[发明专利]一种基于蜂窝的TSV聚簇故障容错结构

说明书

本发明适用于半导体技术领域，提供了一种基于蜂窝的TSV聚簇故障容错结构，由N层环形结构组成，在最外层环形结构中的六边形中心处都设有一个冗余TSV，利用六边形这种灵活且稳定的结构排列所有TSV，合理的摆放冗余TSV的位置和选择路径转移方向，既能实现较高的良率且面积开销和延迟开销大大减；综合考虑了修复率和硬件开销之间的平衡，利用相对较少的硬件开销达到了相对较高的修复率。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，提供了一种基于蜂窝的TSV聚簇故障容错结构。

背景技术

三维集成电路利用TSV将两个或者两个以上的有源器件层在垂直方向堆叠起来，不仅减小了互连线长度，缩小了芯片的体积，提高了数据带宽还具有异构集成的特点，因此越来越受到半导体行业的广泛关注。默克(Merck)全球集成电路材料事业处资深副总裁Rico Wiedenbruch曾经说过，通过3D芯片结构来改变半导体芯片的结构，是用来解决当摩尔定律逼近物理极限之后，制程微缩越来越困难问题的最佳解答。然而由于制造工艺不够成熟，TSV可能在组装和堆叠过程中出现失效，在TSV焊盘对准过程中出现错位导致互连失效，或者由于TSV中导电材料填充不充分导致开路故障等都大大降低了三维集成电路的良率。因此为了提高三维集成电路的良率，一般都为这些TSV阵列设置一定数量的冗余TSV，当有TSV发生故障时，可以通过一些设计将其信号路由到冗余TSV上进行传送，因此冗余TSV架构的设计对TSV容错非常重要。

此外，由于硅表面粗糙程度和清洁度以及粘接技术的影响，TSV故障容易成聚簇分布，一个TSV出现故障，其相邻TSV也有可能是故障的。因此香港中文大学的蒋力提出一种基于路由的冗余架构，其原理图如图1所示，其中黑色小点代表3-to-1MUX，黑色方块、白色方块和灰色方块分别代表信号、信号TSV和冗余TSV，信号TSV上的黑色交叉线代表故障TSV，黑色的连线代表故障TSV的修复路径。在该结构中每个TSV对应一个路由结构，如图1中虚线方框所示，该路由结构由3个3-to-1MUX构成，阵列中的每个信号可以直接向右方和下方相邻的TSV进行路径转移，也可以通过右方和下方相邻TSV的路由结构向距离较远的TSV转移，例如图中信号S1原本对应的TSV1发生了故障，则信号S1可以通过路由结构A和B向TSV2进行路径转移。虽然基于路由的冗余架构可以有效恢复多个严重聚簇的故障TSV，然而这种路由结构设计需要大量的硬件开销，每个信号TSV都对应着3个3-to-1MUX，此外由于信号通过路由结构转移到较远的TSV，延迟开销也比较大。

Wei-Hen Lo提出一种基于环的冗余架构来解决聚簇故障问题，如图2所示，其中黑色方块代表信号，白色圆圈代表信号TSV，灰色圆圈代表冗余TSV，TSV上的黑色交叉线代表该TSV是故障TSV，图中灰色箭头代表修复路径。TSV阵列由外而内被分成若干个环，分别是ring0，ring1，ring2，ring3。冗余TSV放置在最外层ring0上，信号可沿环顺时针或逆时针移动，当发生TSV故障时，信号可一层层的往外环移动，直至找到冗余TSV。例如信号TSV T1发生故障，信号S1可使用临近T2来修复，信号S2使用临近T3进行修复，信号S3利用临近R1进行修复，修复路径如蓝色箭头所示。由于冗余TSV放置在外环上，故障TSV的修复路径一般都比较长，所造成的路径延迟也较高。对于高度聚簇的故障TSV，若黑色虚线框圈出的TSV Sa，Sb，Sc，Sd发生故障时，则该结构无法修复全部的故障TSV。实验证明该结构虽然面积开销小，但对聚簇故障的容忍能力比较差，对2*2的四个故障的容错率也仅为50％左右。这种架构的硬件开销小，但是对于高度聚簇的故障的修复能力并不理想并且路径延迟也比较大。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于蜂窝的TSV聚簇故障容错结构，综合考虑了修复率和硬件开销之间的平衡，利用相对较少的硬件开销达到了相对较高的修复率。