A medida que las dimensiones de las características del microchip se acercan a la escala atómica, se vuelve tremendamente difícil medir su tamaño y forma. Según la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores, En los próximos años, la longitud típica de la "puerta" de un transistor, su interruptor de encendido y apagado, será de menos de 20 nanómetros.

El cumplimiento de las tolerancias de producción para dispositivos con esas dimensiones requerirá mediciones con una incertidumbre mínima de alrededor de 0,3 nm. Y la tarea está a punto de volverse más difícil:para 2020, se espera que las longitudes de las puertas se reduzcan a alrededor de 12,5 nm, exigentes incertidumbres en el rango de 0,2 nm, aproximadamente el ancho de un átomo de silicio.

Eso ejerce una presión extraordinaria sobre los fabricantes de chips para mejorar el control del proceso. En general, los fabricantes miden las dimensiones críticas de una puerta (o cualquier característica) detectando sus bordes, utilizando un instrumento llamado microscopio electrónico de barrido (SEM). Los SEM miden el número de electrones de baja energía expulsados ​​de una muestra cuando es golpeada por un haz de electrones de alta energía; esas cantidades son más altas en los bordes. Las imágenes típicas de SEM utilizan algoritmos de aproximación que definen la posición del borde dentro de un rango posible de uno o dos nanómetros.

Ahora, los investigadores del NIST han determinado que un componente importante de esa incertidumbre es que, a la escala ultrapequeña de las últimas características de chip, Las mediciones de SEM se ven fuertemente afectadas por las variaciones en la forma tridimensional de la puerta que pueden ocurrir en el curso de la fabricación. incluyendo el ancho de línea y la posición central, el ángulo formado por las paredes laterales de una característica elevada, el radio de curvatura del área del borde superior, y el efecto de las estructuras adyacentes. Las diferencias en cada parámetro alteran las rutas de los electrones expulsados ​​de la muestra, lo que a su vez dificulta la ubicación precisa de los bordes y, por lo tanto, la determinación del ancho y la forma reales.

En el presente, Por lo general, esos efectos no se tienen en cuenta en el curso del control del proceso. Los fabricantes suelen comparar un ciclo de producción con otro, asumiendo que cualquier variación entre los dos es el resultado de una combinación de diferencias reales en la dimensión relevante y errores de medición aleatorios. Pero, de hecho, Los científicos del NIST dicen:esas variaciones pueden ser en realidad el resultado de diferencias en la forma tridimensional (algunas de las cuales no son la dimensión relevante) de las mismas características de una ejecución a otra ". La industria de semiconductores claramente necesita algo que pueda manejar formas tridimensionales arbitrarias , "dice John Villarrubia de NIST, autor principal del informe. "El problema es que si el número de dimensión crítica que está generando es sensible no solo al ancho de su línea sino también a la forma de su línea, entonces estás midiendo ambos de una manera mal definida ".

Para reducir la incertidumbre, Los científicos del NIST idearon una forma de modelar cómo los caminos de los electrones expulsados ​​de la puerta durante el escaneo SEM se ven afectados por las variaciones de forma y los parámetros del instrumento, como la inclinación del haz, brillo, compensar, tamaño del haz, y otros factores. Combinaron la física del tránsito de electrones con bases de datos detalladas de transmisión y dispersión de electrones y utilizaron números aleatorios para simular la naturaleza probabilística de la dispersión de electrones. Luego repitieron el proceso para cada uno de los 27, 000 combinaciones diferentes de parámetros. El resultado es una biblioteca de firmas SEM correspondientes a diferentes combinaciones de formas. Las firmas SEM medidas se pueden comparar con la biblioteca para inferir con precisión los parámetros de la muestra.

Los científicos del NIST se asociaron con Intel Corporation para probar el método en muestras especiales fabricadas por la empresa con dimensiones de próxima generación de 10 nm a 12 nm. En una publicación reciente, los colaboradores informan que cuando compararon los resultados de las mediciones de ancho y forma utilizando el sistema de biblioteca de modelos con las mediciones de las mismas puertas mediante dos tecnologías de alta precisión completamente diferentes, el modelo NIST coincidió con los métodos independientes en mejor que 1 nm.

"Ningún fabricante de circuitos integrados está utilizando este tipo de metrología basada en modelos en la actualidad, "Dice Villarrubia." Pero podrían adoptar la técnica si los fabricantes de SEM comenzaran a incorporar esa capacidad en sus instrumentos. Eso podría aumentar significativamente la precisión de las mediciones de corriente.

"Sin embargo, satisfaciendo las demandas de medición de un tamaño de característica aún más pequeño, con incertidumbres subnanométricas, requerirá modelos más precisos, cuyo desarrollo requerirá capacidades de medición que actualmente no poseemos en nuestro laboratorio de investigación, por ejemplo, la capacidad de medir el rendimiento absoluto (cuántos electrones de la muestra por cada electrón envía el SEM) en lugar de los rendimientos meramente relativos (cuánta intensidad de un detector). Esto probablemente requerirá instrumentación personalizada, en un momento en el que el presupuesto para mantener la instrumentación existente ya es un problema ".