FinFET存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)以及測(cè)試和修復(fù)方法

　　同任何IP模塊一樣，存儲(chǔ)器必須接受測(cè)試。但與很多別的IP模塊不同，存儲(chǔ)器測(cè)試不是簡(jiǎn)單的通過(guò)/失敗檢測(cè)。存儲(chǔ)器通常都設(shè)計(jì)了能夠用來(lái)應(yīng)對(duì)制程缺陷的冗余行列，從而使片上系統(tǒng)（SoC）良率提高到90%或更高。相應(yīng)地，由于知道缺陷是可以修復(fù)的，冗余性允許存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)者將制程節(jié)點(diǎn)推向極限。測(cè)試過(guò)程已經(jīng)成為設(shè)計(jì)-制造過(guò)程越來(lái)越重要的補(bǔ)充。

　　存儲(chǔ)器測(cè)試始終要面臨一系列特有的問(wèn)題?，F(xiàn)在，隨著FinFET存儲(chǔ)器的出現(xiàn)，需要克服更多的挑戰(zhàn)。這份白皮書(shū)涵蓋：

　　FinFET存儲(chǔ)器帶來(lái)的新的設(shè)計(jì)復(fù)雜性、缺陷覆蓋和良率挑戰(zhàn)

　　怎樣綜合測(cè)試算法以檢測(cè)和診斷FinFET存儲(chǔ)器具體缺陷

　　如何通過(guò)內(nèi)建自測(cè)試（BIST）基礎(chǔ)架構(gòu)與高效測(cè)試和維修能力的結(jié)合來(lái)幫助保證FinFET存儲(chǔ)器的高良率

　　雖然這份白皮書(shū)以FinFET工藝（制程）為重點(diǎn)，但其中很多挑戰(zhàn)并非針對(duì)特定制程。這里呈現(xiàn)的存儲(chǔ)器測(cè)試的新問(wèn)題跟所有存儲(chǔ)器都有關(guān)，無(wú)論是Synopsys還是第三方IP供應(yīng)商提供的或是內(nèi)部設(shè)計(jì)的。

　　FinFET與平面工藝比較

　　英特爾首先使用了22nm FinFET工藝，其他主要代工廠則在14/16nm及以下相繼加入。自此，F(xiàn)inFET工藝的流行

　　性和重要性始終在增長(zhǎng)。如圖1所示。

　　圖1：90nm 到 7/5nm FinFET工藝節(jié)點(diǎn)下活躍設(shè)計(jì)及投片項(xiàng)目的增長(zhǎng)

　　要理解FinFET架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)與平面架構(gòu)進(jìn)行溝道對(duì)比，如圖2所示。左圖標(biāo)識(shí)平面晶體管。改為FinFET的制程相關(guān)的主要?jiǎng)訖C(jī)是制程工程師所謂的“短溝道效應(yīng)”和設(shè)計(jì)工程師所謂的“漏電”。當(dāng)柵極下面的溝道太短且太深以至于柵極無(wú)法正常地控制它時(shí)，即使在其“關(guān)閉”的情況下，其仍然會(huì)局部“打開(kāi)”而有漏電電流流動(dòng)，造成極高的靜態(tài)功率耗散。

　　中間這張圖指示的是FinFET。鰭片（灰色）較薄，柵極將它周?chē)耆?。鰭片穿過(guò)柵極的所有溝道部分充分受控，漏電很小。從工藝上說(shuō)，這種溝道將載流子完全耗盡。這種架構(gòu)一般使用多個(gè)鰭片（兩個(gè)或三個(gè)），但未來(lái)工藝也可能使用更多鰭片。多鰭片的使用提供了比單鰭片更好的控制。

　　使用多鰭片突出了FinFET與平面架構(gòu)之間的重大差異。平面工藝使用晶體管寬度和長(zhǎng)度尺寸的二維界面。而在FinFET中，鰭片大小是固定不變的，柵極厚度（其定義了溝道長(zhǎng)度）也是固定不變的。改變FinFET的唯一參數(shù)是鰭片數(shù)量，而且必須是整數(shù)。比如：不可能有2？ （兩個(gè)半）鰭片。

　　圖2：平面架構(gòu)與FinFET架構(gòu)對(duì)比

　　FinFET降低了工作電壓，提高了晶體管效率，對(duì)靜態(tài)功耗（線性）和動(dòng)態(tài)功耗（二次方）都有積極作用?？晒?jié)省高達(dá)50%的功耗。性能也更高——在0.7V上，性能（吞吐量）比平面工藝高37%。

