FinFET存储器的设计挑战以及测试和修复方法

　　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：SRAM、双端口、单端口、寄存器文件等。包装器通过STAR存储器系统处理器联系在一起，这些处理器向整个系统的总管理器即STAR存储器系统服务器报告，而服务器则转而提供所有必要的调度和握手信号。外部接口则经由JTAG测试访问端口（TAP）控制器。

　　

　　图4：DesignWare STAR存储器系统：针对制程优化了的存储器测试、修复 & 诊断

　　每个STAR存储器系统处理器的能力都足以处理芯片上的检测、诊断和缺陷修复。连接和配置所有紫色方框可能比较耗时且容易出错，所以STAR存储器系统还实现了以下工作的自动化：

　　生成、插入和确认配置

　　完成测试向量的生成

　　执行故障分类

　　定位失效

　　纠错（如果可能）

　　Synopsys将所有这些自动化步骤映射在FinFET工艺上，以便处理与FinFET存储器有关的新的分类和失效问题。

　　自2012年起，Synopsys就一直与产业生态系统中得以较早接触制程参数的存储器设计人员合作。在多个FinFET厂家的配合下，Synopsys分析了他们的位单元，也检查、验证了他们的模型，创建测试芯片并在Synopsys内部实验室中直接对硅芯片进行了分析。这个过程让Synopsys加深了对FinFET缺陷问题的认识，使Synopsys可以优化STAR存储器系统来解决它们。