特征尺寸

我們知道，集成電路從電路設計到芯片制造，要經(jīng)歷非常復雜的過程，其中芯片制造需要依賴微電子技術中的微細加工手段，因此也就會涉及到各種尺寸：襯底的厚度、PN結的深度、金屬連線的寬度、氧化物膜的厚度、MOS-FET溝道的長度，等等。這其中最小的尺寸往往就是最小線條的寬度，俗稱“線寬”。線寬最小能達到多少，往往取決于Foundry的技術和設備，比如光刻設備分辨率。對現(xiàn)在主流的CMOS工藝來說，這個“線寬”其實是作為柵極的多晶硅的寬度，也就是晶體管的溝道長度。因此可以簡單認為特征尺寸就是芯片制造工藝線中能加工的最小尺寸，也是設計中采用的最小設計尺寸單位（“λ設計規(guī)則”中的λ），它是IC設計和制造最重要的技術水平指標。

從圖中可以看出，對于MOS-FET來說，柵極線條的寬度就是晶體管溝道的長度。根據(jù)MOS-FET的原理，在柵極加上一定電壓后能促成溝道的形成，溝道形成后載流子能在兩個有源區(qū)之間流動，就形成電流，相當于開啟了晶體管。這條溝道就像一條河，而電子和空穴就是運載貨物的船，要把貨物（信息）運到對岸去。要想提高運送的速度，可以使用不同的動力使船跑快一些，比如輪船比小帆船跑得快，核動力航母又比普通輪船跑得快；讓載流子吸收光或熱的能量，以及給晶體管加上不同的偏置電壓，就類似于這種效果。但是還有一個更快捷有效的方法，那就是縮小航程——顯然，這條河越窄，過河的時間越短，運貨的速度也就越快。因此，特征尺寸的縮小可以提高載流子的等效速度，而載流子的運動速度決定了晶體管集成電路的工作頻率，這就是為什么線寬的縮小能使CPU的頻率提升的深層次原因，它體現(xiàn)了集成電路微觀世界與芯片宏觀應用之間的聯(lián)系，也說明了微電子工藝的提升對IC性能的提升是最有效的。

特征尺寸（溝道長度）的縮小雖然有明顯的好處，但是也會帶來一系列負面效應，統(tǒng)稱為“短溝道效應”。例如，場效應管強調的是柵極電壓的控制作用，但是在溝道短到一定程度時，源與漏之間會存在漏電流，即使撤掉了柵極電壓，也可能關不斷MOS管。這容易理解，因為之前的大河變成了一條小水溝，可以一躍而過，就不需要坐船渡過了。漏電流的存在會使電路的靜態(tài)功耗增大。為了降低“短溝道效應”帶來的負面影響，需要在器件結構、制造工藝等方面進行改進。

在集成電路領域，特征尺寸是指半導體器件中的最小尺寸。人們在談及CPU的更新?lián)Q代時，經(jīng)常會說到類似的話：這款CPU采用了28 nm工藝，跟上一代采用40 nm工藝的同系列芯片相比，性能提升了多少、功耗下降了多少。這里說到的40 nm、28 nm就是集成電路的特征尺寸。一般來說，特征尺寸越小，芯片的集成度越高，性能越好，功耗越低。

關鍵尺寸（CD） 芯片上的物理尺寸特征被稱為特征尺寸。描述特征尺寸的另一個術語是電路的幾何尺寸。特別值得關注的是硅片上的最小特征尺寸，也稱為關鍵尺寸或CD。例如：如果在芯片上的最小尺寸是0.18μm，那么這個尺寸就是CD。自半導體制造業(yè)開始以來，器件的CD一直在縮小，從20世紀50年代初期以大約125μm的CD開始，是7nm或者更小。半導體產(chǎn)業(yè)使用的“技術節(jié)點”這一術語描述在硅片制造中使用的可應用的CD。

除此之外，關鍵尺寸還可以定義為，在特定曝光強度閾值下得到的光刻膠溝槽或線條的寬度，如圖1所示。相似地，光刻空間像給出的是相對強度，則光刻空間像的關鍵尺寸可以定義為在特定相對強度閾值下所得到的圖形的寬度 。

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測量圖形的尺寸，一般是依靠高分辨率的電子顯微鏡(scanning electron microscope， CD-SEM)來測量光刻膠圖形的尺寸。圖1是這種顯微鏡工作的過程：它采用逐步放大(zoom in)的方法，指定了所要測量圖形的具體位置。在圖1中方框的引導下，光刻工藝工程師可以用電鏡一步一步找到測量的位置。另外，圖1中還標出所要測量的圖形在曝光區(qū)域中的坐標。這個坐標值是以曝光區(qū)域左下角為原點(0, 0)的。在線寬測量電鏡(CD-SEM)中輸入坐標值， CD-SEM 的運動平臺可以直接移動到所要測量的圖形處。手冊中所有需要測量的圖形都必須像圖1一樣給出其所在曝光區(qū)域的準確位置。

顯然，使用坐標值可以更方便快速地尋找到測量圖形。特別是在需要測量很多圖形時，坐標的優(yōu)點更為明顯。因此，光刻工程師都希望標準手冊能提供所有測量圖形的位置坐標(X, Y)。位置坐標可以從設計圖形(GDS 文件)中獲取，但是，設計圖形中的坐標一般是相對于本模塊(chiplet/die)的左下角的(Xchiplet, Ychiplet)，必須要轉換成相對于曝光區(qū)域的左下角。轉換的辦法就是疊加上模塊在曝光區(qū)域的位置(ΔX,ΔY)，即X=ΔX Xchiplet；Y=ΔY Ychiplet，如圖2所示 。

在28nm以下，線寬進一步縮小，CD-SEM測量導致的光刻膠損失效應再也不能忽略了。在電子束的轟擊下，光刻膠的邊緣已經(jīng)平滑了，測得的光刻膠圖形的線寬也增大了50%左右。CD-SEM 測量導致的光刻膠線寬收縮(shrinkage)可以用下列公式來定量表示

式中，S和γ是常數(shù)，由實驗結果擬合得到，單位分別是nm和nm/(μC/cm2)。dose=I·t/A，I是束流，單位是pA；t是照射時間，單位是s；A是受照射的面積，單位是μm2 。