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遵循DO-254標準與流程 及重大/輕微變更的分類概述
 

【作者: 羅徹斯特電子】   2020年08月12日 星期三

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適用範圍:

半導體特殊應用積體電路(ASIC)及標準產品都面臨生產停產問題,正因如此,需要製造出外形、尺寸與功能都等效的器件。實現此目標的方法稱為「技術複製」,是一種被業內視為風險最低且最具成本效益的方法。


本文旨在概述該方法的重要特性,並提出充分證據證明,依據D6-82768-1第3.0節《學科小組特定設計變更分類指南》(Discipline Subgroup-Specific Design Change Classification Guidelines) 規定,可將文中所述變更歸為輕微變更。


技術轉移與技術複製的工藝差異

ASIC或標準產品的「技術轉移」是指將設計從一種工藝移植到另一種工藝,這與半導體製造商在跨廠製造同一款產品時所採用的方法非常類似。由於不同供應商通常採用不同的製造工藝,甚至同一家供應商的製造工藝也會略有不同,加之產品幾何尺寸的變化,製造出的產品往往會存在差異。傳統的 ASIC或標準產品技術轉移是在保留設計等效功能的基礎上,丟棄設計的物理要素,並通過網表的增量合成或原始程式碼的重新合成重構出新的物理要素。物理要素包括元件設計、元件在裸片上的佈局、元件的輸出驅動強度以及用於連接元件的金屬跡線等。這些物理要素的變化雖然不會影響設計的功能,但會改變整體信號時序、功率和裸片尺寸。


羅徹斯特電子提出採用另一種方法來解決停產產品問題,這種經過實踐檢驗的方法稱為「技術複製」(即羅徹斯特電子複產方案,以下統稱「技術複製」)。技術複製的核心理念是讓兩家製造商的底層矽片性能相匹配。複製時,首先要選擇一項合適的目標技術,該技術的性能特性和特徵尺寸應與已停用的原有技術在一定程度上相容。在原有工藝停用的情況下,通過仔細修改標準調整點(如電晶體柵極尺寸和金屬跡線寬度),可以複製出非常接近的電路性能。若電晶體電流/電壓特性曲線和金屬阻抗均能匹配,信號邊沿速率和傳播延遲就會高度匹配。此外,務必確保在工藝、電壓和溫度等條件存在差異的情況下始終達到等效的矽片性能。


設計內容通過GDSII掩膜資料移植至目標技術。GDSII掩膜資料類似於電路板版圖,表示用於形成電晶體、導線和過孔等物理特徵的堆疊矽片層。即便不具備GDSII資料,也可以通過對零件逐層進行成像和/或解構創建此資料。與技術轉移不同,技術複製方法將應用GDSII掩膜資料並保留原始設計的全部物理要素。各種物理要素,包括元件設計、元件佈局、元件的驅動強度以及金屬跡線在內,均保持不變。因此,無需選擇重新合成或佈局與走線。互連的所有中心點以及元件位置完全相同。


技術複製的關鍵在於在電晶體層級(同樣在電容、電阻、二極體層級等)建立等效性。調整點以幾何參數的形式表示,而且這些參數會直接應用於來自原始設計的實際GDSII「版圖」。矽片和金屬結構的尺寸會作相應修改。對尺寸所作的所有修改依然符合目標供應商物理設計規則檢查要求。典型的調整幅度大約為 5-10%,同時保持器件中心點相同。


ASIC或標準產品的技術複製將獲得外形、尺寸與功能都等效(直到電晶體層級都等效)的器件,其裸片尺寸和封裝都與原有設計相同。從供應商庫的層面來看,每個元件(AND、OR、DFF 等)的相對佈局與原有設計完全相同,每一根金屬跡線也是採用完全相同的路徑。在相同的工藝和環境變化範圍內,每個信號的傳播延遲和邊沿速率與原有器件保持一致。


工藝差異在所難免,即便同一家製造商、同一工藝也是如此。不同批次甚至同一批次都會出現差異,因此在設計中留出裕量以適應這種差異。技術複製形成的工藝變化範圍處於原有技術性能特徵範圍之內,因此設計裕量仍然適用,整個設計對變更並不敏感。


