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Memory的可測(cè)試性設(shè)計(jì)Mbist

隨著半導(dǎo)體工藝尺寸不斷縮小，IC設(shè)計(jì)的規(guī)模越來越大，高度復(fù)雜的IC產(chǎn)品正面臨著高可靠性、高質(zhì)量、低成本以及更短的產(chǎn)品上市周期等日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面隨著半導(dǎo)體工藝尺寸的縮小，嵌入式存儲(chǔ)器可能存在的缺陷類型越來越多；另一方面，隨著IC產(chǎn)品的復(fù)雜度的提高，ROM、RAM、EEPROM在IC產(chǎn)品中的比重越來越大。

嵌入式存儲(chǔ)器的可測(cè)試設(shè)計(jì)技術(shù)包括直接測(cè)試、用嵌入式CPU進(jìn)行測(cè)試和內(nèi)建自測(cè)試技術(shù)(MBIST)。直接測(cè)試方法利用自動(dòng)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，可以輕易實(shí)現(xiàn)多種高質(zhì)量測(cè)試算法，但是這種方法存在著一些不足之處，一是在ATE機(jī)上實(shí)現(xiàn)的算法越復(fù)雜，對(duì)ATE機(jī)存儲(chǔ)器的容量要求越高，測(cè)試的費(fèi)用也就越高；二是在ATE機(jī)上不易實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式存儲(chǔ)器的“全速”測(cè)試，測(cè)試時(shí)鐘的工作頻率越高，測(cè)試成本越高；三是由于芯片外圍管腳的限制，對(duì)芯片內(nèi)大容量嵌入式存儲(chǔ)器進(jìn)行直接測(cè)試往往不大現(xiàn)實(shí)。利用嵌入式CPU進(jìn)行測(cè)試的好處在于不需要對(duì)設(shè)計(jì)硬件做任何修改，而且測(cè)試算法的修改與實(shí)現(xiàn)可以通過靈活修改CPU軟件程序完成。但是這種方法也存在缺點(diǎn)，首先是設(shè)計(jì)中的CPU并沒有和所有的嵌入式存儲(chǔ)器直接相連，其次編寫或修改軟件程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)試算法需要耗費(fèi)大量的人力，另外這種方法還很難對(duì)存儲(chǔ)CPU程序的存儲(chǔ)器進(jìn)行測(cè)試。

MBIST技術(shù)的缺點(diǎn)是增加了芯片的面積并有可能影響芯片的時(shí)序特性，然而，隨著存儲(chǔ)器容量的增加，這種方法所增加的芯片面積所占的比例相對(duì)很小，而且這種測(cè)試技術(shù)還有很多其它技術(shù)優(yōu)勢(shì)。首先它可以實(shí)現(xiàn)可測(cè)性設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)通用存儲(chǔ)器測(cè)試算法，達(dá)到高測(cè)試質(zhì)量、低測(cè)試成本的目的；其次MBIST電路可以利用系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行“全速”測(cè)試，從而覆蓋更多生成缺陷，減少測(cè)試時(shí)間；最后它可以針對(duì)每一個(gè)存儲(chǔ)單元提供自診斷和自修復(fù)功能。此外MBIST的初始化測(cè)試向量可以在很低成本的測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行。所以，從高測(cè)試質(zhì)量、低測(cè)試成本的角度考慮，MBIST是目前嵌入式存儲(chǔ)器測(cè)試設(shè)計(jì)的主流技術(shù)。

MBIST概述

BIST是一種結(jié)構(gòu)性DFT技術(shù)，它將器件的測(cè)試結(jié)構(gòu)置于該器件內(nèi)部。BIST結(jié)構(gòu)可以測(cè)試多種類型的電路，包括隨機(jī)邏輯器件和規(guī)整的電路結(jié)構(gòu)如數(shù)據(jù)通道、存儲(chǔ)器等。BIST電路視其應(yīng)用對(duì)象不同其實(shí)現(xiàn)存在顯著差異，但任何類型的BIST都有共同的用途。BIST結(jié)構(gòu)可以針對(duì)目標(biāo)電路自動(dòng)生成各種測(cè)試向量，并對(duì)輸出響應(yīng)進(jìn)行比較。目標(biāo)電路的類型也呈現(xiàn)多樣化特征，它可以是整個(gè)芯片設(shè)計(jì)，也可以是設(shè)計(jì)模塊或設(shè)計(jì)模塊中的某個(gè)結(jié)構(gòu)。此外，測(cè)試向量生成以及輸出比較電路也可能存在差異。

下面我們主要探討MBIST。大型、復(fù)雜電路通常包含多處難以測(cè)試的邏輯部分，即使就可測(cè)試性最好的大型設(shè)計(jì)而言，也同樣需要耗費(fèi)大量測(cè)試生成時(shí)間、占用大量的ATE存儲(chǔ)器和ATE測(cè)試時(shí)間，所有這些都是非常昂貴，但對(duì)于采用ATPG方法進(jìn)行測(cè)試而言又是必需的。另外，由于存儲(chǔ)器缺陷類型不同于一般邏輯的缺陷類型，存儲(chǔ)器在較大規(guī)模設(shè)計(jì)之中層次較深，ATPG通常不能提供完備的存儲(chǔ)器測(cè)試解決方案，而MBIST技術(shù)則可以解決這些問題。BIST能夠在不犧牲檢測(cè)質(zhì)量的前提下提供一種存儲(chǔ)器測(cè)試解決方案，在很多情況下，BIST結(jié)構(gòu)可以徹底消除或最大限度減少對(duì)外部測(cè)試向量生成(以及ATE機(jī)存儲(chǔ)器容量)和測(cè)試應(yīng)用時(shí)間的需要。設(shè)計(jì)人員可以在某設(shè)計(jì)內(nèi)部執(zhí)行MBIST電路，并由于MBIST電路鄰近被測(cè)試的存儲(chǔ)器而輕易實(shí)現(xiàn)全速測(cè)試，設(shè)計(jì)人員也可以從該設(shè)計(jì)的較高層次運(yùn)行MBIST流程。

