用于监控内部状态的深度和广泛的专用电路为工程师提供了更深入的分析见解
半导体工艺和设计的复杂性不断上升，正推动越来越多地使用片上监控器来支持IC从诞生到寿命结束的数据分析——无论预计寿命有多长。
长期以来，工程师们一直使用片上电路来协助制造测试、硅调试和故障分析。提供内部电路的可见性和可控性支持了经济的测试，有效的硅调试，以及诊断复杂硅器件问题的能力。片上监控器支持特定的参数测量。每一代CMOS工艺技术都有新的方法用于片上监控器，以优化性能，识别热变异性，并了解工艺变化。
新的是增加了片上监控器的部署，为整个IC设备的这些参数测量提供了更大的粒度。将机器学习算法应用于这些内部参数数据，以及正在收集的其他硅数据，使工程师能够更深入地了解制造过程和现场行为。反过来，这可以用来减少未来几代芯片的缺陷，并提高现有和新芯片的可靠性。
几乎所有人都同意，芯片内部的可见性有助于制造过程。现在，半导体行业越来越积极主动地在产品的整个生命周期中使用这些数据。
“传统的吃了可以用来收集数据，”英特尔半导体事业部副总裁兼总经理Doug Elder说OptimalPlus,一个NI公司．“这些传感器在收集信息方面的复杂性越来越高。在与设计工程师/组织的谈话中，我们的讨论主要集中在如何收集数据上。”
半导体数据分析公司已经越来越多地参与到芯片监视器中，而不仅仅是分析这种电路可能产生的大量数据。以分析为最终目标设计特定于IC设计的电路需要更深思熟虑的方法。
“我们认为我们的技术是一种不同的方法。它不是一家生产软件的传感器公司。这是一家基于高覆盖率芯片遥测技术的分析公司。proteanTecs．“所以这真的都是关于深度数据和来自许多代理的全面图景，即‘脚踏实地’。’但它们必须输入到机器学习算法中，这样我们才能以最好的方式解释一切。”
专注于监控时钟抖动、电压和温度的IP块的公司认识到，他们的客户可以使用超出预期设计优化应用的监控数据。
“我们对这种分析技术非常感兴趣，它使数据可用，而不仅仅是直接优化单个芯片。来自更大数量芯片的数据也有价值，”英特尔的营销总监理查德•麦克帕特兰(Richard McPartland)表示Moortec．“你可以把它与医疗保健相提并论。你不是只看一个病人，而是看整个群体，确定一个特定的疾病或健康问题。同样，片上监控也可以应用。让这些数据可用，并从大量人群中提取可操作的信息，而不仅仅是观察个体死亡。我们的片上传感器对于提供内部所有情况的可见性至关重要。这具有巨大的价值。”
来自芯片监控器的新增数据贯穿了产品出厂前制造过程的所有步骤。从这些数据中获得的见解使工程师能够进行更复杂的分析，以满足产量、质量和可靠性目标。
监控功能
在工程师分析来自片上监视器的数据之前，他们需要了解计量对电路分析和计量能力的需求。在今天的集成电路中使用了各种各样的片上监视器。
“最常见的片上传感器将是PVT监视器——过程、电压和温度传感器。你可以在整个SoC中放置许多这样的微型传感器，”Cadence营销设计IP总监Tom Wong说。“简单的环形振荡器可以告诉你过程随时间的变化，因为你可以测量频率随时间的退化。它可以显示芯片在使用数小时/天/月/年的健康状况。”
环形振荡器电路一直是过程监控的主力。“环形振荡器已经存在了几十年。用于晶圆验收测试的划线线结构提供了对晶圆工艺控制和一般工艺条件的评估。PDF的解决方案．“为了更具体地了解IC/芯片在工艺方面的行为，可以将环形振荡器视为芯片的工艺监视器。”
到2000年代中期，英特尔、台积电和三星等制造商依赖于分布在整个晶圆芯片上的环形振荡器网络来更好地理解IC内部的工艺变化。通过对环形振荡器数据应用分析，可以深入了解晶圆以及整个晶圆芯片上的工艺变化。在过去的15年里，工程师们设计了更复杂的环形振荡器。在2011年《IEEE电子器件学报》的一篇论文中，英特尔工程师详细描述了他们使用片上电路来测量工艺技术的变化。作者解释了他们对环形振荡器的使用，以及对跟踪晶体管特性(如VT．
对于微处理器来说，在0.18 μ m CMOS工艺节点上使用片上热传感器监测温度变得非常必要。随着新产品的推出，验证硅的热点已经促进了在整个模具中安装更多的热监控器。出于可靠性考虑，工程师对现场温度监测很感兴趣。
历史温度高于正常温度的电路可以预测可靠性现场故障。克雷格·希尔曼，公司新兴技术产品管理总监有限元分析软件，表示热和电气条件都有影响电迁移．“电迁移的挑战之一是，准确的分析和预测需要达到稳态条件，因为随着电流密度的增加，温度也会上升。随着温度升高，电阻增大，也就是说温度升高。这种协同过程加速了电迁移。”
