第0章-納米信息材料與器件的進展

納米電子信息材料與集成器件的

進展張懷武

電子科技大學(xué)1目錄

一.電子信息材料的變革二.信息存儲技術(shù)變革三.電子材料與器件變革---LTCC四.材料芯片五.納米晶芯材與集成薄膜器件2

一.電子信息材料的變革3電子信息技術(shù)的變革

我們的信息時代計算機的發(fā)展因特網(wǎng)的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展數(shù)字家電的發(fā)展衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)代軍事的發(fā)展4§1微細加工技術(shù)在集成電路發(fā)展中的作用

一、集成電路發(fā)展簡史58年，鍺IC59年，硅IC61年，SSI（10

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

64年，線性IC

加工尺度：微米~納米。5

65年，MSI（100

~3000個元件/芯片）69年，CCD70年，LSI（3000~10萬個元件/芯片），1KDRAM71年，8位MPUIC，400472年，4KDRAM，I2LIC77年，VLSI（10萬~

300萬個元件/芯片），64KDRAM，16位MPU80年，256KDRAM，2μm84年，1MDRAM，1μm85年，32位MPU，M680206

86年，ULSI（300萬~10億個元件/芯片），

4MDRAM(8×106,91mm2,0.8μm,150mm)，于89年開始商業(yè)化生產(chǎn)，95年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：g線（436nm）步進光刻機、1：10投影曝光、負性膠正性膠、各向異性干法腐蝕、LOCOS元件隔離技術(shù)、LDD結(jié)構(gòu)、淺結(jié)注入、薄柵絕緣層、多晶硅或難熔金屬硅化物、多層薄膜工藝等。

88年，16MDRAM（3×107,135mm2,0.5μm,200mm），于92年開始商業(yè)化生產(chǎn)，97年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：i線（365nm）步進光刻機、選擇CVD工藝、多晶硅化物、難熔金屬硅化物多層布線、接觸埋入、化學(xué)機械拋光（CMP）工藝等。7

91年，64MDRAM（1.4×108,198mm2,0.35μm,200mm），于94年開始商業(yè)化生產(chǎn)，99年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：i線步進光刻機、相移掩模技術(shù)、低溫平面化工藝、全干法低損傷刻蝕、加大存儲電容工藝、增強型隔離、RTP/RTA工藝、高性能淺結(jié)、CMP工藝、生產(chǎn)現(xiàn)場粒子監(jiān)控工藝等。

92年，256MDRAM（5.6×108,400mm2,0.25μm,200mm），于98年開始商業(yè)化生產(chǎn)，2002年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：準分子激光（248nm）步進光刻機、相移掩模技術(shù)、無機真空兼容全干法光刻膠、<0.1μm淺結(jié)、低溫工藝和全平坦化工藝、CVDAl、Cu金屬工藝、生產(chǎn)全面自動化等。8

95年，GSI（>10億個元件/芯片），

1GDRAM（2.2×109,700mm2,0.18μm,200mm），2000年開始商業(yè)化生產(chǎn)，2004年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：X射線光刻機、超淺結(jié)（0.05μm）、高介電常數(shù)鐵電介質(zhì)工藝、SiC異質(zhì)結(jié)工藝、現(xiàn)場真空連接工藝、實時控制工藝的全面自動化等。

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

2003年進入商業(yè)化生產(chǎn)。9集成電路的發(fā)展規(guī)律Intel公司的創(chuàng)始人摩爾于1975年總結(jié)出了IC工業(yè)發(fā)展的一個重要規(guī)律，即摩爾定律：IC的集成度將每年翻一番。1980年摩爾定律被修改為：IC的集成度每1.5年翻一番，即每3年乘以4。

IC發(fā)展的另一些規(guī)律為：建立一個芯片廠的造價也是每3年乘以4。線條寬度每6年下降一半。芯片上每個器件的價格每年下降30%~40%。晶片直徑的變化：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

集成電路的發(fā)展展望目標：集成度、可靠性、速度、功耗、成本。努力方向：線寬、晶片直徑、設(shè)計技術(shù)。

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

200-400200--400200-400200-400美國1992~2007年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃11美國1997-2012年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃1997199920012003200620092012比特/芯片256M1G4G16G64G256G特征尺寸μm）0.250.180.150.130.10.070.05晶片直徑（mm）20030030030030045045012§2集成電路制造中的基本工藝技術(shù)

材料設(shè)計芯片制造封裝131415ProcessFlowofAnnealedWaferCrystalGrowthSlicingGraphiteHeaterSiMeltSiCrystalPolishingWaferingHighTemp.AnnealingFurnaceAnnealedWaferDefectFreeSurfacebyAnnealing(SurfaceImprovement）SurfaceDefectMapPolishedWafer16

