淺析DRAM測試和檢查設(shè)計方案

　　隨著對缺陷和工藝可變性的日益關(guān)注，DRAM制造商繼續(xù)要求具有成本效益的篩選和工藝改進解決方案，但隨著更快接口和多芯片封裝的推出，滿足這一需求變得更加困難。

　　動態(tài)隨機存取存儲器在各種電子設(shè)備中扮演著重要角色，從電話和個人電腦到汽車中的ECU和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器。同樣，它也是AI/ML中的一個必要組件，其中需要處理和存儲的數(shù)據(jù)量正在快速增長。曾經(jīng)簡單的內(nèi)存現(xiàn)在是一整個系列的選項，從廉價到具有更快讀/寫操作事務(wù)的高容量dram（512 GB到1TB）。

　　不過，DRAM也有一些獨特的挑戰(zhàn)。盡管這種存儲器的成本歷來很低，但對質(zhì)量和可靠性的需求卻在不斷增長，尤其是在安全和任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中。這與位單元的持續(xù)縮小不一致，這使得它們更容易受到缺陷和工藝可變性的影響。雖然自我修復(fù)和錯誤檢測代碼（ECC）方案可以解決制造缺陷，但工程團隊仍然依賴檢查和電氣測試來完成繁重的工作。

　　質(zhì)量和RAS（可靠性、可訪問性和可維護性）預(yù)期因應(yīng)用而異。根據(jù)內(nèi)存和處理之間的數(shù)據(jù)量和傳輸速度，數(shù)據(jù)速率和接口有很大不同。這高帶寬存儲器（HBM）接口增加了它自己的復(fù)雜程度，因為它使DRAMs能夠從電路板和DIMM插槽遷移到2.5D和3D封裝。

　　的內(nèi)存和系統(tǒng)工程高級主管Tadashi Oda表示：“DRAM行業(yè)一直在改進其內(nèi)存產(chǎn)品線，以適應(yīng)多樣化的應(yīng)用Advantest America?！捌鸪?，DRAM只是計算機的一種類型。但今天，應(yīng)用范圍從PC、服務(wù)器、移動/平板，到IoT、AI/ML、汽車。結(jié)果，我們有了DDR、LPDDR、GDDR和HBM。每個DRAM都有獨特的技術(shù)挑戰(zhàn)，我們預(yù)計會有越來越多的細(xì)分和挑戰(zhàn)?！?/p>

　　晶片檢測和過程控制

　　當(dāng)在最接近缺陷和工藝變化發(fā)生的工藝步驟捕獲有意義的數(shù)據(jù)時，新DRAMs的產(chǎn)量上升是最有效的。產(chǎn)量、工藝和器件工程師依靠晶圓生產(chǎn)過程中的檢測來篩選缺陷并提供工藝可變性的反饋。此外，工程團隊通過將工藝變化或缺陷與來自晶片的位圖故障聯(lián)系起來，測量晶片制造期間的關(guān)鍵器件電參數(shù)。

　　更高的缺陷水平是DRAM單元不斷縮小的直接結(jié)果。Neumonda首席執(zhí)行官Peter p CHMüller解釋說：“現(xiàn)代DRAM技術(shù)使用帶有堆疊電容器的掩埋字線結(jié)構(gòu)，其中字線位于硅表面下方，以減少短溝道效應(yīng)。在制造過程中會出現(xiàn)許多影響DRAM性能的缺陷，這是存儲器制造商通常要測試的。一個例子是蝕刻過程中的污染，其中顆粒會阻礙光刻或蝕刻過程。缺陷的另一個來源是晶片中的污染。如果晶片被污染，銅或其他離子會在晶片內(nèi)移動，并導(dǎo)致諸如可變保留時間的影響。當(dāng)然，制造工藝本身存在變化，導(dǎo)致隔離層厚度的邊際效應(yīng)，這會導(dǎo)致存儲器的電容耦合變化。晶片晶格中的缺陷會導(dǎo)致DRAM單元機制中的暫時或永久泄漏

　　更高的采樣率，可以高達100%，有助于更快地發(fā)現(xiàn)缺陷。這在汽車等行業(yè)尤為重要，在這些行業(yè)中，客戶對極高質(zhì)量的要求——少至十億分之十（ppb）——也推動了更高的檢測率。

