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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SiO236

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