半导体集成电路的可靠性及评价方法 半导体物理学 集成芯片的发展 化学气相沉积概述 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121271601

商品编码：11166926356

基本信息

书名:半导体集成电路的可靠性及评方法

定：88元

作者:章晓文 编著

出版社：电子工业出版社

出版日期：2015-10-01

ISBN：9787121271601

字数：519000

页码：412

版次：1

装帧：平装

开本：16开

内容提要

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。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。

目录

第1章 绪论
1.1 半导体集成电路的发展过程
1.2 半导体集成电路的分类
1.2.1 按半导体集成电路规模分类
1.2.2 按电路功能分类
1.2.3 按有源器件的类型分类
1.2.4 按应用性质分类
1.3 半导体集成电路的发展特点
1.3.1 集成度不断提高
1.3.2 器件的特征尺寸不断缩小
1.3.3 化分工发展成熟
1.3.4 集成芯片的发展
1.3.5 半导体集成电路带动其他学科的发展
1.4 半导体集成电路可靠性评估体系
1.4.1 工艺可靠性评估
1.4.2 集成电路的主要失效模式
1.4.3 集成电路的主要失效机理
1.4.4 集成电路可靠性面临的挑战
参考文献
第2章 半导体集成电路的基本工艺
2.1 氧化工艺
2.1.1 SiO2的性质
2.1.2 SiO2的作用
2.1.3 SiO2膜的制备
2.1.4 SiO2膜的检测
2.1.5 SiO2膜的主要缺陷
2.2 化学气相沉积法制备薄膜
2.2.1 化学气相沉积概述
2.2.2 化学气相沉积的主要反应类型
2.2.3 CVD制备薄膜
2.2.4 CVD掺杂
2.3 扩散掺杂工艺
2.3.1 扩散形式
2.3.2 常用杂质的扩散方法
2.3.3 扩散分布的分析
2.4 离子注入工艺
2.4.1 离子注入技术概述
2.4.2 离子注入的浓度分布与退火
2.5 光刻工艺
2.5.1 光刻工艺流程
2.5.2 光刻胶的曝光
2.5.3 光刻胶的曝光方式
2.5.4 32nm和22nm的光刻
2.5.5 光刻工艺产生的微缺陷
2.6 金属化工艺
2.6.1 金属化概述
2.6.2 金属膜的沉积方法
2.6.3 金属化工艺
2.6.4 Al/Si接触及其改进
2.6.5 阻挡层金属
2.6.6 Al膜的电迁移
2.6.7 金属硅化物
2.6.8 金属钨
2.6.9 铜互连工艺
参考文献
第3章 缺陷的来源和控制
3.1 缺陷的基本概念
3.1.1 缺陷的分类
3.1.2 前端和后端引入的缺陷
3.2 引起缺陷的污染物
3.2.1 颗粒污染物
3.2.2 金属离子
3.2.3 有机物沾污
……
第4章 半导体集成电路制造工艺
第5章 半导体集成电路的主要失效机理
第6章 可靠性数据的统计分析基础
第7章 半导体集成电路的可靠性评
第8章 可靠性测试结构的设计
第9章 MOS场效应晶体管的特性
第10章 集成电路的可靠性仿真
第11章 集成电路工艺失效机理的可靠性评
主要符号表
英文缩略词及术语

