Defect and Fault Tolerance in VLSI

Dr. Marco Ottavi

Finalità

Introduzione e descrizione delle problematiche relative alla resa di produzione, collaudo e affidabilità  dei componenti e circuiti elettronici.

• Resa di produzione e collaudo  o Guasti e resa di produzioneo Generazione automatica dei vettori di collaudoo Tecniche di progettazione orientate al collaudo

• Metodologie di progetto per garantire affidabilità durante la vita utileo Misure della affidabilità di un sistemao Tecniche di progettazione fault toleranto Codici a correzione d'errore

Difetti di produzione e di funzionamento

•Si può distinguere tra difetti di produzione e difetti di funzionamento:

–Difetto di produzione: è presente al momento della produzione e causa conseguenza immediate sul compente che possono causare dei guasti, esempio:

• difetti spot • difetti sistematici• etc

–Difetto di funzionamento: sono difetti che si attivano dopo un periodo di funzionamento tramite i cosiddetti failure mechanisms. Esempi:

• Rottura dell’ossido di gate• Contatti e riempimenti delle vie incompleti• Elettromigrazione• etc

•I difetti di produzione sono l’obiettivo del collaudo mentre i difetti di funzionamento sono l’obiettivo dell’affidabilità

Definizioni di LambdaCome effetto dei difetti di produzione: In fase di produzione  λ   è il numero medio di guasti sul chip e viene calcolato in base al risulato dei collaudi e a modelli matematici sulle dimensioni dei difetti e del layout

Come effetto dei difetti di funzionamento:  λ  o failure rate è la frequenza con cui un sistema o un componente si guastano ed è espresso in guasti per unità di tempo (per esempio guasti in un’ora). Viene calcolato in base a dati empirici e modelli sul deterioramento dei componenti

Relazione tra guasti ed affidabilitàLa presenza di guasti su un componente in fase di produzione e lo svilupparsi di guasti su un componente durante la sua vita utile sono eventi correlati.I meccanismi che causano l’insorgere dei guasti possono essere analoghi, ma con un tempo di attivazione diverso

Andamento dei guasti n funzione del tempo, la curva ha un tipico andamento ad U.Tre fasi:1.Mortalità infantile (il failure rate decresce)2.Vita utile (il failure rate è costante)3.Invecchiamento (Il failure rate cresce)Il numero di componenti guasti al momento della produzione può essere visto come l’effetto del failure rate a tempo zero

Resa di produzione e collaudo  

La produzione dei componenti elettronici è inevitabilmente affetta dalla presenza di difetti. I difetti possono causare guasti funzionali (functional faults) che riducono la resa del processo di produzione.

Il collaudo (test)  è finalizzato a verificare se la presenza di difetti altera le funzionalità attese dal componente. 

In un lotto di produzione il rapporto tra il numero di componenti non guasti e il numero totale di componenti prodotti rappresenta la resa del processo produttivo (manufacturing yield).

Flusso realizzativo di un progetto VLSI

Determine requirements

Write specifications

Design synthesis and Verification

Fabrication

Manufacturing test

Chips to customer

Customer’s need

Test development

Definizioni

• Sintesi di progetto (Design synthesis): Data una funzione di I/O, sviluppare una procedura per produrre un componente usando materiali e processi produttivi noti

• Verifica (Verification): Analisi predittiva che assicura che quando il progetto sarà sintetizzato si comporterà seguendo la data funzione di I/O

• Collaudo (Test): Un passo del processo di produzione che assicura che il componente fisico generato dal progetto sintetizzato non abbia guasti

Differenze tra Verifica e Collaudo

• Verifica la correttezza del progetto.

• Fatta tramite simulazione, emulatori hardware o metodi formali.

• Fatta una volta sola prima della produzione.

• Responsabile per la qualità del progetto.

• Verifica la correttezza dell’hardware prodotto.

• Il processo si articola in due parti:

– 1. Generazione dei vettori di test: processo software che viene eseguito solo una volta per ogni iterazione del progetto

– 2. Applicazione dei test: i test elettrici sono effettivamante applicati all’hardware

• Ogni componente prodotto passa tramite il passo della applicazione dei test

• Responsabile per la qualità dei componenti

Layout di un componente VLSI

• Il processo di produzione a strati:– Substrato di silicio su cui

vengono realizzati i transistor– Livelli di metallizazione

successivi per il routing dei segnali e delle alimentazioni.

