ot;display: block;">良率提升一直是芯片代工企業(yè)的沉重負(fù)擔(dān)。良率提升周期可以很清晰地劃分為三個(gè)階段:工藝開發(fā)、試制生產(chǎn)和批量生產(chǎn)(見圖1)。使用符合生產(chǎn)要求的工藝能使設(shè)計(jì)師高枕無(wú)憂,只要他們的設(shè)計(jì)遵循已定規(guī)則就能獲得很好的良率。
在100nm以下的工藝技術(shù)盛行的今天,代工廠經(jīng)常發(fā)現(xiàn)參數(shù)和系統(tǒng)良率問題開始蔓延至批量生產(chǎn)階段。我們認(rèn)為由系統(tǒng)和參數(shù)錯(cuò)誤引起的較低良率不再僅是代工廠的問題。經(jīng)常發(fā)生這些的原因是設(shè)計(jì)師創(chuàng)建的復(fù)雜拓?fù)湓诠に囬_發(fā)過程中沒有得到重視或充分的表征。
代工廠正在試圖通過更復(fù)雜的設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)指南來(lái)解決這種良率下降,這些更復(fù)雜的設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)指南有望捕捉到設(shè)計(jì)師可能做出的各種聰明的版圖選擇。這些規(guī)則和指南的有效應(yīng)用需要更復(fù)雜的分析工具,但目前市場(chǎng)上還沒有相關(guān)的工具。由于缺少這種工具,代工廠只能對(duì)設(shè)計(jì)師的選擇做出更多的限制(如只允許一個(gè)多晶柵極方向,或禁止某種通孔群集),以降低新的良率限制機(jī)制帶來(lái)的影響。這些限制將犧牲一定的面積性能,從而部分地抵消新工藝技術(shù)帶來(lái)的好處。
為了解決這些新的工藝-設(shè)計(jì)交互問題,急需能夠促成制造商和設(shè)計(jì)師合作的框架。這種框架必須首先提供表征方案以獲取工藝與設(shè)計(jì)良率改善所必需的數(shù)據(jù)。本文將討論應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的解決之道。
實(shí)用有效的參數(shù)表征
在100nm以下領(lǐng)域取得實(shí)用且有效的工藝參數(shù)表征將面臨諸多挑戰(zhàn),至少但有以下幾個(gè)方面:
1. 在測(cè)試掩膜上急需更大密度的測(cè)試結(jié)構(gòu)以支持精細(xì)的模擬測(cè)量分辨率。
2. 對(duì)裸片內(nèi)器件參數(shù)可變性的測(cè)量(不僅包括裸片到裸片、晶圓到晶圓,還包括批次到批次)。
3. 根據(jù)更多器件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)量器件參數(shù)可變性的。
4. 減少每個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)試時(shí)間。
5. 可擴(kuò)展至整個(gè)工藝壽命期的表征方案。
采用離散測(cè)試結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器陣列的傳統(tǒng)工藝表征(晶圓探測(cè))方法無(wú)法完全滿足這些要求(后文將詳細(xì)說(shuō)明原因),本文介紹的創(chuàng)新方法將是對(duì)離散結(jié)構(gòu)和密集位元(bitcell)陣列的有效補(bǔ)充,可以滿足上述挑戰(zhàn)。
參數(shù)有源矩陣方法
術(shù)語(yǔ)參數(shù)有源矩陣(PAM)指的是一種電路,有點(diǎn)類似于采用可尋址單元結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器陣列,但不同的是它可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器陣列無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高分辨率模擬測(cè)量。每個(gè)PAM單元包含各種測(cè)試結(jié)構(gòu)類型和尺寸(圖2)。在傳統(tǒng)測(cè)試芯片中使用的許多相同離散型測(cè)試結(jié)構(gòu)可以被集成進(jìn)PAM平臺(tái)。因此這種架構(gòu)既有蜂窩陣列的高密度優(yōu)勢(shì),又能獲得離散測(cè)試結(jié)構(gòu)的高測(cè)量分辨率。
