more than moore,MEMS
国际半导体技术发展路线图
国际半导体技术发展路线图为了回答如何保持半导体产业按照摩尔定律继续发展的问题，国际上主要的半导体协会共同组织制定了国际半导体技术发展路线图ITRS《International technology roadmap for semiconductors》它为半导体产业界提供了被工业界广泛认同的；对未来十年内研发需求的最佳预测以及可能的解决方案，它对整个半导体茶叶需要开发什么样的技术起到了一个导向作用。
国际半导体技术发展路线图一、半导体产业生态环境半导体产业诞生于上世纪70年代，当时主要受两大因素驱动：一是为计算机行业提供更符合成本效益的存储器；二是为满足企业开发具备特定功能的新产品而快速生产的专用集成电路。
到了80年代，系统规范牢牢地掌握在系统集成商手中。
存储器件每3年更新一次半导体技术，并随即被逻辑器件制造商采用。
在90年代，逻辑器件集成电路制造商加速引进新技术，以每2年一代的速度更新，紧跟在内存厂商之后。
技术进步和产品性能增强之间不寻常的强相关性，使得相当一部分系统性能和利润的控制权转至集成电路（IC）制造商中。
他们利用这种力量的新平衡，使整个半导体行业收入在此期间年均增速达到17%。
21世纪的前十年，半导体行业全新的生态环境已经形成：一是每2年更新一代的半导体技术，导致集成电路和数以百万计的晶体管得以高效率、低成本地生产，从而在一个芯片上或同一封装中，可以以较低的成本整合极为复杂的系统。
此外，封装技术的进步使得我们可以在同一封装中放置多个芯片。
这类器件被定义为系统级芯片（system on chip，SOC）和系统级封装（system in package， SIP）。
二是集成电路晶圆代工商能够重新以非常有吸引力的成本提供“新一代专用集成电路”，这催生出一个非常有利可图的行业——集成电路设计。
三是集成电路高端设备的进步带动了相邻技术领域的发展，大大降低了平板显示器、微机电系统传感器、无线电设备和无源器件等设备的成本。
MEMS Industry Status & Trends
Future
Consumer and Medical dominance * IDMs + Outsourcing by IDMs * Specialty MEMS Foundries (Low volume, high value products) * CMOS Foundries (Low cost, high volume products)
Manufacturing
Wafer size
* 8” dominance * 12”emergence
Processes/Packages with Reusable IP and building blocks for multiple products
Customization
Technology
© 2012 •
3-10 years High
2-4 years Low
7
2011-2020 MEMS Market Forecast in $M
MF PS
MF IS
IS PS
© 2012 •
8
2011-2020 MEMS Market Forecast in units
RF
IS
MP
IS
© 2012 •
9
MEMS Market Value Forecast Evolution
MEMS微系统 复习红宝书(北理)
20.BGA : Ball Grid Array 球状矩阵排列
21.SHM:Structural Health Monitoring 结构健康监测
22.ICT:Information and Communications Technologies 信息与通信技术
23.MtM More than Moore 超越摩尔定律
24.FEA:Finite Element Analysis 有限元分析
25.SEM:Scanning Electron Microscope 扫描电子显微镜
12.ITRS International technology Roadmap for Semiconductor 国际半导体技术规
划
.
