[發明專利]一種多層堆疊的環柵場效應晶體管溝道溫度預測的方法

有效

• 申請號: 202011388665.6
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112630613B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 劉人華;李小進;孫亞賓;石艷玲
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種多層堆疊的環柵場效應晶體管溝道溫度預測的方法，包括：步驟一：獲取多層堆疊的環柵場效應晶體管的結構參數和熱學參數；步驟二：基于有限元仿真工具，搭建第一類去嵌入結構；步驟三：提取各層溝道的結構熱阻；步驟四：基于有限元仿真工具，搭建第二類去嵌入結構；步驟五：提取各層溝道間的耦合熱阻；步驟六：基于熱阻矩陣理論和熱的線性疊加理論，使用牛頓迭代算法，預測多層堆疊的環柵場效應晶體管各層溝道的工作溫度。本發明提出的溫度預測方法納入了各溝道間熱耦合的實際情況，分離了多層堆疊的環柵場效應晶體管的材料熱阻和耦合熱阻，從而能精準地預測各層溝道的工作溫度。

技術領域

本發明屬于集成電路技術領域，尤其涉及一種多層堆疊的環柵場效應晶體管溝道溫度預測的方法。

背景技術

隨著半導體工藝節點發展到深納米級，堆疊式環柵場效應晶體管(Stacked Gate-All-Around Field-Effect Transistor，簡稱為GAAFAT)以其優秀的柵控能力，已成為5nm及以下工藝節點的主流器件。然而，受到三維結構的限制，以及低熱導率材料的使用，GAAFET器件的散熱能力下降，自熱效應(Self-heating Effect)加劇。溫度的升高會造成晶體管閾值電壓漂移、開態電流的退化以及加劇器件的可靠性問題，并進一步影響整個電路的工作狀態，因此如何精確提取GAAFET器件熱阻和預測器件溫度是亟待解決和完善的問題。

目前對于GAAFET器件熱阻提取和溫度預測的常用方法為，借助有限元仿真工具仿真獲得GAAFET器件的峰值溫度變化和總功率消耗，進而計算峰值溫度變化和總功率效率的比值得到GAAFET器件的器件熱阻。該種方法能夠得到器件的平均熱阻，但是忽略了由于堆疊式GAAFET器件溝道間嚴重的熱耦合(thermalcoupling)作用，以及不同溝道散熱路徑的差異，難以準確地描述不同溝道的溫度。

發明方法

本發明的目的是：為了準確地描述不同溝道的溫度而提出的一種多層堆疊的環柵場效應晶體管溝道溫度預測的方法，該方法能夠準確地分離熱耦合作用部分的熱阻，在多柵器件中具有一定的適用性。

實現本發明目的的具體技術方案是：

一種多層堆疊的環柵場效應晶體管溝道溫度預測的方法，包括：

步驟一：獲取多層溝道堆疊的環柵場效應晶體管的結構參數和熱學參數，包括晶體管各區域的幾何尺寸、堆疊溝道的數量、各區域材料的熱導率、不同材料間的邊界熱阻及晶體管的熱邊界條件；

步驟二：基于有限元仿真工具，搭建用于提取環柵場效應晶體管結構熱阻抽取的第一類去嵌入結構Si-Ch_a，a為溝道層的標號，a的取值為正整數且取值范圍為1至m，m為堆疊溝道的數量，所述第一類去嵌入結構Si-Ch_a的第a層溝道的材料與多層溝道堆疊的環柵場效應晶體管溝道的材料相同，其余層溝道材料為絕緣體；

步驟三：基于有限元仿真工具，提取第一類去嵌入結構Si-ch_a中第a層溝道的結構熱阻R_thaa；

步驟四：搭建用于提取環柵場效應晶體管結構熱阻抽取的第二類去嵌入結構Si-Ch_ab，a和b均為溝道層的標號，a和b的取值均為正整數且a的取值范圍為1至m-1，b的取值范圍為2至m，m為堆疊溝道的數量，且a＜b，所述第二類去嵌入結構Si-Ch_ab中第a和b層溝道的材料與多層溝道堆疊的環柵場效應晶體管溝道的材料相同，其余層溝道材料均為絕緣體；

步驟五：基于有限元仿真工具，根據熱的線性疊加理論，計算第a層和第b層溝道之間的耦合熱阻R_coab和R_coba，其中，R_coab為第b層溝道工作時造成的第a層溝道溫度上升的耦合熱阻，R_coba為第a層溝道工作時造成的第b層溝道溫度上升的耦合熱阻；