Una ricostruzione tridimensionale delle caratteristiche del chip dalle misurazioni utilizzando il metodo della libreria di modelli NIST.
Man mano che le dimensioni delle caratteristiche del microchip si avvicinano alla scala atomica, diventa tremendamente difficile misurarne le dimensioni e la forma. Secondo la Roadmap tecnologica internazionale per i semiconduttori, entro i prossimi due anni la lunghezza tipica del "gate" di un transistor - il suo interruttore on-off - sarà inferiore a 20 nanometri.
Il rispetto delle tolleranze di produzione per i dispositivi con tali dimensioni richiederà misurazioni con un'incertezza minima di circa 0,3 nm. E il compito è destinato a diventare più difficile:entro il 2020, le lunghezze dei gate dovrebbero ridursi a circa 12,5 nm, richiedendo incertezze nell'intervallo di 0,2 nm - circa la larghezza di un atomo di silicio.
Ciò pone una pressione straordinaria sui produttori di chip per migliorare il controllo del processo. Generalmente, i produttori misurano le dimensioni critiche di un cancello (o di qualsiasi caratteristica) rilevandone i bordi, utilizzando uno strumento chiamato microscopio elettronico a scansione (SEM). I SEM misurano il numero di elettroni a bassa energia espulsi da un campione quando viene colpito da un fascio di elettroni ad alta energia; quelle quantità sono più alte ai bordi. L'imaging SEM tipico utilizza algoritmi di approssimazione che definiscono la posizione del bordo entro un possibile intervallo di uno o due nanometri.
Ora i ricercatori del NIST hanno determinato che una componente importante di tale incertezza è che, su scala ultra ridotta delle ultime funzionalità del chip, Le misurazioni SEM sono fortemente influenzate dalle variazioni nella forma tridimensionale del cancello che possono verificarsi nel corso della fabbricazione, compresa la larghezza della linea e la posizione centrale, l'angolo formato dalle pareti laterali di un elemento rialzato, il raggio di curvatura dell'area del bordo superiore, e l'effetto delle strutture adiacenti. Le differenze in ciascun parametro alterano i percorsi degli elettroni espulsi dal campione, che a sua volta rende difficile individuare con precisione i bordi e quindi determinare la larghezza e la forma effettive.
Attualmente, tali effetti non sono generalmente presi in considerazione nel corso del controllo di processo. I fabbricanti in genere confrontano un ciclo di produzione con un altro, supponendo che qualsiasi variazione tra i due sia il risultato di una combinazione di differenze reali nella dimensione pertinente ed errori di misurazione casuali. Ma infatti, Gli scienziati del NIST dicono, tali variazioni possono effettivamente essere il risultato di differenze nella forma tridimensionale (alcune delle quali non sono la dimensione rilevante) delle stesse caratteristiche da una corsa all'altra." L'industria dei semiconduttori ha chiaramente bisogno di qualcosa in grado di gestire forme tridimensionali arbitrarie , " dice John Villarrubia del NIST, autore principale del rapporto. "Il problema è che se il numero della dimensione critica che ti viene in mente è sensibile non solo alla larghezza della tua linea ma anche alla forma della tua linea, allora stai misurando entrambi in un modo mal definito."
Le successive fasi di incisione utilizzate per ridurre le dimensioni delle caratteristiche possono comportare notevoli variazioni di forma e passo, ovvero la distanza tra i centri di due caratteristiche adiacenti.
Per ridurre l'incertezza, Gli scienziati del NIST hanno ideato un modo per modellare il modo in cui i percorsi degli elettroni espulsi dal gate durante la scansione SEM sono influenzati dalle variazioni di forma e dai parametri dello strumento come l'inclinazione del fascio, luminosità, compensare, dimensione del raggio, e altri fattori. Hanno combinato la fisica del transito degli elettroni con database dettagliati della trasmissione e della diffusione degli elettroni e hanno usato numeri casuali per simulare la natura probabilistica della diffusione degli elettroni. Hanno quindi ripetuto il processo per ciascuno dei 27, 000 diverse combinazioni di parametri. Il risultato è una libreria di firme SEM corrispondenti a diverse combinazioni di forme. Le firme SEM misurate possono essere confrontate con la libreria per dedurre con precisione i parametri del campione.
Gli scienziati del NIST hanno collaborato con Intel Corporation per testare il metodo su campioni speciali fabbricati dall'azienda con dimensioni di nuova generazione da 10 nm a 12 nm. In una recente pubblicazione i collaboratori riferiscono che quando hanno confrontato i risultati delle misurazioni di larghezza e forma utilizzando il sistema libreria modello con le misurazioni delle stesse porte di due tecnologie ad alta precisione completamente diverse, il modello NIST concordava con i metodi indipendenti a meglio di 1 nm.
"Al momento nessun produttore di circuiti integrati utilizza questo tipo di metrologia basata su modelli, " Dice Villarrubia. "Ma potrebbero adottare la tecnica se i produttori di SEM iniziassero a incorporare tale capacità nei loro strumenti. Ciò potrebbe aumentare significativamente la precisione delle misurazioni correnti.
"Però, soddisfare le esigenze di misurazione di dimensioni ancora più piccole, con incertezze sub-nanometriche, richiederà modelli più accurati, il cui sviluppo richiederà capacità di misurazione che attualmente non possediamo nel nostro laboratorio di ricerca, ad esempio, la capacità di misurare la resa assoluta (quanti elettroni fuori dal campione per ogni elettrone che il SEM invia) invece delle rese semplicemente relative (quanta intensità da un rivelatore). Ciò richiederà probabilmente una strumentazione personalizzata, in un momento in cui il budget per mantenere la strumentazione esistente è già un problema".
