三維集成電路測試技術與故障診斷問題研究

陳 帥

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

隨著科技的不斷進步，集成電路突破了傳統的平面集成方式，發展出了三維集成電路的概念。三維集成電路是基于先進的三維集成技術完成相應的電路立體化改造，從而使其體積得到大幅度的減小，在結構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。與傳統集成電路相比，三維集成電路有其自身的優勢，一是體積上的縮小化，將原有的線路的空間占用進行最小化處理；二是性能上的優化，三維集成電路的總體性能提升了15%以上；三是能耗方面的優化，因中繼器和鎖存器數量大幅度的下降，能耗下降約15%[1]；四是內存的提升，多線路的空間集合使內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展的重大阻礙。

2 三維集成電路檢測現狀

三維集成技術已經成為半導體領域重點發展的技術之一。傳統上依靠減小特征尺寸來提高集成度的方法已經接近極限，而三維集成電路技術的出現很好地解決了相關的難題。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）檢測技術逐步被廣泛采用，極大促進了三維集成電路檢測技術的進步[2]。

3 測試機理

三維集成電路測試中應重點關注電阻（R）、電壓（V）、電流（A）、電感（L）以及電導（G）等參數的測試。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電導的測試原理。

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據[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 功能性驅動引入的寄生電容值；VTH是人為設定的閾值電壓；TC為開關交替開啟周期；總電容值為C1與C2的和。通過監測測試電容CS上電壓隨開關電容運作下降至VTH的時間 t，可得相應的電容 CTSV[4]。

3.2 電阻/電導測量

TSV 電阻測量基于RC 放電原理。測試系統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S1 和S3 開啟，關閉S2，保持電流穿過對應線路[5]。此時即可利用相應的計算公式來完成電阻和電導的計算。實際的電阻測量計算公式如下：

其中t 是電阻測量響應時間，t′是校準響應時間，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測試；多種故障診斷主要是通過環形振蕩器及放電敏感電路實現測試。

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，測試結構由兩個反相器加上一個傳輸口以及一個關閉的PMOS 管構成。其中反相器直到電壓比較器的作用。在實際檢測中，當頂端電壓比反相器電壓閾值高時，其輸出結果為1，說明存在故障；輸出結果為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。在實際故障發生前會產生一定的截斷缺陷，導致電容出現故障。檢測結構由基本電橋電路、電容、NMOS管以及緩沖器組成。將相應的集成電路接入后，在輸入端接入正弦信號（四級反向器的環形振生成），經過低通濾波器產生交流信號，形成最后的輸出結果。在平衡條件下，電容不存在充電情況。但出現完全開路故障時，電容量就會有一定程度的減小[7]，并在測試結果中顯現出來。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）構成。首先需要在測試環節中將未發生故障的集成電路接入到線路中，從而得出無故障下的環形振蕩器周期。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據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，其輸出結果為1，說明存在故障；輸出結果為0，說明無故障。

圖4 放電敏感電路測試方案圖

5 結 束 語

三維集成電路的檢測，必然隨著新技術的發展與整體三維集成電路體積縮減與性能增長而產生前所未有的新問題，在廣泛的實際應用中不可忽視。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的三維集成電路故障問題診斷方法進行梳理并作進一步探討，其結論可為三維集成電路的測試與故障診斷提供一定參考。