27.DARPA :Defence Advanced Research Projects Agency of theDepartment of
成，它们各具不同的能带隙。这些材料可以是 GaAs 之类的化合物，也可以是 Si-Ge 之类的半导体合金。按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异 质结分为Ⅰ型异质结和Ⅱ型异质结两种。 12.微加工：以微小切除量获得很高精度的尺寸和形状的加工。 13.引线键合：引线键合（Wire Bonding）是一种使用细金属线，利用热、压力、 超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和 芯片间的信息互通。 14. 倒装芯片：倒装芯片（Flip chip）是一种无引脚结构，一般含有电路单元。 设 计用于通过适当数量的位于其面上的锡球（导电性粘合剂所覆盖），在电气上和 机械上连接于电路。 15.热声焊：热声焊是一种固态键合技术，为热压结合与超音波结合的混合方法。 它可完成电路片与芯片、腔体之间的电连接。 16.各向异性粘接:用各向异性导电胶（主要使用单一或双重成分的环氧树脂）完 成对电路基板与倒装芯片之间的互连。 17.柔性印刷电路:即 FPC，是以聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成的一种具有高度 可靠性,绝佳曲挠性的印刷电路。通过在可弯曲的轻薄塑料片上，嵌入电路设计， 使在窄小和有限空间中堆嵌大量精密元件，从而形成可弯曲的挠性电路。 18.高深宽比：垂直于加工表面的高度与其加工表面上所具有的特征尺寸的比值 大。 19. 盲孔： 定义 1.位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面 的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率（孔径）。
系统级封装技术(SiP)引领封测产业的“混搭”潮
系统级封装技术（SiP）引领封测 产业的 混搭 潮 产业的“混搭”潮2010年6月25号混搭英文原词为Mix and Match。
混搭是一个时尚界专用名词，指将不同 风格，不同材质，不同身价的东西按照个人口味拼凑在 起，从而混合 风格，不同材质，不同身价的东西按照个人口味拼凑在一起，从而混合 搭配出完全个人化的风格，就是不要规规矩矩，是一种时髦，但决不能 等同于胡穿乱配的毫无章法。
混搭最典型的莫过于韩式混搭，韩国街头流行起一种更实用，更有味道 的混搭新哲学。
穿出层次，叠穿法则是混搭哲学中最基础课程，其中最 奏 重要的是搭配的节奏感，这也正是混搭风能在当今流行的重要原因。
系统级封装技术的特点非常符合和“混搭”的精髓，有一 脉相承 异曲同工之处 脉相承、异曲同工之处内容1、系统级封装的发展背景 2、系统级封装的定义 系统级封装的定义 3、系统级封装的优势 系统级封装的优势 4、系统级封装的成本 5、长电科技系统级封装技术及服务的介绍 6、长电科技系统级封装产品及应用 长电科技系统级封装产品及应用 7、总结1、系统级封装的发展背景¾当今社会，电子系统的发展趋势是小型化、高性能、多功能、高 可靠性和低成本，在这些需求的强力驱动下，电子产品的演进速度 超乎寻常 ¾在物联网、移动支付、移动电视、移动互联网、3G通讯等新生应 用的引导下，一大批新型电子产品孕育而生 ¾目前系统级封装产品在计算机、汽车电子、医疗电子、军事电子、 消费类电子（手机 蓝牙 消费类电子（手机、蓝牙、Wi-Fi、交换机等）等领域内都有巨大 交换机等）等领域内都有巨大 的市场 ¾系统级芯片（System 系统级芯片（S t on Chip, Chi SoC）的发展随着摩尔定律的脚 S C）的发展随着摩尔定律的脚 步不断演进，然而随着SoC发展至深次微米以下先进制程世代后， 已经面临极大的技术发展瓶颈，SoC已难面面俱到。
后摩尔时代的特色工艺及中国发展机遇
2022年第5期 总第198期科学传播后摩尔时代的特色工艺及中国发展机遇◎ 张 波我国是集成电路的市场大国，半导体工艺技术的发展，怎么也绕不开摩尔定律。
1965年，时任美国仙童半导体（Fairchild Semiconductor）公司研发主管的摩尔（Gordon E. Moore）博士为《电子学》杂志撰写了一篇文章“Cramming More Components onto integrated circuits”，预测集成电路的集成度（单芯片集成晶体管数目）每年增加一倍。
1975年，已参与创建英特尔（Intel）公司的摩尔博士在IEDM（国际电子器件年会）以“Progress in digital integrated electronics”为题做主题报告，进一步将集成电路集成度的发展速度修订为每两年增加一倍。
这就是半导体业界著名的“摩尔定律”（Moore's Law）。
一、半导体行业进入后摩尔时代摩尔定律自诞生以来一直指引着半导体工艺技术的发展，这也是英特尔公司很长一段时间坚持两年一代工艺和Tick-Tock发展战略的主要依据。
长期以来，集成电路集成度的提升依赖于工艺线宽的不断缩小，从早期的10微米工艺线宽逐步缩小到现在的7纳米、5纳米工艺节点，这是以摩尔定律为引领的单一维度创新发展。
但随着集成电路工艺线宽持续降低，特别是半导体微细加工工艺进入纳米尺度后，建厂成本、工艺研发和产品研制等费用急剧增加。
一条先进的集成电路生产线建厂成本已高达150亿~200亿美元，超过新一代航空母舰（130亿美元）或一座新核电站（40亿~80亿美元）的建设成本；一个采用5纳米工艺节点的先进集成电路产品开发成本也已超过5亿美元。
