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内容大纲
半导体制造作为微电子与集成电路行业中非常重要的环节，其工艺可靠性是决定芯片性能的关键。本书详细描述和分析了半导体器件制造中的可靠性和认定，并讨论了基本的物理和理论。本书涵盖了初始规范定义、测试结构设计、测试结构数据分析，以及工艺的最终认定，是一本实用的、全面的指南，提供了验证前端器件和后端互连的测试结构设计的实际范例。
本书适合从事半导体制造及可靠性方面的工程师与研究人员阅读，也可作为高等院校微电子等相关专业高年级本科生和研究生的教材和参考书。 -
作者介绍
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目录
译者序
第1部分 概述
第1章 引言
1.1 背景
1.2 工艺可靠性项
1.2.1 FEOL
1.2.2 BEOL
1.3 工艺相关的可靠性
1.4 可靠性评估方法
1.5 本书的组织结构
参考文献
第2章 器件物理基础
2.1 基本材料特性介绍
2.1.1 导体、半导体和绝缘体
2.1.2 电子和空穴能量
2.1.3 半导体中的碰撞与能量交换
2.2 PN结
2.2.1 PN结能带
2.2.2 PN结偏置
2.2.3 结电容
2.3 金属-氧化物-半导体电容的物理基础
2.3.1 金属-氧化物-半导体电容的能带
2.3.2 金属-氧化物-半导体电容的电容-电压曲线
2.4 金属-氧化物-半导体场效应晶体管物理特性
2.4.1 金属-氧化物-半导体场效应晶体管的电流-电压特性
2.4.2 长沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管的Vt
2.4.3 金属-氧化物-半导体场效应晶体管中的电容
2.5 金属-氧化物-半导体场效应晶体管的二阶效应
2.5.1 短沟道效应
2.5.2 宽度效应
2.5.3 栅致漏极泄漏电流
2.5.4 硼渗透
2.5.5 衬底偏置的影响
2.6 界面陷阱和氧化层陷阱
参考文献
第3章 金属-氧化物-半导体制造工艺流程
3.1 前道工艺
3.2 Cu双大马士革后端工艺
参考文献
第4章 可用于器件可靠性表征的测量
4.1 电容-电压测量
4.2 直流电流-电压
4.2.1 从直流电流-电压测量中提取界面陷阱
4.2.2 从直流电流-电压测量中提取氧化层陷阱
4.3 栅控二极管方法
4.4 电荷泵测量
4.5 用于界面和氧化层陷阱分离的中间带隙测量
4.6 载流子分离测量
4.7 电流-电压特性
参考文献
第2部分 前道工艺(FEOL)
第5章 热载流子注入
5.1 最大沟道电场
5.2 HCI的物理机制
5.2.1 电场驱动的CHC机制
5.2.2 能量驱动的沟道-热载流子机制：电子-电子散射
5.2.3 多重振动激发机制
5.2.4 NMOS热载流子注入机理/模型
5.2.5 PMOS热载流子注入机理/模型
5.3 热载流子注入表征方法
5.3.1 监控的器件参数
5.3.2 热载流子注入退化模型
5.3.3 寿命外推
5.4 对热载流子注入屏蔽效应的表征
5.5 热载流子注入退化饱和
5.6 温度对热载流子注入的影响
5.7 体偏置对热载流子注入的影响
5.8 结构对热载流子注入的影响
5.8.1 沟道宽度对热载流子注入的影响
5.8.2 沟道长度对热载流子注入的影响
5.8.3 补偿侧墙对热载流子注入的影响
5.8.4 栅极边缘与浅沟槽隔离边缘间距的影响
5.9 工艺对热载流子注入性能的影响
5.9.1 漏区工程
5.9.2 栅极氧化层的鲁棒性
5.10 热载流子注入认定实践
参考文献
第6章 栅极氧化层完整性和时间相关的介质击穿
6.1 金属-氧化物-半导体结构的隧穿
6.1.1 栅极泄漏隧穿机制
6.1.2 依赖极性的Qbd和Tbd
6.1.3 栅极泄漏电流与Vbd/Tbd的关系
6.2 栅极氧化层介质击穿机理
6.2.1 本征与非本征击穿
6.2.2 随时间变化的介质击穿
6.2.3 Vbd与Tbd的相关性
6.2.4 缺陷产生模型
6.2.5 软击穿
6.3 应力诱导的泄漏电流
6.4 栅极氧化层完整性测试结构和失效分析
6.4.1 体结构
6.4.2 多晶硅边缘密集结构