　　“總的來說，檢測率實際上取決于晶圓/組裝制造的工藝步驟和目的，”的產(chǎn)品營銷經(jīng)理Nathan Peng說創(chuàng)新。例如，對于前端光刻后檢查（開發(fā)后檢查，或ADI ），檢查步驟不一定需要100%取樣。如果客戶希望在光刻過程中監(jiān)控工藝偏差，采樣可能相對較低，尤其是對于成熟節(jié)點。另一方面，對于出貨質(zhì)量保證等過程步驟，100%抽樣是必須的，因為其目的是為了出貨晶圓質(zhì)量控制，根據(jù)缺陷率要求決定接受或拒絕晶圓或芯片?！?/p>

　　器件和成品率工程師早在FEOL時就使用電氣測試來深入了解工藝變化?！?a target="_blank">參數(shù)測試是一種測量電氣特性（閾值電壓、開/關(guān)電流、電容等）的檢查。的晶圓測試解決方案營銷經(jīng)理Yasuhiko Iguchi說道是德科技。“隨著DRAM工藝節(jié)點的進步和NAND堆疊層數(shù)的增加，關(guān)鍵存儲元件的設(shè)計余量不斷縮小。由于這種收縮，存儲器件變得容易受到影響保持力、性能或可靠性工藝變化的影響。使用基本存儲電路元件的電測試的過程控制監(jiān)控在晶片生產(chǎn)中變得更加重要，用于檢查那些基本元件的電特性的變化。典型地，在晶片上制造晶體管層（在線）和在晶片上制造接觸焊盤（生產(chǎn)線末端）之后進行測試

　　晶圓測試后，產(chǎn)量工程師使用故障DRAM單元的位圖來鎖定可能的缺陷源。該位圖來自所有測試的通過/失敗數(shù)據(jù)的光柵化。

　　Onto Innovation軟件產(chǎn)品管理總監(jiān)Mike McIntyre表示：“內(nèi)建自測（BiST）仍然是創(chuàng)建最適合在單元級別將線內(nèi)缺陷與器件影響相匹配的內(nèi)存結(jié)果的基礎(chǔ)和黃金標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)與位圖模式分類器結(jié)合使用時，BiST使器件工程師能夠真正了解器件在傾斜時的靈敏度

　　制造測試要求

　　DRAM測試發(fā)生在晶圓探針和封裝測試。最終組裝的封裝、終端系統(tǒng)要求和成本考慮推動了測試流程，包括ATE要求和相關(guān)測試內(nèi)容。

　　工程師使用兩個插件來管理巨大DRAM陣列的長測試時間和高速接口的要求。在第一種情況下，所有的內(nèi)存測試算法都以較低的速度應(yīng)用。對于第二個芯片（也稱為已知良好的芯片），使用芯片的高速接口，并以運行速度運行內(nèi)存測試算法。這兩種插入在晶片測試期間執(zhí)行，并且對于封裝測試可以重復(fù)這兩種插入。

　　“晶圓測試以大約100MHz的相對較低的頻率進行，以識別薄弱的單元，然后修復(fù)它們。出于成本原因，平行度需要很高，并且通過每個晶片大約四次觸地來實現(xiàn)，”Neumonda的p CHMüller說。“這需要具有20，000根針和每根針2.5g的高成本探針卡。它給每個晶片增加了大約50公斤的高壓。KGD測試需要更高速的陣列和后端全速測試，這需要通過探針卡來執(zhí)行。這需要低并行度和高速探針卡。出于這個原因，KGD通常不支持最高速度的等級?！?/p>

　　老化過程可用于加速可靠性相關(guān)的缺陷發(fā)現(xiàn)，在切換電路信號的同時向DRAM施加高溫和高電壓。晶圓級老化和封裝級老化系統(tǒng)均可用。在某些情況下，可以添加系統(tǒng)級測試，在其中測試實際工作負(fù)載。

　　晶圓級老化有幾個原因。一是提高用于3D封裝的DRAM芯片的可靠性。賣威化是另一個原因。Advantest的Oda表示：“一些DRAM廠商將DRAM作為晶圓出售，而不是封裝?！薄叭缓?，買家包裝和測試DRAM。在這種情況下，DRAM廠商應(yīng)該保證晶圓級質(zhì)量。他們無法進行封裝老化，因此需要在發(fā)送給客戶之前在晶圓上進行。”

