1 Testowanie pamięci półprzewodnikowychMałgorzata Drobina Krzysztof Płókarz

2 Zagadnienia Rodzaje pamięci Występujące uszkodzenia Wzory testowe Testery Verigy NAND-tree Technologia SCITT mBISTAchitect

3 Rodzaje pamięci

4 Rodzaje pamięci Read-only memory (ROM) Mask programmable zawartość komórek ustalana na etapie produkcji brak możliwości przeprogramowania produkcja masowa mało kosztowna, dlatego stosuje się tę pamięć do generatorów znaków w układach, pozytywek, w Game-Boyach, Sega, Nintendo pewne w działaniu, duża niezawodność

5 Rodzaje pamięci Read-only memory (ROM) magistrala adresowa A magistrala danych D CS (chip select) - linia uaktywnia układ pamięci, w stanie wysokim nie reaguje na sygnały, a magistrala danych przechodzi w stan wysokiej impedancji OE (output enable) – w stanie niskim podłącza wewnętrzną magistralę danych do zewnętrznej

6 Rodzaje pamięci Read-only memory (ROM) adres komórki jest przekazywany do dekodera wierszy i kolumn w komórkach z „1” WL (word line) jest połączona z BL (bit line) tranzystorem bądź diodą prąd linią BL biegnie do wzmacniacza i dalej na magistralę danych

7 Rodzaje pamięci Programmable ROM (PROM) zawartość komórek to same jedynki programowanie jednorazowe przy pomoy PROM burnera – połączenia diod z liniami WL i BL są wykonane z cienkich drucików, które pod wpływem odpowiedniego prądu się przepalają, ustalając stan niski duża wrażliwość na przepięcia elektryczne przestarzałe, ich zastosowanie zastąpione przez OTP EPROM

8 Rodzaje pamięci Erasable Programmable ROM (EPROM) możliwość wielokrotnego programowania kasowanie nieselektywne dzięki okienku krzemowemu każde kasowanie degeneruje materiał półprzewodnikowy – żywotność od kilkuset do kilkutysięcy cykli kasowania i programowania trwałość zapisu lat

9 Rodzaje pamięci Erasable Programmable ROM (EPROM) standardowy dekoder wierszy i kolumn sterowany liniami adresowymi komórki zbudowane z tranzystorów polowych z dwiema bramkami: sterującą (control gate) podłączoną do WL i pływającą (floating gate) bramka pływająca więzi elektrony, których ładunek wpływa na przepływ prądów przez tranzystor

10 Rodzaje pamięci Erasable Programmable ROM (EPROM)jeśli wartość prądu na BL > 50% maksimum to komórka pamięci przyjmuje stan „1” jeśli wartość prądu na BL < 50% maksimum to komórka pamięci przyjmuje stan „0” (bramka pływająca blokuje wówczas tranzystor) promieniowanie UV o długości fali 253,7nm powoduje jonizacje krzemu i uwolnienie elektronów z bramki pływającej, wszystkie komórki przyjmują wówczas logiczne jedynki

11 Rodzaje pamięci Electrically Erasable and Programmable ROM (EEPROM) możliwość wielokrotnego programowania i selektywnego kasowania żywotność to kilkanaście tysięcy cykli programowania i kasowania możliwość przeprogramowowania bez wyciągania pamięci z układu obecnie coraz częściej zastępowana pamięcią FLASH

12 Rodzaje pamięci Pamięć FLASHsposób zapisu identyczny jak w EEPROM, zaś kasowanie polega na wymazaniu danych z całego bloku komórek (1024 bajty), co jest znacznie szybsze, niż kasowanie pojedynczo jak w EEPROM przechowywanie informacji w postaci bloków umożliwia pracę w charakterze dysku żywotność kilka milionów cykli wymazywania i zapisu, co daje ok. 5 lat pracy w charakterze dysku krzemowego

13 Rodzaje pamięci Pamięć FLASHpamięć zasilana jest pojedynczym napięciem 5V, więc w cyklu wymazywania korzysta z wewnętrznych obwodów powielaczy, które pozwalają uzyskać napięcie 12-22V wymagane przy kasowaniu bloków komórek

14 Rodzaje pamięci Non Volatile RAM (NV-RAM)jest zwykłą pamięcią RAM z obwodem zasilania bateryjnego wewnętrzna bateria potrafi podtrzymać działanie pamięci przez ok. 10 lat dużo szybsza od EEPROM i FLASH standardowa obsługa: NV-RAM może zostać nawet włączona w przestrzeń adresową procesora i pełnić rolę obszaru pamięci, który nie jest kasowany po wyłączeniu zasilania używany w komputerach do zapamiętywania ustawień płyty głównej

15 Rodzaje pamięci Random Access Memory (RAM) zawartość komórek tracona w momencie utraty zasilania duża szybkość (rząd wielkości szybsze od pamięci FLASH) niski koszt produkcji

