可靠性技术丛书 半导体集成电路的可靠性及评价方法PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 半导体集成电路的发展过程 1

1.2 半导体集成电路的分类 4

1.2.1 按半导体集成电路规模分类 4

1.2.2 按电路功能分类 5

1.2.3 按有源器件的类型分类 6

1.2.4 按应用性质分类 6

1.3 半导体集成电路的发展特点 6

1.3.1 集成度不断提高 7

1.3.2 器件的特征尺寸不断缩小 7

1.3.3 专业化分工发展成熟 8

1.3.4 系统集成芯片的发展 9

1.3.5 半导体集成电路带动其他学科的发展 9

1.4 半导体集成电路可靠性评估体系 10

1.4.1 工艺可靠性评估 10

1.4.2 集成电路的主要失效模式 11

1.4.3 集成电路的主要失效机理 15

1.4.4 集成电路可靠性面临的挑战 16

参考文献 20

第2章 半导体集成电路的基本工艺 21

2.1 氧化工艺 23

2.1.1 SiO2的性质 23

2.1.2 SiO2的作用 24

2.1.3 SiO2膜的制备 25

2.1.4 SiO2膜的检测 27

2.1.5 SiO2膜的主要缺陷 29

2.2 化学气相沉积法制备薄膜 30

2.2.1 化学气相沉积概述 30

2.2.2 化学气相沉积的主要反应类型 31

2.2.3 CVD制备薄膜 33

2.2.4 CVD掺杂SiO2 36

2.3 扩散掺杂工艺 38

2.3.1 扩散形式 39

2.3.2 常用杂质的扩散方法 40

2.3.3 扩散分布的分析 41

2.4 离子注入工艺 45

2.4.1 离子注入技术概述 45

2.4.2 离子注入的浓度分布与退火 47

2.5 光刻工艺 49

2.5.1 光刻工艺流程 49

2.5.2 光刻胶的曝光 51

2.5.3 光刻胶的曝光方式 53

2.5.4 32nm和22nm的光刻 54

2.5.5 光刻工艺产生的微缺陷 55

2.6 金属化工艺 57

2.6.1 金属化概述 57

2.6.2 金属膜的沉积方法 58

2.6.3 金属化工艺 59

2.6.4 Al/Si接触及其改进 62

2.6.5 阻挡层金属 63

2.6.6 Al膜的电迁移 65

2.6.7 金属硅化物 65

2.6.8 金属钨 70

2.6.9 铜互连工艺 71

参考文献 75

第3章 缺陷的来源和控制 76

3.1 缺陷的基本概念 76

3.1.1 缺陷的分类 76

3.1.2 前端和后端引入的缺陷 78

3.2 引起缺陷的污染物 80

3.2.1 颗粒污染物 81

3.2.2 金属离子 82

3.2.3 有机物沾污 82

3.2.4 细菌 83

3.2.5 自然氧化层 83

3.2.6 污染物引起的问题 83

3.3 引起缺陷的污染源 83

3.3.1 空气 84

3.3.2 温度、湿度及烟雾控制 85

3.4 缺陷管理 85

3.4.1 超净间的污染控制 86

3.4.2 工作人员防护措施 87

3.4.3 工艺制造过程管理 88

3.4.4 超净间的等级划分 91

3.4.5 超净间的维护 92

3.5 降低外来污染物的措施 94

3.5.1 颗粒去除 95

3.5.2 化学清洗方案 97

3.5.3 氧化层的去除 98

3.5.4 水的冲洗 101

3.6 工艺成品率 101

3.6.1 累积晶圆生产成品率 101

3.6.2 晶圆生产成品率的制约因素 102

3.6.3 晶圆电测成品率要素 105

参考文献 113

第4章 半导体集成电路制造工艺 115

4.1 半导体集成电路制造的环境要求 115

4.1.1 沾污对器件可靠性的影响 115

4.1.2 净化间的环境控制 116

4.2 CMOS集成电路的基本制造工艺 119

4.2.1 CMOS工艺的发展 119

4.2.2 CMOS集成电路的基本制造工艺 120

4.3 Bi-CMOS工艺 132

4.3.1 低成本、中速数字Bi-CMOS工艺 132

4.3.2 高成本、高性能数字Bi-CMOS工艺 133

4.3.3 数模混合Bi-CMOS工艺 137

参考文献 141

第5章 半导体集成电路的主要失效机理 142

5.1 与芯片有关的失效机理 142

5.1.1 热载流子注入效应（Hot Carrier Injection，HCI） 142

5.1.2 与时间有关的栅介质击穿（Time Dependant Dielectric Breakdown，TDDB） 153

5.1.3 金属化电迁移（Electromigration，EM） 157

5.1.4 PMOSFET负偏置温度不稳定性 164

5.1.5 CMOS电路的闩锁效应（Latch—up） 178

5.2 与封装有关的失效机理 180

5.2.1 封装材料α射线引起的软误差 180

5.2.2 水汽引起的分层效应 181

5.2.3 金属化腐蚀 182

5.3 与应用有关的失效机理 185

5.3.1 辐射引起的失效 185

5.3.2 与铝有关的界面效应 186

5.3.3 静电放电损伤（ElectroStatic Discharge，ESD） 189

参考文献 193

