半導體集成電路的可靠性及評價方法 章曉文 著 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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章曉文 著 著

圖書標籤:

• 半導體
• 集成電路
• 可靠性
• 失效分析
• 質量評估
• 測試技術
• 電子工程
• 材料科學
• 電路設計
• 微電子學

店鋪： 荒漠甘霖圖書專營店

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121271601

商品編碼：28591511600

內容簡介
本書共11章，以矽集成電路為中心，重點介紹瞭半導體集成電路及其可靠性的發展演變過程、集成電路製造的基本工藝、半導體集成電路的主要失效機理、可靠性數學、可靠性測試結構的設計、MOS場效應管的特性、失效機理的可靠性仿真和評價。隨著集成電路設計規模越來越大，設計可靠性越來越重要，在設計階段藉助可靠性仿真技術，評價設計齣的集成電路可靠性能力，針對電路設計中的可靠性薄弱環節，通過設計加固，可以有效提高産品的可靠性水平，提高産品的競爭力。
作者簡介
章曉文，工業和信息化部電子第五研究所高級工程師，長期從事電子元器件可靠性工作，在電子元器件可靠性物理、評價及試驗方法等方麵取得顯著研究成果，先後獲省部級科技奬勵3項，發錶學術論文40餘篇，實用新型專利授權一項，申請國傢發明專利4項。
目錄
第1章 緒論（1）
1．1 半導體集成電路的發展過程（1）
1．2 半導體集成電路的分類（4）
1．2．1 按半導體集成電路規模分類（4）
1．2．2 按電路功能分類（5）
1．2．3 按有源器件的類型分類（6）
1．2．4 按應用性質分類（6）
1．3 半導體集成電路的發展特點（6）
1．3．1 集成度不斷提高（7）
1．3．2 器件的特徵尺寸不斷縮小（7）
1．3．3 專業化分工發展成熟（8）
1．3．4 係統集成芯片的發展（9）
1．3．5 半導體集成電路帶動其他學科的發展（9）
1．4 半導體集成電路可靠性評估體係（10）
1．4．1 工藝可靠性評估（10）
1．4．2 集成電路的主要失效模式（11）
1．4．3 集成電路的主要失效機理（15）
1．4．4 集成電路可靠性麵臨的挑戰（16）
參考文獻（20）
第2章 半導體集成電路的基本工藝（21）
2．1 氧化工藝（23）
2．1．1 SiO2的性質（23）
2．1．2 SiO2的作用（24）
2．1．3 SiO2膜的製備（25）
2．1．4 SiO2膜的檢測（27）
2．1．5 SiO2膜的主要缺陷（29）
2．2 化學氣相沉積法製備薄膜（30）
2．2．1 化學氣相沉積概述（30）
2．2．2 化學氣相沉積的主要反應類型（31）
2．2．3 CVD製備薄膜（33）
2．2．4 CVD摻雜SiO2（36）
2．3 擴散摻雜工藝（38）
2．3．1 擴散形式（39）
2．3．2 常用雜質的擴散方法（40）
2．3．3 擴散分布的分析（41）
2．4 離子注入工藝（45）
2．4．1 離子注入技術概述（45）
2．4．2 離子注入的濃度分布與退火（47）
2．5 光刻工藝（49）
2．5．1 光刻工藝流程（49）
2．5．2 光刻膠的曝光（51）
2．5．3 光刻膠的曝光方式（53）
2．5．4 32nm和22nm的光刻（54）
2．5．5 光刻工藝産生的微缺陷（55）
2．6 金屬化工藝（57）
2．6．1 金屬化概述（57）
2．6．2 金屬膜的沉積方法（58）
2．6．3 金屬化工藝（59）
2．6．4 Al/Si接觸及其改進（62）
2．6．5 阻擋層金屬（63）
2．6．6 Al膜的電遷移（65）
2．6．7 金屬矽化物（65）
2．6．8 金屬鎢（70）
2．6．9 銅互連工藝（71）
參考文獻（75）
第3章 缺陷的來源和控製（76）
3．1 缺陷的基本概念（76）
3．1．1 缺陷的分類（76）
3．1．2 前端和後端引入的缺陷（78）
3．2 引起缺陷的汙染物（80）
3．2．1 顆粒汙染物（81）
3．2．2 金屬離子（82）
3．2．3 有機物沾汙（82）
3．2．4 細菌（83）
3．2．5 自然氧化層（83）
3．2．6 汙染物引起的問題（83）
3．3 引起缺陷的汙染源（83）
3．3．1 空氣（84）
3．3．2 溫度、濕度及煙霧控製（85）
3．4 缺陷管理（85）
3．4．1 超淨間的汙染控製（86）
3．4．2 工作人員防護措施（87）
3．4．3 工藝製造過程管理（88）
3．4．4 超淨間的等級劃分（91）
3．4．5 超淨間的維護（92）
3．5 降低外來汙染物的措施（94）
3．5．1 顆粒去除（95）
3．5．2 化學清洗方案（97）
3．5．3 氧化層的去除（98）
3．5．4 水的衝洗（101）
3．6 工藝成品率（101）
3．6．1 纍積晶圓生産成品率（101）
3．6．2 晶圓生産成品率的製約因素（102）
3．6．3 晶圓電測成品率要素（105）
..................

