Introdução ao Teste de Microcircuitos

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1 Introdução ao Teste de Microcircuitos 1/30

2 Sumário 1. Introdução 1.1 Fases da Produção de um Microcircuito 1.2 Tipos de Testes 2. Engenharia de Testes 2.1 Interacção entre as fases de fabrico 2.2 A importância da engenharia de testes 2.3 Testes nas diferentes fases do produto 3. Análise das Falhas 3.1 Distribuição temporal das falhas 3.2 Tipos de falhas 3.3 Tipos de análise de falhas 3.4 Procedimento de análise de falhas 3.5 Importância e dificuldade da localização da falha 3.6 Observação e análise da falha 3.7 Acções e medidas correctivas 4. Exemplos típicos de falhas a longo prazo 4.1 Ruptura do dieléctrico com o tempo 4.2 Danos provocados por portadores quentes 4.3 Electromigração 2/30

3 1. Introdução Fases da Produção de um Microcircuito: 1. Projecto Nível funcional Nível lógico Nível Eléctrico Nível físico 3/30

4 1. Introdução Fases da Produção de um Microcircuito: 2. Fabrico Etapas de alta temperatura (Ox, Dif, Epitax) Etapas de gravação Etapas de baixa temperatura (CVD, PVD) 4/30

5 1. Introdução Fases da Produção de um Microcircuito: 3. Teste 5/30

6 1. Introdução Tipos de Testes: 3.1 Testes funcionais 6/30

7 1. Introdução Tipos de Testes: 3.2 Testes paramétricos dc 7/30

8 1. Introdução Tipos de Testes: 3.2 Testes paramétricos ac 8/30

9 1. Introdução Tipos de Testes: 3.2 Testes estruturais (eléctricos) 9/30

10 2. Engenharia de Testes 2.1 Interacção entre as fases de fabrico Limitações e possibilidades do processo de fabrico Tolerâncias do processo de fabrico e regras de projecto Problemas no encapsulamento Engenharia de Projecto Engenharia de Processo Funcionamento do circuito Testabilidade do circuito Identificação e resolução de erros de projecto Engenharia de Testes Limitações e possibilidades do processo de fabrico Identificação e resolução de problemas de processo 10/30

11 2. Engenharia de Testes 2.2 A importância da engenharia de testes -A regra do dez : Cada vez que um item defeituoso não é detectado e é utilizado num sistema mais complexo o custo da falha é multiplicado por 10. Ex.: 1- Um IC de memória defeituoso custa 15 (tal como os bons). 2- A não detecção dessa falha e a utilização dessa memória numa placa gráfica multiplica por dez o prejuízo: A não detecção da falha na fase anterior e a utilização dessa placa num computador multiplica por dez o custo anterior: 1500! 11/30

12 2. Engenharia de Testes 2.2 A importância da engenharia de testes - Design for Testability (DfT): Quando se projecta um IC deve-se pensar desde logo no teste, deixando: PADs de teste em zonas chave dos circuitos fabricados Circuitos teste (drop-in circuits) que executem funções de teste - Um projecto que cumpra as regras DfT tem de ser: Controlável Ter a capacidade de controlar partes específicas do circuito para poder aplicar tensões ou correntes. Observável Ter acesso à observação da resposta do circuito aos estímulos de teste. 12/30

13 2. Engenharia de Testes 2.3 Testes nas diferentes fases do produto Testes na fase de desenvolvimento do produto Durante o projecto e a prototipagem são feitos testes exaustivos, com caracterização completa do processo de fabrico e a correlação entre o projecto, o fabrico e os resultados finais obtidos no teste. Nesta fase existem muitos circuitos de teste presentes na wafer para além do circuito de prototipagem completo. Testes na fase de produção Na fase de produção em massa do produto os testes devem ser sintéticos de forma a não aumentar muito o custo de produção, mas mantendo a capacidade de identificar os circuitos que falham. Os testes são feitos por máquinas automáticas (ATE automatic test equipment) 13/30

14 2. Engenharia de Testes 2.3 Testes nas diferentes fases do produto Testes na fase de desenvolvimento do produto 1 Fase de Projecto (simulações) 2 Fase de Fabrico (prototipagem) a) Simulação funcional b) Simulação lógica c) Simulação eléctrica a) Verificação da funcionalidade b) Despistagem de erros de projecto c) Caracterização do IC de referência d) Verificação das DRCs 14/30

15 2. Engenharia de Testes 2.3 Testes nas diferentes fases do produto Testes na fase de produção Front-end: - Testes na wafer (conformidade de caractrísticas: ρ, contam., planicidade, etc) - Testes após cada etapa fundamental (oxidações, difusões, implantes, etc): espessura, prof. de junção, ρ s, etc. - Testes paramétricos nos dispositivos por amostragem, após estarem completos Vth dos MOSFETs, valores de R, C, etc - Testes de funcionamento nos drop-in circuits 15/30

16 2. Engenharia de Testes 2.3 Testes nas diferentes fases do produto Testes na fase de produção Back-end: - Teste exaustivo na wafer antes do corte (testes funcionais e paramétricos): Os circuitos que falham são marcados fisicamente (com um ponto de de tinta) ou electrónicamente (em base de dados) - Corte da bolacha, micro-soldadura e encapsulamento dos circuitos que passaram o teste anterior. - Testes paramétricos, funcionais e estruturais nos ICs encapsulados (1º nível) Averigua se o corte e o encapsulamento danificaram os ICs - Envelhecimento precoce (burn-in) Os ICs são expostos a testes de stress térmico e eléctrico durante algumas horas que expõem problemas que só apareceriam meses ou anos mais tarde, durante o período de vida útil. - Testes paramétricos, funcionais e estruturais nos ICs encapsulados (2º nível) Elimina os circuitos que falharam devido ao burn-in. 16/30