《硅基巨变：半导体芯片的革新与未来》 前言： 在信息爆炸的时代，我们赖以生存和发展的数字世界，其核心驱动力便是那微小却强大的半导体集成电路。从智能手机到高性能计算，从物联网传感器到人工智能大脑，芯片无处不在，深刻地改变着人类社会的面貌。然而，支撑起这场“硅基巨变”的，远不止于芯片本身的设计与制造技术。其背后，是材料科学的精深探索，是物理原理的巧妙运用，是工艺流程的严谨控制，更是对产品稳定性和长效性的不懈追求。 本书《硅基巨变：半导体芯片的革新与未来》并非仅仅关注芯片的设计蓝图或市场动态，而是将目光聚焦于支撑这一切技术基石的更深层次的科学原理与工程实践。我们将一同深入探究半导体材料的奥秘，理解其独特的电学和光学特性如何被巧妙地利用；我们将剖析集成电路在微观尺度上运行的物理机制，揭示其内在的逻辑与行为；我们还将回溯集成芯片从小规模到大规模发展的历程，体会技术突破带来的跨越式进步；更重要的是，我们将着眼于如何确保这些精密器件在复杂环境中依然能够稳定可靠地工作，以及为实现这一目标而不断演进的评价方法。 本书旨在为读者构建一个关于半导体集成电路从基础原理到实际应用，再到可靠性保障的立体认知框架。我们相信，理解这些基础而关键的科学内涵，对于把握半导体产业的未来走向，乃至推动新一轮科技革命的浪潮，都具有至关重要的意义。 第一章：半导体物理学：构筑数字世界的基石 在深入探讨集成电路之前，我们必须首先理解其核心——半导体材料的物理学特性。这一章将带您走进微观世界，探寻半导体的独特魅力。 晶体结构与能带理论： 从原子层面开始，我们将揭示半导体材料（如硅、锗、砷化镓等）的晶体结构是其宏观电学性质的基础。通过深入理解晶格振动、缺陷以及掺杂如何影响材料的特性，我们将引入量子力学的核心概念——能带理论。能带理论解释了电子在固体材料中的能量分布，区分了导体、绝缘体和半导体的关键区别在于导带和价带之间的禁带宽度。我们将详细阐述本征半导体和外延半导体的载流子浓度、导电机制，以及费米能级在不同温度和掺杂浓度下的变化规律。 载流子的产生与复合： 半导体之所以能够导电，关键在于其内部存在自由电子和空穴这两种载流子。本节将详细介绍载流子的产生机制，包括热激发和光激发。热激发是温度升高时，价带中的电子获得足够能量跃迁到导带形成电子-空穴对；光激发则是通过吸收光子能量来产生载流子。同时，我们也将深入探讨载流子的复合机制，即自由电子与空穴相遇并重新结合的过程。我们将区分辐射复合和非辐射复合，并分析杂质、缺陷和表面态对复合速率的影响。理解载流子的产生与复合，是理解半导体器件（如二极管、三极管）工作原理的根本。 PN结的形成与特性： PN结是构成几乎所有半导体器件的基本单元。本节将详细阐述P型半导体和N型半导体接触时，如何形成内建电场和耗尽层。我们将分析PN结在不同偏压下的电学特性，包括正向导通、反向截止以及击穿现象。通过对PN结的深入理解，我们将初步认识到其作为二极管的整流功能，以及如何通过串联或并联PN结来构建更复杂的半导体器件。 半导体中的输运现象： 载流子在电场作用下会发生定向移动，产生电流，这便是漂移。同时，由于载流子浓度的空间不均匀性，还会发生扩散。本节将详细分析漂移和扩散这两种主要的载流子输运机制，并引入爱因斯坦关系，阐述漂移和扩散之间的内在联系。理解这些输运现象，是分析和设计各种半导体器件性能的关键。 MOSFET工作原理的物理基础： 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）是现代集成电路中最基本的开关元件。我们将从半导体物理学的角度，解释MOSFET的工作原理。重点将放在栅极电压如何通过改变半导体表面载流子浓度，形成导电沟道，以及沟道电流如何随栅极电压和漏极电压的变化而变化。这将为理解后续集成电路的设计打下坚实的物理基础。 第二章：集成芯片的发展：微观世界的宏伟蓝图 集成芯片（Integrated Circuit, IC）的诞生是20世纪最伟大的科技成就之一，它将数以百万计甚至亿计的晶体管和其他电子元件集成在一块小小的硅片上，彻底改变了电子设备的面貌。本章将追溯集成芯片的发展历程，领略其从无到有、从小到大的飞跃。 从分立元件到集成电路的飞跃： 在集成电路出现之前，电子设备由大量的分立元件（如电阻、电容、晶体管、二极管）通过导线连接而成，体积庞大、功耗高、可靠性差。本节将回顾这一时期电子技术的局限性，并引入集成电路的发明背景和里程碑式的突破。我们将重点介绍杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在集成电路发明过程中所做的贡献，以及他们所面临的技术挑战。 不同工艺节点的演进： 集成电路的性能和密度主要取决于其制造工艺的精细程度，也就是工艺节点。本节将详细介绍工艺节点（如180nm, 90nm, 45nm, 7nm, 5nm, 3nm等）的含义，以及随着工艺节点的不断缩小，所带来的性能提升、功耗降低和成本优化。我们将探讨光刻技术、刻蚀技术、薄膜沉积技术等关键制造工艺在不同工艺节点下的发展和演进，以及它们如何推动着芯片的集成度不断提高。 不同类型的集成电路： 集成电路并非千篇一律，根据其功能和应用，可以分为多种类型。本节将介绍模拟集成电路、数字集成电路以及混合信号集成电路。我们将重点讲解数字集成电路的设计理念，包括逻辑门、触发器、存储器等基本单元的构成，以及如何通过组合和逻辑运算实现复杂的计算功能。同时，我们也将介绍模拟集成电路在信号放大、滤波、调制解调等方面的应用，以及混合信号集成电路在现实世界与数字世界接口中的关键作用。 先进封装技术的重要性： 随着芯片内部集成度的不断提高，芯片的封装技术也面临着新的挑战和发展。本节将探讨先进封装技术，如三维堆叠（3D stacking）、扇出晶圆级封装（Fan-Out Wafer Level Packaging, FOWLP）、硅中介层（Silicon Interposer）等。我们将分析这些先进封装技术如何突破传统封装的瓶颈，实现更高的集成度、更好的散热性能和更快的信号传输速度，从而为高性能计算、人工智能等前沿应用提供支持。 摩尔定律与后摩尔时代： 摩尔定律（Moore's Law）是集成电路发展史上的一个重要驱动力，它预测了集成电路芯片上晶体管的数量每隔约18个月翻一番。本节将回顾摩尔定律的提出、发展及其对半导体产业的巨大影响。同时，我们也必须认识到，随着物理极限的逼近，传统的摩尔定律正在面临挑战。我们将探讨“后摩尔时代”的特征，包括通过架构创新、新材料应用、异构集成等方式来延续和突破集成电路性能提升的趋势，以及人工智能、量子计算等新兴领域对集成电路提出的新需求。 第三章：可靠性与评价方法：确保数字世界的稳健运行 半导体集成电路作为现代电子设备的大脑和心脏，其可靠性直接关系到整个系统的性能和用户的体验。任何微小的缺陷或故障，都可能导致灾难性的后果。本章将深入探讨半导体集成电路的可靠性问题，以及确保其稳定运行的评价方法。 集成电路的失效模式与机理： 集成电路的失效并非单一原因造成，而是多种复杂因素的综合作用。本节将详细分析集成电路常见的失效模式，如热失效（高温加速）、电应力失效（过压、过流）、机械应力失效（焊接应力、封装应力）、环境因素失效（湿度、腐蚀、辐射）以及工艺缺陷（短路、开路、漏电）等。我们将深入剖析各种失效模式背后的物理和化学机理，例如金属迁移、栅氧化层击穿、热载流子注入、电迁移等，理解这些微观层面的变化如何导致宏观的器件失效。 加速寿命试验（ALT）与可靠性建模： 为了在有限的时间内预测集成电路的长期可靠性，我们通常采用加速寿命试验。本节将详细介绍各种加速寿命试验的设计原则和执行方法，例如高温高湿偏压（HHBP）、温度循环（TC）、功率循环（PC）、以及用于特定失效模式的加速测试（如电迁移测试、栅氧化层可靠性测试）。我们将重点阐述如何利用试验数据，通过统计学方法构建可靠性模型（如威布尔分布、指数分布），从而预测器件的平均无故障时间（MTTF）、失效率等关键可靠性指标。 环境应力筛选（ESS）与早期失效的剔除： 新生产的集成电路中，往往存在一些早期失效的微小缺陷，这些缺陷在正常工作条件下可能不立即显现，但会在短时间内导致器件损坏。环境应力筛选是一种有效的手段，通过施加比正常工作条件更严苛的环境应力，来加速和暴露这些潜在的缺陷，从而在产品出厂前将不合格品剔除。本节将介绍不同类型的环境应力筛选方法，以及如何合理设计筛选流程，以达到最佳的剔除效果，同时避免对良品造成不必要的损伤。 电迁移（Electromigration）的深入分析： 电迁移是集成电路内部金属互连线在电流驱动下发生的原子迁移现象，是导致集成电路失效的重要原因之一。本节将从原子动力学和统计学角度，深入分析电迁移的机理，包括电子风效应和离子扩散。我们将讨论影响电迁移率的关键因素，如电流密度、温度、金属材料、晶粒结构以及互连线的尺寸。此外，我们还将介绍如何通过改进互连线材料（如引入阻挡层、合金化）、优化工艺参数以及采用先进的互连结构来提高互连线的抗电迁移能力。 芯片级可靠性评价与失效分析（FA）： 当集成电路发生失效时，精准的失效分析是找出问题根源、改进设计和制造工艺的关键。本节将介绍芯片级可靠性评价的多种方法，包括电学参数测量、电路功能测试、电学扫描探针显微镜（SSPM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及能量色散X射线谱（EDX）等。我们将重点讲解失效分析（FA）的流程，从宏观到微观，从非破坏性到破坏性，层层递进，直至定位失效点，从而为产品改进提供有力的依据。 面向未来的可靠性挑战与展望： 随着集成电路向着更小的尺寸、更高的密度、更复杂的功能方向发展，其可靠性面临着前所未有的挑战。本章将展望未来集成电路可靠性领域的研究方向，包括量子效应带来的新失效机制、新兴材料（如二维材料）的可靠性问题、人工智能驱动的失效预测与诊断、以及系统级可靠性保障策略等。我们将强调，持续的研发投入和跨学科的合作，是应对未来可靠性挑战，确保数字世界持续稳健运行的必由之路。 结语： 《硅基巨变：半导体芯片的革新与未来》带领我们走过了一段关于半导体集成电路的深入探索之旅。我们从最基础的半导体物理学原理出发，理解了电子世界的构建基石；接着，我们回顾了集成芯片波澜壮阔的发展历程，见证了科技进步的非凡力量；最后，我们聚焦于集成电路的可靠性与评价方法，认识到稳定运行才是其价值的根本所在。 从理论到实践，从微观到宏观，本书力求为读者勾勒出一幅清晰而完整的半导体集成电路图景。我们希望，通过对这些深层科学原理和工程实践的理解，读者能够更深刻地认识到半导体技术在我们日常生活和社会发展中的核心地位，并对未来科技的演进方向有所启发。这场“硅基巨变”仍在继续，而对基础科学的不断探索和对工程品质的持续追求，必将引领我们走向更加智能、更加互联、更加可靠的未来。

