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    E_fuse阵列高效率测试验证方案及实现_陈礼清.docx

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    E_fuse阵列高效率测试验证方案及实现_陈礼清.docx

    研堯与镘钟 电子测量技术 ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY 第 37 卷第 11 期 2014 年 11 月 E-fuse 阵列高效率测试验证方案及实现 陈礼清林光启赵瑞豪梅杰胡启誉张克堂 中芯国际集成电路制造有限公司产品部上海 201203 摘要随着电编程熔丝 ( E-fuse技术在集成电路领域中的应用越来越广泛,对测试验证环节的要求也越来越高,测 试人员也面临更大的挑战,因此在电编程熔丝开发过程中,如何提高 E-fuse 测试验证效率是研究的重点和难点之一。 基于E-fuse 阵列在测试验证上的效率低、样品需求多、数据分析难等问题,对现有的测试验证方法提出了一种 E-fuse 阵列 bits层面上实现编程的测试方案。相比较传统测试流程,该方案可以节省 38. 8甚至 90以上的测试验证时 间,同时还具有测试设置方便、样品需求少、数据精确度高等特性。 关键词测试技术;电可编程熔丝;高效率;验证 中图分类号 TN407 文献标识码 A 国家标准学科分类代码 510.3010 High efficiency testability validation for E fuse array Chen Liqing Lin Guangqi Zhao Ruihao Mei Jie Hu Qiyu Zhang Ketang Semiconductor Manufacturing International Corporation, Product Department, Shanghai 201203, China Abstract As electrically programmable fuse E-fuse becomes broadly used in integrated circuits applications the demand on testability validation becomes higher. How to efficiently develop testability validation s become an important and difficult challenging research issue for testing engineers. The traditional serial E-fuse validation requires lengthy test time and many samples with difficult test data analysis. In view of the above issues, this paper introduces a highly efficient E-fuse testability validation and uation with bit level programming technology. Compare to the traditional serial E-fuse testing, this bit level programming ology can save 38. 8 up to more than 90 of the validation time. This new ology also has the advantage of convenient testing setup, requires fewer samples, and results in more accurate E-fuse elements testing confirmation. Keywords testing technology; electrically programmable fuse; high efficiency; verification i 引 言 电可编程溶丝 E-fuse electrically programmable fuse[1_3]技术是基于电迀移 ( EM[4_6]和多晶硅熔丝特性 [6_8] 发展起来的一种电可编程熔丝技术。它具有一次可编程存 储器的特点,可以根据不同功能来编程电路,同时其还具有 兼容 CMOS 工艺、体积小、成本低、可以封装后再配置和可 缩小性强等优越性能。目前己在密码保护 [1 ]、电路修 调 [H。 ]、 BISTBuild In Self test技术 [1 -11]、自修复技术 [12_14] 等领域具有广泛的应用。 