1、2020/4/6,南京航空航天大学,1,VLSI测试方法学 和可测性设计,教师：吴宁,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,2020/4/6,南京航空航天大学,2,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,第10章 电流测试,10.1 简介 10.2 IDDQ测试机理 10.3 IDDQ测试方法 10.4 故障检测 10.5 测试图形生成 10.6 深亚微米技术对电流测试的影响,2020/4/6,南京航空航天大学,3,10.1 简介：,电压测试：电压测试是一种功能测试，对于检测固定性故障特别是双极型工艺中的固定型故障是有效的。但是对于检测CMOS工艺中的其他类型故障则显得有
2、些不足，而这些故障类型在CMOS电路测试中是常见的。对于较大电路，电压测试的测试图形生成相当复杂且较长。,电流测试：针对电压测试的不足，人们提出了电流测试的概念。电流测试的测试集相当短，这种测试方式对于固定型故障也有效。IDDQ可以用来表示MOS电路静态时从电源获取的电流，对此电流的测试称为IDDQ测试， 这是一种应用前景广泛的测试。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,2020/4/6,南京航空航天大学,4,IDDQ测试是原于物理缺陷的测试，也是可靠性测试的一部分。IDDQ测试的原理就是检测CMOS电路静态时的漏电流。电路正常时静态电流非常小（nA级），而存在缺陷时，(如栅氧短
3、路或金属线短路)静态电流就大得多。 虽然IDDQ的概念比较直观，但对于VLSI而言，IDDQ测试并不简单，关键问题是如何从量值上区分正常电路的电流和有缺陷电路的电流。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.1 IDDQ值的典型分布,2020/4/6,南京航空航天大学,5,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.2 IDDQ测试机理,10.2.1基本概念,一个数字IC可能包含上百万个晶体管，这些晶体管形成不同的逻辑门，不管这些门电路形式和实现功能如何，都可以把它们用一个反相器的模型来表达。 首先研究CMOS反相器及其在有故障和无故障条件 下的转换电流。,202
4、0/4/6,南京航空航天大学,6,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,如图10.2所示的电路，在输入电压从0转换到VDD的过程中，PMOS管会由导通转换为截止，而NMOS管则会从截止转换为导通。但在转换时间tf内，栅极所具有的电压会使两管同时导通，也正是在这段时间内电源和地回路中形成比较大的电流，对其用SPICE模拟所得的波形如图10.3所示。,图10.2 栅氧短路,2020/4/6,南京航空航天大学,7,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.3 CMOS反相器转换电流的SPICE模拟,2020/4/6,南京航空航天大学,8,南京航空航天大学 信息科学与技术学
5、院 电子工程系,图10.4 无故障和有故障时CMOS反相器的SPICE模拟图,2020/4/6,南京航空航天大学,9,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.2.2 无故障电路的电流分析,CMOS反相器的转换电流由Ids决定 式中 以上两式中， 是MOS器件的电导系数，和 分别是介电常数和栅氧厚度， 是载流子迁移率，WK和Lk分别是沟道宽度和长度，K可分别代表N沟道和P沟道。,2020/4/6,南京航空航天大学,10,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.6 栅长与IDDQ关系,2020/4/6,南京航空航天大学,11,南京航空航天大学 信息科学与技术学院
6、电子工程系,表10.1不同工艺下的IDDQ值,2020/4/6,南京航空航天大学,12,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,表10.2 IDDQ的典型值,静态电流是所有处于截止状态的晶体管的电流之和。研究表明此电流与晶体管的数目有关系,表10.2列出了IDDQ的典型值。,2020/4/6,南京航空航天大学,13,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.2.3 转换延迟,虽然MOS管一般可以当作转换管使用，但其导通或 截止不是即时的，而是有一段延迟时间。,造成延时的原因：,每个逻辑门的负载是一容性负载，后一级的输入端或输出端经过一定时间的充、放电才能使容性负载上的电
7、压达到稳定。,2. MOS沟道的形成和关闭也需一定的时间。,2020/4/6,南京航空航天大学,14,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,延迟时间主要有：,高到低延迟时间( )； 低到高延迟时间( )； 上升时间( )； 下降时间( )； 延迟时间( )；,2020/4/6,南京航空航天大学,15,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.3 IDDQ测试方法,IDDQ的测试是基于静态电流的测试，在每一个IDDQ测试图形施加后在等待一段时间才进行测量，因此其测试速度比较慢。,IDDQ测试的必要条件： 状态切换所造成的电流“火花”必须消失掉； 电流测量设备需要一定的等