　　晶圓級測試和老化（WLTBI）使內(nèi)存供應(yīng)商能夠?qū)A上的所有芯片施加壓力，以識別邊緣和故障單元。這使得能夠去除嬰兒死亡率芯片，以提高多芯片/異質(zhì)模塊產(chǎn)量。模塊是通過使用幾種不同的技術(shù)構(gòu)建的，如微處理器、內(nèi)存、硅光子學(xué)等。其中每種技術(shù)都需要不同的電壓、時間和溫度應(yīng)力要求，這只能在特定技術(shù)的晶圓上完成。此外，WLTBI期間對存儲器的散熱要求也在不斷提高，密度和頻率的增加推動了對晶圓散熱能力的需求，也推動了系統(tǒng)供應(yīng)商提供更高的性能?！?/p>

　　圖1：兩個DRAM測試流程，可選步驟用虛線突出顯示。資料來源：a 。 Meixner/半導(dǎo)體工程

　　記憶有什么不同

　　存儲器ATE系統(tǒng)在幾個方面不同于邏輯ATE系統(tǒng)。首先，有模式生成和自我修復(fù)的需求。

　　Advantest的Oda表示：“主要區(qū)別在于，針對內(nèi)存的ATE解決方案需要配備APG（算法模式生成器）和故障捕獲內(nèi)存（或錯誤捕獲RAM）來存儲故障信息和訪問?！霸诰A分類中，存儲器修復(fù)的失效分析是必須的，也是工藝反饋的關(guān)鍵。運行中的內(nèi)存修復(fù)分析是非常高的計算能力，ATE硬件可訪問性是密集的。”

　　高速接口是第二個區(qū)別。英特爾戰(zhàn)略業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Ken Lanier表示：“對于包括內(nèi)存控制器在內(nèi)的SoC設(shè)備，高速I/O故障可通過集成DFT功能解決太達因?！斑@意味著SoC測試人員不再受限于內(nèi)存I/O速率。一個10歲的SoC測試人員可能會很好地測試帶有DDR5接口的處理器。另一方面，內(nèi)存測試人員仍然必須進行全速測試，以保證某個部件全速運行，包括極其苛刻的計時測試。存儲器ATE還必須在極高的測試點數(shù)下進行，以抵消較大存儲器的較長測試時間的影響。這給ATE設(shè)計人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)，他們需要開發(fā)專門的測試儀電子設(shè)備，以難以置信的高集成度實現(xiàn)這種高速能力。這也意味著新的內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)推動了對新測試設(shè)備的需求，因此設(shè)備的使用壽命變得更短?！?/p>

　　DRAM測試內(nèi)容地址范圍很廣，針對測試刷新能力、單元泄漏和解決單元故障的一長串模式，有許多特定于存儲器的模式。其中許多需要來自相鄰位單元的特定數(shù)據(jù)。［1］例如，臭名昭著的行錘測試強調(diào)位單元在連續(xù)讀取后保持其數(shù)據(jù)的能力。［2］如前所述，分別對存儲器性能和接口性能進行高速測試，檢查操作時序規(guī)格（如tAC、tRCD）和I/O時序規(guī)格（如tVB、tVA）。

　　“DRAM需要大量使用內(nèi)部測試，我喜歡稱之為‘秘密測試模式’，”Neumonda的p CHMüller說。這些是專有的，用于在測試過程中實現(xiàn)高并行性，例如，通過將多個I/O壓縮為單個I/O?；蛘撸梢詫⒍〞r參數(shù)修改為比自然操作更關(guān)鍵的值，以找到弱內(nèi)存單元

　　雖然一些晶圓缺陷/故障機制與邏輯技術(shù)中的類似，但可靠位存儲的本質(zhì)需要一些額外的關(guān)注。由于DRAM單元的密度，對缺陷的敏感性非常高。如果每個失敗的位單元、行或列都被標(biāo)記為失敗，則產(chǎn)品產(chǎn)量將會很低。幾十年前，這些現(xiàn)實促使設(shè)計工程師增加備用行和列，以及在測試期間執(zhí)行修復(fù)的相關(guān)方法。在晶圓級，可以通過激光或電熔斷（e-fuse）進行修復(fù)，但在封裝級只能進行e-fuse。誤差校正碼（ECC）電路可以在制造測試和系統(tǒng)使用期間管理單位故障。用于修復(fù)的芯片面積可以是總面積的5%到10%。