精彩書摘
　　《半導體集成電路的可靠性及評價方法》：
　　（3）工藝過程變異。在晶圓通過生産的各個工藝過程時，會有多次的摻雜及光刻工藝，每一步都必須達到極其嚴格的物理特性和潔淨度的要求。但是，即使是成熟的工藝過程也存在不同晶圓之間，不同工藝之間，以及不同天之間的變化。偶爾某個工藝過程還會超齣它的工藝界限並生産齣不符閤工藝標準的晶圓。工藝過程的自動化所帶來的大好處就是將這種工藝過程變異減至小。
　　工藝過程和工藝控製程序的目標不僅僅是保持每一個工藝操作在控製界限範圍之內，更重要的是維持相應的工藝參數穩定不變的分布。大多數的工藝過程都呈現為數學上稱為正態分布（Normal distribution）的參數分布，也稱為中心極限分布（Central theorem distribution）。它的特點是大部分的數據點處於均值附近，距離均值越遠，數據點越少。有時一個工藝過程的數據點都落在指定的界限內，但是大部分的數據都偏嚮一端。錶麵上看這個工藝還是符閤工藝界限的，但是數據分布已經改變瞭，很可能會導緻終形成的電路在性能上發生變化，導緻達不到標準要求。晶圓生産的挑戰性也就在於要保持各道工藝過程數據分布的持續穩定。 

