西安交大在GAA晶體管自熱效應(yīng)研究模型取得新成果

本期分享的研究成果是來(lái)自西安交大微電子學(xué)院在GAA晶體管自熱效應(yīng)研究模型上的成果，通過(guò)提出和驗(yàn)證聲子邊界反射等現(xiàn)象對(duì)自熱效應(yīng)和熱導(dǎo)率的影響，研究團(tuán)隊(duì)建立了更加精確的物理模型，以便能更好模擬GAA晶體管的實(shí)際工作狀態(tài)。接下來(lái)就請(qǐng)隨小編一起來(lái)看看具體的研究?jī)?nèi)容吧~

研究背景

在集成電路研究領(lǐng)域，從實(shí)驗(yàn)到各種熱電特性模擬的廣泛研究都表明了自熱效應(yīng)對(duì)集成電路器件性能與可靠性的負(fù)面影響，尤其是在諸如FinFET和GAA晶體管的多門(mén)場(chǎng)效應(yīng)晶體管管中，由于材料熱導(dǎo)率、晶體管結(jié)構(gòu)、界面熱阻以及10nm以下尺寸器件的高功耗密度等因素的存在，使得先進(jìn)制程芯片設(shè)計(jì)變得越來(lái)越具挑戰(zhàn)性。

要對(duì)晶體管中自熱效應(yīng)引起的溫度分布進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，需要對(duì)器件的熱學(xué)特性建立精密準(zhǔn)確的分析模型。因此，作為探究器件熱可靠性的基礎(chǔ)，針對(duì)納米尺度下的熱量產(chǎn)生與分布的理論研究與實(shí)驗(yàn)廣泛開(kāi)展，發(fā)展出了各種不同的分析模型。

近日，西安交通大學(xué)微電子學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在全環(huán)柵（GAA）晶體管的自熱效應(yīng)研究上取得了新進(jìn)展，其研究成果以“Study on Degradation Mechanisms of Thermal Conductivity for Confined Nanochannel in Gate-All-Around Silicon Nanowire Field-Effect Transistors”發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices，博士研究生賴俊華為本文的第一作者，西安交大張國(guó)和教授與中科院微電子所卜建輝研究員為本文的共同通訊作者。

基本特性

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種考慮納米通道截面和長(zhǎng)度的熱導(dǎo)率分析模型，用于精確模擬GAA硅納米線晶體管中的自熱效應(yīng)，并得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證: 納米通道長(zhǎng)度引起的熱導(dǎo)率下降通過(guò)橫向聲子的等效平均自由程來(lái)描述，其結(jié)果顯示，相比完全耗盡型SOI（以下簡(jiǎn)稱：FD-SOI）晶體管中的超薄硅,GAA硅納米線晶體管的熱導(dǎo)率下降幅度大得多，隨著納米通道長(zhǎng)度的減少，熱導(dǎo)率顯著降低，這個(gè)現(xiàn)象在建立自熱效應(yīng)研究模型時(shí)需要著重考慮。

模型建立與解析

為了更準(zhǔn)確的評(píng)估器件的自熱效應(yīng)，團(tuán)隊(duì)在建立FD-SOI場(chǎng)效應(yīng)管模型上做了大量工作，在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入自由態(tài)和束縛態(tài)電子的散射機(jī)制以及聲子邊界反射等影響因子，并揭示了3D晶體管器件的熱導(dǎo)率在縱向坐標(biāo)的相關(guān)性。接下來(lái)是一些相關(guān)的結(jié)構(gòu)原理圖和測(cè)試結(jié)果圖。

圖(a)GAA納米線晶體管原理圖及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系和物理參數(shù)；圖(b)摻雜剖面；圖(c)受溝道限制的聲子散射邊界

FD-SOI晶體管熱導(dǎo)率的變化函數(shù)及其近似解

FD-SOI晶體管的超薄硅膜通道與硅納米線通道的熱導(dǎo)率變化曲線對(duì)比

受納米通道長(zhǎng)度引起的納米通道導(dǎo)熱率變化對(duì)比：GAA納米線測(cè)試結(jié)果與非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果對(duì)比

不同尺寸下的納米通道在有/無(wú)通道長(zhǎng)度限制影響條件下的熱導(dǎo)率變化曲線

上圖結(jié)果表明，考慮納米通道長(zhǎng)度限制后，導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)值整體出現(xiàn)降低。隨著通道長(zhǎng)度逐漸接近截面尺寸，通道長(zhǎng)度的限制會(huì)導(dǎo)致熱導(dǎo)率的大幅減小。

應(yīng)用前景

作為制約摩爾定律延續(xù)因素之一的自熱效應(yīng)，其存在對(duì)于器件性能與壽命有著很大的影響，本成果針對(duì)GAA納米晶體管自熱效應(yīng)特性模型的創(chuàng)新研究，完善了熱導(dǎo)率物理模型，有望為緩解GAA納米線晶體管工藝中的發(fā)熱問(wèn)題以及由此帶來(lái)的熱載流子注入等問(wèn)題，期待該成果能夠幫助芯片制造產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步提升工藝水準(zhǔn)。

原文標(biāo)題：科研前線 | 西安交大在GAA晶體管自熱效應(yīng)分析上取得新進(jìn)展

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