– Connessioni verticali si chiamano via

Difetti di produzione

Durante il processo produttivo i componenti possono essere interessati da:

Difetti spot• Impurità

o missing material che può causare circuiti apertio extra material che può causare corto circuiti

Difetti sistematici• Process variation: che causa variazioni nelle specifiche dei

transistor• Difetti sulle maschere

Difetti di produzione

Gli effetti dei difetti sistematici sono per lo più presenti nelle fasi iniziali di un nuovo processo produttivo, per esempio al passaggio a un nuovo nodo tecnologico come lo scaling da 65 nm a 45 nm. Parte di questi difetti come per esempio errori sulle maschere vengono individuati e rimossi col maturare del processo produttivo.   I difetti spot continuano ad interessare il processo produttivo durante tutta la sua vita e sono una causa dominante di guasti in un processo maturo.

Esempio di Difetti Spot

I difetti spot possono essere modellizzati come la presenza di impurità di diametro variabile che possono essere conduttive o meno. Esempi:

Esempio di Difetti Spot

• Esempi di difetti spot da microscopio elettronico riportati sullo standard militare Americano MIL-STD-883G che regola le procedure per il test dei dispositivi microelettronici destinati ad uso militare

Area critica

• Per diventare un guasto un difetto deve essere in una posizione e dimensione tale da causare un'interruzione o un corto tra due piste. 

• Per calcolare la densità di guasti corrispondente ad una certa densità di difetti viene usata la definizione di area critica.

• Area critica: Per un determinato tipo di  difetto, si definisce area critica Ac(x) l'area nella quale un  difetto di diametro x deve cadere per causare un guasto. Se si considera una distribuzione uniforme dei centri dei difetti la percentuale di difetti che causano un guasto per difetti di diametro x è:

• f(x) = Ac(x)/Atot• dove Atot è l'area toale del chip

Area critica

Esempio di area critica per difetti di tipo extra material:

Area critica

• Per ottenere la probabilità di guasto l'area critica deve essere mediata con la funzione di distribuzione di probabilità delle dimensioni dei difetti.  

• La funzione di distribuzione d(x) è calcolata empiricamente ed ha un andamento approssimativamente triangolare 

http://www.design-reuse.com/articles/10850/improving-yield-in-rtl-to-gdsii-flows.html

Densità di difetti

La probabilità di difetti a raggio nullo è uguale a 0, raggiunge un massimo e poi ha un andamento decrescente al crescere del raggio. Se d è la densità media totale dei difetti di tutte le dimensioni:

)()( xsdxd

W. Kuo, W. Chien, T. Kim, Reliability, Yield and Stress Burn-in 1998

Come si vede nella figura comparato all’area critica di destinazione solo le yield failures causano guasti, tuttavia guasti più piccoli possono causare problemi di affidabilità

Lambda

Facendo la media sui diametri dei difetti con l'area critica si ottiene il numero di guasti causati da difetti la cui area è comparabile all’aea critica.

dove       è il numero medio di guasti sul chip.

dAdxxsdxfAdxxdxA ctotc

)()()()(00

Resa Produttiva Definizione

La resa produttiva (manufacturing Yield) rappresenta la percentuale di chip funzionanti sul totale del lotto di produzione.

La resa è una funzione del numero medio di guasti per chip lambda.

Il die (letteralmente dado) è il componente prima di essere incluso nel suo packagingIl chip è il componente nel packaging quando viene venduto

%)100(tot

good

N

NY

Fabbricazione del silicio

• Il Quarzo o Silice, è fatto di ossido di silicio

• La sabbia contiene molti piccoli granelli di quarzo

• Il silicio può essere prodotto artificialmente da Silice e Carbonio in una fornace elettrica: SiO2 + C → Si + CO2

• Questo processo dà un silicio policristallino (fatto di molti cristalli)

• I circuiti integrati di uso pratico richiedono materiale monocristallino

Crescita del silicio monocristallino

• Processo Czochralski è una tecnica per creare silicio monocristallino

• Un seme di cristallo solido viene fatto girare e lentamente estratto da una vasca di Silicio fuso

• Richiede un controllo molto accurato per ottenere cristalli di una voluta purezza e dimensione

www.uta.edu/ronc/4345sp02/lectures/L09a_4345_Sp02.ppt

Cilindro monocristallino

• Il cilindro di silicio viene chiamato lingotto

• Un lingotto tipico è lungo circa 1 o 2 metri

• Può essere affettato in centinaia di fette circolari chiamate Wafer

• Ogni Wafer fornisce fino a migliaia di circuiti integrati

Produzione del Wafer

• Il cristallo di silicio è affettato in wafer sottili usando una sega con punte di diamante

• I wafer vengono ordinati per spessore• I wafer danneggiati vengono rimossi durante la fase di lappatura

– La lappatura (lapping) rimuove il silicio di superficie che si è spaccato o altrimenti danneggiato durante la fase di affettamento tramite abrasivi

