專利名稱：一種納米線圍柵器件散熱特性的測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種散熱特性的測(cè)試，尤其涉及一種納米線圍柵器件散熱特性的測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
隨著 CMOS (Complementary Metal Oxide kmiconductor)器件特征尺寸進(jìn)入亞微米、深亞微米領(lǐng)域，電路的集成密度得到了很大的提高，電路的功耗和熱量的耗散成為一個(gè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。急劇增長(zhǎng)的功耗使得器件的性能退化，從而對(duì)電路的可靠性造成很大的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至可能使整個(gè)電路失效，另外，不均勻的溫度分布也可能會(huì)導(dǎo)致電路不能工作。近年來(lái)，硅材料納米線圍柵器件，由于其良好的靜電特性和CMOS電路的兼容性， 越來(lái)越受到人們的關(guān)注。然而由于其極小的納米線溝道的限制，熱特性變得更加嚴(yán)重。因此對(duì)微納米尺度器件熱特性的研究越來(lái)越重要。眾所周知硅材料納米線圍柵器件的散熱途徑有兩條，一條是源漏端，另一條是柵端。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)硅材料圍柵器件熱特性的研究還很少，對(duì)于哪條是主要的散熱途徑仍然沒(méi)有被表征過(guò)，所以研究納米線尺度器件的散熱特性， 并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單有效的實(shí)驗(yàn)方法是非常必要的。。對(duì)材料熱特性的測(cè)試有許多方法，例如steady-state方法，薄膜微納熱量計(jì)方法，微拉曼譜法，懸置微器件探測(cè)器方法，熱譜方法，熱電鏡方法和3ω技術(shù)等等。其中薄膜微納熱量計(jì)方法需要在被測(cè)樣品上淀積薄膜微納熱量計(jì)，從而使樣品表面的晶格遭到破壞；懸置微器件方法中形成這種結(jié)構(gòu)的工藝非常復(fù)雜；熱譜技術(shù)一般用于具有良好的溫度反射率相關(guān)并且不被其他固體物質(zhì)所影響的金屬材料；3 ω方法當(dāng)被測(cè)材料的尺寸不斷縮小測(cè)試變得非常緩慢，從而大大影響了樣品的測(cè)試速度；總之各種方法都存在自己的弊端。 而拉曼光譜由于具有非常好的熱敏感性，越來(lái)越多地被用于研究各種材料的熱特性。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，打到測(cè)試樣品上的光斑越來(lái)越小，這也使得這種方法非常適用于小尺度材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于結(jié)合微拉曼激光光譜方法，通過(guò)利用一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米線圍柵器件的散熱特性進(jìn)行測(cè)試。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下—種納米線圍柵器件散熱特性的測(cè)試結(jié)構(gòu)(圖1)，所述測(cè)試結(jié)構(gòu)包括源1、漏2、柵 3，其特征是，源1和漏2由一根懸空納米線5相連；漏2端包含加熱結(jié)構(gòu)；所述結(jié)構(gòu)采用的是圍柵結(jié)構(gòu)，即柵3將納米線5包圍起來(lái)；柵3的一端與一個(gè)接線板4相連。所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，所述加熱結(jié)構(gòu)為在漏2上盤繞一層金屬線6作為加熱端。所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，在柵3和納米線5之間有一層?xùn)叛酢?br> 所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，所述柵氧為厚度為5nm氧化硅。所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，所述納米線5的直徑為lOnm，長(zhǎng)度為lOum，柵長(zhǎng)為 200nm。所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，所述源1、漏2和納米線5采用的材料是硅，所述柵3 和接線板4采用的材料是多晶硅。一種納米線圍柵器件散熱特性的測(cè)試方法，包括如下步驟1)制作N個(gè)前面所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，各個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)中柵距源端的距離各不相同；2)通過(guò)漏端的加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，使漏端溫度升高，而測(cè)試結(jié)構(gòu)的其他部分保持室溫，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)各部分的溫度不再變化時(shí)，即在納米線中產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的熱流；3)從納米線與源端連接處起直到與漏端連接處，每隔一定的距離d在納米線上取一個(gè)點(diǎn)，并測(cè)出該點(diǎn)的溫度，將得到的所有點(diǎn)以柵為界限分為兩組，分別作出各組點(diǎn)距源的距離與溫度變化的曲線，提取所述曲線的斜率，靠近源端的組的曲線斜率記作Si，靠近漏端的組的曲線斜率記作S;4)由于測(cè)試結(jié)構(gòu)中其他邊界都是絕熱的，而源端和接線板是室溫，并且保持恒定， 所以由漏端產(chǎn)生的熱量一方面通過(guò)柵到達(dá)接線板散去，另一方面通過(guò)納米線傳到源端散去，用P1表示通過(guò)源端散去的熱量，P2表示通過(guò)柵到接線板散去的熱量，通過(guò)3)所得的斜率計(jì)算各個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)的散熱比=P2A31 = (S-S1)/S1，并畫(huà)出其隨著與源端的距離變化的曲線，按照曲線的趨勢(shì)推算出當(dāng)柵距源端的距離能夠與柵與源端距離為納米量級(jí)的器件比擬時(shí)的P2A31，從而得出小尺寸器件時(shí)的散熱的主要途徑。