[正版新书]电子薄膜可靠性 [美]杜经宁(King-Ning Tu) 清华大学出版社 理工

本书是电子材料可靠性领域的系统教材和专著，强调两个方面：（1）如何发明和加工用于新一代芯片的电子功能薄膜；（2）如何提升现有芯片产业电子功能薄膜的可靠性；本书从芯片技术的应用背景出发，系统讲授了薄膜沉积技术、表面能、原子扩散及其应用、薄膜应力、薄膜的表面动力学过程、薄膜的互扩散和反应、晶界扩散、芯片互联和封装领域的不可逆过程、金属中的电迁移、金属互联材料的电迁移失效、热迁移、应力迁移、可靠性分析和科学等，全面覆盖本领域的基础概念、关键理论到产业应用，是本领域的一本核心著作。

王琛 清华大学材料学院副教授，博士生导师，北京集成电路高精尖中心研究员，清华大学NEXT实验室负责人，知名后摩尔新材料与关键技术专家。博士毕业于美国加州大学洛杉矶分校，曾在包括英特尔，泛林半导体等美国硅谷多个知名芯片公司负责芯片设计和研发。当前研究致力从芯片新材料与后摩尔芯片两个端口，多维度开展新一代芯片的系统性基础研究和融合性应用研究。近期在相关领域取得了一系列成果，发表在Nature, Science, Nature Electronics, Nature Nanotechnology等高影响力期刊，总引用超过8000余次，国家发明和PCT专利13项，参与国家标准制定1项，出版书籍章节1章。

本书是微电子领域重要的基础书籍，专注于电子材料可靠性的基础理论和产业应用。本书自出版后，在美国、中国台湾、中国香港等多所知名高校被广泛的应用于研究生的教学中，取得了显著的教学效果，培养了大批芯片可靠性提升和可靠性分析的人才。该书的原作者杜经宁教师是本领域全球知名的学者，并且有丰富的产业研究经验，所研发的技术推动了芯片可靠性的研究提升。我国目前相关领域的教学依然处在起步阶段，大量新建设的集成电路学院、微电子学院急需相关领域的高质量教材，材料学院、半导体学院等相关学院对本方向教学的需求也非常强烈。此外，随时我国集成电路产业的逐步发展，相关产业的工程师和研发人员也急需本领域的专业书籍作为参考专著，此书的出版将满足相关的需求。

目录

第1章微电子技术中的薄膜应用

1.1引言

1.2金属氧化物半导体场效应晶体管

1.2.1自对准硅化物接触和栅极

1.3倒装焊中的薄膜下凸点金属化

1.4计算机为什么很少出现可靠性故障

1.5从微电子技术到纳米电子技术的发展趋势和转变

1.6摩尔定律的终结对微电子学的影响

参考文献

第2章薄膜沉积

2.1引言

2.2薄膜沉积中的通量方程

2.3薄膜沉积速率

2.4理想气体状态方程

2.5气体分子的动能

2.6表面上的热平衡通量

2.7超高真空对沉积膜纯度的影响

2.8气体分子碰撞频率

2.9玻尔兹曼速度分布函数和理想气体状态方程

2.10麦克斯韦速度分布函数和气体分子的动能

2.11影响薄膜微结构的形核和生长参数

参考文献

习题

第3章表面能

3.1引言

3.2原子间相互作用势能，键能和结合能

3.3短程相互作用和准化学假设

3.4表面能和潜热

3.5表面张力

3.6通过毛细效应测量液体的表面能

3.7零蠕变法测量固体的表面能

3.8表面能系统分类

3.9表面能的大小

3.9.1热力学方法

3.9.2力学方法

3.9.3原子方法

3.10表面结构

3.10.1晶体学及其标志法

3.10.2晶向和晶面

3.10.3表面结构

参考文献

习题

第4章固体中的原子扩散

4.1引言

4.2跳跃频率和扩散通量

4.3菲克第一定律(通量方程)

4.4扩散系数

4.5菲克第二定律(连续性方程)

4.5.1连续性方程的推导

4.6扩散方程的一个解

4.7扩散系数

4.8扩散系数的计算

4.9扩散系数中的参数

4.9.1原子振动频率

4.9.2活化焓

4.9.3指数前因子

参考文献

习题

第5章扩散方程的应用

5.1引言

5.2菲克第一定律的应用(流量方程)

5.2.1齐纳的平面析出物生长模型

5.2.2Kidson对薄膜层状生长的分析

5.3菲克第二定律的应用(扩散方程)

5.3.1扩散对组分均匀化的影响

5.3.2体扩散偶中的互扩散

5.4固体析出物生长的分析

5.4.1Ham的球状析出物生长模型(Cr恒定)