但这也会根据用例和芯片布局而变化，传感器需要能够考虑所有这些变化。Moortec公司的McPartland表示:“我们的温度传感器具有一系列精度。“我们的许多客户喜欢我们的传感器的便利性，因为这提供了合理的精度和最小的测试开销。对于寻求更高精度的客户，我们提供方便的校准方案。校准提供了更高的精度，如果您需要在片上温度超过特定阈值水平时降低时钟频率，这可能是一个很好的选择。相比之下，更高级别的校准在更宽的温度范围内提供了良好的精度，但有时会在生产测试中带来额外的开销。在Moortec，我们非常了解这些权衡，可以帮助实现最适合应用的解决方案。”
图1:传感器管理中心。来源:Moortec
信号和时钟的裕度关系代表了数字电路设计者感兴趣的参数，这也可以输入到分析算法中。
要理解这个裕度有两个方面——理解时钟的占空比和抖动特性，以及理解两个时钟存储元件之间的组合电路的路径延迟。
Faisal Goriawalla表示:“片上监控当然是针对高可靠性应用的soc的关键需求。Synopsys对此高级职员产品营销经理。“这些可以监测关键锁相环或芯片上一组锁相环的占空比。作为STAR分层系统设计的一部分，测量单元集成了一些时钟和过程监控功能。这是一个轻量级的数字IP核，SoC设计人员可以轻松地将其集成到芯片上，一次、两次或数百次。”
显示器越多，覆盖范围越好。“我们使用Margin Agents来衡量设计本身频率的边际，”首席技术官兼联合创始人伊芙琳·兰德曼说，proteanTecs．“这不是一个站在一边的独立电路。它实际上是在芯片工作时并行测量数百万条设计路径的余量。”
这些监控器在硅后设计表征、生产测试和现场使用中都有应用。
监控集成和设计
片上监视器和对其数据的访问需要架构到IC设备中，特别是当工程师在整个IC中使用大量监视器以实现空间粒度和参数多样性时。
首先，为了便于数据收集，监测电路通常将感兴趣的参数转换为数字读数。这使得工程师能够使用可用的测试访问端口在制造过程中进行分析，新产品引入，以及现场评估。
其次，为了接入分布式监控电路网络，基础电路必须在芯片设计的限制下工作。例如，对于一组大型环形振荡器，设计人员需要激活和选择每个环形振荡器，以便将其连接到外部模销进行测量。此外，他们可以使用分频器，使其可读通过一个较低的速度接口。
对于多个片上监视器，为这些监视器提供良好集成的控制器可以轻松采用。
Moortec首席执行官Stephen Crosher表示:“我们为数字设计团队提供了一个子系统，这样他们就可以轻松地集成我们的显示器。“它的核心是精密模拟电路。然后是围绕它的子系统，有一个通用的标准接口，供设计人员连接到他们的体系结构中。在过去几年里，我们在一系列技术节点上部署了我们的监控子系统，根据应用程序，我们开发了不同的子系统配置。”
Crosher指出，根据行业部门和设备的大小，子系统实例的类型和数量也有所不同。“然而，传感器位置的本质是至关重要的，特别是在汽车领域，你需要关注整个芯片的特定供应水平，或者关注可能出现热点的区域。”
为任何分析框架提供数据的质量都是重要的。如果片上监视器缺乏提供可靠计量所需的设计稳健性，则质量可能会受到影响。当使用片上监控器来评估产品寿命期间的工艺变化和退化时，电路设计人员需要确保他们的监控器不受半导体物理和制造变化的影响。
许多设计实践被用来消除这些因素。Crosher说:“我们的设计团队非常努力地开发传感器，以弥补过程的可变性。“使用我们进化的测试套件，我们进行了广泛的角和蒙特卡罗模拟工作，其中还包括运行广泛的老化模拟。在提供嵌入式监控器时，重要的是我们寻求确保我们的电路不太可能“先故障”。“作为一种设计策略，我们采用的电路结构和拓扑结构减少了暴露于应力效应和NBTI，这可能会在很长一段时间内表现出来。我们不使用对噪声敏感的电路方法。”
对于老化，设计工程师可以使用与片上监视器电路本身可能经历的活动水平不同的重复电路。“这取决于不同的代理商，”兰德曼说。“例如，我们可以测量NBTI的存在。通过侧面测量，我们可以测量两种极端情况，看看它们会变老多少，看看有什么不同。然后我们可以看到老化对Agent本身的影响，并将其考虑在内。”
监控生产过程中的分析
分析公司历史上使用电子测试数据来帮助他们的客户做出决策，以支持质量和产量目标。片上监视器提供了更多的数据，但它们也提供了更好地为所使用的机器学习算法提供信息的数据。
