付颜龙 王圆 赵晓宇

摘  要：硅通孔技术（TSV）是一种实现三维集成电路的方法。为了加快三维集成电路的制造测试速度，必须对TSV结构精确建模。该文提出了一种利用CAD工具提取TSV电路模型的方法。通过三维全波模拟，可揭示常见的 TSV参数和故障对TSV电路模型的影响。该文方法所提取的模型表明，衬底电导率对TSV故障的表征有较大的影响，相对较大的针洞不会改变TSV特征参数。

关键词：三维集成电路  参数提取  TSV分析  TSV故障

中图分类号：TN40                          文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）04（a）-0047-04

Establishment and Analysis of TSV Equivalent Circuit Model

FU Yanlong  WANG Yuan  ZHAO Xiaoyu

（Ordos Institute of Applied Technology， Ordos， Inner Mongolia Autonomous Region， 017000 China）

Abstract： Through Silicon Via （TSV） is a technology for realizing three-dimensional integrated circuits. In order to speed up the manufacturing and testing speed of 3D integrated circuits， TSV must be accurately modeled. This paper presents a method to extract TSV circuit model using CAD tools. Through the three-dimensional full-wave simulation， the influence of common TSV parameters and faults on the TSV circuit model is revealed. The extracted model shows that the substrate conductivity has a greater impact on the characterization of TSV faults， and relatively large pinholes will not change the TSV characteristic parameters.

Key Words： 3D integrated Circuit; Parameter Extraction; TSV Analysis; TSV Fault

传统CMOS工艺的尺度减小速度逐渐放缓，三维集成电路是摩尔定律之外（More than Moore）的一种可能选择[1-2]。硅通孔技术（Through Silicon Via，TSV）是三维集成电路的关键技术，它能够实现芯片之间的垂直连接，缩短延迟时间，并提供极为密集的IO连接[3]。随着TSV制造技术的发展，准确、高效地了解TSV电磁特性对于三维集成电路系统信号完整性至关重要[4-5]。开发有效的3D集成电路测试方法很有必要，以便尽量减少制造成本和测试时间。TSV存在诸如针孔和空洞类型的缺陷，这些缺陷会影响3D集成电路的性能[6-7]。TSV电路模型可以使用三维全波模擬，其中电场和磁场计算在整个三维结构使用麦克斯韦方程。与基于电路理论的模型相比，从全波仿真中提取的TSV模型有望揭示更多细节。

1  无故障TSV模型建立

在HFSS中建立无故障TSV模型（见图1）。

硅体的电阻率选择为1 000 Ω·m。该仿真实现的TSV是一个长50 μm，截面直径为5 μm的铜柱体，该铜柱体外围覆盖了一层厚度是100 nm的二氧化硅层，使 TSV与衬底绝缘。在TSV的顶部和底部施加激励。……