8、待时间。,IDDQ测试的基本过程： 测试图形施加； 等待瞬变过程消失； 检查静态IDDQ是否超过阈值。,2020/4/6,南京航空航天大学,16,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.3.1 片外测试,片外测试是常用的电流测量方法，分为直流和交流两种，其原理如图10.7所示,图10.7 电流测试方法示意图,2020/4/6,南京航空航天大学,17,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,在图10.7所示的结构中，供电电源端增加了一旁路电容，原因是CMOS中较大的转换电流以及封装限制，会在电源和地回路之间造成比较大的电涌，此电容具有抑制电涌的作用。如果电涌比较大，会淹
9、没静态电流，必须等到瞬变过程完毕后才可以进行电流测量。如果10.7(c)所示。,图10.7(a)所示的直流探测方案中，在旁路电容和CUT的VDD引脚之间接入一电阻，通过测量此电阻上的电压即可推算出静态电流，电阻的值根据电压测量装置的分辨率和静态电流的幅值来确定。此种方法的缺点是电阻会造成CUT的 VDD引脚上电压显著地降低，因此应采取措施补偿电压降低的影响，同时还需旁路掉瞬变电流。,2020/4/6,南京航空航天大学,18,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.8 是改进的电流探测方案。图10.8(a)中采用增益足够大的运算发大器，其设计要求是能够补偿电阻上的压降，而且还能
10、够提供比较大的瞬态电流，显然这样的运算发大器设计难度比较大。图10.8(b)中是采用二极管来钳制电阻上的压降，但仍然存在0.60.8V的压降，因此在产品测试中难以应用。图10.8(c)中采用旁路三极管构成旁路路径，该三极管只有在瞬态过程才导通，瞬态过程结束后，电流只流经电阻。为了滤掉高频噪声，在被测电路的电源引脚加入一电容，如图10.8(d)所示。研究表明20002500pF的电容和400500电阻所组成的滤波网络，频带非常宽。,2020/4/6,南京航空航天大学,19,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.8 电流探测方案,2020/4/6,南京航空航天大学,20,南京航
11、空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.3.2 片内测试,片外电流测试存在测量分辨率不高、测试速度低、测试设备泄漏电流影响等缺点。此外测试设备的延迟、电流探头的LRC效应和探头机械尺寸的限制等也影响测量效果。片内测试则可以有效地解决这些问题，这种方法采用所谓的嵌入式电流传感器(Built-In Current Sensor，BICS)，其基本结构如图 10.9(a) 所示。,2020/4/6,南京航空航天大学,21,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.9 片内测试,2020/4/6,南京航空航天大学,22,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10
12、.10 被测电流与测量器件电压的关系,图10.10表达的是被测电流与分压值的关系，从此图可以看出：无故障时电路的IDDQ值最小，而浮栅与结泄漏、栅氧化针孔、桥接、VDDGND短路等缺陷存在下被测电路IDDQ值依次增大，分压器的分压也相应的增大。因此对不同的缺陷，分压器所取的分辨值不同。,2020/4/6,南京航空航天大学,23,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.4 故障检测,IDDQ不仅可以用于检测固定故障和恒定通故障，而且还可以用于检测桥接故障和一些恒定开路故障。不论用什么样的模型来模拟引起泄漏电流的缺陷，IDDQ测试都可以发现此类缺陷。,2020/4/6,南京航空航天
13、大学,24,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.11 电流测试法检测恒定导通故障,2020/4/6,南京航空航天大学,25,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.4.1 桥接,桥接缺陷是由于电路中两个或多个电节点之间短接造成的，而设计中并未设计这种短接。 这种短接的节点可能是某一个晶体管的，也可能是几个晶体管之间的，可能处于芯片上同一层，也可能处于不同层。晶体管之间短接的节点可看做逻辑门的节点，但只有很少一部分桥接缺陷可用固定型故障来描述。在晶体管级这类短接可由固定型故障、桥接故障、恒定通故障、一些恒定短路故障和泄漏故障来描述。图10.12是桥接缺陷的几
14、种图例。,2020/4/6,南京航空航天大学,26,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.12 桥接或开路缺陷,2020/4/6,南京航空航天大学,27,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.4.2 栅氧,栅氧缺陷包括针孔、枝蔓晶状体、热载子造成的俘获电荷、非化学计量的Si-SiO2界面以及与扩散区的直接短接等。 栅氧缺陷部分在氧化或热处理过程中形成，部分是由于静电或过应力造成。 图10.13(a)和图10.13(b)分别是栅氧与N区短接和栅氧针孔的图片。,2020/4/6,南京航空航天大学,28,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,(a)
15、栅氧与N+区短接,(b) 栅氧针孔引起存储单元字线泄漏,图10.13 栅氧短路,2020/4/6,南京航空航天大学,29,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.4.3 开路故障,开路缺陷是制造工艺不当造成的。物理缺陷中大约40属于开路缺陷。典型的开路缺陷包括线条断开、线条变细、阻性开路和渐变开路等。,(a)外来颗粒导致线条开路或变细,(b)颗粒造成7条线开路,(c)金属线2开路，金属线1短路,图10.14 开路缺陷举例,2020/4/6,南京航空航天大学,30,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.15 开路故障检测困难举例,2020/4/6,南京航空航天
