納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)*

黃先奎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司，北京 100846)

0 引 言

隨著制造技術(shù)水平的顯著提高，新型科技與產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)依賴于一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——納米技術(shù). 納米技術(shù)是指使用單個(gè)原子或分子實(shí)現(xiàn)超精密加工的技術(shù)，主要包括：納米物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)以及納米計(jì)量技術(shù)等[1]. 其中，納米計(jì)量主要包括納米級(jí)精度尺寸和位移的測(cè)量、納米級(jí)表面形貌的測(cè)量以及納米級(jí)物理與化學(xué)特性的測(cè)量，其不僅能夠表征納米尺寸器件，也在半導(dǎo)體制備工藝中起到關(guān)鍵角色.

在半導(dǎo)體行業(yè)中，微電子器件存在大量幾何量參數(shù)，包括膜厚、臺(tái)階、光柵以及線寬等，是影響器件整體性能的關(guān)鍵參數(shù). 針對(duì)幾何量參數(shù)的主要測(cè)量?jī)x器包括橢偏儀、臺(tái)階儀、白光干涉儀、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等. 隨著器件尺寸的不斷縮小，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度要求越來(lái)越高，幾何量參數(shù)測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)問(wèn)題越來(lái)越突出. 近年來(lái)，美國(guó)NIST、德國(guó)PTB、中國(guó)計(jì)量院、中國(guó)電科十三所等國(guó)內(nèi)外計(jì)量機(jī)構(gòu)通過(guò)研制納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，搭建可溯源的標(biāo)準(zhǔn)裝置，研究測(cè)量方法等手段，進(jìn)一步提高了儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度[2]. 在納米計(jì)量技術(shù)中，納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)像一把“尺子”，可以為具有納米精度的幾何量參數(shù)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果可溯源于國(guó)際單位制，進(jìn)而大幅度提高儀器準(zhǔn)確性和可靠性[3]. 因此，本文就納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)展開(kāi)論述.

1 納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀

納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)主要包括膜厚標(biāo)準(zhǔn)、臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)、光柵標(biāo)準(zhǔn)以及線寬標(biāo)準(zhǔn)等. 這些標(biāo)準(zhǔn)通常采用半導(dǎo)體工藝制備而成，而其極限尺寸的參數(shù)又反應(yīng)了半導(dǎo)體的工藝水平.

1.1 膜厚標(biāo)準(zhǔn)

膜厚標(biāo)準(zhǔn)主要用來(lái)校準(zhǔn)橢偏儀、膜厚測(cè)試儀等膜厚測(cè)量類儀器. 通過(guò)研制膜厚標(biāo)準(zhǔn)，可以將測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一到相同量值之中. 美國(guó)NIST研制了標(biāo)稱值為10 nm～200 nm的SiO2/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，并作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)外銷售[4]；英國(guó)NPL使用X射線光電子光譜儀建立了超薄薄膜校準(zhǔn)裝置用于對(duì)標(biāo)稱值為1 nm～10 nm的超薄薄膜厚度進(jìn)行定標(biāo)，其不確定度為0.05 nm～0.2 nm[5]；美國(guó)VLSI公司研制了標(biāo)稱值為2.0 nm～1010 nm的SiO2/Si標(biāo)準(zhǔn)樣片，其不確定度為0.05 nm～0.7 nm，標(biāo)稱值為20 nm～200 nm的Si3N4/Si標(biāo)準(zhǔn)樣片，其不確定度為0.13 nm～0.17 nm[6]；國(guó)內(nèi)方面，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心也發(fā)布了10 nm～120 nm SiO2/Si、50 nm～200 nm Si3N4/Si和30 nm～100 nm Ta2O5/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，其不確定度分別為0.28 nm～2.6 nm、0.28 nm～1.5 nm和1.1 nm～2 nm；中國(guó)電科十三所結(jié)合自身半導(dǎo)體工藝技術(shù)，研制了2 nm～100 nm SiO2/Si和20 nm～200 nm Si3N4/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片，其不確定度分別為0.2 nm～1.1 nm和0.3 nm～0.5 nm[7]. 樣片參數(shù)覆蓋范圍廣，均勻性和穩(wěn)定性好，具備校準(zhǔn)膜厚測(cè)量類儀器的能力，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平.

