CN102135512B - 一种测试方形纳米线边界热阻随尺度变化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种测试方形纳米线边界热阻随尺度变化的方法。所述方法包括如下步骤：1、制作一组测试结构，该结构包含三个测试样品(Y1、Y2、Y3)；2、和步骤1同样的方法按照样品宽度呈等差数列制作多组测试结构；3、测出各组测试结构中三个样品各自的整体热阻；4、计算两种材料的边界热阻；5、根据样品的宽度和对应的边界热阻制图。本发明提供了一种结构简单，操作简易，成本低廉的边界热阻的测试方法，实现了对纳米尺度边界热阻随材料尺寸变化的测试，实验结果对当器件特征尺寸缩小到纳米尺度的散热性进行了单项的研究。对纳米尺度器件散热结构的设计和材料的选取给出了直接的指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试边界热阻的方法，尤其涉及一种测试方形纳米线条边界热阻的方法。通过利用一种差动的思想和简单的数学计算，从而实现对方形纳米线条侧面边界热阻的测试。
背景技术
随着半导体产业的不断发展，人们对材料的热特性测试的研究给与了越来越多的关注，例如当材料的尺寸到达了微米，甚至是纳米阶段时的热容和热导率的变化等等。当CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件特征尺寸的不断减小，人们对器件的设计要求越来越高，其中热特性对器件特征的影响越来越严重。这就使得对一些半导体器件材料的热特性的研究不仅仅体现在对一些性质的理解阶段，更要上升到如何利用这些性质设计出高性能的器件。所以近几十年来对器件的散热研究层出不穷，包括单根纳米线热导率的研究，薄膜热导率的研究，和整个器件热导率的研究。相继出现了许多非常好的测试方法，而对边界热特性的研究仍然存在着很大的挑战，尤其是随尺度的不断缩小对不同材料间边界热阻的测试变的越来越困难。近年来，对薄层间边界热阻的测试出现了一些报道，比如，TDTR(Time-domian thermoreflectance)方法。然而这种方法的设备比较昂贵，并且对激光光斑的要求非常高。
通过几十年来科学家的不断努力，迄今为止，对材料热特性的测试已经有了许多方法，例如，稳态脉冲方法，薄膜微米热量计方法，微拉曼谱法，悬置微器件探测器方法，热谱方法，热电镜方法和3ω技术等等。其中稳态脉冲方法需要在待测样品上淀积特殊的微结构，从而影响了测试准确度。薄膜微纳热量计方法也需要在被测样品上淀积薄膜微纳热量计，从而使样品表面的晶格遭到破坏。微拉曼方法对激光的光斑要求很高，随着尺寸的减小会变得越来越不准确。悬置微器件方法中形成这种结构的工艺非常复杂。热谱技术一般用于具有良好的温度反射率相关并且不被其他固体物质所影响的金属材料。总而言之各种方法都或多或少地存在一些缺点从而制约其发展。而3ω方法由于其设备简单廉价，操作简易成为了一种非常通用的测试方法。3ω方法出现时用于测试纳米线的热导率，逐渐被扩展于薄层热导率的测试，已经成为这个领域中非常成熟的测试方法之一。
3ω方法已经被证明是一种非常有价值的可以用于多种测试系统的热测试方法，在经典的3ω方法中，被测样品被通入一频率为ω的正弦电流，从而在样品中产生频率为2ω的温度震荡，这个温度震荡造成温度产生器的电阻出现了一频率为2ω的扰动，最终产生一频率为3ω的电压信号，而所要测试的样品的热特性正包含在这个信号之中。测得这个信号，通过分析就可以得到样品的热特性。然而3ω有一个很大的缺点就是无法直接测得样品间的界面热特性。
发明内容
本发明的目的在于采用一种差动的思想，通过利用一种特殊的结构和简单的计算，实现对不同材料之间边界热阻，尤其是对纳米线条边界热阻随尺度变化特性进行测试。
本发明提供的技术方案如下：
方案1：一种测试方形纳米线侧面边界热阻随尺度变化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以样品A为衬底制作测试结构(参见图1)，所述测试结构具有如下特征：测试结构上有三个样品，其中样品1(Y1)中含有厚度为a的材料B层，样品2(Y2)中不含材料B层，样品3(Y3)中含有厚度为2a的材料B层；每个样品的顶层为厚度相同的金属层；三个样品呈直线排列、尺寸相同，相邻样品(如Y1和Y2，Y2和Y3)间距为d；
