非侵入式光學(xué)探測技術(shù)加快硅片調試

在尖端設計中，先進(jìn)的工藝技術(shù)采用了無(wú)法完全用仿真模型描述的復雜時(shí)序問(wèn)題模式，從而促使半導體廠(chǎng)商越來(lái)越依賴(lài)事后的硅設計驗證方法和物理調試方法。在處理多個(gè)金屬層互連工藝和先進(jìn)的封裝技術(shù)時(shí)，早期的物理調試方法遇到的挑戰越來(lái)越多。然而，利用新的光學(xué)探測技術(shù)，設計工程師們可以高效率地查找時(shí)序錯誤，甚至尖端集成電路中的制造缺陷。先進(jìn)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(chǎn)所需的掃描、調試及特征描述結果。
隨著(zhù)高密度工藝技術(shù)的運用，半導體廠(chǎng)商們發(fā)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(xué)現象和物理現象，引發(fā)了傳統的線(xiàn)性仿真模型捕捉不到的效應。硅絕緣體(SOI)、低k電介質(zhì)、銅和應變硅等新材料的引進(jìn)，是令這個(gè)問(wèn)題惡化的另一個(gè)因素。結果，工程師們面對的是仿真得到的預期時(shí)序性能和硅片里的實(shí)際結果之間差異越來(lái)越大。制造廠(chǎng)商發(fā)現，能通過(guò)時(shí)序驗證簽發(fā)的設計，在硅片中卻不行。其結果是被迫延長(cháng)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(kāi)發(fā)項目的非經(jīng)常性開(kāi)支中成為主要部分。
與此同時(shí)，對延期進(jìn)入市場(chǎng)的懲罰卻越來(lái)越嚴厲。前不久，制造商們還確信，由于延期推出新產(chǎn)品而損失的收入基本上可以在持續多年的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中收回?？墒亲罱?，新產(chǎn)品只需數月就可以實(shí)現有效的市場(chǎng)滲透，這就需要盡早取得硅片成功和迅速進(jìn)入市場(chǎng)，才能保證市場(chǎng)份額和實(shí)際利潤。在這種環(huán)境中，工程師們需要具備在節點(diǎn)級迅速跟蹤信號的能力，發(fā)現實(shí)測結果與預期性能之間的巨大時(shí)序差異。

傳統的錯誤隔離技術(shù)
隨著(zhù)設計復雜性的提高，要獲得電路性能的節點(diǎn)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(jiàn)圖1)中，工程師們運用一個(gè)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(shuō)，只需使用一系列更加專(zhuān)業(yè)化的測試程序，就可以提高用這種方法解決問(wèn)題的可能，可以用它來(lái)查找錯誤的具體位置。然而，在實(shí)際中，可能永遠找不到某個(gè)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(gè)數量本身是有限的。因此，調試尖端設備的傳統技術(shù)已經(jīng)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(gè)引腳上用了約11000個(gè)晶體管，到2006年，這個(gè)比率還會(huì )翻倍—從而大大降低仿真和監視單個(gè)電路節點(diǎn)活動(dòng)的能力。
使用掃描結構或內置自測試(BIST)結構，已經(jīng)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(guān)察性和可控制性，但它們的設計用途并不是節點(diǎn)級調試輔助工具，而是在生產(chǎn)測試過(guò)程中幫助迅速做出可以繼續 / 不繼續決定(go/no-go determination)的技術(shù)。盡管可以通過(guò)分析掃描結果來(lái)幫助確定錯誤的位置，但實(shí)際的掃描儀不是為了提供詳盡的節點(diǎn)級可視性而設計的，因而不能滿(mǎn)足進(jìn)行時(shí)序錯誤分析的要求。結果，工程師們發(fā)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(wú)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(diǎn)級探測技術(shù)
長(cháng)期以來(lái)，節點(diǎn)級電路探測技術(shù)一直是工程設計的支柱，在錯誤診斷與調試中發(fā)揮過(guò)重要作用。同基于檢測器的傳統方法一樣，節點(diǎn)級探測技術(shù)也從衰減中的測試圖形開(kāi)始。不過(guò)，借助這種探測技術(shù)，工程師們可以達到單個(gè)節點(diǎn)級(見(jiàn)圖2)，可以利用網(wǎng)表和CAD數據來(lái)確定需探測的部位。然后，使用一種二進(jìn)制檢索法或其他檢索程序來(lái)跟蹤延遲傳播，并測量選定網(wǎng)絡(luò )中的待研究節點(diǎn)的關(guān)鍵時(shí)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(jīng)發(fā)展到了0.25mm以下的幾何結構，并且用4層以上的金屬層進(jìn)行處理，因此，傳統的探測法已經(jīng)不實(shí)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(jìn)入困難和使用這種技術(shù)需要做大量準備工作，每一次測量都要經(jīng)過(guò)很長(cháng)的周期時(shí)間。為了在復雜的電路中創(chuàng )建電子束接入點(diǎn)(access point)，工程師們需要在測試點(diǎn)中進(jìn)行設計，或者在真空下用聚焦離子束(FIB)系統—這個(gè)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(cháng)達一周的時(shí)間—用FIB在模具中鉆一個(gè)接入點(diǎn)，用電子束或探針完成一次測量—才能確定一個(gè)探測點(diǎn)。
在這么長(cháng)的周期時(shí)間里，各種新技術(shù)已將這種方法淘汰了。晶體管部件的尺寸越來(lái)越小，而電子束本身的光點(diǎn)直徑卻比較大，這樣電子束法的實(shí)用性就降低了。此外，金屬層的增加實(shí)際上是為進(jìn)入縱深試探點(diǎn)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(jìn)入活動(dòng)區幾乎不可能。

