了克服這些挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)(IP)供應(yīng)商提出了一種稱為IIP(基礎(chǔ)架構(gòu)IP)的新型IP，IIP的作用就像嵌入芯片內(nèi)部的微型測試器。

　　IIP的例子包括用于邏輯和存儲器的內(nèi)建自測試(BIST)，以及用于嵌入式存儲器的內(nèi)建修復(fù)分析(BIRA)、內(nèi)建自修復(fù)(BISR)和錯誤校正代碼(ECC)。本文將討論這樣一種面向嵌入式存儲器測試和修復(fù)的IIP，以及這種IIP如何解決設(shè)計和制造過程各個階段的良品率問題。

　　技術(shù)挑戰(zhàn)

　　摩爾定律引領(lǐng)人們持續(xù)不斷地研究更復(fù)雜和更大規(guī)模的設(shè)計，工藝節(jié)點正在從130nm、90nm、65nm及以下節(jié)點向更小的硅特征尺寸前進。這些更新的工藝技術(shù)造成設(shè)計規(guī)則復(fù)雜、制造和掩模成本更高。因此，面向如此先進技術(shù)的設(shè)計團隊需要了解其設(shè)計能否在可接受的良品率等級上具有可制造性。

圖1：SoC中存儲器的使用情況。

　　傳統(tǒng)上，良品率問題一直屬于制造團隊的研究范圍，但是，在上述先進工藝技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計工程師正將注意力轉(zhuǎn)向芯片設(shè)計流程中的可制造性標(biāo)準(zhǔn)。采用新興技術(shù)導(dǎo)致良品率下降體現(xiàn)在三個方面：隨機缺陷、系統(tǒng)缺陷和參數(shù)缺陷。解決這些問題的良品率改進方案有很多，貫穿設(shè)計到制造的產(chǎn)品流程的各個階段都要進行良品率管理。

　　這可以分類為對設(shè)計進行邏輯添加和物理修正。物理修正的一個例子是良品率驅(qū)動的版圖設(shè)計，重點是修改影響設(shè)計性能并進一步影響整體良品率的版圖設(shè)計規(guī)則。邏輯添加對設(shè)計添加測試結(jié)構(gòu)以幫助提高制造過程的良品率。測試結(jié)構(gòu)被設(shè)計用于檢測器件中因隨機、系統(tǒng)和參數(shù)缺陷造成的各種故障，以及修復(fù)嵌入式存儲器中的某些缺陷。

　　新興技術(shù)使單芯片中能夠集成更多的嵌入式存儲器，進而使存儲器成為SoC中占據(jù)支配地位的組成部分，如圖1所示。嵌入式存儲器采用了比芯片上邏輯部分更先進的規(guī)則進行設(shè)計，因而缺陷級別更高。存儲器的結(jié)構(gòu)致密，實際上其缺陷密度的代表值是邏輯部分的兩倍。因為IC中包含存儲器和邏輯部分，因此存儲器決定了整個SoC的良品率。修復(fù)存儲器中的缺陷，就能夠改善整體良品率并實質(zhì)性節(jié)省制造成本。

　　此外，先進技術(shù)提供了廣泛的工藝選擇，滿足了在同一設(shè)計上具有不同存儲器容量和架構(gòu)的多種應(yīng)用(設(shè)計)的需要。對于需要存儲器測試和修復(fù)方案的多種存儲器架構(gòu)以及不同冗余配置的設(shè)計，這些挑戰(zhàn)增強了對良品率管理的需求。

　　嵌入式存儲器測試和修復(fù)

　　在嵌入式存儲器中管理良品率的一種方法是在制造修復(fù)過程中利用冗余或空閑單元。以歷史的觀點看，嵌入式存儲器一直具有自測試能力，但是不能自修復(fù)。近來，嵌入式存儲器因缺陷密度較高，被迫采用冗余單元，就像獨立式存儲器一樣。對給定的存儲器確定足夠及合適類型的冗余單元，需要存儲器設(shè)計知識和待選用工藝節(jié)點的歷史故障信息。這本身就是一個挑戰(zhàn)，何況正確的冗余單元并不能解決全部問題。掌握存儲器缺陷檢測和定位的方法并分配冗余單元需要用到缺陷分布的制造知識。

