特征尺寸

我们知道，集成电路从电路设计到芯片制造，要经历非常复杂的过程，其中芯片制造需要依赖微电子技术中的微细加工手段，因此也就会涉及到各种尺寸：衬底的厚度、PN结的深度、金属连线的宽度、氧化物膜的厚度、MOS-FET沟道的长度，等等。这其中最小的尺寸往往就是最小线条的宽度，俗称“线宽”。线宽最小能达到多少，往往取决于Foundry的技术和设备，比如光刻设备分辨率。对现在主流的CMOS工艺来说，这个“线宽”其实是作为栅极的多晶硅的宽度，也就是晶体管的沟道长度。因此可以简单认为特征尺寸就是芯片制造工艺线中能加工的最小尺寸，也是设计中采用的最小设计尺寸单位（“λ设计规则”中的λ），它是IC设计和制造最重要的技术水平指标。

从图中可以看出，对于MOS-FET来说，栅极线条的宽度就是晶体管沟道的长度。根据MOS-FET的原理，在栅极加上一定电压后能促成沟道的形成，沟道形成后载流子能在两个有源区之间流动，就形成电流，相当于开启了晶体管。这条沟道就像一条河，而电子和空穴就是运载货物的船，要把货物（信息）运到对岸去。要想提高运送的速度，可以使用不同的动力使船跑快一些，比如轮船比小帆船跑得快，核动力航母又比普通轮船跑得快；让载流子吸收光或热的能量，以及给晶体管加上不同的偏置电压，就类似于这种效果。但是还有一个更快捷有效的方法，那就是缩小航程——显然，这条河越窄，过河的时间越短，运货的速度也就越快。因此，特征尺寸的缩小可以提高载流子的等效速度，而载流子的运动速度决定了晶体管集成电路的工作频率，这就是为什么线宽的缩小能使CPU的频率提升的深层次原因，它体现了集成电路微观世界与芯片宏观应用之间的联系，也说明了微电子工艺的提升对IC性能的提升是最有效的。

特征尺寸（沟道长度）的缩小虽然有明显的好处，但是也会带来一系列负面效应，统称为“短沟道效应”。例如，场效应管强调的是栅极电压的控制作用，但是在沟道短到一定程度时，源与漏之间会存在漏电流，即使撤掉了栅极电压，也可能关不断MOS管。这容易理解，因为之前的大河变成了一条小水沟，可以一跃而过，就不需要坐船渡过了。漏电流的存在会使电路的静态功耗增大。为了降低“短沟道效应”带来的负面影响，需要在器件结构、制造工艺等方面进行改进。

在集成电路领域，特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸。人们在谈及CPU的更新换代时，经常会说到类似的话：这款CPU采用了28 nm工艺，跟上一代采用40 nm工艺的同系列芯片相比，性能提升了多少、功耗下降了多少。这里说到的40 nm、28 nm就是集成电路的特征尺寸。一般来说，特征尺寸越小，芯片的集成度越高，性能越好，功耗越低。

关键尺寸（CD） 芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。描述特征尺寸的另一个术语是电路的几何尺寸。特别值得关注的是硅片上的最小特征尺寸，也称为关键尺寸或CD。例如：如果在芯片上的最小尺寸是0.18μm，那么这个尺寸就是CD。自半导体制造业开始以来，器件的CD一直在缩小，从20世纪50年代初期以大约125μm的CD开始，是7nm或者更小。半导体产业使用的“技术节点”这一术语描述在硅片制造中使用的可应用的CD。

除此之外，关键尺寸还可以定义为，在特定曝光强度阈值下得到的光刻胶沟槽或线条的宽度，如图1所示。相似地，光刻空间像给出的是相对强度，则光刻空间像的关键尺寸可以定义为在特定相对强度阈值下所得到的图形的宽度 。

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测量图形的尺寸，一般是依靠高分辨率的电子显微镜(scanning electron microscope， CD-SEM)来测量光刻胶图形的尺寸。图1是这种显微镜工作的过程：它采用逐步放大(zoom in)的方法，指定了所要测量图形的具体位置。在图1中方框的引导下，光刻工艺工程师可以用电镜一步一步找到测量的位置。另外，图1中还标出所要测量的图形在曝光区域中的坐标。这个坐标值是以曝光区域左下角为原点(0, 0)的。在线宽测量电镜(CD-SEM)中输入坐标值， CD-SEM 的运动平台可以直接移动到所要测量的图形处。手册中所有需要测量的图形都必须像图1一样给出其所在曝光区域的准确位置。

显然，使用坐标值可以更方便快速地寻找到测量图形。特别是在需要测量很多图形时，坐标的优点更为明显。因此，光刻工程师都希望标准手册能提供所有测量图形的位置坐标(X, Y)。位置坐标可以从设计图形(GDS 文件)中获取，但是，设计图形中的坐标一般是相对于本模块(chiplet/die)的左下角的(Xchiplet, Ychiplet)，必须要转换成相对于曝光区域的左下角。转换的办法就是叠加上模块在曝光区域的位置(ΔX,ΔY)，即X=ΔX Xchiplet；Y=ΔY Ychiplet，如图2所示 。

在28nm以下，线宽进一步缩小，CD-SEM测量导致的光刻胶损失效应再也不能忽略了。在电子束的轰击下，光刻胶的边缘已经平滑了，测得的光刻胶图形的线宽也增大了50%左右。CD-SEM 测量导致的光刻胶线宽收缩(shrinkage)可以用下列公式来定量表示

式中，S和γ是常数，由实验结果拟合得到，单位分别是nm和nm/(μC/cm2)。dose=I·t/A，I是束流，单位是pA；t是照射时间，单位是s；A是受照射的面积，单位是μm2 。