基于差分信号的硅通孔无损缺陷判断与定位

李 豆，苏晋荣，李艳玲

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

硅通孔(Through Silicon Vias，TSV)技术作为三维集成电路中的关键技术，其高传输速率、低功耗和高性能等优势，引起了人们的广泛关注[1].然而，制备TSV的工艺还不够成熟，在加工过程中，常因设备精度低造成填充不均匀、填充物质粘连、抛光不彻底等[2]，产生TSV开路、短路等缺陷，进而影响集成电路的性能.对TSV缺陷的有效检测，能剔除有缺陷的元器件，提高集成电路成品率，因此，不少学者对TSV的缺陷检测方法进行了研究.目前报道的检测方法可分为有损检测和无损检测.有损检测一般通过聚离子束等方法切割成品并获取检测部位截面，再利用显微镜对该截面进行观察，确定有无缺陷[3].有损检测会损坏样品，样品无法再使用.而无损检测不损坏样品，样品可再使用，许多学者对无损检测方法进行了研究.例如，文献[4]使用电荷共享和电阻分配技术，利用探针台结合信号放大技术捕捉电压波动实现对TSV缺陷的检测，检测准确率达94%；文献[5]提出用扫描声学显微镜来检测，将110 MHz超声波作为入射信号，通过分析反射信号形成的灰度图像实现对TSV的缺陷检测；文献[6]通过分析对比有无缺陷时地-信号-地(Ground-signal-ground, GSG)型TSV的电特性，提出对其开路、短路缺陷的无损检测方法.

文献[6]的方法针对传输单端信号的GSG型TSV提出，实际应用中，随着传输速率的提升，TSV阵列的密度越来越大，通孔间电磁干扰和噪声耦合带来的影响尤为突出[7].在高频段，通孔间电磁干扰严重影响信号完整性[8].差分信号可以提升噪声抑制能力，提高信号完整性[9-11]，而传输差分信号的GSSG型TSV缺陷检测尚未见报道.鉴于此，本文通过分析GSSG型TSV中差分信号的传输特性，提炼出开路、短路缺陷判断及定位方法，为该类应用中TSV缺陷检测提供重要参考.

1 TSV结构

本文GSSG型TSV结构正视切面如图1 所示.TSV结构中每列8个信号/地通孔和金属互联线相互连接，构成完整的信号通路.其中，金属间介质层材料为二氧化硅，介电常数为3.9ε0(真空介电常数ε0=8.85×10-12F/m)，衬底材料为硅，相对介电常数为11.9ε0，TSV通孔的填充材料为铜，电导率为5.8×107S/m.其立体示意图如图2 所示，为突出过孔结构，该图略去了衬底和金属间介质层.参照实际工艺尺寸[12]，所研究过孔直径为25 μm，高为300 μm，节距为 150 μm.金属线宽60 μm，厚 5 μm.4组通道过孔间距为 200 μm.

图1 GSSG型TSV正视切面图Fig.1 Orthographic view of GSSG-type TSV

图2 GSSG型TSV立体图及缺陷示意图Fig.2 Stereogram view and defects of GSSG-type TSV

2 TSV缺陷类型判断

为研究缺陷对TSV频域特性的影响，本文利用三维电磁仿真软件HFSS对图1 中无缺陷结构及图2中开路和短路缺陷分别出现时的情况进行了仿真.在所建GSSG型TSV模型中随机设置开路缺陷、信号间短路缺陷和对地短路缺陷(如图2中位置a，b，c所示)，分别计算了激励信号为差模信号和共模信号时该结构的传输性能，出现上述3种缺陷及无缺陷时的S参数对比如图3 所示.

(a) |Scc11|

2.1 开路缺陷判断

图3(a) 所示为共模信号输入时0 GHz～20 GHz 的反射系数模值|Scc11|.可以看出，当出现开路缺陷时，|Scc11|在10 GHz以下明显大于无缺陷时的值，例如，在5 GHz处当出现开路缺陷时|Scc11|为-7.8 dB，而无缺陷时|Scc11|为-18.1 dB.根据该特点，可以判断互连结构是否出现了开路缺陷.图3(b) 为共模信号输入时 0 GHz～20 GHz的正向传输系数模值|Scc21|.可以看出，当出现开路缺陷时，|Scc21|值明显小于无缺陷的情况，例如，5 GHz处出现开路缺陷时|Scc21| 为-4.9 dB，而无缺陷时|Scc21|为 -0.24 dB.根据该特点，可进一步确定是否出现了开路缺陷.

