芯片，要变了！

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来源：内容编译自semiengineering。


五十多年来，半导体行业一直依赖于一个简单的公式：缩小晶体管尺寸，将更多晶体管封装到每个晶圆上，然后看着性能飙升，成本骤降。虽然每个新节点都能在速度、功率效率和密度方面带来可预测的提升，但这个公式正在迅速失去动力。


随着晶体管工艺接近个位数纳米，制造成本不降反升。功率传输正成为速度与热控制之间的瓶颈，摩尔定律所定义的性能自动提升效应正在减弱。


为了保持进步，芯片制造商开始真正地向上发展。他们不再将所有组件都构建在单一平面上，而是垂直堆叠逻辑、电源和内存。虽然2.5D封装已经将部分芯片并排放置在中介层上，但imec的CMOS 2.0方案更进一步。它创建了一个晶圆级的多层专用层，每个层都针对其功能进行了优化，并通过超高密度互连进行连接。


其吸引力显而易见。3D片上系统无需仅仅依赖尺寸越来越小的晶体管，就能提供更大的带宽、更高的密度和更低的能耗。但挑战也同样巨大。将晶圆层调整到亚微米级的公差，管理热应力，并重新思考设计和制造的每个阶段，都需要业界前所未有的协调水平。


与此同时，对计算能力的需求正在加速增长。人工智能训练工作负载、高级分析和无处不在的连接正在推动数据中心和设备制造商寻找新的方法来维持增长。


“下一个时代将不仅仅由更小的晶体管定义，”imec总裁兼首席执行官Luc Van den hove在ITF World的一次演讲中表示。“它将涉及三维功能集成，以克服二维缩放的瓶颈。”


CMOS 2.0 既简单直接，又极具革新性。其基本理念是将芯片分成几层，分别进行完善，然后将它们像单个单片器件一样粘合在一起。理论上，这是超越纳米片的下一步。在实践中，它将检验业界能否像曾经缩放晶体管那样有效地扩展芯片的复杂性。




什么是CMOS 2.0？




CMOS 2.0的核心在于突破单片芯片的限制。它并非将逻辑、内存和模拟模块集成在同一平面上，而是将每一层独立制造，并针对其功能进行优化，然后再堆叠成统一的组件。


该方法结合了四个主要概念：


1、背面供电，将电源轨从晶圆正面的金属堆叠移至晶圆背面。这降低了电压降，并释放了用于信号布线而非电源分配的资源。
2、细间距混合键合，使用比传统微凸块小得多的尺度的铜对铜互连来连接堆叠层。
3、互补场效应晶体管 (CFET)，垂直堆叠 n 型晶体管和 p 型晶体管，以缩小标准单元高度并提高密度。
4、双面工艺，允许设计人员在晶圆的两面构建触点、通孔，甚至晶体管。这创造了新的布线和集成选项。


原则上，这种分层架构可以显著缩短逻辑电路和内存之间的信号路径，并提高带宽，同时通过减少寄生损耗来提高能效。其愿景是创建一个更像3D片上网络的系统，而不是由长线连接的扁平模块组合。


虽然其中一些想法听起来与 2.5D 集成类似，例如将芯片安装在中介层上，但两者之间存在重要区别。在 2.5D 封装中，已知良好的芯片并排放置，并通过重分布层或硅桥连接。这种方法提高了 I/O 密度并实现了异构集成，但每个芯片仍然是一个独立的实体，通常具有独立的封装和独立的电源分配。相比之下，CMOS 2.0 的目标是真正的晶圆级堆叠，其中各层以单片结构面对面（或背对背）键合，并以更精细的间距互连。其结果是实际上是一个垂直组装而非水平组装的大型芯片。


“仅仅缩小晶体管尺寸已经不够了。我们需要在各个维度上扩展系统，”范登霍夫说道。“通过垂直集成不同的功能，我们可以不断提高密度和功率，而不仅仅依赖于缩短栅极长度。”


这种区别对性能、成本和可制造性具有重大影响。虽然 2.5D 系统可以重复使用现有的工艺流程和测试基础设施，但 CMOS 2.0 需要重新思考从晶圆减薄和键合到热管理和 EDA 工具等方方面面。每一层都必须精确对准，键合无空洞，并进行在线验证，以避免加剧良率损失。


“我们的想法是将晶圆视为一个可以构建多层的平台，每一层都有其独特的最佳技术，”imec 研发副总裁 Julien Ryckaert 表示。“这意味着你可以在每一层使用不同的节点、不同的设计规则和不同的材料，以获得最佳性能和成本。”


