基于复合激励的TSV故障非接触式测试方法与流程
本发明涉及三维集成电路故障测试领域，特别涉及一种基于复合激励的tsv故障非接触式测试方法。
背景技术：
随着集成电路技术及半导体制造工艺的快速发展，集成电路呈现出了规模极大化、尺寸微小化、功能多元化、材料新型化、信号高频化等特征。如今集成电路内的晶体管尺寸已经减小到14nm，将很快跨入10nm时代。传统的二维集成技术已无法有效解决高速信号传输要求所提出的挑战，更难以延续摩尔定律。因此要想维持ic的高速发展，迫切需要拓展新的发展空间。垂直堆叠多个裸芯片或者电路模块并用tsv实现不同层器件间电气连接形成的三维集成电路(3dic)，不仅能够极大地缩短了互连线长度且显著提高器件集成密度，还能够实现不同技术节点、不同功能的器件或模块的异质集成，成为超摩尔定律发展的有利方案。tsv技术是3dic集成的核心，它能使产品具有更好的电气性能、更低的功耗、更高的带宽和密度、更小的尺寸、更轻的重量，在模数、射频等电路功能单元上得到了广泛的运用。tsv技术虽然具有很多优势，但也带来了巨大的工艺及测试挑战。
tsv作为多个裸片垂直堆叠的信号传输通道，其可靠性直接影响了整个芯片电路的良品率。由于目前tsv制备工艺的复杂性且尚不成熟，使得在tsv制造、绑定等过程中都可能出现与tsv相关的故障，按物理结构分为空洞、针孔、错位、裂纹等；按故障产生的工艺阶段分为绑定前、绑定中及绑定后故障。同时在高频高速的情况下，信号传输性能对尺寸的变化极为敏感，tsv物理结构故障会造成传输信号的衰减，甚至是完全失真，尤其在亚微纳尺寸下信号完整性问题更为突出。另外在执行电路功能时，tsv中的弱故障可能退化成灾难性故障。这些隐性问题对tsv的可靠性和3dic的整体性能都有直接而显著的影响。目前的制造技术允许tsv密度高达10k/mm2，tsv数量急剧增加，这些结构易受到机械和热应力等的影响从而导致不同程度的故障，最终使得芯片良率大大降低。而在3dic中高工艺复杂度和高成本使得良率要求务必更高。因此，为了保证3dic的品质，针对tsv的故障检测就变得尤为重要。
目前国内外针对3dic中tsv测试的方案及流程还不是很完善，大多只能检测一种或两种粗略的逻辑故障且测试外围电路面积开销大，对于故障的尺寸大小和位置没有深入研究。面对复杂的故障类型、深亚微米级尺寸结构以及海量高密度测试对象，缺少有效的检测tsv故障的方法与专门的设备等问题为tsv故障的测试技术带来了前所未有的挑战。因此，对于微纳尺寸及超高密度tsv阵列的测试方法的进一步深入研究具有很重要的意义。电学测试是近年来广受关注的一种测试方法，它不但能完成tsv故障测试，同时还可以实现3dic的功能及性能测试。现有电学检测方法中使用的测试激励大多是简单的单源信号，而测试激励的选择在电路结构固定的情况下尤为重要，设计合适的测试激励能提高测试分辨率。另一点考虑激励的施加问题，随着超大规模集成电路密度的增加，传统机械探针技术已无法满足日益增长的纳米级检测需求，它与tsv尺度匹配问题以及接触压力对晶圆造成的损伤等接触问题严重影响了3dic发展，此外接触式探头本身会因反复接触和滑动受到损坏，需要定期维护从而增加了测试成本，故急需tsv故障测试理论方法与技术的突破。因此探索和研究高效的tsv故障测试新方法，同时持续改善各类方法的检测精度、稳定性以及检测效率是半导体行业和研究机构今后的重要课题。近年来兴起的非接触式测试和诊断测量方法可以解决与传统晶圆测试相关的许多挑战，它不受到被测对象结构的制约，具有非损伤测试、外围测试电路框架灵活等特点，在tsv测试中具有广阔的研究和应用前景。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种基于复合激励的tsv故障非接触式测试方法。
