半导体集成电路的可靠性及评价方法 章晓文 著 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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章晓文 著 著

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• 材料科学
• 电路设计
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店铺： 荒漠甘霖图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121271601

商品编码：28591511600

内容简介
本书共11章，以硅集成电路为中心，重点介绍了半导体集成电路及其可靠性的发展演变过程、集成电路制造的基本工艺、半导体集成电路的主要失效机理、可靠性数学、可靠性测试结构的设计、MOS场效应管的特性、失效机理的可靠性仿真和评价。随着集成电路设计规模越来越大，设计可靠性越来越重要，在设计阶段借助可靠性仿真技术，评价设计出的集成电路可靠性能力，针对电路设计中的可靠性薄弱环节，通过设计加固，可以有效提高产品的可靠性水平，提高产品的竞争力。
作者简介
章晓文，工业和信息化部电子第五研究所高级工程师，长期从事电子元器件可靠性工作，在电子元器件可靠性物理、评价及试验方法等方面取得显著研究成果，先后获省部级科技奖励3项，发表学术论文40余篇，实用新型专利授权一项，申请国家发明专利4项。
目录
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）
..................

精彩书摘
　　《半导体集成电路的可靠性及评价方法》：
　　（3）工艺过程变异。在晶圆通过生产的各个工艺过程时，会有多次的掺杂及光刻工艺，每一步都必须达到极其严格的物理特性和洁净度的要求。但是，即使是成熟的工艺过程也存在不同晶圆之间，不同工艺之间，以及不同天之间的变化。偶尔某个工艺过程还会超出它的工艺界限并生产出不符合工艺标准的晶圆。工艺过程的自动化所带来的大好处就是将这种工艺过程变异减至小。
　　工艺过程和工艺控制程序的目标不仅仅是保持每一个工艺操作在控制界限范围之内，更重要的是维持相应的工艺参数稳定不变的分布。大多数的工艺过程都呈现为数学上称为正态分布（Normal distribution）的参数分布，也称为中心极限分布（Central theorem distribution）。它的特点是大部分的数据点处于均值附近，距离均值越远，数据点越少。有时一个工艺过程的数据点都落在指定的界限内，但是大部分的数据都偏向一端。表面上看这个工艺还是符合工艺界限的，但是数据分布已经改变了，很可能会导致终形成的电路在性能上发生变化，导致达不到标准要求。晶圆生产的挑战性也就在于要保持各道工艺过程数据分布的持续稳定。 

