使用时间可控发射方法来进行模拟电路的失效分析
时间可控发射方法(TRE)是一种常用的非入侵式波形测量方法,它能从芯片的背面探测芯片内部节点的时序波形。完美的TRE系统能提供很高的带宽 (>5GHz), 很好的探测尺寸精度 (0.25微米), 而且能显示芯片内部所有节点的波形。TRE波形一般用于探测不正确的信号电平,电路竞争和冒险问题以及几皮秒的高精度时序错误。
通常,在模拟电路诊断中TRE的使用经常受到限制,因为从模拟电路内部提取TRE波形会非常困难。动态的光子发射具有很高的非线性度。但是,我们可以提取芯片内部小幅度差分逻辑电路的波形,而这些信号能导致模拟波形的pass或者fail。在0.18微米工艺中,这些波形在判断芯片pass或fail时非常关键。
工作原理
科利登的EmiScope(R)是一种发射显微设备,它能收集处于饱和状态的CMOS器件所发**的光子。当CMOS管子的电平跳转时,主要载流子 (NMOS管中的电子,PMOS管中的空穴) 将通过晶体管的沟道从源极流向漏极。当这种电平转换发生时,沟道附近的小范围内会产生很强的电场。载流子通过这个区域时,该电场对载流子进行做功,使得载流子拥有很多能量。当这些载流子达到漏极之后,这些能量将会被释放。能量的释放有多种机制,其中的一部分会以所谓的光子发射的方式来完成。
EmiScope(R)能测量并在时域上叠加这些光子的发射,因此通过它就能从芯片背面测量芯片内部的时序。使用该技术调试数字电路时很好理解。其实,TRE系统所测得的光子发射信息也能用于模拟电路的探测。与高精度仿真结果结合在一起,这些探测结果能很好地用于模拟电路的调试。
案例分析：调试一个混合信号电路
本案例的芯片是一个混合信号芯片,拥有一个数字核和32个相同的模块。每个模块包含一个可编程的“事件发生器“,能用于产生任何低于频率的事件（脉冲）。事件发生器主要是由小幅度差分逻辑电路构成的。由于后续电路的输入时钟需要较大的信号幅度,所以需要使用一个差分信号到单端信号的缓冲器（D2S）来作为二者的接口。图1所示是一个D2S电路的原理图。 输入信号Vin/VinN的幅度分别是0或600mV。两个满幅的输出信号CVO和CVON信号能独立的用于后续电路。
在测试第一批投片芯片时,发现了一个奇怪的问题：下一级电路会出现脉冲丢失现象。而仿真结果则表明芯片工作正常。失效随机地出现在不同的芯片中。在调试之前,我们认为该问题不是由数字部分产生的。同样,事件发生器也似乎不是该问题的原因。
选择一个芯片将其放入TRE系统,收集其发射的光子柱状图。关注其中的两个模块,其中的模块3C经常fail, 模块3B经常pass。在D2S输出端分别观察两个事件发生器模块的”正“输出信号和”负”输出信号。结果如图2a,2b所示。