　　同時，為了降低成本，在晶片和封裝測試中都采用了并行測試。“因為內(nèi)存是商品，測試成本才是王道，”小田說?！耙虼?，DRAM使用大規(guī)模并行。對于晶圓測試，技術(shù)趨勢是一次觸地（1TD）。NAND 1TD在幾年前變得很常見，DRAM 1TD也成為一種迫在眉睫的需求。為了實現(xiàn)這一點，ATE需要組裝許多引腳電子器件和設(shè)備電源。Advantest開發(fā)了一種新的創(chuàng)新型測試單元，通過將ATE和處理器集成在一個緊湊的單元中，提高了每給定占地面積的并行性?！?/p>

　　DRAM測試不可能沒有測試設(shè)計（DFT），其中可編程存儲器阿拉伯學(xué)者發(fā)動機是最重要的。通過提供運行大量內(nèi)存測試算法的能力，它使工程團隊能夠在設(shè)備生命周期的每個階段權(quán)衡測試時間和測試覆蓋率。作為一個IP模塊，內(nèi)存BiST還需要適應(yīng)各種DRAM I/O接口，無論是LPDDR、DDR、GDDR還是HBM。其中每一種都有不同的延遲、數(shù)據(jù)速率和協(xié)議。其他DFT方案支持老化測試插入，并允許使用I/O壓縮進行并行測試。為了找到薄弱的存儲單元，DFT改變內(nèi)部DRAM時序。DFT支持存儲器陣列自修復(fù)和HBM通道修復(fù)。

　　DRAM修復(fù)主要是根據(jù)制造測試標(biāo)準(zhǔn)進行的。在過去十年中，JEDEC DRAM標(biāo)準(zhǔn)定義了封裝后修復(fù)（PPR ），它為每個存儲體提供一行修復(fù)。［3］標(biāo)準(zhǔn)化方法能夠在啟動時進行修復(fù)。

　　“DRAM可編程測試引擎很少提供給最終用戶，”Faisal Goriawalla說，他是新思科技?！半S著可靠性和油田內(nèi)部作業(yè)相關(guān)要求的增加，這種情況正在發(fā)生變化。隨著壽命的延長，服務(wù)器中DRAM的任何現(xiàn)場更換都將非常昂貴。DRAM廠商現(xiàn)在提供系統(tǒng)可用冗余，稱為封裝后修復(fù)（PPR）。JEDEC已經(jīng)為DRAM廠商標(biāo)準(zhǔn)化了這種封裝后修復(fù)。系統(tǒng)制造商希望在他們的SOC中部署這些解決方案，以利用DRAM中的備用容量，并提高現(xiàn)場可靠性?！?/p>

　　多芯片封裝中DRAM面臨的挑戰(zhàn)

　　無論是在2.5 D封裝中連接到計算SOC的DRAM，還是在3D封裝中使用HBM的堆疊式DRAM，產(chǎn)量和測試工程師都需要解決單芯片DRAM部件之外的其他挑戰(zhàn)。有些是DRAMs獨有的，而有些則不是。

　　現(xiàn)代DRAM間距尺寸和高微凸塊數(shù)量給檢查和測試都帶來了挑戰(zhàn)。

　　“多芯片封裝產(chǎn)品需要更多的2D/3D檢測和計量解決方案。對于多芯片封裝，將有額外的互連步驟（扇出、微凸點、直接鍵合等）。芯片之間的額外互連需要更多的工藝步驟。扇出需要對斷裂或橋接的RDL線進行缺陷檢查。對于微凸點，需要CD和高度度量，以及凸點頂部的殘余缺陷檢測。對于直接粘接，需要進行檢查以發(fā)現(xiàn)裂紋、空隙和分層。”

　　HBM接口以較低的功耗提供高得多的數(shù)據(jù)速率。它被設(shè)計為寬接口（1，024通道），用于2.5D和3D封裝解決方案。然而，堆疊裸片的凸塊間距大小和眾多連接使得通道修復(fù)選項成為必需，以適應(yīng)裸片之間的錯誤接合。隨著芯片堆疊變得更深（范圍從4到16），這個倍數(shù)增加。這需要特定的測試策略來發(fā)現(xiàn)故障通道并實現(xiàn)通道修復(fù)，這正是DFT所促進的。但是眾所周知，由于不良的冶金接觸，檢查方法具有更高的篩選潛在缺陷結(jié)合的可能性。