所述的測(cè)試方法，其特征是，所述測(cè)試結(jié)構(gòu)，在漏上盤繞一層金屬線作為加熱端， 通過(guò)給所述金屬線加一穩(wěn)定的直流電對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱。所述的測(cè)試方法，其特征是，所述步驟幻中，采用拉曼光譜法測(cè)量各點(diǎn)的溫度，由于溫度會(huì)使拉曼峰移，所以通過(guò)峰移的距離可以求出所測(cè)物體的溫度。所述的測(cè)試方法，其特征是，步驟1)中，改變柵距源端距離為0. 5um-5um,每隔 0. 5um制作一組測(cè)試結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單有效的散熱特性測(cè)試方法，通過(guò)設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的測(cè)試結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米尺度器件散熱特性進(jìn)行測(cè)試，對(duì)納米尺度器件散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的選取給出了直接的指導(dǎo)，并且為今后的熱阻網(wǎng)絡(luò)和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了參考和幫助。


圖1本發(fā)明所述測(cè)試結(jié)構(gòu)。其中源1，漏2，柵3，接線板4，納米線5，金屬線6圖2利用本發(fā)明所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)模擬納米線上溫度分布。
具體實(shí)施例方式下邊結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，給出一種結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，通過(guò)利用一種簡(jiǎn)單的測(cè)試結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)納米線器件散熱特性進(jìn)行測(cè)試的方法。一、樣品形成工藝步驟
1、以SOI (Silicon-On-Insulator)為襯底制作測(cè)試結(jié)構(gòu)，首先將上層硅膜減薄， 大約剩余200nm，利用光刻技術(shù)在硅層上刻出源、漏和源漏之間的Fin條；2、氧化Fin條，并用利用化學(xué)試劑將氧化硅漂掉，在結(jié)構(gòu)形成懸空納米線；3、輕微地氧化形成柵氧；4、淀積250nm厚度多晶硅，利用離子束光刻和刻蝕技術(shù)形成柵和接線板；5、采用剝離技術(shù)制作金屬加熱線；二、改變柵距源端距離，從0. 5um起直到柵距源端距離為5um為止，每隔0. 5um制作一組上述結(jié)構(gòu)，這樣就得到結(jié)構(gòu)相同、柵的位置不同的十組測(cè)試結(jié)構(gòu)；三、下面以柵距離源端距離為5um的一組測(cè)試結(jié)構(gòu)為例來(lái)說(shuō)明如何測(cè)試并計(jì)算其 P2A31 值1、首先，給結(jié)構(gòu)中的金屬線加一穩(wěn)定的直流電，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)利用拉曼激光沿著納米線從源端開(kāi)始直到漏端，每隔0. Ium測(cè)一個(gè)點(diǎn)的溫度；2、以各個(gè)點(diǎn)距納米線與源端連接處的距離為橫坐標(biāo)，各個(gè)點(diǎn)的溫度為縱坐標(biāo)作圖，為了使計(jì)算更加直觀，本發(fā)明利用測(cè)試結(jié)構(gòu)模擬了這個(gè)過(guò)程，如圖2所示，圖中為以柵為界的兩條不同斜率的直線，模擬時(shí)納米線的直徑為56nm，柵長(zhǎng)為200nm，柵距源端距離為 5um，漏端設(shè)置為1000K，源端和接線板的溫度為四3. 15K ；3、分別求出兩個(gè)斜率Sl和S ；4、對(duì)于納米線來(lái)說(shuō)T = PRth其中T為所測(cè)納米線兩端之間的溫差，P為流過(guò)納米線的熱流，Rth為所測(cè)納米線的熱阻而Rth = L/KA，其中L為所測(cè)納米線的長(zhǎng)度，K為納米線熱導(dǎo)率，A為納米線的橫截面積，代入上式得T = PL/KA由此可得，對(duì)于納米線來(lái)說(shuō)T與L成正比，比例系數(shù)為P/KA，即所提取的斜率，即S1 = P1AAS = P/KA其中P1為流到源端的熱量，P為從漏端流到納米線的總得熱量，因此P-P1即為流到柵上的熱量，用P2表示。由此可得=P2A31= (S-S1VS四、求出各組結(jié)構(gòu)的P2A31值，并畫(huà)出P2A31值隨柵距源端距離變化的曲線，按照曲線的趨勢(shì)推算出當(dāng)柵距源端的距離可以與小尺寸器件比擬時(shí)的P2AV從而得出小尺寸器件時(shí)的散熱的主要途徑。