1.2 臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)

臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)主要用來(lái)校準(zhǔn)臺(tái)階測(cè)量類儀器. 臺(tái)階測(cè)量類儀器包括接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N. 常見(jiàn)接觸式臺(tái)階測(cè)量?jī)x器主要包括臺(tái)階儀、原子力顯微鏡等，非接觸式臺(tái)階測(cè)量?jī)x器包括白光干涉儀等. 兩種臺(tái)階測(cè)量?jī)x器的原理不同，造成測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，因此，需要研制臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)來(lái)統(tǒng)一量值提高儀器測(cè)量準(zhǔn)確度. 美國(guó)VLSI公司和NANOSENSORS等公司生產(chǎn)的系列臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)片，量值溯源到美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)、德國(guó)國(guó)家物理研究所(PTB)、英國(guó)國(guó)家物理研究所(NPL)等世界權(quán)威計(jì)量機(jī)構(gòu). 國(guó)內(nèi)方面，國(guó)家納米科學(xué)中心研制了標(biāo)稱值為50 nm～1 000 nm 的臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并經(jīng)中國(guó)計(jì)量院進(jìn)行標(biāo)定，其臺(tái)階高度測(cè)量結(jié)果不確定度為2.8%～0.6%[8]；上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院通過(guò)MEMS工藝和FIB工藝加工完成的具有可循跡的覆蓋100 nm～500 nm范圍的臺(tái)階高度標(biāo)準(zhǔn)樣板，適用于多種不同儀器的校準(zhǔn)[9]；中國(guó)電科十三所使用半導(dǎo)體工藝研制了10 nm～100 μm的臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)樣片，解決了臺(tái)階測(cè)量類儀器的校準(zhǔn)問(wèn)題，提升了半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的重復(fù)性、穩(wěn)定性和可靠性[10].

1.3 光柵標(biāo)準(zhǔn)

線寬尺寸是衡量半導(dǎo)體工藝水平的重要參數(shù)，并且隨著器件特征尺寸的日益縮減，線寬變得越來(lái)越窄，其對(duì)于器件性能的影響越來(lái)越大. 光柵標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)校準(zhǔn)線寬測(cè)量?jī)x、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等線寬測(cè)量類儀器. 在光柵標(biāo)準(zhǔn)研制方面，美國(guó)NIST先后發(fā)布的光柵標(biāo)準(zhǔn)樣片分別為SRM484g，SRM2800，SRM2090，其中包括一維光柵結(jié)構(gòu)和二維格柵結(jié)構(gòu)，最小分度值為 0.2 μm[11]；德國(guó)PTB發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)參照物的結(jié)構(gòu)為二維格柵，標(biāo)稱值為0.5 μm～500 μm；英國(guó)NPL發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是一維線標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)稱值為0.29 μm～50 μm，擴(kuò)展不確定度為25 nm；日本質(zhì)量保證組織(JQA)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)為二維格柵，240 nm±1 nm，光學(xué)衍射法定值，不確定度為1 nm；美國(guó)VLSI公司研制了標(biāo)稱值為100 nm～1 000 nm的光柵標(biāo)準(zhǔn)樣片，其不確定度為0.6 nm～30 nm[12]. 國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)計(jì)量院已建立了納米幾何量國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了直接溯源，并成功研制了400 nm一維格柵[13]；國(guó)防科技工業(yè)第一計(jì)量測(cè)試研究中心(304所)也開(kāi)展了尺寸為1 μm～10 μm光柵樣片的研究工作[14]；中國(guó)電科十三所研制了0.1 μm～10 μm的光柵標(biāo)準(zhǔn)樣片，其不確定度為5 nm～25 nm. 該類樣片覆蓋范圍廣，基本滿足國(guó)內(nèi)線距測(cè)量類儀器的校準(zhǔn)需求[15].

1.4 線寬標(biāo)準(zhǔn)

隨著器件特征尺寸的日益縮減，線寬標(biāo)準(zhǔn)作為光柵標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，用來(lái)校準(zhǔn)線寬測(cè)量?jī)x、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等線寬測(cè)量類儀器. 在線寬標(biāo)準(zhǔn)研制方面，美國(guó)NIST研制了100 nm～30 μm的線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片，其不確定度為2.5 nm～40 nm；德國(guó)PTB研制了50 nm～130 nm 的線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片，其不確定度為 0.7 nm～1.6 nm；美國(guó)VLSI公司研制了標(biāo)稱值為25 nm和110 nm的線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片，其準(zhǔn)確度為25 nm±0.5 nm 和110 nm±0.8 nm[16]. 國(guó)內(nèi)對(duì)于線寬標(biāo)準(zhǔn)的研制報(bào)道很少，僅在1999年由全國(guó)微束分析標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)發(fā)布了一個(gè)掃描電鏡長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)樣品板，最小標(biāo)稱線寬為2 μm；中國(guó)電科十三所成功研制出線寬范圍在200 nm以上的線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍200 nm以上的線寬測(cè)量類儀器的校準(zhǔn)[17].

