基于差分信號的硅通孔無損缺陷判斷與定位

李 豆，蘇晉榮，李艷玲

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

硅通孔(Through Silicon Vias，TSV)技術(shù)作為三維集成電路中的關(guān)鍵技術(shù)，其高傳輸速率、低功耗和高性能等優(yōu)勢，引起了人們的廣泛關(guān)注[1].然而，制備TSV的工藝還不夠成熟，在加工過程中，常因設(shè)備精度低造成填充不均勻、填充物質(zhì)粘連、拋光不徹底等[2]，產(chǎn)生TSV開路、短路等缺陷，進而影響集成電路的性能.對TSV缺陷的有效檢測，能剔除有缺陷的元器件，提高集成電路成品率，因此，不少學(xué)者對TSV的缺陷檢測方法進行了研究.目前報道的檢測方法可分為有損檢測和無損檢測.有損檢測一般通過聚離子束等方法切割成品并獲取檢測部位截面，再利用顯微鏡對該截面進行觀察，確定有無缺陷[3].有損檢測會損壞樣品，樣品無法再使用.而無損檢測不損壞樣品，樣品可再使用，許多學(xué)者對無損檢測方法進行了研究.例如，文獻[4]使用電荷共享和電阻分配技術(shù)，利用探針臺結(jié)合信號放大技術(shù)捕捉電壓波動實現(xiàn)對TSV缺陷的檢測，檢測準(zhǔn)確率達94%；文獻[5]提出用掃描聲學(xué)顯微鏡來檢測，將110 MHz超聲波作為入射信號，通過分析反射信號形成的灰度圖像實現(xiàn)對TSV的缺陷檢測；文獻[6]通過分析對比有無缺陷時地-信號-地(Ground-signal-ground, GSG)型TSV的電特性，提出對其開路、短路缺陷的無損檢測方法.

文獻[6]的方法針對傳輸單端信號的GSG型TSV提出，實際應(yīng)用中，隨著傳輸速率的提升，TSV陣列的密度越來越大，通孔間電磁干擾和噪聲耦合帶來的影響尤為突出[7].在高頻段，通孔間電磁干擾嚴重影響信號完整性[8].差分信號可以提升噪聲抑制能力，提高信號完整性[9-11]，而傳輸差分信號的GSSG型TSV缺陷檢測尚未見報道.鑒于此，本文通過分析GSSG型TSV中差分信號的傳輸特性，提煉出開路、短路缺陷判斷及定位方法，為該類應(yīng)用中TSV缺陷檢測提供重要參考.

1 TSV結(jié)構(gòu)

本文GSSG型TSV結(jié)構(gòu)正視切面如圖1 所示.TSV結(jié)構(gòu)中每列8個信號/地通孔和金屬互聯(lián)線相互連接，構(gòu)成完整的信號通路.其中，金屬間介質(zhì)層材料為二氧化硅，介電常數(shù)為3.9ε0(真空介電常數(shù)ε0=8.85×10-12F/m)，襯底材料為硅，相對介電常數(shù)為11.9ε0，TSV通孔的填充材料為銅，電導(dǎo)率為5.8×107S/m.其立體示意圖如圖2 所示，為突出過孔結(jié)構(gòu)，該圖略去了襯底和金屬間介質(zhì)層.參照實際工藝尺寸[12]，所研究過孔直徑為25 μm，高為300 μm，節(jié)距為 150 μm.金屬線寬60 μm，厚 5 μm.4組通道過孔間距為 200 μm.