因此，从2005年开始，集成电路工艺技术逐渐从单一追求尺寸依赖的先进工艺，向先进工艺（More Moore）、非尺寸依赖的特色工艺（More than Moore）和先进封装（System in Package：SiP）三个维度并举发展，半导体行业进入后摩尔时代。
可穿戴设备与MEMS的现状和趋势
Lagging
Galaxy S
Accelerometer E-Compass Si Microphone Proximity
Catch up
Galaxy S2
Accelerometer E-Compass Si Microphone Proximity Gyroscope Ambient Light
iPhone 5
Accelerometer E-Compass Gyroscope Si Microphone Proximity Ambient Light
Sensor Expansion
三星接力苹果
Exceeding
Galaxy S3 Galaxy S4
Accelerometer E-Compass Si Microphone Proximity Gyroscope Ambient Light Barometer Accelerometer E-Compass Si Microphone Proximity Gyroscope Ambient Light Barometer Temperature Humidity Hall Sensor RGB Sensor Gesture Sensor
可穿戴设备现状和趋势
© 2013 • 9
2013年——可穿戴计算年
• 谷歌、三星、苹果、微软等科技界的佼佼者都 有计划开发自己的可穿戴设备。因此，很多人 把2013年称为“可穿戴计算年”。 • 根据美国地区关于可穿戴技术的调查数据显示：
– 87%受访者认为可以提升佩戴者的个人综合能力 – 71%的受访者则认为有利于个人健康状况的改善 – 还有54%的受访者认为提升了他们的自信
© 2013 • 2
计算机技术的发展潮流
摩尔定律讲义
Drain
• S/D leakage current • Gate leakage current
Power
• • • • •
Surface scattering - mobility High E-field - mobility DIBL drain to source leakage IOFF Subthreshold slope >> ln(10)kT/q IOFF VG - VT decrease ION
2.特点：
一是：采用非CMOS的等比例缩小方法，将集成电感、 电容等占据大量PCB空间的无源元件集成在封装内，甚至芯 片上，使电子系统进一步小型化，以达到提高其性能的目的。 二是：按需要向电子系统集成“多样化”的非数字功能， 形成具有感知、通信、处理、致动等功能的微系统。
3.目的：
对环境智能所需要的意识和响应能力实现全面补充，使 人体和环境实现直接接口 模拟和模拟／混合信号技术、RF技术、高压／功率技术、 光电子技术、生物技术MEMS／NEMs和传感／致动等多学 科和多学科融合技术
4.技术组成：
汽车 通信 MTM 军事 娱乐 安全 医疗
三、Beyond CMOS
碳纳米管
2009年美国NSF启 动超越摩尔定律的科 学与工程 SEBML(Science and Engineering Beyond Moore‘s Law)项目要 求全新的科学、工程 和概念框架。例如： 碳纳米管、器件小型 化和系统中容错技术 等等。
6.解决方案
两个对策：More-Than-Moore & Beyond CMOS
二、 More-Than-Moore
摩尔定律讲义综述
4.技术组成：
汽车 通信 MTM 军事 娱乐 安全 医疗
三、Beyond CMOS
碳纳米管
2009年美国NSF启 动超越摩尔定律的科 学与工程 SEBML(Science and Engineering Beyond Moore‘s Law)项目要 求全新的科学、工程 和概念框架。例如： 碳纳米管、器件小型 化和系统中容错技术 等等。
Channel/Drain
Drain
• S/D leakage current • Gate leakage current
Power
• • • • •
Surface scattering - mobility High E-field - mobility DIBL drain to source leakage IOFF Subthreshold slope >> ln(10)kT/q IOFF VG - VT decrease ION
3.半导体发展趋势：
2001(年)
2003 2005 2007 2009 2011
130（nm）
90 65 45 32 22
4.装置
应用
5.困难：
5.1 制造成本的技术制约
硅片价格与掩模成本趋势
$1,600
制造成本
$1,400 $1,200 $1,000 $800 $600 $400 $200 $0 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 2008 2008 2009 2009 2009 0.35nm 0.25nm 0.18nm 0.15nm 0.13nm
6.解决方案
两个对策：More-Than-Moore & Beyond CMOS
微电子学概论知识点
1什么是微电子学答: 微电子学作为电子学的一门分支科学，主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科学。
