使用時(shí)間可控發(fā)射方法來(lái)進(jìn)行模擬電路的失效分析

時(shí)間可控發(fā)射方法（TRE）是一種常用的非入侵式波形測量方法，它能從芯片的背面探測芯片內部節點(diǎn)的時(shí)序波形。完美的TRE系統能提供很高的帶寬 （》5GHz）， 很好的探測尺寸精度 （0.25微米）， 而且能顯示芯片內部所有節點(diǎn)的波形。TRE波形一般用于探測不正確的信號電平，電路競爭和冒險問(wèn)題以及幾皮秒的高精度時(shí)序錯誤。

　　通常，在模擬電路診斷中TRE的使用經(jīng)常受到限制，因為從模擬電路內部提取TRE波形會(huì )非常困難。動(dòng)態(tài)的光子發(fā)射具有很高的非線(xiàn)性度。但是，我們可以提取芯片內部小幅度差分邏輯電路的波形，而這些信號能導致模擬波形的pass或者fail。在0.18微米工藝中，這些波形在判斷芯片pass或fail時(shí)非常關(guān)鍵。

　　工作原理

　　科利登的EmiScope（R）是一種發(fā)射顯微設備，它能收集處于飽和狀態(tài)的CMOS器件所發(fā)**的光子。當CMOS管子的電平跳轉時(shí)，主要載流子 （NMOS管中的電子，PMOS管中的空穴） 將通過(guò)晶體管的溝道從源極流向漏極。當這種電平轉換發(fā)生時(shí)，溝道附近的小范圍內會(huì )產(chǎn)生很強的電場(chǎng)。載流子通過(guò)這個(gè)區域時(shí)，該電場(chǎng)對載流子進(jìn)行做功，使得載流子擁有很多能量。當這些載流子達到漏極之后，這些能量將會(huì )被釋放。能量的釋放有多種機制，其中的一部分會(huì )以所謂的光子發(fā)射的方式來(lái)完成。

　　EmiScope（R）能測量并在時(shí)域上疊加這些光子的發(fā)射，因此通過(guò)它就能從芯片背面測量芯片內部的時(shí)序。使用該技術(shù)調試數字電路時(shí)很好理解。其實(shí)，TRE系統所測得的光子發(fā)射信息也能用于模擬電路的探測。與高精度仿真結果結合在一起，這些探測結果能很好地用于模擬電路的調試。

　　案例分析：調試一個(gè)混合信號電路

　　本案例的芯片是一個(gè)混合信號芯片，擁有一個(gè)數字核和32個(gè)相同的模塊。每個(gè)模塊包含一個(gè)可編程的“事件發(fā)生器“，能用于產(chǎn)生任何低于頻率的事件（脈沖）。事件發(fā)生器主要是由小幅度差分邏輯電路構成的。由于后續電路的輸入時(shí)鐘需要較大的信號幅度，所以需要使用一個(gè)差分信號到單端信號的緩沖器（D2S）來(lái)作為二者的接口。圖1所示是一個(gè)D2S電路的原理圖。 輸入信號Vin/VinN的幅度分別是0或600mV。兩個(gè)滿(mǎn)幅的輸出信號CVO和CVON信號能獨立的用于后續電路。

　　在測試第一批投片芯片時(shí)，發(fā)現了一個(gè)奇怪的問(wèn)題：下一級電路會(huì )出現脈沖丟失現象。而仿真結果則表明芯片工作正常。失效隨機地出現在不同的芯片中。在調試之前，我們認為該問(wèn)題不是由數字部分產(chǎn)生的。同樣，事件發(fā)生器也似乎不是該問(wèn)題的原因。

　　選擇一個(gè)芯片將其放入TRE系統，收集其發(fā)射的光子柱狀圖。關(guān)注其中的兩個(gè)模塊，其中的模塊3C經(jīng)常fail， 模塊3B經(jīng)常pass。在D2S輸出端分別觀(guān)察兩個(gè)事件發(fā)生器模塊的”正“輸出信號和”負”輸出信號。

　　顯示了CVO和CVO#信號的期待信號以及pass和fail條件下，分別利用得到的TRE數據。顯示的則是CVON和CVON#信號的相應信息。在光子發(fā)射圖上，很明顯，CVON3B信號上升沿和下降沿的兩個(gè)尖峰之間的光子強度較高。這表明CVON3B的輸入信號（圖中的Vgs）從未降低到NMOS管的門(mén)限電平之下。

　　結果

　　根據仿真結果，CVON在pass和fail的時(shí)候其光子發(fā)射波形應該是一致的。但我們看到的結果是，當晶體管輸出從高到低轉換時(shí)，發(fā)射光子圖在信號波形上升沿約1ns之后開(kāi)始變高，直到信號轉換時(shí)才變回為0，而不是預期的窄發(fā)射脈沖。如果波形脈沖越來(lái)越窄，當晶體管輸出Vds變低時(shí)，發(fā)射光子圖將會(huì )被截斷。如果波形脈沖足夠寬，發(fā)射波形將會(huì )逐漸降低到0。

　　由于發(fā)射波形出現時(shí)，輸出波形應該變高，這表明電壓電平有問(wèn)題。事實(shí)上，對于多脈沖脈沖信號來(lái)說(shuō)，高電壓降低到足夠低的低電壓，后續電路卻會(huì )把它當作前一個(gè)較慢脈沖的負下降沿。這一特殊情況將會(huì )導致我們前面的測試設備所觀(guān)察到的失效現象。

　　結論

　　為了驗證電路功能，我們還做了很多仿真。此外，我們還使用了決定不同芯片參數的發(fā)射技術(shù)。通過(guò)仿真，晶