[发明专利]微纳米尺度圆形边界界面热阻的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子半导体器件晶体管热效应的技术领域，具体涉及一种环栅器件沟道区与介质层间界面热阻的表征，也可以用来表征任意两种材料的圆形边界的界面热阻。

背景技术

随着集成电路工业的发展，为了获得更轻便的电子产品，要求集成电路有更高的集成密度，更低廉的价格，半导体器件的尺寸依照着摩尔定律越来越小。然而，当尺寸下降到一定程度，传统硅器件已不能满足小尺度低功耗的要求，短沟效应、亚阈区退化等二级效应对器件影响越来越大，为了使特征尺寸在45nm节点后继续降低，迫使科研人员研发新的结构，其中包括双栅场效应晶体管、Pi型栅场效应晶体管、环栅场效应晶体管，尤其环栅器件有更好的栅控能力，使亚阈电流大大减小。

随着电路集成度的提高，器件的热效应问题变得很重要。热效应不仅会引起器件、电路以致系统性能的退化，还会导致严重的可靠性问题。譬如温度过高会引起金属铝连线发生电迁移问题；热耦合会引起电路热适配；集成电路中的热分布可能导致模块功能失效。尤其在小空间中，器件如何产热、散热成为关注的焦点。另一方面，栅介质的厚度逐渐减小使得纳米沟道与绝缘层之间的界面热阻在热效应中的影响逐渐增大，它对器件的性能和稳定性有着很大的影响。由于环栅器件表面晶向随位置改变，使得沟道与其包裹材料间的界面热阻难以表征。因而，对于圆形边界的界面热阻的研究是非常重要的。

目前，微纳尺度下界面热阻的研究基本停留于两个平面之间的界面热阻。这样对于晶体来说，只能得到同一晶向的晶体结构与其他材料接触的界面热阻情况。目前，缺乏一种简单有效的结构及方法用来测量多种晶向情况下圆形边界的界面热阻影响。

发明内容

本发明针对现有的环栅器件，提供了一种测量其圆形边界的界面热阻的结构和方法。

本发明测量微纳米尺度圆形边界界面热阻的方法，包括如下步骤：

1)根据待测圆形边界的内外侧材料和边界大小，在同一个衬底上制备下述辅助测量器件A和B：器件A包括衬底、传导层、隔离层、圆柱内芯和第一圆环，所述传导层和隔离层依次叠加在衬底之上，圆柱内芯穿过隔离层、底部与传导层接触，第一圆环位于隔离层之上、包裹于圆柱内芯外；器件B在器件A结构的基础上增加了位于隔离层之上、包裹于第一圆环外的第二圆环；其中，第一圆环与第二圆环的材料分别与待测圆形边界的内外侧材料相同，所形成的圆形边界大小也与待测圆形边界相同；器件A中第一圆环的高度和器件B中第一圆环与第二圆环界面的高度一致；传导层和圆柱内芯为热导性好的材料，而隔离层为热导性差的材料；

2)同时对器件A和器件B的圆柱内芯通电，使其发热，保持圆柱内芯的温度T₁不变且纵向温度分布均匀，然后测量器件A中圆柱内芯上下两端的电压V₁和第一圆环外侧的表面温度T₂，以及器件B中圆柱内芯上下两端的电压V₂和第二圆环外侧的表面温度T₃，则待测圆形边界的界面热阻为：

R＝(T₁-T₃)/Q₂-(T₁-T₂)/Q₁-R₂            公式I

公式I中，Q₂＝V₂²/r_M，Q₁＝V₁²/r_M，R₂＝1/(2πλ₂L)×ln(d₂/d₁)，其中r_M代表圆柱内芯的电阻，λ₂是第二圆环材料的热导率，L是第二圆环的高度，d₂是第二圆环的外侧半径，d₁是第二圆环的内侧半径。

上述方法中，Q₁和Q₂代表热流量，它们的大小分别是器件A和器件B的圆柱内芯消耗功率大小；圆柱内芯的电阻r_M可以通过其材料的电阻率计算得到。