RRAM流片调试心得

RRAM流片调试心得

去年进行了一次RRAM的流片工作，也是人生第一次流片，一些工作细节不便涉及，但是可以谈谈这次流片以及后续测试中碰到的问题，以便后续查阅。

芯片于UMC完成180nm的CMOS前道工艺，共生长5层金属（到V5），随后出Fab，送到所里生长RRAM和M6完成后道工艺，版图需要遵守工艺需求，另外需要添加光学标记方便所里设备做对准。工艺图如下所示：

需要长RRAM的部分：先在V5上长一层RRAM（版名称为RRAM-RAM），即RRAM的下电极连接在V5上，然后在RRAM上再长一层金属通孔（版名称为RRAM-TV，这边也叫做V5'）连接RRAM上电极与M6。

不需要长RRAM的部分：直接在V5上再长一层金属通孔V5'（对应版名称RRAM-TV）。

此处的要点在于需要按照与工艺约定的层次和尺寸来绘制图形（因为工艺那边并没有给一个DRC Rule，这些都要自己去人工检查完成），并且按照要求在版图里绘制好RRAM和V5'的图形，对于非RRAM的电路，必须在每个V5的通孔图案上再盖一个V5'的图案，否则会直接导致V5到M6之间断路，芯片废掉（尤其注意IO上的这个问题）。

随后谈到设计上，这次的RRAM Macro参考了一个以前流片过的设计，根据需求做了少量设计迭代，提供了一个做片内操作用的操作电压和参考电压产生电路，同时也提供了用Mux把RRAM Cell直接连到外部的测试模式，因为Form电压较高，片内不做Charge Pump的话到不了，所以选择了用片外Form，片内做Set/Reset/Read。

流片时碰到的第一个坑就是工艺那边并没有给一个很肯定的操作电压范围，也没有给RRAM的行为模型，只能自己根据过往资料猜测操作电压，当然最后回片时发现猜得还是准的。但这里干得不太聪明的事情是，这种情况其实应该给片内操作电压做成可调，但是当初偷懒没有，甚至干了个直接用3.3V和1.8V电源来供操作电压的操作，真是想给自己两耳光，偷懒偷出花来了，只有读出的比较参考电压做了可调。其实操作电压做成可调的话一点也不难，内部操作电压用LDO出，运放的输入端电压设计成可以片外给就行，片外接个变阻器或者电源之类的，扭一扭就能调电压，也不麻烦。

踩得第二个坑是测试引脚设计的不够全，进入SA的电压其实可以引出来，但是当时还是偷懒没引，所以调SA的时候一开始发现读不到东西的时候很诧异，但是里面的情况一点都不知道。整个大芯片也是犯了一样的错误，有个重要的引脚也没引出，引以为戒。做设计时不能预想到测试时的问题归根结底是个经验问题，只能说该交的学费还是得交。（好在最后还是测出来了，bug在哪愣是被我一通分析给分析出来了）

然后聊聊测试的问题。第一次自己做RRAM和CMOS的异质集成，多少有点纸上谈兵，做的时候就有点想当然。幸运的是所里的RRAM做的还挺好，刚上手测就观察到了明显的阻变现象，On/Off Ratio在10左右，很明显的阻变现象，Form之前电流非常微小，Form后开始出电流，Reset后电流变小，Set后电流变大。

但是一个难绷的问题是比预期阻值小了10倍，哈哈。

读出电流比预期大了10倍，SA读个der，怎么读都是1。

之后个把月的时间都在努力解决这个问题，尝试过的方法包括调WL电压，控脉冲宽度，结果效果都不好。最后终于试出来的方法是直接在电源上限流，Form和Set时做一个100uA左右的限流，就好了，阻值一下子爬到预期了，Reset限500uA，防止把Cell给弄坏。

原理上很好理解，Form和Set都是生长导电细丝通道，没限流那就长猛了，一旦太粗的话阻值肯定掉的小了，而且救不回来。Reset的话不怎么会影响导电细丝形状问题，所以限流给大点就行。之前不限流我们能跑到几百mA去，直接给Cell干的挺挺的