2.2 短路缺陷判断

GSSG型TSV互连结构中，有两列通孔为参考地，中间两列通孔为信号提供传输路径.本文将两列信号通孔之间出现的短路称为信号间短路，信号和参考地通孔间出现的短路称为对地短路.下面首先分析对地短路缺陷的判断方法.

图3(a) 为共模信号输入时0 GHz～20 GHz的反射系数模值|Scc11|.由图可见，当出现对地短路时，|Scc11|在10 GHz以下小于无缺陷的情况，例如，在5 GHz处出现对地短路时|Scc11|为-29.1 dB，而无缺陷时|Scc11|为-17.3 dB，二者相差约12 dB，可以据此判断是否出现了对地短路缺陷.图3(b) 为共模信号输入时0 GHz～20 GHz 的正向传输系数模值|Scc21|.在出现对地短路缺陷时，|Scc21|在11.6 GHz处出现极小值-7.0 dB，而无缺陷时|Scc21|没有极小值，该处 |Scc21| 为-0.85 dB.结合|Scc11|和|Scc21|的特点，可以判断互连结构是否出现了对地短路缺陷.

图3(c) 为差模信号输入时0 GHz～20 GHz的反射系数模值|Sdd11|.可以看出，当出现信号间短路时，|Sdd11|在低频处接近0 dB，而无缺陷时 |Sdd11|很小，例如，在1 GHz处出现信号间短路时|Sdd11|为-0.17 dB，无缺陷时|Sdd11|为-24.6 dB，二者相差约24.4 dB.图3(d) 为差模信号输入时 0 GHz～20 GHz的正向传输系数模值|Sdd21|.图中出现信号间短路缺陷时|Sdd21|明显小于无缺陷的情况.例如，5 GHz处出现信号间短路缺陷时|Sdd21|为-27.5 dB，而无缺陷时|Sdd21| 为-0.35 dB，二者相差约27 dB.根据上述S参数的两个特点，可以判断互连结构是否出现了信号间短路缺陷.

由图3 可以看出，当出现开路或短路缺陷时，互连结构的传输性能恶化.出现开路缺陷时，反射系数很大，而正向传输系数很小，这是因为信号的正向传输路径中断，大部分能量沿原低阻抗路径返回，造成较大回波损耗，而少部分通过耦合传输到输出端，故正向传输系数很小.当出现短路缺陷时，信号原来从输入到输出端口的一条低阻抗传输路径因存在短路缺陷变成多条，部分信号通过短路桥接返回至相邻差模/共模输入端，增加回波损耗；部分信号通过短路桥接传输至相邻共模/差模输出端，与原共模/差模信号叠加或抵消，干扰了原有效信号的正常传输，使正向传输系数减小.

3 缺陷定位

上文通过分析GSSG型TSV差模信号和共模信号的频域特性，总结出了基于差分信号的TSV缺陷类型判断方法.下面将分析开路和短路位置不同时的TSV电特性，并总结出缺陷定位方法.图4 所示为本文研究的开路缺陷和短路缺陷分别出现时的4个不同位置.

图4 开路缺陷和短路缺陷位置Fig.4 Positions of open and short defects

图5(a) 所示为开路点分别为图4中1、2、3、4所示位置时的|Scc11|参数.

(a) 存在开路缺陷时的|Scc11|

由图5(a) 可以看出，开路缺陷离输入端越近，其|Scc11|值越小，例如，开路点位置从1变化到4时，在13 GHz处|Scc11|的值分别为-18.4 dB、-15.1 dB、-9.8 dB、-6.4 dB.这是因为开路点离输入端口越近，信号正向传输路径越早被阻断，越多能量反射回输入端口，传输到输出端口的信号越弱.根据|Scc11|随缺陷位置变化特点，可以判断出开路缺陷的位置.

图5(b) 所示为信号间短路点分别为图4中1、2、3、4位置时的|Sdd11|参数.可以看出，当信号间短路缺陷在靠近端口的1和4位置时，|Sdd11| 参数曲线平稳没有峰值，当缺陷位置在离端口较远的位置2和3时，|Sdd11|参数存在最小值.例如，19 GHz处，离端口近的短路点1和4的|Sdd11|值为-0.62 dB和-0.59 dB，而离端口远的短路点2和3，相应|Sdd11|值为-2.1 dB和-2.45 dB.根据|Sdd11|是否出现极小值的特点，可以判断信号间短路缺陷在近端口处还是远离端口处.