这是一种基于多音抖动的3-dic中tsv故障非接触式测试方法。它也是基于电学测试方法，主要是将以多音信号为主体，射频调制为辅的复合激励信号通过基于电容耦合的非接触探头去激励待测tsv相关电路，再通过包络检波器等接收电路以获取输出响应--峰均比(par)来检测电路故障情况。通过分析和比较有、无故障tsvs的par之间差异程度来实现tsv故障类型和尺寸的诊断。
复杂激励的主体--多音信号由多个单音信号根据不同的需求组合而成，信号中包含的信息也就更多，用它进行故障测试，电路的输出信号携带了多种幅频和相位的相关信息，因此收集的故障样本包就包含了更多的可辨识性特征，可提高诊断精度。该方法的多音信号是由一个基准正弦信号通过服从高斯分布的随机相移产生的多个音叠加而成，且它对相位失真比较敏感。在相同的多音激励条件下测试无故障和故障电路，它们的输出电压会有累积相位差，这种累积相移变化导致存在故障电路的输出信号的均方根值电压(vrms)有显著变化。该值会随着引入的缺陷的类型而变化，并且还取决于多音信号的重数和频率。为了有效地利用该相移及其vrms值的变化，因此将被测电路输出的峰均比(par)作为测试指标表征，其表达式如下：
由于测试激励经过非接触测试结构--电容耦合，势必会有很大程度的信号衰减，需要专门设计的复合测试信号来保证最终故障测试的分辨率。复合激励主要通过在所需测试频率下将具有加性高斯白噪声的多音信号经过低噪声放大器放大，再调制射频载波信号来生成的。复杂测试激励对于tsv故障非接触式测试的分辨率的影响，在一定程度上依赖于调制器的设计，在这里我们主要考虑混频和调频两种。第一种为克服信号衰减，追求信号的最大功率传输，采用有源gilbert双平衡混频器的设计，并做相应高频测试下的阻抗匹配。第二种主要采用变容二极管构成的lc回路的可变相移法实现间接调频。多音信号经历了由系统非线性和增益引起的互调效应，输出信号的rms值有很大的变化。而且调制的多音信号具备更多的组合频率分量，会弥补信号在传输过程中的衰减，能提高故障覆盖率，有利于整体的故障测试精度的提高。同时，由于合成测试信号的复杂性，测试电路的输出响应对于tsv等效故障电路的内部信息有较好的反应，对于tsv微小故障测试有较高分辨度。测试电路也仅仅包含tsv等效电路以及故障等效电路，不需要做特别的设计去搭建测试电路，避免了测试电路自身的测试误差，同时也降低了测试成本和时间。利用该方法只需改变tsv的故障等效电路，就可以对tsv不同物理结构故障进行测试，对比于那些只能测试某种特定故障的测试方法提高了故障覆盖率。另外，测试方法的准确性和灵敏度也可以通过优化多音信号来改变。由于对多音信号中的各个参数选取不同，测试结果的分辨力也会不相同。为了提高故障诊断率，具体就是对多音信号的音调数i、基频f0、角频率的变化δω＝2πδf0、初相位θi以及各个音的幅值ai参数进行择优选取。
该方法可以采用以下步骤进行：
1)建立存在物理结构故障的tsvs等效电路模型。以gs-tsv结构为对象进行等效电气建模，然后分析各物理故障的形成机理并建立相应的故障等效电路模型，导出等效电路各参数的数学计算公式，再用q3d仿真建模结果来验证各模型的正确性，最后将gs-tsv等效电气模型与故障模型相结合，得到存在物理结构故障的gs-tsv等效电路模型。
2)合成测试激励信号的生成。在saber和ads仿真软件平台上设计产生一个符合测试需求的多音信号，并将加性高斯白噪声添加到多音信号上，再将该信号经低噪声放大器放大，再与一个同频率的射频载波信号进行调制，生成合成测试激励信号。
3)利用串扰耦合理论，以tsv为受害载体，探盘为攻击信号载体，建立基于电容耦合的非接触测试结构。通过hfss探究探盘大小、探盘和焊盘距离的不同在高频频率下的插入损耗和传输阻抗，进一步确定探盘结构以及它和焊盘之间最佳信号传输距离。然后推导出非接触测试结构的相关集总参数rlcg的等效电路，并经hfss三维仿真建模结果来验证该模型的正确性。