第6章 可靠性数据的统计分析基础 195

6.1 可靠性的定量表征 195

6.2 寿命试验数据的统计分析 197

6.2.1 寿命试验概述 197

6.2.2 指数分布场合的统计分析 198

6.2.3 威布尔分布场合的统计分析 201

6.2.4 对数正态分布场合的统计分析 205

6.3 恒定加速寿命试验数据的统计分析 211

6.3.1 加速寿命试验概述 211

6.3.2 指数分布场合的统计分析 214

6.3.3 威布尔分布场合的统计分析 215

6.3.4 对数正态分布场合的统计分析 217

参考文献 218

第7章 半导体集成电路的可靠性评价 220

7.1 可靠性评价技术 220

7.1.1 可靠性评价的技术特点 220

7.1.2 可靠性评价的测试结构 221

7.1.3 可靠性评价技术的作用 224

7.1.4 可靠性评价技术的应用 225

7.2 PCM（Process Control Monitor，工艺控制监测）技术 227

7.2.1 PCM技术特点 228

7.2.2 PCM的作用 229

7.3 交流波形的可靠性评价技术 231

7.3.1 交流波形的电迁移可靠性评价技术 231

7.3.2 交流波形的热载流子注入效应可靠性评价技术 232

7.4 圆片级可靠性评价技术 232

7.4.1 圆片级电迁移可靠性评价技术 234

7.4.2 圆片级热载流子注入效应可靠性评价技术 240

7.4.3 圆片级栅氧的可靠性评价技术 241

7.5 生产线的质量管理体系 249

7.5.1 影响Foundry线质量与可靠性的技术要素 250

7.5.2 影响Foundry线质量与可靠性的管理要素 251

7.5.3 Foundry线质量管理体系的评价 252

参考文献 253

第8章 可靠性测试结构的设计 256

8.1 版图的几何设计规则 256

8.1.1 几何图形之间的距离定义 257

8.1.2 设计规则举例 258

8.1.3 版图设计概述及软件工具介绍 260

8.1.4 多项目晶圆MPW（Multi-Project Wafer）的流片方式 262

8.2 层次化版图设计 266

8.2.1 器件制造中的影响因素 266

8.2.2 版图验证和后仿真 276

8.3 等比例缩小规则 277

8.3.1 等比例缩小的3个规则 277

8.3.2 VLSI突出的可靠性问题 280

8.4 测试结构的设计 282

8.4.1 MOS管的设计 282

8.4.2 天线效应 283

8.4.3 MOS电容的设计 285

8.4.4 金属化电迁移测试结构设计 288

参考文献 291

第9章 MOS场效应晶体管的特性 292

9.1 MOS场效应晶体管的基本特性 292

9.1.1 MOSFET的伏安特性 293

9.1.2 MOSFET的阈值电压 296

9.1.3 MOSFET的电容结构 299

9.1.4 MOSFET的界面态测量 300

9.2 MOS电容的高频特性 302

9.2.1 MOS电容的能带和电荷分布 302

9.2.2 理想MOS电容的C-V特性 304

9.2.3 影响MOS电容C-V特性的因素 306

9.2.4 离子沾污的可靠性评价 310

9.2.5 MOS电容的高频特性分析 311

9.3 MOSFET的温度特性 316

9.3.1 环境温度对器件参数的影响综述 316

9.3.2 环境温度对器件参数的具体影响 318

参考文献 325

第10章 集成电路的可靠性仿真 326

10.1 BTABERT的仿真过程及原理 327

10.1.1 BERT的结构及模型参数说明 328

10.1.2 MOS热载流子可靠性模拟 335

10.2 门电路的HCI效应测量 338

10.2.1 应力电压测量 338

10.2.2 数据测量及处理 340

10.3 门电路的模拟仿真 344

10.3.1 门电路的模拟和测试 344

10.3.2 门电路的失效时间计算 346

10.4 基于MEDICI的热载流子效应仿真 348

10.4.1 MEDICI软件简介 348

10.4.2 数据处理及结果分析 350

参考文献 353

第11章 集成电路工艺失效机理的可靠性评价 354

11.1 可靠性评价试验要求和接收目标 354

11.1.1 可靠性试验要求 354

11.1.2 接收目标 356

11.2 热载流子注入效应 357

11.2.1 测试要求 358

11.2.2 实验方法 359

11.2.3 注意事项 362

11.2.4 验证实例 363

11.3 与时间有关的栅介质击穿 364

11.3.1 试验要求 365

11.3.2 试验方法 367

11.3.3 注意事项 369

11.3.4 验证实例 370

11.4 金属互连线的电迁移 371

11.4.1 试验要求 371

11.4.2 实验方法 373

11.4.3 注意事项 374

11.4.4 验证实例 375

11.5 PMOSFET负偏置温度不稳定性 376

11.5.1 试验要求 377

11.5.2 试验方法 378

11.5.3 注意事项 381

11.5.4 验证实例 381

参考文献 383

主要符号表 385

英文缩略词及术语 391