纳米信息与器件的进展素材

1、电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 1 1 目目 录录 一一. .电子信息材料的变革电子信息材料的变革 二二. .信息存储技术变革信息存储技术变革 三三. .电子材料与器件变革电子材料与器件变革-LTCC -LTCC 四四. . 材料芯片材料芯片 五五. .纳米晶芯材与集成薄膜器件纳米晶芯材与集成薄膜器件 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2 2 一一. .电子信息材料的变革电子信息材料的变革 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3 3 电子信息技术的变革电子信息技术

2、的变革 我们的信息时代我们的信息时代 计算机的发展计算机的发展 因特网的发展因特网的发展 物联网的发展物联网的发展 数字家电的发展数字家电的发展 卫星系统的发展卫星系统的发展 现代军事的发展现代军事的发展 0 0 1010 2020 3030 4040 5050 6060 7070 8080 9090 20002000 20012001 20022002 20032003 20042004 20052005 计算机计算机 上网上网 数字家电数字家电 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4 4 一、集成电路发展简史一、集成电路发展简史 58年，锗年，锗

3、IC 59年，硅年，硅 IC 61年，年，SSI（10 100 个元件个元件/ /芯片），芯片），RTL 62年，年，MOS IC ，TTL ，ECL 63年，年，CMOS IC 64年，线性年，线性 IC 加工尺度：微米加工尺度：微米 纳米。纳米。 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 5 5 65年，年，MSI （100 3000个元件个元件/ /芯片）芯片） 69年，年，CCD 70年，年，LSI （3000 10万个元件万个元件/ /芯片），芯片），1K DRAM 71年，年，8位位 MPU IC ， 4004 72年，年，4K DRAM ，I2

4、L IC 77年，年，VLSI（10万万 300万个元件万个元件/ /芯片），芯片），64K DRAM ， 16位位 MPU 80年，年，256K DRAM ，2 m 84年，年，1M DRAM ，1 m 85年，年，32位位 MPU ，M68020 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6 6 86年，年，ULSI（300万万 10亿个元件亿个元件/ /芯片），芯片）， 4M DRAM ( 8106, 91mm2, 0.8 m, 150 mm ) ， 于于89年开始商业化生产，年开始商业化生产，95年达到生产顶峰。主要工年达到生产顶峰。主要工 艺技术：

5、艺技术：g 线（线（436nm）步进光刻机、）步进光刻机、1：10 投影曝光、投影曝光、 负性胶负性胶 正性胶、各向异性干法腐蚀、正性胶、各向异性干法腐蚀、LOCOS元件元件 隔离技术、隔离技术、LDD结构、浅结注入、薄栅绝缘层、多晶结构、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。硅或难熔金属硅化物、多层薄膜工艺等。 88年，年，16M DRAM（3107, 135 mm2, 0.5 m, 200 mm），）， 于于92年开始商业化生产，年开始商业化生产，97 年达到生产顶峰。主要年达到生产顶峰。主要 工艺技术：工艺技术：i 线（线（365nm）步进光刻机、选择）步进光刻

6、机、选择CVD工艺、工艺、 多晶硅化物、难熔金属硅化物多层布线、接触埋入、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（化学机械抛光（CMP）工艺等。）工艺等。 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7 7 91年，年， 64M DRAM（1.4108, 198 mm2, 0.35 m, 200 mm），）， 于于94年开始商业化生产，年开始商业化生产，99年达到生产顶峰。主要年达到生产顶峰。主要 工艺技术：工艺技术： i 线步进光刻机、相移掩模技术、低温平线步进光刻机、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、

7、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、增强型隔离、RTP/ /RTA工艺、高性能浅结、工艺、高性能浅结、CMP 工艺、生产现场粒子监控工艺等。工艺、生产现场粒子监控工艺等。 92年，年， 256M DRAM（5.6108, 400 mm2, 0.25 m, 200 mm） ， 于于98年开始商业化生产，年开始商业化生产，2002年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。 主要工艺技术：准分子激光（主要工艺技术：准分子激光（248 nm）步进光刻机、）步进光刻机、 相移掩模技术、无机真空兼容全干法光刻胶、相移掩模技术、无机真空兼容全干法光刻胶、 10亿个元件亿个元件/ /芯片），芯片