4)对无故障gs-tsv电路进行多音抖动测试。准备测试电路，将合成测试激励通过非接触测试结构施加到无故障的gs-tsv等效电路进行仿真测试，再通过包络检波器测量输出端的均方根值和峰值电压，记录测试结果，计算峰均比。
5)对有故障的gs-tsv等效电路进行相应的仿真测试，记录测试结果，并计算峰均比，再改变物理结构故障的类型、特征尺寸等因素再进行仿真测试并记录峰均比，整理数据并绘制出峰均比与tsv故障特征尺寸的关系图。
6)测试结果对比，将tsv有、无故障时的测试结果进行对比并计算峰均比差值，当差值的绝对值大于0.1时说明tsv存在故障，并根据峰均比的差异程度判断故障类型和大小，从而实现对故障的检测。分析这些故障的物理损伤因子与峰均比之间的变化规律，继续优化复合激励信号并进行相关测试，提高tsv故障检测的分辨度。
7)运用实际的硬件电路产生步骤2中用到的多音合成测试激励信号。利用任意波形发生器产生所需的多音信号，并添加高斯白噪声，再经过低噪声放大器对其进行放大。使用射频信号发生器产生射频载波信号，并与处理后的多音信号进行调制，得到多音抖动复合测试信号。
8)将实际待测tsvs通过非接触式结构与测试平台的引脚相连,并将多音抖动复合测试信号施加于测试平台的非接触探盘，通过包络检波器测量得到输出端的峰值与均方根值电压，计算得峰均比。
9)将实际检测值与峰均比-tsv故障特征尺寸的关系图中的峰均比值作对比，根据峰均比差值确定被测tsvs是否存在故障以及存在何种故障。
假若失配或者误判则进一步优化多音抖动复合激励信号和更新tsv故障等效电路进行测试，如增加多音信号的音调数重新合成多音抖动测试信号进行测试，能提高测试精度。
总体来说，该多音抖动的非接触式测试方法能对小至几微米的tsv物理结构故障进行有效分辨，并且能在不损伤待测结构的情况下对不同的单一故障(针孔、空洞、裂纹等)进行有效检测。该方法使用射频载波信号调制多音信号进行基于电容耦合的tsvs故障测试，能够有效的解决传统探针测试和大面积的外围测试电路设计给tsv带来的损伤和困扰，同时大大降低了测试成本和时间。
本发明基于多音抖动复杂激励的非接触式测试方法能通过测试指标峰均比来诊断出故障的类型和尺寸大小，该方法尽可能多地提供有关故障的存在、位置和几何特征的信息检测，提高了对深亚微米结构中微小故障测试的灵敏度，提高了物理结构故障识别的精确度。
附图说明
图1是本发明提供的实施例中空洞故障gs-tsv电气测试模型；
图2是本发明提供的实施例中带非接触式探头的单个tsv总体结构示意图；该图中标注1为硅基底，2为底层氧化层，3为钝化层，4为金属间介电层，5为tsv绝缘层，6为tsv中心铜导体，7为空气层或氮化硅层，8为非接触式探盘；
图3是本发明提供的实施例中合成测试激励信号的波形图；
图4是本发明提供的实施例中无故障gs-tsv的输出响应的波形图；
图5是本发明提供的实施例中测试无故障和四种空洞故障的gs-tsv的输出响应波形图；
图6是本发明提供的实施例中空洞故障测试结果图；
图7是本发明提供的实施例中针孔泄露故障测试结果图。
具体实施方式
为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的图1～7，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
以下采用的各种缩写或简写分别表示。
tsv英文全拼是“throughsiliconvia”，中文意思为硅通孔(穿过硅片的通道)。
tsvs表示多条硅通孔(穿过硅片的通道)。
gs-tsv：(ground-signaltsv)地-信号硅通孔结构(通道)。
q3d：(q3dextractor)一种高性能的针对任意结构3d/2d无源器件建模和spice提取的准静电场模拟器。
saber：仿真软件(该软件是美国synopsys公司的一款eda软件，可做系统级仿真、模块级仿真以及器件级仿真，主要用于混合信号、混合技术设计与仿真验证)。