建立納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及其溯源體系是實(shí)現(xiàn)量值統(tǒng)一的重要依據(jù). 納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對(duì)實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量?jī)x器的量值統(tǒng)一有著重要作用. 膜厚標(biāo)準(zhǔn)的量值已經(jīng)延伸到1 nm，商業(yè)化的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片也維持在2 nm左右；臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)的量值維持在10 nm 左右；光柵標(biāo)準(zhǔn)的周期值維持在100 nm左右. 目前，以上3種計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性、均勻性等參數(shù)的性能良好，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于納米測(cè)量?jī)x器相關(guān)參數(shù)的校準(zhǔn)中. 國(guó)內(nèi)研究雖然起步較晚，但發(fā)展速度較快，許多科研院所制備的納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平. 相比之下，隨著極深紫外光刻機(jī)在亞10納米量級(jí)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而國(guó)際上的納米線寬標(biāo)準(zhǔn)停止在25 nm左右. 開(kāi)展更小量值、更高性能線寬標(biāo)準(zhǔn)樣片的研制能夠確保更小量值范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)線寬測(cè)量?jī)x器的溯源與量傳.

2 納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際比對(duì)

納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)是實(shí)現(xiàn)器件納米級(jí)精度，保證量值統(tǒng)一與可靠的重要手段. 為此，國(guó)際計(jì)量機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化組織針對(duì)膜厚、臺(tái)階、光柵以及線寬等參數(shù)，進(jìn)行了多次納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際比對(duì).

2.1 膜厚標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際比對(duì)

為了保證超薄膜測(cè)量結(jié)果的一致性，受國(guó)際計(jì)量局委托，英國(guó)NPL作為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，組織了膜層厚度為1.5 nm～8.0 nm的SiO2/Si薄膜厚度的國(guó)際比對(duì)，參加單位包括NIST、PTB等在內(nèi)的國(guó)際計(jì)量機(jī)構(gòu)，比對(duì)從2004年開(kāi)始，歷時(shí)4年，結(jié)果如表1 所示. 比對(duì)結(jié)果顯示：參加單位的測(cè)量值與參考值符合性高，適用于納米級(jí)不確定度的測(cè)量.

表1 1.5 nm～8.0 nm的SiO2/Si薄膜厚度的國(guó)際比對(duì)結(jié)果[18-20]

2.2 臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際比對(duì)

國(guó)際計(jì)量組織早在2000年左右就開(kāi)展了相應(yīng)的國(guó)際比對(duì). 在國(guó)際對(duì)比中，針對(duì)20 nm、70 nm、300 nm以及800 nm的臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)，參加的國(guó)家使用不同的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行各自的測(cè)量，并進(jìn)行了測(cè)量不確定度的分析. 其中，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院參加了本次的對(duì)比，其使用的是帶有激光干涉儀的原子力顯微鏡，可以溯源到激光波長(zhǎng)[21]. 本次國(guó)際比對(duì)取得了良好的測(cè)量結(jié)果，印證了臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于納米級(jí)測(cè)量.

2.3 光柵標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際比對(duì)

2000年，日本國(guó)家計(jì)量院作為主導(dǎo)單位組織了一次一維光柵樣片的比對(duì)，參與比對(duì)的有日本國(guó)家計(jì)量院、日本JQA和HSS，比對(duì)樣片的量值為240 nm，參與者分別采用計(jì)量型原子力顯微鏡、光學(xué)衍射法、關(guān)鍵尺寸掃描電鏡對(duì)樣片進(jìn)行測(cè)量，比對(duì)結(jié)果顯示3種測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果一致性良好. 此外，丹麥基礎(chǔ)計(jì)量技術(shù)研究院(DFM)主導(dǎo)二維納米光柵的比對(duì)，采用的2D1000光柵樣板由Ibsen公司采用電子刻蝕的方法制備. 該比對(duì)從2005年1月開(kāi)始，歷時(shí)1年多結(jié)束，在12個(gè)國(guó)家計(jì)量研究院所間相互循環(huán)校準(zhǔn)，形成3個(gè)有序的環(huán). 主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室DFM對(duì)比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,并于2008年公布結(jié)果[22，23].