2)按照步骤a)所述方法，制作n组测试结构，每组测试结构上样品的宽度不同，按照等差数列递增，公差为t；
3)测出各组测试结构中三个样品各自的整体热阻，分别用Z1、Z2、Z3表示；
4)计算材料A和材料B之间的边界热阻RAB；
5)将n个RAB按照宽度从小到大排列，制作出以宽度为横坐标、RAB为纵坐标的曲线图，从而可以预测不同宽度值对应的边界热阻RAB的值。
方案2：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤1)中的间距d＜100nm，如果间距太大则会增大由于工艺不均匀所造成的误差。
方案3：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，当材料A不是电隔离材料时，所述步骤1)中，在测试样品的材料A层和顶层金属层之间加一层电隔离层，因为在3ω方法中金属层必须进行隔离，否则就会使电流泄露造成计算热流的误差。
方案4：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤2)中，t＝50nm。
方案5：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤3)中，测试样品整体热阻的方法为3ω方法。
方案6：作为方案3的一种优选实现，其特征在于，所述电隔离层的材料为二氧化硅。
方案7：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述n大于4，测试组数越大，趋势图效果越好。
方案8：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤4)中边界热阻RAB的计算方法为：
RAB＝[(Z1-Z2)+(Z1-Z3)]/2。
所述方案1中，测试结构的制作方法如下：
在如图1所示在一种材料A衬底上的不同位置淀积厚度分别为a和2a的材料B层，通过刻蚀在衬底的左、中、右三个位置留下厚度分别为a、0、2a的材料B层，然后淀积一层材料A层，用CMP(chemical-mechanical polish)磨平，最后均匀地淀积一层金属层，通过刻蚀并且过刻材料A衬底，形成3种样品1、2、3。这样形成的三种样品，其中样品1中包含厚度为a的B材料层，样品2中不含材料B层，样品3中包含厚度为2a的材料B层。并且样品1、2、3的高度和宽度完全相同，也就是说样品1、2、3除了包含材料B层的厚度外其他条件都一样。
关于方案8中公式的说明如下：
由于每组的样品1包含厚度为a材料B层，而样品2没有材料B层，所以Z1与Z2之差Z12可以表示为样品1中的材料A和材料B上层边界热阻加材料A和材料B下层边界热阻加上材料B层的热阻与样品2中由于工艺所造成的同种材料A的边界热阻加厚度为a的材料A的热阻。同理，Z1与Z3之差Z13可以表示为样品1中的材料A和材料B上层边界热阻加材料A和材料B下层边界热阻加上材料B层的热阻加厚度为a的材料A的热阻与样品3中材料A和材料B上层边界热阻加材料A和材料B下层边界热阻加2a的材料B热阻之差。可以认为结构中所有的材料A和材料B之间的边界热阻都相等，所以Z12与Z13之和就可以表示为2倍的材料A和材料B之间的边界热阻与同种材料A之间的边界热阻。并且同种材料A之间的边界热阻相对于不同材料之间的边界热阻可以忽略，所以材料A和材料B之间的边界热阻RAB就可以表示为Z12与Z13之和的一半。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种结构简单，操作简易，成本低廉的边界热阻的测试方法，实现了对纳米尺度边界热阻随材料尺寸变化的测试，实验结果对当器件特征尺寸缩小到纳米尺度的散热性进行了单项的研究。对纳米尺度器件散热结构的设计和材料的选取给出了直接的指导作用。
附图说明
图1：测试样品结构示意图。其中Y1-样品1；Y2-样品2；Y3-样品3。
具体实施方式
下边结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，给出一种结合3ω方法，采用差动思想，通过利用一种特殊结构来实现对方形纳米线侧面边界热阻的测试。
