第0章-纳米信息材料与器件的进展

纳米电子信息材料与集成器件的

进展张怀武

电子科技大学1目录

一.电子信息材料的变革二.信息存储技术变革三.电子材料与器件变革---LTCC四.材料芯片五.纳米晶芯材与集成薄膜器件2

一.电子信息材料的变革3电子信息技术的变革

我们的信息时代计算机的发展因特网的发展物联网的发展数字家电的发展卫星系统的发展现代军事的发展4§1微细加工技术在集成电路发展中的作用

一、集成电路发展简史58年，锗IC59年，硅IC61年，SSI（10

~100个元件/芯片），RTL62年，MOSIC，TTL，ECL63年，CMOSIC

64年，线性IC

加工尺度：微米~纳米。5

65年，MSI（100

~3000个元件/芯片）69年，CCD70年，LSI（3000~10万个元件/芯片），1KDRAM71年，8位MPUIC，400472年，4KDRAM，I2LIC77年，VLSI（10万~

300万个元件/芯片），64KDRAM，16位MPU80年，256KDRAM，2μm84年，1MDRAM，1μm85年，32位MPU，M680206

86年，ULSI（300万~10亿个元件/芯片），

4MDRAM(8×106,91mm2,0.8μm,150mm)，于89年开始商业化生产，95年达到生产顶峰。主要工艺技术：g线（436nm）步进光刻机、1：10投影曝光、负性胶正性胶、各向异性干法腐蚀、LOCOS元件隔离技术、LDD结构、浅结注入、薄栅绝缘层、多晶硅或难熔金属硅化物、多层薄膜工艺等。

88年，16MDRAM（3×107,135mm2,0.5μm,200mm），于92年开始商业化生产，97年达到生产顶峰。主要工艺技术：i线（365nm）步进光刻机、选择CVD工艺、多晶硅化物、难熔金属硅化物多层布线、接触埋入、化学机械抛光（CMP）工艺等。7

91年，64MDRAM（1.4×108,198mm2,0.35μm,200mm），于94年开始商业化生产，99年达到生产顶峰。主要工艺技术：i线步进光刻机、相移掩模技术、低温平面化工艺、全干法低损伤刻蚀、加大存储电容工艺、增强型隔离、RTP/RTA工艺、高性能浅结、CMP工艺、生产现场粒子监控工艺等。

92年，256MDRAM（5.6×108,400mm2,0.25μm,200mm），于98年开始商业化生产，2002年达到生产顶峰。主要工艺技术：准分子激光（248nm）步进光刻机、相移掩模技术、无机真空兼容全干法光刻胶、<0.1μm浅结、低温工艺和全平坦化工艺、CVDAl、Cu金属工艺、生产全面自动化等。8

95年，GSI（>10亿个元件/芯片），

1GDRAM（2.2×109,700mm2,0.18μm,200mm），2000年开始商业化生产，2004年达到生产顶峰。主要工艺技术：X射线光刻机、超浅结（0.05μm）、高介电常数铁电介质工艺、SiC异质结工艺、现场真空连接工艺、实时控制工艺的全面自动化等。

97年，4GDRAM（8.8×109,986mm2,0.13μm,300mm），

2003年进入商业化生产。9集成电路的发展规律Intel公司的创始人摩尔于1975年总结出了IC工业发展的一个重要规律，即摩尔定律：IC的集成度将每年翻一番。1980年摩尔定律被修改为：IC的集成度每1.5年翻一番，即每3年乘以4。

IC发展的另一些规律为：建立一个芯片厂的造价也是每3年乘以4。线条宽度每6年下降一半。芯片上每个器件的价格每年下降30%~40%。晶片直径的变化：60年：0.5英寸，65年：1英寸，70年：2英寸，75年：3英寸，80年：4英寸，90年：6英寸，95年：8英寸（200mm），2000年：12英寸（300mm）。10

集成电路的发展展望目标：集成度、可靠性、速度、功耗、成本。努力方向：线宽、晶片直径、设计技术。

199219951998200120042007比特/芯片16M64M256M1G4G16G特征尺寸（μm）0.50.350.250.180.120.07晶片直径（mm）200200