《半導體集成電路的可靠性及評價方法》 捲首語 在信息技術飛速發展的今天，集成電路（IC）已成為現代社會的基石，其性能、功能以及至關重要的可靠性，直接關係到我們生活的方方麵麵。從智能手機、電腦到汽車、醫療設備，再到航空航天、通信基站，無處不在的集成電路默默地支撐著現代文明的運轉。然而，這些微小卻強大的芯片並非生來就完美無缺。它們在製造過程中麵臨著無數潛在的缺陷，在使用過程中又會遭受環境、電應力、溫度等多種因素的考驗。一旦集成電路發生失效，輕則設備停擺，重則造成巨大的經濟損失，甚至危及生命安全。因此，深入理解集成電路的可靠性，並掌握科學有效的評價方法，不僅是工程師和科研人員的必備技能，更是確保科技進步和産業健康發展的關鍵。 本書正是一部聚焦於集成電路可靠性領域，係統梳理其理論基礎、失效機理、加速壽命試驗方法以及可靠性設計與管理策略的專著。作者章曉文先生，憑藉其深厚的學術造詣和豐富的實踐經驗，帶領讀者深入探索這個復雜而精深的技術領域。本書並非泛泛而談，而是力求從理論到實踐，從宏觀到微觀，全方位地展現集成電路可靠性的重要性及其科學的評價體係。 第一部分：可靠性基礎理論與概念 本書的開篇，旨在為讀者構建一個堅實的可靠性理論基礎。首先，它將清晰地界定“可靠性”這一核心概念，並闡述其在集成電路設計、製造、測試及應用全生命周期中的意義。讀者將瞭解到，可靠性並非單一的性能指標，而是一個多維度、動態變化的概念，需要從統計學、概率論等多個角度進行審視。 接著，本書將深入剖析可靠性的基本參數和指標，例如失效率（failure rate）、平均無故障時間（MTTF/MTBF）、可靠度（reliability function）、失效率函數（hazard function）等。通過生動形象的例子和嚴謹的數學推導，讀者將理解這些參數如何量化集成電路的失效行為，以及它們在不同應用場景下的重要性。例如，在關乎人身安全的航空航天領域，對MTTF的要求會遠高於普通消費電子産品。 此外，本書還將探討不同類型的失效模型。失效可能錶現為瞬時失效、早期失效、偶然失效和損耗失效等多種形式。理解這些失效模式的特點，有助於我們識彆和預測集成電路可能遇到的問題，並采取相應的預防措施。 第二部分：集成電路失效的微觀機理 在掌握瞭可靠性的宏觀概念後，本書將帶領讀者深入到集成電路失效的微觀世界。這是本書的核心內容之一，也是最具挑戰性但又最有價值的部分。集成電路的失效並非隨機發生，而是由一係列復雜的物理和化學過程所導緻。 本書將詳盡地闡述各種主要的失效機理。例如： 電應力引起的失效： 這包括電遷移（electromigration）、熱載流子注入（hot carrier injection）、柵氧化層擊穿（gate oxide breakdown）等。電遷移是金屬互連綫在電流長期作用下原子遷移導緻斷路或短路的現象；熱載流子注入是高電場下的載流子獲得足夠能量，注入到氧化層中，導緻器件參數漂移甚至失效；柵氧化層擊穿則是由於柵極絕緣層在過電壓或電場作用下發生不可逆的損壞。本書將分析這些現象産生的物理過程、影響因素（如電流密度、溫度、材料特性）以及如何通過設計和材料選擇來減緩或避免。 熱應力引起的失效： 集成電路在工作過程中會産生大量的焦耳熱，尤其在高密度、高性能的芯片中，散熱成為一個嚴峻的挑戰。本書將探討熱應力導緻的失效，如熱膨脹不匹配引起的機械應力、焊點疲勞、熱誘導的退化等。它會分析溫度如何加速許多化學反應和物理退化過程，從而影響器件的壽命。 環境因素引起的失效： 潮濕、腐蝕性氣體、高低溫循環、振動等環境因素也可能導緻集成電路失效。本書將詳細介紹這些因素如何與芯片材料發生作用，引發腐蝕、機械損傷、封裝失效等問題。例如，濕度可能導緻金屬引腳氧化腐蝕，高低溫循環的應力可能導緻焊點開裂。 工藝缺陷引起的失效： 在半導體製造過程中，盡管有著極其嚴格的質量控製，但微小的工藝缺陷，如晶圓汙染、光刻缺陷、摻雜不均勻、金屬層開路或短路等，仍可能潛伏在芯片內部，成為潛在的失效源。本書將剖析這些工藝缺陷的産生機製，以及它們如何最終導緻器件失效。 封裝失效： 集成電路的可靠性不僅取決於芯片本身，也與其封裝密切相關。本書還將討論封裝材料的選擇、封裝工藝的質量、以及封裝結構本身可能帶來的可靠性問題，如翹麯、開裂、引綫鍵閤失效等。 本書在闡述這些失效機理時，將結閤大量的實際案例和實驗數據，力求讓讀者深刻理解失效的根源。 第三部分：集成電路可靠性評價方法 瞭解瞭失效機理之後，如何科學地評價集成電路的可靠性便成為下一項關鍵任務。本書將係統地介紹各種可靠性評價技術和方法。 加速壽命試驗（Accelerated Life Testing, ALT）： 這是評價集成電路可靠性最常用的方法之一。由於正常使用條件下的壽命可能非常長，無法在短期內完成評價，因此需要通過提高應力（如溫度、電壓、電流、濕度等）來加速失效過程，從而在較短時間內預測産品在正常條件下的壽命。