光學(xué)探測技術(shù)
光學(xué)探測技術(shù)，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(dòng)非常敏感，但它不需要真空環(huán)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(shí)，工程師們把激光打到模具上的某個(gè)特定點(diǎn)上，以此來(lái)監視開(kāi)關(guān)期間發(fā)生的電壓調制。
日益先進(jìn)的工藝技術(shù)使LVP法的效用越來(lái)越低。由于芯片上的電壓隨著(zhù)工藝技術(shù)的進(jìn)步而降低，用這種方法測量電壓也變得越來(lái)越難了。在90nm工藝下，晶體管特征尺寸很小以致LVP光束會(huì )淹沒(méi)開(kāi)關(guān)過(guò)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(zhì)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(shù)引入了測量基于TRE技術(shù)的信號時(shí)序和位置的能力。不過(guò)，PICA使用的檢測技術(shù)的量子效率仍然非常低，因此需要數小時(shí)的收集時(shí)間，它要求測量循環(huán)遠遠低于10ms，這難以解決最常見(jiàn)的調試問(wèn)題。硅襯底會(huì )過(guò)濾掉PICA工作范圍內的某些波長(cháng)，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(shù)的非侵入式光學(xué)檢測方法，利用與開(kāi)關(guān)事件相關(guān)的光子輻射，以此提供完全無(wú)源的非侵入式解決方案。探測技術(shù)的新進(jìn)展，使測量時(shí)間比以前的各類(lèi)方法都縮短了很多。在一個(gè)開(kāi)關(guān)事件期間，夾斷區的電場(chǎng)會(huì )加快電荷載流子的運行速度，可以用一臺近紅外探測器(見(jiàn)圖3)通過(guò)硅檢測到輻射光子。
在實(shí)際中，這種方法在幾分鐘之內就可以收集到時(shí)間精度小于10皮秒的數據(見(jiàn)圖4)。這種測量與抖動(dòng)的相關(guān)性極高，但最新的技術(shù)可以部署非常低的抖動(dòng)系統，可以測量的帶寬超過(guò)6GHz。