尽管混合键合和背面供电技术已在测试平台中得到验证，但将其与垂直CFET和双面工艺相结合会带来相当大的复杂性。对于大多数晶圆厂而言，这不仅代表着工艺的变革，更是芯片构思、设计和量产方式的根本性转变。




CMOS 2.0 的优势




虽然堆叠晶圆的想法听起来很简单，但 CMOS 2.0 背后的四大技术支柱，每一项都与传统半导体制造工艺有着显著的不同。这些支柱共同定义了该方法的技术基础，并凸显了其前景广阔却又难以大规模实施的原因。


背面供电将电源轨移至晶圆背面，使设计人员能够清除正面金属层上宝贵的布线轨迹。这降低了电压降并改善了时序收敛，尤其是在密集的标准单元阵列中。英特尔已经展示了一种名为 PowerVia 的背面供电架构，而 Imec 自己的背面接触也显示出电压降的显著降低。然而，集成背面通孔和金属化需要晶圆减薄和特殊处理，以防止翘曲和污染。


需要采用细间距混合键合技术，通过间距远小于传统微凸块的铜-铜互连来连接各堆叠层。微凸块间距通常为 40 至 50 微米，而混合键合的目标间距小于 2 微米。这使得层间带宽巨大，但需要近乎完美的晶圆对准和表面处理，以避免出现空隙或断路。


与此同时，CFET 是基于环栅晶体管的概念，通过垂直堆叠 n 型和 p 型器件而构建的。这种配置将标准单元高度缩短了 30% 至 40%，并在无需缩短栅极长度的情况下提高了逻辑密度。然而，对齐两种晶体管类型的栅极并通过多层集成触点会增加光刻、沉积和蚀刻步骤的复杂性。


最终的发展是双面工艺，允许在晶圆的两面制造器件、触点和布线层。在成熟的流程中，这可以实现额外的配电、替代互连方案，甚至在背面制造功能器件。但双面设计需要新的工艺模块，用于晶圆翻转、对准和量测，以保持良率和性能。


从技术角度来看，这些支柱单独来看都是可行的，但将它们整合到单一工艺流程中，正是CMOS 2.0的独特之处，也使其实现起来极其困难。良率管理、工艺控制和设计工具的准备程度将决定这一愿景能否扩展到HVM。

表 1：imec 的 CMOS 2.0 四大支柱

CMOS 2.0 如何改变设计规则




CMOS 2.0 不仅仅是重塑工艺流程，它从根本上改变了设计人员对片上系统 (SoC) 分区、布线和验证的思考方式。在传统的 SoC 中，布局规划始于一块由标准单元组成的平面画布和可预测的金属层堆栈。电源分配和信号布线同时进行优化，前端逻辑和后端互连之间清晰分离。


当多层堆叠在单片组件中时，许多假设不再适用。设计人员必须尽早确定哪些模块应该位于哪些层，以及电流如何垂直流过背面过孔。不再是单一的电源网格，而是具有不同电阻路径和热约束的重叠平面。即使是像引脚分配这样基本的操作也会变成一个三维问题，需要能够跨多层布线资源建模的工具。


Synopsys高级总监 Amlendu Shekhar Choubey 表示：“跨层划分不仅仅是一个布局规划问题。它会改变你对电源传输、信号完整性以及每个阶段需要测试的内容的思考方式。你必须从一开始就考虑这些限制，否则你永远无法满足时序和良率要求。”


这种转变也会影响寄生参数提取。更短的垂直互连线可以改善延迟，但会引入新的电容驱动耦合效应，必须对其进行精确建模。EDA 工作流程必须考虑跨层的热梯度，因为某一层中的热点可能会降低相邻层的性能或可靠性。设计人员还需要了解键合过程中的机械应力会如何影响器件的长期性能。


布局布线工具也需要改进。如今的引擎建立在数十年来对二维布线和标准单元行的假设之上。当层间能够以亚微米间距面对面连接时，布线就变得更像组装三维网状网络。这需要新的算法和设计规则，以及可视化工具，帮助工程师了解其设计在三维空间中的表现。


除了布线之外，签核和验证流程也必须随之调整。多层集成需要检查多个工艺步骤中的对准公差、键合质量和电源完整性。热模拟必须追踪热量在不同层之间的移动方式，以及局部热点是否会降低性能。如果没有最新的建模和分析工具，随着层数的增加，产量损失的风险也会随之增加。


