可編程器件測試方法及失效機(jī)理探討

西安北方光電科技防務(wù)有限公司 韋 東 蔣 冬

本文對存儲器及其它可編程器件的測試方法及失效機(jī)理進(jìn)行了介紹，同時(shí)對這類器件在測試篩選及使用中出現(xiàn)的不合格模式從篩選、失效分析方面進(jìn)行了討論。

引言：可編程器件主要包括存儲器、PAL、GAL、FPGA等類型的器件。本文主要以存儲器為例進(jìn)行討論。存儲器包括RAM、EPROM、EEPROM、FLASH等。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，存儲器從結(jié)構(gòu)和容量都有很大程度的發(fā)展和提高。對于有高可靠性要求的使用場合，如何對存儲器進(jìn)行全面的有效的檢測和篩選已成為一項(xiàng)必須認(rèn)真研究的工作。

1.測試方法介紹

在元器件的篩選中，對被篩選的器件進(jìn)行有效的測試，即故障覆蓋率高的測試是非常重要的，只有故障覆蓋率高的測試，才能盡可能的保證器件的使用可靠性。因此，選擇合適的測試圖形向量進(jìn)行測試是測試篩選工作中的重要環(huán)節(jié)，下面對EPROM、EEPROM的測試方法進(jìn)行介紹。

1.1 EPROM、EEPROM的測試

除使用專用的存儲器測試設(shè)備進(jìn)行測試以外，大部分使用單位的測試方法都是，首先使用通用編程器對被測試器件進(jìn)行編程，然后對該器件使用測試設(shè)備進(jìn)行動態(tài)的讀出測試。測試中必須按照器件的手冊規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行，對直流參數(shù)、時(shí)間參數(shù)進(jìn)行符合性驗(yàn)證。具體操作如下：

使用通用編程器，對器件寫入“55H”，然后在測試設(shè)備上進(jìn)行讀出測試。考慮到編程器寫操作對器件的影響，建議使用USB接口的編程器，這樣不容易對器件造成損傷。

擦除“55H”，用編程器寫入“AAH”，然后在測試設(shè)備上進(jìn)行讀出測試。

經(jīng)過以上兩步的寫入和測試，實(shí)現(xiàn)了對每個(gè)單元的“0”、“1”的寫入和讀出的驗(yàn)證和測試，具有比較完整的覆蓋性。如只寫入“55H”或只寫入“AAH”，則寫入的僅為相鄰地址單元，從而使得一半的存儲單元未能進(jìn)行寫入和讀出的驗(yàn)證和測試。容易導(dǎo)致部分失效器件的漏判。

以上這種僅使用編程器進(jìn)行預(yù)先編程然后進(jìn)行讀測試的方法，相對于專用測試設(shè)備來說有很大的局限性，這種方法檢測不到器件的寫入時(shí)序。另外在編程器上對EEPROM寫入時(shí)，編程器的電源電壓和輸入電平一般為理想值，而使用中器件的工作條件與理想值總會有一定程度的偏離。所以器件在使用中的低壓工作模式?jīng)]有得到有效驗(yàn)證驗(yàn)證，測試覆蓋率低。因此，對于EEPROM器件最好使用存儲器專用測試設(shè)備在線進(jìn)行全功能動態(tài)測試，以保證器件的使用質(zhì)量。

1.2 GAL的測試

可編程的門陣列器件在進(jìn)行篩選中，一般有兩種模式的編程方法，一種是寫入工程實(shí)際使用中的邏輯進(jìn)行測試和篩選，另一種是寫入一個(gè)固定的邏輯進(jìn)行測試和篩選。前一種方法僅對使用到的單元進(jìn)行測試和驗(yàn)證，相對實(shí)際生產(chǎn)使用來說比較好。但是這類器件進(jìn)行篩選中，測試篩選方一般很少能拿到委托方的使用代碼和邏輯功能說明。即使能得到，由于使用方在不同的工程中使用的邏輯不同，其測試程序也要隨之改變。這就導(dǎo)致同一類型器件，由于使用邏輯不同，就必須有多個(gè)專用的測試篩選程序與之對應(yīng)。所以在大量的測試生產(chǎn)中更趨向于選擇后一種比較通用的方法，即寫入一種比較通用的、覆蓋率比較完全的固定邏輯代碼，然后進(jìn)行測試篩選。