本書將詳細介紹各種加速應力類型（如高低溫儲存、高濕高熱、功率循環、溫度循環、高加速應力篩選（HAST）、高壓測試（HPT）等）的原理、適用範圍、優缺點以及應力選擇的依據。同時，本書還會介紹加速壽命試驗數據的統計分析方法，如威布爾分布（Weibull distribution）、對數正態分布（log-normal distribution）等，以及如何根據加速試驗結果推算齣産品的平均壽命（MTTF/MTBF）和可靠度。 失效物理分析（Failure Physics Analysis, FPA）： 當集成電路發生失效時，需要通過精密的分析手段來定位失效點並確定失效機理。本書將介紹常用的失效物理分析技術，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射綫成像、能量色散X射綫光譜（EDS）、聚焦離子束（FIB）等。這些技術能夠幫助工程師觀察芯片錶麵的物理損傷、內部結構的異常、材料的成分變化，從而揭示失效的根本原因。 可靠性設計與仿真： 早期設計階段就融入可靠性考慮，是提高産品可靠性的重要途徑。本書將探討如何在芯片設計、版圖設計、材料選擇以及封裝設計等各個環節考慮可靠性因素。它還會介紹如何利用仿真工具（如TCAD、FEA）來模擬各種應力對器件性能的影響，預測潛在的失效模式，並優化設計參數以提高可靠性。 質量管理體係與標準： 本書還將介紹與集成電路可靠性相關的質量管理體係，如ISO 9001、IATF 16949（汽車行業）、AS9100（航空航天行業）等。同時，還會提及國際上通用的可靠性測試標準，如JEDEC、AEC等，幫助讀者瞭解行業內的通用規範和要求。 第四部分：集成電路可靠性設計與管理 可靠性並非僅僅依靠事後的測試來保障，更需要貫穿於産品研發和生産的全過程。本書將進一步探討如何進行有效的可靠性設計和管理。 可靠性設計原則： 讀者將瞭解到諸如冗餘設計、容錯設計、降額設計（derating）等重要的可靠性設計原則。例如，在關鍵係統中采用冗餘部件，當一個失效時，另一個可以立即接替工作；降額設計則是通過在比額定值低的條件下運行器件，顯著延長其壽命。 失效模式與影響及危害性分析（FMEA/FMECA）： 本書將介紹FMEA/FMECA方法，這是一種係統化的、前瞻性的風險分析技術，用於識彆産品或過程中潛在的失效模式，評估其影響和發生概率，並確定優先級的改進措施，從而預防失效的發生。 可靠性測試與篩選策略： 基於對産品可靠性水平的認識，製定閤理的測試和篩選計劃至關重要。本書將討論如何根據産品類型、應用環境和可靠性要求，設計齣高效且經濟的測試與篩選方案，以剔除早期失效的産品，確保齣廠産品的可靠性。 可靠性數據管理與分析： 建立完善的可靠性數據收集、存儲和分析係統，對於持續改進産品可靠性至關重要。本書將探討如何進行現場失效分析，收集客戶反饋，並利用這些數據來識彆設計或製造中的薄弱環節，指導後續的産品改進。 結語 《半導體集成電路的可靠性及評價方法》是一部集理論性、係統性和實踐性於一體的著作。章曉文先生以其深厚的功底，將集成電路可靠性這一復雜而關鍵的領域，以清晰、嚴謹且易於理解的方式呈現在讀者麵前。本書不僅為集成電路設計、製造、測試和應用領域的工程師提供瞭寶貴的理論指導和實踐工具，也為相關領域的科研人員提供瞭深入研究的參考。 通過閱讀本書，讀者將能夠： 深刻理解集成電路可靠性的內涵及其在現代科技中的重要地位。 掌握集成電路常見的微觀失效機理，並能分析其成因。 熟練運用各種加速壽命試驗方法，並能進行數據分析以預測産品壽命。 瞭解失效物理分析的技術手段，並能指導失效分析工作。 掌握可靠性設計原則，並能將其應用於實際的産品開發中。 認識到可靠性管理在産品全生命周期中的重要性，並能構建有效的管理體係。 總之，本書是每一位緻力於提升集成電路産品質量和性能的從業者不可或缺的參考書。它將幫助您在復雜多變的集成電路領域，構建起一道堅實的可靠性屏障，為推動技術進步和産業繁榮貢獻力量。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書，我最大的感受是，可靠性並非一個抽象的概念，而是貫穿於半導體集成電路設計、製造、封裝、測試每一個環節的生命綫。作者用非常嚴謹的邏輯，層層遞進地剖析瞭集成電路為何會失效，以及我們如何通過科學的方法來預測和規避這些失效。特彆是關於各種失效機製的闡述，從物理層麵的微觀損傷到宏觀錶現，描述得非常到位，讓我對那些肉眼看不見的“故障根源”有瞭更清晰的認識。書中對於各種可靠性評價方法的介紹，也相當詳盡，不僅僅是羅列測試項目，更是深入講解瞭這些方法的原理、適用範圍以及它們之間的關聯性。我特彆喜歡書中可能提到的幾種加速壽命測試，例如高溫高濕、溫度循環、功率老化等，這些測試如何在短時間內模擬産品長期使用過程中可能遇到的各種挑戰，並從中推斷齣産品的實際壽命，這種“以小見大”的智慧讓我印象深刻。這本書對於工程師來說，無疑是一本必備的參考手冊，它能夠幫助我們更科學地進行産品設計，選擇更閤適的材料和工藝，從而提升産品的整體可靠性。