橫向加工：圖形的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移（又稱為光刻，包括曝光、顯影、刻蝕等）?？v向加工：薄膜制備（蒸發(fā)、濺射、氧化、CVD等），摻雜（熱擴散、離子注入、中子嬗變等）。在大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的發(fā)展過程中，光刻技術(shù)的作用約占2/3，其它技術(shù)約占1/3。本課程的課時分配大約也按照這一比例進行。3.芯片制造17涂光刻膠（正）選擇曝光熱氧化SiO2工藝流程舉例（制作PN結(jié)）18去膠摻雜顯影（第1次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第2次圖形轉(zhuǎn)移）NP19蒸發(fā)鍍Al膜光刻Al電極CVD淀積SiO2膜光刻引線孔20典型的雙極集成電路工藝

襯底制備

一次氧化隱埋層光刻隱埋層擴散外延淀積熱氧化隔離光刻隔離擴散熱氧化基區(qū)光刻基區(qū)擴散再分布及氧化發(fā)射區(qū)光刻（背面摻金）發(fā)射區(qū)擴散再分布及氧化接觸孔光刻鋁淀積反刻鋁鋁合金淀積鈍化層壓焊塊光刻中測

21二.半導(dǎo)體技術(shù)革命22

信息技術(shù)--------半導(dǎo)體革命電子是“電荷”的載體，電子和空穴的輸運研究引起20世紀電子學(xué)的一場革命—半導(dǎo)體晶體管產(chǎn)生！23信息技術(shù)-------晶體管革命電子同時是“自旋”的載體，自旋效應(yīng)和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)能否引起新世紀的一場革命—產(chǎn)生自旋晶體管？答案是肯定的?？梢詮慕陔娮有畔㈩I(lǐng)域重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三步曲予以證明：24重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一

計算機硬盤—自旋閥效應(yīng)1988年發(fā)現(xiàn)GMR效應(yīng)，IBM的自旋閥硬盤磁頭于1996年上市，目前計算機硬盤容量達100GBit25

重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之二

MRAM芯片—自旋隧道效應(yīng)

2000年以來，世界頂級公司和科研機構(gòu)研發(fā)焦點是自旋型MRAM存貯芯片，目前已有10MBit數(shù)碼相機用存貯芯片上市，2004年100MBit預(yù)計上市.26

重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之三

自旋晶體管—自旋輸運效應(yīng)目前正在熱點研究，未來應(yīng)用最廣泛，科學(xué)性最強，產(chǎn)生劃時代變革的頂尖研究主題；將替代半導(dǎo)體晶體管，替代半導(dǎo)體開關(guān)器件，應(yīng)用于未來的量子計算機、邏輯單元等領(lǐng)域。

27---自旋晶體管的優(yōu)點▲自旋晶體管內(nèi)在驅(qū)動力是基極的非平衡磁化，基極越薄，面積越小，晶體管效應(yīng)越強----“納米結(jié)”的引入▲集成度高，自旋載流子濃度大，速度快，非易失性，電阻率低，功耗小，線性I-V特性，抗電磁干擾.28--------自旋晶體管原理1、納米結(jié)自旋晶體管的原理29-------自旋晶體管模型■“納米結(jié)”物理模型納米結(jié)自旋晶體管

晶體管圖納米結(jié)自旋晶體管30三.新興電子材料與元器件革命31

LTCC技術(shù)是一種先進的混合電路封裝技術(shù)它是將四大無源器件，即變壓器（T）、電容器（C）、電感器（L）、電阻器（R）集成，配置于多層布線基板中，與有源器件如：功率MOS、晶體管、IC電路模塊等）共同集成為一完整的電路系統(tǒng)。有效地提高電路的封裝密度及系統(tǒng)的可靠性

32LTCC技術(shù)的概念及其分類ThecharacterofThickFilm、LTCC、HTCCtechnology33LTCC技術(shù)的概念及其分類LTCC技術(shù)的研究

設(shè)計技術(shù)

生磁料帶技術(shù)

混合集成技術(shù)

混合集成生磁料帶制造34LTCC技術(shù)的概念及其分類Cross-sectionofLTCCmultilayerdeviceshowingtheindividualcomponentsthatcanbeintegratedIndividualcomponentsthatcanbeintegratedinLTCC35LTCC技術(shù)的概念及其分類LTCCINDUCTOR

LTCCBANDPASSFILTER3DLAYOUTLTCCINDUCTORhavebeenused36LTCC技術(shù)的概念及其分類LTCCsubstratewithintegratedpassivesConstructionoftypicalLTCCmutilayerdeviceConstructionoftypicalLTCCmutilayerdevice37AOB在雙性復(fù)合磁電材料原子團族設(shè)計方面進行了探索，發(fā)現(xiàn)ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與NiO-MnO—FeO復(fù)合可形成納米雙性（C,L)材料