測量裝置
TRE法依賴(lài)于一種常見(jiàn)的測試裝置，使用的是生產(chǎn)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(gè)電氣裝置(與生產(chǎn)測試中使用的電氣裝置相似)一道快速運行(見(jiàn)圖5)。用一個(gè)機械級(mechanical stage)為紅外線(xiàn)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(gè)工程技術(shù)驗證測試系統來(lái)支持這個(gè)極具交互性的調試過(guò)程。該系統通過(guò)一條50W的同軸電纜為時(shí)序測量提供一個(gè)高速基準觸發(fā)信號。加上靈活的配制能力，該工程技術(shù)驗證測試系統可提供迅速有效地檢修工程技術(shù)實(shí)驗室里的復雜調試問(wèn)題所必需的系列工具。
在調試過(guò)程中，調試小組—通常包括故障分析專(zhuān)家和設備設計人員—用實(shí)時(shí)成像技術(shù)和來(lái)自CAD數據庫的層疊布局尺寸數據(overlaid layout geometry data)來(lái)引導到研究中的特定節點(diǎn)(見(jiàn)圖6)。在工程測試系統用適當的圖形集來(lái)激勵DUT的時(shí)候，設計小組就以非侵入方式測量特定節點(diǎn)上的時(shí)序信號。
先進(jìn)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(huán)境中，設計人員可以使用來(lái)自有錯誤的硅片的測試數據來(lái)激勵EDA環(huán)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(diǎn)，并收集來(lái)自錯誤硅片的信號波形。
得到仿真結果后，設計人員再把實(shí)測結果與仿真期間獲得的預期時(shí)序數據進(jìn)行比較。如果必需，設計小組還可以追蹤意料之外的結果，進(jìn)而到不同節點(diǎn)去跟蹤信號。如果這樣的話(huà)，在獲取這類(lèi)交互性數據的過(guò)程中，設計工程師通常會(huì )同時(shí)進(jìn)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(diǎn)。

 錯誤隔離
通過(guò)探測內部節點(diǎn)，工程師們可以更容易地隔離信號網(wǎng)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(lái)調試測試結構的缺陷，可能會(huì )特別困難。舉例來(lái)說(shuō)，如果某個(gè)掃描鏈中存在競態(tài)條件，使用引出信息的工程師們可能無(wú)法區分掃描鏈里的錯誤和原信號網(wǎng)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(wǎng)表實(shí)時(shí)跟蹤從節點(diǎn)到節點(diǎn)的信號(見(jiàn)圖7)。通過(guò)監視時(shí)鐘和掃描鏈上的信號時(shí)序，最后工程師們可以識別并隔離掃描鏈里的競態(tài)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(jìn)了該掃描鏈里—本例中的這個(gè)問(wèn)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(shí)序錯誤而設計的，但它也能幫助識別連通性問(wèn)題。在這里，除檢查光子輻射的時(shí)機性外，工程師們還會(huì )觀(guān)察通過(guò)躍遷時(shí)以及在開(kāi)關(guān)前和開(kāi)關(guān)后處于穩定狀態(tài)時(shí)測得的波形本身的形態(tài)。在門(mén)電路A、B和C之間有正常連接的抽樣電路(見(jiàn)圖8a)中，光子輻射結果顯示對應于門(mén)電路A、B和C的正常波形(見(jiàn)圖8b)。不過(guò)，在這種情況下，在門(mén)電路D測得的結果是因不穩定的噪音背景發(fā)射而失真的波形。某個(gè)門(mén)電路的輸出不足，會(huì )引起非常微弱的發(fā)射，但某個(gè)門(mén)電路的輸入不足，會(huì )呈現在門(mén)電路D測得的那種波形。在本例中，實(shí)際上是門(mén)電路C和門(mén)電路D之間的電阻故障造成了這樣的實(shí)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(shí)序錯誤模式仍會(huì )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(guān)故障，會(huì )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(shí)間分辨能力。同時(shí)，競爭日益激烈的市場(chǎng)也會(huì )促使人們使用速度更快，效果更好的調試技術(shù)，隔離錯誤的速度越快越好。
在新近涌現的各類(lèi)技術(shù)中，非侵入性TRE技術(shù)能提供降低調試的復雜性所需要的那種簡(jiǎn)單、迅速和穩定的結果。加入工程技術(shù)測試系統后，光子輻射測量系統會(huì )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(huán)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(shí)測數據相結合的調試方法，還有助于獲取硅片成功，縮短進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間，增加盈利的可能?！?br/>