Detektering af effekter af 3-D-former i nanoskala-chipfunktioner

Når mikrochipfunktionernes dimensioner nærmer sig atomær skala, det bliver formidabelt svært at måle deres størrelse og form. Ifølge International Technology Roadmap for Semiconductors, inden for de næste par år vil den typiske længde af en transistors "gate" – dens tænd-sluk-knap – være mindre end 20 nanometer.

Opfyldelse af produktionstolerancer for enheder med disse dimensioner vil kræve målinger med en minimumsusikkerhed omkring 0,3 nm. Og opgaven er klar til at blive sværere:Inden 2020, portlængder forventes at krympe til omkring 12,5 nm, kræver usikkerheder i intervallet 0,2 nm - omkring bredden af ​​et siliciumatom.

Det lægger et ekstraordinært pres på chipproducenterne for at forbedre processtyringen. Generelt, fabrikanter måler de kritiske dimensioner af en port (eller en hvilken som helst funktion) ved at detektere dens kanter, ved hjælp af et instrument kaldet et scanningselektronmikroskop (SEM). SEM'er måler antallet af lavenergielektroner, der udstødes fra en prøve, når den rammes af en stråle af højenergielektroner; disse beløb er højest ved kanterne. Typisk SEM-billeddannelse bruger tilnærmelsesalgoritmer, der definerer kantpositionen inden for et muligt område på en eller to nanometer.

Nu har NIST-forskere fastslået, at en vigtig komponent i denne usikkerhed er, at i den ultra-lille skala af de nyeste chipfunktioner, SEM-målinger er stærkt påvirket af variationer i portens tredimensionelle form, der kan opstå under fremstillingen, inklusive linjebredde og midterposition, vinklen dannet af et hævet elements sidevægge, krumningsradius for det øverste kantområde, og effekten af ​​tilstødende strukturer. Forskelle i hver parameter ændrer stierne for elektroner, der udstødes fra prøven, hvilket igen gør det svært at præcist lokalisere kanter og dermed bestemme den faktiske bredde og form.

På nuværende tidspunkt disse virkninger tages generelt ikke i betragtning i forbindelse med proceskontrol. Fabrikanter sammenligner typisk en produktionsserie med en anden, forudsat at eventuelle variationer mellem de to er resultatet af en kombination af reelle forskelle i den relevante dimension og tilfældige målefejl. Men faktisk NIST-videnskabsmænd siger, disse variationer kan faktisk være resultatet af forskelle i den tredimensionelle form (hvoraf nogle ikke er den relevante dimension) af de samme funktioner fra et forløb til et andet." Halvlederindustrien har helt klart brug for noget, der kan håndtere vilkårlige tredimensionelle former , " siger NISTs John Villarrubia, hovedforfatter på rapporten. "Problemet er, at hvis det kritiske dimensionstal, du kommer med, ikke kun er følsomt over for bredden af ​​din linje, men også for formen på din linje, så måler du begge dele på en dårligt defineret måde."

For at mindske usikkerheden, NIST-forskere udtænkte en måde at modellere, hvordan stierne for elektroner, der udstødes fra porten under SEM-scanning, påvirkes af formvariationer og instrumentparametre såsom strålehældning, lysstyrke, offset, strålestørrelse, og andre faktorer. De kombinerede elektrontransitens fysik med detaljerede databaser over elektrontransmission og spredning og brugte tilfældige tal til at simulere den sandsynlige natur af elektronspredning. De gentog derefter processen for hver af 27, 000 forskellige kombinationer af parametre. Resultatet er et bibliotek af SEM-signaturer, der svarer til forskellige formkombinationer. Målte SEM-signaturer kan sammenlignes med biblioteket for nøjagtigt at udlede prøveparametrene.

NIST-forskerne gik sammen med Intel Corporation for at teste metoden på specielle prøver fremstillet af virksomheden til næste generations dimensioner på 10 nm til 12 nm. I en nylig publikation rapporterer samarbejdspartnerne, at når de sammenlignede resultaterne af bredde- og formmålinger ved hjælp af modelbibliotekssystemet med målinger af de samme porte med to helt forskellige teknologier med høj nøjagtighed, NIST-modellen stemte overens med de uafhængige metoder til bedre end 1 nm.

"Ingen producenter af integrerede kredsløb bruger denne form for modelbaseret metrologi i øjeblikket, " siger Villarrubia. "Men de ville måske tage teknikken i brug, hvis SEM-producenter begyndte at inkorporere denne evne i deres instrumenter. Det kan øge nøjagtigheden af ​​strømmålinger markant.

"Imidlertid, opfylder målekravene til endnu mindre funktionsstørrelser, med sub-nanometer usikkerheder, vil kræve mere nøjagtige modeller, udvikling af hvilke vil kræve måleevner, som vi ikke i øjeblikket besidder i vores forskningslaboratorium – f.eks. evnen til at måle absolut udbytte (hvor mange elektroner ud af prøven for hver elektron SEM sender ind) i stedet for blot relative udbytter (hvor meget intensitet fra en detektor). Dette vil sandsynligvis kræve tilpasset instrumentering, på et tidspunkt, hvor budgettet til at vedligeholde eksisterende instrumentering allerede er et problem."