测试验证 [15_16]是 -佗兄开发的重要组成部分,它贯穿 E-fuse 设计、制造、应用的全过程,也是保证 E-fuse 性能、 质量的关键之一。测试验证成本在 E-fuse 设计成本中占 有较大的比例 [16_23],如何降低测试验证成本是制造商、设计 和测试人员一直考虑的重点。另外,随着 E-fuse 工艺节点 的缩小以及集成度的增加,其结构基本元件也变得更容易 受各式缺陷或杂质的影响,即也意味着 E-fuse 测试验证复 杂度和难度进一步加大。因此, E-fuse 阵列高效测试验证 方法的研宄在电编程熔丝开发过程中是及其重要的。 目前 fuse阵列测试验证的方法 [18_19]主要是在晶圆层 面上验证多种形状、不同掺杂类型、多种编程条件及温度的 阵列,通过测试结果来确定设计方向。针对 fuse 阵列在测 试验证上的效率低、样品需求多、数据分析难等问题,将具 体介绍一种在 E-fuse阵列 bits 层面上实现编程的测试原 理及其实现方法,从而提高测试验证效率及优化测试。 2 E- f u S e 阵列的基本原理和结构特征 E-fuse 测试验证阵列种类多样,目前最为常见是具有 10 bits 并行输入地址端口的 1 KB 并入 E-fuse 阵列。 E- 收稿日期 2014-08 11 第 37 卷 电 子 测 量 技 术 fuse 基本储存单元结构示意如图 1 所示, E-fuse 溶断前是 一个阻值很小的电阻 ,一 般为 20〜 150 n[2’ 18’ 19]。 NMOS 是 编程MOS 管,当其栅极给一个电压且保持时间为〖的 脉冲, NMOS导通,同时加电压有电流 Z从 E-fuse Link 流过, I足够大时, E-fuse Link 发生电子迀移和热断裂至永 久性断裂。此时 , V_电路探测到其阻值增加 4 个数量级 以上,则输出高电平 [1_3]。 GND 图 1 E-fuse 基本储存单元原理 图 2 是比较常见的多晶硅熔丝的截面图 [1],从图中可以看 出, E-fuse Link 主要由绝缘层 ( STI-〇 xide、多晶桂 ( P Pol” Si和金属桂化物层 Nitride, 介质层 组成 K 4]。多晶桂溶丝电 学性质由顶层的介质层的膜方块电阻所决定,所以其尺寸和 形状的不同,多晶硅熔丝初始电阻值不同,所需编程电压也不 同且不都是线性关系 [18_19]。多晶硅层重 P 掺杂、 P 掺杂、 n 掺杂 以及没有掺杂等掺杂类型也对熔丝的电学有很大的影响 [18_19]。 决定编程条件的因素更复杂,主要由电路设计来保证,同时也 受工艺和实际应用环境特别是温度影响。因此,在 E-fuse 开 发过程中需要验证多种形状、不同掺杂类型、多种编程条件及 温度等因素的阵列,寻找满足客户需求的 E-fuse具体参数,来 确定更好的设计。可见,随着工艺节点的发展 E-fuse 验证工 作越来越复杂,需要投入巨大的人力和测试成本 [2h23]。 因此, 设计合理高效的测试验证方法就显得十分重要。 3 E-fuse 晶圆局效测试实现流程和方法 3.1 传统 E-fuse 晶圆的测试流程介绍 目前普遍采用的测试方法,如图 3 所示。假设 E-fuse 测试验证晶圆 X 可测 Shot 数为 M, 一个 Shot 由 A X B 个 E-fuse Die, 每个 E-fuse Die 有相同的 E-fuse 储存单元数为 ■ R, 编程条件 Y 数目为 iV。 每个储存单元储存 lbit, N 个储 存单元存储N bits。 如图 3 所示,由于每片晶圆上包括多 种工艺条件的E-fuse 阵列 Die, 工艺条件数是 A X B 倍数 P, 而每一个编程条件对应一个晶圆。如果晶圆里面同种 工艺 Die 足够多为 Q,可以在一个晶圆上建立 Q 个测试 Map, 一个测试 Map 对应一个编程条件。 图 3 普遍使用的 E-fuse 晶圆测试流程 图 3 为现有对 E-fuse 晶圆测试流程,执行步骤 S1开 始测试;执行步骤 S2晶圆 Xl-iV 的测试 Setup;执行步 骤 S3晶圆在编程条件了下的测试;执行步骤 S4判断是 否通过测试;执行步骤 S5如果测试失效,进行失效分析后 结束;执行步骤 S6如果测试合格,则完成这一编程条件的 测试;执行步骤 S7判断是否完成所有的测试条件,如果没 有完成,则继续执行 S2〜S7;执行步骤 S8如果测试完成所 有的测试条件,则完成测试结束。 现有的测试方法,由于是各种工艺的 Die 在同一种编 辑条件下测试,需要多次的测试才能完成所有的编程条件, 即测试条件改变需要软件和硬件重新设置。这种情况下, 不同编程条件在不同晶圆上测试,测试结果易受测试环境 影响;另外晶圆中间和边缘部分的性能及本身的性能也会 不同,这就增加了结果分析的难度。多次的测量会增加测 试成本,消耗大量设置和测试时间,出错的几率也会增大。 另外,由于 E-fuse 只能编程一次的特性,测试条件多的话 会消耗大量的样品。