評分☆☆☆☆☆

這是一本我期待瞭很久的書，從書名就能感受到它沉甸甸的專業份量。我一直對電子産品的“長壽”和“穩定”充滿好奇，尤其是那些集成度極高、體積微小的芯片，它們是如何在各種嚴苛環境下依然能夠可靠工作的？章曉文先生的這本書，感覺就像是為我揭開這一層麵紗的鑰匙。我尤其關注書中關於“評價方法”的部分，我希望它能詳細闡述目前業界主流的可靠性測試和評估技術，比如加速壽命試驗、環境應力篩選等，它們是如何設計、執行，以及如何從數據中提取有價值的結論的。我猜測書中可能還會涉及一些統計學和概率論在可靠性分析中的應用，畢竟，要預測和量化産品的生命周期，這些理論工具是必不可少的。另外，對於一些非常規的失效模式，例如電遷移、熱應力引起的開裂、靜電放電（ESD）的損害等，書中是否會提供具體的案例分析和預防措施？這些都是我非常期待的。我希望這本書不僅能解答我的疑惑，更能引導我深入理解半導體集成電路設計的深層邏輯，以及如何將可靠性思維貫穿於整個研發過程。

評分☆☆☆☆☆

這本書的理論深度和實踐指導意義都讓我非常期待。在當今競爭激烈的電子市場，産品的可靠性已經成為區分産品優劣的重要標準。章曉文先生的這本專著，從書名就透露齣一種對細節的極緻追求和對專業知識的深入鑽研。我特彆關注書中可能涉及到的“評價方法”，這不僅是技術層麵的體現，更是對産品質量和用戶體驗負責任的態度。我希望書中能夠詳細介紹如何通過各種嚴苛的測試來模擬産品在真實使用環境中可能遇到的各種極端情況，例如溫度變化、濕度、振動、電應力等等，以及如何通過這些測試來發現潛在的設計缺陷或製造瑕疵。另外，對於失效機理的分析，我希望書中能提供一些具體的案例，說明不同的失效模式是如何發生的，以及我們又該如何針對性地采取措施來避免它們。這本書，感覺上就是一本幫助我們打造“耐用”芯片的寶典。

評分☆☆☆☆☆

這本書的價值，在於它提供瞭一個係統性的框架來理解和處理半導體集成電路的可靠性問題。我一直覺得，一個産品的成功，不僅僅在於它的功能有多強大，性能有多優越，更在於它能否在各種復雜多變的環境下穩定、持久地工作。章曉文先生在這本書中，正是圍繞著“可靠性”這一核心，構建瞭一個完整的知識體係。從基礎的失效物理機製，到具體的測試和評估技術，再到最終的可靠性管理策略，都有涉及。我尤其欣賞書中可能對不同類型集成電路（例如模擬IC、數字IC、功率IC等）的可靠性特點和關注點進行的區分說明，因為不同類型的芯片，其麵臨的失效風險和評價重點也會有所不同。我希望書中能夠提供一些實際的案例，展示在實際産品開發過程中，如何運用書中介紹的可靠性評價方法來發現問題、解決問題，並最終提高産品的市場競爭力。對於希望在半導體行業深耕的讀者來說，這本書無疑會提供非常有價值的指導。

評分☆☆☆☆☆

作為一名對半導體行業充滿熱情的學習者，這本書的齣現，無疑為我打開瞭一扇通往更深層次理解的大門。我一直覺得，技術的進步，最終還是要落實到産品的穩定性和可靠性上。那些令人驚嘆的芯片設計，如果不能保證在各種條件下正常工作，那再多的創新也難以贏得用戶的信任。我期待這本書能夠深入淺齣地講解半導體集成電路的各種潛在失效模式，以及如何通過科學的手段來評估這些失效的可能性。書中對於“評價方法”的詳細闡述，是我最感興趣的部分。我希望它能涵蓋從設計階段的DFR（Design for Reliability）理念，到製造過程的質量控製，再到後期産品齣廠前的各種可靠性測試，甚至包括一些現場失效分析的經驗。我猜想，書中可能會提及一些失效模型，例如威布爾分布、阿倫尼烏斯模型等，這些模型如何幫助我們量化失效概率，並預測産品的平均壽命，這是我非常想瞭解的。