《半导体集成电路的可靠性及评价方法》 卷首语 在信息技术飞速发展的今天，集成电路（IC）已成为现代社会的基石，其性能、功能以及至关重要的可靠性，直接关系到我们生活的方方面面。从智能手机、电脑到汽车、医疗设备，再到航空航天、通信基站，无处不在的集成电路默默地支撑着现代文明的运转。然而，这些微小却强大的芯片并非生来就完美无缺。它们在制造过程中面临着无数潜在的缺陷，在使用过程中又会遭受环境、电应力、温度等多种因素的考验。一旦集成电路发生失效，轻则设备停摆，重则造成巨大的经济损失，甚至危及生命安全。因此，深入理解集成电路的可靠性，并掌握科学有效的评价方法，不仅是工程师和科研人员的必备技能，更是确保科技进步和产业健康发展的关键。 本书正是一部聚焦于集成电路可靠性领域，系统梳理其理论基础、失效机理、加速寿命试验方法以及可靠性设计与管理策略的专著。作者章晓文先生，凭借其深厚的学术造诣和丰富的实践经验，带领读者深入探索这个复杂而精深的技术领域。本书并非泛泛而谈，而是力求从理论到实践，从宏观到微观，全方位地展现集成电路可靠性的重要性及其科学的评价体系。 第一部分：可靠性基础理论与概念 本书的开篇，旨在为读者构建一个坚实的可靠性理论基础。首先，它将清晰地界定“可靠性”这一核心概念，并阐述其在集成电路设计、制造、测试及应用全生命周期中的意义。读者将了解到，可靠性并非单一的性能指标，而是一个多维度、动态变化的概念，需要从统计学、概率论等多个角度进行审视。 接着，本书将深入剖析可靠性的基本参数和指标，例如失效率（failure rate）、平均无故障时间（MTTF/MTBF）、可靠度（reliability function）、失效率函数（hazard function）等。通过生动形象的例子和严谨的数学推导，读者将理解这些参数如何量化集成电路的失效行为，以及它们在不同应用场景下的重要性。例如，在关乎人身安全的航空航天领域，对MTTF的要求会远高于普通消费电子产品。 此外，本书还将探讨不同类型的失效模型。失效可能表现为瞬时失效、早期失效、偶然失效和损耗失效等多种形式。理解这些失效模式的特点，有助于我们识别和预测集成电路可能遇到的问题，并采取相应的预防措施。 第二部分：集成电路失效的微观机理 在掌握了可靠性的宏观概念后，本书将带领读者深入到集成电路失效的微观世界。这是本书的核心内容之一，也是最具挑战性但又最有价值的部分。集成电路的失效并非随机发生，而是由一系列复杂的物理和化学过程所导致。 本书将详尽地阐述各种主要的失效机理。例如： 电应力引起的失效： 这包括电迁移（electromigration）、热载流子注入（hot carrier injection）、栅氧化层击穿（gate oxide breakdown）等。电迁移是金属互连线在电流长期作用下原子迁移导致断路或短路的现象；热载流子注入是高电场下的载流子获得足够能量，注入到氧化层中，导致器件参数漂移甚至失效；栅氧化层击穿则是由于栅极绝缘层在过电压或电场作用下发生不可逆的损坏。本书将分析这些现象产生的物理过程、影响因素（如电流密度、温度、材料特性）以及如何通过设计和材料选择来减缓或避免。 热应力引起的失效： 集成电路在工作过程中会产生大量的焦耳热，尤其在高密度、高性能的芯片中，散热成为一个严峻的挑战。本书将探讨热应力导致的失效，如热膨胀不匹配引起的机械应力、焊点疲劳、热诱导的退化等。它会分析温度如何加速许多化学反应和物理退化过程，从而影响器件的寿命。 环境因素引起的失效： 潮湿、腐蚀性气体、高低温循环、振动等环境因素也可能导致集成电路失效。本书将详细介绍这些因素如何与芯片材料发生作用，引发腐蚀、机械损伤、封装失效等问题。例如，湿度可能导致金属引脚氧化腐蚀，高低温循环的应力可能导致焊点开裂。 工艺缺陷引起的失效： 在半导体制造过程中，尽管有着极其严格的质量控制，但微小的工艺缺陷，如晶圆污染、光刻缺陷、掺杂不均匀、金属层开路或短路等，仍可能潜伏在芯片内部，成为潜在的失效源。本书将剖析这些工艺缺陷的产生机制，以及它们如何最终导致器件失效。 封装失效： 集成电路的可靠性不仅取决于芯片本身，也与其封装密切相关。本书还将讨论封装材料的选择、封装工艺的质量、以及封装结构本身可能带来的可靠性问题，如翘曲、开裂、引线键合失效等。 本书在阐述这些失效机理时，将结合大量的实际案例和实验数据，力求让读者深刻理解失效的根源。 第三部分：集成电路可靠性评价方法 了解了失效机理之后，如何科学地评价集成电路的可靠性便成为下一项关键任务。本书将系统地介绍各种可靠性评价技术和方法。 