专利名称：微纳米尺度圆形边界界面热阻的测量方法
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勻，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)ZQ2-(T1-T2)ZQ1-R2公式 I公式I 中，A = Y22Zrv Q1 = V12Av R2 = 1/(2^1 入 2L) X In(Cl2Al1)，其中代表圆柱内芯的电阻，λ 2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，Cl1是第二圆环的内侧半径。上述方法中，仏和仏代表热流量，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ι·Μ可以通过其材料的电阻率计算得到。上述方法中，所述圆柱内芯和传导层选取导热性能良好的材料，可以是相同或不同的材料，通常选取金属材料，两者间直接接触，导热性能良好。而所述隔离层将传导层和第一圆环、第二圆环完全隔离，而隔离层导热性能很差，因此对第一和第二圆环的温度影响很小。所述隔离层可以选取常见的SiO2或SiN等绝缘材料。所述圆柱内芯半径尺寸范围为2nm-l μ m，能够良好的传递热量，在测量过程中，其温度基本不变。所述第一圆环在满足测量条件的情况下其厚度(即外侧半径与内侧半径之差)小于IOOnm为宜，这样第一圆环的热阻可以忽略。所述第二圆环在满足测量条件的情况下厚度(即外侧半径与内侧半径之差)在20ηπι-1μπι范围内。器件A中第一圆环的高度为IOnm-I μ m,器件B中第一圆环与第二圆环界面与之一致，可以满足表征圆柱表面热学特性的要求，同时也满足内芯热传导均勻性要求。圆柱内芯上表面不低于其外围的第一圆环和第二圆环的上表面，通过圆柱内芯上端的金属布线与外部电路相连，圆柱内芯上下端分别通过金属布线和传导层加电压。上述步骤1)制备器件A的过程可以是如下步骤la)在衬底上依次生长传导层和隔离层；lb)在隔离层上生长第一圆环材料，并通过光刻和刻蚀形成第一圆环外径大小的圆柱A;Ic)通过光刻定义并刻蚀圆柱A和隔离层，直至传导层，形成圆柱内芯通孔A ；Id)用热导性好的材料填充通孔A，形成与传导层直接接触的圆柱内芯，得到器件 A0器件B与器件A同时制备在一个衬底上，其制备过程与器件A类似，在步骤lb)形成第一圆环外径大小的圆柱B，然后覆盖该圆柱生长第二圆环材料层；在步骤Ic)光刻定义通孔位置后从上至下依次刻蚀第二圆环材料层、圆柱B和隔离层，直至传导层，形成圆柱内芯通孔B ；步骤Id)填充通孔B得到器件B。基于本发明的辅助器件结构，可以实现圆形边界的界面热阻测量。通过将晶向、尺寸等影响等效到等效界面热阻，便于建立一个简易的模型研究热效应。与现有测量界面热阻的方法相比，本发明具有以下优点现有技术一般是对平面界面热阻特性进行表征，针对固定晶向表征界面热阻。本发明可以测量环形单晶、多晶、非晶结构材料间圆形边界的界面热阻特性，不受晶向的影响，将晶向变化引起的界面热阻的变化统一考虑，取等效界面热阻，进而简化界面热效应相关计算。另外，通过改变包裹内芯的第一圆环和第二圆环的材料，可以测量需要的两种材料的圆形边界界面热阻。该结构对半导体发展中不同的材料的应用是普适的。通过得到的等效热阻，可以对热效应对环栅器件的影响进行建模分析。
图1(a) 图1(c)是本发明制备器件A的工艺过程示意图，其中，图1 (a)是在衬底上依次生长传导层和隔离层后的剖面图；图1(b)是在隔离层上形成第一圆环柱体结构的剖面图；图1(c)是形成圆柱内芯，得到器件A的剖面图；图2(a) 图2(d)是本发明制备器件B的工艺过程示意图，其中，图2 (a)是在衬底上依次生长传导层和隔离层后的剖面图；图2(b)是在隔离层上形成第一圆环的柱体结构的剖面图；图2(c)是覆盖第一圆环的柱体结构形成第二圆环的剖面图；图2(d)是形成圆柱内芯，得到器件B的剖面图；图中1-衬底，2-传导层，3-隔离层，4-第一圆环的初始柱体结构，41-器件A的第一圆环，51-器件A的圆柱内芯，42-器件B的第一圆环，52-器件B的圆柱内芯，6-第二圆环。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述本实施例针对硅集成电路纳米线，目的是测量硅和二氧化硅的界面热阻。首先根据图1 (a) 图1 (c)和图2 (a) 图2 (d)同时制备器件A和B，其中图1 (a)，1 (b)与图2 (a)， 2(b)的工艺完全相同，具体过程如下1，在体硅衬底1上依次生长传导层2和隔离层3，其中传导层2为金属层，例如铝，厚1000A;隔离层3为SiO2或SiN等绝缘层，也可以采用引入锗晶体的硅(其热传导性很差)，厚2000 A，如图1 (a)和图2 (a)所示。2，在隔离层3上生长单晶硅层，厚度为5000 A。3，在单晶硅层上涂光刻胶，光刻定义第一圆环的初始柱体结构，半径I000 A。4，通过干法刻蚀，将光刻胶上的图形转移到单晶硅上，并去胶清洗，得到第一圆环的初始柱体结构——单晶硅圆柱4，如图1(b)和图2(b)所示。5，将流片分成两部分，分别进行器件A和器件B的制备。6，对于用于测量第一圆环表面温度的器件A，在单晶硅圆柱4上涂光刻胶，光刻定义圆柱内芯的通孔和连接内芯上端的金属布线，内芯半径100 A。