200-400200--400200-400200-400美国1992~2007年半导体技术发展规划11美国1997-2012年半导体技术发展规划1997199920012003200620092012比特/芯片256M1G4G16G64G256G特征尺寸μm）0.250.180.150.130.10.070.05晶片直径（mm）20030030030030045045012§2集成电路制造中的基本工艺技术

材料设计芯片制造封装131415ProcessFlowofAnnealedWaferCrystalGrowthSlicingGraphiteHeaterSiMeltSiCrystalPolishingWaferingHighTemp.AnnealingFurnaceAnnealedWaferDefectFreeSurfacebyAnnealing(SurfaceImprovement）SurfaceDefectMapPolishedWafer16

横向加工：图形的产生与转移（又称为光刻，包括曝光、显影、刻蚀等）。纵向加工：薄膜制备（蒸发、溅射、氧化、CVD等），掺杂（热扩散、离子注入、中子嬗变等）。在大规模集成电路制造技术的发展过程中，光刻技术的作用约占2/3，其它技术约占1/3。本课程的课时分配大约也按照这一比例进行。3.芯片制造17涂光刻胶（正）选择曝光热氧化SiO2工艺流程举例（制作PN结）18去胶掺杂显影（第1次图形转移）刻蚀（第2次图形转移）NP19蒸发镀Al膜光刻Al电极CVD淀积SiO2膜光刻引线孔20典型的双极集成电路工艺

衬底制备

一次氧化隐埋层光刻隐埋层扩散外延淀积热氧化隔离光刻隔离扩散热氧化基区光刻基区扩散再分布及氧化发射区光刻（背面掺金）发射区扩散再分布及氧化接触孔光刻铝淀积反刻铝铝合金淀积钝化层压焊块光刻中测

21二.半导体技术革命22

信息技术--------半导体革命电子是“电荷”的载体，电子和空穴的输运研究引起20世纪电子学的一场革命—半导体晶体管产生！23信息技术-------晶体管革命电子同时是“自旋”的载体，自旋效应和规律的发现能否引起新世纪的一场革命—产生自旋晶体管？答案是肯定的。可以从近期电子信息领域重大科学发现的三步曲予以证明：24重大的科学发现之一

计算机硬盘—自旋阀效应1988年发现GMR效应，IBM的自旋阀硬盘磁头于1996年上市，目前计算机硬盘容量达100GBit25

重大的科学发现之二

MRAM芯片—自旋隧道效应

2000年以来，世界顶级公司和科研机构研发焦点是自旋型MRAM存贮芯片，目前已有10MBit数码相机用存贮芯片上市，2004年100MBit预计上市.26

重大的科学发现之三

自旋晶体管—自旋输运效应目前正在热点研究，未来应用最广泛，科学性最强，产生划时代变革的顶尖研究主题；将替代半导体晶体管，替代半导体开关器件，应用于未来的量子计算机、逻辑单元等领域。

27---自旋晶体管的优点▲自旋晶体管内在驱动力是基极的非平衡磁化，基极越薄，面积越小，晶体管效应越强----“纳米结”的引入▲集成度高，自旋载流子浓度大，速度快，非易失性，电阻率低，功耗小，线性I-V特性，抗电磁干扰.28--------自旋晶体管原理1、纳米结自旋晶体管的原理29-------自旋晶体管模型■“纳米结”物理模型纳米结自旋晶体管

晶体管图纳米结自旋晶体管30三.新兴电子材料与元器件革命31

LTCC技术是一种先进的混合电路封装技术它是将四大无源器件，即变压器（T）、电容器（C）、电感器（L）、电阻器（R）集成，配置于多层布线基板中，与有源器件如：功率MOS、晶体管、IC电路模块等）共同集成为一完整的电路系统。有效地提高电路的封装密度及系统的可靠性

32LTCC技术的概念及其分类ThecharacterofThickFilm、LTCC、HTCCtechnology33LTCC技术的概念及其分类LTCC技术的研究