针对上述情况,目前也采取了一些改 进的措施,例如在晶圆上增加同一种工艺 E-fuse Die 的量, 12 陈礼清等 E-fuse 阵列高效率测试验证方案及实现 第 11 期 可以通过建立多个测试 Map 的方式,即一个测试条件对应 一个测试 Map。 这样一个晶圆就可以测试验证多个测试 条件了,但是一个晶圆的量是有限的。 3.2 改进的 E-fuse 晶圆的测试流程介绍 为了解决上述问题,基于多年的测试经验积累和总 结,开发出了一种高效率 E-fuse 测试验证方法。如图所 示 4 所示,条件假设如上所述。通过修改测试程序来实 现 E-fuse 在 bits 层面上编程,把每一个 Die 里面的 bits 进行不同的编程条件进行测试,可以根据 bits 和编程条件 图 4 改进的 E-fuse 晶圆测试流程 数量进行分配。利用现有资源,不需要增加其他的软 件或者硬件,方便、有效、精度高、快速地测试 E-fuse 阵 列。图 4 为优化后的 E-fuse 阵列测试流程,执行步骤 S1开始测试 ;执行步骤 S2晶圆 X1 的测试软件及 硬件设置;执行步骤 S3晶圆在编程条件乃一 下的 测试;执行步骤 S4判断是否通过测试;执行步骤 S5 如果测试失效,进行失效分析后结束;执行步骤S6如 果测试合格,则完成所有条件的测试。 如果认为测试的量不够,可以用 X 片晶圆一同测 试。乃一 7可以根据编程条件数和产品 Die 里面 bits 的量进行分配,如一个 Die 有 R 个存储单元,则 R/N 个 bits 在同一编程条件下测试,具体实现方式可以参 考图 5 和图 6。假设产品是 10 bits并行输入地址端口 的 1 KB 并入 E-fuse阵列,测试条件 iV32。 如图 5 所 示,每相邻的 32 bits 对应一个测试条件,直至分配完 成所有测试条件。如图 6 所示,每相邻的 bits 对应测 试条件也跟着变化,分配完成所有测试条件,直至所有 bits。 2 种方法各有优缺点,方法 1 测试程序相对简 单,但是样品选择性较差;方法 2 测试程序相对较复 杂,但是样品选择性较好。实际测试中可以根据产品 的要求以及程序的开发难易程度来考量,选择哪种 方式。 Bits Condtions Bits Condtions Bit0-31 T1 Bit512-543 T17 Bit32-63 T2 Bit544-575 T18 Bit64-95 T3 Bit576-607 T19 Bit96-127 T4 Bit608-639 T20 Bitl28-159 T5 Bit640-671 T21 Bitl60-191 T6 Bit672-703 T22 Bitl 92-223 T7 Bit704-735 T23 Bit224-255 T8 Bit736-767 T24 Bit256-287 T9 Bit768-799 T25 Bit288-319 T10 Bit800-831 T26 Bit320-351 Til Bit832-863 T27 Bit352-383 T12 Bit864-895 T28 Bit384-415 T13 Bit896-927 T29 Bit416-447 T14 Bit928-959 T30 Bit448-479 T15 Bit960-991 T31 Bit480-511 T16 Bit992-1023 T32 图 5 具体实现方式 1 Bits Condtions Bits Condtions BitO.32.64.. 992 T1 Bitl6.33.80...1008 T17 Bitl.33.65.. 993 T2 Bitl 7.33.81... 1009 T18 Bit2.34.66.. 994 T3 Bitl8.33.82...1010 T19 Bit3,35,67.. 995 T4 Bitl9,33,83...1011 T20 Bit4,36,68._ 996 T5 Bit20,33,84...1012 T21 Bit5.37.69.. 997 T6 Bit20.33.85...1013 T22 Bit6.38.70.. 998 T7 Bit21.33.86...1014 T23 Bit7.39.71.. 999 T8 Bit22.33.87...1015 T24 Bit8,40,72.. 1000 T9 Bit23,33,88...1016 T25 Bit9.41.73.. 1001 T10 Bit24.33.89...1017 T26 Bitl0,42,74 ..1002 Til Bit25,33,90...1018 T27 Bitl 1.43.75 1003 T12 Bit26.33.91...1019 T28 Bitl 2.44.76 1004 T13 Bit27.33.92...1020 T29 Bitl 3.45.77 1005 T14 Bitl5.33.93 1021 T30 Bitl4,46,78 ■ 1006 T15 Bitl5,33,94... 