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第1章　VLSI发展与可靠性研究进展1

1.1 VLSI的发展规律1

1.2 VLSI的主要可靠性问题3

1.3 VLSI的可靠性研究现状4

1.3.1　微纳MOS器件的热载流子效应4

1.3.2　微纳MOS器件的NBTI效应8

1.3.3 SOI器件的可靠性问题12

1.3.4　超薄栅氧化层介质的可靠性15

1.3.5　静电损伤和闩锁效应18

1.3.6 ULSI中铜互连可靠性相关技术21

1.3.7　非挥发性存储器的可靠性24

1.3.8　等离子体工艺的可靠性27

1.3.9　封装与装配可靠性28

1.3.10　微电子机械系统和化合物半导体可靠性29

1.3.11 VLSI失效分析技术32

1.3.12 VLSI可靠性仿真技术35

参考文献36

第2章　微纳米MOS器件的热载流子效应42

2.1 MOS器件的热载流子效应42

2.2　微纳MOS器件的热载流子效应46

2.3　动态应力下MOS器件的热载流子效应47

2.4　热载流子效应的测量和表征技术49

2.4.1　电流-电压特性测试49

2.4.2　电荷泵测试51

2.4.3　衬底热载流子效应测试54

2.5 nMOS器件的衬底电流和沟道电流分布建模55

2.5.1　幸运热载流子模型56

2.5.2　沟道电流和衬底电流的二维分布建模59

2.5.3　沟道电流和衬底电流二维分布模型的计算与比较63

2.6 nMOS器件的栅电流分布建模70

2.6.1　发射电流和栅电流分布模型70

2.6.2 nMOS器件的电子栅电流分布建模72

2.6.3 nMOS器件的空穴栅电流分布建模75

2.6.4　模型涉及参量的修正与选择77

2.6.5　发射电流和栅电流的分布特性78

2.7 nMOS器件的高温热载流子退化83

2.7.1 nMOS器件的高温热载流子退化84

2.7.2 pMOS器件的高温热载流子退化87

2.7.3　标准0.18μmCMOS工艺的高温可靠性测试标准89

2.8　超深亚微米LDD MOS器件模型96

2.8.1 LDD nMOS器件的本征电流-电压特性模型97

2.8.2 LDD nMOS器件的源漏串联电阻模型102

2.8.3　亚阈区模型103

2.8.4　模拟结果与分析104

参考文献108

第3章　MOS器件的热载流子损伤特性及物理模型115

3.1 pMOS器件损伤电子栅电流模型的建立及验证115

3.1.1　电子栅电流模型的建立115

3.1.2　电子栅电流模型的验证118

3.2　模型揭示的器件损伤特性120

3.2.1　陷入电子电荷分布特性120

3.2.2　损伤电子栅电流分布特性120

3.2.3　应力期间电子栅电流的拐角特性123

3.3　建立器件寿命物理模型的必要性124

3.4　界面态产生动力学模型新解125

3.5 pMOS线性区器件损伤与寿命的物理模型126

3.5.1　线性区漏源电流表征的器件损伤与寿命126

3.5.2　线性区跨导表征的器件损伤与寿命128

3.6 pMOS饱和区器件损伤与寿命的物理模型129

3.6.1　饱和区漏源电流表征的器件损伤与寿命129

3.6.2　饱和区跨导表征的器件损伤与寿命129

3.7　注入电荷总量表征的pMOS器件寿命物理模型130

3.8　热载流子效应诱生的nMOS器件损伤132

3.8.1 nMOS器件破键电流引起的界面态产生133

3.8.2　界面态产生与器件参数退化的关系135

3.8.3 nMOS器件发射电流注入栅氧的退化模型137

3.9　交替应力下MOS器件的退化机制142

参考文献145

第4章　超薄栅氧化层的经时击穿效应148

4.1　超薄栅氧化层的经时击穿效应148

4.2　电子俘获击穿模型148

4.2.1 E.Harari模型148

4.2.2 D.J.Dumin模型150

4.2.3 P.P.Apte模型151

4.3　空穴击穿模型154

4.3.1 C.Hu模型154

4.3.2 C.F.Chen模型158

4.4　界面态产生与积累模型161

4.5　击穿统计模型161

4.6　感生共振-隧穿模型162

4.7　超薄栅氧化层经时击穿机理164

4.8　超薄栅氧化层TDDB效应表征方法171

4.8.1　陷阱电荷密度的求解和相关参数提取172

4.8.2　累积失效率的计算180

4.8.3　超薄栅氧化层可靠性表征184

4.9　应力导致的薄栅氧化层漏电流瞬态特性198

4.9.1 FN应力下的SILC瞬态特性199

4.9.2 HH应力下的SILC瞬态特性200

4.9.3　结果与讨论201

参考文献203

第5章　微纳米MOS器件的NBTI效应209

5.1 NBTI效应对pMOS器件特性的影响209

5.2 pMOS器件的NBTI机理210

5.2.1　界面态与氧化层电荷的产生模型210

5.2.2　界面态与氧化层电荷的产生和对器件特性的影响214