下表總結了技術轉移與技術複製之間的一些差異。


表一

特性

技術轉移

技術複製

外形尺寸以及
功能是否等效

邏輯元件

功能等效但技術上存在差異

元件相同

I/O 元件

功能等效但技術上存在差異基於最接近匹配原則從目標供應商有限的 I/O 元件集中選擇元件

元件相同

電晶體層級
的特性描述

技術上存在差異

性能曲線與原有電晶體性能曲線相匹配

I/O 和邏輯元件互連

功能等效但為符合時序和 DRC 規則要求可以進行更改重新合成時鐘分配或增加用於載入或扇出的緩衝器

跡線相同

I/O 和邏輯元件佈局

佈局不同

佈局相同

內部時序

滿足從寄存器到寄存器的時序約束條件但各個元件和路徑的延遲不同

時序相同同一路徑上所有元件的傳播延遲仍然處於原有器件的性能範圍內

內部邊沿速率

邊沿速率不同

時序相同同一路徑上所有元件的傳播延遲仍然處於原有器件的性能範圍內

I/O 時序

滿足I/O的時序約束條件但為滿足原始 I/O時序要求而更改了元件結構即增加緩衝器使保持時間不變

時序相同所有I/O引腳的傳播延遲仍然處於原有器件的性能範圍內

I/O 電壓閾值

相同

相同

I/O 邊沿速率

不同I/O 邊沿速率可通過選擇的最佳匹配”I/O 元件進行調整

邊沿速率相同所有I/O邊沿速率仍然處於原有器件的性能範圍內


ASIC或標準產品技術複製總結

1.在原有工藝停用的情況下,從現有運營成熟的晶圓生產線中,找到各項參數與原有工藝的原始參數高度匹配的生產線。對於 Motorola 或 Thomson 6802 以及其他8位元 NMOS 產品,可在 GMCH 找到原有工藝。


2.獲得原始 GDSII 掩膜資料。對於 Motorola/Freescale、LSI、AMCC、Intel、Fairchild、National、AMD 和其他許多製造商的許多產品,羅徹斯特電子都具有原始 GDSII 掩膜資料。對於羅徹斯特電子不具備原始 GDSII 資料的產品,我們可以逐層進行解構和成像,重新生成原始的 GDSII 資料庫。


3.對樣件執行橫截面分析。測量跡線寬度,絕緣層厚度,通道長度以及其他參數,然後與原始掩膜和工藝規範進行比較。這是為了確定原廠產品確實是採用標準工藝製造的,並且發佈後未進行修改,工藝也未作調整。在原有工藝停用時,此分析可確定目標技術的工藝變化範圍(保護範圍)要求。


4.從原廠器件工藝監視器結構中獲得經驗資料。此類結構通常包含測試電晶體,可用於生成實際的電流-電壓特性曲線,然而它們還可能包含更多非常重要而且完整的工藝結構。


5.如不採用原有工藝,則要獲得目標技術的SPICE模型。需要向這些SPICE模型輸入經驗資料,以確保目標技術與原有技術相匹配。


6.在原有工藝停用時,通過配置標準工藝參數,使SPICE模型性能與原廠器件的SPICE模型性能相匹配。正是通過此步驟,在電晶體與互連層級建立等效性。在製造工藝、工作電壓和工作溫度等條件存在標準差異的情況下,始終能夠建立等效性。所有變更都必須將目標晶圓廠設計規則檢查所確定的限制考慮在內。


7.根據等效性參數修改GDSII掩膜集。這些等效性參數以幾何尺寸形式表示。跡線寬度和長度根據需要進行修改,以反映所需的電晶體尺寸以及驅動特性。對過孔進行修改,使其符合新的供應商設計規則檢查要求。同樣,這也是針對原有工藝停用的情況。


8.在原有工藝停用的情況下,採用針對新的目標工藝調整好的 GDSII 掩膜集製造新的 ASIC 或標準產品。


9.對比原有ASIC或標準產品與新製造出的ASIC或標準產品的電氣特性。一種最簡便快速的對比方法是,對比存在工藝監視器結構的各個裸片上工藝監視器結構的電流-電壓特性曲線。對比後,將形成一份對比分析報告,其中列出原廠器件與被測複製器件的對比分析結果。


結果/對比分析:通過實踐檢驗效果

對照原廠器件,羅徹斯特電子對新複產出的器件(技術複製)執行全面的對比分析和參數審查。這一過程需要執行物理驗證測試與分析,以證明複製器件的功能、電氣特性以及機械特性均與原廠製造的器件相容,並且兩種器件可相互替換。


在此過程中,需要在所有電壓與工作條件下,對資料手冊中的所有參數、閾值測量結果、信號完整性、邊沿速率、拉電流與灌電流及阻抗等進行分析。這是最終確定複製器件與原廠器件具有「相同」電氣特性的判斷依據。