设计技术

生磁料带技术

混合集成技术

混合集成生磁料带制造34LTCC技术的概念及其分类Cross-sectionofLTCCmultilayerdeviceshowingtheindividualcomponentsthatcanbeintegratedIndividualcomponentsthatcanbeintegratedinLTCC35LTCC技术的概念及其分类LTCCINDUCTOR

LTCCBANDPASSFILTER3DLAYOUTLTCCINDUCTORhavebeenused36LTCC技术的概念及其分类LTCCsubstratewithintegratedpassivesConstructionoftypicalLTCCmutilayerdeviceConstructionoftypicalLTCCmutilayerdevice37AOB在双性复合磁电材料原子团族设计方面进行了探索，发现ABO3钙钛矿结构与NiO-MnO—FeO复合可形成纳米双性（C,L)材料

A.新理论38B.新发现：不同母体的纳米复合材料中，晶粒形状不同，使材料性能不同。A5SEM图B5SEM图介电谱铁磁谱A-复合材料晶粒为片状，B-材料晶粒中有条形晶体。39

现象：介电常数ε’随复合量的增加而增大，1MHz附近时，复合量为25wt％的比0wt%大6--7倍。原因：铁电材料与铁磁材料复合时发生互替代化学反应，材料中钛矿相与尖晶石相共存，但Fe,Ni,Zn离子替代钛矿相中Ba,Ti离子，相反Ba,Ti离子也参与替代B.新发现理论模拟结果实验测试结果40设计出网络RJ-45EMI滤波器组建，可应用于ADSL,LAN和VDSLC.设计及应用41LTCC技术之国内外发展现状※仅以对低温共烧片式电感器的需求为例

电子产品名称平均单机用量（只）电子产品名称平均单机用量（只）移动电话手持机30笔记本计算机24中文BP机10硬盘驱动器8数字BP机10软盘驱动器6录像机20程控交换机2/线传真机4开关电源4无绳电话12超薄WALKMAN8大屏幕彩电机芯4便携式CD唱机7DVD和VCD12数字电视（机顶盖）40摄录一体机35其他20国内需求情况42四.信息存储革命431.传统的磁光记录：理论极限为100Gbit/in2，而应用领域需求将超过1000Gbit/in22.随机固态存储领域：FRAM,MARM替代传统的RAM,SRAM,DRAM和FLASHI3.磁光，光电存储领域：纳米点阵存储代替连续的数字存储绪论------信息存储革命441.信息存储焦点问题磁存储记录密度在不久的将来会达到由超顺磁决定的理论极限（100Gbit/in2)45一2.解决的方法（续）解决方法之一就是采用光－磁混合超高密度记录技术(石榴石MO-GMR可达到728Gbit/in2

)46一3.目前的材料状况（续）目前尚没有合适的混合记录最佳介质，T.CArnoldussen,M.Mirzamaani,M.Doerner,K.Tang,X.Bian,J.FengandM.Gatherwright,“Correlationofthermalstabilityandsignal-to-noiseratioofThinfilmrecordingmedia”,IEEETrans.Mag.,Vol36,pg92(2000)474.对材料的要求（续）Bi代石榴石（Bi,Cu:DyIG)磁光记录介质可能满足混合记录 √适合短波长记录---大的记录密度 √氧化物，化学稳定性好---可抗毁伤 √成本低,有大的饱和磁距Ms---便于GMR磁头读 √可利用双层或多层结构增强矫顽力—信息码稳定 √激光调制写—利用纳米分子掩膜可形成20—30nm

485.目前的技术考虑（续）将光磁混合介质(Bi,Cu:DyIG)非连续化（patterned），可以进一步提高记录密度----700GBit/in2,3.5英寸盘可达7TBit容量。4925.特色与创新工作研究用于光磁混合记录的耦合型双层（或多层）石榴石磁光纳米球薄膜新材料；在此研究基础上，拟采用纳米球光刻技术制备亚微米/纳米级石榴石磁光记录薄膜单元，系统研究氧化物型磁性单元的基本特性。