A.新理論38B.新發(fā)現(xiàn)：不同母體的納米復(fù)合材料中，晶粒形狀不同，使材料性能不同。A5SEM圖B5SEM圖介電譜鐵磁譜A-復(fù)合材料晶粒為片狀，B-材料晶粒中有條形晶體。39

現(xiàn)象：介電常數(shù)ε’隨復(fù)合量的增加而增大，1MHz附近時，復(fù)合量為25wt％的比0wt%大6--7倍。原因：鐵電材料與鐵磁材料復(fù)合時發(fā)生互替代化學(xué)反應(yīng)，材料中鈦礦相與尖晶石相共存，但Fe,Ni,Zn離子替代鈦礦相中Ba,Ti離子，相反Ba,Ti離子也參與替代B.新發(fā)現(xiàn)理論模擬結(jié)果實驗測試結(jié)果40設(shè)計出網(wǎng)絡(luò)RJ-45EMI濾波器組建，可應(yīng)用于ADSL,LAN和VDSLC.設(shè)計及應(yīng)用41LTCC技術(shù)之國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀※僅以對低溫共燒片式電感器的需求為例

電子產(chǎn)品名稱平均單機用量（只）電子產(chǎn)品名稱平均單機用量（只）移動電話手持機30筆記本計算機24中文BP機10硬盤驅(qū)動器8數(shù)字BP機10軟盤驅(qū)動器6錄像機20程控交換機2/線傳真機4開關(guān)電源4無繩電話12超薄WALKMAN8大屏幕彩電機芯4便攜式CD唱機7DVD和VCD12數(shù)字電視（機頂蓋）40攝錄一體機35其他20國內(nèi)需求情況42四.信息存儲革命431.傳統(tǒng)的磁光記錄：理論極限為100Gbit/in2，而應(yīng)用領(lǐng)域需求將超過1000Gbit/in22.隨機固態(tài)存儲領(lǐng)域：FRAM,MARM替代傳統(tǒng)的RAM,SRAM,DRAM和FLASHI3.磁光，光電存儲領(lǐng)域：納米點陣存儲代替連續(xù)的數(shù)字存儲緒論------信息存儲革命441.信息存儲焦點問題磁存儲記錄密度在不久的將來會達到由超順磁決定的理論極限（100Gbit/in2)45一2.解決的方法（續(xù)）解決方法之一就是采用光－磁混合超高密度記錄技術(shù)(石榴石MO-GMR可達到728Gbit/in2

)46一3.目前的材料狀況（續(xù)）目前尚沒有合適的混合記錄最佳介質(zhì)，T.CArnoldussen,M.Mirzamaani,M.Doerner,K.Tang,X.Bian,J.FengandM.Gatherwright,“Correlationofthermalstabilityandsignal-to-noiseratioofThinfilmrecordingmedia”,IEEETrans.Mag.,Vol36,pg92(2000)474.對材料的要求（續(xù)）Bi代石榴石（Bi,Cu:DyIG)磁光記錄介質(zhì)可能滿足混合記錄 √適合短波長記錄---大的記錄密度 √氧化物，化學(xué)穩(wěn)定性好---可抗毀傷 √成本低,有大的飽和磁距Ms---便于GMR磁頭讀 √可利用雙層或多層結(jié)構(gòu)增強矯頑力—信息碼穩(wěn)定 √激光調(diào)制寫—利用納米分子掩膜可形成20—30nm

485.目前的技術(shù)考慮（續(xù)）將光磁混合介質(zhì)(Bi,Cu:DyIG)非連續(xù)化（patterned），可以進一步提高記錄密度----700GBit/in2,3.5英寸盤可達7TBit容量。4925.特色與創(chuàng)新工作研究用于光磁混合記錄的耦合型雙層（或多層）石榴石磁光納米球薄膜新材料；在此研究基礎(chǔ)上，擬采用納米球光刻技術(shù)制備亞微米/納米級石榴石磁光記錄薄膜單元，系統(tǒng)研究氧化物型磁性單元的基本特性。

506.納米球掩膜研究51第一步自旋S-G方法鍍球膜采用自旋鍍方法應(yīng)用甲醇稀釋聚本已稀，1000—3000rpm，繼續(xù)應(yīng)用去離子水，甲醇和表面活化劑來稀釋聚本已稀，讓襯底斜10度蒸發(fā)應(yīng)用去離子水來稀釋溶液高壓噴灑自旋鍍來進行鍍制52第二步膜質(zhì)量的控制襯底表面必須應(yīng)用3：7的H2O:H3SiO4清洗為了形成均勻的納米球掩摸，轉(zhuǎn)速必須調(diào)整溶液的濃度必須調(diào)整到最佳位置稀釋的材料，PH值都要調(diào)整53第三步球孔的移動形成四羥基有機物熔解毛刺超聲5分鐘去離子水20秒第一步環(huán)型孔代替方型孔收縮軟的球有利與孔形成54第四步快速退火處理快速退火處理在200C三角型收縮成環(huán)行退火在真空度10-2時間必須嚴格控制55A.新理論：a.