1022 T31 Bitl 5,47,79 ..1007 T16 Bitl5,33,95 1023 T32 图 6 具体实现方式 2 3.3 2 种 E-fuse 阵列的测试验证对比 与现有测试方法相比,改进的测试方法具有以下 优点由于原有方法每一次的设置都需要建立测试 Map、程序修改及验证、测试板卡等设置,并进行软件 和硬件的验证,保证测试环境的可靠性。现有的方法 只需要一次的软件和硬件的设置就能够实现所有测试 条件,这样就减少了测试设置时间;一次设置,不易受 机台、人、环境等因素影响,测试结果分析较之前简单, 不需要排除复杂因素的影响。测试结果不受晶圆本身 的性能影响,每个 Die都包含了所有的测试条件,取样 更合理。测试灵活,可以根据产品性能及测试要求选 择一个或多个晶圆同测,也可以由测试条件和 bits 数 选择一部分 bits 和 Die或者全部测试。测试条件优化, 需要样品量少。 假设产品是 10 bits并行输入地址的 1 KB并入并 出E-fuse 阵列,测试条件 iV32,需要晶圆数 X,每次 测试设置时间为 2 h, 每次机台测试时间为 3 h。 旧方法测试时间 13 第 37 卷 电 子 测 量 技 术 6 每次测试设置时间 每次机台测试时间 ) X iV32 X 2h 3h160h 1 新方法测试时间 h 每次测试设置时间 每次机台测试时间 XiVl iVX32,则 5, 298 2 测试时间减少量 旧方法测试时间一新方法测试时间 ) /旧方法测试时 间02 〇々 238.8〜 96.8 3 相对于原测试方法的测试时间可节省 38. 8甚至 90以上。这有助于缩减该产品的测试成本,提高产品的 竞争力和开发效率。 4 结 论 在分析 E-fuse 阵列晶圆测试验证的难点和解决方法 的基础上,通过修改测试程序来实现 E-fuse 在 bits 层面上 编程,把每一个 Die 里面的 bits 进行不同的编程条件进行 测试。该方法利用现有资源,不需要增加其他的软件或者 硬件,较好地解决了 E-fuse 测试验证效率低、数据分析困 难和成本高等问题。随着工艺和设计的发展, E-fuse 测试 验证复杂度的提升,采用新的测试方法方便、高效、精度高 地测试 E-fuse 阵列,将是 E-fuse 测试的发展方向。 参考文献 [1] KOTHANDARAMAN C, IYER S K, IYER S S, et al. 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[23] 邓立宝,乔立岩,俞洋,等 .基于带宽匹配思想的 SoC 测试结构设计 [J].仪器仪表学报, 2012, 33 8 上接第 10 页) 6 .2 赤道转动惯量测量数据 设备进行校准后测量样柱赤道转动惯量及极转动惯量。 样柱赤道转动惯量和极转动惯量标准值分别为 2. 396 kg m2, 0 016 597 6 kg m2。测量的数据如表 2、 3所示。 表 2 赤道转动惯量测量结果 ( k g m 2 2. 392 0 2. 394 5 2. 397 3 2. 398 2 2. 392 8 2. 395 7 2. 397 4 2. 395 2 测量结果 2. 3953 相对误差 0.02 注该标准样柱经计量部门检定 表 3 极转动惯量测量结果 kg m 2 0.016 599 6 0.016 598 7 0. 016 602 4 0. 016 593 8 0.016 592 4 0.016 590 4 0. 016 587 6 0. 016 585 3 测量结果 0.016 593 8 相对误差 0. 06 注该标准样柱经计量部门检定 从测量结果可以看出赤道转动惯量和极转动惯量的 相对误差小于测量系统要求的 0.5,因此该系统赤道转 动惯量和极转动惯量的测量满足精度要求。 7 结 论 根据弹箭特征参数测量的原理设计了一种测试系统, 该系统可以对弹箭质量、质心、质偏心、赤道转动惯量和极 转动惯量进行测量,并采用 C编写了人机交互界面,实现 了系统智能化控制。而在具体的实验过程中该测量系统 可以满足弹箭参数测试精度的要求。 1820-1825. 作者简介 陈礼清,工学硕士,工程师,主要研宄方向为数字与逻 辑产品测试技术、 ATE 测试软件开发、 ATE 测试硬件 设计。 E-mail LiQing_Chensmics. com 林光启,工学硕士,高级工程师,主要研宄方向为数字 与逻辑产品测试技术、测试数据资料库分析系统开发。 E-mail;PAUL Lsmics. com 赵瑞豪,工学学士,高级工程师,主要研宄方向为数字与 逻辑产品测试技术、 ATE 测试软件开发、 ATE 测试硬件设计。 E-mail ANDY_CHAO smics. com 参考文献 [1] 陈贤隆 .唐 T 彩 .用扭摆法测量弹丸的偏心距 [J].仪 器仪表学报, 2010,311 7072. 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