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| 失效分析技术的趋势 |
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Trends in Failure Analysis Techniques
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Synopsys公司 Ken Posse , Andrew Levy
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各个公司在对IC设计和制造过程进行控制时，适当的失效分析可以提供有用的、节约成本的数据。对没有通过一个或多个制造测试的IC，本文将介绍其失效的性质或种类，及失效分析技术的发展趋势和新的IC失效分析方法——缺陷相关分析(DCA)。
缺陷相关分析是IC失效分析技术的新趋势
通常，失效分析过程包括多种破坏性和非破坏性的测试，以识别失效的位置和机理，随后对零件进行剖析以进行验证。这种方法很昂贵、费时，并经常得出“找不到故障”(NTF)的结论。
最近，在IC失效分析技术方面有了很大的进步，仅通过非破坏性的电子手段就可以进行IC失效分析。这种失效分析新方法的目标是：识别缺陷，组建每种缺陷信息的数据库，然后寻找缺陷的共性。称之为缺陷相关分析(DCA)。
为达到这个目标，需要一个仅使用电测试结果的非常准确的缺陷识别过程。最近的实验表明，通过使用可测性设计(DFT)结构，比如扫描，可以识别大多数缺陷的种类或类别，并将故障隔离到库单元级或单元内。
利用这些信息可以做什么？
在详细介绍电故障隔离和使用不同的技术可以做什么之前，了解如何使用这些信息是很有用处的。假设生产一个5百万门（大约2千万个晶体管）的综合ASIC，这样的器件在通常情况下，产品合格率在80%-90%。由于产量巨大，如果合格率增长1%，每年将节省很多成本。因此，进行缺陷相关研究是十分必要的。
收到失效测试数据之后，可以根据类似的失效响应将它们进行分类，并将它们与逻辑诊断和光学数据相关联。根据这些分析，将收集的失效数据送到失效分析实验室进行DCA分析。
分析每个器件后，有关失效类型的信息、使用的过程、有关的库单元、在一个库单元中可能的缺陷位置、以及其它一些数据都被汇集，并送入数据库。最常见的缺陷类型将很快会显现出来。
在本例中，通过分析可以发现，最常见的故障是短路，它常常在DFHCP1和DFHCP2型号间出现。相应地，这个分析显示，在这两类库单元中长期存在问题。由
于DCA数据库并不界限于一个器件，附加的检查表明在多种ASIC和芯片的多个位置都存在相同的缺陷。结果是，那种单元的库模型和制造过程的某些相互影响可能存在失效。
通过分析，也怀疑M2层的两个金属轨道之间存在短路。为了验证这个假定，将几个有此类缺陷的器件送去剖析，并说明最可能的原因是DFHCP1和DFHCP2单元的M2层的两个金属轨道之间存在短路。返回的剖析结果证实，在所怀疑的两个金属轨道之间存在断裂短路如图1所示。
图1 多晶硅跨隙缺陷SEM图（略）
这就是DCA方法所能达到的结果。由于懂得缺陷的性质和与两类特定库单元的关联，现在人们可以掌握并减少这些问题。
现在，要使用这些信息提高成品率，需要工艺工程师和库模型师进行合作。通过对工艺进行微调，可以去掉引起金属化问题的应力原因。通过调整库的布局，可能在未来避免此类问题。
收集合适的数据
失效分析主要基于来自扫描链和存储器位图的数据。目的是将失效隔离到特定的缺陷级和IC特定区。
但是，进行准确的诊断所需要的测试信息与测试产品质量所需的数据是不一样的。例如，为使测试时间最小化，产品测试趋向于使单个测试矢量覆盖的缺陷数目最多。而在失效分析中，目的是使每个测试矢量引起的缺陷数目最少。
除了传统的生产测试数据记录外，DCA需要附加的测试硬件和分析软件。几乎所有的测试设备都可以满足要求，相关分析主要基于结构测试技术如扫描、IDDQ、BIST和光学方法如SEM。例如，使用低成本的测试系统如Teseda
V520和自动测试图形发生(ATPG)工具如Synopsys Tetramax，可以提高一些关键工艺的合格率。
使用失效分析测试设备和分析软件，必须使用旨在隔离缺陷的附加矢量。新型测试装置的目的是使寻找缺陷所需的电路最少。
基于缺陷必须存在于从一个失效的输出反馈到一个或更多输入的敏化通道理论，工程师可以约束ATPG，得到用几个公用子通道敏化不同通道的若干试验方法。这种测试的一个实例是，对怀疑的固定故障或跃迁故障进行n探测。其测试结果对逻辑诊断判定很重要。
另外，将IDDQ数据与其它测试结果相关联通常很有用。通常，做为通用测试工具，IDDQ的值很重要，它的值也可以做为故障隔离工具。例如，通道分析可能的结果是，认为一些网络是可能发生的故障源。如果认为短路是故障类型，那么使用布局信息可以列举潜在的通道。
这样做的目的是，一次可以激活一个潜在的通道缺陷，并进行IDDQ测试以寻找缺陷激活时可能的电流尖峰。结果是，基于扫描的测试和IDDQ测试可以相互关联，将问题隔离到特定的位置。
讨论的缺陷都有哪些？
DCA并不扮演过程控制机构角色。短期过程控制应在制造过程中，并可以用其它过程适当控制。
DCA是统计质量控制方法，预测长期趋势、分析过程和设计、寻求改变二者以提高成品率的方法。因此，根据类别而不是特定的原因来检查缺陷。例如，电阻通路、因为应力而断裂的金属轨道、缺失的聚乙烯互连，都可以归类为开路。金属片、欠刻蚀的聚乙烯层和金属丝都可做桥。
尽管大多数缺陷可能发生在大量的互连金属层及其相关的过孔中，或存在于库单元的外部，但拥有库单元电路和布局信息是非常有好处的。如果这些信息可以被提供，其准确性是很重要的。
例如，图2是一个具有4-X驱动能力的缓冲器。示意图表明输出级只有两个晶体管，但布线层表明有多个晶体管，其栅和输出并行连接。如果依赖示意图的准确性，可能的缺陷（栅互连或输出互连）会被忽视。因
此，拥有布局数据和电示意图可以提供更完整的分析能力和彻底的缺陷定位能力。
图2 4－X逆变器单元的物理布线和示意图（略）
未来的趋势
目前，如果不对销售商提供布局和电路的库及IP核心，就不能很好地进行研究。当然，判断缺陷是否存在于IP核心或与核心的互连，可以由核心周围的包容物
来协助进行。这可能是一个服从IEEE P1500的电路或一些其它设计，只有它可以在测试过程中将核心与互连进行适当的隔 离。与销售商的进一步协作可以消除产生问题的根源。 |
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《世界电子元器件》2005.11
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