半导体器件可靠性物理PDF电子书下载

目录 1

第一章 半导体器件的结构、制造工艺及可靠性 1

1.1 硅平面工艺及其缺陷 1

1.1.1 外延 2

1.1.2 热氧化 6

1.1.3 光刻 10

1.1.4 扩散 12

1.1.5 金属化 18

1.1.6 离子注入 20

1.1.7 后部工序 23

1.2 半导体器件的结构 27

参考文献 38

第二章 半导体器件参数及其温度效应 39

2.1 半导体参数 39

2.1.1 禁带宽度Eg 39

2.1.2 本征载流子浓度ni 40

2.1.3 漂移迁移率μ 41

2.1.4 载流子的扩散系数D 46

2.1.5 热导率K 48

2.1.6 少数载流子寿命τ 49

2.2 半导体的重掺杂效应 52

2.2.1 重掺杂引起禁带宽度变窄 52

2.2.2 掺杂浓度对费米能级的影响 56

2.2.3 重掺杂半导体中的本征载流子浓度 57

2.2.4 重掺杂半导体中的少数载流子寿命τ 58

2.3.1 pn结反向电流IR 59

2.3 双极型器件参数 59

2.3.2 pn结正向电流和电压 62

2.3.3 晶体管发射极电流 64

2.3.4 晶体管的集电极电流 65

2.3.5 晶体管的基极电流 65

2.3.6 电流增益 67

2.3.7 pn结的击穿电压 77

2.3.8 晶体管的击穿电压 80

2.3.9 晶体管的饱和压降VCES 82

2.3.10 晶体管的交流参数 83

2.4.1 有效迁移率μeff 90

2.4 MOS场效应器件 90

2.4.2 阈值电压VT 93

2.4.3 跨导gm 95

2.4.4 最高工作频率fm 96

2.5 肖特基势垒二极管 97

2.6 半导体器件的热噪声 100

参考文献 102

第三章 热与热电反馈效应 106

3.1 热量的传递 106

3.2 芯片温度场 108

3.2.1 热传导方程 109

3.2.2 稳态温度场 114

3.2.3 热传导方程的数值求解 122

3.3 热阻 126

3.3.1 热阻的定义 126

3.3.2 热阻的计算 131

3.3.3 热阻的测试 139

3.3.4 瞬态热阻 144

3.3.5 热阻的温度关系 150

3.3.6 接触热阻 151

3.4 热电反馈效应 153

3.4.1 E-B折回特性 153

3.4.2 热稳定因子 157

3.4.3 稳定热斑 161

3.4.4 热稳定因子的修正 166

3.4.5 双单元功率晶体管的热不稳定性 167

3.5 二次击穿 170

3.5.1 概述 170

3.5.2 双极型器件产生二次击穿的机理 172

3.5.3 雪崩注入理论的定性描述 175

3.5.4 发射极电流夹紧时电流沿发射结的非均匀 177

分布 177

3.5.5 在感性负载下晶体管中二维非等温载流子 181

流 181

3.5.6 MOS器件的二次击穿 189

3.5.7 CMOS集成电路的寄生可控硅效应 197

3.6 安全工作区 203

3.6.1 正偏直流安全工作区的定义 204

3.6.2 关于安全工作区的几点讨论 208

3.6.3 功率MOS场效应晶体管的安全工作区 212

参考文献 215

第四章 界面效应 219

4.1 硅-二氧化硅界面 219

4.1.1 氧化层电荷 220

4.1.2 可动离子电荷对器件可靠性的影响 225

4.1.3 界面陷阱电荷Qit对器件可靠性 228

的影响 228

4.1.4 热载流子注入效应 230

4.1.5 钝化 245

4.2 铝-二氧化硅界面 264

4.2.1 二氧化硅薄膜的击穿机理 265

4.2.2 与时间相关的介质击穿 270

4.2.3 热生长薄二氧化硅膜可靠性的改进 282

4.2.4 铝与二氧化硅的化学反应 285

4.2.5 铝金属化表面的再结构 286

4.3 铝-硅界面 291

4.3.1 硅向铝中的固态溶解 291

4.3.2 硅在铝中的电迁徙 295

4.3.3 铝在硅中的热电迁徙 295

4.3.4 防止铝-硅界面退化的措施 301

4.3.5 铝-多晶硅界面 303

4.3.6 铝-硅或铝-多晶硅界面引起的器件失 306

效模式 306

4.4.1 金的多层金属化系统 314

4.4 金属间界面 314

4.4.2 金属硅化物 317

4.4.3 金-铝界面 322

