TSV等效电路模型建立及分析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：TN40文献标识码：A：1672-3791（2021）04（a）-0047-04EstablishmentandAnalysisofTSVEquivalentCircuitModelFUYanlongWANGYuanZHAOXiaoyu（OrdosInstituteofAppliedTechnology，Ordos，InnerMongoliaAutonomousRegion，017000China）Abstract：ThroughSiliconVia（TSV）isatechnologyforrealizingthree-dimensionalintegratedcircuits.Inordertospeedupthemanufacturingandtestingspeedof3Dintegratedcircuits，TSVmustbeaccuratelymodeled.ThispaperpresentsamethodtoextractTSVcircuitmodelusingCADtools.Throughthethree-dimensionalfull-wavesimulation，theinfluenceofcommonTSVparametersandfaultsontheTSVcircuitmodelisrevealed.TheextractedmodelshowsthatthesubstrateconductivityhasagreaterimpactonthecharacterizationofTSVfaults，andrelativelylargepinholeswillnotchangetheTSVcharacteristicparameters.KeyWords：3DintegratedCircuit;ParameterExtraction;TSVAnalysis;TSVFault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（MorethanMoore）的一种可能选择[1-2]。硅通孔技术（ThroughSiliconVia，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1000Ω·m。该仿真实现的TSV是一个长50μm，截面直径为5μm的铜柱体，该铜柱体外围覆盖了一层厚度是100nm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。为了提取实现的TSV的s参数，将求解频率设置为1.00GHz，扫描频率范围可以设置在1.00MHz～1.00GHz之间变化，步长为1.00MHz。从图2可以看出，电场沿基片内TSV均匀分布。图3和图4分别显示了s11和s21参数的变化，当输入信号为1GHz时s11的衰减小于0.04dB。利用HFSS生成了一个关于TSV两端口等效SPICE模型。将该SPICE模型导入ADS环境，创建TSV等效电路模型。如果选择不同的频率间隔或扫描频率进行仿真，则等效电路中元件的值将发生变化，但等效电路拓扑不受影响。电容表示TSV金属从其端子到介电层表面的电阻。为了提取图6中的TSV，需将衬底接地。图5中的R4和C1，主要是电容性的。TSV与衬底之间距离的变化会影响R4，但不影响起主要作用的C1。图6中TSV的表面电流密度分布表明，电流均匀分布在TSV导体表面，衬底中没有有效电流。2针孔TSV模型参数的影响为研究针孔对TSV的影响，建立了一个尺寸为2μm×2μm的针孔，观察其对电场分布和TSV等效电路模型的影响。在与模拟无故障TSV相同的条件下进行了三维模拟。从图7（a）可以看出，衬底在针孔处的体积电流密度急剧增大。提取的电路模型原理图基本保持不变，只是TSV端子与地之间的阻抗R3和R6急剧下降到23kΩ以下。TSV表面和周围的衬底之间形成圆柱形电容器。针孔在TSV电容器板之间增加了一个电阻。如果增加的电阻与TSV电容的交流电阻相当，则模型中的TSV电容将会发生变化。对于低电导率的电阻衬底，由于针孔而引起的TSV电容的变化可以忽略不计。事实上，与通过针孔的传导电流相比，TSV与衬底之间的位...