　　FinFET復(fù)雜性帶來(lái)了制造困難

　　與平面工藝相比，F(xiàn)inFET的復(fù)雜性一般會(huì)導(dǎo)致更加昂貴的制造工藝，至少初期是這樣。隨著代工廠經(jīng)驗(yàn)不斷豐富和對(duì)工藝過(guò)程的控制越來(lái)越嫻熟，這些成本可能會(huì)下降，但就目前而言，放棄平面工藝的話會(huì)增加成本。

　　FinFET還存在熱挑戰(zhàn)。由于鰭片直立，晶片的基體（襯底）起不到散熱片的作用，這可能導(dǎo)致性能下降和老化。熱挑戰(zhàn)還會(huì)影響修復(fù)，因?yàn)樵谀承┣闆r下，存儲(chǔ)器不僅需要在生產(chǎn)測(cè)試中修復(fù)，以后還需要在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。

　　在使該工藝投產(chǎn)、擴(kuò)大到量產(chǎn)等情況下，代工廠必須考慮這些挑戰(zhàn)。一般來(lái)說(shuō)，代工廠還要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)器位單元，需要對(duì)其做全面分析（通過(guò)模擬）和鑒定（通過(guò)運(yùn)行晶圓）。IP提供商，無(wú)論是存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)單元還是接口提供商，也要在構(gòu)建自己的布局的同時(shí)考慮這些問(wèn)題。

　　SoC設(shè)計(jì)人員受到的影響不大，至少對(duì)于數(shù)字設(shè)計(jì)流程來(lái)說(shuō)是這樣。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)人員見(jiàn)到鰭片的次數(shù)絕不會(huì)比他們以往見(jiàn)到晶體管的次數(shù)更多，除非他們想在其布局與布線工具所使用的，采用金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)部一探究竟。

　　STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)

　　Synopsys生態(tài)系統(tǒng)（圖3）包括創(chuàng)建布局、完成提取、模擬等需要的所有工具。Synopsys內(nèi)部各IP小組能夠充分利用完整的Synopsys工具套件來(lái)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證并測(cè)試Synopsys IP，包括存儲(chǔ)器在內(nèi)。

　　圖3：Synopsys工具套件

　　Synopsys已經(jīng)從最底層起搭建了自己的專(zhuān)門(mén)知識(shí)。他們與所有不同的FinFET廠家均構(gòu)建了多個(gè)測(cè)試芯片：三星、TSMC、英特爾、GLOBALFOUNDRIES和UMC。截止2015年8月，Synopsys運(yùn)行過(guò)的FinFET測(cè)試芯片有50個(gè)以上。這些芯片均使用了被稱(chēng)之為DesignWare？STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)？的Synopsys測(cè)試和修復(fù)解決方案，其中STAR表示自測(cè)試與修復(fù)。

　　自測(cè)試和修復(fù)曾經(jīng)在很多代工藝制程上使用過(guò)，不只是FinFET。通過(guò)不斷投入，Synopsys改善了STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)。圖4中，STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)用紫色方塊指示。它們包含STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)IP編譯器生成的RTL模塊以應(yīng)對(duì)各種存儲(chǔ)器：SRAM、雙端口、單端口、寄存器文件等。包裝器通過(guò)STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)處理器聯(lián)系在一起，這些處理器向整個(gè)系統(tǒng)的總管理器即STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)服務(wù)器報(bào)告，而服務(wù)器則轉(zhuǎn)而提供所有必要的調(diào)度和握手信號(hào)。外部接口則經(jīng)由JTAG測(cè)試訪問(wèn)端口（TAP）控制器。

　　圖4：DesignWare STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)：針對(duì)制程優(yōu)化了的存儲(chǔ)器測(cè)試、修復(fù) & 診斷

　　每個(gè)STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)處理器的能力都足以處理芯片上的檢測(cè)、診斷和缺陷修復(fù)。連接和配置所有紫色方框可能比較耗時(shí)且容易出錯(cuò)，所以STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了以下工作的自動(dòng)化：

　　生成、插入和確認(rèn)配置

　　完成測(cè)試向量的生成

　　執(zhí)行故障分類(lèi)

　　定位失效

　　糾錯(cuò)（如果可能）

　　Synopsys將所有這些自動(dòng)化步驟映射在FinFET工藝上，以便處理與FinFET存儲(chǔ)器有關(guān)的新的分類(lèi)和失效問(wèn)題。

　　自2012年起，Synopsys就一直與產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中得以較早接觸制程參數(shù)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)人員合作。在多個(gè)FinFET廠家的配合下，Synopsys分析了他們的位單元，也檢查、驗(yàn)證了他們的模型，創(chuàng)建測(cè)試芯片并在Synopsys內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室中直接對(duì)硅芯片進(jìn)行了分析。這個(gè)過(guò)程讓Synopsys加深了對(duì)FinFET缺陷問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，使Synopsys可以?xún)?yōu)化STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)來(lái)解決它們。