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遵循DO-254标准与流程 及重大/轻微变更的分类概述
 

【作者: 羅徹斯特電子】2020年08月12日 星期三

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适用范围:

半导体特殊应用积体电路(ASIC)及标准产品都面临生产停产问题,正因如此,需要制造出外形、尺寸与功能都等效的器件。实现此目标的方法称为「技术复制」,是一种被业内视为风险最低且最具成本效益的方法。


本文旨在概述该方法的重要特性,并提出充分证据证明,依据D6-82768-1第3.0节《学科小组特定设计变更分类指南》(Discipline Subgroup-Specific Design Change Classification Guidelines) 规定,可将文中所述变更归为轻微变更。


技术转移与技术复制的工艺差异

ASIC或标准产品的「技术转移」是指将设计从一种工艺移植到另一种工艺,这与半导体制造商在跨厂制造同一款产品时所采用的方法非常类似。由於不同供应商通常采用不同的制造工艺,甚至同一家供应商的制造工艺也会略有不同,加之产品几何尺寸的变化,制造出的产品往往会存在差异。传统的 ASIC或标准产品技术转移是在保留设计等效功能的基础上,丢弃设计的物理要素,并通过网表的增量合成或原始程式码的重新合成重构出新的物理要素。物理要素包括元件设计、元件在裸片上的布局、元件的输出驱动强度以及用於连接元件的金属迹线等。这些物理要素的变化虽然不会影响设计的功能,但会改变整体信号时序、功率和裸片尺寸。


罗彻斯特电子提出采用另一种方法来解决停产产品问题,这种经过实践检验的方法称为「技术复制」(即罗彻斯特电子复产方案,以下统称「技术复制」)。技术复制的核心理念是让两家制造商的底层矽片性能相匹配。复制时,首先要选择一项合适的目标技术,该技术的性能特性和特徵尺寸应与已停用的原有技术在一定程度上相容。在原有工艺停用的情况下,通过仔细修改标准调整点(如电晶体栅极尺寸和金属迹线宽度),可以复制出非常接近的电路性能。若电晶体电流/电压特性曲线和金属阻抗均能匹配,信号边沿速率和传播延迟就会高度匹配。此外,务必确保在工艺、电压和温度等条件存在差异的情况下始终达到等效的矽片性能。


设计内容通过GDSII掩膜资料移植至目标技术。GDSII掩膜资料类似於电路板版图,表示用於形成电晶体、导线和过孔等物理特徵的堆叠矽片层。即便不具备GDSII资料,也可以通过对零件逐层进行成像和/或解构创建此资料。与技术转移不同,技术复制方法将应用GDSII掩膜资料并保留原始设计的全部物理要素。各种物理要素,包括元件设计、元件布局、元件的驱动强度以及金属迹线在内,均保持不变。因此,无需选择重新合成或布局与走线。互连的所有中心点以及元件位置完全相同。


技术复制的关键在於在电晶体层级(同样在电容、电阻、二极体层级等)建立等效性。调整点以几何叁数的形式表示,而且这些叁数会直接应用於来自原始设计的实际GDSII「版图」。矽片和金属结构的尺寸会作相应修改。对尺寸所作的所有修改依然符合目标供应商物理设计规则检查要求。典型的调整幅度大约为 5-10%,同时保持器件中心点相同。


ASIC或标准产品的技术复制将获得外形、尺寸与功能都等效(直到电晶体层级都等效)的器件,其裸片尺寸和封装都与原有设计相同。从供应商库的层面来看,每个元件(AND、OR、DFF 等)的相对布局与原有设计完全相同,每一根金属迹线也是采用完全相同的路径。在相同的工艺和环境变化范围内,每个信号的传播延迟和边沿速率与原有器件保持一致。


工艺差异在所难免,即便同一家制造商、同一工艺也是如此。不同批次甚至同一批次都会出现差异,因此在设计中留出裕量以适应这种差异。技术复制形成的工艺变化范围处於原有技术性能特徵范围之内,因此设计裕量仍然适用,整个设计对变更并不敏感。


