SRAM 测试总结

SoC随着工艺进步设计复杂度增加，embeded sram也越来越多。在40nm SoC产品Sram一般在20Mbits左右，当工艺发展到28nm时Sram就增加到100Mbits。如果考虑AI产品，Sram估计更多。如何更好的测试Sram就成为量产测试的重中之重。

Sram的结构

一个6T sram cell的经典结构如图所示：

这些Sram cell集合成如下图的多个bank的memory block，每个bank有bank address使能；在一个bank内Row address选择一个完整的wordline，Column address选择某组IO bitlines。

举个例子说明如下：

一个memory block是4096x32 cm16，该memory size = 4096*32= 128k bits, row address is 8bits (4096/16 = 256 wordlines), column address is 4 bits(0~15), Wordline bits = 32*16 = 512 bits.

SRAM的性能

• memory compiler的选择

对于一个memory size大小确定的memory block，Column Mux越大，Row address位宽越小：

- memory读写的访问速度就高 （row译码选择快）

- memory的面积大（cell和cell的横向距离大于纵向距离，column mux增加很增加bits per wordline--横向，减少wordline数--纵向，横向尺寸增加远大于纵向）

- 因为一次选择的row地址对应的cell多，功耗也会增加

• 电流功耗

总电流功耗包括dynamic power和leakage power。不同的sram cell单元（比如HPC，HDC等等）功耗指标不同，体系结构设计需要在面积，速度和功耗之间寻找平衡。

-leakage current是永远存在的

Poweroff模式(cell+periphery off)< Retention模式(cell ON+periphery OFF) < Standby模式（cell+periphery on）

1Mbits memory的standby/Ret leakage电流在0.2mA左右，poweroff leakage电流在0.03mA左右。

-dynamic current：column mux，读写速度，读写辅助电路等都会影响动态电流

如果在常温状态下leakage current比较大，在高温或者大的dynamic current时必须注意thermal runaway的风险，因为温度升高leakage current会增加很快，总功耗的增加会进一步增加温度，形成正反馈。

Sram的fault mode

可以将Sram的故障分类成以下几种，mbist的算法实质就是针对这些不同故障模型设计读写序列捕获可能的defects。

SRAM Read/Write Assist（RAWA）

随着Sram的供电电压Vsram越来越低，Sram门单元参数的漂移越来约大，很难找到可以保证read和write都工作的Vsram电压了。

以下图为例，Vccmin的target是设死的，如果没有RAWA则NMOS的Vt必须保证在很小范围内，半导体工艺很难保证参数有这么小的范围;而如果有RAWA，则NMOS的Vt就可以有比较大的范围，减少了对工艺加工的要求。

• Sram的读操作如下面gif所示，有Precharge->Select Wordline->Sense Amplifer strobe

 

其中select wordline的电压会影响pass gate的电流，wordline电压越高，pass gate的电流越大，cell的内容就越容易丢失。

• read assist 就是减少wordline的select电压，减少pass gate的电流减少对cell的disturb

• Sram write和WRA

Sram写入时降低Vsram的电压，可以帮助数据通过M2/M4写入cell中。

 

SRAM的Quality和Reliability

理论上如果SRAM支持redundancy repair + ECC，在测试的时候做到以下几点：

- 合理的算法覆盖故障模型 （比如PMOVI）

- 使用较低的low Vmin做repair（再低就无法repair）

- 在Vmin+Guardband电压下使用该SRAM，并且ECC on

基本可以保证SRAM没有yield loss和in field reliability的问题。

Cmos的reliability按照类型可以分为空间上和时间上的：

空间上的是process引起的yield loss，只能靠repair提高yield；

时间上的是由aging，Erratic bit，Soft Error rate等因素引起的使用故障，Ecc可以消除很多问题，或者提高使用电压可以帮助；

• Erratic bit导致Pass Vmin 波动很大，如果repeat测试很多遍，可以看到Vmin range在100mV左右。这个会导致Sram repair之后，需要一个比较大的Guardband保证Sram没有Erratic bit 问题；
• Aging会导致Vth随使用时间变大，5年以后一般会增大40mV，因此Vmin也会增加；

因此如果要保证DUT可以使用5年，在T0测试的时候就要用更低的Vscreen，保证足够的aging和EB的guardband。

可见SRAM的reliability是和operation voltage密切相关的，对于mobile应用关心power KPI，一般SRAM会工作在较低电压，SRAM reliability问题就更突出。需要ATE测试可以尽量在更低电压下repair memory，保证T0的pass Vmin比较低，和operation voltage相比有较大的guardband。

SRAM的repair

一般分为Word repair，row repair和column repair。Word repair使用寄存器存储defect cell的地址和数据，scan可以cover这些寄存器；row/column repair需要考虑BIST覆盖问题，在不同温度多次repair时redundancy cells的screen问题。

在量产测试中repair的电压选择也是一个balance的结果，repair voltage应该比target screen电压要低一些（考虑erratic bits的影响），保证把尽量多的weak cells可以替换掉，同时又不能导致太多DUT无法repair

Sram的Stress

为了消除早期失效DUT，SRAM一般需要在量产测试时做高电压的stress。这里有两个考量点：

- voltage和stress time：需要和subcon process确定，电压越高/测试温度高相应stress的时间就可以减少；

- stress pattern的选择：需要考虑如何保证stress pattern有效执行；另外使用什么mbist algorithm也是问题，一般建议使用write1->read1->write0->read0的pattern。优点是保证每个cell都有0<->1的翻转，同时cell在‘0’或者‘1’状态下有同样的stress时间。如果使用其他algorithm，有可能small sram有很长的static stress时间而big sram大多是toggling stress时间。

Sram的其他特性

SRAM的读写时间可以做成self-timing，当读写被时钟上升沿trigger以后，SRAM内有dummy bitline+dummy driver来驱动计时器得到读写的时间。得到读写时间后，用该时间访问实际sram cell保证读写时间ok。