16 Rodzaje pamięci Static RAM (SRAM) zasada działania oparta na przerzutnikach bistabilnych (zapamiętują stan do czasu uzyskania nowej porcji informacji) każdy przerzutnik bistabilny zbudowany jest z 4 tranzystorów CMOS i dwóch sterujących zapisem i odczytem danych w komórce, co wiąże się z ograniczeniami konstrukcyjnymi pamięci (256MB to prawie 13 miliardów tranzystorów)

17 Rodzaje pamięci Static RAM (SRAM) 4 tranzystory tworzą dwa inwertory, na których przechowywany jest bit informacji M5 i M6 sterują dostępem do komórki w czasie zapisu i oczytu dwie linie BL stosuje się w celu zwiększenia stosunku poziomu sygnału wobec szumów, które pojawiają się w strukturze pamięci

18 Rodzaje pamięci Static RAM (SRAM)

19 Rodzaje pamięci Dynamic RAM (DRAM)zasada działania oparta na tranzystorze polowym sterującym oraz kondensatorze przechowującym informację problemem jest rozładowywanie się szybkie kondensatora (czas rozładowania rzędu milisekund) znacznie większa pojemność w stosunku do SRAM przy takich samych rozmiarach mniejsza szybkość niż SRAM

20 Rodzaje pamięci Dynamic RAM (DRAM) WL steruje tranzystorem polowym, który przyłącza do BL lub separuje kondensator odczyt informacji z kondensatora niszczy przechowywaną w nim informację, stąd zachodzi konieczność każdorazowej regeneracji informacji poprzez wzmacniacze odświeżające

21 Rodzaje pamięci Dynamic RAM (DRAM)konieczne zastosowanie sekwencji regeneracji ładunku, by zapobiec rozładowaniu kondensatora. Stosuje się do tego specjalne obwody, których zadaniem jest cykliczne odczytywanie stanu komórek i za pomocą wzmacniaczy odświeżających uzupełnienie ładunku tam, gdzie wartość komórki była „1” jeśli obwody te będą integralną częścią układu scalonego pamięci to jest ona pseudostatyczna, gdyż zewnętrznie obsługiwana jest identycznie jak SRAM

22 Rodzaje pamięci Dynamic RAM (DRAM)

23 Rodzaje uszkodzeń Trwałe Krótkotrwałe Konstrukcyjne

24 Rodzaje uszkodzeń Trwałe zerwane i powstałe połączenia zwarcia do masy przepalone połączenia korozja błędy logiki układu scalonego migracja elektronów pogorszenie integracji zanieczyszczenie jonami

25 Rodzaje uszkodzeń Krótkotrwałe promieniowanie kosmiczne zanieczyszczenie powietrza wilgotność, temperatura, ciśnienie wibracje zakłócenia zasilania zakłócenia elektromagnetyczne wyładowania elektryczne

26 Rodzaje uszkodzeń Konstrukcyjne luźne łączenia starzejące się elementy rozbieżności rezystorów, kondensatorów nieregularności szum elektryczny

27 Rodzaje błędów

28 Rodzaje błędów Dotyczące jednej komórki:Stuck-at Fault (SAF) – wartość na stałe zatrzaśnięta w stanie 0 lub 1 Stuck-open Fault (SOpF) – brak dostępu do komórki; wzmacniacz odczytu przy operacji odczytu wzmacnia różnicę sygnału pomiędzy liniami bitów komórki. Gdy zachodzi SOpF, różnica ta wynosi 0 Transition Fault (TF) – niemożność zmiany wartości komórki Data Retention Fault (DRF) – niemożność podtrzymania przez komórkę stanu w określonych przedziałach czasu

29 Rodzaje błędów Dotyczące dwóch komórek (CFs): Inversion Coupling Fault (CFin) – zmiana stanu w komórce a-cell (agresor) powoduje odwrócenie stanu logicznego w komórce v-cell (ofiary) Idempotent Coupling Fault (CFid) – zmiana stanu a-cell powoduje ustawienie wartości v-cell State Coupling Fault (SCF) – ustawienie konkretnego stanu a-cell powoduje ustawienie stanu v-cell

30 Rodzaje błędów Dynamic Coupling Fault (CFdyn) – zapis lub odczyt w komórce a-cell powoduje ustawienie stanu w v-cell Bridging Fault (BF) – zwarcie pomiędzy dwiema komórkami pamięci tendencyjność wzmacniaczy odczytu – po serii odczytywanych jedynek pojedynczy stan zerowy może zostać odczytany jako jedynka

31 Rodzaje błędów Dotyczące dekodera adresów (AFs): nieistnienie komórki o błędnym adresie niemożność uzyskania adresu istniejącej komórki uzyskanie dostępu do wielu komórek jednym adresem dostęp do komórki różnymi adresami

32 Rodzaje błędów

33 Rodzaje błędów Rodzaje testów: stałoprądowe – wymuszanie, detekcja napięć stałych, wykrywanie uszkodzeń struktury, pomiar prądu spoczynkowego, itp. funkcjonalne – sprawdzenie poprawnego zapisu i odczytu dynamiczne – badanie czasu dostępu, w praktyce zastępuje się je testami funkcjonalnymi, mierząc czasy dostepów do komórek „przy okazji”