MBIST電路以某項(xiàng)設(shè)計(jì)中的RAM和ROM模型為目標(biāo)。前面已經(jīng)提到，由于存儲(chǔ)器缺陷類型不同于一般邏輯的缺陷類型，所以檢測(cè)RAM和ROM不同于檢測(cè)隨機(jī)邏輯，MBIST針對(duì)檢測(cè)RAM和ROM共有的缺陷類型采用了有效的電路和算法。MBIST電路還可以基于各種算法生成多種測(cè)試向量，每種測(cè)試向量都著重測(cè)試一種特定的電路類型或錯(cuò)誤類型。比較電路具有多種獨(dú)特的實(shí)現(xiàn)方式，其中包括比較器和標(biāo)簽分析器。存儲(chǔ)器電路模型一般由三個(gè)基本模塊組成，分別是地址譯碼器、讀/寫控制邏輯以及存儲(chǔ)單元陣列(圖1)。

MBIST架構(gòu)

MBIST通常采用一種或多種算法為測(cè)試存儲(chǔ)器一種或多種缺陷類型而特別設(shè)計(jì)，MBIST電路包括測(cè)試向量產(chǎn)生電路、BIST控制電路、響應(yīng)分析器三部分(圖2)。

測(cè)試向量產(chǎn)生電路可生成多種測(cè)試向量，不同的測(cè)試算法實(shí)現(xiàn)的電路所產(chǎn)生的測(cè)試向量?jī)?nèi)容也不同；BIST控制電路通常由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，控制BIST對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫操作，響應(yīng)分析器既可以用比較器實(shí)現(xiàn)，也可以用壓縮器多輸入移位寄存器(MISR)電路實(shí)現(xiàn)，它對(duì)照已知正常的存儲(chǔ)器響應(yīng)，比較實(shí)際存儲(chǔ)器模型響應(yīng)并檢測(cè)器件錯(cuò)誤。

采用比較器實(shí)現(xiàn)的MBIST電路如圖3所示，該電路提供兩個(gè)標(biāo)志輸出信號(hào)tst_done和fail_h通知系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)程的狀態(tài)和結(jié)果。tst_done在測(cè)試結(jié)束時(shí)被置為有效狀態(tài)，在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤，fail_h信號(hào)即置為有效并保持到測(cè)試結(jié)束。采用壓縮器實(shí)現(xiàn)的MBIST電路如圖4所示，該電路提供了基于MISR的比較技術(shù)，測(cè)試結(jié)束后可以輸出壓縮后的標(biāo)簽寄存器結(jié)果。

通常情況下，MBIST電路不僅可以篩選出失效的器件，還能夠自動(dòng)分析失效的原因，此時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)同時(shí)被用來分析定位存儲(chǔ)器失效的具體地址空間。

此外，特殊的MBIST電路還可以提供自診斷和自修復(fù)功能。在MBIST電路中引入內(nèi)建自分析模塊，BIST模塊根據(jù)失效的數(shù)據(jù)和地址等信息輸出相應(yīng)的控制信號(hào)R2R1R0，把系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器失效地址空間的讀寫操作指向用于自修復(fù)冗余設(shè)計(jì)。

MBIST電路通常還包括BIST Collar模塊，BIST Collar模塊的內(nèi)容包括流水處理電路、掃描旁路電路、多路復(fù)用器電路和MISR電路等，其中掃描旁路電路最為常用(圖5)。

MBIST實(shí)現(xiàn)與EDA工具

MBIST工具允許設(shè)計(jì)人員將更多時(shí)間花在設(shè)計(jì)工作中，而不是在有關(guān)測(cè)試的問題上憂心忡忡。工具已經(jīng)內(nèi)建了開發(fā)存儲(chǔ)器測(cè)試和管理BIST電路所必需的知識(shí)，其生成的故障診斷電路允許設(shè)計(jì)人員對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和分析。它可以產(chǎn)生相應(yīng)的testbench，方便對(duì)MBIST外圍電路邏輯開展驗(yàn)證，還可產(chǎn)生相應(yīng)的自動(dòng)化腳本文件以有助于邏輯綜合的自動(dòng)化運(yùn)行。此外對(duì)任何EDA工具來說，要想有效工作就必須能夠適應(yīng)設(shè)計(jì)者現(xiàn)有的設(shè)計(jì)流程，遵循各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

MBISTArchitect是Mentor公司提供的MBIST自動(dòng)化EDA工具。它可以針對(duì)一個(gè)或多個(gè)嵌入式存儲(chǔ)器開發(fā)嵌入式測(cè)試電路，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器單元或陣列的RTL級(jí)內(nèi)建自測(cè)試電路。它支持多種測(cè)試算法，可對(duì)一個(gè)或多個(gè)內(nèi)嵌存儲(chǔ)器自動(dòng)創(chuàng)建BIST邏輯，并完成BIST邏輯與存儲(chǔ)器的連接，另外還能在多個(gè)存儲(chǔ)器之間共享BIST控制器，實(shí)現(xiàn)并行測(cè)試，從而縮短測(cè)試時(shí)間并節(jié)約芯片面積。MBIST結(jié)構(gòu)中還可以包括故障的自動(dòng)診斷功能，方便了故障定位和開發(fā)針對(duì)性的測(cè)試向量。