506.纳米球掩膜研究51第一步自旋S-G方法镀球膜采用自旋镀方法应用甲醇稀释聚本已稀，1000—3000rpm，继续应用去离子水，甲醇和表面活化剂来稀释聚本已稀，让衬底斜10度蒸发应用去离子水来稀释溶液高压喷洒自旋镀来进行镀制52第二步膜质量的控制衬底表面必须应用3：7的H2O:H3SiO4清洗为了形成均匀的纳米球掩摸，转速必须调整溶液的浓度必须调整到最佳位置稀释的材料，PH值都要调整53第三步球孔的移动形成四羟基有机物熔解毛刺超声5分钟去离子水20秒第一步环型孔代替方型孔收缩软的球有利与孔形成54第四步快速退火处理快速退火处理在200C三角型收缩成环行退火在真空度10-2时间必须严格控制55A.新理论：a.

建立了紫蓝光域四能级量子跃迁模型，提出新一代磁光材料的法拉弟增强效应理论，寻找到最新紫蓝光域材料及配方BiyDy3-y-Fe5-xAlxO12，x=0.8-1.2，y=1.0-1.96

b.

提出层状薄膜的畴动力学理论模型，解决了纳米点阵存储的信息畴稳定难题c.

理论发现电磁脉冲对MOD的毁伤来源于反磁化核形成----发现新材料---“0”或“1”位畴形成--磁光盘的稳定

56B.新发现---

紫-蓝光域的短波长新材料57B.新发现MO信息记录分畴---与尺度和性能参数的规律

单元信息位畴“0”或“1”形成条件：

临界尺度30nm,矫顽力大于3000Oe

理论模拟的结果

磁力显微镜动态实验结果

58B.新发现MOD的毁伤机理----电磁脉冲作用次数(b)5000个周期(c)10000个周期M(a)初始态100nm

实验结果理论模拟结果反磁化核的形成是MOD毁伤的主要原因，反磁化核的形成是在5000次反复脉冲作用后形成的59五.材料芯片

601.意义与应用背景

MRAM不仅具有SRAM存取速度快、工作电压低，DRAM重复擦写次数多的优点，而且具备FLASH的非易失性，并且由于其自身结构的抗电磁干扰、抗辐射、大容量存储等优势，将在近期和未来军事信息领域发挥重大的作用。61☆近期应用情况及应用前景分析

应用工程具体系统提高性能情况国外军事研制单位“控制与探测”·军事移动通信·弹、星机载动态随存储器芯片存储容量从256Kbit增加到4Mbit，VMRAM可增加到极限容量400Gbit/in2美国Honeywell公司美国NVE公司美国海军实验室航空航天·单片控制固态存储器·替代flash·替代SRAM·替代DRAM存取时间从几百纳秒减到几个纳秒，容量可达到100Gbit/in2美国莫托罗拉公司美国IBM公司比利时IMEC舰船及航母·预警系统随机固态存储器·信号处理系统固态存储器·导弹指令系统存储器存取时间达到ns量级存取容量的单芯片达到4Mbit美国海军研究实验室日本防务厅韩国三星公司信息存储分部卫星通信·并行数据处理随机存储器·固态寄存移位器·非易失随机存储器·容量提高几个数量级·工艺简单可行·日本防务厅（东北大学信息所）计算机系统·固态随机存储器·固态移位寄存器·容量大于4Mbit·存取时间几个纳秒·IBM公司匈牙利INESC62☆MRAM单元的设计及制作工艺:PSV单元MTJ单元

通过深亚微米光刻技术、多掩膜工艺、等离子蚀刻，制备PSV和MTJ材料单元。并研究单元热稳定性、单元一致性、单元电阻率与偏压等关系。63芯片结构

利用CMOS工艺，采用多掩膜、多次光刻工艺、实现辅助电路、字线、感线、位线的制作，采用高真空溅射沉积工艺实现磁性层单元的制作，并利用半导体的绝缘膜层工艺实现绝缘，最终完成MRAM芯片的制作。☆MRAM材料芯片设计及制作646566675.理论模型建立研究—C-B方法C-B理论的Sandwich模型（虚线是一个假想界面）-b-a