權(quán)利要求
1.一種納米線圍柵器件散熱特性的測(cè)試結(jié)構(gòu)，所述測(cè)試結(jié)構(gòu)包括源(1)、漏O)、柵 ⑶，其特征是，源⑴和漏⑵由一根懸空納米線(5)相連；漏⑵端包含加熱結(jié)構(gòu)；所述結(jié)構(gòu)采用的是圍柵結(jié)構(gòu)，即柵(3)將納米線(5)包圍起來(lái)；柵(3)的一端與一個(gè)接線板(4) 相連。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，所述加熱結(jié)構(gòu)為在漏(2)上盤繞一層金屬線(6)作為加熱端。
3.如權(quán)利要求1所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，在柵(3)和納米線(5)之間有一層?xùn)叛酢?br> 4.如權(quán)利要求3所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，所述柵氧為厚度為5nm氧化硅。
5.如權(quán)利要求1所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，所述納米線(5)的直徑為10nm，長(zhǎng)度為 10um，柵長(zhǎng)為 200nm。
6.如權(quán)利要求1所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其特征是，所述源(1)、漏(2)和納米線(5)采用的材料是硅，所述柵C3)和接線板(4)采用的材料是多晶硅。
7.—種納米線圍柵器件散熱特性的測(cè)試方法，包括如下步驟1)制作N個(gè)權(quán)利要求1)所述的測(cè)試結(jié)構(gòu)，各個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)中柵距源端的距離各不相同；2)通過(guò)漏端的加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，使漏端溫度升高，而測(cè)試結(jié)構(gòu)的其他部分保持室溫， 當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)各部分的溫度不再變化時(shí)，即在納米線中產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的熱流；3)從納米線與源端連接處起直到與漏端連接處，每隔一定的距離d在納米線上取一個(gè)點(diǎn)，并測(cè)出該點(diǎn)的溫度，將得到的所有點(diǎn)以柵為界限分為兩組，分別作出各組點(diǎn)距源的距離與溫度變化的曲線，提取所述曲線的斜率，靠近源端的組的曲線斜率記作Si，靠近漏端的組的曲線斜率記作S ；4)用&表示通過(guò)源端散去的熱量，P2表示通過(guò)柵到接線板散去的熱量，通過(guò)幻所得的斜率計(jì)算各個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)的散熱比Typ1 = (S-S1)/S1，并畫(huà)出其隨著與源端的距離變化的曲線，按照曲線的趨勢(shì)推算出當(dāng)柵距源端的距離能夠與柵與源端距離為納米量級(jí)的器件比擬時(shí)的P2A31，從而得出小尺寸器件時(shí)的散熱的主要途徑。
8.如權(quán)利要求7所述的測(cè)試方法，其特征是，所述測(cè)試結(jié)構(gòu)，在漏上盤繞一層金屬線作為加熱端，通過(guò)給所述金屬線加一穩(wěn)定的直流電對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱。
9.如權(quán)利要求7所述的測(cè)試方法，其特征是，所述步驟幻中，采用拉曼光譜法測(cè)量各點(diǎn)的溫度。
10.如權(quán)利要求7所述的測(cè)試方法，其特征是，步驟1)中，改變柵距源端距離為 0. 5um-5um,每隔0. 5um制作一組測(cè)試結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種納米線圍柵器件散熱特性的測(cè)試結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法。所述測(cè)試結(jié)構(gòu)，包括源(1)、漏(2)、柵(3)，源(1)和漏(2)由一根懸空納米線(5)相連；漏(2)端包含加熱結(jié)構(gòu)；所述結(jié)構(gòu)采用的是圍柵結(jié)構(gòu)，即柵(3)將納米線(5)包圍起來(lái)；柵(3)的一端與一個(gè)接線板(4)相連。制作N個(gè)所述測(cè)試結(jié)構(gòu)，并給每個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)加熱，計(jì)算出每個(gè)結(jié)構(gòu)的散熱比，進(jìn)而得出小尺寸器件時(shí)的散熱的主要途徑。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米尺度器件散熱特性進(jìn)行測(cè)試，對(duì)納米尺度器件散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的選取給出了直接的指導(dǎo)，并且為今后的熱阻網(wǎng)絡(luò)和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了參考和幫助。
文檔編號(hào)B82Y35/00GK102569262SQ20121000602
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者孫帥, 林增明, 王潤(rùn)聲, 鄒積彬, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)