CN102569262B - 一种纳米线围栅器件散热特性的测试结构和测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种纳米线围栅器件散热特性的测试结构和测试方法。所述测试结构，包括源(1)、漏(2)、栅(3)，源(1)和漏(2)由一根悬空纳米线(5)相连；漏(2)端包含加热结构；所述结构采用的是围栅结构，即栅(3)将纳米线(5)包围起来；栅(3)的一端与一个接线板(4)相连。制作N个所述测试结构，并给每个测试结构加热，计算出每个结构的散热比，进而得出小尺寸器件时的散热的主要途径。本发明实现了对纳米尺度器件散热特性进行测试，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，并且为今后的热阻网络和器件结构的设计带来了参考和帮助。

Description

一种纳米线围栅器件散热特性的测试结构和测试方法
技术领域
本发明涉及一种散热特性的测试，尤其涉及一种纳米线围栅器件散热特性的测试结构和测试方法。
背景技术
随着CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件特征尺寸进入亚微米、深亚微米领域，电路的集成密度得到了很大的提高，电路的功耗和热量的耗散成为一个普遍关注的问题。急剧增长的功耗使得器件的性能退化，从而对电路的可靠性造成很大的影响，严重时甚至可能使整个电路失效，另外，不均匀的温度分布也可能会导致电路不能工作。
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。然而由于其极小的纳米线沟道的限制，热特性变得更加严重。因此对微纳米尺度器件热特性的研究越来越重要。众所周知硅材料纳米线围栅器件的散热途径有两条，一条是源漏端，另一条是栅端。目前，国内外对硅材料围栅器件热特性的研究还很少，对于哪条是主要的散热途径仍然没有被表征过，所以研究纳米线尺度器件的散热特性，并设计开发一种简单有效的实验方法是非常必要的。。
对材料热特性的测试有许多方法，例如：steady-state方法，薄膜微纳热量计方法，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。其中薄膜微纳热量计方法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；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；3ω方法当被测材料的尺寸不断缩小测试变得非常缓慢，从而大大影响了样品的测试速度；总之各种方法都存在自己的弊端。而拉曼光谱由于具有非常好的热敏感性，越来越多地被用于研究各种材料的热特性。随着激光技术的发展，打到测试样品上的光斑越来越小，这也使得这种方法非常适用于小尺度材料。
发明内容
本发明的目的在于结合微拉曼激光光谱方法，通过利用一种简单的结构，实现对纳米线围栅器件的散热特性进行测试。
本发明提供的技术方案如下：
一种纳米线围栅器件散热特性的测试结构(图1)，所述测试结构包括源1、漏2、栅3，其特征是，源1和漏2由一根悬空纳米线5相连；漏2端包含加热结构；所述结构采用的是围栅结构，即栅3将纳米线5包围起来；栅3的一端与一个接线板4相连。
所述的测试结构，其特征是，所述加热结构为在漏2上盘绕一层金属线6作为加热端。
所述的测试结构，其特征是，在栅3和纳米线5之间有一层栅氧。
所述的测试结构，其特征是，所述栅氧为厚度为5nm氧化硅。
所述的测试结构，其特征是，所述纳米线5的直径为10nm，长度为10um，栅长为200nm。
所述的测试结构，其特征是，所述源1、漏2和纳米线5采用的材料是硅，所述栅3和接线板4采用的材料是多晶硅。
一种纳米线围栅器件散热特性的测试方法，包括如下步骤：
1)制作N个前面所述的测试结构，各个测试结构中栅距源端的距离各不相同；
2)通过漏端的加热结构进行加热，使漏端温度升高，而测试结构的其他部分保持室温，当整个系统各部分的温度不再变化时，即在纳米线中产生了一个稳定的热流；
3)从纳米线与源端连接处起直到与漏端连接处，每隔一定的距离d在纳米线上取一个点，并测出该点的温度，将得到的所有点以栅为界限分为两组，分别作出各组点距源的距离与温度变化的曲线，提取所述曲线的斜率，靠近源端的组的曲线斜率记作S1，靠近漏端的组的曲线斜率记作S；
4)由于测试结构中其他边界都是绝热的，而源端和接线板是室温，并且保持恒定，所以由漏端产生的热量一方面通过栅到达接线板散去，另一方面通过纳米线传到源端散去，用P1表示通过源端散去的热量，P2表示通过栅到接线板散去的热量，通过3)所得的斜率计算各个测试结构的散热比：P2/P1＝(S-S1)/S1，并画出其随着与源端的距离变化的曲线，按照曲线的趋势推算出当栅距源端的距离能够与栅与源端距离为纳米量级的器件比拟时的P2/P1，从而得出小尺寸器件时的散热的主要途径。
所述的测试方法，其特征是，所述测试结构，在漏上盘绕一层金属线作为加热端，通过给所述金属线加一稳定的直流电对测试结构进行加热。
所述的测试方法，其特征是，所述步骤3)中，采用拉曼光谱法测量各点的温度，由于温度会使拉曼峰移，所以通过峰移的距离可以求出所测物体的温度。
所述的测试方法，其特征是，步骤1)中，改变栅距源端距离为0.5um-5um，每隔0.5um制作一组测试结构。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种简单有效的散热特性测试方法，通过设计一种简单的测试结构，实现了对纳米尺度器件散热特性进行测试，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，并且为今后的热阻网络和器件结构的设计带来了参考和帮助。
附图说明
图1本发明所述测试结构。
其中：源1，漏2，栅3，接线板4，纳米线5，金属线6
图2利用本发明所述的测试结构模拟纳米线上温度分布。
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，给出一种结合现有技术，通过利用一种简单的测试结构来实现纳米线器件散热特性进行测试的方法。
一、样品形成工艺步骤
1、以SOI(Silicon-On-Insulator)为衬底制作测试结构，首先将上层硅膜减薄，大约剩余200nm，利用光刻技术在硅层上刻出源、漏和源漏之间的Fin条；
2、氧化Fin条，并用利用化学试剂将氧化硅漂掉，在结构形成悬空纳米线；
3、轻微地氧化形成栅氧；
4、淀积250nm厚度多晶硅，利用离子束光刻和刻蚀技术形成栅和接线板；
5、采用剥离技术制作金属加热线；
二、改变栅距源端距离，从0.5um起直到栅距源端距离为5um为止，每隔0.5um制作一组上述结构，这样就得到结构相同、栅的位置不同的十组测试结构；
三、下面以栅距离源端距离为5um的一组测试结构为例来说明如何测试并计算其P2/P1值
1、首先，给结构中的金属线加一稳定的直流电，当整个系统进入稳态时利用拉曼激光沿着纳米线从源端开始直到漏端，每隔0.1um测一个点的温度；
2、以各个点距纳米线与源端连接处的距离为横坐标，各个点的温度为纵坐标作图，为了使计算更加直观，本发明利用测试结构模拟了这个过程，如图2所示，图中为以栅为界的两条不同斜率的直线，模拟时纳米线的直径为56nm，栅长为200nm，栅距源端距离为5um，漏端设置为1000K，源端和接线板的温度为293.15K；
3、分别求出两个斜率S1和S；
4、对于纳米线来说：
T＝PRTH
其中T为所测纳米线两端之间的温差，P为流过纳米线的热流，RTH为所测纳米线的热阻
而RTH＝L/KA，其中L为所测纳米线的长度，K为纳米线热导率，A为纳米线的横截面积，代入上式得：
T＝PL/KA
由此可得，对于纳米线来说T与L成正比，比例系数为P/KA，即所提取的斜率，即
S1＝P1/KA
S＝P/KA
其中P1为流到源端的热量，P为从漏端流到纳米线的总得热量，因此P-P1即为流到栅上的热量，用P2表示。由此可得：P2/P1＝(S-S1)/S
四、求出各组结构的P2/P1值，并画出P2/P1值随栅距源端距离变化的曲线，按照曲线的趋势推算出当栅距源端的距离可以与小尺寸器件比拟时的P2/P1，从而得出小尺寸器件时的散热的主要途径。

