Infelizmente, com base na leitura do código-fonte para o nginx, não parece haver uma maneira simples de fazer isso. Você precisaria pós-processar os logs (você poderia pegar a saída de $ msec e transformá-la em ISO8601 com ms) ou corrigir nginx para adicionar isso.
Curiosamente, um patch foi proposto anos atrás, que teria dado flexibilidade suficiente para tornar isso possível, mas não acho que tenha acontecido em lugar algum: link