ads：(advanceddesignsystem)即先进设计系统，是安捷伦公司研发的一款高频混合信号电子设计软件，它能实现系统、电路、全三维电磁场仿真与验证，支持在高频、高速应用中通过集成电路、封装和电路板进行协同设计的设计仿真平台。
hfss：(highfrequencysimulatorstructure)用于射频和无线设计的ansyshfss全波三维电磁场模拟器，用于设计和模拟天线、天线阵列、射频或微波组件、高速互连线、滤波器、连接器、集成电路封装和印刷电路板等高频电子产品。
rlcg：电阻-电感-电导-电容参数，可以构建rlgc模型。
s参数：指传输线的入射波和反射波两者之间的关系，也可称为散射参数，是描线性电气网络在变化的稳态电信号激励时的电气行为。它是衡量信号传输的一个重要参数，主要用到s11回波损耗和s21插入损耗。
ropen：等效的空洞电阻。
cvoid：等效的空洞电容。
rshort：等效的针孔短路阻抗。
为了更清楚地介绍本方法，现以如图1所示的空洞故障gs-tsv电气测试模型为例，对本发明做详细介绍。选用gs-tsv结构，测试访问通过半径为15μm,高5μm的非接触探盘电容耦合到待测电路端子，探盘形状如图2所示。使用一套固定的tsv尺寸，计算出无故障电气模型参数。然后选取多音信号的音调数i，因为只有确定了音调数才能确定各个音的幅值范围。这里电路工作电压定为5v，选取10个音，那么每个音的幅值则不超过0.5v，所以ai的值在0到0.5v间任意选取，这里可以使用伪随机数生成器获值。不考虑初相位，令基频为f0＝1ghz,δf＝0.2ghz，则δω＝2πδf。将生成的多音信号添加加性高斯白噪声，再经过低噪声放大器放大一定倍数，再与200mhz的射频信号进行调制。
具体地，采用以下步骤：
1)建立存在物理结构故障的tsvs等效电路模型。以gs-tsv结构为对象进行等效电气建模，然后分析各物理故障的形成机理并建立相应的故障等效电路模型，导出等效电路各参数的数学计算公式，再用q3d仿真建模结果来验证各模型的正确性，最后将gs-tsv等效电气模型与故障模型相结合，得到存在物理结构故障的gs-tsv等效电路模型。
2)合成测试激励信号的生成。在saber和ads仿真软件平台上设计产生一个符合测试需求的多音信号，并将加性高斯白噪声添加到多音信号上，再将该信号经低噪声放大器放大，再与一个同频率的射频载波信号进行调制，生成复合测试激励信号。本实施例中的复合测试激励信号如图3所示。
3)利用串扰耦合理论，以tsv为受害载体，探盘为攻击信号载体，建立基于电容耦合的非接触测试结构。通过hfss探究探盘大小、探盘和焊盘距离的不同在高频频率下的插入损耗和传输阻抗，进一步确定探盘结构以及它和焊盘之间最佳信号传输距离。然后推导出非接触测试结构的相关集总参数rlcg的等效电路，并经hfss三维仿真建模结果来验证该模型的正确性。
4)对无故障gs-tsv电路进行多音抖动测试。准备测试电路，将合成测试激励通过非接触测试结构施加到无故障的gs-tsv等效电路进行仿真测试，再通过包络检波器测量输出端的均方根值和峰值电压，记录测试结果，计算峰均比。本实施例中，对无故障gs-tsv电路进行多音抖动测试的波形如图4所示。
5)对有故障的gs-tsv等效电路进行相应的仿真测试，记录测试结果，并计算峰均比，再改变物理结构故障的类型、特征尺寸等因素再进行仿真测试并记录峰均比，整理数据并绘制出峰均比与tsv故障特征尺寸的关系图。
6)测试结果对比，将tsv有、无故障时的测试结果进行对比并计算峰均比差值，当差值的绝对值大于0.1时说明tsv存在故障，并根据峰均比的差异程度判断故障类型和大小，从而实现对故障的检测。分析这些故障的物理损伤因子与峰均比之间的变化规律，继续优化复合激励信号并进行相关测试，提高tsv故障检测的分辨度。