　　傳統(tǒng)的存儲器測試和修復(fù)方法依靠外部存儲器測試器和通用目的冗余分配軟件來修復(fù)存儲器，然而，不斷增加的測試成本促使人們開發(fā)嵌入到SoC之中的集成式測試和修復(fù)結(jié)構(gòu)。先進的存儲器測試和修復(fù)系統(tǒng)通常被嵌入到芯片上以診斷出現(xiàn)故障的存儲器位，并利用存儲器中的冗余資源(行或列或二者都用)修復(fù)出現(xiàn)故障的存儲器。

圖2：STAR存儲器系統(tǒng)。

　　這樣的系統(tǒng)由一個測試和修復(fù)處理器以及封包器(嵌入關(guān)鍵測試功能)構(gòu)成，以便與存儲器、儲存存儲器配置標(biāo)志的熔絲盒以及存儲器本身(包括冗余和非冗余存儲器)接口。處理器具有四個關(guān)鍵測試和修復(fù)功能：一個BIST引擎用來創(chuàng)建存儲器的特定測試模式；一個BIST診斷引擎用來分析和識別故障；BIRA、修復(fù)和冗余分配邏輯算法用來重配置存儲器行；待被做拓撲有效的后修復(fù)的列。

　　STAR存儲器系統(tǒng)采用多種方法修復(fù)嵌入式存儲器并實現(xiàn)最佳的制造良品率。圖2所示SoC利用IIP和STAR進行嵌入式存儲器修復(fù)。STAR處理器與嵌入式存儲器自動交互作用以測試和診斷每一個存儲器并確定是否可以修復(fù)，如果可以修復(fù)就生成一個修復(fù)標(biāo)志。邏輯測試器發(fā)起測試和修復(fù)操作之后，STAR處理器接管以進行測試、診斷和生成修復(fù)標(biāo)志。

　　測試器把修復(fù)標(biāo)志傳輸?shù)郊す馊劢z燒斷設(shè)備，由它依次燒斷熔絲盒中的熔絲。熔絲盒的內(nèi)容與修復(fù)標(biāo)志相對應(yīng)，由STAR處理器加載到相應(yīng)的存儲器進行修復(fù)。因此，IIP徹底地減少了測試成本，并使外部測試資源需求最小化。此外，利用不需要外部激光熔絲燒斷設(shè)備的非易失性熔絲，制造成本被降低了。該技術(shù)使多次修復(fù)成為可能，因而適用于現(xiàn)場級修復(fù)，特別適用于用納米技術(shù)制成的、更易出現(xiàn)后制造可靠性故障的器件。

　　隨著設(shè)計中存儲器密度的增加，一個設(shè)計中就有幾百個存儲器實例，讓一個STAR處理器來驅(qū)動所有存儲器的測試和修復(fù)是不切實際的，因此，需要一個具有多STAR處理器的先進嵌入式IP解決方案來支持調(diào)試、診斷和現(xiàn)場修復(fù)。每一個STAR存儲器系統(tǒng)由一個STAR處理器、一定容量的存儲器和一個熔絲盒組成。當(dāng)前典型的設(shè)計需要采用多STAR存儲器系統(tǒng)實例。