下表总结了技术转移与技术复制之间的一些差异。


表一

特性

技术转移

技术复制

外形尺寸以及
功能是否等效

逻辑元件

功能等效但技术上存在差异

元件相同

I/O 元件

功能等效但技术上存在差异基於最接近匹配原则从目标供应商有限的 I/O 元件集中选择元件

元件相同

电晶体层级
的特性描述

技术上存在差异

性能曲线与原有电晶体性能曲线相匹配

I/O 和逻辑元件互连

功能等效但为符合时序和 DRC 规则要求可以进行更改重新合成时钟分配或增加用於载入或扇出的缓冲器

迹线相同

I/O 和逻辑元件布局

布局不同

布局相同

内部时序

满足从寄存器到寄存器的时序约束条件但各个元件和路径的延迟不同

时序相同同一路径上所有元件的传播延迟仍然处於原有器件的性能范围内

内部边沿速率

边沿速率不同

时序相同同一路径上所有元件的传播延迟仍然处於原有器件的性能范围内

I/O 时序

满足I/O的时序约束条件但为满足原始 I/O时序要求而更改了元件结构即增加缓冲器使保持时间不变

时序相同所有I/O引脚的传播延迟仍然处於原有器件的性能范围内

I/O 电压??值

相同

相同

I/O 边沿速率

不同I/O 边沿速率可通过选择的最隹匹配”I/O 元件进行调整

边沿速率相同所有I/O边沿速率仍然处於原有器件的性能范围内


ASIC或标准产品技术复制总结

1.在原有工艺停用的情况下,从现有运营成熟的晶圆生产线中,找到各项叁数与原有工艺的原始叁数高度匹配的生产线。对於 Motorola 或 Thomson 6802 以及其他8位元 NMOS 产品,可在 GMCH 找到原有工艺。


2.获得原始 GDSII 掩膜资料。对於 Motorola/Freescale、LSI、AMCC、Intel、Fairchild、National、AMD 和其他许多制造商的许多产品,罗彻斯特电子都具有原始 GDSII 掩膜资料。对於罗彻斯特电子不具备原始 GDSII 资料的产品,我们可以逐层进行解构和成像,重新生成原始的 GDSII 资料库。


3.对样件执行横截面分析。测量迹线宽度,绝缘层厚度,通道长度以及其他叁数,然後与原始掩膜和工艺规范进行比较。这是为了确定原厂产品确实是采用标准工艺制造的,并且发布後未进行修改,工艺也未作调整。在原有工艺停用时,此分析可确定目标技术的工艺变化范围(保护范围)要求。


4.从原厂器件工艺监视器结构中获得经验资料。此类结构通常包含测试电晶体,可用於生成实际的电流-电压特性曲线,然而它们还可能包含更多非常重要而且完整的工艺结构。


5.如不采用原有工艺,则要获得目标技术的SPICE模型。需要向这些SPICE模型输入经验资料,以确保目标技术与原有技术相匹配。


6.在原有工艺停用时,通过配置标准工艺叁数,使SPICE模型性能与原厂器件的SPICE模型性能相匹配。正是通过此步骤,在电晶体与互连层级建立等效性。在制造工艺、工作电压和工作温度等条件存在标准差异的情况下,始终能够建立等效性。所有变更都必须将目标晶圆厂设计规则检查所确定的限制考虑在内。


7.根据等效性叁数修改GDSII掩膜集。这些等效性叁数以几何尺寸形式表示。迹线宽度和长度根据需要进行修改,以反映所需的电晶体尺寸以及驱动特性。对过孔进行修改,使其符合新的供应商设计规则检查要求。同样,这也是针对原有工艺停用的情况。


8.在原有工艺停用的情况下,采用针对新的目标工艺调整好的 GDSII 掩膜集制造新的 ASIC 或标准产品。


9.对比原有ASIC或标准产品与新制造出的ASIC或标准产品的电气特性。一种最简便快速的对比方法是,对比存在工艺监视器结构的各个裸片上工艺监视器结构的电流-电压特性曲线。对比後,将形成一份对比分析报告,其中列出原厂器件与被测复制器件的对比分析结果。


结果/对比分析:通过实践检验效果

对照原厂器件,罗彻斯特电子对新复产出的器件(技术复制)执行全面的对比分析和叁数审查。这一过程需要执行物理验证测试与分析,以证明复制器件的功能、电气特性以及机械特性均与原厂制造的器件相容,并且两种器件可相互替换。


