一种使用在基于单元库布局布线流程的芯片上变异(OCV)监控器方法学

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摘要:工艺参数的变异导致半导体制造过程的偏差。这种变异无法避免而且在深亚微米领域,受限于光刻分辨率;氧化层腐蚀造成厚度的改变,因化学机械抛光铜金属线使铜金属层所造成的不平坦碟型缺陷等种种因素变得更加严重。除了工艺上的变异之外, 电源电压以及操作温度也可能造成芯片上变异。这些芯片上变异通常建模为预估电路性能的某个百分比。

环形振荡器在芯片上变异监控器中,被最广泛地作为性能指标。在过去,一般要花一到两周利用全手工定制对每个不同的工艺节点来实现工艺监控器的布局。然后, 我们也必须手工将监控器单元放入芯片。这样做总是增加芯片实现上的开发周期。

在本文将会提出一种实用的方法学来集成芯片上变异监控器, 包括如何在一般基于单元库布局布线流程里来实现变异监控器, 以及一种在逻辑阶段或物理实现阶段基于单元库灵活的整合流程来减低实现时所花费的精力。

关键词:布局布线流程;芯片变异监控器;环形振荡器;晶圆测试;量产测试;自适应电压与频率调节;静态时序分析;IDDQ 测试

An On-Chip Variation Monitor Methodology

Using Cell-Based P&R Flow

HUNG Yu-ting,Tsai Yu-Wen,CHEN Hung-ming

(Faraday Technology China Corp.,Shanghai,200233 China)

Abstract: The process variation accounts for deviations in the semiconductor fabrication process. This variation becomes unavoidable and serious in the deep submicron era due to limited lithographic resolution, a variety of oxide thickness, dishing and erosion effect on copper metal layer, and so on. In addition to process variation, supply power and operating temperature are also possible on-chip variances.Usually these on-chip variations are modeled as a percentage variation in the circuit performance estimation.

The ring-oscillator is the most widely used as performance meter in the on-chip variation monitor. In the past, it would take 1 or 2 weeks to implement process monitor layout by fully-customer layout service for each different process technology. After that, we also have to place the monitor cells into chip manually. It increases the implementation turn around time.

In this paper, a practical integrated on-chip variation monitor methodology is proposed, including variation monitor implementation in cell-based P&R flow, and a flexible cell-based integration flow in logic level and physical level to reduce the implementation effort.

Keywords: Place and Route Flow; On-Chip Variation Monitor; ring-oscillator;circuit probe;final test;Adaptive Voltage and Frequency Scaling;Static Timing Analysis; IDDQ Test

1使用一般基于单元库布局

布线流程来实现变异监控器

变异监视器单元利用环形振荡器和一个分频器组合而成以减少面积。它是由一般的标准单元组成,再利用基于单元库布局布线的商用软件,自动化的脚本促使监视器单元能够很容易且快速地生成以加入新的单元库内。数个监视器单元根据适当的顺序被放置好以达到环形振荡器最佳的效能。一般来说,这些单元被放在蜿蜒曲折的路径以减少交叉的长度。创建好的工艺监视单元(图1),能被视为一个相当于多个单元高度的超级标准单元。这个超级标准单元能够很容易地被整合到传统的基于单元的布局布线流程。此外,我们能用不同的标准单元,例如INV或NAND的功能,来实现不同的环形振荡器。

2芯片上变异监控器整合

到基于单元库布局布线流程

至于监控器单元如何整合到芯片里, 举个例子,如图2所示,7 个工艺监控器单元(PM)入, 包括3种不同形态的工艺监控器。3种形态中的一种为了监视裸片内的变异,在单独的芯片内入5个实例(instance)。它也能被配置成锁链模式(chain-mode)来连接所有的工艺监控器单元以便芯片上粗略变异的效应能够被监控。由于我们之前提到的监控器单元超级的标准单元,它能够不用进行额外底层编辑(floorplan),很容易在基于单元的后端工具用来做布局布线。因为我们的变异监控器手段是基于裸片而非基于晶圆(wafer)。这些监控器能够在整片晶圆的测试(circuit probe)或是量产测试(final test)的阶段进行量测。

3变异监控器的三种应用

如下所示,经由芯片上散开的变异监控器,芯片内部的变异能够量测到,然后作为静态时序分析的参考反馈给相同工艺上后续的设计。如果任何不正常的良率发生,它也能作为一个芯片内部(lot到lot)变异监控器来确认工艺上的一致性。量测频率也能给每一个裸片或裸片与裸片之间设置合适的IDDQ测试阈值作为一个参考指标。

3.1 芯片上的变异量测仪

它被用来监控芯片上的变异是否失去了控制。这种应用对良率异常低的时候更显得重要。我们使用这种监控器对具有自适应的电压与频率调节(Adaptive Voltage and Frequency Scaling) 特色的低功耗设计作为性能量测仪。供应电压跟时钟频率根据实时芯片变异的量测结果来进行调节。如图3所示,工艺偏快的时候,可以让电压降低一点, 或者是让时钟变慢点,反之亦然。

3.2 基于位置(Location-based)芯片上变异所作的静态时序分析中降低率因子

芯片上变异所作的静态时序分析用降低时钟或数据信道的延迟的方式来模拟芯片中的变异。然而,因为我们所提到的降低率是存在于芯片上所有的通道,所以这种方法学可能不够严谨,换言之就是太过乐观地对待设计上基于位置所带来不同的变化。

一种更好的方式是如图4所示,考虑信道里单元所处的位置而对每一个通道给出一个更合适的降低率因子。监控器不正好能够提供我们所需要的裸片内变异的资料,用来决定基于通道的降低率因子。

智原科技所提出的基于位置所计算出芯片上变异是一种基于逻辑层级/物理位置/所使用不同的组件(位置、层级以及基于单元芯片上变异)进行仿真统计工艺上的变量分析方法,来提高时序分析的正确性,并降低电路设计时序收敛(timing closure)的设计时间成本。

3.3 Fmax 量测相对IDDQ 测试阈值

如图5所示,在国外的研究表明芯片里IDDQ 电流(Current)和时序的性能(Speed)比较起来能作1。经由监控工艺监控器的频率,IDDQ 阈值能在针对连续的IDDQ测试的程序立即做出决定以避免在测试的时候被忽略造成良率的损失。

参考文献

[1]W. Robert Daasch , James McNames , Robert Madge , Kevin Cota, Neighborhood Selection for IDDQ Outlier Screening at Wafer Sort, IEEE Design & Test, v.19 n.5, p.74-81, September 2002

作者简介

洪郁庭,设计发展部/设计流程组 经理 智原科技(上海)有限公司。

蔡裕文,设计发展部 协理 智原科技(上海)有限公司。

陈宏铭,技术市场部 总监 智原科技(上海)有限公司。

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