　　多STAR存儲器系統(tǒng)實例如圖3所示，需要彼此之間互連并連接到IEEE 1149.1 JTAG接口，以便外部測試設(shè)備在診斷和調(diào)試過程中訪問芯片。每一個STAR處理器上的P1500端口采用IEEE提出的IP到IP互連協(xié)議將多STAR存儲器系統(tǒng)實例彼此之間連接起來。然而，這些P1500端口也要連接到芯片的JTAG接口。為了使連接過程自動完成，一個稱為JPC編譯器的JTAG到P1500轉(zhuǎn)換器的設(shè)計已完成。掌握了每一個STAR存儲器系統(tǒng)實例的情況，JPC編譯器就可以生成邏輯把所有P1500端口與外部JTAG接口互連起來。就本質(zhì)而言，JPC邏輯起到芯片級IP基礎(chǔ)架構(gòu)“集線器”的作用，圖3所示為具有兩個STAR存儲器系統(tǒng)實例的復(fù)合IP(功能和IIP的混合)。先進技術(shù)的存儲器缺陷分布隨著位單元更小、版圖更密而發(fā)生變化，Generic March型測試算法不足以處理這些技術(shù)中的復(fù)雜缺陷。STAR存儲器系統(tǒng)提供增強型March測試算法，覆蓋了單個單元故障、雙單元故障、復(fù)雜耦合故障以及多測試模式，從而為存儲器讀寫操作創(chuàng)建專用應(yīng)力情形。因為缺省算法不足以處理細微工藝變化引起的缺陷，STAR處理器還支持可對系統(tǒng)進行編程的用戶定義算法。為了確保最佳的品質(zhì)，STAR存儲器系統(tǒng)采用存儲器拓撲不規(guī)則信息來生成最精確的背景模式。

　　STAR存儲器系統(tǒng)支持彈性修復(fù)策略以優(yōu)化制造和現(xiàn)場操作過程中的良品率，制造流程跨越從晶圓探測到最終封裝部件量產(chǎn)的全過程。修復(fù)策略描述確定冗余分配和執(zhí)行修復(fù)的條件，STAR存儲器系統(tǒng)支持硬修復(fù)、組合修復(fù)和累積修復(fù)。

　　硬修復(fù)需要利用芯片上的永久存儲機制(例如激光熔絲、NV熔絲)以便掉電后保持修復(fù)信息。

　　組合修復(fù)結(jié)合了硬修復(fù)和軟修復(fù)的優(yōu)點。軟修復(fù)不用熔絲，因而上電后要生成修復(fù)標(biāo)志。因為軟修復(fù)在所有測試條件下對所有故障類型的揭示不夠有效，我們建議與硬修復(fù)結(jié)合使用。因此，組合修復(fù)就是工廠中的硬修復(fù)和隨后現(xiàn)場的軟修復(fù)的結(jié)合。

　　累積修復(fù)有助于累積多種測試條件的修復(fù)標(biāo)志以獲得最高的修復(fù)效率和最大化地恢復(fù)良品率。

　　嵌入式存儲器測試和修復(fù)技術(shù)的未來趨勢

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)從130nm、90nm、65nm向更小特征尺寸的變化，缺陷率會更高，引入的新缺陷會更多，缺陷類型更加多變。為了解決缺陷率問題，測試和修復(fù)組織機構(gòu)需要更為智能的方法以及更新的測試和修復(fù)方案。新興工藝技術(shù)，例如90nm以下工藝，會造成泄漏急劇增加，因而需要專用泄漏屏蔽措施來實現(xiàn)更高的品質(zhì)。隨著缺陷密度的增加，更密密集的存儲器需要額外的冗余資源(行和列冗余)。當(dāng)設(shè)計中只有少量存儲器(數(shù)十個)的時候，很容易在芯片級實現(xiàn)測試和修復(fù)來控制缺陷。然而，當(dāng)存儲器達到好幾百個的時候，在設(shè)計實現(xiàn)和制造過程中管理缺陷就復(fù)雜了。試想一下，不借助于芯片級中央網(wǎng)關(guān)與所有存儲器組通信，邏輯和物理版圖復(fù)雜度的快速增加會導(dǎo)致難以在芯片級與所有存儲器實例進行通信，所以，有必要采用智能地芯片級測試基礎(chǔ)架構(gòu)IP來管理數(shù)量眾多存儲器的芯片級測試和修復(fù)功能。STAR JPC是一個有助于存儲器子系統(tǒng)和外部測試器通信的芯片級基礎(chǔ)架構(gòu)IP的例子，它極大地減少了芯片級布線擁塞，這意味著：為功能模塊節(jié)省了更多面積、模塊間布線更少、各種時序問題最少以及時序收斂更快。