圖1 GSSG型TSV正視切面圖Fig.1 Orthographic view of GSSG-type TSV

圖2 GSSG型TSV立體圖及缺陷示意圖Fig.2 Stereogram view and defects of GSSG-type TSV

2 TSV缺陷類型判斷

為研究缺陷對TSV頻域特性的影響，本文利用三維電磁仿真軟件HFSS對圖1 中無缺陷結(jié)構(gòu)及圖2中開路和短路缺陷分別出現(xiàn)時的情況進行了仿真.在所建GSSG型TSV模型中隨機設(shè)置開路缺陷、信號間短路缺陷和對地短路缺陷(如圖2中位置a，b，c所示)，分別計算了激勵信號為差模信號和共模信號時該結(jié)構(gòu)的傳輸性能，出現(xiàn)上述3種缺陷及無缺陷時的S參數(shù)對比如圖3 所示.

(a) |Scc11|

2.1 開路缺陷判斷

圖3(a) 所示為共模信號輸入時0 GHz～20 GHz 的反射系數(shù)模值|Scc11|.可以看出，當(dāng)出現(xiàn)開路缺陷時，|Scc11|在10 GHz以下明顯大于無缺陷時的值，例如，在5 GHz處當(dāng)出現(xiàn)開路缺陷時|Scc11|為-7.8 dB，而無缺陷時|Scc11|為-18.1 dB.根據(jù)該特點，可以判斷互連結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)了開路缺陷.圖3(b) 為共模信號輸入時 0 GHz～20 GHz的正向傳輸系數(shù)模值|Scc21|.可以看出，當(dāng)出現(xiàn)開路缺陷時，|Scc21|值明顯小于無缺陷的情況，例如，5 GHz處出現(xiàn)開路缺陷時|Scc21| 為-4.9 dB，而無缺陷時|Scc21|為 -0.24 dB.根據(jù)該特點，可進一步確定是否出現(xiàn)了開路缺陷.

2.2 短路缺陷判斷

GSSG型TSV互連結(jié)構(gòu)中，有兩列通孔為參考地，中間兩列通孔為信號提供傳輸路徑.本文將兩列信號通孔之間出現(xiàn)的短路稱為信號間短路，信號和參考地通孔間出現(xiàn)的短路稱為對地短路.下面首先分析對地短路缺陷的判斷方法.

圖3(a) 為共模信號輸入時0 GHz～20 GHz的反射系數(shù)模值|Scc11|.由圖可見，當(dāng)出現(xiàn)對地短路時，|Scc11|在10 GHz以下小于無缺陷的情況，例如，在5 GHz處出現(xiàn)對地短路時|Scc11|為-29.1 dB，而無缺陷時|Scc11|為-17.3 dB，二者相差約12 dB，可以據(jù)此判斷是否出現(xiàn)了對地短路缺陷.圖3(b) 為共模信號輸入時0 GHz～20 GHz 的正向傳輸系數(shù)模值|Scc21|.在出現(xiàn)對地短路缺陷時，|Scc21|在11.6 GHz處出現(xiàn)極小值-7.0 dB，而無缺陷時|Scc21|沒有極小值，該處 |Scc21| 為-0.85 dB.結(jié)合|Scc11|和|Scc21|的特點，可以判斷互連結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)了對地短路缺陷.

圖3(c) 為差模信號輸入時0 GHz～20 GHz的反射系數(shù)模值|Sdd11|.可以看出，當(dāng)出現(xiàn)信號間短路時，|Sdd11|在低頻處接近0 dB，而無缺陷時 |Sdd11|很小，例如，在1 GHz處出現(xiàn)信號間短路時|Sdd11|為-0.17 dB，無缺陷時|Sdd11|為-24.6 dB，二者相差約24.4 dB.圖3(d) 為差模信號輸入時 0 GHz～20 GHz的正向傳輸系數(shù)模值|Sdd21|.圖中出現(xiàn)信號間短路缺陷時|Sdd21|明顯小于無缺陷的情況.例如，5 GHz處出現(xiàn)信號間短路缺陷時|Sdd21|為-27.5 dB，而無缺陷時|Sdd21| 為-0.35 dB，二者相差約27 dB.根據(jù)上述S參數(shù)的兩個特點，可以判斷互連結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)了信號間短路缺陷.