西门子EDA产品管理高级总监John Ferguson表示：“EDA不再仅仅是芯片设计，而是一个涵盖从概念到现场数据的整体系统。这意味着要以不影响周转时间的方式，对各个层级的热量、应力和电气效应进行建模。”


测试和生命周期遥测正成为关键的差异化因素。在多层封装中，已知良好芯片的经济性已转化为已知良好层级，这意味着每个晶圆级层在键合之前都必须经过测试和验证。现场可靠性监控的能力取决于在堆叠深处嵌入传感器。构建有效的硅片生命周期管理策略意味着在最早的设计阶段就整合测试钩和遥测基础设施。


Synopsys 的 Choubey 表示：“测试和硅片生命周期管理不能事后才考虑。在垂直堆叠中，你仍然需要已知良好的裸片和现场遥测路径。”


这种复杂程度也要求工程团队改变协作方式。芯片设计、封装和制造之间的传统界限开始模糊，因为各个学科之间的相互依赖程度越来越高。对许多公司来说，这不仅仅是一场技术转型，更是一场文化转型，需要新的工作流程、技能组合和合作伙伴关系。


西门子 EDA 定制 IC 验证部门产品管理总监 WeiLii Tan 表示：“将系统划分为不同的层级可以降低每个子系统的复杂性，但也增加了连接这些子系统的复杂性。现在，你拥有相互关联的子系统，你必须找到在它们之间进行路由的最佳方法。”




制造领域的阻力




尽管 CMOS 2.0 的愿景令人瞩目，但要将其投入量产，需要解决一系列制造挑战。即使单个挑战，这些障碍也相当巨大。


亚微米混合键合或许是目前需要克服的最大技术挑战。从间距40微米的微凸块过渡到间距小于2微米的铜-铜键合，需要晶圆对准精度达到100纳米以下。键合界面上的任何颗粒或表面粗糙度都可能导致空隙或电气不连续性。即使是微小的工艺偏差也可能导致良率损失，并波及整个堆叠层。


EV Group业务发展总监Bernd Dielacher表示：“键合对准器目前可提供低于50纳米的精度，这意味着晶圆间套刻精度低于100纳米。这种精度水平对于支持imec的互连扩展路线图至关重要。”


背面处理和晶圆减薄带来了其他挑战。为了实现背面供电，晶圆必须减薄至约 20 微米，并且必须极其小心地进行处理，以避免翘曲和污染。处理超薄基板需要专用的载体、临时粘合剂以及尚未标准化的清洁步骤。


Brewer Science首席应用工程师 Alice Guerrero 表示：“处理超薄晶圆本身就是一门科学。如果不能完美控制弯曲、翘曲和污染，背面集成的所有优势都会消失。”


工艺复杂性和配方管理也是主要挑战。混合键合和背面金属化需要精确控制沉积、蚀刻和退火步骤。在许多情况下，工艺窗口非常狭窄，手动调整配方已不再可行。这促使人们越来越依赖机器学习来发现稳定的工艺条件。


Lam Research首席技术与可持续发展官 Vahid Vahedi 在 ITF World 的一次演讲中表示：“当你审视现代蚀刻工具时，你会发现已经有天文数字的配方了。一旦添加背面处理和混合键合，工艺空间就会变得非常大，甚至需要人工智能和高级分析才能找到稳定的操作窗口。”


材料集成和原子级薄膜带来了另一层复杂性。随着器件垂直堆叠，薄膜厚度或成分的任何变化都可能影响对准度、良率和长期可靠性。诸如原子层沉积 (ALD) 之类的选择性沉积技术对于在整个晶圆表面构建均匀的界面至关重要。


ASM 首席执行官 Hichem M'Saad 在 ITF World 的一次演讲中表示：“一旦器件实现 3D 化，每个单层都至关重要。选择性 ALD 技术使我们能够实现自对准过孔，并保持如今的环绕栅极和未来 CFET 的可靠性。”




检测与计量




最后，检测与计量技术必须不断发展。传统的光学检测难以发现键合层之间的空隙。虽然包括红外成像和X射线断层扫描在内的非破坏性方法正在被应用于及早发现缺陷，但随着工艺步骤的增多和特征尺寸的缩小，缺陷分类仍然是一个瓶颈。


“无损检测对于优化良率至关重要，”Dielacher说道。“如果不能及早发现层间空隙，就会导致高废品率。”