8、）， 1 G DRAM（2.2109, 700 mm2, 0.18 m, 200 mm） ， 2000年开始商业化生产，年开始商业化生产，2004年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。 主要工艺技术：主要工艺技术：X 射线光刻机、超浅结（射线光刻机、超浅结（0.05 m）、）、 高介电常数铁电介质工艺、高介电常数铁电介质工艺、SiC 异质结工艺、现场异质结工艺、现场 真空连接工艺、实时控制工艺的全面自动化等。真空连接工艺、实时控制工艺的全面自动化等。 97年，年， 4 G DRAM （8.8109, 986 mm2, 0.13 m, 300 mm），）， 2003年进入商业化生产。年进入商业化生产。

9、 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 9 9 集成电路的发展规律集成电路的发展规律 Intel 公司的创始人摩尔于公司的创始人摩尔于1975 年总结出了年总结出了 IC 工业发展的工业发展的 一个重要规律，即一个重要规律，即 摩尔定律：摩尔定律：IC 的集成度将每年翻一番。的集成度将每年翻一番。 1980 年摩尔定律被修改为：年摩尔定律被修改为： IC 的集成度每的集成度每1.5年翻一番，年翻一番， 即每即每3年乘以年乘以4。 IC 发展的另一些规律为：发展的另一些规律为： 建立一个芯片厂的造价也是每建立一个芯片厂的造价也是每3年乘以年乘以4。 线条宽

10、度每线条宽度每 6 年下降一半。年下降一半。 芯片上每个器件的价格每年下降芯片上每个器件的价格每年下降 30% 40% 。 晶片直径的变化：晶片直径的变化： 60年：年：0.5英寸，英寸， 65年：年：1英寸，英寸， 70年：年：2英寸，英寸， 75年：年：3英寸，英寸， 80年：年：4英寸，英寸， 90年：年：6英寸，英寸， 95年：年：8英寸（英寸（200 mm ），）， 2000年：年：12英寸（英寸（300 mm）。）。 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 1010 集成电路的发展展望集成电路的发展展望 目标：集成度目标：集成度 、可靠性、可靠

11、性 、速度、速度 、功耗、功耗 、成本、成本 。 努力方向：线宽努力方向：线宽 、晶片直径、晶片直径 、设计技术、设计技术 。 1992 1995 1998 2001 2004 2007 比特/ 芯片 16 M 64 M 256 M 1 G 4 G 16 G 特征尺寸 （ m） 0.5 0.5 0.35 0.35 0.25 0.25 0.18 0.18 0.12 0.12 0.07 0.07 晶片直径 （mm） 200 200 200 200 200 -200 - 400 400200-200-400400200-200- 400 400200 -200 -400400 美国美国1992 20

12、07 年半导体技术发展规划年半导体技术发展规划 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 11 11 美国美国1997 -1997 - 2012 2012 年半导体技术发展规划年半导体技术发展规划 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012 比特/ 芯片 256M 1G 4G 16G 64G 256G 特征尺寸特征尺寸 m m） 0.25 0.18 0.15 0.13 0.1 0.07 0.05 晶片直径晶片直径 （mmmm） 200 300 300 300 300 450 450 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学

13、 电子科技大学电子科技大学 1212 材料材料 设计设计 芯片制造芯片制造 封装封装 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 1313 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 1414 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 1515 High Temp. Annealing Furnace Annealed Wafer Defect Free Surface by Annealing (Surface Improvement） Surface Defect Map Polishe

14、d Wafer 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 1616 横向加工：图形的产生与转移（又称为光刻，包括曝光、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）。显影、刻蚀等）。 纵向加工：薄膜制备（蒸发、溅射、氧化、纵向加工：薄膜制备（蒸发、溅射、氧化、CVD 等），等）， 掺杂（热扩散、离子注入、中子嬗变等）。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 占占2/ /3，其它技术约占，其它技术约占1/ /3 。本课程的课时分配大

15、约也按照这一。本课程的课时分配大约也按照这一 比例进行。比例进行。 3.芯片制造芯片制造 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 1717 涂光刻胶（正）涂光刻胶（正）选择曝光选择曝光 热氧化热氧化 SiO2 工艺流程举例（制作工艺流程举例（制作PN结）结） 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 1818 去胶去胶掺杂掺杂 显影（第显影（第1次图形转移）次图形转移）刻蚀（第刻蚀（第2次图形转移）次图形转移） N P 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 1919 蒸发镀蒸发镀A

