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，通過提出和驗證聲子邊界反射等現(xiàn)象對自熱效應(yīng)和熱導(dǎo)率的影響，研究團(tuán)隊建立了更加精確的物理模型，以便能更好模擬GAA晶體管的實際工作狀態(tài)。接下來就請隨小編一起來看看具體的研究內(nèi)容吧~

研究背景

在集成電路研究領(lǐng)域，從實驗到各種熱電特性模擬的廣泛研究都表明了自熱效應(yīng)對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晶體管的多門場效應(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)計變得越來越具挑戰(zhàn)性。

要對晶體管中自熱效應(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)，針對納米尺度下的熱量產(chǎn)生與分布的理論研究與實驗廣泛開展，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)隊提出了一種考慮納米通道截面和長度的熱導(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)，并得到了實驗數(shù)據(jù)的驗證: 納米通道長度引起的熱導(dǎo)率下降通過橫向聲子的等效平均自由程來描述，其結(jié)果顯示，相比完全耗盡型SOI（以下簡稱：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，隨著納米通道長度的減少，熱導(dǎo)率顯著降低，這個現(xiàn)象在建立自熱效應(yīng)研究模型時需要著重考慮。

模型建立與解析

為了更準(zhǔn)確的評估器件的自熱效應(yīng)，團(tuán)隊在建立FD-SOI場效應(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。接下來是一些相關(guān)的結(jié)構(gòu)原理圖和測試結(jié)果圖。

圖(a)GAA納米線晶體管原理圖及對應(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)率變化曲線對比

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

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

上圖結(jié)果表明，考慮納米通道長度限制后，導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測值整體出現(xiàn)降低。隨著通道長度逐漸接近截面尺寸，通道長度的限制會導(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)，其存在對于器件性能與壽命有著很大的影響，本成果針對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)熱問題以及由此帶來的熱載流子注入等問題，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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