圖3：STAR存儲器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

　　隨著幾何尺寸更小(泄漏更高，是現(xiàn)在的10倍)，要實現(xiàn)更高的品質(zhì)，保持力(Retention）測試就變得越來越重要。然而，如果我們嚴格測試每一個存儲器的話，保持力測試也會造成測試時間太長。因為這是一個面向所有存儲器的公共測試功能，所以可以移到芯片級IIP來并行運行該測試。保持力測試可以在多個STAR存儲器組之間并行運行，極大地削減了測試時間和測試成本。當(dāng)設(shè)計中有數(shù)百個存儲器的時候，測試時間就是一個重要因素。為了優(yōu)化測試時間，用戶應(yīng)被容許調(diào)度被測存儲器組的順序：并行、串行或二者組合。這就需要一個可由用戶在制造測試過程中編程的芯片級智能調(diào)度器。STAR JPC的內(nèi)建智能調(diào)度器容許用戶調(diào)度各種存儲器實例的測試。本質(zhì)上，借助于智能芯片級測試IIP，用戶可以削減測試時間和測試成本。

　　采用90nm及其以下工藝，許多高速設(shè)計(特別是計算機、通信和圖形應(yīng)用)需要做嚴格的高速測試以滿足品質(zhì)目標(biāo)，這就需要在測試引擎和存儲器之間快速交換數(shù)據(jù)以確保存儲器在期望的速度下經(jīng)受測試。它要求測試資源與存儲器的集成最優(yōu)化，以確保同時達到最佳品質(zhì)和最優(yōu)化面積/性能的折衷。因此，我們將測試引擎(軟IP)的許多時序和版圖關(guān)鍵組成部分集成到硬宏中，時序關(guān)鍵路徑已被做在硬宏中，附加可測試邏輯正被嵌入到硬宏中以獲得更高的覆蓋率，從而最終獲得最優(yōu)化的面積、最小的布線開銷和更高的品質(zhì)。作為一個既設(shè)計存儲器IP又設(shè)計測試和修復(fù)IP的整體解決方案供應(yīng)商，這些都是可能實現(xiàn)的，因為他們能借助于測試和修復(fù)技術(shù)優(yōu)化整個存儲器系統(tǒng)的面積、時序并實現(xiàn)高度可制造性。其它方案因為存儲器由一家公司設(shè)計，而測試和修復(fù)單元卻由另一家不同公司提供，彼此之間存在非常嚴格的邊界，因而就不能實現(xiàn)如此級別的優(yōu)化。未來新興工藝會使設(shè)計規(guī)模增長并容許我們在設(shè)計中集成更多的存儲器。目前，我們已使包含幾百個存儲器的設(shè)計出帶了，現(xiàn)在正開始設(shè)計包含幾千個存儲器的單芯片。設(shè)計中多個分層造成的極大復(fù)雜度，需要能智能管理設(shè)計集成的自動化性能，這種性能必須很好地理解嵌入式存儲器測試和修復(fù)架構(gòu)，并容許在SoC級插入、刪除和修改存儲器子系統(tǒng)。

　　本文小結(jié)

　　當(dāng)前日益增長的上市時間壓力常迫使半導(dǎo)體代工廠開始采用尚未成熟、良品率還沒有達到穩(wěn)定狀態(tài)的新興工藝進行生產(chǎn)，因此，良品率管理成為半導(dǎo)體制造過程的一個重要問題。存儲器的嵌入式測試和修復(fù)就是有助于最優(yōu)化良品率并使測試成本最小化的關(guān)鍵制造技術(shù)，采用STAR存儲系統(tǒng)來測試和修復(fù)嵌入式存儲器能夠極大地提高良品率并確保高品質(zhì)。