随着摩尔定律(Moore's Law)持续进展至未来的半导体技术节点——11nm和7nm,业界需要更先进的测量工具——一种更精密的比例尺——,至少必须比目前测量的半导体更精密10倍以上,才能取得成功,从而推动摩尔定律持续进展。
目前最精密的测量工具可达到4nm精密度,是由美国加州的aBeam Technologies Inc.联手劳伦斯柏克莱国家实验室(Lawrence Berkeley National Lab;LBNL)共同开发的,他们结合采用了电子束微影、原子层沈积以及奈米压印技术。针对新标准持续扩展摩尔定律至7nm,美国能源部阿岗国家实验室(Argonne National Laboratory;ANL)最近携手aBeam与LBNL,共同开发了至今最精密的测量工具——线距可缩小至1.5nm。

1.5nm随机测试图案(左)以及扫描电子显微镜(SEM)影像(右)

「在这项设计中所使用的技术来自于半导体产业;不过,目前还不到讨论细节的时机。然而,这并不是一个典型的 CMOS 制造流程。由于我们需要材料的对比度来表征与调整奈米级测量设备,因此我们采用了硅晶与硅化钨。不过,该技术本身并不受到材料选择的限制,各种广泛的材料都可使用,」aBeam Technologies总裁Sergey Babin表示。

1.5nm随机测试图案的透射电子显微镜(TEM)影像图(左)以及双特写(右)

利用新材料作为测试图案,使其得以校准与测试测量仪器,以便用于制造先进的半导体。这些测试图案包括具有精确线宽的数千条随机线路,并可用于测量任何有关的线路线宽。
aBeam Technologies、LBNL与ANL的研究人员们并开发出一种能以低至1.5nm线宽制造测试图案的技术。尽管所制造出的奈米结构似乎是随机的,但可让奈米级测量仪器整个动态范围内实现调变转换函数,表征最完整的芯片特性。
「对于半导体产业来说,测量工具至关重要,因为它为制造过程提供反馈,」Babin指出,「调变转换函数被广泛应用于光学中,也使光学系统突破绕射极限。在奈米测量学领域中,常见的问题是一直缺少具有已知空间频率的自然样本,而我们的技术则弥补了这一鸿沟。利用制造出具有奈米级线宽的虚拟随机测试图案,奈米级测量系统能够更准确的进行特性表征。」
测试图案本身交错使用硅和硅化钨线路,以便能最大限度地提高对比度,从而提供给测量系统使用。典型的样本尺寸约为6x6微米,每个样本上都有数千行线路。
「我们的下一步是要将所制造的测试图案应用在各种测量系统上,如扫描显微镜、原子力显微镜、软X射线显微镜,以及开发出自动化的完整解决方案以表征与调整系统」,Babin表示。