• Dopo la lappatura viene fatto Etching sui Wafer con prodotti chimici per rimuovere ogni rimanente danno sul reticolo cristallino

• La fase finale di Polish è un processo chimico/meccanico che livella le superfici lasciate ineguali dai passi precedenti

Wafer

Il wafer è un disco di silicio su cui vengono ricavati tramite litografia molte copie dei singoli chip o die

Wafer

Dimensioni dei wafer in commercio

• 1 inch.• 2 inch (50.8 mm) • 3 inch (76.2 mm)• 4 inch (100 mm)• 5 inch (127 mm) or 125 mm (4.9 inch)• 150 mm (5.9 inch, usually referred to as "6 inch").• 200 mm (7.9 inch, usually referred to as "8 inch")• 300 mm (11.8 inch, usually referred to as "12 inch" or "Pizza

size" wafer). • 450 mm ("18 inch"). (atteso)

Litografia

http://dot.che.gatech.edu/henderson/Introductions/microlithography%20intro.htm

Wafer

• I guasti sono distribuiti sul Wafer

• Il numero di guasti riduce la resa

• Esempio: – 26 dies– 8 guasti– Yield = 18/26 =

69%

Probabilità di guasto - Poisson

La funzione di densità di probabilità del numero di k guasti per chip è tipicamente rappresentata da una distribuzione di Poisson:

nel caso semplice in cui non ci sia ridondanza nel chip la resa corrisponde alla probabilità che non ci siano guasti sul chip.

k!

 ek}{X

- k

P

-

0-

e 0!

 e}0{X

PY

Effetto di raggruppamento dei guasti

E' stato provato che la distribuzione di Poisson che si basa sull'assunzione che la distribuzione dei guasti sul wafer sia uniforme è in effetti troppo pessimistica poichè non tiene in conto dell'effetto di raggruppamento (clustering) dei guasti notato in produzione

Probabilità di guasto - Negative binomial

La funzione che meglio approssima la resa in presenza di clustring è quella derivata dalla distribuzione negative binomial ed ha la seguente formula:

dove rappresenta l'effetto di clustering ed è tipicamente considerato circa uguale a 2 nell'industria.Se tende ad infinito la distribuzione diventa la Poisson.

k

k

k

kkXp

1)(!

)()(

Probabilità di guasto - Negative binomial

Come con la distribuzione di Poisson, nel caso semplice in cui non ci sia ridondanza nel chip la resa corrisponde alla probabilità che non ci siano guasti sul chip.

1)0(XPY

Aspetti economici

Il costo per chip dipende dal costo per die e dai costi di test e costo di packaging:

Ciascuna ci queste componenti deve essere ottimizzata.Il Costo per die è funzione della resa produttiva

ptdc CCCC

Dies per wafer e costo

il costo di un die è il rapporto tra il costo per Wafer e il prodotto della resa del wafer e la resa produttiva

La resa del Wafer è il numero di die che si ottengono in un wafer ed è data da una formula geometrica approssimata che considera il rapporto tra l'area del wafer circolare e i die  rettangolari

YN

CC

w

wd

Dies per Wafer e costo

•Dove:•dw è il diametro del Wafer•Ad è l’area di un die

•Il primo termine è semplicemente il rapporto tra le aree e il secondo è un termine correttivo che tiene in considerazione gli effetti di bordo

d

w

d

ww

A

d

A

dN

2

)2/( 2

Esempio• Considerando  un die di 0.30 cm2 per un microcontrollore

prodotto usando un Wafer di diametro 300 mm e un costo per un Wafer di 5000 €

• Considerando una densità di difetti 0.2/cm2 ed α=2, quale è il costo per die?

Soluzione

Approssimazione dell’area critica con l’area reale La formula per la resa diventa:

Il numero di die per wafer è:

Pertanto il costo per die è:

dA

94,02

2,03,011

2

dA

Y

52,2234121,67 - 2356,193,02

30

3,0

)2/30( 2

wN

38,294,052,2234

5000

dC €

Costo per il test

• Il collaudo o test dei componenti elettronici prodotti viene compiuto tramite l’uso di apparati generalmente molto costosi e ad alte prestazioni chiamati Automated Test Equipment.

• Pertanto il costo del test di un componente è calcolabile in base al costo per l’ammortamento (svalutazione) la manutenzione e il funzionamento dell’ ATE durante la sua vita utile.