圖1:業(yè)界通常將工藝開發(fā)和良率改善劃分為三個(gè)階段。
圖2:參數(shù)有源矩陣方法可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的模擬測(cè)量。
采用PAM后,可以很方便地設(shè)計(jì)和組建測(cè)試器件環(huán)境,并達(dá)成各種學(xué)習(xí)目標(biāo),如設(shè)計(jì)規(guī)則優(yōu)化、器件IV表征、器件失配表征、OPC模型驗(yàn)證等。傳統(tǒng)測(cè)試結(jié)構(gòu)單元(有時(shí)指測(cè)試單元組或TEG)要求超大的硅片面積才能實(shí)現(xiàn)相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。下面介紹參數(shù)有ActiveMatrix(源矩陣)方法如何滿足上述挑戰(zhàn),并實(shí)現(xiàn)有效的參數(shù)工藝表征。
更高的參數(shù)測(cè)試結(jié)構(gòu)密度
離散型測(cè)試結(jié)構(gòu)需要占用大量的硅片面積,主要是由于需要單獨(dú)探測(cè)這些結(jié)構(gòu)的焊盤比較大(圖3)。隨著每一代技術(shù)的演進(jìn),設(shè)計(jì)規(guī)則的數(shù)量呈幾何增長(zhǎng),因此所需的測(cè)試點(diǎn)數(shù)量也幾何增加,從而使得繼續(xù)這種傳統(tǒng)方法變得成本高昂。另外,當(dāng)這種工藝投入生產(chǎn)時(shí)還必須監(jiān)測(cè)大量參數(shù)。
圖3:傳統(tǒng)和參數(shù)有源矩陣方法對(duì)焊盤的要求有很大的差異。
這樣就產(chǎn)生了一個(gè)很困難的問題,即隨著每代技術(shù)的演進(jìn),可利用的刻線(scribeline)空域非但沒有增加,而且還隨著刻線寬度從100um縮小到80um乃至如今的50um在逐步減小。故在技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)劃線中,PAM平臺(tái)極大地降低了測(cè)試結(jié)構(gòu)面積要求,因此PAM是一種急需的解決方案。
就130um間距、70um寬的方形焊盤而言,1,000個(gè)參數(shù)測(cè)試結(jié)構(gòu)在采用傳統(tǒng)方法時(shí)將占用約35平方毫米的面積。在采用PAM平臺(tái)后,由約20個(gè)焊盤組成的單個(gè)焊盤框可以容納1,000多個(gè)器件用于完整的模擬測(cè)試,占用面積僅為4.3平方毫米左右。通常較小的單元尺寸可以進(jìn)一步縮小面積。
PAM支持對(duì)單元內(nèi)測(cè)試器件的每個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行完整的開爾文(強(qiáng)迫/檢測(cè))測(cè)量。這樣,模擬測(cè)試分辨率就能與最精確的離散測(cè)試結(jié)構(gòu)的分辨率保持一致。事實(shí)上,離散結(jié)構(gòu)能支持而PAM不支持的唯一測(cè)試類型是那些要求大電流,或高電壓過應(yīng)力或施加電壓低于晶圓地的測(cè)試。
需要采用謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)技術(shù)以確保PAM平臺(tái)有較低的漏電水平,并且電路能夠適應(yīng)工藝開發(fā)早期階段經(jīng)常遇到的工藝參數(shù)漂移。可能影響測(cè)量精度的陣列電路寄生效應(yīng)也必須得到正確處理。
圖4對(duì)離散型測(cè)試結(jié)構(gòu)、SRAM/ROM以及有源矩陣平臺(tái)技術(shù)的面積效率和測(cè)量分辨率進(jìn)行了總結(jié)比較。SRAM和ROM類型的存儲(chǔ)器陣列具有每個(gè)測(cè)試器件最小的面積。雖然這些電路通常只提供一個(gè)通過或失敗(也就是二元)標(biāo)記,但代工廠可以使用它們將由于隨機(jī)和系統(tǒng)性缺陷導(dǎo)致的功能性故障概率量化到百萬(wàn)分之幾的水平。因此,PAM能夠滿足獲取裸片內(nèi)模擬數(shù)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的需求。