16、l 膜膜光刻光刻Al 电极电极 CVD 淀积淀积SiO2 膜膜光刻引线孔光刻引线孔 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2020 衬底制备衬底制备 一次氧化一次氧化 隐埋层光刻隐埋层光刻 隐埋隐埋 层扩散层扩散 外延淀积外延淀积 热氧化热氧化 隔离光刻隔离光刻 隔隔 离扩散离扩散 热氧化热氧化 基区光刻基区光刻 基区扩散基区扩散 再分布再分布 及氧化及氧化 发射区光刻发射区光刻 （背面掺金）（背面掺金） 发射区扩发射区扩 散散 再分布及氧化再分布及氧化 接触孔光刻接触孔光刻 铝淀积铝淀积 反反 刻铝刻铝 铝合金铝合金 淀积钝化层淀积钝化层 压焊块光刻压

17、焊块光刻 中测中测 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2121 二二. .半导体技术革命半导体技术革命 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2222 信息技术信息技术-半导体革命半导体革命 电子是电子是“电荷电荷”的载体，电子和空穴的输运研的载体，电子和空穴的输运研 究引起究引起2020世纪电子学的一场革命世纪电子学的一场革命半导体晶体半导体晶体 管产生！管产生！ 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2323 信息技术信息技术-晶体管革命晶体管革命 电子同时是电子同时

18、是“自旋自旋”的载体，自旋效应的载体，自旋效应 和规律的发现能否引起新世纪的一场革和规律的发现能否引起新世纪的一场革 命命产生自旋晶体管？产生自旋晶体管？ 答案是肯定的。可以从近期电子信息领答案是肯定的。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 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2424 重大的科学发现之一重大的科学发现之一 计算机硬盘计算机硬盘自旋阀效应自旋阀效应 19881988年发现年发现GMRGMR效应，效应，IBMIBM的自旋阀硬盘磁头于的自旋阀硬盘磁头于 19961996年上市，目前计算机硬盘容

19、量达年上市，目前计算机硬盘容量达100GBit100GBit 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2525 重大的科学发现之二重大的科学发现之二 MRAMMRAM芯片芯片自旋隧道效应自旋隧道效应 20002000年以来，世界顶级公司和科研机构研发焦点是年以来，世界顶级公司和科研机构研发焦点是 自旋型自旋型MRAMMRAM存贮芯片，目前已有存贮芯片，目前已有10M Bit10M Bit数码相机数码相机 用存贮芯片上市，用存贮芯片上市，20042004年年100MBit100MBit预计上市预计上市. . 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学

20、 电子科技大学电子科技大学 2626 重大的科学发现之三重大的科学发现之三 自旋晶体管自旋晶体管 自旋输运效应自旋输运效应 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；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 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2727 -自旋晶体管的优点自旋晶体管的优点 自旋晶体管内在驱动力是基极 的非平

21、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 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2828 -自旋晶体管原理自旋晶体管原理 e IP I B e 1 nM B enAd IEPP V eFs s 5 . 1 21 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 2929 -自旋晶体管模型自旋晶体管模型 “纳米结纳米结”物理模型物理模型 纳米结自旋晶体管纳米结自旋晶体管 晶体管图晶体管图 纳米结自旋晶体

22、管纳米结自旋晶体管 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3030 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3131 是一种先进的混合电路封装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（它是将四大无源器件，即变压器（T T）、电容器（）、电容器（C C）、）、 电感器（电感器（L L）、电阻器（）、电阻器（R R）集成，配置于多层布线基）集成，配置于多层布线基 板中，与有源器件如：功率板中，与有源器件如：功率MOSMOS、晶体管、晶体管、ICIC电路模电路模 块等）共同集成为一完整的电路系统。块等

23、）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 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3232 LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类 The character of Thick Film、LTCC、HTCC technology 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3333 LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类 LTCCLTCC技术的研究技术的研究 设 计 技 术 生磁料带技术 混合集成技术 混合集成混合集成生磁料带制造生磁料带制造 电子科技大学电子科技大

24、学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3434 LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类 Cross-section of LTCC multilayer device showing the individual components that can be integrated Individual components that can be integrated in LTCC 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3535 LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类 LTCC INDUCTOR LTCC

