(本文编译自SemiWiki）
在半导体技术迭代速度日益加快的当下，芯片性能提升与功耗控制之间的矛盾愈发凸显，传统CMOS技术的缩放极限逐渐显现。比利时微电子研究中心（imec）近期在晶圆对晶圆混合键合和背面互连方面取得的突破性进展，正为CMOS 2.0铺平道路。这一创新技术正以范式转变之势，重新定义芯片设计的未来方向。
什么是CMOS 2.0？
CMOS 2.0由imec于2024年正式提出，其核心创新在于打破传统芯片功能的平面布局限制，将片上系统（SoC）拆解为垂直叠加的专用功能层——最底层的高驱动逻辑层专注承载高速运算等重负荷任务，中间的高密度逻辑层擅长并行处理多任务，顶层则可灵活叠加存储器层以实现数据的快速存取。
更具革命性的是，它在芯片背面构建了专属的背面供电网络（BSPDN），彻底改变了传统正面供电的绕路模式，有效降低了功耗损耗。
每个功能层都会通过系统-技术协同优化（STCO）针对特定需求进行精准打磨，这种设计思路超越了传统通用平台的局限，实现了片上系统内部的异构堆叠，其集成度较当前处理器上静态随机存取存储器（SRAM）的3D堆叠技术更上一层楼。
CMOS 2.0核心技术
CMOS 2.0的核心是采用先进的3D互连技术和背面供电网络（BSPDN）。这两项技术允许在晶圆的两面实现高密度连接，将有源器件层悬浮在独立的互连堆叠之间。
在2025年超大规模集成电路（VLSI）研讨会上，imec展示了CMOS 2.0的重要技术里程碑：成功实现250纳米间距的晶圆对晶圆混合键合，以及背面120纳米间距的穿介质通孔（TDV）。这些突破为逻辑对逻辑、内存对逻辑的堆叠提供了所需的精细度，克服了人工智能（AI）和移动设备等多种应用在计算缩放方面的瓶颈。
晶圆对晶圆混合键合的突出优势在于能够实现亚微米间距，从而提供高带宽和低能耗的信号传输。该工艺包括在室温下对准并键合两个经过加工的晶圆，随后通过退火形成永久性的铜-铜（Cu-to-Cu）键合和介质键合。
Imec持续优化这一流程，2023年使用氮化硅碳（SiCN）介质实现了可靠的400纳米间距连接，具备更好的强度和可扩展性。为追求更小间距，团队通过仿真发现非均匀键合波会导致晶圆变形，进而影响对准精度，为此他们引入键合前光刻校正技术，最终实现300纳米间距连接，95%的芯片对准误差控制在25纳米以内。在2025年VLSI研讨会上，imec进一步展示了在六边形焊盘网格上实现250纳米间距的可行性，菊花链测试中取得了优异的电性能良率，不过全晶圆良率的提升仍需依赖新一代键合工具的研发突破。
作为正面键合的补充，背面互连通过纳米穿硅通孔（nTSV）或直接接触实现正反面连接。对于CMOS 2.0的多层堆叠结构而言，这一技术确保了晶圆两面金属层的无缝集成，背面供电网络（BSPDN）从背面提供电力，以减少电压降（IR drop），并缓解正面后端工艺（BEOL）的信号拥堵问题。
imec在2025年VLSI研讨会上演示了采用无阻挡层的钼填充穿介质通孔（TDV），底部直径为20纳米，间距为120纳米，通过浅沟槽隔离中的通孔优先方法制造。极致的晶圆减薄工艺保持了低深宽比，而高阶光刻校正确保了穿介质通孔（TDV）与55纳米背面金属层之间15纳米的对准余量。这一设计平衡了晶圆两面的精细间距连接，对于堆叠逻辑、内存和静电放电（ESD）保护等多个异构层至关重要。
背面供电网络（BSPDN）通过将电源分配转移到背面，进一步提升了CMOS 2.0的性能，能够采用更宽、电阻更低的互连线路。各大代工厂已将其应用于先进工艺节点。设计-技术协同优化（DTCO）研究表明，该技术在通用型设计中实现了性能、功耗、面积（PPAC）的提升，而2025年VLSI研讨会上展示的研究成果已将其扩展到了开关域架构——这与功耗可控的移动片上系统（SoC）密切相关。在一款2纳米移动处理器设计中，与正面供电网络（PDN）相比，背面供电网络（BSPDN）将电压降（IR drop）降低了122毫伏，使得棋盘格布局中的电源开关数量减少。这带来了22%的面积节省，同时提升了性能和能效。
这些进展已将CMOS 2.0从概念推向了实用化。通过在片上系统（SoC）内部实现异构集成，这些技术为半导体生态系统（从无晶圆厂设计公司到系统集成商）提供了可扩展的解决方案。随着间距缩小至200纳米以下，与设备供应商的合作将成为克服对准挑战的关键。归根结底，高密度的正面和背面互连预示着计算创新的新时代，能够满足日益多样化的应用领域对性能、功耗和密度的需求。
结语
从概念雏形到实用化落地，CMOS 2.0的跨越式发展离不开技术创新的持续驱动与产业生态的协同支撑。通过在片上系统内部实现高效异构集成，它为半导体行业从无晶圆厂设计公司到系统集成商的全产业链，提供了兼具灵活性与可扩展性的解决方案，有效应对了不同应用场景对芯片性能、功耗与密度的多元化需求。CMOS 2.0的发展，也为人工智能、移动终端、高性能计算等领域注入强劲动力。