特征尺寸概述

在集成電路領(lǐng)域，特征尺寸是指半導(dǎo)體器件中的最小尺寸。人們?cè)谡劶癈PU的更新?lián)Q代時(shí)，經(jīng)常會(huì)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。

我們知道，集成電路從電路設(shè)計(jì)到芯片制造，要經(jīng)歷非常復(fù)雜的過程，其中芯片制造需要依賴微電子技術(shù)中的微細(xì)加工手段，因此也就會(huì)涉及到各種尺寸：襯底的厚度、PN結(jié)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(dá)到多少，往往取決于Foundry的技術(shù)和設(shè)備，比如光刻設(shè)備分辨率。對(duì)現(xiàn)在主流的CMOS工藝來說，這個(gè)“線寬”其實(shí)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(rèn)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(shè)計(jì)中采用的最小設(shè)計(jì)尺寸單位（“λ設(shè)計(jì)規(guī)則”中的λ），它是IC設(shè)計(jì)和制造最重要的技術(shù)水平指標(biāo)。

從圖中可以看出，對(duì)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(gè)有源區(qū)之間流動(dòng)，就形成電流，相當(dāng)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(yùn)載貨物的船，要把貨物（信息）運(yùn)到對(duì)岸去。要想提高運(yùn)送的速度，可以使用不同的動(dòng)力使船跑快一些，比如輪船比小帆船跑得快，核動(dòng)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(gè)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(shí)間越短，運(yùn)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(yùn)動(dòng)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(yīng)用之間的聯(lián)系，也說明了微電子工藝的提升對(duì)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(huì)帶來一系列負(fù)面效應(yīng)，統(tǒng)稱為“短溝道效應(yīng)”。例如，場(chǎng)效應(yīng)管強(qiáng)調(diào)的是柵極電壓的控制作用，但是在溝道短到一定程度時(shí)，源與漏之間會(huì)存在漏電流，即使撤掉了柵極電壓，也可能關(guān)不斷MOS管。這容易理解，因?yàn)橹暗拇蠛幼兂闪艘粭l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(huì)使電路的靜態(tài)功耗增大。為了降低“短溝道效應(yīng)”帶來的負(fù)面影響，需要在器件結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)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(gè)術(shù)語是電路的幾何尺寸。特別值得關(guān)注的是硅片上的最小特征尺寸，也稱為關(guān)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(gè)尺寸就是CD。自半導(dǎo)體制造業(yè)開始以來，器件的CD一直在縮小，從20世紀(jì)50年代初期以大約125μm的CD開始，是7nm或者更小。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)使用的“技術(shù)節(jié)點(diǎn)”這一術(shù)語描述在硅片制造中使用的可應(yīng)用的CD。

除此之外，關(guān)鍵尺寸還可以定義為，在特定曝光強(qiáng)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(duì)強(qiáng)度，則光刻空間像的關(guān)鍵尺寸可以定義為在特定相對(duì)強(qiáng)度閾值下所得到的圖形的寬度 。

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測(cè)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(cè)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(cè)量圖形的具體位置。在圖1中方框的引導(dǎo)下，光刻工藝工程師可以用電鏡一步一步找到測(cè)量的位置。另外，圖1中還標(biāo)出所要測(cè)量的圖形在曝光區(qū)域中的坐標(biāo)。這個(gè)坐標(biāo)值是以曝光區(qū)域左下角為原點(diǎn)(0, 0)的。在線寬測(cè)量電鏡(CD-SEM)中輸入坐標(biāo)值， CD-SEM 的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以直接移動(dòng)到所要測(cè)量的圖形處。手冊(cè)中所有需要測(cè)量的圖形都必須像圖1一樣給出其所在曝光區(qū)域的準(zhǔn)確位置。

顯然，使用坐標(biāo)值可以更方便快速地尋找到測(cè)量圖形。特別是在需要測(cè)量很多圖形時(shí)，坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。因此，光刻工程師都希望標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)能提供所有測(cè)量圖形的位置坐標(biāo)(X, Y)。位置坐標(biāo)可以從設(shè)計(jì)圖形(GDS 文件)中獲取，但是，設(shè)計(jì)圖形中的坐標(biāo)一般是相對(duì)于本模塊(chiplet/die)的左下角的(Xchiplet, Ychiplet)，必須要轉(zhuǎn)換成相對(duì)于曝光區(qū)域的左下角。轉(zhuǎn)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(jìn)一步縮小，CD-SEM測(cè)量導(dǎo)致的光刻膠損失效應(yīng)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(cè)得的光刻膠圖形的線寬也增大了50%左右。CD-SEM 測(cè)量導(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間，單位是s；A是受照射的面積，單位是μm2 。