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初读这本书，我最大的感受就是信息量非常大，而且内容非常扎实。作为一个对科技产品充满好奇的人，我总是想知道“里面到底是怎么工作的”。这本书恰好满足了我这种探究的欲望。作者从半导体物理这个最根本的学科出发，深入浅出地解释了集成电路的运行基础。我之前对“半导体”的理解非常有限，这本书帮我建立了一个完整的知识体系，从材料的导电特性，到PN结的形成，再到各种晶体管的原理，都讲解得非常透彻。接着，书中详细阐述了集成芯片的发展史，以及其在现代科技中的地位。读到这里，我更加清晰地认识到，我们如今所享受的便捷生活，离不开集成电路的不断进步。然而，让我印象最深刻的还是关于“可靠性”的部分。作者用大量篇幅探讨了芯片在各种极端环境下的失效机制，以及如何通过科学的方法来预测和避免这些失效。我对书中介绍的各种测试方法和评估模型非常感兴趣，它们就像是为芯片的“健康体检”制定了详细的计划。我理解到，研发工程师们需要投入巨大的精力去保证芯片的质量，才能让消费者放心地使用。这本书不仅仅是技术性的讲解，更是一种对科学精神的传承，它让我看到了科学家和工程师们严谨求实的态度，以及他们为了推动技术进步所付出的不懈努力。