7)运用实际的硬件电路产生步骤2中用到的多音合成测试激励信号。利用任意波形发生器产生所需的多音信号，并添加高斯白噪声，再经过低噪声放大器对其进行放大。使用射频信号发生器产生射频载波信号，并与处理后的多音信号进行调制，得到多音抖动复合测试信号。
8)将实际待测tsvs通过非接触式结构与测试平台的引脚相连,并将多音抖动复合测试信号施加于测试平台的非接触探盘，通过包络检波器测量得到输出端的峰值与均方根值电压，计算得峰均比。
9)将实际检测值与峰均比-tsv故障特征尺寸的关系图中的峰均比值作对比，根据峰均比差值确定被测tsvs是否存在故障以及存在何种故障。
在电镀过程中铜的不完全填充会导致tsv中心的铜柱导体出现空洞。在金属沉积时产生的空洞可以认为是接近开路故障。在之后的晶圆减薄和堆叠过程中，由于机械应力以及热效应的作用，会导致之前由于填充不均而产生的空洞逐渐变大，出现完全开路故障的出现，使得故障tsv成为电气上的浮动。tsv中心导体内的空洞使得信号传输的有效区域减小，形成一个高阻路径ropen，带来额外的功耗，同时传输信号衰减增加，影响tsv的传输性能。由于空洞的出现，空气介质和周围的铜介质可形成电容cvoid，综上故可将空洞故障等效电气建模为电阻和电容的并联。整合故障模型和gs-tsv等效电路模型如图1所示，利用上述合成测试激励信号，通过非接触探盘激励tsvs空洞故障等效电路，测量并记录峰均比。这里将空洞建模为一个半径rvoid＝k*rtsv的球体，即将空洞的大小对应为tsv半径的百分比，在考虑高频趋肤效应的情况下，通过改变k来改变空洞的大小，计算得到相应尺寸的故障值，以此作为故障点进行测试。本实施例中，对四种空洞故障(k取25-90％)的gs-tsv的输出响应波形如图5所示。每改变一次故障值，仿真一次测试电路，得到不同故障值下的输出结果峰均比，整理并计算得不同空洞故障与无故障之间的par差值如图6所示。随着空洞尺寸的增加，tsv铜柱缺失越严重，开路电阻增大空洞的等效电容也随之增大，总体的阻抗增加，这种变化使得电路输出端的信号相移发生变化，输出电压的均方根值电压就会有显著变化。等效故障电路的峰均比随着空洞的增大呈增长趋势。由峰均比差值-空洞故障关系图可知当空洞故障的k为20％时，峰均比才有较明显的变化。而k为20％时对应的空洞尺寸的半径等于2μm的空洞。故多音抖动测试对于tsv空洞故障的测试可分辨的最小尺寸为2μm。
由于tsv的绝缘层特别薄，加之工艺水平有限，因此很容易出现故障。二氧化硅绝缘层如果有针孔缺陷，则会导致tsv与硅衬底间发生短路，出现一个低阻通道，流经tsv的电流便会沿着这个低阻通路流入硅基板中，出现电流的泄漏。这种情况会导致芯片间的信号传输出现衰减，如果针孔故障严重，则有可能使得信号的衰减程度过大使得信号失效。针孔缺陷增加了一条由tsv铜柱到硅基板的低阻路径，相当于短路故障，可以建模为tsv与硅基板间的可变阻抗rshort，其阻值的大小表征了tsv的短路程度。这里将针孔建模为圆环曲面，其中h，ω分别表示针孔的高度和其弧长所对应的弧度。将多音抖动复合激励信号通过非接触式探盘施加于tsvs针孔故障等效电路。改变针孔的大小，得到相应的故障值。每改变一次故障值，仿真一次测试电路，得到不同故障值下的输出结果峰均比，如图7所示。绝缘层阻抗一般在数十兆欧以上，针孔的出现使得绝缘层的隔离作用降低，隔离阻抗值减小。随着绝缘层电阻的减小，流过tsv的电流就会越多的泄漏到硅基板中。与空洞不同的是tsv针孔故障等效电路的峰均比随着针孔增大而减小。利用多音抖动测试方法测试到的针孔故障小至到数兆欧姆，对应针孔故障的高度为3μm，弧长为2μm。
总的来说，基于多音抖动复杂激励的非接触式测试方法能通过测试指标峰均比来诊断出故障的类型和尺寸大小，该方法尽可能多地提供有关故障的存在、位置和几何特征的信息检测，提高了对深亚微米结构中微小故障测试的灵敏度，提高了物理结构故障识别的精确度。
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