16、大学,31,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.4.4 泄漏故障,无故障MOS晶体管的栅源之间、栅漏之间或栅衬底之间无电流，有些缺陷(例如阻性短接)虽然不影响电路正常逻辑功能，但造成晶体管一些端子之间存在泄漏电流，这类缺陷不能由传统的故障模型来描述，泄漏故障模型则专门描述此类缺陷。,2020/4/6,南京航空航天大学,32,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,MOS晶体管中，4个端子栅(g)、源(s)、漏(d)和衬底(b)中的任一个端子与其他端子之间可能存在泄漏电流，因此每个MOS晶体管电路就可能由6种泄漏故障：,Fgs栅源之间泄漏； Fgd栅漏之间泄漏； F
17、ds漏源之间泄漏； Fbs衬底与源之间泄漏； Fbd衬底与漏之间泄漏； Fbg衬底与栅之间泄漏。,2020/4/6,南京航空航天大学,33,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,右图10.16所示，是晶体管N2存在栅源泄漏故障Fgs，此故障只有当节点A为逻辑“0”时才可以由电流法检测得到，因此故障使得VDD和GND之间形成一泄漏电流路径。,图10.16 泄漏故障检测,2020/4/6,南京航空航天大学,34,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.4.5 延迟故障,研究表明，时间延迟的变化和静态电流的变换之间相关性很强，这种很强的相关性使得IDDQ测试成为测试延时故
18、障的可靠方法。一旦信号被延迟，转换电流衰减到静态电流值所需的时间就变长，因此可从正常转换时间和有故障时的转换时间之差检测出此时间差。对比于电压测试，电流测试只需要很少的测试图形就可完成延时故障检测。,2020/4/6,南京航空航天大学,35,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,表10.3 缺陷与SAF和IDDQ的关系,2020/4/6,南京航空航天大学,36,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.5 测试图形生成,10.5.1 基于电路级模型的测试图形生成,电路级模型采用的无方向的连接图来描述，连接图中垂直方向分别列出信号的VDD，GND和包括输出在内的电路中所
19、有节点，边代表晶体管，用相应的晶体管控制信号来命名。,图10.17 测试生成,2020/4/6,南京航空航天大学,37,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,对电路中短路故障测试生成：对N图(P图)中短接，给有故障的边置0(或1),对其他的边置1(或0)。,表10.4 晶体管中短路故障的测试图形,2020/4/6,南京航空航天大学,38,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.18 一与非门及其故障表,2020/4/6,南京航空航天大学,39,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.5.2 基于泄漏故障模型的测试图形生成,基于泄漏故障模型的测试图形
20、生成是运用门级的逻辑模拟信息，推断出晶体管级信息，避免对整个电路进行晶体管逻辑模拟。 这种方法的优点只需逻辑模拟。实验表明用基于泄漏故障模型的测试图形生成方法所进行的电流测试，只需要功能测试1%的测试图形。 首先，对每一种元件在输入/输出节点(必要时在内部节点)按相关的逻辑值分类，这个过程称为特征化，特征化是为了检测包含故障的元件。特征化只进行一次。特征化信息按元件的类型列在泄漏故障表中。然后，按照检查表选择电流测试图形。如图10.18所示。,2020/4/6,南京航空航天大学,40,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,10.6 深亚微米技术对电流测试的影响,电流测试基于的是无故
21、障电路静态电流远小于有故障电路静态电流。随着工艺特征尺寸减小，截止电流增大，无故障电路的静态电流与有故障电路的静态电流之间差距变小。,电流特征：为了提高区别好电路与无故障电路响应的分辨能力，提出了电流特征。电流特征描述技术根据特征符号来分析。特征符号是对所有测量值的幅值排序得来的，其根据是截止电流的状态相关性。,2020/4/6,南京航空航天大学,41,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图10.19 开路电流与偏压和温度的关系,2020/4/6,南京航空航天大学,42,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,控制截止电流的措施：,(1)测试时衬底反偏，这样会抬高器件的
22、阈值电压，减小静态电流； (2)测试过程中冷却器件，低温时阈值电压可随电源电压升高，减少漏电影响； (3)改变结构； (4)整个设计分块，对不同部分进行单个IDDQ测试。,2020/4/6,南京航空航天大学,43,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,习题1.考虑完备固定故障测试集。采用下图10.20给出的漏点故障表，生成这个电路的漏点故障测试集，识别测试所有漏电故障需要的最小故障测试矢量。回答项m52位于故障表中的第5行第2列，可以测试哪些漏电故障。,图10.20 一与非门及其故障表,2020/4/6,南京航空航天大学,44,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,习题2请写出下图所表示的逻辑，生成基于电路级模型的测试图形（假设电路中只存在短路故障），分别画出P，N两个子图以及组合图。,
