解讀FinFET存儲器的設計挑戰以及測試和修復方法

　　圖4：DesignWare STAR存儲器系統：針對制程優化了的存儲器測試、修復診斷

每個STAR存儲器系統處理器的能力都足以處理芯片上的檢測、診斷和缺陷修復。連接和配置所有紫色方框可能比較耗時且容易出錯，所以STAR存儲器系統還實現了以下工作的自動化：

生成、插入和確認配置

完成測試向量的生成

執行故障分類

定位失效

糾錯（如果可能）

Synopsys將所有這些自動化步驟映射在FinFET工藝上，以便處理與FinFET存儲器有關的新的分類和失效問題。

自2012年起，Synopsys就一直與產業生態系統中得以較早接觸制程參數的存儲器設計人員合作。在多個FinFET廠家的配合下，Synopsys分析了他們的位單元，也檢查、驗證了他們的模型，創建測試芯片并在Synopsys內部實驗室中直接對硅芯片進行了分析。這個過程讓Synopsys加深了對FinFET缺陷問題的認識，使Synopsys可以優化STAR存儲器系統來解決它們。

因此，如今STAR存儲器系統已被使用在多個方面：

工藝開發：利用STAR存儲器系統特征化描述和理解晶圓制造工藝

IP鑒定：特征化描述和鑒定存儲器IP本身

SoC設計：將STAR存儲器系統納入SoC設計分析中，包括生產測試和修復

管理現場可靠性和老化：處理FinFET工藝中固有的、與鰭片突出和底層熱隔離有關的熱問題。SoC壽命中出現的問題可能是小到軟性錯誤的小問題，它們可以通過糾錯代碼（ECC）自動糾正。但是高可靠性系統中的老化可能需要定期或在上電時使用STAR存儲器系統修復生產測試完成很久以后在現場出現的故障。

當然，存儲器并非芯片上唯一需要測試的部分。還有邏輯模塊、接口IP模塊、模擬混合信號（AMS）模塊等（也需要測試）。Synopsys提供了一組能與STAR存儲器系統平滑整合的全面的測試和IP方案（圖5）。對于邏輯模塊，Synopsys提供的是DFTMAX？和TetraMax？。接口IP（如DDR、USB和PCIe）有自己的自測試引擎，但它們都能無縫地配合STAR層次化系統（Synopsys的系統級測試方案）一起工作。僅有針對單個模塊的解決方案是不夠的，SoC必須流暢地在頂層上工作。

　　圖5：Synopsys測試和良率解決方案：提高質量、可靠性和良率

認識FinFET存儲器故障和缺陷

理解如何測試和修復存儲器之前，設計人員需搞清楚存儲器失效的方式。比如，電阻性故障顯現出來的是邏輯上的性能問題，雖然邏輯通過了測試但無法全速工作。在存儲器中，電阻性故障可以表現為更加微妙的方式。這種故障可能只有在多次操作（一次寫入操作后接著幾次讀操作）之后才引起可檢測性的錯誤，而不是在更標準的一次操作（一次讀操作）后。

設計人員還必須通過研究布局確定哪些錯誤可能真正發生。在數字邏輯測試中，可以通過分析哪些金屬是相鄰的而且可能短路來大幅提高覆蓋率。在存儲器中通過分析信號線可能出現失效等問題所在位置的潛在電阻性短路亦可做到這點。這需要綜合研究布局和分析測試芯片，發現可能的故障。深度分析的需求是Synopsys在多家代工廠中運行50多個FinFET測試芯片的理由之一。來自這些測試的信息用于改進STAR存儲器系統。

圖6表明了FinFET工藝可能存在的幾種不同的缺陷類型。圖中每個晶體管只有一個鰭片，而實際上每個晶體管的鰭片通常不止一個。當然，開路和短路都可能發生，但在FinFET中它們可能產生不同的表現：鰭片開路、柵極開路、鰭片粘連、柵極-鰭片短路等。每種情形都可能是硬開路或短路，也可能是電阻性的，其中高低不等的電阻值產生不同的表現。

　　圖6：潛在FinFET缺陷類型

分析布局后，設計人員必須研究拓撲結構，根據晶體管的物理結構判斷故障是否真的會發生。

下一步對設計人員來說要從純晶體管上升一個層級。一個SRAM單元包含六個晶體管，所以要分析這個單元在內部節點中的開路、可能發生的方式以及會產生什么結果。

下一個層次上的目標是單元布局。比如，圖7表示六個晶體管SRAM單元中可能發生的所有可能的開路缺陷。第三，設計人員分析整個存儲器陣列的故障，如位線中的開路、字線之間的短路等等。最后，在模塊級上，整個存儲器，包括周圍的模塊（如地址解碼器）都需要檢驗，就如同讀出放大器那樣。

實際分析通過缺陷注入繼續進行。這基于GDS（版圖）本身。缺陷注入在版圖和SPICE模型上進行，使用了針對每個庫的缺陷庫，然后觀察它們會如何表現。缺陷注入在所有14/16nm FinFET提供商的晶體管上進行，不論是IDM還是代工廠。缺陷注入也在較高節點（如45nm和28nm）的平面工藝上進行。

　　圖7：FinFET存儲器單元版圖中注入的開路缺陷實例

缺陷注入展示了每種缺陷的行為方式。接下來的任務就是通過測試序列識別（