由圖3 可以看出，當(dāng)出現(xiàn)開路或短路缺陷時，互連結(jié)構(gòu)的傳輸性能惡化.出現(xiàn)開路缺陷時，反射系數(shù)很大，而正向傳輸系數(shù)很小，這是因為信號的正向傳輸路徑中斷，大部分能量沿原低阻抗路徑返回，造成較大回波損耗，而少部分通過耦合傳輸?shù)捷敵龆?，故正向傳輸系?shù)很小.當(dāng)出現(xiàn)短路缺陷時，信號原來從輸入到輸出端口的一條低阻抗傳輸路徑因存在短路缺陷變成多條，部分信號通過短路橋接返回至相鄰差模/共模輸入端，增加回波損耗；部分信號通過短路橋接傳輸至相鄰共模/差模輸出端，與原共模/差模信號疊加或抵消，干擾了原有效信號的正常傳輸，使正向傳輸系數(shù)減小.

3 缺陷定位

上文通過分析GSSG型TSV差模信號和共模信號的頻域特性，總結(jié)出了基于差分信號的TSV缺陷類型判斷方法.下面將分析開路和短路位置不同時的TSV電特性，并總結(jié)出缺陷定位方法.圖4 所示為本文研究的開路缺陷和短路缺陷分別出現(xiàn)時的4個不同位置.

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

圖5(a) 所示為開路點分別為圖4中1、2、3、4所示位置時的|Scc11|參數(shù).

(a) 存在開路缺陷時的|Scc11|

由圖5(a) 可以看出，開路缺陷離輸入端越近，其|Scc11|值越小，例如，開路點位置從1變化到4時，在13 GHz處|Scc11|的值分別為-18.4 dB、-15.1 dB、-9.8 dB、-6.4 dB.這是因為開路點離輸入端口越近，信號正向傳輸路徑越早被阻斷，越多能量反射回輸入端口，傳輸?shù)捷敵龆丝诘男盘栐饺?根據(jù)|Scc11|隨缺陷位置變化特點，可以判斷出開路缺陷的位置.

圖5(b) 所示為信號間短路點分別為圖4中1、2、3、4位置時的|Sdd11|參數(shù).可以看出，當(dāng)信號間短路缺陷在靠近端口的1和4位置時，|Sdd11| 參數(shù)曲線平穩(wěn)沒有峰值，當(dāng)缺陷位置在離端口較遠的位置2和3時，|Sdd11|參數(shù)存在最小值.例如，19 GHz處，離端口近的短路點1和4的|Sdd11|值為-0.62 dB和-0.59 dB，而離端口遠的短路點2和3，相應(yīng)|Sdd11|值為-2.1 dB和-2.45 dB.根據(jù)|Sdd11|是否出現(xiàn)極小值的特點，可以判斷信號間短路缺陷在近端口處還是遠離端口處.

圖5(c) 所示為對地短路點分別為圖4中1、2、3、4位置時的|Sdd21|參數(shù).可以看出，在0 GHz～1 GHz內(nèi)，隨著對地短路位置從輸入端口到輸出端口變化，|Sdd21|參數(shù)越來越小.在1 GHz后，4條曲線各頻點值的大小不再按照缺陷位置而順序排列，例如位置4處的|Sdd21|在1.5 GHz時超過位置2和3的值.因此，可通過分析0 GHz～1 GHz內(nèi)的|Sdd21|來判斷缺陷位置.然而，在0 GHz～1 GHz內(nèi)該4條曲線中兩相鄰曲線的|Sdd21|值相差不超過4 dB，為更準(zhǔn)確判斷對地短路缺陷位置，計算了|Sdd21|對頻率的數(shù)值導(dǎo)數(shù)，結(jié)果如圖5(d)所示.圖中，當(dāng)對地短路缺陷靠近輸入端時，d|Sdd21|/df在0 GHz～5 GHz的值始終大于零，而靠近輸出端時，d|Sdd21|/df有從小于零到大于零的變化過程.例如，在0.6 GHz處，位置1和2對應(yīng)的d|Sdd21|/df值分別為8.4 dB/GHz和 3.3 dB/GHz，位置3和4對應(yīng)的d|Sdd21|/df為-3.0 dB/GHz和 -13.4 dB/GHz；在2 GHz處，位置3和4對應(yīng)的d|Sdd21|/df為8.7 dB/GHz和10.7 dB/GHz.此外，在 0 GHz～0.6 GHz，缺陷位置離輸入端越近，d|Sdd21|/df越大.根據(jù) |Sdd21|及d|Sdd21|/df的上述特征，可以定位對地短路缺陷.