25、BANDPASS FILTER 3D LAYOUT LTCC INDUCTOR have been used 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3636 LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类 LTCC substrate with integrated passives Construction of typical LTCC mutilayer device Construction of typical LTCC mutilayer device 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 373

26、7 A O B 在双性复合磁电材料原子团族设计方面进行了探在双性复合磁电材料原子团族设计方面进行了探 索，发现索，发现ABOABO3 3钙钛矿结构与钙钛矿结构与NiO-MnONiO-MnOFeOFeO复合可复合可 形成纳米双性（形成纳米双性（C,L)C,L)材料材料 A.A.新理论新理论 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3838 106107108109 0 2 4 6 8 10 12 Permeability Frequency / Hz x=0.25 x=0.25 x=0.00 x=0.00 106107108109 10 20 30 40 5

27、0 60 70 Dielectric constant Frequency / Hz x=0.00 x=0.05 x=0.15 x=0.20 x=0.25 B.新发现：新发现： 不同不同母体母体的纳米复合材料中，晶粒形状不同，使材料性能的纳米复合材料中，晶粒形状不同，使材料性能 不同。不同。 A5 SEMA5 SEM图图 B5 SEMB5 SEM图图 介电谱介电谱铁磁谱铁磁谱 A-A-复合材料晶粒为片状，复合材料晶粒为片状，B-B-材料晶粒中有条形晶体。材料晶粒中有条形晶体。 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 3939 现象：介电常数介电常数随复合量

28、的增加而增大，随复合量的增加而增大， 1MHz1MHz附近时，复合量为附近时，复合量为25wt25wt的的 比比0wt% 0wt% 大大6-76-7倍。倍。 原因原因：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，但共存，但Fe,Ni,ZnFe,Ni,Zn离子替代钛矿相中离子替代钛矿相中Ba,TiBa,Ti离子，相反离子，相反Ba,TiBa,Ti离子也参与替代离子也参与替代 B.新发现新发现 理论模拟理论模拟结果实验测试结果 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学

29、 4040 设计出网络设计出网络RJ-45EMIRJ-45EMI滤波器组建，可应用于滤波器组建，可应用于ADSL, ADSL, LANLAN和和VDSLVDSL service internet provider 双绞线 电话交 换 局 宽 带 变 压 器 高 通 滤 波 器 低 通 滤 波 器 C entral office m odem 宽 带 变 压 器 高 通 滤 波 器 低 通 滤 波 器 H om e m odem A D SL芯 片 A D SL芯 片 C. C. 设计及应用设计及应用 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4141 LTC

30、CLTCC技术之国内外发展现状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 电子产品名称电子产品名称平均单机用量（只）平均单机用量（只）电子产品名称电子产品名称平均单机用量（只）平均单机用量（只） 移动电话手持机移动电话手持机3030笔记本计算机笔记本计算机2424 中文中文BPBP机机1010硬盘驱动器硬盘驱动器8 8 数字数字BPBP机机1010软盘驱动器软盘驱动器6 6 录像机录像机2020程控交换机程控交换机2/2/线线 传真机传真机4 4开关电源开关电源4 4 无绳电话无绳电话1212超薄超薄WALKMANWALKMAN8 8 大屏幕彩电机芯大屏幕彩电机芯4 4便携式便携

31、式CDCD唱机唱机7 7 DVDDVD和和VCDVCD1212数字电视（机顶盖）数字电视（机顶盖）4040 摄录一体机摄录一体机3535其他其他2020 国内需求情况国内需求情况 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4242 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4343 1 1. .传统的磁光记录传统的磁光记录： 理论极限为理论极限为100Gbit/in100Gbit/in2 2，而应，而应 用领域需求将超过用领域需求将超过 1000Gbit/ in1000Gbit/ in2 2 2.2.随机固态存储领域：随机

32、固态存储领域： FRAM,MARMFRAM,MARM替代传统的替代传统的RAM,SRAM,DRAMRAM,SRAM,DRAM和和FLASHIFLASHI 3.3.磁光，光电存储领域：磁光，光电存储领域： 纳米点阵存储代替连续的数字存储纳米点阵存储代替连续的数字存储 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4444 1.信息存储焦点问题信息存储焦点问题 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) 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4545 一一2.解决的方法（续）解决的方法（

