三維集成電路測試技術(shù)與故障診斷問題研究

陳 帥

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

隨著科技的不斷進(jìn)步，集成電路突破了傳統(tǒng)的平面集成方式，發(fā)展出了三維集成電路的概念。三維集成電路是基于先進(jìn)的三維集成技術(shù)完成相應(yīng)的電路立體化改造，從而使其體積得到大幅度的減小，在結(jié)構(gòu)上可以理解為多個二維電路的重疊。就像玩具積木一般，一層積壓著一層，最大程度地解決線路銜接造成的空間局限問題。與傳統(tǒng)集成電路相比，三維集成電路有其自身的優(yōu)勢，一是體積上的縮小化，將原有的線路的空間占用進(jìn)行最小化處理；二是性能上的優(yōu)化，三維集成電路的總體性能提升了15%以上；三是能耗方面的優(yōu)化，因中繼器和鎖存器數(shù)量大幅度的下降，能耗下降約15%[1]；四是內(nèi)存的提升，多線路的空間集合使內(nèi)存獲得最大程度的提升。然而隨著三維集成電路在體積上和性能上取得極大幅度的提升，三維集成電路故障檢測問題成為阻擋其發(fā)展的重大阻礙。

2 三維集成電路檢測現(xiàn)狀

三維集成技術(shù)已經(jīng)成為半導(dǎo)體領(lǐng)域重點發(fā)展的技術(shù)之一。傳統(tǒng)上依靠減小特征尺寸來提高集成度的方法已經(jīng)接近極限，而三維集成電路技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了相關(guān)的難題。在三維集成電路的早期研究中，投入主要集中在基礎(chǔ)晶圓的制造上，對于檢驗的研究相對較少。近年來，三維集成電路檢驗工作步入到了新的階段，TSV（Through Silicon Vias,穿透硅通孔）檢測技術(shù)逐步被廣泛采用，極大促進(jìn)了三維集成電路檢測技術(shù)的進(jìn)步[2]。

3 測試機(jī)理

三維集成電路測試中應(yīng)重點關(guān)注電阻（R）、電壓（V）、電流（A）、電感（L）以及電導(dǎo)（G）等參數(shù)的測試。作為示例的典型集成電路簡圖如圖1 所示。此處重點闡述電容和相應(yīng)電導(dǎo)的測試原理。

圖1 典型集成電路測試簡圖

3.1 電容測量

對于TSV 電容測試，其測量電路如圖2 所示。Driver 1～Driver 4 為TSV 輸入輸出驅(qū)動器，其功能為引入寄生電容CP，使測試更接近實際情況。測試中S3 斷開，S1 與S2 周期性交替開啟，從而得出電容測量數(shù)據(jù)[3]。

圖2 TSV 電容測量電路圖

電容測量計算公式如下：

式中，2CP為上下兩層測試電路與TSV 功能性驅(qū)動引入的寄生電容值；VTH是人為設(shè)定的閾值電壓；TC為開關(guān)交替開啟周期；總電容值為C1與C2的和。通過監(jiān)測測試電容CS上電壓隨開關(guān)電容運(yùn)作下降至VTH的時間 t，可得相應(yīng)的電容 CTSV[4]。

3.2 電阻/電導(dǎo)測量

TSV 電阻測量基于RC 放電原理。測試系統(tǒng)通過對電容的充放電，使電流流過線路并流向地。通過忽略掉無關(guān)緊要的次要因素，整個測試過程可近似看作是一階RC 放電過程，其測量電路如圖3 所示。

圖3 TSV 電阻測量電路圖

在測量中，開關(guān)S1 和S3 開啟，關(guān)閉S2，保持電流穿過對應(yīng)線路[5]。此時即可利用相應(yīng)的計算公式來完成電阻和電導(dǎo)的計算。實際的電阻測量計算公式如下：

其中t 是電阻測量響應(yīng)時間，t′是校準(zhǔn)響應(yīng)時間，由此即可計算出RTSV[6]。

4 三維集成電路故障診斷

目前三維集成電路故障診斷分為單種故障診斷和多種故障診斷。單種故障診斷主要是通過PMOS管漏電流及電橋電路實現(xiàn)測試；多種故障診斷主要是通過環(huán)形振蕩器及放電敏感電路實現(xiàn)測試。

4.1 單種故障診斷方法

單種故障診斷方法之一是PMOS 管漏電流測試方案，主要針對三維集成電路的泄漏故障，測試結(jié)構(gòu)由兩個反相器加上一個傳輸口以及一個關(guān)閉的PMOS 管構(gòu)成。其中反相器直到電壓比較器的作用。在實際檢測中，當(dāng)頂端電壓比反相器電壓閾值高時，其輸出結(jié)果為1，說明存在故障；輸出結(jié)果為0，說明無故障。只要好選擇合適的測量點，即可通過實際的數(shù)值來判斷是否存在漏電故障。

另一種單種診斷方法為電橋電路測試方案。此種方案主要測試三維集成電路的完全開路故障。在實際故障發(fā)生前會產(chǎn)生一定的截斷缺陷，導(dǎo)致電容出現(xiàn)故障。檢測結(jié)構(gòu)由基本電橋電路、電容、NMOS管以及緩沖器組成。將相應(yīng)的集成電路接入后，在輸入端接入正弦信號（四級反向器的環(huán)形振生成），經(jīng)過低通濾波器產(chǎn)生交流信號，形成最后的輸出結(jié)果。在平衡條件下，電容不存在充電情況。但出現(xiàn)完全開路故障時，電容量就會有一定程度的減小[7]，并在測試結(jié)果中顯現(xiàn)出來。通過這種方法，即可判斷電路是否存在完全開路故障。

4.2 多種故障的診斷方法

多種故障診斷方法之一是環(huán)形振蕩器測試方案，主要測試三維集成電路開路故障和泄漏故障。測試電路由奇數(shù)個反相器（3 個或以上）以及一個多路選擇器（功能模式或測試模式）構(gòu)成。首先需要在測試環(huán)節(jié)中將未發(fā)生故障的集成電路接入到線路中，從而得出無故障下的環(huán)形振蕩器周期。如接入的電路存在泄漏故障，此周期會增加；如接入的電路存在開路故障，此周期會下降。由此即可通過周期的改變來判斷是否存在電路故障及故障類型。

另一種診斷法是放電敏感電路測試方案，主要測試三維集成電路的電阻開路故障和泄漏故障。測試電路由三個反相器加上兩個傳輸門以及被檢測的三維電路組成[8]。實際的檢驗也是通過數(shù)據(jù)的對比來確定是否存在電阻開路故障和泄漏故障，如圖4 所示，其輸出結(jié)果為1，說明存在故障；輸出結(jié)果為0，說明無故障。

圖4 放電敏感電路測試方案圖

5 結(jié) 束 語

三維集成電路的檢測，必然隨著新技術(shù)的發(fā)展與整體三維集成電路體積縮減與性能增長而產(chǎn)生前所未有的新問題，在廣泛的實際應(yīng)用中不可忽視。基于對三維集成電路TSV 電容及電阻測試方法的研究，對包括泄漏故障和開路故障在內(nèi)的三維集成電路故障問題診斷方法進(jìn)行梳理并作進(jìn)一步探討，其結(jié)論可為三維集成電路的測試與故障診斷提供一定參考。