17 2. Engenharia de Testes 2.3 Testes nas diferentes fases do produto Testes na fase de produção (fluxograma) 17/30

18 3. Análise das Falhas 3.1 Distribuição temporal das falhas: Curva da banheira 18/30

19 3. Análise das Falhas 3.1 Distribuição temporal das falhas: Curva da banheira com burn-in 19/30

20 3. Análise das Falhas 3.2 Tipos de falhas: Moderadas Circuito não atinge a velocidade pretendida Saídas não atingem níveis lógicos Saídas com ruído Graves Funcão projectada não é executada Saídas não respondem ao estímulo das entradas Potência dissipada causa ruptura do IC 20/30

21 3. Análise das Falhas 3.3 Tipos de análise de falhas: Não destrutivas Testes eléctricos (curvas I(V), R, C, L) Testes de raios X Testes de ultrasons (ecografia) Destrutivas Desencapsulamento e observação (planar) Observação em corte (SEM), com ou sem desencapsulamento Desencapsulamento e localização térmica por CL ou IV Erosão de camadas (deprocessing) e observação 21/30

22 3. Análise das Falhas 3.4 Procedimento de análise de falhas (destrutivo): 1. Identificação da falha (testes eléctricos) 2. Deprocessing (desencapsulamento e remoção da passivação) 3. Localização macroscópica (testes térmicos CL, IV) (testes eléctricos internos microprovador) 4. Localização microscópica (microscópios ópticos, SEM) 5. Análise estrutural, inspecção e caracterização física (Erosão de camadas - Focused Ion Beam) (Observação SEM planar, corte) (Observação TEM corte) (Análises SPM (AFM, STM) planar) (Análises especiais AES, XPS) 22/30

23 3. Análise das Falhas 3.5 Importância e dificuldade da localização da falha Microprocessador à escala real Escala da falha 23/30

24 3. Análise das Falhas 3.6 Observação e análise da falha - Microscopia Óptica: Permite observar linhas relativamente longas Permite observar em profundidade através de camadas transparentes Não permite boas resoluções abaixo de 1µm - Microscopia Electrónica: Permite observar à escala do nanómetro Permite análise química EDS qualitativa e quantitativa Não permite observar em profundidade, requerendo remoção sequencial de camadas. - Microscopia SPM (Scanning Probe Microscope): Permite observar à escala atómica Caracteriza topografia, potencial electrostático, capacidade eléctrica, etc Não tem sensibilidade química - Análises Especiais Localizadas (AES, XPS): Permitem análises químicas à escala do nanómetro Permitem análises de superfície (XPS) e em volume raso (Auger) Permitem análises em volume profundo recorrendo ao FIB 24/30

25 3. Análise das Falhas 3.6 Observação e análise da falha - Microscopia de fotoemissão (IV): Permite observar zonas com temperatura diferente 25/30

26 3. Análise das Falhas 3.7 Acções e medidas correctivas - Determinação da origem da falha: Projecto ou Processo? -Projecto: Redefinição do projecto no subcircuito que falhou Procura de casos similares nos outros subcircuitos. -Processo: Redefinição dos procedimentos de processo (tempos e temperaturas, projecto vertical, etc) Procura de contaminação química (reagentes) Procura de contaminação física (partículas) 26/30

27 4. Exemplos típicos de falhas a longo prazo 4.1 Ruptura do dieléctrico com o tempo (Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB)) - Desgaste das propriedades dieléctricas di SiO 2 levando à formação de um caminho condutor ao longo do material. - É fortemente afectado pelo número de defeitos existentes no óxido produzido durante o fabrico do IC. - Defeitos provêm de contaminações químicas (defeitos químicos) ou de estados electrónicos não compensados (defeitos físicos) - Os defeitos físicos são induzidos pelos processos térmicos devido aos diferentes coeficientes de expansão térmica do Si e do SiO 2. - As ligações pendentes funcionam como armadilhas para os portadores e reduzem a performance dos dispositovos - Os portadores armadilhados aumentam o campo localmente intensificando a corrente de tunelamento que com o tempo pode formar um pin-hole no SiO 2. 27/30

28 4. Exemplos típicos de falhas a longo prazo 4.2 Danos provocados por portadores quentes (Hot Carrier Damage) - Deterioração do Si do canal dos MOSFETs devido a correntes fortes -Ocorre scattering de portadores pela malha cristalina e alguns são injectados no SiO 2. - A acumulação de portadores na interface Si/SiO 2 vai aumentar o V th. - Dá-se o aumento gradual de V th até atingir V DD MOSFET diminui I D até atingir o estado de sempre ao corte. - Os portadores injectados no SiO 2 podem dar início ao processo de TDDB. 28/30

29 4. Exemplos típicos de falhas a longo prazo 4.3 Electromigração - Ocorre nas pistas metálicas (maioritáriamente) de Al - É a difusão de átomos do metal na direcção do fluxo de corrente de electrões. - Esta difusão dá-se ao longo das fronteiras de grão das pistas de Al. - Nos locais onde as fronteiras de grão são divergentes ocorre um estreitamento da pista - O estreitamento leva a um aumento da densidade de corrente local que leva à intensificação do efeito - No limite, ocorre o efeito de fusível e a pista fica interrompida 29/30