2.4 線寬標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際比對(duì)

針對(duì)線寬標(biāo)準(zhǔn)共主持了3次國(guó)際比對(duì)，如表2 所示，分別為：1996年，美國(guó)NIST和英國(guó)NPL組織開(kāi)展了0.5 μm～30 μm范圍內(nèi)的線寬量值的國(guó)際比對(duì)，比對(duì)使用的標(biāo)準(zhǔn)樣片是美國(guó)NIST提供的NIST SRM473，其結(jié)構(gòu)如圖 1(a) 所示；2008年，美國(guó)NIST和德國(guó)PTB組織開(kāi)展了0.1 μm～4 μm范圍內(nèi)的線寬量值的國(guó)際比對(duì)，比對(duì)使用的標(biāo)準(zhǔn)樣片是NIST提供的NIST SRM2059，其結(jié)構(gòu)圖如圖 1(b) 所示；2017年，美國(guó)NIST和德國(guó)PTB組織開(kāi)展了50 nm～130 nm范圍內(nèi)的線寬量值的國(guó)際比對(duì)，比對(duì)使用的標(biāo)準(zhǔn)樣片是PTB提供的IVPS100-PTB，其結(jié)構(gòu)圖如圖 1(c) 所示. 3次國(guó)際比對(duì)印證了線寬標(biāo)準(zhǔn)的研制適應(yīng)于半導(dǎo)體工藝參數(shù)的發(fā)展.

表2 線寬國(guó)際比對(duì)情況[24-26]

(a) NIST 473線寬標(biāo)準(zhǔn)樣板

(b) NIST SRM2059線寬標(biāo)準(zhǔn)樣板

(c) IVPS100-PTB線寬標(biāo)準(zhǔn)樣板

在納米計(jì)量范疇中，不同儀器測(cè)量同一標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果或同一儀器在不同環(huán)境下的測(cè)量結(jié)果存在較大差異，因此，納米計(jì)量的國(guó)際對(duì)比具有十分重要的意義. 納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際比對(duì)結(jié)果與預(yù)期值相符，取得了很好的效果. 同時(shí)，對(duì)計(jì)量型原子力顯微鏡、光學(xué)衍射法、關(guān)鍵尺寸掃描電鏡等納米測(cè)量?jī)x器也進(jìn)行了一次性能的全面檢測(cè)與考核. 此外，納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際比對(duì)有利于了解國(guó)際納米測(cè)量的最新動(dòng)態(tài)，為國(guó)內(nèi)納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源提供依據(jù)，同時(shí)也推動(dòng)了國(guó)家之間納米計(jì)量結(jié)果的互認(rèn).

3 納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)

納米計(jì)量在納米科技中占據(jù)著無(wú)可替代的重要位置. 在器件的研制過(guò)程中，若要達(dá)到納米尺寸精度的要求，必須要有可溯源于國(guó)際單位制的統(tǒng)一計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系[20]. 隨著器件尺寸的不斷縮小，幾何量參數(shù)的計(jì)量問(wèn)題越來(lái)越突出，因此，未來(lái)納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：

首先，半導(dǎo)體器件會(huì)存在越來(lái)越小尺寸的薄膜和臺(tái)階，需要更加精密的儀器對(duì)這些薄膜和臺(tái)階進(jìn)行測(cè)量，也需要相應(yīng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些儀器進(jìn)行校準(zhǔn). 目前，膜厚標(biāo)準(zhǔn)的厚度已經(jīng)達(dá)到2 nm左右，臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)的高度在8 nm左右. 未來(lái)，膜厚及臺(tái)階標(biāo)準(zhǔn)將向亞納米延伸，甚至向多原子層、單原子層延伸.

其次，從一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵線寬值按0.7倍縮減，目前14 nm 節(jié)點(diǎn)的技術(shù)已經(jīng)成熟，利用原子沉積技術(shù)也做出了12 nm的線寬標(biāo)準(zhǔn). 未來(lái)，線寬標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步向更小尺寸延伸以滿足測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)需求.

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，對(duì)納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的需求也越來(lái)越迫切. 因此，亟需在已有科研成果基礎(chǔ)上展開(kāi)更深層次的研究. 本文通過(guò)分析膜厚、臺(tái)階、光柵以及線寬等納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的研制現(xiàn)狀，并通過(guò)分析其國(guó)際比對(duì)情況，對(duì)目前的納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，并對(duì)納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析. 目前，在納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的研制方面存在亟待解決的問(wèn)題，未來(lái)將加大計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及其定標(biāo)方法的研究，保證更小量值的統(tǒng)一與可靠，服務(wù)于半導(dǎo)體事業(yè).