在此过程中,需要在所有电压与工作条件下,对资料手册中的所有叁数、??值测量结果、信号完整性、边沿速率、拉电流与灌电流及阻抗等进行分析。这是最终确定复制器件与原厂器件具有「相同」电气特性的判断依据。



图一
图一

为此,罗彻斯特电子专门开发出一系列(专有)软体工具,其中整合了标准软体工具(Microsoft Excel和StatSoft Statistica),用於实现资料管理与分析的完全自动化,从而获得器件特性描述与对比分析报告。此外,罗彻斯特电子还开发出多种专有统计方法,专门用於对多个资料集进行对比和趋势识别,并且这些方法可以针对器件和目标技术进行定制。这些专门开发的技术功能强大,是执行趋势分析与识别异常特性的有力工具。


表二

罗彻斯特电子采用标准的专有软体工具对以下特性进行评估

统计类别

意义

集中趋势测量值

资料往往以此值为中心

差异测量值

各个数据点之间差异的总量

位置测量值

各个标准化资料点使用此值显示其相对於整个资料集的位置同时此值也会显示资料的散布情况

工艺能力

工艺达到指定规范的能力

识别出器件资料集中明显的趋势和特性差异

趋势分析与异常特性识别

上述资讯会以描述性形式(统计表格)以及复合箱线图和复合长条图等图表形式进行编制和总汇。对於各个特徵叁数,所有图形都是复合图形,其中包含在多种温度条件下原厂和罗彻斯特制造的器件的资料。选择长条图是为了显示资料形状,并以正态分布曲线拟合。选择箱线图的原因是,这类图形并不基於均值或标准差,因此对极限值不敏感,并且,这类图形在对比多个资料集时非常实用。

单个叁数/条件的示例


图二
图二

图三
图三

图四
图四

测试总结与讨论:

罗彻斯特电子对比分析与特性描述将提供详细的分析结果,并采用标准的专有统计技术量化原厂器与罗彻斯特电子复产器件之间的匹配程度。罗彻斯特电子已将这套功能丰富而全面的方法应用於数百种复产器件的测试当中,这些器件涵盖了从红宝石时代 (7-9μm)到0.25μm CMOS技术时代等各种复杂程度。


关於D6-82768-1重大/轻微变更指南

D6-82768-1第3.2节介绍了因停产而更换或替换ASIC或标准产品的相关内容,其中指明了需要确定变更影响,并提供了用於确定这种变更应归为重大变更还是轻微变更的相关指南。


D6-82768-1中关於轻微变更的描述与生产工艺的保留是一致的。技术复制将分析方法与经验方法相结合,目标在於建立起与原厂生产工艺等效的基础生产工艺。成功的判断标准是能够复制出矽片性能并保持原厂工艺变化范围。达到上述标准後,制造商即可进行常规的半导体生产。


在技术复制中,留出了工艺裕量并且确保设计面对变化具有稳定性,这可确保供应商能够可靠地复制产品,同时能够承受预期的正常工艺差异。若获得的复制技术能够展现出相同的性能和工艺差异特性,


就达到了同样的标准。


D6-82768-1中引述的ASIC或标准产品的一种重大变更是网表变更。技术复制程式与网表变更无关,并未向设计中引入功能变更或增强功能,也没有修正任何设计错误,而实际网表本身在整个复制程式中保持不变。


D6-82768-1中引述的ASIC或标准产品的另一种重大变更是,半导体技术发生变更。其中列举了关於半导体变更的三个例示,而两个与技术复制无关。在技术复制中,并没有出现从ASIC到PLD的转变,ASIC或标准产品也并未转变为其他技术系列。列举的技术系列变更例示,包括从闸阵列转变为 ASIC、从标准元件转变为定制元件等等。对於技术复制而言,基本的技术系列依然保持不变。


其馀例示描述的是在同一系列内但在工作电压、设计特徵尺寸或者影响信号回应时间的其他特徵不同的情况下技术的变更。技术复制过程中,工作电压并没有发生变化。技术复制方法的主要目标是保留 ASIC或标准产品的信号特性。基本的设计特徵尺寸保持不变,但需要进行轻微变更,如第6条所述,需要调整电晶体以使系统性能相匹配。罗彻斯特电子在电晶体和金属迹线层级执行了一系列步骤和检查,确保最终能够完整保留所有信号特性。在工艺相似度方面,罗彻斯特电子的复产工艺可归为轻微变更类别。


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