電子薄膜可靠性

杜經寧博士是享譽全球的薄膜材料科學家，目前擔任香港城市大學材料學與電子工程講席教授。自1968年在哈佛大學獲得博士學位後，先後作為高級主管任職於國際商用機器公司沃特森研究中心，作為教授和系主任任職於美國加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系，作為台積電講席教授任職於台灣交通大學等。杜教授是美國物理學會會士、美國金屬學會會士、美國材料學會會士、劍橋大學教堂山學院海外會士等。從集成電路誕生起，杜教授一直致力於薄膜材料在微電子器件、封裝和可靠性領域的研究，半個世紀以來筆耕不輟，發表論文500餘篇，引用超過2.8萬次，為領域發展做出傑出貢獻，是領域公認的薄膜材料世界級專家，至今年過八旬，仍然在科研一線激情滿懷地解決集成電路封裝可靠性與失效問題。

目錄

 

第1章微電子技術中的薄膜應用

1.1引言

1.2金屬氧化物半導體場效應晶體管

1.2.1自對準硅化物接觸和柵極

1.3倒裝焊中的薄膜下凸點金屬化

1.4電腦為什麽很少出現可靠性故障

1.5從微電子技術到納米電子技術的發展趨勢和轉變

1.6摩爾定律的終結對微電子學的影響

參考文獻

 

第2章薄膜沉積

2.1引言

2.2薄膜沉積中的通量方程

2.3薄膜沉積速率

2.4理想氣體狀態方程

2.5氣體分子的動能

2.6錶面上的熱平衡通量

2.7超高真空對沉積膜純度的影響

2.8氣體分子碰撞頻率

2.9玻爾茲曼速度分佈函數和理想氣體狀態方程

2.10麥克斯韋速度分佈函數和氣體分子的動能

2.11影響薄膜微結構的形核和生長參數

參考文獻

習題

 

第3章錶面能

3.1引言

3.2原子間相互作用勢能，鍵能和結合能

3.3短程相互作用和準化學假設

3.4錶面能和潛熱

3.5錶面張力

3.6通過毛細效應測量液體的錶面能

3.7零蠕變法測量固體的錶面能

3.8錶面能系統分類

3.9錶面能的大小

3.9.1熱力學方法

3.9.2力學方法

3.9.3原子方法

3.10錶面結構

3.10.1晶體學及其標志法

3.10.2晶向和晶面

3.10.3錶面結構

參考文獻

習題

 

第4章固體中的原子擴散

4.1引言

4.2跳躍頻率和擴散通量

4.3菲克第一定律(通量方程)

4.4擴散系數

4.5菲克第二定律(連續性方程)

4.5.1連續性方程的推導

4.6擴散方程的一個解

4.7擴散系數

4.8擴散系數的計算

4.9擴散系數中的參數

4.9.1原子振動頻率

4.9.2活化焓

4.9.3指數前因子

參考文獻

習題

 

第5章擴散方程的應用

5.1引言

5.2菲克第一定律的應用(流量方程)

5.2.1齊納的平面析出物生長模型

5.2.2Kidson對薄膜層狀生長的分析

5.3菲克第二定律的應用(擴散方程)

5.3.1擴散對組分均勻化的影響

5.3.2體擴散偶中的互擴散

5.4固體析出物生長的分析

5.4.1Ham的球狀析出物生長模型(Cr恆定)

5.4.2平均場理論

5.4.3通過熟化過程生長球形納米顆粒

參考文獻

習題

 

第6章薄膜中的彈性應力和應變

6.1引言

6.2彈性的應力-應變關系

6.3應變能

6.4薄膜中的雙軸應力

6.5薄膜中雙軸應力的斯托尼方程

6.6測量Al薄膜中的熱應力

6.7斯托尼方程在熱膨脹測量中的應用

6.8非諧效應和熱膨脹

6.9薄膜中內應力的起源

6.10失配位錯的彈性能

參考文獻

習題

 

第7章薄膜錶面動力過程

7.1引言

7.2錶面上的吸附原子

7.3錶面上的平衡蒸氣壓

7.4錶面擴散

7.5階梯介導的同質外延生長

7.6非晶薄膜的沉積和生長

7.7同質外延生長模式

7.8錶面圓盤的同質成核

7.9圖案化錶面上的物質輸運

7.9.1圖案化錶面擴散的早期階段

7.9.2圖案化結構上傳質後期階段

7.10錶面上半球形粒子的熟化

參考文獻

習題

 

第8章薄膜中的互擴散與反應

8.1引言

8.2硅化物的形成

8.2.1順序硅化鎳的形成

8.2.2硅化物形成的第一相

8.3薄膜反應中界面反應控制生長動力學

8.4兩層相競爭生長動力學

8.5金屬間化合物生成中的標記物分析

8.6單層金屬與硅片的反應

參考文獻

習題

 