• Il Costo annuale viene ridotto a costo per secondo e moltiplicato per il tempo necessario al test del singolo componente. Infine il costo viene ripartito solo sui componenti vendibili ossia si divide il risultato per la resa

Yt

CCCC t

yf

ym

ya

t

1

360024365

Costo per il test: Esempio

• Esempio dal libro:• Un ATE allo stato dell’arte può applicare test a frequenza maggiori di

250 MHz.• Il costo per l’acquisto di un tester è composto da una parte fissa e da una

parte variabile in base al numer di pin.• Esempio: un tester a 500MHz costa $1,2M + (1024 pins * $3000/pin) =

$4,272M.• Costo di funzionamemnto annuale: Svalutazione + Mantenimento +

costo di funzionamento= $0,85M + $0,085M + $0,5M = $1,439M/anno.• Costo del test per funzionamento ininterrotto: $1,439M/(365 * 24 *

3600) = 4,5 cents/secondo.• Tempo di test per un ASIC digitale= 6 secondi o 27 cents.• Per una resa del 65%, la parte del prezzo di vendita dovuto al test è

27/0,65 = 41,5 cents.

Tipi di Testing

• Verification testing, characterization testing– Verifica la correttezza del progetto e delle procedure

di collaudo – di solito richiede correzioni al progetto

• Manufacturing testing– Collaudo di fabbrica di tutti i chip prodotti per guasti

parametrici e difetti casuali

• Acceptance testing (incoming inspection)– Collaudo svolto dai clienti sui chip acquistati per

verificarne la qualità

Automatic Test Equipment (ATE)• ATE: sistemi complessi e molto costosi ITRS 2003

test-cost predizione del costo per-pin:– Short term $1K to $3K (up to 2009)– Long term $2K to $4K (2010 to 2016);

• Si compone di– Un computer – Un DSP– Un programma di test scritto in un linguaggio di alto

livello che gira sul computer– Probe Head (con i contatti per i pin del chip)– Probe Card o Membrane Probe (contiene elettronica di

misura dei segnali)

Il test in sintesi

Manufacturing Test

• Determina se i chip prodotti rispettano le specifiche– Può fare il binning delle parti in base alle loro specifiche

• Deve coprire alte percentuali di guasti• Deve minimizzare i tempi di test (e quindi i costi)• Non svolge alcuna diagnosi di guasto• Collauda ogni dispositivo sul chip• Il test deve avvenire alla velocità cui operano i

dispositivi

Burn-in or Stress Test• Processo:

– Sottopone i chip a alte temperature e sovratensioni di alimentazione, durante l’esecuzione di collaudi di produzione

• Che cosa rileva:– Casi di mortalità infantile – chip danneggiati che

tipicamente si rompono nei primi due giorni di applicazione – questi guasti vengono provocati intenzionalmente prima che i chip vengano mandati ai clienti

– Freak failures – dispositivi con gli stessi meccanismi di guasto dei dispositivi affidabili ma che si guastano sotto condizioni di stress per guasti non tipicamente modellabili con difetti, ad esempio problemi col wire bonding

Incoming Inspection(Test di accettazione)

• Può essere:– Simile al test di produzione– Più esaustiva del test di produzione– Orientata ad applicazioni specifiche

• Spesso viene fatto su un campione casuale di dispositivi– Le dimensioni del campione dipendono dalla qualità dei

dispositivi e dalle specifiche di affidabilità dei sistemi – Evita di inserire dispositivi difettosi in sistemi dove i costi

di diagnosi eccedono quelli della incoming inspection

ADVANTEST Model T6682 ATE

Tipi di test di produzione

• Wafer sort o probe test – viene fatto prima che il wafer sia tagliato nei singoli die– Include la caratterizzazione di alcuni dispositivi di test

che sono inseriti nel wafer per lo specifico scopo di essere usati per misurare parametri di produzione come:

• Tensioni di soglia• Resistenza del polisilicio • etc.

• Packaged device tests– Test dei componenti dopo il loro inserimento nel

packaging.

Tipi di test

• In generale ogni chip passa attraverso due fasi di test– Test Parametrico – misura le proprietà elettroniche

dei pin di I/O – ritardi, tensioni, correnti, etc. – veloce ed economico

– Funzionale /strutturale– usato per coprire una percentuale molto alta di guasti modellati collauda ciascun transistor e connessione nei circuiti digitali – lungo e costoso, oggetto dell’ATPG

Analisi dei dati ottenuti dal test• Utilizzio dei dati provenienti dagli ATE:

– Eliminazione dei DUTs malfunzionanti– Informazioni sul progetto di fabbricazione– Informazioni sulle debolezze di progetto

• I dispositivi che passano il collaudo sono sicuramente corretti solo se i vettori di collaudo coprono il 100% dei guasti

• Failure mode analysis (FMA)– Diagnosi delle cause dei dispositivi malfunzionanti– Permettono di migliorare il progetto logico & e le regole

di layout