图5(c) 所示为对地短路点分别为图4中1、2、3、4位置时的|Sdd21|参数.可以看出，在0 GHz～1 GHz内，随着对地短路位置从输入端口到输出端口变化，|Sdd21|参数越来越小.在1 GHz后，4条曲线各频点值的大小不再按照缺陷位置而顺序排列，例如位置4处的|Sdd21|在1.5 GHz时超过位置2和3的值.因此，可通过分析0 GHz～1 GHz内的|Sdd21|来判断缺陷位置.然而，在0 GHz～1 GHz内该4条曲线中两相邻曲线的|Sdd21|值相差不超过4 dB，为更准确判断对地短路缺陷位置，计算了|Sdd21|对频率的数值导数，结果如图5(d)所示.图中，当对地短路缺陷靠近输入端时，d|Sdd21|/df在0 GHz～5 GHz的值始终大于零，而靠近输出端时，d|Sdd21|/df有从小于零到大于零的变化过程.例如，在0.6 GHz处，位置1和2对应的d|Sdd21|/df值分别为8.4 dB/GHz和 3.3 dB/GHz，位置3和4对应的d|Sdd21|/df为-3.0 dB/GHz和 -13.4 dB/GHz；在2 GHz处，位置3和4对应的d|Sdd21|/df为8.7 dB/GHz和10.7 dB/GHz.此外，在 0 GHz～0.6 GHz，缺陷位置离输入端越近，d|Sdd21|/df越大.根据 |Sdd21|及d|Sdd21|/df的上述特征，可以定位对地短路缺陷.

4 差分信号与单端信号的比较

文献[6]所提缺陷检测方法是利用输入为单端信号时GSG型TSV的电特性，本文利用差分信号作为输入信号，分析了GSSG型TSV的传输特性.下面将两种方法用于GSSG型TSV的缺陷检测性能对比.

图6 是输入为单端或差分信号时，无缺陷和存在开路缺陷或短路缺陷时的|S11|参数，从图中可看出，不论是单端信号还是差分信号，存在缺陷和无缺陷时的|S11|差别都足够大，可以用于判断GSSG型TSV结构是否存在开路或信号间短路缺陷.

(a) 无缺陷和存在开路缺陷时的|S11|

然而，当出现对地短路缺陷时，单端信号的|S11|对缺陷存在与否并不敏感.图7 为图4中4个不同位置出现对地短路缺陷时，输入分别为差分信号和单端信号时|S11|参数与无缺陷时的对比.可以看出，除位置3外，输入为单端信号时无缺陷和存在对地短路缺陷时的|S11|差别很小，难以判断TSV结构中是否存在对地短路缺陷.当输入为差分信号时，无缺陷和存在对地短路缺陷的|Sdd11|差值明显，且在15.7 GHz处 |Sdd11| 差值最大，图7(a)～7(d)中|Sdd11|差值分别为24.7 dB，26.2 dB，29.7 dB和26.4 dB.可见，利用差分信号能够更准确地判断出互连结构是否出现了对地短路缺陷.

(a) 无缺陷和存在对地短路缺陷1处的|S11|

5 结 论

本文详细分析了GSSG型TSV以差分信号为激励，分别出现开路、信号间短路、对地短路等缺陷时的差模和共模传输特性.根据|Sdd11|、|Sdd21|、|Scc11|和|Scc21|随缺陷类型和位置的变化特点，提炼出缺陷类型判断方法和缺陷定位方法.在0 GHz～20 GHz，当|Sdd11|接近0 dB，而 |Sdd21|在15 dB以下时，说明出现了信号间短路缺陷，若|Sdd11|没有明显的谐振，则缺陷位置离输入/输出端口较近.在0 GHz～10 GHz，当|Scc11|明显大于无缺陷时的值，且|Scc21|显著小于无缺陷时的值，说明出现了开路缺陷，|Scc11|越小，缺陷位置离输入端口越近.利用|Sdd11|对频率的数值导数能定位对地短路缺陷.此外，通过对比输入分别为单端信号和差分信号时的GSSG型TSV有无缺陷时的传输特性，得知差分信号在对地短路缺陷的判断方面比单端信号更有优势.本文所得结论可用于对GSSG型TSV互连结构进行缺陷判断和定位，有利于剔除有缺陷裸片，提高产品良率.