33、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 ) 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4646 一一3.目前的材料状况（续）目前的材料状况（续） 目前尚没有合适的混合记录最佳介质， Areal Density -VS- Dynamic Coercivity 0 100 200 300 400 500 600 700 800 57.51012.51517.520 Dynamic Coercivity (kOe) Areal Density (Gbits/inch2) BA: 10 SNR: 23

34、BA: 1 SNR: 23 BA: 10 SNR: 16 BA: 1 SNR: 16 Longitudinal Head Fields Perpendicular Head Fields T.C Arnoldussen, M. Mirzamaani, M. Doerner, K. Tang, X. Bian, J. Feng and M. Gatherwright, “Correlation of thermal stability and signal-to-noise ratio of Thin film recording media”, IEEE Trans. Mag., Vol 36

35、, pg 92 (2000) 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4747 4.对材料的要求（续）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2030nm 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4848 5.目前的技术考虑（续）目前的技术考虑（续） 将光磁混合介质(Bi,Cu:DyIG)非连

36、续化 （patterned），可以进一步提高记录密度- 700GBit/in2, 3.5英寸盘可达 7 TBit容量。 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 4949 25.特色与创新工作特色与创新工作 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。 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 5050 6.纳米球掩膜研究 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电

37、子科技大学电子科技大学 5151 第一步第一步 自旋自旋S-G方法镀球膜方法镀球膜 采用自旋镀方法采用自旋镀方法 应 用 甲 醇 稀 释 聚 本 已 稀 ，应 用 甲 醇 稀 释 聚 本 已 稀 ， 100010003000 rpm3000 rpm， 继续应用去离子水，甲醇和表继续应用去离子水，甲醇和表 面活化剂来稀释聚本已稀，面活化剂来稀释聚本已稀， 让衬底斜让衬底斜1010度蒸发度蒸发 应用去离子水来稀释溶液应用去离子水来稀释溶液 高压喷洒自旋镀来进行镀制高压喷洒自旋镀来进行镀制 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 5252 第二步膜质量的控制第二

38、步膜质量的控制 衬底表面必须应用衬底表面必须应用3 3：7 7 的的H H2 2O :HO :H3 3SiOSiO4 4清洗清洗 为了形成均匀的纳米球为了形成均匀的纳米球 掩摸，转速必须调整掩摸，转速必须调整 溶液的浓度必须调整到溶液的浓度必须调整到 最佳位置最佳位置 稀释的材料，稀释的材料，PHPH值都要值都要 调整调整 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 5353 第三步第三步 球孔的移动形成球孔的移动形成 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 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子

39、科技大学 电子科技大学电子科技大学 5454 第四步第四步 快速退火处理快速退火处理 快速退火处理在快速退火处理在200C200C 三角型收缩成环行三角型收缩成环行 退火在真空度退火在真空度1010-2 -2 时间必须严格控制时间必须严格控制 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 5555 A.A.新理论：新理论： a.a. 建立了紫蓝光域四能级量子跃迁模型，提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，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寻找到最新紫蓝光域材料及配方 BiBiy yDyDy

40、3-y 3-y- - FeFe5-x 5-xAl Alx xO O12 12， ，x=0.8-1.2x=0.8-1.2，y=1.0-1.96y=1.0-1.96 b.b. 提出层状薄膜的畴动力学理论模型，解决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了纳米点阵存储的信息畴稳定难题 c.c. 理论发现电磁脉冲对理论发现电磁脉冲对MODMOD的毁伤来源于反磁的毁伤来源于反磁 化核形成化核形成 -发现新材料发现新材料 -“0”或或“1”位畴形成位畴形成 -磁光盘的稳定磁光盘的稳定 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 5656 B.新

41、发现新发现- 紫 紫- -蓝光域的短波长新材料蓝光域的短波长新材料 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 5757 B.新发现新发现 MOMO信息记录分畴信息记录分畴 - -与尺度和性能参数的规律与尺度和性能参数的规律 单元信息位畴单元信息位畴“0 0”或或“1 1”形成条件：形成条件： 临界尺度临界尺度30nm, 30nm, 矫顽力大于矫顽力大于3000Oe3000Oe 理论模拟的结果 磁力显微镜动态实验结果 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 5858 B .新发现新发现 MOD的毁伤机理的毁伤机理-电磁脉冲