圖4:參數(shù)分辨率和密度的比較圖。
裸片內(nèi)參數(shù)可變性的表征
在同一電路內(nèi)的兩個(gè)相同器件會(huì)由于尺寸(例如由于蝕刻偏離不同或邊緣粗糙)和混合(例如由于摻雜變化)的隨機(jī)變化而表現(xiàn)相異的行為,這是從集成電路設(shè)計(jì)開始模擬設(shè)計(jì)師所無(wú)法避免的事實(shí)。今天,這種固有的可變性已經(jīng)成為所有電路設(shè)計(jì)師最關(guān)心的事。在100nm以下尺寸時(shí),裸片內(nèi)可變性正在成為數(shù)字設(shè)計(jì)良率下降的主要原因,更不用說(shuō)模擬設(shè)計(jì)了。這種純粹的物理效應(yīng)是無(wú)法消除的。裸片之間、晶圓之間以及批量之間的晶體管屬性變化表明了與晶圓、批量或時(shí)間一致性相關(guān)的處理偏差。‘快速’和‘慢速’邊界模型的出現(xiàn)意味著設(shè)計(jì)師不能再忽略這些變化。對(duì)于100nm以下的工藝技術(shù),閾值電壓、驅(qū)動(dòng)電流、關(guān)閉狀態(tài)電流(還有許多參數(shù))的變化對(duì)整個(gè)裸片本身來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。設(shè)計(jì)流程需要集成真正的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)解決這些問題。如果工藝良率提升和設(shè)計(jì)工藝準(zhǔn)備精確地解決這個(gè)問題,裸片內(nèi)參數(shù)變化必須精確地得到測(cè)量。
參數(shù)有源矩陣平臺(tái)可以用來(lái)收集必要的數(shù)據(jù),以創(chuàng)建參數(shù)可變性的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。相同的面積節(jié)省值得更多的設(shè)計(jì)規(guī)則試驗(yàn),器件拓?fù)渥兓苍试S對(duì)數(shù)以百計(jì)甚至上千個(gè)相同器件樣本進(jìn)行真正的硅片內(nèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)測(cè)試。對(duì)具有生產(chǎn)價(jià)值的工藝中固有變化進(jìn)行表征和建模的需求將進(jìn)一步加強(qiáng),將提出用于提高65nm以下工藝技術(shù)良率的新規(guī)則。
縮短測(cè)試時(shí)間
隨著用于工藝開發(fā)和參數(shù)良率提升的測(cè)試器件數(shù)量的顯著增加,測(cè)試時(shí)間在顯著延長(zhǎng)。目前的PAM平臺(tái)方法沒有解決整體測(cè)試時(shí)間增加的問題,不過它通過減少每個(gè)器件的測(cè)試時(shí)間而減輕了這個(gè)問題。通過一次探頭接觸測(cè)試上千個(gè)器件,探頭的移動(dòng)被減少了約100倍,因此與探頭移動(dòng)相關(guān)的測(cè)試時(shí)間被極大地縮短了。然而,仍需要并行測(cè)試和其它進(jìn)一步創(chuàng)新的技術(shù)來(lái)防止測(cè)試時(shí)間成為統(tǒng)計(jì)工藝表征的嚴(yán)重瓶頸。
平臺(tái)靈活性和工藝壽命期
為了成為真正的平臺(tái),架構(gòu)必須能夠根據(jù)代工廠探測(cè)測(cè)試裝置用的標(biāo)準(zhǔn)焊盤框(pad frame)靈活改變。焊盤框外形一般是固定的,因此能夠使用單個(gè)探測(cè)卡(probecard)。PAM平臺(tái)允許陣列適合普通焊盤框尺寸很重要。例如,如果焊盤框由總共20個(gè)在X軸呈單排或雙排排列的焊盤組成,那么PAM在X軸上必須有固定的尺寸,但在Y方向可以任意伸展。這種可擴(kuò)展性是適應(yīng)不同數(shù)量和尺寸的測(cè)試單元的關(guān)鍵。
PAM方法在架構(gòu)內(nèi)可以提供靈活的單元尺寸。這點(diǎn)很重要,因?yàn)镻AM平臺(tái)需要適應(yīng)各種器件和拓?fù)洹Ｒ恍┢骷赡芎苄?一些可能很大或很復(fù)雜。例如,在表征閥值電壓可變性時(shí),被測(cè)器件要同時(shí)包含隔離式和高密晶體管。隔離式晶體管的外形必須遠(yuǎn)小于高密晶體管陣列的外形。