建立了紫藍光域四能級量子躍遷模型，提出新一代磁光材料的法拉弟增強效應(yīng)理論，尋找到最新紫藍光域材料及配方BiyDy3-y-Fe5-xAlxO12，x=0.8-1.2，y=1.0-1.96

b.

提出層狀薄膜的疇動力學(xué)理論模型，解決了納米點陣存儲的信息疇穩(wěn)定難題c.

理論發(fā)現(xiàn)電磁脈沖對MOD的毀傷來源于反磁化核形成----發(fā)現(xiàn)新材料---“0”或“1”位疇形成--磁光盤的穩(wěn)定

56B.新發(fā)現(xiàn)---

紫-藍光域的短波長新材料57B.新發(fā)現(xiàn)MO信息記錄分疇---與尺度和性能參數(shù)的規(guī)律

單元信息位疇“0”或“1”形成條件：

臨界尺度30nm,矯頑力大于3000Oe

理論模擬的結(jié)果

磁力顯微鏡動態(tài)實驗結(jié)果

58B.新發(fā)現(xiàn)MOD的毀傷機理----電磁脈沖作用次數(shù)(b)5000個周期(c)10000個周期M(a)初始態(tài)100nm

實驗結(jié)果理論模擬結(jié)果反磁化核的形成是MOD毀傷的主要原因，反磁化核的形成是在5000次反復(fù)脈沖作用后形成的59五.材料芯片

601.意義與應(yīng)用背景

MRAM不僅具有SRAM存取速度快、工作電壓低，DRAM重復(fù)擦寫次數(shù)多的優(yōu)點，而且具備FLASH的非易失性，并且由于其自身結(jié)構(gòu)的抗電磁干擾、抗輻射、大容量存儲等優(yōu)勢，將在近期和未來軍事信息領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用。61☆近期應(yīng)用情況及應(yīng)用前景分析

應(yīng)用工程具體系統(tǒng)提高性能情況國外軍事研制單位“控制與探測”·軍事移動通信·彈、星機載動態(tài)隨存儲器芯片存儲容量從256Kbit增加到4Mbit，VMRAM可增加到極限容量400Gbit/in2美國Honeywell公司美國NVE公司美國海軍實驗室航空航天·單片控制固態(tài)存儲器·替代flash·替代SRAM·替代DRAM存取時間從幾百納秒減到幾個納秒，容量可達到100Gbit/in2美國莫托羅拉公司美國IBM公司比利時IMEC艦船及航母·預(yù)警系統(tǒng)隨機固態(tài)存儲器·信號處理系統(tǒng)固態(tài)存儲器·導(dǎo)彈指令系統(tǒng)存儲器存取時間達到ns量級存取容量的單芯片達到4Mbit美國海軍研究實驗室日本防務(wù)廳韓國三星公司信息存儲分部衛(wèi)星通信·并行數(shù)據(jù)處理隨機存儲器·固態(tài)寄存移位器·非易失隨機存儲器·容量提高幾個數(shù)量級·工藝簡單可行·日本防務(wù)廳（東北大學(xué)信息所）計算機系統(tǒng)·固態(tài)隨機存儲器·固態(tài)移位寄存器·容量大于4Mbit·存取時間幾個納秒·IBM公司匈牙利INESC62☆MRAM單元的設(shè)計及制作工藝:PSV單元MTJ單元

通過深亞微米光刻技術(shù)、多掩膜工藝、等離子蝕刻，制備PSV和MTJ材料單元。并研究單元熱穩(wěn)定性、單元一致性、單元電阻率與偏壓等關(guān)系。63芯片結(jié)構(gòu)

利用CMOS工藝，采用多掩膜、多次光刻工藝、實現(xiàn)輔助電路、字線、感線、位線的制作，采用高真空濺射沉積工藝實現(xiàn)磁性層單元的制作，并利用半導(dǎo)體的絕緣膜層工藝實現(xiàn)絕緣，最終完成MRAM芯片的制作?！頜RAM材料芯片設(shè)計及制作646566675.理論模型建立研究—C-B方法C-B理論的Sandwich模型（虛線是一個假想界面）-b-a