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测试芯片自动化设计与集成电路成品率提升研究

作　者: 张波
导　师: 严晓浪
学　校: 浙江大学
专　业: 电路与系统
关键词: 成品率测试芯片纳米级工艺测试结构自动化设计多项目晶圆模拟退火布局规划
分类号: TN405
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

根据国际半导体技术发展蓝图(ITRS),集成电路已经进入“后摩尔”(More than Moore)时代,集成电路制造的工艺尺寸不断减小,国际最先进工艺已经到达28nm以下。随着集成电路工艺尺寸到达纳米级别,集成电路制造工艺越趋复杂,制造工艺缺陷及设计缺陷对成品率的影响越来越大。同时集成电路制造的设计规则也越来越复杂,设计规则数目迅速增加,需要设计成千上万的不同测试结构来检测和分析制造工艺缺陷和各设计规则的成品率缺失。另一方面,随着制造工艺水平的提高,在生产线上制造芯片的费用不断上涨。多项目晶圆(Multi Project Wafer,简称MPW)就是将多个使用相同工艺的集成电路设计放在同一晶圆片上流片,制造完成后,每个设计可以得到数十片芯片样品,这一数量对于原型(Prototype)设计阶段的实验、测试已经足够。而该次制造费用就由所有参加MPW的项目按照芯片面积分摊,成本仅为单独进行原型制造成本的5%-10%,极大地降低了产品开发风险、培养集成电路设计人才的门槛和中小集成电路设计企业在起步时的门槛。如何设计更加合理的布局以减少晶圆切割时对多项目晶圆中芯片的损坏,提高多项目晶圆的成品率,也成为了现代集成电路行业研究的热点之一。本文围绕测试芯片设计及提高集成电路成品率展开了以下几方面研究：1.根据纳米级制造工艺特点以及对成品率数据分析需求,基于制造工艺的通用设计规则,完成了成品率测试所需的各类测试结构的参数化建模,为后续的成品率测试芯片自动化设计奠定了坚实的基础；2.针对测试芯片中测试结构的相似性特点,以及制造工艺设计规则中不同图层的相关性特点,创造性的提出并实现了版图生成器,并基于实验设计(DOE, Design of Experiment)的要求完成了各类测试结构的自动化生成；同时,针对传统Short Flow设计的测试芯片中测试结构直接连接到终端(PAD)的特点,完成对测试结构布局和布线的建模,并实现测试芯片的布局和布线自动化设计,提升了测试芯片设计效率；3.针对先进的可寻址测试芯片设计复杂、测试结构容量更大、对自动化设计要求更高的特点,提出一种模块化可扩展的设计方法,该方法能够极大地减少PAD数目以及传输门器件所占面积,可以实现对测试结构的精确的四端测量,测试结构尺寸和测试阵列规模都具有良好的可扩展性,同时能够发现纳米级集成电路制造工艺的多种缺陷；4.深入分析了切割对多项目晶圆造成的成品率缺失,提出了一种基于模拟退火(SA)算法的多项目晶圆布局规划方法,该方法充分考虑切割对芯片的损耗情况,利用模拟退火算法自动计算出最优布局结果,能够减小切割损耗,提高多项目晶圆的芯片成品率。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-13
图目录  13-16
表目录  16-17
第一章前言  17-32
  1.1 引言  17-19
  1.2 研究背景  19-29
    1.2.1 集成电路制造工艺流程  19-21
    1.2.2 集成电路的成本与成品率  21-22
    1.2.3 成品率缺失  22-25
    1.2.4 测试芯片设计面临的问题  25-26
    1.2.5 多项目晶圆及其对成品率的影响  26-28
    1.2.6 多项目晶圆成品率提升  28-29
  1.3 研究内容、创新点及论文安排  29-30
  1.4 论文章节安排  30-32
第二章测试芯片的现状、发展趋势与挑战  32-48
  2.1 测试芯片的角色地位和重要性  32-35
  2.2 测试芯片的基本结构—测试结构  35-36
  2.3 测试结构类型及其特点  36-37
  2.4 测试芯片的现状  37-40
  2.5 测试芯片的电学测试和标准测试设备  40-41
  2.6 测试芯片的发展趋势  41-44
  2.7 测试芯片设计面临的挑战  44-47
  2.8 本章小结  47-48
第三章测试芯片自动化设计建模及自动化工具架构  48-76
  3.1 测试结构特点分析  48-51
  3.2 测试结构参数化建模  51-56
  3.3 测试结构版图生成器  56-65
    3.3.1 测试结构版图生成器架构  57
    3.3.2 版图生成器输入参数类型  57-58
    3.3.3 约束类型及违法约束  58-60
    3.3.4 版图运算操作类型  60-61
    3.3.5 实例演示  61-65
  3.4 自动化设计工具架构及其设计流程  65-67
  3.5 测试芯片自动化布局、布线  67-72
    3.5.1 布局布线模型  67-69
    3.5.2 绕线算法及实现  69-72
  3.6 版图自动化设计工具实验结果  72-74
  3.7 测试芯片验证  74-75
  3.8 本章小结  75-76
第四章模块化设计及其在二维测试结构阵列自动化设计中的应用  76-92
  4.1 引言  76-77
  4.2 可寻址测试芯片架构  77-79
  4.3 可寻址测试芯片基本结构  79-80
  4.4 基本结构模块化建模  80-82
  4.5 模块化单元的自动化设计  82-83
  4.6 基于模块化单元的可寻址测试芯片实现  83-87
  4.7 物理失效分析及工艺缺陷监测实验结果  87-90
  4.8 本章小结  90-92
第五章提升多项目晶圆芯片成品率的布局规划设计  92-118
  5.1 多项目晶圆  92-94
  5.2 多项目晶圆中切割对成品率的影响  94-96
  5.3 多项目晶圆布局规划研究  96-101
    5.3.1 可切割布局规划的表达方式  97-99
    5.3.2 可切割布局规划的优化目标  99-100
    5.3.3 基于模拟退火算法的可切割布局规划设计方法  100-101
  5.4 多项目晶圆减小切割损耗的布局规划设计  101-107
    5.4.1 设计流程  102-103
    5.4.2 切割损坏的认定切割组的引入  103-105
    5.4.3 总目标方程的确定  105-107
  5.5 模拟退火算法实现  107-111
  5.6 多项目晶圆减小切割损耗的布局实现及实验结果  111-116
  5.7 本章小结  116-118
第六章结束语  118-121
  6.1 论文总结  118-119
  6.2 今后工作展望  119-121
附录一、版图生成器中各种版图操作类型  121-133
参考文献  133-138
攻读学位期间发表/录用的学术论文  138
攻读学位期间授权的发明专利  138

测试芯片自动化设计与集成电路成品率提升研究

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