FinFET存储器的设计、测试 和修复方法

同任何IP模块一样，存储器必须接受测试。但与很多别的IP模块不同，存储器测试不是简单的通过/失败检测。存储器通常都设计了能够用来应对制程缺陷的冗余行列，从而使片上系统(SoC)良率提高到90%或更高。相应地，由于知道缺陷是可以修复的，冗余性允许存储器设计者将制程节点推向极限。测试过程已经成为设计-制造过程越来越重要的补充。

存储器测试始终要面临一系列特有的问题。现在，随着FinFET存储器的出现，需要克服更多的挑战。这份白皮书涵盖：

• FinFET存储器带来的新的设计复杂性、缺陷覆盖和良率挑战
• 怎样综合测试算法以检测和诊断FinFET存储器具体缺陷
• 如何通过内建自测试(BIST)基础架构与高效测试和维修能力的结合来帮助保证FinFET存储器的高良率

  虽然这份白皮书以FinFET工艺(制程)为重点，但其中很多挑战并非针对特定制程。这里呈现的存储器测试的新问题跟所有存储器都有关，无论是Synopsys还是第三方IP供应商提供的或是内部设计的。

  FinFET与平面工艺比较

  英特尔首先使用了22nm FinFET工艺，其他主要代工厂则在14/16nm及以下相继加入。自此，FinFET工艺的流行
  性和重要性始终在增长。如图1所示。

  
  图1：90nm 到 7/5nm FinFET工艺节点下活跃设计及投片项目的增长

  要理解FinFET架构，设计人员首先应与平面架构进行沟道对比，如图2所示。左图标识平面晶体管。改为FinFET的制程相关的主要动机是制程工程师所谓的“短沟道效应”和设计工程师所谓的“漏电”。当栅极下面的沟道太短且太深以至于栅极无法正常地控制它时，即使在其“关闭”的情况下，其仍然会局部“打开”而有漏电电流流动，造成极高的静态功率耗散。

  中间这张图指示的是FinFET。鳍片(灰色)较薄，栅极将它周围完全裹住。鳍片穿过栅极的所有沟道部分充分受控，漏电很小。从工艺上说，这种沟道将载流子完全耗尽。这种架构一般使用多个鳍片(两个或三个)，但未来工艺也可能使用更多鳍片。多鳍片的使用提供了比单鳍片更好的控制。

  使用多鳍片突出了FinFET与平面架构之间的重大差异。平面工艺使用晶体管宽度和长度尺寸的二维界面。而在FinFET中，鳍片大小是固定不变的，栅极厚度(其定义了沟道长度)也是固定不变的。改变FinFET的唯一参数是鳍片数量，而且必须是整数。比如：不可能有2? (两个半)鳍片。

  
  图2：平面架构与FinFET架构对比

  FinFET降低了工作电压，提高了晶体管效率，对静态功耗(线性)和动态功耗(二次方)都有积极作用。可节省高达50%的功耗。性能也更高——在0.7V上，性能(吞吐量)比平面工艺高37%。

  FinFET复杂性带来了制造困难

  与平面工艺相比，FinFET的复杂性一般会导致更加昂贵的制造工艺，至少初期是这样。随着代工厂经验不断丰富和对工艺过程的控制越来越娴熟，这些成本可能会下降，但就目前而言，放弃平面工艺的话会增加成本。

  FinFET还存在热挑战。由于鳍片直立，晶片的基体(衬底)起不到散热片的作用，这可能导致性能下降和老化。热挑战还会影响修复，因为在某些情况下，存储器不仅需要在生产测试中修复，以后还需要在现场修复。

  在使该工艺投产、扩大到量产等情况下，代工厂必须考虑这些挑战。一般来说，代工厂还要负责存储器位单元，需要对其做全面分析(通过模拟)和鉴定(通过运行晶圆)。IP提供商，无论是存储器、标准单元还是接口提供商，也要在构建自己的布局的同时考虑这些问题。

  SoC设计人员受到的影响不大，至少对于数字设计流程来说是这样。一般来说，设计人员见到鳍片的次数绝不会比他们以往见到晶体管的次数更多，除非他们想在其布局与布线工具所使用的，采用金属结构进行连接的标准单元内部一探究竟。

  STAR存储器系统

  Synopsys生态系统(图3)包括创建布局、完成提取、模拟等需要的所有工具。Synopsys内部各IP小组能够充分利用完整的Synopsys工具套件来设计、验证并测试Synopsys IP，包括存储器在内。

  
  图3：Synopsys工具套件

  Synopsys已经从最底层起搭建了自己的专门知识。他们与所有不同的FinFET厂家均构建了多个测试芯片：三星、TSMC、英特尔、GLOBALFOUNDRIES和UMC。截止2015年8月，Synopsys运行过的FinFET测试芯片有50个以上。这些芯片均使用了被称之为DesignWare?STAR存储器系统?的Synopsys测试和修复解决方案，其中STAR表示自测试与修复。

  自测试和修复曾经在很多代工艺制程上使用过，不只是FinFET。通过不断投入，Synopsys改善了STAR存储器系统。图4中，STAR存储器系统用紫色方块指示。它们包含STAR存储器系统IP编译器生成的RTL模块以应对各种存储器：S