1.3 RAM的測試

對于隨機(jī)存儲器的測試，必須進(jìn)行動態(tài)的寫入和讀出的測試，對具體的單元讀“0” 寫“1” ，讀“1” 寫“0”。在測試中嚴(yán)格按照器件手冊規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行。對于不合格單元的地址在測試結(jié)果中表示出來。另外，為了驗(yàn)證器件的性能，對逐個(gè)單元寫“1”相鄰單元寫“0”，對逐個(gè)單元寫“0”相鄰單元寫“1”，驗(yàn)證器件中CMOS電容是否有漏電，相鄰單元是否有干擾。這種方法因?yàn)闇y試中費(fèi)時(shí)較長，一般在篩選性測試中不推薦使用，在分析性測試中可以采用。

1.4 FLASH的測試

FLASH存儲器的容量規(guī)模越來越大，目前甚至可以達(dá)到幾個(gè)G.，這 種器件因?yàn)榇鎯卧唷Ｔ谏a(chǎn)中一般很難避免個(gè)別單元失效，所以在此類器件出廠時(shí)，內(nèi)部預(yù)裝了失效單元的地址，在測試中必須先讀出這些信息，才能完成正確的測試。

2.篩選和復(fù)驗(yàn)中不合格模式探討

可編程器件在篩選中因?yàn)樾枰獙懭刖幊檀a，篩選完成后一般要將寫入的內(nèi)容擦除，因此在篩選中除一般的RAM電路所具有的不合格模式外，還會出現(xiàn)寫不進(jìn)數(shù)據(jù)、擦不掉等的現(xiàn)象。

2.1 擦除不徹底，導(dǎo)致寫不進(jìn)

對于EPROM，在使用中經(jīng)常會出現(xiàn)擦除不徹底而寫不進(jìn)的問題。在編程器上進(jìn)行空片檢查，顯示是空片，但仍會出現(xiàn)寫不進(jìn)的現(xiàn)象。這時(shí)，只需要將電路再擦除5-10分鐘，如果還寫不進(jìn)，可多擦除幾次再試。這種模式在WSI57C256上出現(xiàn)的比較多。這種可以認(rèn)為是使用中的正常問題。

2.2 不能擦除，導(dǎo)致寫不進(jìn)（不能編程）

這種模式在EPROM的篩選和使用中，占功能失效的比例比較高。導(dǎo)致這種失效模式的因素比較多。從失效的機(jī)理上分析，很大部分是器件周轉(zhuǎn)使用中的靜電和浪涌造成VPP端或者VCC端受到損傷所致。除此之外使用不當(dāng)也是引起失效的一個(gè)方面。

下面是兩個(gè)失效的案例。

2.3 測試不完全導(dǎo)致使用中失效

AT28C010E12DM由ATMEL公司生產(chǎn)的，質(zhì)量等級為：883B，經(jīng)過測試和篩選合格后，在整機(jī)上使用，上電寫入數(shù)據(jù)后下電，再次上電讀出數(shù)據(jù)，有個(gè)別地址空間不一致，更換器件后，故障消失。對這只電路進(jìn)行了失效分析，情況如下。

2.3.1 器件外觀見圖1

圖1

該電路在篩選測試時(shí)，使用的是所有地址寫“0”，然后讀出。在這種測試圖形時(shí)，對于部分單元故障是沒有辦法進(jìn)行檢測的。在這種不完整的測試后，就認(rèn)為是合格電路上機(jī)使用了。在設(shè)備調(diào)試時(shí)，器件就表現(xiàn)出來了部分單元的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤了。

圖2

圖3

為了對器件的錯(cuò)誤模式進(jìn)行分析，使用了比較先進(jìn)的測試設(shè)備進(jìn)行了測試。對器件的每個(gè)存儲單元讀“1”寫“0”，讀“0”寫“1”，發(fā)現(xiàn)器件的個(gè)別單元確實(shí)有錯(cuò)誤。