　　硅通孔（tsv）和微凸塊連接實現(xiàn)了堆疊HBM DRAM管芯。作為已知良好管芯預(yù)期的一部分，測試流程通常在管芯減薄步驟之前篩選有缺陷的tsv。然后，一旦所有堆疊的管芯之間的鍵合被連接，就可以對它們進行檢查和測試。檢查在評估焊接質(zhì)量、芯片對準(zhǔn)（重疊）和芯片翹曲方面發(fā)揮著重要作用。

　　“目前他們使用的是帶焊帽的銅柱，”Frank Chen說，他是布魯克?！半S著間距縮小，它將逐漸過渡到混合鍵合。對于垂直堆疊，芯片放置精度對于監(jiān)控和維護至關(guān)重要。過度移動會導(dǎo)致凸起拉伸和斷開，從而導(dǎo)致不潤濕。同樣重要的是以粘合層厚度（BLT）測量的壓縮。大BLT會導(dǎo)致不潤濕，小BLT會導(dǎo)致焊料擠出。在某些情況下，焊料會被完全擠出，即不在焊盤區(qū)域內(nèi)?！?/p>

　　圖2：堆疊管芯微凸塊鍵合缺陷識別和檢查。來源：布魯克

　　硬短路和開路故障最容易隔離。在部分或邊緣債券的情況下，人們擔(dān)心并非所有債券都會被識別出來。然而，其中一些連接最終會在現(xiàn)場失效。在這些情況下，詳細(xì)的檢查會有所幫助，但這并不容易。

　　“目前，在速度足夠快、能夠靈敏地區(qū)分各層并評估影響粘合的屬性的工具方面存在一些差距，尤其是當(dāng)您使用8層、12層或16層堆疊時。對于這些多層，隨著管芯變得更薄，翹曲和對準(zhǔn)成為問題。所有這些都需要監(jiān)控，”陳指出。

　　將DRAM并入多芯片封裝提高了測試和DFT的標(biāo)準(zhǔn)。

　　“在多芯片模塊中，你會遇到與可測試性、可訪問性和多芯片診斷相關(guān)的額外挑戰(zhàn)，”Synopsys的Goriawalla說。此外，HBM也帶來了挑戰(zhàn)，因為您無法單獨測試邏輯芯片和內(nèi)存芯片。您必須一起測試這兩者。您需要測試它們之間的互連。對于這種芯片堆棧，您需要能夠訪問它，這是IEEE標(biāo)準(zhǔn)1500所允許的。然后，當(dāng)然，你的診斷需要區(qū)分和隔離，以進行物理故障分析?；贒RAM的引擎需要在邏輯小芯片上。它位于控制器和DFI總線主芯片上的PHY之間。在測試模式下，它控制PHY通過PHY運行讀/寫指令，以測試外部存儲器和互連。”

　　圖3：支持DRAM測試、診斷和修復(fù)的2.5D多管芯配置。來源：Synopsys

　　對于多芯片組件制造，可追溯性是實現(xiàn)操作反饋和芯片性能匹配的關(guān)鍵。

　　Onto的McIntyre表示：“一旦芯片被認(rèn)為“可以使用”，確保多芯片模塊（MCM）兼容性和監(jiān)控版本控制的可追溯性和分析技術(shù)在內(nèi)存和MCM中使用的任何其他組件類型之間通常是相同的。“最好的例子是使內(nèi)存性能與封裝中其他芯片的性能相匹配。這是必須的。將速度較慢的內(nèi)存芯片放在高性能封裝中的后果可能會導(dǎo)致整個封裝的降級。這通常會導(dǎo)致較低的平均銷售價格和盈利能力。另一個例子是將動態(tài)工作范圍受到影響的內(nèi)存放入一個封裝中，該封裝將部署在一個預(yù)期高度可變的環(huán)境中?！?/p>

　　摘要

　　由于成本的原因，許多觀察家認(rèn)為DRAM是一種商品。但是把所有的DRAM都放在同一個桶里是一種誤解。內(nèi)存性能對于一些最復(fù)雜的計算系統(tǒng)的整體性能至關(guān)重要。

　　但是，鑒于計算對兆兆字節(jié)數(shù)據(jù)和更快執(zhí)行速度的需求不斷擴大，DRAM向更密集的位單元和堆疊芯片實施的遷移正在使測試和檢查變得復(fù)雜，隨著更快的內(nèi)存和更復(fù)雜的封裝成為常態(tài)，這一問題只會變得更加難以解決。

審核編輯：黃飛