42、作用次数电磁脉冲作用次数 (b)5000个周期个周期 (c) 10000个周期个周期 M (a)(a)初始态初始态 100nm 实验结果实验结果 理论模拟结果理论模拟结果 反磁化核的形成是反磁化核的形成是MOD毁伤的主要原因毁伤的主要原因 ，反磁化核，反磁化核的形成是在的形成是在50005000次反复次反复 脉冲作用后形成的脉冲作用后形成的 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 5959 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6060 D DR RA AM MS SR RA AM MF Fl la as sh hM

43、 MR RA AM M 非非易易失失性性无无有有 写写 时时 间间50 ns10 ns100 ns10-20 ns 读读 时时 间间50 ns10 ns50 ns10-20 ns 低低 电电 压压有限制是否是 重重复复次次数数1015101510121015 单单元元尺尺寸寸小大小小 MRAMMRAM不仅具有不仅具有SRAMSRAM存取速度快、工作电压低，存取速度快、工作电压低，DRAMDRAM重复擦写次数多重复擦写次数多 的优点，而且具备的优点，而且具备FLASHFLASH的非易失性，并且由于其自身结构的抗电磁干扰、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

44、近期和未来军事信息领域发挥重大的抗辐射、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。作用。 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6161 近期应用情况及应用前景分析近期应用情况及应用前景分析 应用工程应用工程具体系统具体系统提高性能情况提高性能情况国外军事研制单位国外军事研制单位 “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

45、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INESC

46、电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6262 MRAMMRAM单元的设计及制作工艺单元的设计及制作工艺: : Cu 字线电流 感线电流NiFe NiFe 位线 传感电流（读模式） 字线 AlOx PSV PSV 单元单元 MTJMTJ单元单元 通过深亚微米光刻技术、多掩膜工艺、等离子蚀刻，通过深亚微米光刻技术、多掩膜工艺、等离子蚀刻， 制备制备PSVPSV和和MTJMTJ材料单元。并研究单元热稳定性、单元材料单元。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。一致性、单元电阻率与偏压等关系。 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大

47、学 电子科技大学电子科技大学 6363 芯片结构芯片结构 利用利用CMOSCMOS工艺，采用多掩膜、多次光刻工艺、实工艺，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，最终完成的绝缘膜层工艺实现绝缘，最终完成MRAMMRAM芯片的制作芯片的制作。 MRAMMRAM材料芯片设计及制作材料芯片设计及制作 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6464 电子科技大学电

48、子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6565 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6666 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6767 5.理论模型建立研究理论模型建立研究C-BC-B方法方法 C-B理论的Sandwich模型（虚线是一个假想界面） -b -a 0 a b z E ADBC Z x y E 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6868 GMR理论模型建立理论模型建立微磁学模型微磁学模型1 电子科技大学电子科技大学 电子科技大

49、学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 6969 Micro-magnetic model for GMR element GMR理论模型建立理论模型建立微磁学模型微磁学模型2 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7070 五五. .纳米晶芯材与纳米晶芯材与 集成薄膜器件集成薄膜器件 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7171 B B新发现新发现 发现纳米芯材料的临界阻抗效应为发现纳米芯材料的临界阻抗效应为10nm10nm， 可从理论上设计出芯片料材的频域。可从理论上设计出芯片料材的频域。 电子科技大学电子

50、科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7272 感抗耦合理论，国际上已设计和研究感抗耦合理论，国际上已设计和研究 出出SiSi上集成薄膜变压器和电感器系列上集成薄膜变压器和电感器系列 C C设计及应用设计及应用 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7373 人工神经元模型人工神经元模型 n j ijiji xwI 1 )( ii IfO i I i e O 1 1 Sigmoid函数作 为激发函数 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7474 三层人工神经网络结构图三层人工神经网络结构图

51、 X1、X2、 X3为输 入参数， Y1、Y2 为输出 参数 为权 值 ij W 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7575 给定W(1)、H1 得整体误差)( )1( WE 得梯度向量)( )1( WE 确定 )(k 修正权值，得 )1( k W 得 ，达到精度？)( )1( k WE得)( )1( k WE 停止 Y N 反向传播 反向传播 正向传播 正向传播 计算 ，k=k+1 1k H K=1 具体算法流程图 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7676 BP算法基本思想算法基本思想 （1 1）先输入

