非侵入式光學探測技術加快硅片調試

在尖端設計中，先進的工藝技術采用了無法完全用仿真模型描述的復雜時序問題模式，從而促使半導體廠商越來越依賴事后的硅設計驗證方法和物理調試方法。在處理多個金屬層互連工藝和先進的封裝技術時，早期的物理調試方法遇到的挑戰越來越多。然而，利用新的光學探測技術，設計工程師們可以高效率地查找時序錯誤，甚至尖端集成電路中的制造缺陷。先進的硅片調試系統集成了EDA工具，可以迅速向設備設計人員反饋縮短設計周期和加快批量生產所需的掃描、調試及特征描述結果。
隨著高密度工藝技術的運用，半導體廠商們發現，僅用現行的設計仿真方法已不足以確保硅片的早期成功。短信道效應、電容耦合、電遷移以及其他電學現象和物理現象，引發了傳統的線性仿真模型捕捉不到的效應。硅絕緣體(SOI)、低k電介質、銅和應變硅等新材料的引進，是令這個問題惡化的另一個因素。結果，工程師們面對的是仿真得到的預期時序性能和硅片里的實際結果之間差異越來越大。制造廠商發現，能通過時序驗證簽發的設計，在硅片中卻不行。其結果是被迫延長的設計周期和損失慘重的重復制造，致使設計成本和掩膜成本在普通IC開發項目的非經常性開支中成為主要部分。
與此同時，對延期進入市場的懲罰卻越來越嚴厲。前不久，制造商們還確信，由于延期推出新產品而損失的收入基本上可以在持續多年的整個產品生命周期中收回。可是最近，新產品只需數月就可以實現有效的市場滲透，這就需要盡早取得硅片成功和迅速進入市場，才能保證市場份額和實際利潤。在這種環境中，工程師們需要具備在節點級迅速跟蹤信號的能力，發現實測結果與預期性能之間的巨大時序差異。

傳統的錯誤隔離技術
隨著設計復雜性的提高，要獲得電路性能的節點級可視性所面臨的難題也急劇增加。在傳統的錯誤隔離法(見圖1)中，工程師們運用一個使用測試系統的電路，比較仿真結果后再按需要重新設計該電路。原則上說，只需使用一系列更加專業化的測試程序，就可以提高用這種方法解決問題的可能，可以用它來查找錯誤的具體位置。然而，在實際中，可能永遠找不到某個錯誤的明確位置。
從引腳得到的錯誤隔離信息，其使用從根本上要受一臺設備的可用輸入 / 輸出引腳的數量限制，而這個數量本身是有限的。因此，調試尖端設備的傳統技術已經達到它們的極限—對于高度集成的設計，比如SoC集成電路，尤其如此。當前的設計已在每個引腳上用了約11000個晶體管，到2006年，這個比率還會翻倍—從而大大降低仿真和監視單個電路節點活動的能力。
使用掃描結構或內置自測試(BIST)結構，已經成為許多設計單位的標準設計原則。這兩種方法雖然能提高SoC設計中嵌入式芯核的可觀察性和可控制性，但它們的設計用途并不是節點級調試輔助工具，而是在生產測試過程中幫助迅速做出可以繼續 / 不繼續決定(go/no-go determination)的技術。盡管可以通過分析掃描結果來幫助確定錯誤的位置，但實際的掃描儀不是為了提供詳盡的節點級可視性而設計的，因而不能滿足進行時序錯誤分析的要求。結果，工程師們發現，掃描只能顯示錯誤所在的區域，但不能提供最終確定有錯誤的具體電路元件所需的詳細信息。如果無法確定錯誤的具體位置，下一次，工程師們遇到錯誤的危險性更大。