一、样品形成工艺步骤
1、衬底为多晶硅衬底，将衬底从中间分为左右两个位置，左边淀积厚度为的二氧化硅，右边淀积厚度为
的二氧化硅层；
2、将中间的二氧化硅刻掉，在衬底上留下厚度分别为
0、
的二氧化硅，作为三个样品的基础；
3、淀积厚度为
的多晶硅，然后用CMP工艺磨平，使得
二氧化硅上方留下厚度为
的多晶硅；
4、淀积
的金属层；
5、采用刻蚀工艺，并且过刻多晶硅衬底
在衬底上形成3种样品；
二、制作一系列上述结构，其样品宽度依次为100nm、150nm、200nm、…、500nm；
三、用3ω方法，测得每组结构中样品1、2、3的整体热阻Z1、Z2、Z3；
四、计算材料A和材料B之间的边界热阻
Z12＝Z1-Z2＝RA-top.B+RA-bot.B+RB.bulk-Rtop.A-bot.A-RA.bulk
Z13＝Z1-Z3＝RA.bulk+RB.bulk-2RB.bulk＝RA.bulk-RB.bulk
其中RA-topB为样品1中材料A和材料B之间的上层边界热阻，RA-bot.B为材料A和材料B之间的下层边界热阻，Rtop.A-bot.A为样品2中由于工艺造成的同种材料A之间的边界热阻，RA.bulk为厚度为a的材料A的热阻，RB.bulk为厚度为a的材料B的热阻。
由于Rtop.A-bot.A是同种材料之间的边界热阻，所以可以认为(Rtop-bot.B＜＜RA-top.B+RA-bot.B)，并且认为RA-top.B＝RA-bot.B＝RAB，这时候就可以算出材料A和材料B之间的边界热阻RAB，
RAB＝(Z12+Z13)/2＝[(Z1-Z2)+(Z1-Z3)]/2
由于每组都含有样品1、2、3，所以可以算出一系列的RAB。
五、将步骤四中算出的一系列的RAB列表作图就可以得到方形纳米线侧面边界热阻随尺度变化的特性曲线。
Claims (7)
1.一种测试方形纳米线侧面边界热阻随尺度变化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以样品A为衬底制作测试结构，方法如下：在一种材料A衬底上的不同位置淀积厚度分别为a和2a的材料B层，通过刻蚀在衬底的左、中、右三个位置留下厚度分别为a、0、2a的材料B层，然后淀积一层材料A层，用CMP磨平，最后均匀地淀积一层金属层，通过刻蚀并且过刻材料A衬底，形成3种样品1、2、3，这样形成的三种样品，其中样品1中包含厚度为a的B材料层，样品2中不含材料B层，样品3中包含厚度为2a的材料B层，并且样品1、2、3的高度和宽度完全相同，也就是说样品1、2、3除了包含材料B层的厚度外其他条件都一样；三个样品呈直线排列、尺寸相同，相邻样品间距为d；
2)按照步骤a）所述方法，制作n组测试结构，每组测试结构上样品的宽度不同，按照等差数列递增，公差为t；
3)测出各组测试结构中三个样品各自的整体热阻，分别用Z1、Z2、Z3表示；
4)计算材料A和材料B之间的边界热阻RAB；
5)将n个RAB按照宽度从小到大排列，制作出以宽度为横坐标、RAB为纵坐标的曲线图；
其中，步骤4）中边界热阻RAB的计算方法为：RAB=[(Z1-Z2)+(Z1-Z3)]/2。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中的间距d＜100nm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中，在测试样品的材料A层和顶层金属层之间加一层电隔离层。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，t=50nm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3）中，测试样品整体热阻的方法为3ω方法。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电隔离层的材料为二氧化硅。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述n大于4。
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