4 差分信號與單端信號的比較

文獻[6]所提缺陷檢測方法是利用輸入為單端信號時GSG型TSV的電特性，本文利用差分信號作為輸入信號，分析了GSSG型TSV的傳輸特性.下面將兩種方法用于GSSG型TSV的缺陷檢測性能對比.

圖6 是輸入為單端或差分信號時，無缺陷和存在開路缺陷或短路缺陷時的|S11|參數(shù)，從圖中可看出，不論是單端信號還是差分信號，存在缺陷和無缺陷時的|S11|差別都足夠大，可以用于判斷GSSG型TSV結(jié)構(gòu)是否存在開路或信號間短路缺陷.

(a) 無缺陷和存在開路缺陷時的|S11|

然而，當(dāng)出現(xiàn)對地短路缺陷時，單端信號的|S11|對缺陷存在與否并不敏感.圖7 為圖4中4個不同位置出現(xiàn)對地短路缺陷時，輸入分別為差分信號和單端信號時|S11|參數(shù)與無缺陷時的對比.可以看出，除位置3外，輸入為單端信號時無缺陷和存在對地短路缺陷時的|S11|差別很小，難以判斷TSV結(jié)構(gòu)中是否存在對地短路缺陷.當(dāng)輸入為差分信號時，無缺陷和存在對地短路缺陷的|Sdd11|差值明顯，且在15.7 GHz處 |Sdd11| 差值最大，圖7(a)～7(d)中|Sdd11|差值分別為24.7 dB，26.2 dB，29.7 dB和26.4 dB.可見，利用差分信號能夠更準(zhǔn)確地判斷出互連結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)了對地短路缺陷.

(a) 無缺陷和存在對地短路缺陷1處的|S11|

5 結(jié) 論

本文詳細分析了GSSG型TSV以差分信號為激勵，分別出現(xiàn)開路、信號間短路、對地短路等缺陷時的差模和共模傳輸特性.根據(jù)|Sdd11|、|Sdd21|、|Scc11|和|Scc21|隨缺陷類型和位置的變化特點，提煉出缺陷類型判斷方法和缺陷定位方法.在0 GHz～20 GHz，當(dāng)|Sdd11|接近0 dB，而 |Sdd21|在15 dB以下時，說明出現(xiàn)了信號間短路缺陷，若|Sdd11|沒有明顯的諧振，則缺陷位置離輸入/輸出端口較近.在0 GHz～10 GHz，當(dāng)|Scc11|明顯大于無缺陷時的值，且|Scc21|顯著小于無缺陷時的值，說明出現(xiàn)了開路缺陷，|Scc11|越小，缺陷位置離輸入端口越近.利用|Sdd11|對頻率的數(shù)值導(dǎo)數(shù)能定位對地短路缺陷.此外，通過對比輸入分別為單端信號和差分信號時的GSSG型TSV有無缺陷時的傳輸特性，得知差分信號在對地短路缺陷的判斷方面比單端信號更有優(yōu)勢.本文所得結(jié)論可用于對GSSG型TSV互連結(jié)構(gòu)進行缺陷判斷和定位，有利于剔除有缺陷裸片，提高產(chǎn)品良率.