除了最终阶段的量测之外，制造商越来越认识到在工艺早期发现潜在晶圆问题的重要性。即使是轻微的翘曲或弯曲，也可能在减薄和键合过程中被放大，导致对准失败或出现部分空洞，从而降低良率。


当多个合格芯片堆叠在一起时，经济风险会更高。一块晶圆上的一个潜在缺陷就可能毁掉其上键合的所有其他层的价值。因此，一些晶圆厂正在尝试更全面的宏观检测和更早的偏移跟踪，以便在高风险晶圆进入键合流程之前将其标记出来。


Microtronic应用总监 Errol Akomer 表示：“他们追求的是芯片完整性的最大概率。如果及早发现问题，就可以在它变成代价高昂的问题之前，通过保护带将其解决。”


除了提高产量之外，早期检查还可以创建每个晶圆随时间变化的详细状况记录，从而能够在现场发生故障时更快地进行根本原因分析。


Akomer 表示：“很多客户希望对生产线上的每一块晶圆进行多次成像。这样，如果之后出现问题，就能准确地追溯到问题的根源。”


这些做法起源于汽车和航空航天等高可靠性市场，但它们对于 CMOS 2.0 来说将变得越来越重要，因为堆叠多个晶圆层的成本和复杂性将使偏移控制和可追溯性对于经济可行性至关重要。




可靠性经济学




CMOS 2.0 虽然有望显著提升密度和性能，但也带来了新的可靠性和成本风险，这与平面微缩技术有着根本的不同。其中最重要的因素之一是良率堆叠。在单片晶圆堆叠中，每一层都必须符合规格。任何一层发生故障，整个组件都将失效。即使是适度的缺陷率也会在各层之间累积，导致有效良率达到挑战商业可行性的水平。


已知良好裸片策略多年来一直应用于2.5D和多芯片模块，使制造商能够在最终组装之前对单个裸片进行筛选。随着晶圆级键合的出现，重点转移到已知良好层级。这需要在每个构建阶段进行严格的在线测试和检查，以及工艺监控，以便在细微的变化蔓延到整个堆叠之前将其捕捉到。


英特尔代工服务研究员马克·加德纳 (Mark Gardener) 在 ITF World 的一次演讲中表示：“一个 AI 封装中有 50 个 Tile，一个坏的 GPU 会毁掉 49 个好的 GPU。芯片级排序和中间流程测试插入将带来极大的经济优势。”


除了良率之外，现场可靠性也变得更加复杂。热循环、机械应力和电迁移会以不同的方式影响不同的层。故障分析也更加困难，因为传统的探测和成像技术通常无法在不破坏性的情况下访问埋层。随着设备投入生产，制造商将需要新的策略来监控现场健康状况并预测性能随时间推移而下降。


另一个经济考量是，投资3D晶圆堆叠是否对所有市场都有意义。虽然高性能计算可以吸收更高的工艺成本来提升密度和带宽，但许多其他领域可能会发现其经济效益过高。成熟节点将继续发挥重要作用，尤其是在成本、功率和可靠性高于原始晶体管密度的情况下。


格芯首席技术官 Gregg Bartlett 在 ITF World 的一次演讲中表示：“130 纳米和 22 纳米这样的节点并非遗留技术；它们对电气化和射频至关重要。我们可能在光鲜亮丽的层面以下的研发投入不足。”


目前，CMOS 2.0 的经济效益可能更有利于那些能够以优异的性能和节能来证明较高成本合理的应用。但随着工艺成熟度的提高，其中一些优势可能会向下游转移，就像过去十年先进封装技术开始出现的那样。




竞争性选择




CMOS 2.0 并非扩大规模的唯一策略。代工厂和系统公司也在大力投资其他替代方案，每种方案都有各自的优势和利弊。


最成熟的替代方案是使用中介层上的芯片集 (chiplet) 进行 2.5D 集成。这种方法允许设计人员将逻辑、内存和模拟功能分解到单独的裸片中，然后将它们并排连接到硅或有机基板上。其优势在于灵活性。每个裸片都可以在最合适的节点上制造，进行独立测试，并在流程后期进行组合。良好的裸片经济性、成熟的工艺工具以及更简单的良率管理，使得 2.5D 技术对从高端 GPU 到网络 ASIC 等各种应用都极具吸引力。