6.4.3 浅沟槽-隔离-边缘密集结构
6.4.4 浅沟槽隔离拐角密集结构
6.4.5 栅极氧化层完整性失效分析
6.5 栅极氧化层时间相关介质击穿模型，寿命外推法
6.5.1 Weibull分布
6.5.2 活化能
6.5.31 /E模型、E模型、V模型和幂律模型
6.5.4 面积按比例变化
6.6 工艺对栅极氧化层完整性和时间变化的介质击穿改进的影响
6.6.1 氧化层厚度的影响
6.6.2 氮化的影响
6.6.3 氢/D2的影响
6.6.4 金属污染
6.6.5 多晶硅晶粒结构的影响
6.6.6 多晶硅剖面的影响(多晶硅基脚)
6.6.7 栅极氧化层预清洗和刻蚀的影响
6.6.8 牺牲氧化后退火环境的影响
6.6.9 无牺牲氧化层效应
6.6.10 光刻胶附着力的影响
6.6.11 铟注入的影响
6.6.12 幂律模型指数的工艺因子
6.7 工艺认定实践
参考文献
第7章 负偏置温度不稳定性
7.1 负偏置温度不稳定性退化机制
7.1.1 反应-扩散模型
7.1.2 恢复
7.1.3 退化饱和机理
7.2 退化时间指数n，活化能Ea，电压/电场加速因子γ
7.2.1 退化时间指数n
7.2.2 活化能(Ea)
7.2.3 电压/电场加速因子γ
7.3 表征方法
7.3.1 时延(恢复)对表征的影响
7.3.2 应力-电压和应力-时间影响
7.3.3 不间断应力方法
7.3.4 体偏置对负偏置温度不稳定性的影响
7.4 为什么反型的PMOS最差
7.5 结构对负偏置温度不稳定性的影响
7.5.1 沟道长度依赖性
7.5.2 沟道宽度依赖性
7.5.3 栅极氧化层厚度相关性
7.6 工艺对负偏置温度不稳定性的影响
7.6.1 氮及其分布
7.6.2 氟掺入
7.6.3 栅极氧化层和Si-SiO2界面质量
7.6.4 H2/D2退火
7.6.5 后道工艺
7.6.6 等离子体诱导损伤的影响
7.6.7 硼渗透
7.6.8 接触刻蚀截止层的效果
7.6.9 Si衬底取向的影响
7.7 动态负偏置温度不稳定性
7.8 工艺认定实践
参考文献
第8章 等离子体诱导损伤
8.1 引言
8.2 等离子体诱导损伤机制
8.2.1 等离子体密度
8.2.2 晶圆上等离子体的不均匀性
8.2.3 电子屏蔽效应
8.2.4 逆电子屏蔽效应
8.2.5 紫外线辐射
8.3 等离子体诱导损伤的表征方法
8.4 等离子体特性
8.4.1 等离子体表征方法
8.4.2 等离子体I-V特性和等离子体参数对等离子体I-V及损伤的影响
8.5 衬底对等离子体损伤的影响
8.5.1 为什么PMOS比NMOS更差
8.5.2 保护器件的作用
8.5.3 栅极氧化层厚度对等离子体损伤的影响
8.5.4 对绝缘体上硅器件的影响
8.5.5 连接到源极/漏极和衬底的天线
8.5.6 阱结构影响
8.6 结构对等离子体损伤的影响
8.6.1 天线指密度的影响
8.6.2 通过桥接设计避免等离子体诱导损伤
8.6.3 潜在的天线效应
8.6.4 扩展的天线效应
8.6.5 作为检测器的电容与晶体管
8.7 工艺对等离子体诱导损伤的影响
8.7.1 退火对栅极氧化层工艺诱导损伤的影响
8.7.2 钝化刻蚀效应
8.7.3 SiN帽层NH3等离子体预处理工艺对等离子体诱导损伤的影响
8.7.4 等离子体参数对等离子体诱导损伤的影响
8.7.5 金属前介质沉积
8.7.6 金属间刻蚀和通孔刻蚀的影响
8.7.7 工艺温度的影响
8.7.8 通过设备改造降低等离子体电荷损伤
8.7.9 等离子体诱导损伤的渐进退化特征
8.7.10 栅极氧化层的鲁棒性
8.7.11 金属间介质沉积的影响
8.7.12 阻挡层/种子层沉积的影响
8.7.13 晶圆背面绝缘层
8.8 与等离子诱导体损伤相关的其他可靠性问题
8.8.1 热载流子注入
8.8.2 负偏置温度不稳定性
8.8.3 栅极氧化层完整性
8.9 工艺认定实践
参考文献
第9章 集成电路的静电放电保护
9.1 静电放电事件背景
9.2 静电放电保护器件的建模
9.2.1 包含寄生双极晶体管的NMOS器件的物理行为
9.2.2 静电放电紧凑模型的开发
9.2.3 在SPICE中的模型实现
9.2.4 结果与讨论
9.2.5 先进的金属-氧化物-半导体模型
9.3 静电放电测量和测试
