三维集成电路测试技术与故障诊断问题研究

陈 帅

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110000）

1 引 言

随着科技的不断进步，集成电路突破了传统的平面集成方式，发展出了三维集成电路的概念。三维集成电路是基于先进的三维集成技术完成相应的电路立体化改造，从而使其体积得到大幅度的减小，在结构上可以理解为多个二维电路的重叠。就像玩具积木一般，一层积压着一层，最大程度地解决线路衔接造成的空间局限问题。与传统集成电路相比，三维集成电路有其自身的优势，一是体积上的缩小化，将原有的线路的空间占用进行最小化处理；二是性能上的优化，三维集成电路的总体性能提升了15%以上；三是能耗方面的优化，因中继器和锁存器数量大幅度的下降，能耗下降约15%[1]；四是内存的提升，多线路的空间集合使内存获得最大程度的提升。然而随着三维集成电路在体积上和性能上取得极大幅度的提升，三维集成电路故障检测问题成为阻挡其发展的重大阻碍。

2 三维集成电路检测现状

三维集成技术已经成为半导体领域重点发展的技术之一。传统上依靠减小特征尺寸来提高集成度的方法已经接近极限，而三维集成电路技术的出现很好地解决了相关的难题。在三维集成电路的早期研究中，投入主要集中在基础晶圆的制造上，对于检验的研究相对较少。近年来，三维集成电路检验工作步入到了新的阶段，TSV（Through Silicon Vias,穿透硅通孔）检测技术逐步被广泛采用，极大促进了三维集成电路检测技术的进步[2]。

3 测试机理

三维集成电路测试中应重点关注电阻（R）、电压（V）、电流（A）、电感（L）以及电导（G）等参数的测试。作为示例的典型集成电路简图如图1 所示。此处重点阐述电容和相应电导的测试原理。

图1 典型集成电路测试简图

3.1 电容测量

对于TSV 电容测试，其测量电路如图2 所示。Driver 1～Driver 4 为TSV 输入输出驱动器，其功能为引入寄生电容CP，使测试更接近实际情况。测试中S3 断开，S1 与S2 周期性交替开启，从而得出电容测量数据[3]。

图2 TSV 电容测量电路图

电容测量计算公式如下：

式中，2CP为上下两层测试电路与TSV 功能性驱动引入的寄生电容值；VTH是人为设定的阈值电压；TC为开关交替开启周期；总电容值为C1与C2的和。通过监测测试电容CS上电压随开关电容运作下降至VTH的时间 t，可得相应的电容 CTSV[4]。

3.2 电阻/电导测量

TSV 电阻测量基于RC 放电原理。测试系统通过对电容的充放电，使电流流过线路并流向地。通过忽略掉无关紧要的次要因素，整个测试过程可近似看作是一阶RC 放电过程，其测量电路如图3 所示。

图3 TSV 电阻测量电路图

在测量中，开关S1 和S3 开启，关闭S2，保持电流穿过对应线路[5]。此时即可利用相应的计算公式来完成电阻和电导的计算。实际的电阻测量计算公式如下：

其中t 是电阻测量响应时间，t′是校准响应时间，由此即可计算出RTSV[6]。

4 三维集成电路故障诊断

目前三维集成电路故障诊断分为单种故障诊断和多种故障诊断。单种故障诊断主要是通过PMOS管漏电流及电桥电路实现测试；多种故障诊断主要是通过环形振荡器及放电敏感电路实现测试。

4.1 单种故障诊断方法

单种故障诊断方法之一是PMOS 管漏电流测试方案，主要针对三维集成电路的泄漏故障，测试结构由两个反相器加上一个传输口以及一个关闭的PMOS 管构成。其中反相器直到电压比较器的作用。在实际检测中，当顶端电压比反相器电压阈值高时，其输出结果为1，说明存在故障；输出结果为0，说明无故障。只要好选择合适的测量点，即可通过实际的数值来判断是否存在漏电故障。

另一种单种诊断方法为电桥电路测试方案。此种方案主要测试三维集成电路的完全开路故障。在实际故障发生前会产生一定的截断缺陷，导致电容出现故障。检测结构由基本电桥电路、电容、NMOS管以及缓冲器组成。将相应的集成电路接入后，在输入端接入正弦信号（四级反向器的环形振生成），经过低通滤波器产生交流信号，形成最后的输出结果。在平衡条件下，电容不存在充电情况。但出现完全开路故障时，电容量就会有一定程度的减小[7]，并在测试结果中显现出来。通过这种方法，即可判断电路是否存在完全开路故障。

4.2 多种故障的诊断方法

多种故障诊断方法之一是环形振荡器测试方案，主要测试三维集成电路开路故障和泄漏故障。测试电路由奇数个反相器（3 个或以上）以及一个多路选择器（功能模式或测试模式）构成。首先需要在测试环节中将未发生故障的集成电路接入到线路中，从而得出无故障下的环形振荡器周期。如接入的电路存在泄漏故障，此周期会增加；如接入的电路存在开路故障，此周期会下降。由此即可通过周期的改变来判断是否存在电路故障及故障类型。

另一种诊断法是放电敏感电路测试方案，主要测试三维集成电路的电阻开路故障和泄漏故障。测试电路由三个反相器加上两个传输门以及被检测的三维电路组成[8]。实际的检验也是通过数据的对比来确定是否存在电阻开路故障和泄漏故障，如图4 所示，其输出结果为1，说明存在故障；输出结果为0，说明无故障。

图4 放电敏感电路测试方案图

5 结 束 语

三维集成电路的检测，必然随着新技术的发展与整体三维集成电路体积缩减与性能增长而产生前所未有的新问题，在广泛的实际应用中不可忽视。基于对三维集成电路TSV 电容及电阻测试方法的研究，对包括泄漏故障和开路故障在内的三维集成电路故障问题诊断方法进行梳理并作进一步探讨，其结论可为三维集成电路的测试与故障诊断提供一定参考。