然而，2.5D集成也有其局限性。即使采用了先进的重分布层和硅桥，芯片之间的I/O密度也比混合键合所能达到的密度低几个数量级。电力传输仍然更加复杂，而且随着数据经过更长的水平路径，信号延迟也会增加。对于需要海量带宽和紧密集成的工作负载来说，2.5D可能不够用。


第二种方案是无需晶圆堆叠即可实现 CFET 器件的单片微缩。通过垂直组合 n 型和 p 型环栅晶体管，设计人员可以在不改变集成模型的情况下降低单元高度并提高密度。这种方法充分利用了现有的工艺流程，并避免了多层组装带来的对准和键合挑战。但代价是，微缩最终会再次遭遇 CMOS 2.0 试图通过增加第三维度来解决的互连和布线限制。


一些公司还在探索基于小芯片的 3D 集成，将堆叠与已知良好芯片方法相结合，进一步模糊封装和单片设计之间的界限。


最后要考虑的是基础设施能否跟上设计和制造的复杂性。随着工艺节点的进步，流片、OPC（光学邻近校正）和验证所需的计算资源呈指数级增长。随着晶体管数量的激增，即使是最先进的 EDA 流程也面临压力。


NVIDIA 先进技术副总裁 Vivek Singh 在 ITF World 的一次演讲中表示：“OPC 计算能力每两年增长十倍。照这样下去，仅掩模合成就需要一百个超大规模数据中心。加速计算是我们驯服这头复杂性怪兽的方法。”

表2：纳米片时代之后的三种微缩路径


在这些策略之间做出选择将取决于产品需求、经济约束和生态系统的准备程度。在很多情况下，答案可能并非非此即彼。混合键合、芯片集和单片CFET微缩可以作为互补工具共存，将摩尔定律延伸至纳米片时代之后。




展望与里程碑




CMOS 2.0 能否成为下一个标准平台，还是仍停留在实验阶段，取决于其面临的最大挑战能否迅速得到解决。原则上，晶圆级堆叠、背面功率和 CFET 集成的物理原理是合理的。但在实践中，技术、经济和物流方面的里程碑仍需不断完善。


首先，亚微米混合键合必须证明其能够大规模实现可靠、无空隙的互连。良率管理、在线检测和工艺控制对于避免跨层级损失的累积至关重要。设备制造商和材料供应商已在合作改进表面处理、键合化学和清洁规程。


“混合键合已从研究阶段进入生产阶段，但实现 1 微米以下的可靠互连取决于诸多因素，例如完美的晶圆制备，”Dielacher 说道。“过高的表面粗糙度或任何污染都可能破坏界面，因此必须严格控制整个工艺流程。”


其次，背面感知的 EDA 流程必须成熟。布局布线引擎、时序签核工具和功耗分析框架需要能够处理多层连接，而不会给设计人员带来负担。仿真模型必须以可靠且可重复的方式捕捉寄生相互作用、热梯度和机械应力。


西门子数字工业软件公司产品管理高级总监乔·戴维斯表示：“EDA 无法在真空中解决这个问题。 生态系统必须共同开发方法和标准，否则学习曲线会过于陡峭。”


第三，超薄晶圆的材料和处理工艺必须更加坚固耐用。翘曲、弯曲和污染必须控制在远超现有标准的水平。


“即使你拥有最好的设计工具和工艺模块，但如果材料还没准备好，一切都毫无意义，”Brewer Science 高级技术专家 Douglas Guerrero 说道。“材料准备就绪是一切的守门人。”


最后，生态系统必须协调一致。设备供应商、代工厂、EDA 提供商和 IP 供应商都必须就支持 CMOS 2.0 生产的标准、工作流程和供应链达成一致。没有任何一家公司能够独自解决这些挑战。


“CMOS 2.0 不是晶体管路线图，而是系统路线图，”imec 的 Ryckaert 表示。“行业必须决定是要在二维还是三维方向上扩展。如果我们能够协调一致，这将开启未来十年的创新。如果我们做不到，我们可能会陷入困境。”


短期内，CMOS 2.0 技术最有可能应用于高性能计算、AI 加速器以及高端移动设备，这些领域对密度和带宽的投资是值得的。随着时间的推移，如果良率提高且工艺稳定，它可能会进入更广泛的市场。


目前，CMOS 2.0 可以让我们一窥纳米片时代之后的景象，并提醒我们，微缩不再仅仅关乎晶体管。它关乎整个系统，层层堆叠，需要新的工具、新的材料和新的思维。


参考链接
https://semiengineering.com/cmos-2-0-layered-logic-for-the-post-nanosheet-era/


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