9.3.1 基于输电线路脉冲技术的静电放电测量实验装置
9.3.2 负载匹配电路的开发
9.3.3 等效于人体模型的传输线脉冲宽度的确定
9.4 片上静电放电保护方案设计
9.4.1 基于晶闸管的静电放电设计
9.4.2 基于二极管的静电放电保护设计
9.4.3 射频优化
参考文献
第3部分 后道工艺(BEOL)
第10章 电迁移
10.1 电迁移物理
10.2 电迁移表征
10.2.1 封装级可靠性与晶圆级可靠性
10.2.2 金属线测试结构
10.2.3 临界长度测试结构
10.2.4 漂移速度测试结构
10.2.5 热产生测试结构
10.2.6 涉及两层通孔的测试结构
10.3 电迁移失效时间
10.3.1 Black方程(双参数对数正态分布)
10.3.2 双峰对数正态分布
10.3.3 三参数对数正态分布
10.4 电迁移失效模式
10.5 电迁移机制的理解
10.5.1 接触点的电迁移
10.5.2 Al和W通孔的电迁移
10.5.3 Cu互连的电迁移
10.6 工艺对电迁移的影响
10.6.1 Cu/低k互连，Cu/低k界面控制
10.6.2 Cu-互连微结构的控制
10.6.3 阻挡层/种子层效应
10.6.4 溶质/掺杂对电迁移的影响
10.6.5 双大马士革结构剖面的影响
10.6.6 含氧量对Cu互连的影响
10.6.7 预先存在的孔洞对电迁移的影响
10.7 结构对电迁移的影响
10.7.1 通孔/线互连结构
10.7.2 储层效应(线延伸效应)
10.7.3 金属临界长度效应
10.7.4 金属厚度/宽度相关性
10.8 交流条件下的电迁移
10.8.1 峰值、平均和方均根电流密度的定义
10.8.2 Jrms的表征
10.9 工艺认定实践
参考文献
第11章 应力迁移
11.1 引言
11.2 应力迁移物理基础
11.2.1 应力迁移机制的基本认识
11.2.2 活跃的扩散体积
11.2.3 孔洞成核
11.2.4 应力梯度
11.2.5 观察到应力迁移的新失效机制
11.2.6 应力诱发孔洞化的数学模型
11.3 应力迁移表征
11.3.1 应力迁移测试结构
11.3.2 应力迁移表征方法
11.4 应力迁移失效模式
11.5 应力迁移的有限元法
11.5.1 有限元方法模型描述
11.5.2 表征应力的有限元方法参数及实例
11.6 工艺对应力迁移的影响
11.6.1 通孔凿蚀效应
11.6.2 金属化层的相关性
11.6.3 阻挡层效应
11.6.4 Cu合金效应
11.6.5 介质依赖性
11.6.6 铜-微结构效应
11.6.7 淬火效应
11.6.8 镀Cu化学
11.6.9 Cu覆盖层效应
11.6.10 其他效应
11.7 应力迁移的几何效应(通过设计改善应力迁移)
11.7.1 金属板几何形状的影响
11.7.2 通孔错位的影响
11.7.3 介质槽的影响
11.7.4 双(多)通孔效应
11.8 工艺认定实践
参考文献
第12章 金属间介质击穿
12.1 引言
12.2 测试结构和方法
12.2.1 测试结构
12.2.2 测试方法
12.3 金属间介质击穿失效机制/模式
12.3.1 失效机制
12.3.2 失效模式
12.4 寿命模型
12.4.1 Weibull分布
12.4.21 /E模型、E模型和SQRT(E)模型
12.4.3 活化能
12.4.4 面积/长度按比例变化
12.4.5 缺陷密度(DD)
12.5 影响IMD可靠性的因素
12.5.1 材料相关性
12.5.2 水分的影响
12.5.3 临界尺寸控制
12.5.4 Cu-帽层界面质量控制
12.5.5 新型帽层
12.5.6 阻挡层效应
12.5.7 自组装分子纳米层作为扩散阻挡层
12.5.8 Cu CMP效应
12.6 电压斜坡(Vbd)与时间相关的介质击穿(Tbd)的关系
12.7 与时间相关的堆叠通孔梳状结构的介质击穿特性
12.8 介质可靠性评估的有限元建模
12.8.1 电场仿真的有限元建模
12.8.2 提取低k介质材料k值的有限元模型
12.8.3 低k介质材料k值漂移的有限元模型
12.8.4 工艺诱导损伤评价的有限元模型
12.9 工艺认定实践
参考文献
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