动态激励下三维集成电路中TSV的测试与故障诊断方法研究

The low yield of Through Silicon Vias (TSV) is one key obstacle for industry adoption of the three-dimensional integrated circuit (3D IC) technology. This proposal aims at the test and diagnosis issues for TSVs by referring to the basic ideas in analog circuit test and diagnosis. Firstly, the equivalent circuit of TSV is designed considering the impact of TSVs floor planning and the high frequency of signals in TSVs. Secondly, the TSV test responses under dynamic test excitation will be analyzed to extract the fault characteristics and these characteristics will be used to build TSV fault models in behavior level. Thirdly, the TSV test method under dynamic excitation will be discussed. In order to obtain sufficient fault information, new test pattern generation algorithms will be proposed, based on the fault models in behavior level. And a built-in self-test architecture will be designed to deliver the test stimuli patterns and test response patterns. At last, an iterative diagnosis algorithm will be studied to provide accurate candidate TSV faults. In order to solve the single-fault diagnosis and the multi-fault diagnosis, a fault element graph will be built to consider the fault masking and fault reinforcing effects. The research work in this project will propose a complete solution for TSV test and diagnosis, and will provide valuable information for TSV repair and physical failure analysis for TSV defects. The ultimate goal of this project is provide accurate TSV fault type and fault location information. And these works will be useful to improve the TSV yield and make the 3D IC adopted in industry.

穿透硅通孔（TSV）良品率低是制约三维集成电路实际应用的关键因素之一。本项目借鉴模拟电路测试与故障诊断方法的研究体系，采用动态激励测试的思路，开展TSV的测试和故障诊断方法研究。考虑TSV片上分布特性与传输信号频率，完善TSV电特性模型；分析TSV各类缺陷在动态激励信号作用下的输出响应，用信号处理方法获取故障特征，建立TSV故障行为模型，表征各类缺陷；研究基于动态激励的TSV测试激励生成方法，借鉴通信领域“时分复用”的思想，设计分布式的TSV内建自测试结构，以更低的成本实现对TSV的测试访问和内部故障的激活，获取测试信息；采用交互式思想，在建立故障关联有向图的基础上，通过智能推理、多次检测，实现TSV单故障与多故障的诊断和定位。通过本项目的研究，将提出较为完整的TSV测试与故障诊断解决方案，为TSV的修复和故障机理分析提供必要的理论支撑，从根本上提高TSV的良品率。

面对集成电路在发展与创新上的需求，三维集成电路通过TSV结构将多层晶片进行垂直互连，以更高的集成度、更小的体积、更低的延迟与功耗成为下一代集成电路的发展趋势。在3D IC中，TSV作为一种新型的互连结构，其工艺尚不成熟，通过对TSV在晶片绑定前后进行测试与故障诊断，即可保证TSV的有效性与可靠性，又可提高3DIC的良产率，降低制造成本。因此，本项目针对TSV测试与故障诊断问题进行研究，具有较高的学术价值和重要的实际意义。. 为了解决TSV缺陷建模缺少参数化模型的问题，本项目提出了基于有限元分析的TSV缺陷建模方法。利用工业级有限元分析工具Q3D和HFSS对空洞、开路、漏电、微衬垫未对齐等常见TSV缺陷进行建模与分析，得到了各缺陷的电阻电感电导电容（RLGC）等效电路模型。该模型给出了常见TSV缺陷的物理参数与等效电路的RLGC电学参数间的映射关系，其建模方法的有效性已经过仿真、解析和实测数据的对比验证。与现有TSV缺陷建模方法相比，本方法实现了缺陷物理参数与等效电路电参数间的函数映射及量化分析，从而获得了更加准确、全面的缺陷模型。. 针对绑定前TSV片上测试测试响应捕获难、测试精度低、鲁棒性差的问题，提出了基于开关电容的绑定前TSV片上测试方法和基于IEEE1149.1的绑定前TSV探针测试方法。上述方法以TSV电容构建开关电容电路，通过测量RC放电时间来反推TSV电容，利用TSV开路和漏电缺陷会影响测得的TSV电容大小的特性进行故障检测。本方法以片上可测性设计结构实现。与现有绑定前TSV片上测试方法相比，本方法通过动态调节开关周期，使测试响应易于捕获，通过控制脉冲信号占空比设计和脉宽调节，使测试具有较高的精度与鲁棒性。. 针对绑定后TSV故障检测精度低、故障诊断能力弱的问题，提出了基于改进环形振荡器的TSV测试方法和基于电阻电导电容（RGC）参数测量的绑定后TSV测试与故障诊断方法。该方法采用开关电容法测量TSV电容，根据TSV缺陷模型和测得的RGC参数进行联合分析以完成故障检测与故障诊断。与现有绑定后TSV片上测试与故障诊断方法相比，本项目可直接测出TSV的RGC参数，不仅提高了故障检测精度，还可通过参数联合诊断的方式判断故障类型以及缺陷程度，从而提供更加准确而详细的缺陷信息，为工艺改进提供支持。