“片上传感器被越来越多地使用。你主要在设备上放置一个传感器来收集参数数据，这些数据可用于性能验证，从而协助硅后设计验证(用于新产品的引入)，”OptimalPlus的Elder说。这些数据也可以用于生产测试。当然，在硅空间和将其从芯片上取下的测试时间之间存在权衡。”
基于空间放置和设计感知监视器的分析实现了以前没有的改进级别。
兰德曼说:“我们将芯片分为不同的类别。“我们的方法是基于Agent的读数，我们从这个过程中提取了许多维度。通过应用高级分析，我们可以说家族在大约1-sigma的许多参数上表现得非常相似。这比每片晶圆都要高得多。晶圆分布太宽，找不到异常值，而且家族更紧密。你可以更好地找到异常值，在不影响产量的情况下将DPPM降低10倍。”
片上监控器分析领域的一个新发展是在晶圆探针测试之前了解工艺变异性和检测缺陷。
利用先进工艺节点中使用的填充单元来管理产量，PDF Solutions开发了一种名为“检测设计”(DFI)的技术，以识别可能影响产品质量和可靠性的工艺问题。通过布局分析，填充单元可以模拟附近电路的布局。这些都是使用Metal0的专有电子束测试仪进行探测的。
PDF高级解决方案副总裁Dennis Ciplickas表示:“DFI填充单元的设计目的是捕捉微小的泄漏，以及短缝和开口。“DFI填充细胞很小。”
利用填充单元进行数据收集可以实现非常高的空间分辨率。Ciplickas说:“每块晶圆上有数十亿个DFI电池。”“一个大型芯片，例如250个晶圆晶片可能有3000万个DFI填料，或超过70亿个DFI填料每片晶圆。”
结合晶圆和单元测试数据，这种深度缺陷检测数据为识别良率和可靠性问题提供了强大的工具。Ciplickas指出:“基于我们和客户观察到的失效DFI填充电池的Pass/Fail结果与老化、HTOL和RMA样品的P/F结果之间的相似性，DFI填充电池捕获的信号表明了现场故障的风险。
产品可靠性和片上监视器
物联网、汽车、电信和数据中心等多个行业领域对部件寿命的需求不断增长，这促使硅器件公司、片上监视器IP提供商和数据分析公司加大了对可靠性的表征、筛选潜在缺陷和预测现场故障的努力。
评估产品生命周期内的温度可以持续评估老化和可靠性风险。McPartland表示:“首先，客户看重我们的温度传感器的可靠性，因为高温在可靠性和老化方面起着关键作用，大多数老化过程/可靠性问题在高温下会加速，特别是电迁移、NBTI和PBTI(负偏置和正偏置温度不稳定)和TDDB(时间依赖性电介质击穿)。”Moortec还拥有过程监控器，其设计用于测量老化和未老化电路的老化量。这些可用于预测性和自适应维护，以计划及时的方式更换部件或调整电源电压以保持性能。”
兰德曼补充说:“在鉴定过程中，我们不仅帮助工程师看到合格/不合格的问题，还可以看到芯片内部的边缘性或退化。工程师可能会使用HTOL或burn-in对零件进行应力处理。分析平台通过查看边际代理读数提供退化监测。”
在实际使用过程中收集相同数据的能力使分析平台能够比较时间0和时间n的数据。然而，要完全理解系统内的使用情况，工程师需要知道的不仅仅是时间边际的变化。正如兰德曼所指出的，他们有多个芯片上的监视器，可以观察环境条件，使工程师能够理解为什么有些东西发生了变化。
结论
通过在整个设计中故意放置片上监视器，工程师可以更深入地了解硅上发生了什么，从而为如何对观察到的制造差异做出反应提供指导。具体来说，这些数据为设计和工艺改进提供反馈，并为制造测试和潜在可靠性故障提供前馈决策指导。
电路监控供应商和数据分析公司都认识到从芯片数据中获得强大洞察的潜力。
“一旦传感器结构集成到芯片设计中，您就能够收集数据，不仅包括整个产品系列，还包括生产的每个单个设备。通过启用嵌入式监控，我们可以参与芯片生命周期的每一步。这提供了一个强大的新机会，可以在制造、测试、包装期间对芯片进行评估，然后进入任务模式，最终导致寿命结束，”Crosher指出。“这真的让我们很兴奋，因为我们从芯片内部为设计师和行业提供了有价值的见解，生成了可用于产品和系统生命周期分析的有意义的数据。”
Ciplickas表示了认同。“芯片上的性能和可靠性传感器将这种系统的可观测性带入到芯片本身，并在芯片的整个生命周期中实现持续的可观测性。”
将分析与片上监控器相结合，可以提取针对分析平台可以支持的工程操作的特定信息。
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