【研究进展】基于硅晶格常数的纳米线宽计量技术

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纳米线宽是集成电路的关键尺寸量值，通常也被称为关键尺寸（Critical Dimension，CD），其量值的准确性对芯片器件的性能影响巨大。研究表明，当集成电路线宽节点达到32 nm以下时，线宽量值10%的误差将导致器件的失效。因此，实现集成电路中线宽的原子级准确度测量是发展大规模集成电路的前提条件。现有的激光波长溯源方式已不能满足当前集成电路中关键尺寸的原子级准确度测量要求。随着SI单位的变革，硅{220}晶面间距作为一种新的米定义复现方式，为集成电路中关键尺寸的准确控制提供了技术支撑。

图1 大规模集成电路线宽发展路线图

美国国家标准与技术研究院（NIST）和德国联邦物理技术研究院（PTB）等已率先开展了基于硅晶格常数的量值传递体系的计量技术研究，研制了相关计量标准装置与标准物质。在产业方面，美国VLSI公司研制的线宽结构量值已溯源至硅晶格常数，不确定度水平优于1 nm，在全球集成电路领域处于绝对垄断地位。而我国在此领域的研究相对滞后，亟需建立我国新一代基于硅原子晶格常数的纳米几何量值溯源与传递体系，为发展我国自主知识产权的大规模集成电路技术奠定基础。

近日，发表于《计量科学与技术-中国计量科学研究院专刊（2022）》的文章“基于硅晶格常数的纳米线宽计量技术”，对我国可溯源至硅晶格常数的纳米线宽计量技术进行了概述，并对下一阶段的发展目标进行了总结。

亮点创新

（1）研制了量值<50 nm的纳米线宽标准物质，填补了国内空白；

（2）探索了纳米线宽的智能化定值方法，基于k-means算法实现了纳米线宽自适应定值方法；

（3）基于2D-DFT实现了透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）高分辨图像中硅晶面间距的像素跨度自动测量。

主要成果

（1）探索了基于硅晶格常数的纳米线宽溯源方法，利用透射电子显微镜的高分辨率对线宽和单晶硅进行同时成像，以硅晶格常数为基本刻度实现纳米线宽原子级准确度测量。

图2 TEM中基于硅晶格常数的线宽测量原理

（2）研制了量值为40 nm、80 nm与160 nm的多结构硅纳米线宽国家二级标准物质（GBW(E)130744）。

图3 多结构硅纳米线宽标准物质的扫描电子显微镜图像

（3）研制了可溯源至硅晶格常数的22 nm和45 nm线宽标准器。

图4 TEM放大倍率为145 k下获得的特征值为22 nm和45 nm线宽标准器的显微图像

通讯作者：施玉书

中国计量科学研究院副研究员。研究方向：微纳计量技术、精密仪器测量等。

第一作者：王芳

中国计量科学研究院在站博士后。研究方向：纳米线宽计量技术、图像处理等。