通过干法刻蚀，刻蚀Si和隔离层3，将光刻胶上图形转移到隔离层3上。7，在光刻胶上溅射金属，使金属填满第一圆环41中间的通孔，得到与传导层2接触的金属圆柱内芯51，并形成金属布线，剥离并去胶清洗，如图1(c)所示，得到器件A。8，对于用于测量第二圆环表面温度的器件B。在步骤5后，覆盖图形，利用低压化学汽相淀积(LPCVD) 二氧化硅，厚度约为500 A，形成第二圆环6，如图2 (c)所示。9，在步骤8形成的二氧化硅层上涂光刻胶，光刻定义圆柱内芯的通孔和金属布线，通过干法刻蚀，刻蚀SiO2层、单晶硅圆柱4和隔离层3，将光刻胶上图形转移到隔离层3 上。10，在光刻胶上溅射金属，使金属填满第二圆环6和第一圆环42中间的通孔，得到与传导层2接触的金属圆柱内芯52，并形成金属连线，剥离并去胶清洗，如图2(d)所示。将图1(c)和图2(d)所示的器件A和B的传导层和金属连线通电，使圆柱内芯发热，保持内芯温度相同T1，纵向温度分布均勻，然后分别测量图1(c)和图2(d)的第一圆环 41和第二圆环6表面温度T2和T3,计算得到硅-二氧化硅界面热阻。计算过程如下硅-金属界面热阻RSi_M= (T1-T2) /Q1其中，Q1 = P1 = V12Av Qi为热流量，大小为图1(c)中圆柱内芯51电阻消耗功率大小，通过圆柱内芯51上端的金属布线和传导层之间的电压V1和内芯电阻ι·Μ计算得到，内芯电阻可以以一般电阻率计算。硅-二氧化硅界面热阻I Si_SiQ2= (T「T3) /Q2-Rsi02-Rsi-M其中，Q2 = P2 = V22Av Q2为热流量，大小为图2(d)中圆柱内芯52电阻消耗功率大小，通过圆柱内芯52上端的金属连线和传导层之间的电压V2和内芯电阻ι·Μ计算得到。
权利要求
1.一种微纳米尺度圆形边界界面热阻的测量方法，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勻，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 = (T「T3) /Q2- (T「T2) / - 公式 I公式 I 中，A = V22Av Qi = V1Vrs,, R2 = 1/(2 JI λ 2L) X In((I2Al1)，其中 代表圆柱内芯的电阻，λ 2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， Cl1是第二圆环的内侧半径。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述圆柱内芯和传导层的材料是相同或不同的金属材料。
3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述隔离层的材料是SiO2或SiN。
4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述圆柱内芯的半径为2ηπι-1μπι。
5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第一圆环的厚度小于lOOnm。
6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第二圆环的厚度为20ηπι-1μπι。
7.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第一圆环的高度为lOnm-lym。
8.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述圆柱内芯上表面不低于第一圆环和第二圆环的上表面，通过圆柱内芯上端的金属布线与外部电路相连，圆柱内芯上下端分别通过金属布线和传导层加电压。
9.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，器件A和B的制备包括下述步骤la)在衬底上依次生长传导层和隔离层；lb)在隔离层上生长第一圆环材料，并通过光刻和刻蚀形成第一圆环外径大小的两个圆柱A和B ；然后覆盖圆柱B生长第二圆环材料层；Ic)通过光刻定义并刻蚀圆柱A和隔离层，直至传导层，形成圆柱内芯通孔A ；通过光刻定义并刻蚀第二圆环材料层、圆柱B和隔离层，直至传导层，形成圆柱内芯通孔B ；Id)用热导性好的材料填充通孔A和B，形成与传导层直接接触的圆柱内芯，分别得到器件A和器件B。
10.如权利要求1 9任一所述的测量方法，其特征在于，所述第一圆环材料是单晶硅， 第二圆环材料是二氧化硅，测得单晶硅和二氧化硅的圆形边界界面热阻。
全文摘要
本发明公开了一种微纳米尺度圆形边界界面热阻的测量方法，设计了辅助器件结构，包括圆柱内芯和内芯外包裹的第一圆环、第二圆环，第一圆环与第二圆环形成的圆形边界即为待测界面的等效界面，从而将晶向、尺寸等影响统一考虑，取等效界面热阻，从而简化界面热效应相关计算，建立了一个简易的模型研究热效应。通过改变第一圆环和第二圆环的材料，可以测量不同材料的圆形边界界面热阻。根据得到的等效热阻，可以就热效应对环栅器件的影响进行建模分析。
文档编号G01R31/26GK102353887SQ20111027348
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者姜子臻, 孙帅, 王润声, 黄如, 黄欣 申请人:北京大学