VLSI 2025：从原子仿真到3D DRAM的技术革命（一）数字孪生驱动半导体制造革新

【编者按】

本篇选自SemiAnalysis的长文深度解析全球顶级半导体会议VLSI 2025的核心突破。面对制程微缩瓶颈，行业通过五大前沿路径破局：原子级数字孪生技术加速芯片设计；4F² DRAM架构突破1d节点物理极限；背板供电（BSPDN）重构芯片能效比；中国FlipFET设计挑战CFET集成难题；2D材料与3D堆叠重塑存储未来。文章结合英特尔18A成本分析、TSMC DRAM集成等实战案例，为从业者提供制程迭代与成本演进的决策地图，揭示后摩尔时代的技术竞争格局。欢迎感兴趣的读者转发与关注！

长期读者会记得，SemiAnalysis的报道范围不仅限于数据中心和 AMD，本系列我们回归半导体领域，聚焦技术，带来今年超大规模集成电路（VLSI）会议——首屈一指的设计与集成会议——上最精彩内容的综述。这包括芯片制造的最新进展：晶圆厂数字孪生、先进逻辑晶体管和互连技术的未来、超越 1x nm 节点的 DRAM 架构，以及更多内容。我们将讨论英特尔的 18A 制程并与台积电（TSMC）进行比较，探讨背面供电将在哪些地方被采用（以及哪些地方不会），并分析4F2与3D DRAM 中可能的赢家。

数字孪生：从原子到晶圆厂

半导体设计和制造的复杂性呈指数级增长，增加了开发成本并延长了设计周期。数字孪生允许在加速的虚拟环境中进行设计探索和优化。借此，工程师可以在任何硅片进入晶圆厂生产之前确保设计有效。

数字孪生涵盖半导体设计的整个尺度：

·原子级：在晶体管接触点和栅极的材料工程中模拟原子间的量子和牛顿相互作用

·晶圆级：在虚拟硅片中优化工具腔室和工艺配方，以提高良率和性能

·晶圆厂级：通过跨整个设备群的协调维护和管理，最大化晶圆厂的生产力

关于原子级仿真，新思科技概述了其 QuantumATK 套件，该套件用于晶体管接触点和栅极氧化层堆叠设计中的材料工程，这对器件性能至关重要。传统的密度泛函理论（DFT）对原子间量子效应的建模最精确但计算成本高昂，而传统的牛顿原子相互作用力场仿真快速但精度有限。GPU 加速的 DFT-NEGF（非平衡格林函数）方法仅使用 4 块 A100 GPU 相比 CPU 就实现了 9.3 倍的加速，而使用矩张量势（Moment Tensor Potentials）的机器学习力场（MLFF）仿真则实现了接近 DFT 的精度，计算成本仅需 17 分钟，而传统 DFT 需要 12 天。

这些原子模型对于理解发生在不同材料层界面处的电相互作用至关重要。在接触点工程中，MLFF 用于生成晶体硅和非晶硅化物之间的接触界面，模拟边界发生硅化时的相互扩散深度。然后使用 DFT-NEGF 计算界面处的接触电阻和电流-电压曲线。对于栅极氧化层设计，使用 MLFF 构建复杂的多层功函数金属堆叠，并进行仿真以检查其结构和化学成分。然后可以引入偶极掺杂剂并用 DFT 进行优化，DFT 也进行静电分析以计算关键参数，如有效功函数、肖特基势垒高度和等效氧化层厚度。随着我们向前迈进到环绕栅极（GAA）设计方案，这些原子仿真在选择正确材料方面变得更加重要。

林氏定律（Lam’s Law）：随着复杂性的增加，可能的工艺配方组合数量呈指数级增长。

泛林集团（Lam Research）的数字孪生解决方案从工艺、工具扩展到虚拟晶圆厂。

关于利用虚拟硅片进行晶圆级优化，泛林集团展示了其 Coventor SEMulator3D 软件的工作。随着晶体管结构从平面到 FinFET 再到 GAA 越来越复杂，可能的工艺配方组合数量只会呈指数级增长，他们将其营销为林氏定律（Lam’s Law）。虚拟晶圆制造通过使用具有优化参数的训练模型进行工艺仿真来完成，使工程师能够扩大工艺窗口、提高良率，同时减少验证变更所需的物理测试晶圆循环次数。泛林集团还将其沉积和蚀刻工具构建为数字孪生，构建带有等离子体流动仿真的虚拟腔室，以帮助配方预测，同时优化腔室设计以实现整个晶圆的均匀性。

这些仿真工具已被用于工艺窗口研究，以选择具有最宽工艺窗口的背面接触方案，同时研究每种配方如何影响纳米片晶体管上的应力和应变。高深宽比（HAR）蚀刻方案也使用虚拟环境来预测给定输入掩模图案的工具输出蚀刻轮廓。将这些蚀刻轮廓与目标输出轮廓进行比较并给出一个距离值，然后在数字孪生中通过进一步测试来最小化该距离。

上升到晶圆厂级别，泛林集团还介绍了实现“黑灯工厂”（lights-out fab）所需的工作。即一个不需要人为干预，因此可以关灯的工厂。工具群需要在虚拟孪生中以近乎实时的速度进行协调，以协调工具停机时间并最大化晶圆厂生产力。工具本身需要具备“自我意识”，进行预测性维护，使用内置计量工具来检测其整个生命周期中的工具对准和工艺漂移。对于一个黑灯工厂，每台工具的目标应至少是无需人为干预、不间断运行 1 年，故障后能自动恢复并自我请求维护。