第0章--纳米信息与器件的进展素材

电子科技大学电子科技大学电子科技大学1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电子科技大学电子科技大学电子科技大学2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电子科技大学电子科技大学电子科技大学3一.电子信息材料的变革电子科技大学电子科技大学电子科技大学4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0102030405060708090200020012002200320042005计算机上网数字家电电子科技大学电子科技大学电子科技大学5§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，CMOSIC64年，线性IC加工尺度：微米~纳米。电子科技大学电子科技大学电子科技大学665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，M68020电子科技大学电子科技大学电子科技大学786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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学891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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学995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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学10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）。电子科技大学电子科技大学电子科技大学11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）200200200-400200--400200-400200-400美国1992~2007年半导体技术发展规划电子科技大学电子科技大学电子科技大学12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）200300300300300450450电子科技大学电子科技大学电子科技大学13§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电子科技大学电子科技大学电子科技大学14电子科技大学电子科技大学电子科技大学15电子科技大学电子科技大学电子科技大学16CrystalGrowthSlicingGraphiteHeaterSiMeltSiCrystalPolishingWaferingHighTemp.AnnealingFurnaceAnnealedWaferDefectFreeSurfacebyAnnealing(SurfaceImprovement）SurfaceDefectMapPolishedWafer电子科技大学电子科技大学电子科技大学17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.芯片制造电子科技大学电子科技大学电子科技大学18涂光刻胶（正）选择曝光热氧化SiO2工艺流程举例（制作PN结）电子科技大学电子科技大学电子科技大学19去胶掺杂显影（第1次图形转移）刻蚀（第2次图形转移）NP电子科技大学电子科技大学电子科技大学20蒸发镀Al膜光刻Al电极CVD淀积SiO2膜光刻引线孔电子科技大学电子科技大学电子科技大学21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电子科技大学电子科技大学电子科技大学22二.半导体技术革命电子科技大学电子科技大学电子科技大学23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！电子科技大学电子科技大学电子科技大学24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：电子科技大学电子科技大学电子科技大学25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100GBit电子科技大学电子科技大学电子科技大学26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.电子科技大学电子科技大学电子科技大学27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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学28---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.电子科技大学电子科技大学电子科技大学29--------自旋晶体管原理eIPIBe1nMBenAdIEPPVeFss5.1211、纳米结自旋晶体管的原理电子科技大学电子科技大学电子科技大学30-------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电子科技大学电子科技大学电子科技大学31三.新兴电子材料与元器件革命电子科技大学电子科技大学电子科技大学32LTCC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电子科技大学电子科技大学电子科技大学33LTCC技术的概念及其分类ThecharacterofThickFilm、LTCC、HTCCtechnology电子科技大学电子科技大学电子科技大学34LTCC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电子科技大学电子科技大学电子科技大学35LTCC技术的概念及其分类Cross-sectionofLTCCmultilayerdeviceshowingtheindividualcomponentsthatcanbeintegratedIndividualcomponentsthatcanbeintegratedinLTCC电子科技大学电子科技大学电子科技大学36LTCC技术的概念及其分类LTCCINDUCTORLTCCBANDPASSFILTER3DLAYOUTLTCCINDUCTORhavebeenused电子科技大学电子科技大学电子科技大学37LTCC技术的概念及其分类LTCCsubstratewithintegratedpassivesConstructionoftypicalLTCCmutilayerdeviceConstructionoftypicalLTCCmutilayerdevice电子科技大学电子科技大学电子科技大学38AOB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.新理论电子科技大学电子科技大学电子科技大学39106107108109024681012PermeabilityFrequency/Hzx=0.25'x=0.25x=0.00'x=0.0010610710810910203040506070DielectricconstantFrequency/Hzx=0.00x=0.05x=0.15x=0.20x=0.25B.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。电子科技大学电子科技大学电子科技大学40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电子科技大学电子科技大学电子科技大学41•设计出网络RJ-45EMI滤波器组建，可应用于ADSL,LAN和VDSLserviceintern