用于錯誤診斷與調試的節點級探測技術
長期以來，節點級電路探測技術一直是工程設計的支柱，在錯誤診斷與調試中發揮過重要作用。同基于檢測器的傳統方法一樣，節點級探測技術也從衰減中的測試圖形開始。不過，借助這種探測技術，工程師們可以達到單個節點級(見圖2)，可以利用網表和CAD數據來確定需探測的部位。然后，使用一種二進制檢索法或其他檢索程序來跟蹤延遲傳播，并測量選定網絡中的待研究節點的關鍵時序信號。
機械探測法使用這種方法有很多年了。傳統的機械探測法測試的是電路，可如今的電路設計已經發展到了0.25mm以下的幾何結構，并且用4層以上的金屬層進行處理，因此，傳統的探測法已經不實用了。電子束法為電路診斷提供了一種手段，但是，由于多層金屬造成的進入困難和使用這種技術需要做大量準備工作，每一次測量都要經過很長的周期時間。為了在復雜的電路中創建電子束接入點(access point)，工程師們需要在測試點中進行設計，或者在真空下用聚焦離子束(FIB)系統—這個系統本身就是一件昂貴的儀器—在模具中鉆孔。工程設計小組通常需要長達一周的時間—用FIB在模具中鉆一個接入點，用電子束或探針完成一次測量—才能確定一個探測點。
在這么長的周期時間里，各種新技術已將這種方法淘汰了。晶體管部件的尺寸越來越小，而電子束本身的光點直徑卻比較大，這樣電子束法的實用性就降低了。此外，金屬層的增加實際上是為進入縱深試探點制造了一道屏障。除金屬層增多外，高密度倒裝芯片封裝的出現，也使得從前方進入活動區幾乎不可能。

光學探測技術
光學探測技術，包括激光電壓探測(LVP)和TRE的出現，為從后方分析高金屬層，倒裝芯片封裝集成電路提供了希望。LVP雖然對振動非常敏感，但它不需要真空環境，而且提供直徑較小的光束，使工程師們能探測更精細的幾何結構。使用這種方法時，工程師們把激光打到模具上的某個特定點上，以此來監視開關期間發生的電壓調制。
日益先進的工藝技術使LVP法的效用越來越低。由于芯片上的電壓隨著工藝技術的進步而降低，用這種方法測量電壓也變得越來越難了。在90nm工藝下，晶體管特征尺寸很小以致LVP光束會淹沒開關過程中可能檢測到的少量能量。即使是較大的幾何結構，激光本身的密度也可能引起電效應，甚至可能損壞電路。另外，由于這種測量是以電壓調制為基礎的，LVP法對設備的電性質不穩定的硅絕緣體(SOI)設備不起作用。
皮秒成像電路分析(PICA)技術引入了測量基于TRE技術的信號時序和位置的能力。不過，PICA使用的檢測技術的量子效率仍然非常低，因此需要數小時的收集時間，它要求測量循環遠遠低于10ms，這難以解決最常見的調試問題。硅襯底會過濾掉PICA工作范圍內的某些波長，從而降低了它在倒裝芯片應用中的效用。

光子輻射測量
使用TRE技術的非侵入式光學檢測方法，利用與開關事件相關的光子輻射，以此提供完全無源的非侵入式解決方案。探測技術的新進展，使測量時間比以前的各類方法都縮短了很多。在一個開關事件期間，夾斷區的電場會加快電荷載流子的運行速度，可以用一臺近紅外探測器(見圖3)通過硅檢測到輻射光子。
在實際中，這種方法在幾分鐘之內就可以收集到時間精度小于10皮秒的數據(見圖4)。這種測量與抖動的相關性極高，但最新的技術可以部署非常低的抖動系統，可以測量的帶寬超過6GHz。

