納米計量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢*

黃先奎

(中國電子科技集團有限公司，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)的制高點依賴于一項關(guān)鍵技術(shù)——納米技術(shù). 納米技術(shù)是指使用單個原子或分子實現(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)以及納米計量技術(shù)等[1]. 其中，納米計量主要包括納米級精度尺寸和位移的測量、納米級表面形貌的測量以及納米級物理與化學(xué)特性的測量，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). 針對幾何量參數(shù)的主要測量儀器包括橢偏儀、臺階儀、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，對關(guān)鍵參數(shù)的測量準(zhǔn)確度要求越來越高，幾何量參數(shù)測量儀器的校準(zhǔn)問題越來越突出. 近年來，美國NIST、德國PTB、中國計量院、中國電科十三所等國內(nèi)外計量機構(gòu)通過研制納米計量標(biāo)準(zhǔn)，搭建可溯源的標(biāo)準(zhǔn)裝置，研究測量方法等手段，進一步提高了儀器的測量準(zhǔn)確度[2]. 在納米計量技術(shù)中，納米計量標(biāo)準(zhǔn)像一把“尺子”，可以為具有納米精度的幾何量參數(shù)測量儀器進行校準(zhǔn)，測量結(jié)果可溯源于國際單位制，進而大幅度提高儀器準(zhǔn)確性和可靠性[3]. 因此，本文就納米計量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢展開論述.

1 納米計量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀

納米計量標(biāo)準(zhǔn)主要包括膜厚標(biāo)準(zhǔn)、臺階高度標(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)主要用來校準(zhǔn)橢偏儀、膜厚測試儀等膜厚測量類儀器. 通過研制膜厚標(biāo)準(zhǔn)，可以將測量結(jié)果統(tǒng)一到相同量值之中. 美國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)對外銷售[4]；英國NPL使用X射線光電子光譜儀建立了超薄薄膜校準(zhǔn)裝置用于對標(biāo)稱值為1 nm～10 nm的超薄薄膜厚度進行定標(biāo)，其不確定度為0.05 nm～0.2 nm[5]；美國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]；國內(nèi)方面，國家標(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)膜厚測量類儀器的能力，技術(shù)指標(biāo)達到了國際先進水平.

1.2 臺階標(biāo)準(zhǔn)

臺階標(biāo)準(zhǔn)主要用來校準(zhǔn)臺階測量類儀器. 臺階測量類儀器包括接觸式測量和非接觸式測量兩種. 常見接觸式臺階測量儀器主要包括臺階儀、原子力顯微鏡等，非接觸式臺階測量儀器包括白光干涉儀等. 兩種臺階測量儀器的原理不同，造成測量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，因此，需要研制臺階標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)一量值提高儀器測量準(zhǔn)確度. 美國VLSI公司和NANOSENSORS等公司生產(chǎn)的系列臺階標(biāo)準(zhǔn)片，量值溯源到美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)、德國國家物理研究所(PTB)、英國國家物理研究所(NPL)等世界權(quán)威計量機構(gòu). 國內(nèi)方面，國家納米科學(xué)中心研制了標(biāo)稱值為50 nm～1 000 nm 的臺階高度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并經(jīng)中國計量院進行標(biāo)定，其臺階高度測量結(jié)果不確定度為2.8%～0.6%[8]；上海市計量測試技術(shù)研究院通過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]；中國電科十三所使用半導(dǎo)體工藝研制了10 nm～100 μm的臺階標(biāo)準(zhǔn)樣片，解決了臺階測量類儀器的校準(zhǔn)問題，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，線寬變得越來越窄，其對于器件性能的影響越來越大. 光柵標(biāo)準(zhǔn)用來校準(zhǔn)線寬測量儀、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等線寬測量類儀器. 在光柵標(biāo)準(zhǔn)研制方面，美國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]. 國內(nèi)方面，中國計量院已建立了納米幾何量國家計量標(biāo)準(zhǔn)裝置，實現(xiàn)了直接溯源，并成功研制了400 nm一維格柵[13]；國防科技工業(yè)第一計量測試研究中心(304所)也開展了尺寸為1 μm～10 μm光柵樣片的研究工作[14]；中國電科十三所研制了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，基本滿足國內(nèi)線距測量類儀器的校準(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)的補充，用來校準(zhǔn)線寬測量儀、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等線寬測量類儀器. 在線寬標(biāo)準(zhǔn)研制方面，美國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]. 國內(nèi)對于線寬標(biāo)準(zhǔn)的研制報道很少，僅在1999年由全國微束分析標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會發(fā)布了一個掃描電鏡長度標(biāo)準(zhǔn)樣品板，最小標(biāo)稱線寬為2 μm；中國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，可以實現(xiàn)測量范圍200 nm以上的線寬測量類儀器的校準(zhǔn)[17].