4.5 芯片焊接界面 326

4.5.1 天然氧化物的影响 327

4.5.2 合金局部穿透 329

4.5.3 焊接层的热疲劳 329

参考文献 336

第五章 电徙动 340

5.1 引言 340

5.2 电徙动物理 341

5.2.1 金属薄膜的缺陷和扩散 341

5.2.2 电徙动的离子流密度 346

5.2.3 离子流散度 349

5.2.4 电徙动平均失效时间MTF 354

5.3 金属薄膜的热效应 358

5.3.1 完整金属薄膜稳态下的温度分布 359

5.3.2 金属薄膜裂痕的影响 362

5.4 晶粒尺寸和几何形状设应 369

5.5 介质覆盖效应 375

5.5.1 介质覆盖的试验结果述评 376

5.5.2 介质覆盖的表面抑制与压强效应 379

5.5.3 介质覆盖的热沉效应 380

5.6 合金效应 388

5.6.1 铝-铜合金 388

5.6.2 铝-硅合金 393

5.6.3 铝-铜-硅合金 397

5.7 脉冲电流下的电徙动 401

5.8 超大规模集成电路金属化的电徙动 404

5.8.1 超大规模集成电路的尺度效果 404

5.8.2 超大规模集成电路中金属薄膜电徙动的 407

特点 407

5.8.3 超大规模集成电路中铝合金膜的 409

电徙动 409

5.9 微波功率晶体管的电徙动 414

5.9.1 与试验金属薄膜的差异 415

5.9.2 电徙动的试验研究 417

5.9.3 金铝之争 421

5.10.1 多晶硅薄膜的电徙动 424

5.10 多晶硅薄膜与镍铬薄膜的电徙动 424

5.10.2 镍铬电阻膜的电徙动 426

5.11 小结 428

参考文献 431

第六章 静电效应 436

6.1 静电的产生和放电 436

6.1.1 静电的产生 436

6.1.2 静电源 438

6.1.3 静电放电 439

6.2 静电损伤模型 441

6.2.1 荷电人体的静电放电模型 442

6.2.2 荷电器件的静电放电模型 453

6.2.3 场感应静电放电模型 457

6.3 静电损伤的失效模式 458

6.3.1 突发性完全失效 459

6.3.2 潜在性失效 464

6.4 静电敏感性 466

6.5 静电保护 472

6.5.1 MOS器件的栅保护 472

6.5.2 双极型器件的静电防护 482

6.5.3 其他的防静电措施 483

参考文献 485

第七章 辐射效应 487

7.1 辐射环境和材料的辐射效应 487

7.1.1 辐射环境 487

7.1.2 电离辐射效应 490

7.1.3 位移辐射效应 491

7.1.4 电磁脉冲 493

7.1.5 热辐射及其他效应 493

7.2 双极型半导体器件的辐射效应 494

7.2.1 二极管的辐射效应 494

7.2.2 晶体管的辐射效应 497

7.2.3 可控硅整流器的辐射效应 506

7.2.4 太阳能电池 507

7.3 双极型集成电路的辐射效应 509

7.3.1 电离辐射效应 509

7.3.2 中子损伤效应 511

7.3.3 双极型器件的电磁脉冲效应 513

7.4 双极型器件的核加固 514

7.4.1 双极型晶体管的核加固 515

7.4.2 双极型集成电路的核加固 516

7.5 场效应器件的辐射效应 520

7.5.1 结型场效应晶体管的辐射效应 521

7.5.2 MOS场效应晶体管的辐射效应 522

7.5.3 MOS集成电路的辐射效应 531

7.6 大规模集成电路和超大规模集成电路的软误差（SER）效应——封装材料α射线的影响 535

7.6.1 α射线造成的软误差机理 536

7.6.2 影响软误差率的因素 540

7.6.3 降低软误差率的措施 545

7.7 MOS器件的核加固 547

参考文献 554

8.1 电化学腐蚀 558

第八章 湿度效应 558

8.1.1 电化学概念 559

8.1.2 半导体器件中的腐蚀电池 563

8.1.3 柯伐封装引线的电化学腐蚀 567

8.1.4 铝金属化的腐蚀 570

8.2 塑料封装的可靠性 575

8.2.1 封装树脂中的杂质 576

8.2.2 封装树脂的吸潮性 579

8.2.3 封装树脂对器件特性的影响 583

8.2.4 温度、湿度、偏压加速寿命试验 585

参考文献 590

主要符号表 592