[发明专利]一种一维到三维边界热阻的测试结构和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种边界热阻的测试方法，尤其涉及一种一维到三维边界热阻的测试方法。

背景技术

随着半导体行业的不断发展，集成电路无论是从功能还是性能上都有了很大程度的提高，极大地丰富了人们的物质和文化生活，然而当CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件特征尺寸进入亚微米、深亚微米领域，器件中沟道的尺寸达到了10纳米一下，一方面使得沟道中沿沟道的散热途径变窄，另一方面缩小的器件沟道使得材料的热导率减小，因此沟道中产生的热量无法及时的散去，在沟道中形成积累，进而使得器件沟道中温度上升，影响器件的特性。而数以亿计的这种器件被集成到一片边长不足一公分的芯片上时，热效应对芯片性能的影响就可想而知了。另外，不均匀的温度分布也可能会导致电路不能工作，因此对器件的热效应的研究和优化是非常有必要的。

近年来，硅材料纳米线围栅器件，由于其良好的静电特性和CMOS电路的兼容性，越来越受到人们的关注。然而由于新型围栅硅材料纳米线器件的极窄的沟道所引起的热效应也变的越来越严重，因此，对新型围栅硅材料纳米线器件散热路径的研究和优化变得十分关键。众所周知，新型围栅硅材料纳米线器件的散热途径主要有两条，一条是热量沿着纳米线通过源漏端传到外界环境，另一条热量穿过栅氧通过栅传到外界环境。但器件中纳米线尺寸的不断减小，纳米线与源漏端连接处的边界热阻已经无法忽略，并对器件的散热途径的影响越来越严重。因此，对材料一维到三维边界热阻的研究成为一个比较热门的课题，目前为止，对一维到三维边界热阻的研究还只是停留在理论阶段，而对一维到三维边界热阻的测试实验还没有报道，所以设计并开发一种针对于一维到三维边界热阻的测试方法对器件关键路径的研究有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对材料一维到三维边界热阻进行测试的方法。

本发明提供的技术方案如下：

针对于材料一维到三维边界热阻的测试结构(图1)，包括衬底、长方体A、长方体B和纳米线三部分，其特征是，长方体A和长方体B之间由悬空的纳米线相连，长方体A上表面溅射一层金属层作为热源，并且长方体A和衬底之间有一层绝热层，而长方体B则直接和衬底相连。

所述测试结构以硅材料为衬底，长方体A、长方体B和纳米线为多晶硅材料，长方体A和衬底之间的绝热层采用氧化硅材料，长方形A上表面的金属层采用Pt。

所述测试结构的纳米线的直径d＝5nm-500nm。

所述测试结构的长方形A和长方体B的上表面在同一个水平面上。

一种材料一维到三维边界热阻的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)制作两组上面所述的测试结构1和测试结构2，保持纳米线的直径不变，改变测试结构中纳米线的长度，测试结构1的纳米线的长度L＝a，测试结构2的纳米线的长度L＝2a，两组测试结构中的长方体A上的金属层作为热源，而长方体B则为恒温库，其温度为环境温度T₀；

2)分别给两组测试结构中的金属层通入恒定功率P的直流电，等系统稳定时，即测试结构中各部分的温度不再变化时，测试并计算各组测试结构中长方体A上金属层的温度T₁和T₂，其中T₁为测试结构1金属层温度，T₂为测试结构2金属层温度；

3)利用公式T-T₀＝P·R_TH，其中R_TH为测试结构的纳米线的整体热阻与两个一维到三维边界热阻之和，P为流过纳米线的热流，分别计算两组测试结构中纳米线的整体热阻R₁、R₂(整体热阻中包含有两边的一维到三维边界热阻)；

4)利用步骤(3)中测得的两组整体热阻，提取一维到三维边界热阻R_1-3，

所述的测试方法，步骤1)中，所述纳米线的长度a＝1um-10um。

测试时，由于纳米线的直径远小于长方体的边长，可以认为当系统恒定时，长方体A也是恒温库，其温度和金属层温度相同。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种简单可行的一维到三维边界热阻测试方法，利用一种简单的测试结构，实现对纳米线侧边边界热阻进行测试，本方法可以为纳米尺度器件散热结构的设计和关键路径的研究给出参数依据，并且为今后热阻网络和器件热效应的模拟有直接帮助。

附图说明