34 Celem testowania pamięci nie jest lokalizacja błęduWzory testowe Celem testowania pamięci nie jest lokalizacja błędu tylko jego detekcja

35 Wzory testowe Zero-one Checkerboard Marching Walking Galloping Diagonal Nearest-neighbour Pseudo-random

36 Wzory testowe Zero-one test (test zero-jedynkowy) łatwy do zastosowania krótki czas trwania (4n operacji) nie wykrywa wszystkich AF, SAF, TF, CF

37 Wzory testowe Checkerboard test (test szachownicy) łatwy do zastosowania krótki czas trwania (4n operacji) nie wykrywa wszystkich AF, SAF, TF, CF stosowany dotychczas w testowaniu maksymalnego czasu odświeżania komórek DRAM (maksymalizacja prądów przenikania)

38 Wzory testowe MARCH Test (maszerująca jedynka/zero) czas trwania 6n

39 Wzory testowe WALKPAT Test (wędrująca jedynka/zero) czas 2n(n+2), efektywny

40 Wzory testowe GALPAT Test (galopująca jedynka/zero) proces sczytania przeprowadzony dla całej tablicy czas 4n2 także wykrywa tendencyjność wzmacniacza odczytu powszechny w użyciu warianty galloping-row, galloping-col skuteczne do badania dekodera

41 Wzory testowe Diagonal WALKPAT Test szybszy, nie wykrywa tendencyjności

42 Wzory testowe Nearest-neighbour Test mniejsza ilość operacji, ale wymaga zaawansowanego adresowania

43 Wzory testowe MARCH Tests przykładowo MATS+: Inductive Fault Analisys – 13:

44 Wzory testowe MARCH Tests

45 Wzory testowe Pseudo-random Test porównanie do pamięci odniesienia (raport o błędzie od razu) lub sygnatury (raport po zakończeniu testu) raczej stosowana jako dodatek

46 Testery Verigy Obecnie (6 generacja): testowanie NOR, NAND, DRAM,SRAM i MCP architektura zawierająca Active Matrix do 18k I/O pins osiąga do 280MHz/880Mbps

47 Testery Verigy Engineering v5000

48 Testery Verigy Wafer Sort v5400

49 Testery Verigy Final Test v5500

50 Testery Verigy

51 Testery Verigy

52 NAND-Tree

53 NAND-Tree stosowane do testowania u producenta układów scalonych wykrywają prawie wszystkie błędy na wejściach drzewa nie wykrywają błędów na wyjściach i wejściach nie podłączonych do drzewa

54 SCITT Static Component Interconnect Test Technology Zainicjowana przez firmy Fujitsu i Philips w 1998 roku Testy na poziomie płytki, sprawdzane są połączenia wewnętrzne, połączenia z sąsiednimi elementami

55 SCITT Umożliwia łatwe testowanie, zastosowanie prostych wzorców Stosowane wzorce: m – liczba wejść

56 SCITT Wykorzystuje proste funkcje logiczne do zastępowania funkcji urządzenia podczas testu – funkcje XOR i XNOR

57 SCITT wykrywanie pojedynczych błędów stuck-at i bridging faults liczba testów 2N+2, N – liczba wejść do testowania SDRAM, FLASH nie potrzeba dodatkowych pinów, mały wzrost zużycia krzemu

58 SCITT Lista wykrywanych błędów:

59 SCITT SCITT jest tanim rozwiązaniem w połączeniu z Boundary Scan

60 SCITT połączenie zabezpieczające przed wejściem do bloku funkcyjnego podczas testu

61 SCITT typowy obszar zastosowania SCITT w multimediach

62 SCITT

63 IEEE P1581 IEEE nie jest zaimplementowana w pamięciach łatwe do zaimplementowania, proste wzorce wykrycie błędu nie powoduje przerwania testu wykrywa wszystkie błędy doskonałe połącznie z Boundary Scan

64 IEEE P1581

65 IEEE P1581 „IEEE Std will make you forget you ever had a memory problem” Bob Russell

66 mBISTArchitect rozwiązanie testowania pamięci przez firmę Mentor Graphics do pamięci wbudowanych tworzy układ testujący, który stosuje, odczytuje i porównuje wzorcowy algorytm możliwość definiowania własnych algorytmów wysoka jakość, krótki czas testu wykrycie i lokalizacja błędów

67 mBISTArchitect

68 Bibliografia Ad van de Goor „Memory testing”, w: Niraj K. Jha, Sandeep Gupta, Testing of Digital Systems, s Stanley L. Hurst, VLSI testing: digital and mixed analogue/digital techniques BTW_2005_P1581_slides.pdf mbistarchitect/ materiały od dr Bartosińskiego i dr Toczka

69 Dziękujemy za uwagę!

70