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拿到这本书，我脑子里想到的第一个词就是“硬核”。我一直对电子技术充满兴趣，但真正深入了解半导体集成电路的内部运作，却一直是我的一个“心结”。这本书就像是为我打开了一扇通往这个复杂世界的窗口。作者的笔触非常细腻，他从半导体物理学的最基本概念入手，层层递进地讲解了集成电路的构成和工作原理。我之前以为集成电路就是一个整体，但读了这本书我才知道，它是由无数个微小的元器件，通过复杂的工艺制造出来的，而每一个元器件的设计和制造过程都对最终的可靠性有着至关重要的影响。书中对化学气相沉积（CVD）这一关键工艺的详细介绍，更是让我大开眼界。我了解到，这种技术是如何将各种材料精确地沉积到硅片上，形成微观的电路结构。作者通过大量的示意图和实际应用案例，将抽象的化学反应和物理过程变得生动起来，让我能够直观地理解CVD在现代集成电路制造中的重要作用。此外，书中还穿插了不少关于集成芯片发展历程的内容，让我对这个行业从早期的简单电路到如今复杂的多核处理器，其发展轨迹和技术飞跃有了更清晰的认识。读完之后，我对半导体集成电路的可靠性以及支撑其发展的关键技术，都有了前所未有的理解。这本书的价值不仅仅在于知识的传授，更在于它能够激发读者对科学探索的兴趣，让我对工程师们的智慧和付出充满了敬意。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉，就像是在进行一次深入的“解剖”。我一直对电子产品很着迷，但对于其核心——集成电路——的了解却十分有限。这本书提供了一个非常全面的视角，让我得以窥探其内部的奥秘。作者从最基础的半导体物理学讲起，像剥洋葱一样，一层层地揭示了集成电路是如何运作的。我之前以为芯片就是一块小小的集成体，但读完之后才明白，它的背后是多么复杂的材料科学、物理学和工程学的结合。书中对化学气相沉积（CVD）的详细介绍，让我对这种看似神秘的制造工艺有了清晰的认识。我了解到，CVD是如何通过精密的化学反应，将各种微小的材料逐层堆积，最终形成复杂的电路图案。这过程的精确度和控制要求之高，让我惊叹不已。此外，书中对集成芯片的发展历程的梳理，也让我对科技的进步有了更宏观的认识。我看到了从简单功能芯片到如今高性能处理器的演变，这背后是无数科学家和工程师的智慧结晶。而关于“可靠性”的讨论，更是让我意识到，一块能够在我们手中稳定运行的芯片，背后是经历了多么严苛的测试和评估。作者对各种失效机制的分析，以及针对性的评价方法，都让我看到了工程师们为了保证产品质量所付出的努力。总的来说，这本书为我打开了一个全新的知识领域，让我对集成电路的理解不再停留在表面，而是有了更深层次的认识。