2什么叫集成电路？答：Integrated Circuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能3集成电路的分类:按器件结构类型分类：双极集成电路，金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路，双极-MOS(BiMOS)集成电路按集成电路规模分类↗小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)↗中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)↗大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)↗超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)↗特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)↗巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）按结构形式的分类：单片集成电路，混合集成电路（厚膜集成电路、薄膜集成电路）按电路功能分类：数字集成电路，模拟集成电路，数模混合集成电路4微电子学的特点答：（1）、微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科（2）、微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向（3）、微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等5半导体及其基本特征是什么？导体：自然界中很容易导电的物质称为导体绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体固体材料：超导体: 大于106(Ωcm)-1导体: 106~104(Ωcm)-1半导体: 104~10-10(Ωcm)-1绝缘体: 小于10-10(Ωcm)-1半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点：（基本特征）1、在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升而指数增加；2、半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，而且在重掺杂情况，温度对电导率的影响较弱；3、在半导体中可以实现非均匀掺杂；4、光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体的电导率。
电-热多物理场耦合的对偶有限元分析
电-热多物理场耦合的对偶有限元分析殷英;徐小宇;闰帅;任卓翔【摘要】随着集成电路、微机电系统的快速发展,各种物理场的交互作用成为影响电路可靠性或者增加设计难度的重要问题.其中,大量工程应用中都会发生稳恒电流场和热场的相互作用.电流场产生的焦耳热与电阻率的温变持性是这两个物理场之间双向相互耦合的联系因素.当几何结构复杂时,分析该多物理场问题会有计算方面的挑战.通常利用有限元法来求解多物理问题,其中采取节点单元法来处理电流场.本论文首先在多物理耦合分析中实现了棱边单元法来分析电流场,并通过一个典型的微阻梁算例问题,与常规方法进行充分对比,考察了随着网格加密、与热场耦合迭代深度的对偶持点及收敛持性.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)021【总页数】5页(P11-15)【关键词】对偶方程方法;有限元法;多物理场;稳态电热耦合【作者】殷英;徐小宇;闰帅;任卓翔【作者单位】中国科学院微电子研究所北京100029;中国科学院大学北京100049;三维及纳米集成电路设计自动化北京市重点实验室北京100029;中国科学院微电子研究所北京100029;三维及纳米集成电路设计自动化北京市重点实验室北京100029;中国科学院微电子研究所北京100029;三维及纳米集成电路设计自动化北京市重点实验室北京100029;中国科学院微电子研究所北京100029;三维及纳米集成电路设计自动化北京市重点实验室北京100029【正文语种】中文【中图分类】TN402集成电路沿着More Moore、More than Moore等方向不断迅速发展，一方面，集成电路的集成度越来越高，功耗与散热成为影响与制约电路性能与可靠性的核心因素，另一方面，各种物理效应也可以在微机电系统（MEMS）之中用于各类传感器、执行器等的设计。
因而，电磁学、热学、力学等多物理场的耦合分析变得尤其必要，并已经在集成电路领域受到关注及快速发展[1-5]。
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9
MEMS的科学
力学 材料学 生物学 物理学 电子学
MEMS
光学
化学
MEMS is a Interdisciplinary Science which involves mechanics, electronics, chemistry, optics, physics, biology, material science etc.
90nm
22nm
memory
65nm
32nm技术
SoC
System on chip
Higher higher value
SiP
System in Package
40
超越摩尔定律
MEMS
41
3D IC技术的类型
42
基本结构
43
TSV（深硅通孔）工艺
