納米線寬是集成電路的關(guān)鍵尺寸量值，通常也被稱為關(guān)鍵尺寸（Critical Dimension，CD），其量值的準(zhǔn)確性對芯片器件的性能影響巨大。研究表明，當(dāng)集成電路線寬節(jié)點(diǎn)達(dá)到32 nm以下時，線寬量值10%的誤差將導(dǎo)致器件的失效。因此，實現(xiàn)集成電路中線寬的原子級準(zhǔn)確度測量是發(fā)展大規(guī)模集成電路的前提條件。現(xiàn)有的激光波長溯源方式已不能滿足當(dāng)前集成電路中關(guān)鍵尺寸的原子級準(zhǔn)確度測量要求。隨著SI單位的變革，硅{220}晶面間距作為一種新的米定義復(fù)現(xiàn)方式，為集成電路中關(guān)鍵尺寸的準(zhǔn)確控制提供了技術(shù)支撐。

圖1 大規(guī)模集成電路線寬發(fā)展路線圖

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）等已率先開展了基于硅晶格常數(shù)的量值傳遞體系的計量技術(shù)研究，研制了相關(guān)計量標(biāo)準(zhǔn)裝置與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。在產(chǎn)業(yè)方面，美國VLSI公司研制的線寬結(jié)構(gòu)量值已溯源至硅晶格常數(shù)，不確定度水平優(yōu)于1 nm，在全球集成電路領(lǐng)域處于絕對壟斷地位。而我國在此領(lǐng)域的研究相對滯后，亟需建立我國新一代基于硅原子晶格常數(shù)的納米幾何量值溯源與傳遞體系，為發(fā)展我國自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模集成電路技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

近日，發(fā)表于《計量科學(xué)與技術(shù)-中國計量科學(xué)研究院?？?022）》的文章“基于硅晶格常數(shù)的納米線寬計量技術(shù)”，對我國可溯源至硅晶格常數(shù)的納米線寬計量技術(shù)進(jìn)行了概述，并對下一階段的發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)。

亮點(diǎn)創(chuàng)新

（1）研制了量值<50 nm的納米線寬標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白；

（2）探索了納米線寬的智能化定值方法，基于k-means算法實現(xiàn)了納米線寬自適應(yīng)定值方法；

（3）基于2D-DFT實現(xiàn)了透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）高分辨圖像中硅晶面間距的像素跨度自動測量。

主要成果

（1）探索了基于硅晶格常數(shù)的納米線寬溯源方法，利用透射電子顯微鏡的高分辨率對線寬和單晶硅進(jìn)行同時成像，以硅晶格常數(shù)為基本刻度實現(xiàn)納米線寬原子級準(zhǔn)確度測量。

圖2 TEM中基于硅晶格常數(shù)的線寬測量原理

（2）研制了量值為40 nm、80 nm與160 nm的多結(jié)構(gòu)硅納米線寬國家二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW(E)130744）。

圖3 多結(jié)構(gòu)硅納米線寬標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的掃描電子顯微鏡圖像

（3）研制了可溯源至硅晶格常數(shù)的22 nm和45 nm線寬標(biāo)準(zhǔn)器。

圖4 TEM放大倍率為145 k下獲得的特征值為22 nm和45 nm線寬標(biāo)準(zhǔn)器的顯微圖像

通訊作者：施玉書

中國計量科學(xué)研究院副研究員。研究方向：微納計量技術(shù)、精密儀器測量等。

第一作者：王芳

中國計量科學(xué)研究院在站博士后。研究方向：納米線寬計量技術(shù)、圖像處理等。