建立納米計量標(biāo)準(zhǔn)及其溯源體系是實現(xiàn)量值統(tǒng)一的重要依據(jù). 納米計量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對實現(xiàn)納米測量儀器的量值統(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)用于納米測量儀器相關(guān)參數(shù)的校準(zhǔn)中. 國內(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量標(biāo)準(zhǔn)已達到國際先進水平. 相比之下，隨著極深紫外光刻機在亞10納米量級實現(xiàn)量產(chǎn)，而國際上的納米線寬標(biāo)準(zhǔn)停止在25 nm左右. 開展更小量值、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)實現(xiàn)線寬測量儀器的溯源與量傳.

2 納米計量標(biāo)準(zhǔn)的國際比對

納米計量標(biāo)準(zhǔn)的比對是實現(xiàn)器件納米級精度，保證量值統(tǒng)一與可靠的重要手段. 為此，國際計量機構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化組織針對膜厚、臺階、光柵以及線寬等參數(shù)，進行了多次納米計量標(biāo)準(zhǔn)的國際比對.

2.1 膜厚標(biāo)準(zhǔn)國際比對

為了保證超薄膜測量結(jié)果的一致性，受國際計量局委托，英國NPL作為主導(dǎo)實驗室，組織了膜層厚度為1.5 nm～8.0 nm的SiO2/Si薄膜厚度的國際比對，參加單位包括NIST、PTB等在內(nèi)的國際計量機構(gòu)，比對從2004年開始，歷時4年，結(jié)果如表1 所示. 比對結(jié)果顯示：參加單位的測量值與參考值符合性高，適用于納米級不確定度的測量.

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

2.2 臺階標(biāo)準(zhǔn)國際比對

國際計量組織早在2000年左右就開展了相應(yīng)的國際比對. 在國際對比中，針對20 nm、70 nm、300 nm以及800 nm的臺階標(biāo)準(zhǔn)，參加的國家使用不同的測量技術(shù)進行各自的測量，并進行了測量不確定度的分析. 其中，中國計量科學(xué)研究院參加了本次的對比，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[21]. 本次國際比對取得了良好的測量結(jié)果，印證了臺階標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于納米級測量.

2.3 光柵標(biāo)準(zhǔn)國際比對

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

2.4 線寬標(biāo)準(zhǔn)國際比對

針對線寬標(biāo)準(zhǔn)共主持了3次國際比對，如表2 所示，分別為：1996年，美國NIST和英國NPL組織開展了0.5 μm～30 μm范圍內(nèi)的線寬量值的國際比對，比對使用的標(biāo)準(zhǔn)樣片是美國NIST提供的NIST SRM473，其結(jié)構(gòu)如圖 1(a) 所示；2008年，美國NIST和德國PTB組織開展了0.1 μm～4 μm范圍內(nèi)的線寬量值的國際比對，比對使用的標(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NIST和德國PTB組織開展了50 nm～130 nm范圍內(nèi)的線寬量值的國際比對，比對使用的標(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次國際比對印證了線寬標(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 線寬國際比對情況[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

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

3 納米計量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢

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

首先，半導(dǎo)體器件會存在越來越小尺寸的薄膜和臺階，需要更加精密的儀器對這些薄膜和臺階進行測量，也需要相應(yīng)計量標(biāo)準(zhǔn)對這些儀器進行校準(zhǔn). 目前，膜厚標(biāo)準(zhǔn)的厚度已經(jīng)達到2 nm左右，臺階標(biāo)準(zhǔn)的高度在8 nm左右. 未來，膜厚及臺階標(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，從一個技術(shù)節(jié)點到下一個技術(shù)節(jié)點，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，線寬標(biāo)準(zhǔn)將進一步向更小尺寸延伸以滿足測量儀器的校準(zhǔn)需求.

4 結(jié)束語

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進步，對納米計量標(biāo)準(zhǔn)的需求也越來越迫切. 因此，亟需在已有科研成果基礎(chǔ)上展開更深層次的研究. 本文通過分析膜厚、臺階、光柵以及線寬等納米計量標(biāo)準(zhǔn)的研制現(xiàn)狀，并通過分析其國際比對情況，對目前的納米計量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了梳理，并對納米計量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢進行了分析. 目前，在納米計量標(biāo)準(zhǔn)的研制方面存在亟待解決的問題，未來將加大計量標(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).