PAM方法允許在工藝壽命期的所有階段使用相同的平臺(tái)架構(gòu),開發(fā)階段的表征和生產(chǎn)中的導(dǎo)入階段最好是使用相同的平臺(tái)架構(gòu)。PAM平臺(tái)的劃線通道(scribe lane)提供了與完整劃線中相同的高密度測(cè)試結(jié)構(gòu)(雖然劃線陣列尺寸顯然要小得多)。更高的密度允許生產(chǎn)工程師在生產(chǎn)過程中比傳統(tǒng)劃線模塊有效地監(jiān)視更多的器件和參數(shù)。由于每個(gè)PAM外形尺寸中使用共同的電路,從一個(gè)開發(fā)階段轉(zhuǎn)向另一個(gè)開發(fā)階段所觀察到的測(cè)試結(jié)構(gòu)特征的差異反映了測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或測(cè)試協(xié)議中的真實(shí)工藝變化。
參數(shù)工藝表征方法
代工廠已經(jīng)對(duì)良率提升和工藝表征基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行了大量投資。任何新的表征技術(shù)必須允許代工廠充分利用這種已有的投資。PAM平臺(tái)方法可以使用代工廠現(xiàn)有的參數(shù)測(cè)試硬件和參數(shù)測(cè)試探測(cè)卡,不需要任何類型的硬件修改。
從整個(gè)方法的角度看,代工廠可以在測(cè)試刻線(test reticle)上的其它測(cè)試結(jié)構(gòu)旁包含PAM電路(或在劃線中包含PAM電路),制造測(cè)試刻線,對(duì)其進(jìn)行探測(cè),使用現(xiàn)有參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量電氣參數(shù),并將測(cè)量數(shù)據(jù)饋入現(xiàn)有的良率管理系統(tǒng)(圖5)。可以根據(jù)良率學(xué)習(xí)/提升目標(biāo)建立相應(yīng)的分析方法。
圖5:參數(shù)有源矩陣的使用說(shuō)明圖。
這種方法可以與代工廠目前的方法完美配合,同時(shí)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的參數(shù)可變性表征。
高效的參數(shù)良率提升規(guī)則
參數(shù)變化一直存在于IC制造工藝中。然而,我們將無(wú)法忽略它對(duì)良率越來(lái)越大的影響,它對(duì)IC制造業(yè)的健康運(yùn)行會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)期損害。制造商和設(shè)計(jì)師必須加強(qiáng)合作以減少和管理參數(shù)變化帶來(lái)的影響。
采用經(jīng)實(shí)際硅片驗(yàn)證的參數(shù)有源矩陣平臺(tái)方法可以向制造商提供以下諸多方面的好處:
. 利用可尋址陣列架構(gòu)減少硅片面積消耗和整體掩膜成本。測(cè)試結(jié)構(gòu)密度呈數(shù)量級(jí)的提高可以減少整個(gè)工藝開發(fā)周期內(nèi)的測(cè)試掩膜裝置數(shù)量。
. 裸片內(nèi)參數(shù)變化的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)用收集方法。
. 測(cè)試與良率提升有關(guān)的許多器件拓?fù)涞慕?jīng)濟(jì)方法。
設(shè)計(jì)和產(chǎn)品工程師也將從中受益。在劃線內(nèi)使用相同的經(jīng)硅片驗(yàn)證過的PAM平臺(tái)技術(shù)允許他們:
. 訪問更多的參數(shù)以幫助診斷產(chǎn)品良率。
. 包含代表了產(chǎn)品特性的設(shè)計(jì)拓?fù)錅y(cè)試。
. 獲得與產(chǎn)品良率相關(guān)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
PAM平臺(tái)方法可以在設(shè)計(jì)與制造之間建立起合作的環(huán)境,這是獲得更高的參數(shù)良率的關(guān)鍵條件。
作者: Jim Bordelon
Prashant Mania
Stratosphere Solutions公司
