DFT中Fault Model的介绍

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Why Fault Modeling?

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电路中存在太多可能的缺陷，故障模型能够量化测试质量，并量化难以处理的缺陷，电路中的故障数量可轻松计算。

Fault model使测试自动化成为可能，如ATPG、Fault simulation、Automatic diagnosis。因此，Automatic Tools Need Fault Model。

正式学习之前，先辨析几个概念（以与门为例）：

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Defect Introduction

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物理缺陷(Defect)是指在集成电路制造过程中，在硅片上产生的物理异常，导致物理缺陷的原因有：

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连线的短路或开路

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掺杂浓度不稳定

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金属导线不规则

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过孔不完整或过大

总之，物理缺陷是千奇百怪的，而这些物理缺陷就是DFT需要甄别、测试的对象。

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Fault Model

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故障模型（Fault model）：在晶体管级或门级对物理缺陷Defect的建模，为实现测试自动化以及量化测试品质奠定基础。

• 故障模型能精确反映物理缺陷的行为和特点

• 要求故障模型复杂度合理

故障模型种类分为数字逻辑单元中的故障模型、存储器的故障模型。

3.1  Logic Fault Model

  3.1.1    Stuck-at Fault

Single stuck-at fault（SSF）指逻辑门中一条信号线的逻辑状态，一直固定在0或1，与其他信号线上的逻辑值无关。

• 最常见的故障建模：短路/粘连

• 可表示为SA0/SA1或s-a-0/ s-a-1，如固定在0，则表示为SA0/s-a-0

• 故障数量级可接受，与芯片规模呈线性关系

3.1.2    Delay Fault

Delay fault 导致电路时序不能满足设计要求，原因有以下三点：

• 掺杂浓度不稳定

• 金属导电率

• 光刻不规则

Delay 存在于任何逻辑门或者连线中，主要分为以下两种：

• Transition delay fault

• Path delay  fault 

Transition Delay fault

Transition delay fault（TDF）：因逻辑门故障节点延时，导致未能在期望时间内观测到正确的输出结果。

• Slow-to-rise node：0到1的跳 变缓慢

• Slow-to-fall  node：1到0的跳变缓慢

• 线性数量级

 

Path Delay fault

Path delay fault（PDF）：指定路径上所有组合门电路的跳变延时之和的故障，导致未能在期望时间内观测到正确的输出结果。

• Falling ↓ （at PI）

• Rising  ↑ （at PI）

• 指数数量级

 3.1.3    IDDQ Fault

理想CMOS电路的静态漏电流很小，IDDQ测试是通过检测CMOS静态漏电流是否有较明显变化来判断电路中是否有开/短路等故障。引起IDDQ的主要原因有：

• 对地和对电源的短路

• 由尘埃引起的连线断路

• 金属穿通引起晶体管源或漏的短路

• 静电击穿

3.1.4    Bridge Fault

随着芯片集成度不断增大，器件特征尺寸不断减小，导线数不断增多，线间距越来越小，Bridge fault主要检测由两个或多个器件元素之间的粘连导致的短路故障。

三种类型：

• wire-AND

• wire-OR

• A-dominant

3.2 Memory Fault Model

Memory fault model主要针对RAM，其中memory故障模型分为Static faults和Dynamic faults。静态faults包括Single cell fault, Double cell fault, Address-decoder fault，其中Single cell fault主要介绍Stuck-at fault、Transition fault，Double cell fault主要介绍Coupling fault；动态faults包括Recovery fault， Retention fault，接下来让我们深度学习部分静态Memory Fault Model。

3.2.1    Stuck-at Fault

SAF(Stuck-at Fault)：存储单元中的值固定为0，称为SA0；存储单元中的值固定为1，称为SA1。

正常情况下，对存储单元写入0时，存储单元的值为0，写入1时，存储单元的值为1。但出现SA0故障时，无论写入0还是1，存储单元的值始终固定在0；同理，出现SA1故障时，无论写入0还是1，存储单元中的值始终固定为1。

 

3.2.2    Transition Fault

转换故障TF(Transition Fault)：一个存储单元中的数据无法从0转换到1或无法从1转换到0。存储器中的转换故障有两类，上转换故障和下转换故障。上转换故障时值无法从0跳变到1，下转换故障时值无法从1跳变到0。

Tips：发生TF时，单元能够正常写0或是写1，只是无法跳变，要和SAF区分开哦~

3.2.3    Coupling Fault

CFst (state coupling fault)状态耦合故障

       4 types:

CFin(inversion coupling fault)倒置耦合故障

        2 types：

CFid(idempotent coupling fault)固化耦合故障

         4 types:

3.2.4     Address-Decoder Fault

Fault 1: 对于给定的地址，不存在相对应的存储单元

Fault 2: 对于一个存储单元，没有相对应的物理地址

Fault 3: 对于给定的地址，可以访问多个固定的存储单元

Fault 4: 对于一个存储单元，有多个地址可以访问

除此之外还有许多其它的故障类型，当然也可以由用户自定义故障模型，但文章篇幅有限不能逐一介绍，感兴趣的同学可以自行学习。

以上便是对Fault model的简单介绍，主要介绍了Logic fault model 与 Memory fault model，了解故障模型是DFT工作必备的基础概念，也为后期学习ATPG打下坚实的基础。事实上，从DFT诞生开始，DFT的方法就一直在进化。无论是Fault model，还是测试方法，DFT一直在进步并且一直会被需要。