2.3.2 失效分析

為了分析器件的故障模式，對器件進(jìn)行了解剖。經(jīng)過觀察，器件內(nèi)部鍵合系統(tǒng)、粘片等情況進(jìn)行仔細(xì)觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這只電路的鍵合系統(tǒng)良好，具體形貌見圖2所示。

使用金相顯微鏡對器件內(nèi)部版圖進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了器件芯片表面粘有可導(dǎo)電的多余物質(zhì)。

如圖3，多余物對器件的部分存儲單元產(chǎn)生了影響，單元間的漏電增大。這個(gè)例子說明對器件的嚴(yán)格測試還是可以檢測出來制造缺陷的。

2.4 下面介紹一例SMJ27C256-15JM器件制造缺陷引起的失效

這只電路是由TI公司生產(chǎn)的，質(zhì)量等級為：883。原始失效現(xiàn)象為：測試時(shí)發(fā)現(xiàn)在4.5V時(shí)功能失效，有一個(gè)單元讀出數(shù)據(jù)與寫入的數(shù)據(jù)不符，應(yīng)為高電平，但讀出的是低電平。

2.4.1 外觀鏡檢及內(nèi)部檢查

在立體顯微鏡下，對這只電路的外觀進(jìn)行仔細(xì)觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這只電路的標(biāo)志清晰，出腿良好，具體形貌見圖4所示。

為了進(jìn)行分析，對器件進(jìn)行了開封，具體形貌見圖5。

圖4

圖5

圖6

在顯微鏡下，對這只電路的芯片表面進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)這只電路內(nèi)有兩條柵極鋁條開路，具體形貌見照片6所示，其它未發(fā)現(xiàn)異常情況。

2.4.2 該電路的失效是由于電路內(nèi)部存在柵極鋁條開路現(xiàn)象所致，屬于制造缺陷

3.篩選和使用中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

3.1 編程器的選擇和校驗(yàn)。對于可編程器件來說，在篩選和使用中都要進(jìn)行編程，由于編程器的問題引起被編程器件的失效也是比較常見的。如，編程器電源不穩(wěn)定，在對器件上電、下電時(shí)有浪涌存在，會損傷器件；或在編程器A上編程后的器件，到編程器B上會出現(xiàn)不能寫入。由于編程器A的VPP電源高于編程器B的VPP。編程器供給器件的VCC電源低于器件的允許額定值，使得編程后讀出校驗(yàn)錯(cuò)誤。建議篩選和使用中的編程器盡量使用同一型號。

3.2 設(shè)計(jì)中注意讀出時(shí)序的控制。由于設(shè)計(jì)中對時(shí)序考慮不周到，使得系統(tǒng)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)讀錯(cuò)誤。

3.3 擦除時(shí)，一次在紫外線擦除器中放入多只器件，每只被擦除的器件所放位置不同，紫外光的強(qiáng)度分布不均勻，使得一次放入擦除的器件，不能同時(shí)完全擦除。建議在30分鐘擦除后檢查不空的繼續(xù)擦除15分鐘，再檢查，直到空為止。當(dāng)然，經(jīng)過多次仍不能擦除的器件，可以認(rèn)為時(shí)失效器件。

3.4 對于超大容量的存儲器，目前的國產(chǎn)老煉設(shè)備一般都不具備圖形地址發(fā)生功能，因?yàn)闀r(shí)序控制不嚴(yán)格會給器件帶來損傷，一般建議不要進(jìn)行老煉篩選；對器件進(jìn)行嚴(yán)格的動態(tài)測試，結(jié)合DPA分析對器件的制造質(zhì)量進(jìn)行批評價(jià)，應(yīng)該能基本驗(yàn)證器件的質(zhì)量。

4.結(jié)束語

可編程器件的使用越來越廣泛，提高測試的故障覆蓋率，在篩選和使用中對不合格模式進(jìn)行分析，在使用中不斷的積累不同的失效模式，開展有針對性的篩選和驗(yàn)證工作，可以提高使用水平，提高器件的使用可靠性。