圖一
圖一

為此,羅徹斯特電子專門開發出一系列(專有)軟體工具,其中整合了標準軟體工具(Microsoft Excel和StatSoft Statistica),用於實現資料管理與分析的完全自動化,從而獲得器件特性描述與對比分析報告。此外,羅徹斯特電子還開發出多種專有統計方法,專門用於對多個資料集進行對比和趨勢識別,並且這些方法可以針對器件和目標技術進行定制。這些專門開發的技術功能強大,是執行趨勢分析與識別異常特性的有力工具。


表二

羅徹斯特電子採用標準的專有軟體工具對以下特性進行評估

統計類別

意義

集中趨勢測量值

資料往往以此值為中心

差異測量值

各個數據點之間差異的總量

位置測量值

各個標準化資料點使用此值顯示其相對於整個資料集的位置同時此值也會顯示資料的散佈情況

工藝能力

工藝達到指定規範的能力

識別出器件資料集中明顯的趨勢和特性差異

趨勢分析與異常特性識別


上述資訊會以描述性形式(統計表格)以及複合箱線圖和複合長條圖等圖表形式進行編制和總匯。對於各個特徵參數,所有圖形都是複合圖形,其中包含在多種溫度條件下原廠和羅徹斯特製造的器件的資料。選擇長條圖是為了顯示資料形狀,並以正態分佈曲線擬合。選擇箱線圖的原因是,這類圖形並不基於均值或標準差,因此對極限值不敏感,並且,這類圖形在對比多個資料集時非常實用。


單個參數/條件的示例


圖二
圖二

圖三
圖三

圖四
圖四

測試總結與討論:

羅徹斯特電子對比分析與特性描述將提供詳細的分析結果,並採用標準的專有統計技術量化原廠器與羅徹斯特電子複產器件之間的匹配程度。羅徹斯特電子已將這套功能豐富而全面的方法應用於數百種複產器件的測試當中,這些器件涵蓋了從紅寶石時代 (7-9μm)到0.25μm CMOS技術時代等各種複雜程度。


關於D6-82768-1重大/輕微變更指南

D6-82768-1第3.2節介紹了因停產而更換或替換ASIC或標準產品的相關內容,其中指明了需要確定變更影響,並提供了用於確定這種變更應歸為重大變更還是輕微變更的相關指南。


D6-82768-1中關於輕微變更的描述與生產工藝的保留是一致的。技術複製將分析方法與經驗方法相結合,目標在於建立起與原廠生產工藝等效的基礎生產工藝。成功的判斷標準是能夠複製出矽片性能並保持原廠工藝變化範圍。達到上述標準後,製造商即可進行常規的半導體生產。


在技術複製中,留出了工藝裕量並且確保設計面對變化具有穩定性,這可確保供應商能夠可靠地複製產品,同時能夠承受預期的正常工藝差異。若獲得的複製技術能夠展現出相同的性能和工藝差異特性,


就達到了同樣的標準。


D6-82768-1中引述的ASIC或標準產品的一種重大變更是網表變更。技術複製程式與網表變更無關,並未向設計中引入功能變更或增強功能,也沒有修正任何設計錯誤,而實際網表本身在整個複製程式中保持不變。


D6-82768-1中引述的ASIC或標準產品的另一種重大變更是,半導體技術發生變更。其中列舉了關於半導體變更的三個例示,而兩個與技術複製無關。在技術複製中,並沒有出現從ASIC到PLD的轉變,ASIC或標準產品也並未轉變為其他技術系列。列舉的技術系列變更例示,包括從閘陣列轉變為 ASIC、從標準元件轉變為定制元件等等。對於技術複製而言,基本的技術系列依然保持不變。


其餘例示描述的是在同一系列內但在工作電壓、設計特徵尺寸或者影響信號回應時間的其他特徵不同的情況下技術的變更。技術複製過程中,工作電壓並沒有發生變化。技術複製方法的主要目標是保留 ASIC或標準產品的信號特性。基本的設計特徵尺寸保持不變,但需要進行輕微變更,如第6條所述,需要調整電晶體以使系統性能相匹配。羅徹斯特電子在電晶體和金屬跡線層級執行了一系列步驟和檢查,確保最終能夠完整保留所有信號特性。在工藝相似度方面,羅徹斯特電子的複產工藝可歸為輕微變更類別。


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