评分☆☆☆☆☆

这本关于半导体集成电路可靠性与评价的书，带给我的感觉就像是走进了一个精密机械的时钟坊。最初，我只是对“芯片”这个概念有点好奇，知道它们是现代电子产品的“大脑”，但对它们是如何制造、如何保证不出错，我完全没有概念。当我开始阅读这本书时，我仿佛被带入了一个高度专业化的世界。作者的文字风格非常严谨，充满了科学的逻辑性。他从最基础的半导体物理原理讲起，一步步构建起对集成电路的理解。我了解到，一块小小的芯片，其实是由无数个微小的元器件组成的，而每一个元器件的性能都受到诸多因素的影响。书中对这些影响因素进行了细致的入微的分析，比如材料的纯度、晶体管的结构、电信号的传输等等，每一个细节都可能关系到最终的可靠性。我尤其对书中关于“失效模式”的描述感到震撼，它就像是把集成电路可能遇到的“疾病”一一列举出来，并分析其病因和症状。这让我意识到，保证芯片的可靠性，是一项多么复杂且充满挑战的任务。作者还详细介绍了各种“评价方法”，这些方法听起来就非常高深，涉及大量的统计学和物理学知识。他用图示和公式来解释如何通过加速试验来预测芯片的寿命，如何通过各种模型来评估芯片在不同环境下的表现。虽然有些地方我无法完全理解其中的数学推导，但作者的讲解思路是清晰的，他总是试图将复杂的概念用更易于理解的方式呈现出来。这本书让我对集成电路的可靠性有了更加全面和深刻的认识，它不仅仅是理论上的探讨，更是关乎实际产品质量和用户体验的基石。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的第一感觉是，它好像是作者在一次深入研究之后，将自己所学所思一股脑儿地倾倒了出来。我本来对集成电路的可靠性只是一个模糊的概念，知道它很重要，但具体重要到什么程度，涉及哪些方面，又该如何去量化和评估，我是一无所知的。翻开这本书，我立刻被吸引住了。作者在开篇就用了很多篇幅，生动地描绘了集成电路在现代社会中的核心地位，从我们每天使用的手机、电脑，到支撑国家发展的关键基础设施，无处不见其身影。正是因为这种无处不在，一旦出现问题，其影响将是灾难性的。这一点立刻让我对“可靠性”这个词有了更深刻的认识，它不再是一个抽象的技术术语，而是关乎社会运转和个人生活的重要保障。接着，书中详细地阐述了导致集成电路失效的各种物理机制，比如温度、电压、湿度、辐射等等，并用大量的图表和公式来解释这些机制是如何作用于芯片内部的。我尤其对那些关于“早期失效”、“寿命失效”的章节印象深刻，它们让我了解到，一块小小的芯片，其生命周期中可能经历的挑战远比我想象的要复杂得多。作者并没有止步于理论的阐述，而是花了相当大的篇幅来介绍各种可靠性评价的方法。从加速寿命试验到统计模型，再到一些更前沿的仿真技术，这些内容虽然有一定的专业门槛，但作者的讲解还是力求清晰易懂，对于我这样一个非专业读者来说，也能够大致理解其原理和应用。尤其是一些案例分析，让我能够直观地感受到这些评价方法是如何帮助工程师们预测和规避潜在的风险。总的来说，这本书是一次非常值得的阅读体验，它不仅拓宽了我的知识面，更让我对科技产品背后的严谨与付出有了全新的认识。