半導體工藝的開發絕非易事，每一代器件研發的難度和成本在不斷提升。用傳統的先構建再測試的方法來開發最先進的工藝過于耗時且成本過高，如今已經不再適用。

工藝開發的高成本

大多數芯片設計師需要基于現有制造工藝來開發新產品，但這些工藝本身也需要工程師來開發。工藝開發，相較于設計新的芯片，對于工程師以及他們的技能要求完全不同。前者的目標在于創造新的半導體制造工藝，不僅要滿足器件性能要求而且要保證高良率。

過去的開發人員需要準備多種測試晶圓來確定特定器件的最佳工藝需求。他們需要先制造一組晶圓并對其做分析，然后基于分析結果來改進下一輪的制造工藝步驟。隨著特征尺寸的縮小，每次更新的工藝會對變量更加敏感。在測試時還必須考慮之前的開發中可能忽略的特征和寄生現象，這進一步提高了測試的復雜性和數據量。在最終確定整個工藝流程之前要不斷循環重復這一過程，由此帶來的時間和成本會不斷攀升，因此要將這樣的方法用于最先進的技術節點幾乎是不現實的。

使用虛擬晶圓進行測試

如今我們可以用虛擬制造來代替這種耗時且成本高昂的傳統方法。虛擬制造是指用計算機模擬制造真實晶圓的工藝過程（如圖1所示）。半導體工藝工程師可以用虛擬模型來測試制造設備的各種不同配置，其中的變量遠超真實場景下的測試。通過模擬整個工藝流程，設計人員可以在幾天（而非幾個月）內完成數千個晶圓的虛擬制造。以圖形動畫展現的可視化工藝流程可以幫助他們快速了解情況、調整工藝配方和器件集成方案，并評估各項調整對電性能的影響。

圖1. 虛擬制造中半導體工藝步驟的圖形動畫

利用虛擬晶圓制造的統計數據來提高良率

基于大量數據的統計分析能夠讓開發人員對選定的工藝設置更有信心。虛擬制造的建模能納入真實條件下無法模擬的缺陷和隨機變化，讓開發人員能夠測試器件架構對工藝流程中各種不可預測因素的靈敏度。

優化新存儲器或邏輯制造流程的工藝設置方式有數種，其中最簡單的就是選擇一個變量并研究其影響。以關鍵尺寸 (CD) 為例，它是指能保證達到所需電性能的器件特征尺寸。開發人員可以先設定一個從低到高的特定尺寸范圍，然后測試該范圍內不同尺寸數值對器件性能（例如閾值電壓）的影響，他們還可以用這些建模來測試交叉工序之間的相互作用。

然而，上述方法并不足以研究各工藝步驟以及最終結構之間錯綜復雜的相互作用。我們要用的第二種方法是蒙特卡洛分析，即隨機改變各種工藝和器件參數，并計算得出最終器件的幾何形狀和性能（如圖2所示），這些數據可以自動定義所需的工藝和設計參數以滿足特定良率和性能的要求。可以說這是虛擬技術最主要的用武之地，非常適用于測試眾多不同工藝之間的相互作用。

圖2. 基于虛擬制造的統計實驗

用于虛擬制造的SEMulator3D?

SEMulator3D是泛林集團旗下Coventor公司開發的虛擬制造平臺，可用于定義所有工藝步驟以及器件建模、指標數據收集、電性與器件分析、結果統計分析和基于圖形動畫的工藝流程可視化。如今很多半導體公司都在使用該平臺來優化和擴展先進的工藝節點，開發像GAA（全包圍柵極）晶體管（如圖3所示）這樣先進的新技術。

圖3. 通過SEMulator3D展現的全包圍柵極晶體管

這樣的虛擬制造技術代表了半導體工藝開發的未來，能讓新的工藝提前數月問世，并為領先的半導體公司帶來高達數億美元的市場機會。