5.4.2平均场理论

5.4.3通过熟化过程生长球形纳米颗粒

参考文献

习题

第6章薄膜中的弹性应力和应变

6.1引言

6.2弹性的应力-应变关系

6.3应变能

6.4薄膜中的双轴应力

6.5薄膜中双轴应力的斯托尼方程

6.6测量Al薄膜中的热应力

6.7斯托尼方程在热膨胀测量中的应用

6.8非谐效应和热膨胀

6.9薄膜中内应力的起源

6.10失配位错的弹性能

参考文献

习题

第7章薄膜表面动力过程

7.1引言

7.2表面上的吸附原子

7.3表面上的平衡蒸气压

7.4表面扩散

7.5阶梯介导的同质外延生长

7.6非晶薄膜的沉积和生长

7.7同质外延生长模式

7.8表面圆盘的同质成核

7.9图案化表面上的物质输运

7.9.1图案化表面扩散的早期阶段

7.9.2图案化结构上传质后期阶段

7.10表面上半球形粒子的熟化

参考文献

习题

第8章薄膜中的互扩散与反应

8.1引言

8.2硅化物的形成

8.2.1顺序硅化镍的形成

8.2.2硅化物形成的第一相

8.3薄膜反应中界面反应控制生长动力学

8.4两层相竞争生长动力学

8.5金属间化合物生成中的标记物分析

8.6单层金属与硅片的反应

参考文献

习题

第9章晶界扩散

9.1引言

9.2晶界扩散与体扩散的比较

9.3费舍晶界扩散分析

9.3.1穿透深度

9.3.2切片法

9.4维普的晶界扩散分析

9.5小角度的晶界扩散

9.6扩散诱发晶界运动

参考文献

习题

第10章互连和封装技术中的不可逆过程

10.1引言

10.2通量方程

10.3熵的产生

10.3.1热传导

10.3.2原子扩散

10.3.3导电性

10.4随温度变化的共轭力

10.4.1原子扩散

10.4.2电传导

10.5焦耳热

10.6电迁移、热迁移和应力迁移

10.7电迁移中的不可逆过程

10.7.1铝条的电迁移和蠕变

10.8热迁移中的不可逆过程

10.8.1未通电化合物焊点的热迁移

10.9热电效应中的不可逆过程

10.9.1汤姆孙效应和塞贝克效应

10.9.2珀尔帖效应

参考文献

习题

第11章金属中的电迁移

11.1引言

11.2欧姆定律

11.3金属互连中的电迁移

11.4电迁移的电子风力

11.5有效电荷数的计算

11.6背应力的影响及临界长度、临界积、有效电荷数的测量

11.7为什么在铝互连中存在背应力

11.8电迁移引起的背应力的测量

11.9电流拥挤

11.10电迁移的电流密度梯度力

11.11β-Sn各向异性导体中的电迁移

11.12各向异性导体中晶界的电迁移

11.13交流电迁移

参考文献

习题

第12章铝和铜互连中电迁移引发的失效

12.1引言

12.2原子通量发散引起的电迁移失效

12.3因电流拥挤的电迁移引起的失效

12.3.1电流密度区域的空隙形成

12.4铝互连中电迁移引起的失效

12.4.1Al微观结构对电迁移的影响

12.4.2多层Al线和W过孔磨损的失效模式

12.4.3Cu溶质对Al中电迁移的影响

12.4.4Al互连的平均故障时间

12.5Cu互连中电迁移引起的失效

12.5.1微观结构对电迁移的影响

12.5.2溶质对电迁移的影响

12.5.3应力对电迁移的影响

12.5.4纳米孪晶对电迁移的影响

参考文献

习题

第13章热迁移

13.1引言

13.2SnPb倒装焊点的热迁移

13.2.1未通电复合焊点的热迁移

13.2.2热迁移的现场观察

13.2.3两相共晶结构中相分离的随机状态

13.2.4未通电的共晶SnPb焊点的热迁移

13.3热迁移分析

13.3.1热迁移的驱动力

13.3.2共晶两相合金中的热迁移

13.4倒装焊点在直流或交流电应力下的热迁移

13.5无铅倒装焊点的热迁移

13.6无铅倒装焊点的热迁移和蠕变

参考文献

习题

第14章薄膜内应力迁移

14.1引言

14.2受压固体中的化学势

14.3扩散蠕变(纳巴罗-荷尔图方程)

14.4拉应力驱动下的Al互连结构的空洞生长

14.5压应力驱动下的Sn/Cu薄膜的晶须生长

14.5.1Sn晶须自发生长的形态学

14.5.2Sn晶须生长中的应力产生(驱动力)

14.5.3表面Sn氧化物对应力梯度产生的影响

14.5.4同步辐射微区衍射测量应力分布

14.5.5蠕变作用导致的应力弛豫：Sn晶须生长中的断氧化物

模型

参考文献

习题

第15章可靠性科学和分析

15.1引言

15.2定体积和非定体积流程

15.3不可逆过程中晶格位移对质量通量散度的影响

15.3.1电流密度、温度和化学势在器件运行前的初始分布

15.3.2器件运行期间分布的变化

15.3.3晶格位移对质量通量的影响

15.4倒装焊点电迁移失效的物理分析

15.4.1焊点结中电流密度的分布

15.4.2温度在焊点结中的分布

15.4.3电流拥挤效应对薄饼状空洞生长的影响

15.5倒装焊点电迁移失效的统计分析

15.5.1失效时间和韦布尔分布

15.5.2布莱克MTTF方程中的参数计算

15.5.3倒装焊点中布莱克方程的修正

15.5.4韦布尔分布函数和JMA相变方程

15.5.5失效统计分布的物理分析

15.6仿真

参考文献

习题

附录A热力学函数的简要回顾

附录B固体中的缺陷浓度

附录C亨廷顿电子风力的推导

附录D弹性常数表及换算

附录ESi MBE的阶梯状分布

附录F互扩散系数

附录G各种材料的物理性质汇总表