ITk ABCStar 制造中记忆块时序问题的识别与缓解

ABCStar 是用于 ATLAS ITk 检测器条形传感器部分的混合信号前端读出 ASIC，作为高亮度 LHC 升级的一部分开发。 在预生产测试中，发现了 ABCStar 设计中的一个微妙缺陷，导致部分制造批次的晶圆良率从预期的 90% 降至最低 2%。根本原因被确定为控制之前已在硅上验证的记忆块用于该 ASIC 的逻辑时序问题。提出的解决方案包括制造工艺变更、ABCStar 检测器中的操作参数变更，以及可能需要重新设计的可能性。为此，两项缓解措施并行实施，其中工艺修改方案较不理想，因为已制造的晶圆需要被废弃以采用新晶圆。基于对现有工艺的了解以及对表现最差晶圆的测试，我们提出通过将 ABCStar 的核心工作电压从 1.20V 提升至 1.25V 来解决时序问题，以加速其晶体管。为验证此方法，开展了包括预计在 ITk 检测器其整个寿命内将经历的温度和辐射效应在内的广泛测试程序。这些测试和研究证明，即使是表现最差的晶圆，在 1.25V 核心电压下也能实现超过 80% 的良率，不需要修改工艺或重新设计即可确保 ITk 的可靠运行。基于测试，还进一步实施了一种时序缓解措施，通过增加 ABCStar 时钟的工作周期来提供额外的可靠性裕度。所有 ABCStar 晶圆的测试已完成，检测器模块使用这些 ASIC 的生产现已顺利进行。