专利名称：一种一维到三维边界热阻的测试结构和方法
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 OxideSemiconductor)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I)，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
I)制作两组上面所述的测试结构I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I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Ttl ；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I金属层温度，T2为测试结构2金属层温度；3)利用公式T-Ttl = P · Rth，其中Rth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札_3，
R U2
卜3 2
O所述的测试方法，步骤I)中，所述纳米线的长度a = lum-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。
图I为一维到三维边界热阻测试结构示意图。其中1-金属层；2_纳米线；3-长方体B ；4-长方体A、以及长方体A和衬底之间的绝热层。
具体实施例方式下边结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，给出本发明利用测试结构来实现对一维到三维边界热阻进行测试。(一 )制作测试结构，如图I所示。I、衬底为硅材料，首先将衬底上层氧化大约形成厚度为200nm的氧化层，采用光刻技术刻氧化层，并留下做长方体A处的氧化硅，其余部分的氧化硅都刻掉；2、淀积200nm的多晶娃，用CMP将多晶硅上表面磨平，并采用光刻技术刻出，长方体A、长方体B和他们之间的多晶硅Fin条；3、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；4、采用剥离技术在长方体A上形成金属Pt层。( 二)实验时，本发明认为长方体B为恒温库，温度为环境温度Ttl,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I金属层温度，T2为测试结构2金属层温度；
(三)下面本发明详细的说明如何计算得到两组测试结构中纳米线的整体热阻R1和R2。对于测试结构来说，当金属层中通入恒定功率P的直流电时，会使的长方体A温度升高，由于长方体A下层为氧化层，所以系统稳定时，在纳米线上形成稳定热流P，而由于纳米线的直径远小于长方体的边长，当系统稳定时，可以认为长方体A和长方体B为恒温体。因此,测试结构中长方体A和长方体B之间的温差可以表示为T-T0 = P · Rth ;其中Rth为测试结构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。将步骤(二)中测得的T1和T2代人到上式得T1-T0 = P · R1 ;T2-T0 = P · R2 ；其中R1为测试结构I中纳米线的整体热阻与两个一维到三维边界热阻之和，R2为测试结构2中纳米线的整体热阻与两个一维到三维边界热阻之和。分别求出R1和R2。(四)最后，由于R1中包含长度为a的纳米线的热阻与两个一维到三维边界热阻，所以可得R1 = ^0+2^_3 ;同理R2 = ^0+2^_3 ;其中Rltl为长度为a的纳米线的热阻，R2tl为长度为2a的纳米线的热阻，所以R2tl =2R1Q，联立上边两个式子得一维到三维边界热阻
υ IR1-R2K—3 = ~~
O
权利要求
1.一种一维到三维边界热阻的测试结构,其特征在于,包括一衬底,在衬底上设有长方体A和长方体B，长方体A和长方体B之间由悬空的纳米线相连，长方体A的上表面溅射一层金属层，长方体A和衬底之间有一层绝热层，长方体B和衬底直接相连。
2.如权利要求I所述的测试结构，其特征在于，所述衬底为硅衬底，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上表面的金属层米用Pt。
3.如权利要求I所述的测试结构，其特征在于，纳米线的直径d= 5nm-500nm。
4.如权利要求I所述的测试结构，其特征在于，长方形 A和长方体B的上表面在同一个水平面上。
5.一种一维到三维边界热阻的测试方法，包括如下步骤 1)制作两组如权利要求I所述的测试结构I和测试结构2，其中，测试结构I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Ttl ； 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，系统稳定时，测得测试结构I的长方体A的金属层温度T1和测试结构2的长方体A的金属层温度T2 ； 3)利用公式T-Ttl= P · Rth，其中Rth为测试结构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，分别计算测试结构I中纳米线的整体热阻与两个一维到三维边界热阻之和R1,测试结构2中纳米线的整体热阻与两个一维到三维边界热阻之和民; 27^ Ti 4)通过计算6-3=测得一维到三维边界热阻Rh，。
6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，步骤I)中，所述纳米线的长度a的取值范围为lum-10um。
全文摘要
本发明公开了一种一维到三维边界热阻测试方法，该方法利用一种简单的测试结构，该测试结构包括长方体A、长方体B和纳米线三部分，长方体A和长方体B之间由悬空的纳米线相连。通过两组测试结构1和测试结构2的纳米线的整体热阻R1、R2，测得一维到三维边界热阻R1-3。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。
文档编号G01N25/20GK102621182SQ20121010683
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者李佳, 林增明, 王润声, 许晓燕, 邹积彬, 黄如 申请人:北京大学