加速寿命试验（Accelerated Life Testing, ALT）： 这是评价集成电路可靠性最常用的方法之一。由于正常使用条件下的寿命可能非常长，无法在短期内完成评价，因此需要通过提高应力（如温度、电压、电流、湿度等）来加速失效过程，从而在较短时间内预测产品在正常条件下的寿命。本书将详细介绍各种加速应力类型（如高低温储存、高湿高热、功率循环、温度循环、高加速应力筛选（HAST）、高压测试（HPT）等）的原理、适用范围、优缺点以及应力选择的依据。同时，本书还会介绍加速寿命试验数据的统计分析方法，如威布尔分布（Weibull distribution）、对数正态分布（log-normal distribution）等，以及如何根据加速试验结果推算出产品的平均寿命（MTTF/MTBF）和可靠度。 失效物理分析（Failure Physics Analysis, FPA）： 当集成电路发生失效时，需要通过精密的分析手段来定位失效点并确定失效机理。本书将介绍常用的失效物理分析技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线成像、能量色散X射线光谱（EDS）、聚焦离子束（FIB）等。这些技术能够帮助工程师观察芯片表面的物理损伤、内部结构的异常、材料的成分变化，从而揭示失效的根本原因。 可靠性设计与仿真： 早期设计阶段就融入可靠性考虑，是提高产品可靠性的重要途径。本书将探讨如何在芯片设计、版图设计、材料选择以及封装设计等各个环节考虑可靠性因素。它还会介绍如何利用仿真工具（如TCAD、FEA）来模拟各种应力对器件性能的影响，预测潜在的失效模式，并优化设计参数以提高可靠性。 质量管理体系与标准： 本书还将介绍与集成电路可靠性相关的质量管理体系，如ISO 9001、IATF 16949（汽车行业）、AS9100（航空航天行业）等。同时，还会提及国际上通用的可靠性测试标准，如JEDEC、AEC等，帮助读者了解行业内的通用规范和要求。 第四部分：集成电路可靠性设计与管理 可靠性并非仅仅依靠事后的测试来保障，更需要贯穿于产品研发和生产的全过程。本书将进一步探讨如何进行有效的可靠性设计和管理。 可靠性设计原则： 读者将了解到诸如冗余设计、容错设计、降额设计（derating）等重要的可靠性设计原则。例如，在关键系统中采用冗余部件，当一个失效时，另一个可以立即接替工作；降额设计则是通过在比额定值低的条件下运行器件，显著延长其寿命。 失效模式与影响及危害性分析（FMEA/FMECA）： 本书将介绍FMEA/FMECA方法，这是一种系统化的、前瞻性的风险分析技术，用于识别产品或过程中潜在的失效模式，评估其影响和发生概率，并确定优先级的改进措施，从而预防失效的发生。 可靠性测试与筛选策略： 基于对产品可靠性水平的认识，制定合理的测试和筛选计划至关重要。本书将讨论如何根据产品类型、应用环境和可靠性要求，设计出高效且经济的测试与筛选方案，以剔除早期失效的产品，确保出厂产品的可靠性。 可靠性数据管理与分析： 建立完善的可靠性数据收集、存储和分析系统，对于持续改进产品可靠性至关重要。本书将探讨如何进行现场失效分析，收集客户反馈，并利用这些数据来识别设计或制造中的薄弱环节，指导后续的产品改进。 结语 《半导体集成电路的可靠性及评价方法》是一部集理论性、系统性和实践性于一体的著作。章晓文先生以其深厚的功底，将集成电路可靠性这一复杂而关键的领域，以清晰、严谨且易于理解的方式呈现在读者面前。本书不仅为集成电路设计、制造、测试和应用领域的工程师提供了宝贵的理论指导和实践工具，也为相关领域的科研人员提供了深入研究的参考。 通过阅读本书，读者将能够： 深刻理解集成电路可靠性的内涵及其在现代科技中的重要地位。 掌握集成电路常见的微观失效机理，并能分析其成因。 熟练运用各种加速寿命试验方法，并能进行数据分析以预测产品寿命。 了解失效物理分析的技术手段，并能指导失效分析工作。 掌握可靠性设计原则，并能将其应用于实际的产品开发中。 认识到可靠性管理在产品全生命周期中的重要性，并能构建有效的管理体系。 总之，本书是每一位致力于提升集成电路产品质量和性能的从业者不可或缺的参考书。它将帮助您在复杂多变的集成电路领域，构建起一道坚实的可靠性屏障，为推动技术进步和产业繁荣贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我最大的感受是，可靠性并非一个抽象的概念，而是贯穿于半导体集成电路设计、制造、封装、测试每一个环节的生命线。作者用非常严谨的逻辑，层层递进地剖析了集成电路为何会失效，以及我们如何通过科学的方法来预测和规避这些失效。