第9章晶界擴散

9.1引言

9.2晶界擴散與體擴散的比較

9.3費舍晶界擴散分析

9.3.1穿透深度

9.3.2切片法

9.4維普的晶界擴散分析

9.5小角度的晶界擴散

9.6擴散誘發晶界運動

參考文獻

習題

 

第10章互連和封裝技術中的不可逆過程

10.1引言

10.2通量方程

10.3熵的產生

10.3.1熱傳導

10.3.2原子擴散

10.3.3導電性

10.4隨溫度變化的共軛力

10.4.1原子擴散

10.4.2電傳導

10.5焦耳熱

10.6電遷移、熱遷移和應力遷移

10.7電遷移中的不可逆過程

10.7.1鋁條的電遷移和蠕變

10.8熱遷移中的不可逆過程

10.8.1未通電化合物焊點的熱遷移

10.9熱電效應中的不可逆過程

10.9.1湯姆孫效應和塞貝克效應

10.9.2珀爾帖效應

參考文獻

習題

 

第11章金屬中的電遷移

11.1引言

11.2歐姆定律

11.3金屬互連中的電遷移

11.4電遷移的電子風力

11.5有效電荷數的計算

11.6背應力的影響及臨界長度、臨界積、有效電荷數的測量

11.7為什麽在鋁互連中存在背應力

11.8電遷移引起的背應力的測量

11.9電流擁擠

11.10電遷移的電流密度梯度力

11.11β-Sn各向異性導體中的電遷移

11.12各向異性導體中晶界的電遷移

11.13交流電遷移

參考文獻

習題

 

第12章鋁和銅互連中電遷移引發的失效

12.1引言

12.2原子通量發散引起的電遷移失效

12.3因電流擁擠的電遷移引起的失效

12.3.1電流密度區域的空隙形成

12.4鋁互連中電遷移引起的失效

12.4.1Al微觀結構對電遷移的影響

12.4.2多層Al線和W過孔磨損的失效模式

12.4.3Cu溶質對Al中電遷移的影響

12.4.4Al互連的平均故障時間

12.5Cu互連中電遷移引起的失效

12.5.1微觀結構對電遷移的影響

12.5.2溶質對電遷移的影響

12.5.3應力對電遷移的影響

12.5.4納米孿晶對電遷移的影響

參考文獻

習題

 

第13章熱遷移

13.1引言

13.2SnPb倒裝焊點的熱遷移

13.2.1未通電復合焊點的熱遷移

13.2.2熱遷移的現場觀察

13.2.3兩相共晶結構中相分離的隨機狀態

13.2.4未通電的共晶SnPb焊點的熱遷移

13.3熱遷移分析

13.3.1熱遷移的驅動力

13.3.2共晶兩相合金中的熱遷移

13.4倒裝焊點在直流或交流電應力下的熱遷移

13.5無鉛倒裝焊點的熱遷移

13.6無鉛倒裝焊點的熱遷移和蠕變

參考文獻

習題

 

第14章薄膜內應力遷移

14.1引言

14.2受壓固體中的化學勢

14.3擴散蠕變(納巴羅-荷爾圖方程)

14.4拉應力驅動下的Al互連結構的空洞生長

14.5壓應力驅動下的Sn/Cu薄膜的晶須生長

14.5.1Sn晶須自發生長的形態學

14.5.2Sn晶須生長中的應力產生(驅動力)

14.5.3錶面Sn氧化物對應力梯度產生的影響

14.5.4同步輻射微區衍射測量應力分佈

14.5.5蠕變作用導致的應力弛豫：Sn晶須生長中的斷氧化物

模型

參考文獻

習題

 

第15章可靠性科學和分析

15.1引言

15.2定體積和非定體積流程

15.3不可逆過程中晶格位移對質量通量散度的影響

15.3.1電流密度、溫度和化學勢在器件運行前的初始分佈

15.3.2器件運行期間分佈的變化

15.3.3晶格位移對質量通量的影響

15.4倒裝焊點電遷移失效的物理分析

15.4.1焊點結中電流密度的分佈

15.4.2溫度在焊點結中的分佈

15.4.3電流擁擠效應對薄餅狀空洞生長的影響

15.5倒裝焊點電遷移失效的統計分析

15.5.1失效時間和韋布爾分佈

15.5.2布萊克MTTF方程中的參數計算

15.5.3倒裝焊點中布萊克方程的修正

15.5.4韋布爾分佈函數和JMA相變方程

15.5.5失效統計分佈的物理分析

15.6模擬

參考文獻

習題

 

附錄A熱力學函數的簡要回顧

附錄B固體中的缺陷濃度

附錄C亨廷頓電子風力的推導

附錄D彈性常數表及換算

附錄ESi MBE的階梯狀分佈

附錄F互擴散系數

附錄G各種材料的物理性質匯總表