Claims (5)

1.一种纳米线围栅器件散热特性的测试方法，包括如下步骤：
1)制作N个测试结构，各个测试结构中栅距源端的距离各不相同；
2)通过漏端的加热结构进行加热，使漏端温度升高，而测试结构的其他部分保持室温，当整个系统各部分的温度不再变化时，即在纳米线中产生了一个稳定的热流；
3)从纳米线与源端连接处起直到与漏端连接处，每隔一定的距离d在纳米线上取一个点，并测出该点的温度，将得到的所有点以栅为界限分为两组，分别作出各组点距源的距离与温度变化的曲线，提取所述曲线的斜率，靠近源端的组的曲线斜率记作S1，靠近漏端的组的曲线斜率记作S；
4)用P1表示通过源端散去的热量，P2表示通过栅到接线板散去的热量，通过3)所得的斜率计算各个测试结构的散热比：P2/P1＝(S-S1)/S1，并画出其随着与源端的距离变化的曲线，按照曲线的趋势推算出当栅距源端的距离能够与栅与源端距离为纳米量级的器件比拟时的P2/P1，从而得出小尺寸器件时的散热的主要途径；
所述测试结构包括源(1)、漏(2)、栅(3)；其中，源(1)和漏(2)由一根悬空纳米线(5)相连；漏(2)端包含加热结构；所述测试结构采用的是围栅结构，即栅(3)将纳米线(5)包围起来；栅(3)的一端与一个接线板(4)相连。
2.如权利要求1所述的测试方法，其特征是，所述测试结构，在漏上盘绕一层金属线作为加热端，通过给所述金属线加一稳定的直流电对测试结构进行加热。
3.如权利要求1所述的测试方法，其特征是，所述步骤3)中，采用拉曼光谱法测量各点的温度。
4.如权利要求1所述的测试方法，其特征是，步骤1)中，改变栅距源端距离为0.5μm-5μm，每隔0.5μm制作一组测试结构。
5.如权利要求1所述的测试方法，其特征是，所述测试结构，在栅(3)和纳米线(5)之间有一层栅氧。
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