測量裝置
TRE法依賴于一種常見的測試裝置，使用的是生產測試期間使用的定位裝置和加載硬件。通常情況下，待測設備(DUT)直接與測試系統的測試頭對接，與一個電氣裝置(與生產測試中使用的電氣裝置相似)一道快速運行(見圖5)。用一個機械級(mechanical stage)為紅外線顯微鏡平臺提供導航和定位。該平臺既為導航提供可視成像，也為捕捉信號提供光子探測。
為了激勵DUT，用一個工程技術驗證測試系統來支持這個極具交互性的調試過程。該系統通過一條50W的同軸電纜為時序測量提供一個高速基準觸發信號。加上靈活的配制能力，該工程技術驗證測試系統可提供迅速有效地檢修工程技術實驗室里的復雜調試問題所必需的系列工具。
在調試過程中，調試小組—通常包括故障分析專家和設備設計人員—用實時成像技術和來自CAD數據庫的層疊布局尺寸數據(overlaid layout geometry data)來引導到研究中的特定節點(見圖6)。在工程測試系統用適當的圖形集來激勵DUT的時候，設計小組就以非侵入方式測量特定節點上的時序信號。
先進的系統與EDA工具集成后，提高了設計人員識別和隔離錯誤的能力。在現有的工作站環境中，設計人員可以使用來自有錯誤的硅片的測試數據來激勵EDA環境里的錯誤仿真。以錯誤仿真結果為基礎，設計人員可以查明需探測的可疑節點，并收集來自錯誤硅片的信號波形。
得到仿真結果后，設計人員再把實測結果與仿真期間獲得的預期時序數據進行比較。如果必需，設計小組還可以追蹤意料之外的結果，進而到不同節點去跟蹤信號。如果這樣的話，在獲取這類交互性數據的過程中，設計工程師通常會同時進行特別仿真測試，目的是澄清數據解釋或者設計一組新的待探測節點。

 錯誤隔離
通過探測內部節點，工程師們可以更容易地隔離信號網里的錯誤，包括芯片級測試結構和掃描鏈。由于芯片級測試結構通常充當引出數據的導管，如果采用傳統方法來調試測試結構的缺陷，可能會特別困難。舉例來說，如果某個掃描鏈中存在競態條件，使用引出信息的工程師們可能無法區分掃描鏈里的錯誤和原信號網里的錯誤。但是，有了光子輻射法，工程師們就可以利用電路網表實時跟蹤從節點到節點的信號(見圖7)。通過監視時鐘和掃描鏈上的信號時序，最后工程師們可以識別并隔離掃描鏈里的競態條件。在本例中，C1_CLK滯后了，躍遷速度太慢，結果把錯誤數據載進了該掃描鏈里—本例中的這個問題很容易解決，加快C1_CLK的低速躍遷就是了。
雖然這種方法原本是為查找時序錯誤而設計的，但它也能幫助識別連通性問題。在這里，除檢查光子輻射的時機性外，工程師們還會觀察通過躍遷時以及在開關前和開關后處于穩定狀態時測得的波形本身的形態。在門電路A、B和C之間有正常連接的抽樣電路(見圖8a)中，光子輻射結果顯示對應于門電路A、B和C的正常波形(見圖8b)。不過，在這種情況下，在門電路D測得的結果是因不穩定的噪音背景發射而失真的波形。某個門電路的輸出不足，會引起非常微弱的發射，但某個門電路的輸入不足，會呈現在門電路D測得的那種波形。在本例中，實際上是門電路C和門電路D之間的電阻故障造成了這樣的實測結果。

物理調試趨勢
現在的調試趨勢是幾何結構更精細，設備的速度更快，靈敏的時序錯誤模式仍會給致力于硅片錯誤隔離與識別的工程師們提出更大的挑戰。由納米效應引起的頻率相關故障，會要求增強物理調試功能—既能提供更高的帶寬診斷，又不損害時間分辨能力。同時，競爭日益激烈的市場也會促使人們使用速度更快，效果更好的調試技術，隔離錯誤的速度越快越好。
在新近涌現的各類技術中，非侵入性TRE技術能提供降低調試的復雜性所需要的那種簡單、迅速和穩定的結果。加入工程技術測試系統后，光子輻射測量系統會提供一種最大限度地利用故障分析工程師和設計工程師的努力成果的快速交互環境。利用這種方法，工程設計小組可以執行各種更有效地把仿真結果與實測數據相結合的調試方法，還有助于獲取硅片成功，縮短進入市場的時間，增加盈利的可能。■