5.2.3　氮在NBTI效应中的作用225

5.3 NBTI效应限制的pMOS器件寿命228

5.4 pMOS器件的交流NBTI效应233

5.4.1　交流条件下NBT退化与频率的关系233

5.4.2 NBTI的动态特性及对器件寿命的影响238

5.4.3 NBTI中的自愈合现象244

5.5 NBTI效应对模拟电路性能的影响248

5.6 NBTI效应对数字电路性能的影响252

5.7 NBTI效应的抑制方法255

5.7.1 工艺条件对NBTI效应的影响256

5.7.2 NBTI效应的抑制原则及监控方法263

参考文献265

第6章　微纳米MOS器件的耦合效应270

6.1　高温条件下NBTI增强的HCI效应270

6.2 HCI和NBTI耦合效应对pMOS器件特性的影响276

6.3 NBTI和HCI效应对器件退化特性影响的分解279

6.4　衬底热载流子耦合的TDDB效应282

6.4.1　衬底热电子增强的TDDB效应285

6.4.2　衬底热空穴增强的TDDB效应292

参考文献295

第7章　等离子体工艺及诱生的器件失效297

7.1　等离子体充电损伤297

7.1.1　等离子体充电原理297

7.1.2　表面充电模型300

7.1.3　等离子体充电损伤304

7.2　等离子体刻蚀工艺中的边缘损伤311

7.2.1　等离子体边缘损伤与天线比的关系312

7.2.2　等离子体过刻蚀时间对边缘损伤的影响313

7.2.3　等离子体边缘损伤的位置关系315

7.2.4　栅边缘厚度与边缘损伤的关系315

7.3　栅漏交迭区界面态和氧化层电荷横向分布的确定317

7.4　电子遮蔽效应322

7.4.1　电子遮蔽模型322

7.4.2　电子遮蔽损伤323

7.5　减小等离子体损伤的方法326

7.5.1　保护二极管326

7.5.2　改进设计规则或流程327

7.5.3　工艺的改进327

参考文献328

第8章　CMOS器件的ESD与损伤机理331

8.1 ESD损伤和ESD潜在损伤332

8.2 LDD-CMOS的ESD问题332

8.3 ESD模型和模拟334

8.3.1　二维器件模拟软件335

8.3.2 电路模拟软件337

8.4 On-Chip ESD保护电路340

8.4.1 GG-nMOS341

8.4.2　横向npn晶体管343

8.4.3　利用二极管的作用343

8.5 Snapback与热载流子的相关性分析346

8.6 ESD的Snapback和热载流子的关系347

8.7 GG-nMOS的ESD瞬态分析348

8.8 CMOS器件的ESD潜在损伤与恢复350

8.8.1 ESD导致的栅氧化层损伤的微观机制351

8.8.2 ESD潜在损伤的热应力恢复359

8.8.3 ESD潜在损伤的电应力恢复360

参考文献363

第9章　ULSI中铜互连可靠性相关技术365

9.1　互连技术的主要问题365

9.2　铜互连工艺368

9.2.1　铜互连工艺流程368

9.2.2　势垒层材料370

9.2.3　铜的淀积工艺372

9.2.4　铜的CMP工艺373

9.3　铜互连工艺的可靠性374

9.3.1　铜互连和铝互连工艺的比较374

9.3.2　互连结构的差异375

9.3.3　铜互连中通孔损耗和连线损耗376

9.3.4　铜互连的基本可靠性单元378

9.3.5　影响铜互连性能的常见因素380

9.3.6　影响电迁移的主要因素381

9.3.7　铜互连设计和工艺中要注意的问题383

9.4　铜互连工艺的基本理论384

9.4.1　金属薄膜的缺陷和扩散384

9.4.2　电迁移的离子流密度386

9.4.3　离子流散度388

9.4.4　电迁移平均失效时间389

9.4.5　电迁移的基本公式391

9.4.6　电迁移试验及分析392

参考文献397

第10章　微纳米MOS器件的可靠性加固方法401

10.1　槽栅器件的拐角效应及其影响401

10.1.1　表面势401

10.1.2　漏感应势垒降低402

10.1.3　亚阈特性403

10.2　槽栅器件的电流-电压特性404

10.3　槽栅器件的工艺和结构409

10.4　槽栅器件的热载流子效应410

10.5　受主型界面态对器件阈值电压和亚阈特性的影响415

10.6　受主型界面态对器件漏极驱动能力的影响418

10.7　施主型界面态对器件阈值电压和亚阈特性的影响421

10.8　施主型界面态对器件漏极驱动能力的影响427

10.9　槽栅CMOS器件实现429

10.9.1　槽栅器件的加工流程429

10.9.2　器件的测量和分析432

参考文献435

第11章　VLSI可靠性评价与估计437

11.1　失效机理研究的版图结构与实现方法437

11.2 VLSI可靠性评价系统的实现440

11.3　集成电路可靠性分析系统——XDRT441

11.4 VLSI可靠性仿真设计与应用445

参考文献445