52、）先输入P P个个n n维的学习样本维的学习样本x x1 1,x,x2 2, ,x xP P和和 教师值教师值t t1 1,t,t2 2, ,，t tP P （2 2）根据网络输出）根据网络输出y y1 1,y,y2 2, ,y,yP P 与教师值与教师值 t t1 1,t,t2 2, ,t,tP P的误差，修改连接权值和阈值，的误差，修改连接权值和阈值， 使误差变小。使误差变小。 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7777 I I型薄膜变压器的简化理论模型型薄膜变压器的简化理论模型 磁路不闭合磁路不闭合 磁路闭合磁路闭合 )1(1 / 2 0 sd

53、mmm sNlNwtL 2 ) 12(lnkkN d mm m tw l k 2 )2/( 2 0mmms lNwtL 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7878 四阵列四阵列I型薄膜变压器型薄膜变压器结构图结构图 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 7979 制作试样的形貌图制作试样的形貌图 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 8080 薄膜变压器制作工艺流程薄膜变压器制作工艺流程 基 片 清 洗 装 架 镀 下 电 极 镀 绝 缘 层 镀 磁 芯 层 镀 绝 缘

54、层 镀 上 电 极 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 8181 磁芯对变压器性能的影响磁芯对变压器性能的影响 1)1)磁芯的薄膜变压器磁芯的薄膜变压器 初次级电感均大于初次级电感均大于 空心薄膜变压器空心薄膜变压器 2)2)Q Q值大值大, Q, Q值随频率值随频率 升高而增大升高而增大 3 3）R R、 Z Z值变大值变大 0.010.1110 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Columnar Film Transformer n1:n2=3:3 1 # t m=0.2um 2 # t m=0 Prim

55、ary Inductor(nH) Frequency(MHz) 0.010.1110 50 100 150 200 250 300 350 400 Columnar Film Transformer n1:n2=3:3 1 #t m=0.2um 2 #t m=0 Secondary Inductor(nH) Frequency(MHz) 0.010.1110 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Columnar Film Transformer n1:n2=3:3 1 # t m=0.2um 2 # t m=0 Primary Quality Frequenc

56、y(MHz) 0.010.1110 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 Columnar Film Transformer n1:n2=3:3 Secondary Quality Frequency(MHz) 1 # t m=0.2um 2 # t m=0 0.010.1110 15.0 15.2 15.4 15.6 15.8 16.0 16.2 16.4 16.6 16.8 17.0 17.2 17.4 Columnar Film Transformer n1:n2=3:3 1 #t m=0 2 #t m=0.2um Prim

57、ary Resistance(O) Frequency(MHz) 0.010.1110 15.0 15.2 15.4 15.6 15.8 16.0 16.2 16.4 16.6 16.8 17.0 17.2 Columnar Film Transformer n1:n2=3:3 1 #t m=0 2 #t m=0.2um Secondary Resistance(O) Frequency(MHz) 0.010.1110 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 Columnar Film Transformer n1:n2=3:3 1 #t m=0 2 #

58、t m=0.2um Primary Impedance(O) Frequency(MHz) 0.010.1110 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 Columnar Film Transformer n1:n2=3:3 1 #t m=0 2 #t m=0.2um Secondary Impedance(O) Frequency(MHz) 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 8282 膜厚对变压器性能的影响膜厚对变压器性能的影响 1 1）磁芯薄膜越厚，磁芯薄膜越厚， 截面积越大，电截面积越大，电 感量越大感量

59、越大 2）磁芯薄膜太厚，磁芯薄膜太厚， 涡流损耗增加涡流损耗增加 3） 0.010.1110 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 5 # 4 # 3 # 2 # 1 # Primary Inductor(nH) Frequency(MHz) 1 # t m=0.2um 2 # t m=0.4um 3 # t m=0.6um 4 # t m=0.8um 5 # t m=1.0um 0.010.1110 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1 # t m=0.2um 2 # t m=0.4um 3 # t m=0.6um 4 # t m=

60、0.8um 5 # t m=1.0um Secondary Inductor (nH) Frequency (MHz) /2 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 8383 The EndThe End 谢谢！谢谢！ 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 电子科技大学电子科技大学 人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大