特别是关于各种失效机制的阐述，从物理层面的微观损伤到宏观表现，描述得非常到位，让我对那些肉眼看不见的“故障根源”有了更清晰的认识。书中对于各种可靠性评价方法的介绍，也相当详尽，不仅仅是罗列测试项目，更是深入讲解了这些方法的原理、适用范围以及它们之间的关联性。我特别喜欢书中可能提到的几种加速寿命测试，例如高温高湿、温度循环、功率老化等，这些测试如何在短时间内模拟产品长期使用过程中可能遇到的各种挑战，并从中推断出产品的实际寿命，这种“以小见大”的智慧让我印象深刻。这本书对于工程师来说，无疑是一本必备的参考手册，它能够帮助我们更科学地进行产品设计，选择更合适的材料和工艺，从而提升产品的整体可靠性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的理论深度和实践指导意义都让我非常期待。在当今竞争激烈的电子市场，产品的可靠性已经成为区分产品优劣的重要标准。章晓文先生的这本专著，从书名就透露出一种对细节的极致追求和对专业知识的深入钻研。我特别关注书中可能涉及到的“评价方法”，这不仅是技术层面的体现，更是对产品质量和用户体验负责任的态度。我希望书中能够详细介绍如何通过各种严苛的测试来模拟产品在真实使用环境中可能遇到的各种极端情况，例如温度变化、湿度、振动、电应力等等，以及如何通过这些测试来发现潜在的设计缺陷或制造瑕疵。另外，对于失效机理的分析，我希望书中能提供一些具体的案例，说明不同的失效模式是如何发生的，以及我们又该如何针对性地采取措施来避免它们。这本书，感觉上就是一本帮助我们打造“耐用”芯片的宝典。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值，在于它提供了一个系统性的框架来理解和处理半导体集成电路的可靠性问题。我一直觉得，一个产品的成功，不仅仅在于它的功能有多强大，性能有多优越，更在于它能否在各种复杂多变的环境下稳定、持久地工作。章晓文先生在这本书中，正是围绕着“可靠性”这一核心，构建了一个完整的知识体系。从基础的失效物理机制，到具体的测试和评估技术，再到最终的可靠性管理策略，都有涉及。我尤其欣赏书中可能对不同类型集成电路（例如模拟IC、数字IC、功率IC等）的可靠性特点和关注点进行的区分说明，因为不同类型的芯片，其面临的失效风险和评价重点也会有所不同。我希望书中能够提供一些实际的案例，展示在实际产品开发过程中，如何运用书中介绍的可靠性评价方法来发现问题、解决问题，并最终提高产品的市场竞争力。对于希望在半导体行业深耕的读者来说，这本书无疑会提供非常有价值的指导。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对半导体行业充满热情的学习者，这本书的出现，无疑为我打开了一扇通往更深层次理解的大门。我一直觉得，技术的进步，最终还是要落实到产品的稳定性和可靠性上。那些令人惊叹的芯片设计，如果不能保证在各种条件下正常工作，那再多的创新也难以赢得用户的信任。我期待这本书能够深入浅出地讲解半导体集成电路的各种潜在失效模式，以及如何通过科学的手段来评估这些失效的可能性。书中对于“评价方法”的详细阐述，是我最感兴趣的部分。我希望它能涵盖从设计阶段的DFR（Design for Reliability）理念，到制造过程的质量控制，再到后期产品出厂前的各种可靠性测试，甚至包括一些现场失效分析的经验。我猜想，书中可能会提及一些失效模型，例如威布尔分布、阿伦尼乌斯模型等，这些模型如何帮助我们量化失效概率，并预测产品的平均寿命，这是我非常想了解的。

评分☆☆☆☆☆

这是一本我期待了很久的书，从书名就能感受到它沉甸甸的专业份量。我一直对电子产品的“长寿”和“稳定”充满好奇，尤其是那些集成度极高、体积微小的芯片，它们是如何在各种严苛环境下依然能够可靠工作的？章晓文先生的这本书，感觉就像是为我揭开这一层面纱的钥匙。我尤其关注书中关于“评价方法”的部分，我希望它能详细阐述目前业界主流的可靠性测试和评估技术，比如加速寿命试验、环境应力筛选等，它们是如何设计、执行，以及如何从数据中提取有价值的结论的。我猜测书中可能还会涉及一些统计学和概率论在可靠性分析中的应用，毕竟，要预测和量化产品的生命周期，这些理论工具是必不可少的。另外，对于一些非常规的失效模式，例如电迁移、热应力引起的开裂、静电放电（ESD）的损害等，书中是否会提供具体的案例分析和预防措施？这些都是我非常期待的。我希望这本书不仅能解答我的疑惑，更能引导我深入理解半导体集成电路设计的深层逻辑，以及如何将可靠性思维贯穿于整个研发过程。