44
TSV 3D IC技术的挑战
• 成本
– TSV制造技术的成本较高
• 散热
– 垂直和水平方向的散热通道设计
• 可靠性
– 应力，电迁移，热退化
• 供应链
– 谁来做TSV？ – 谁需要TSV？
45
微电子系统的未来
MEMS CMOS Solar Cell
Flexible electronics
All in Si
RF
Bio-Chip
Storage
Memory
46
小结
• MEMS是微电子系统与外界互动的纽带，是 一种微型化和集成化的机械系统。 • 信息系统缩小的最终瓶颈在于MEMS的尺寸. • 三维IC技术可以在第三维度上集成不同的芯 片，从而扩展系统的功能，继续维持摩尔 定律。 • TSV是三维IC技术的关键。 • 全硅集成也许是将来微电子发展的终极形 态。
10
MEMS的好处
• 尺寸小
– 可将系统缩小
• 智能
– 能够将力、热、磁和化学信息转换为电子信号
• 集成
– 可采用微电子工艺集成在芯片上
• 可靠性
– 安全
• 功耗低
– 绿色环保
11
MEMS的分类
• 机械
– 加速度计，陀螺仪，马达，机器人，喷气发动机，泵， 扬声器，环振，阀门，开关
• 热
– 温度、红外成像
微机电系统（MEMS）
----超越摩尔定律(More than moore)
1
• 半导体技术在摩尔定律上似乎走入了瓶颈 期，而超越摩尔定律的新兴技术却受到了 众多公司的青睐，其中以MEMS无处不在的 应用潜力攫取了业界大大小小公司的眼球
2
费曼预言了微机电系统的出现以及它的基本原则。
3
提纲
• • • • 什么是MEMS MEMS的制造技术 几种主要的MEMS器件 三维集成—超越摩尔定律
4
智能系统需要感知世界的信号
水
空气
硬度
情绪
磁场
5
智能系统与真实世界的传感纽带：微机电系统(MEMS)
终极微电子系统
6
什么是微机电系统
• MEMS:
Micro-Electro-Mechanical System
Micro-Machine Micro-System
MEMS Micro-Machine Micro-System
MEMS first
23
MEMS 器件
24
非常重要的几类MEMS器件
• 惯性传感器
– 加速度计 – 陀螺仪 – 压力传感器
• 光学MEMS传感器
– 微光开关 – 微光学台面
• 微执行器
– 微喷管 – 微马达
• 生物MEMS器件
25
电容式加速度计
26
电容式加速度计（放大图）
27
微镜面
28
微光栅
自底向上
20
LIGA 工艺
21
MEMS工艺
• 各向异性腐蚀
• 深槽刻蚀
• 键合
22
未来3D IC的CMOS-MEMS集成技术
• 牺牲层技术
IC first
– – – – – – – 独立的MEMS系统 很高的传感灵敏度 较低的寄生效应 体积小 封装简单 复杂的制造过程 缺少兼容的材料
IC and MEMS mixed
• 化学
– 酸碱传感器，成分传感器，浓度传感器
• 光
– 镜面，光栅，通讯，CCD
• 生物
– 生命探测器，机器人，智能注射器，DNA芯片
12
世界第一支静电加速度计
ADI制造
13
固态硅微卫星
14
微马达
15
MEMS的挑战
Surface tension
MEMS
微观世界中物理法则
16
MEMS的挑战
深谷
微型喷嘴
组成: 由5到6片芯片叠在 一起，内有混合燃烧室、喷 口喷管、两个泵和两个阀以 及冷却管道的多器件集成系 统。用液态氧和乙醇作燃料 性能：能产生15N的推力， 推力重量比达 1500:1，是 大火箭推进器的10~100倍， 反映了微系统的潜力
新概念的微型双组元火箭发动机结构图
37
3D IC – 超越摩尔定律
35
微型喷嘴
美国喷气推进实验室 (JPL)展示的采用 MEMS技术的电阻电热式 微推进器样机(固体升华方式)。微推进器由推进剂存贮箱、微 阀、微过滤器、微型喷口等组成，微型喷口利用MEMS技术中的 体硅工艺制作。其性能目标为：比冲50～75s，推力0.5mN，功 率 <2W/mN，质量为几克，大小为1cm2。 36
47
29
微透镜
30
微型光学台面
31
微光开光
1x4 optical switch
1x8 optical switch
32
便携式化学传感器
33
微马达
34
微型喷嘴
美国喷气推进实验室 (JPL) 展示的采用 MEMS 技术的电阻电热式微推 进器样机（液体气化方 式）。微推进器由薄膜 加热器、微型喷口等组 成。其性能目标为：比 冲 75 ～ 125s ， 推 力 0.5mN ，功率 <5W ，效 率≥50% ，质量为几克， 大小为1cm2。
7
为什么需要MEMS
• 信息系统不断追求小型化
– 体积缩小 – 性能和可靠性提高 – 功耗和成本降低
• 系统缩小的主要途径
– 遵循摩尔定律的IC缩小技术
– MEMS用来缩小非IC的部分
8
什么是MEMS？
• MEMS > IC
– 集成了微传感器，微执行器，信号处理器，控 制器，输入输出电路，通讯系统以及电源的系 统
高深宽比刻蚀
微加工
17
MEMS的挑战
sensor Integrated System
Controller
Execution
系统设计和集成
18
型机械制造微机械 （日本） 微电子半导体加工工艺 紫外光刻微电铸模制 造技术（德国）
微机械
LIGA
MEMS
怎样将MEMS和其他非电子系统以及复 杂电子系统在一个三维的芯片中集成？
38
二维平面上的摩尔定律
Higher value
RF
X node
0.7X node
logic
analog memory
Scaling down
SoC ?
39
三维空间上的摩尔定律
MEMS
RF logic
analog memory