专利名称：一种纳米尺度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方法，尤其涉及一种纳米尺度线器件散热特性的测试方法。通过设计一种简单的测试结构，并利用现有的技术，从而实现对纳米尺度器件的散热特性进行研究。
背景技术：
随着 CMOS (Complementary Metal Oxide kmiconductor)器件特征尺寸的缩小和集成密度的不断提高，电路的功耗和热量的耗散成为一个普遍关注的问题。当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，同时急剧增长的功耗带来芯片温度的升高，会使器件性能退化，对电路的可靠工作造成影响，甚至可能使整个电路失效。所以近几十年，人们对材料的热特性测试的研究给与了越来越多的关注，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。相继出现了许多测试方法，然而当器件尺寸小到一定的程度，传统的热特性的研究方法和测试仪器已经逐渐不能满足测试需求，这给器件热特性的研究带来了很大的挑战，设计一种简单有效的测试方法是非常有必要的。近年来，对材料热特性的测试相继出现了许多方法，例如，steady-state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3 ω技术等等。其中微拉曼谱法，是基于印度科学家C. V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，而发展出来的一种材料特性的研究方法，早期应用于分子结构研究，由于每种材料都有自己的拉曼峰，并且拉曼峰会随温度的不同而产生峰移，所以近年来越来越多的热采用拉曼光谱的这个性质来研究材料的热特性，相继出现了单根纳米线材料热导率的测试，薄层材料热导率的测试，并逐渐发展成熟。而随着激光技术的不断发展，打到物体上的光斑越来越小，使得拉曼光谱法逐渐应用于小尺寸材料。
发明内容
本发明的目的在于结合拉曼激光光谱方法，通过利用一种简单的结构，实现对纳米尺度器件的散热特性进行研究。本发明提供的技术方案如下一种纳米尺度器件散热特性的测试结构(图1)，包括源1、漏2、栅3三部分，其特征是，其中源1和漏2之间有一根悬空纳米线5 ；栅3和漏2之间有绝缘层6 ；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，所述测试结构以SOI为衬底。所述的测试结构，其特征是，所述绝缘层6为绝缘材料层或者空气。一种纳米尺度器件散热特性的测试方法，其特征在于，包括如下步骤1)制作上面所述的测试结构；2)由源端开始一直到栅，每隔一段距离D在纳米线上取一个点，采用高功率激光依次给纳米线上各个点加热，当整个系统进入稳态时(即各部分的温度不再变化时)收集各个点的拉曼光谱；3)通过所测得的各个点的拉曼光谱的峰移，计算出每个点与源、漏端之间的温差，进而求得每个点的温度；4)计算由栅这条路径的总的热阻Rtik和从栅到漏端之间的纳米线热阻Rnro ；5)比较Rrae和Rthd的大小，找出主要散热路径。根据测试结果可以对纳米尺度器件的散热途径进行改善，从而提高器件的特性。所述的测试方法，其特征是，步骤1)所述测试结构是在SOI衬底上制成的。所述的测试方法，其特征是，步骤2~)所述给各点加热的步骤是在室温条件下进行的。所述的测试方法，其特征是，步骤2)所述高功率激光为打到纳米线上的光斑功率为毫瓦量级的激光。所述的测试方法，其特征是，步骤2)所述距离D = O. 5um。所述的测试方法，其特征是，所述步骤4)，将所得的各个点的温度T和该点距离源端和纳米线连接处的距离X代入公式T = P [Rthi (RTH2+RTH3) ] / (RTH1+RTH2+RTH3) = P (MX2+NX)Rth3 = RTHG//RTro( “//” 为并联符号)其中Rthi为激光打到的点到源端之间的纳米线热阻，Rth2为激光打到的点到栅之间的纳米线热阻，Rth3为由栅组成的散热途径和和由源端组成的散热途径总的热阻，P为纳米线吸收总热量，X为打到纳米线上的激光光斑中心到源端的距离，M、N为系数；确定系数M、N，由于M和N中只有Rth3和P两个未知量，根据上述公式可以计算出Rth3，再由纳米线热阻公式计算出R·，进而计算出RTHe。所述的测试方法，其特征是，步骤幻中，如果RTHe》Rthd,说明源端为主要散热路径，否则如果RTHe《R ，则说明栅是主要散热路径，如果Rtik与Rnro相当，则说明他们散热的能力相当。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作用，并且为热阻网络和器件结构的设计带来了参考和帮助。
图1测试结构图。其中源1;漏2;栅3;接线板4;纳米线5;绝缘层6;图2为测试结构的等效热阻网络模型图。
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，给出一种结合微拉曼光谱法，通过利用一种测试结构来实现对纳米尺度器件散热特性进行测试。(一 )制作测试结构1、衬底为SOI (Silicon-On-Insulator)材料，首先将衬底上层硅减薄，剩余200nm，利用光刻技术在衬底硅层刻出源、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、将源漏保护起来，轻微的氧化形成栅氧和绝缘层；4、淀积厚度为250nm的多晶硅，电子束光刻形成栅和连线板，从而形成测试结构；(二)实验时，由源端开始，沿着纳米线每隔0. 5um取一个点，采用高功率(打到纳米线上的光斑功率为毫瓦量级)激光依次分别给纳米线上各个点加热，当整个系统进入稳态，既各部分的温度不再变化时时收集各个点的拉曼光谱；(三)比较各个点的拉曼光谱的拉曼峰的位置，通过测得各点的拉曼峰移，计算出每个点与源漏端之间的温差(源、漏还有接线板的温度认为是室温Ttl)；测试结构的热阻等效网络模型如图2所示，建立数轴，以源端与纳米线连接处为原点，沿纳米线指向漏端为正方向，当激光打到距原点为X的纳米线上时，纳米线会吸收一部分激光的热量，从而使得被激光打到的纳米线部分温度升高，当整个系统进入稳定状态时，会在测试结构中形成三条稳定的散热途径，即由源组成的散热路径、由栅和接线板组成的散热途径和由漏组成的散热途径，假设通过源端路径散热的热流为P1，通过栅和漏端的总热流为p2，纳米线吸收的总得热量为P，则P = P^P2因此对于激光光斑加热处纳米线的温度T就可以表示为T-T0 = P1Rthi = P2 (RTH2+RTH3)其中Rthi为激光打到的点到源端之间的纳米线热阻，Rth2为激光打到的点到栅之间的纳米线热阻，Rth3为由栅组成的散热途径和和由源端组成的散热途径总的热阻由上述两个公式得T-T0 = P [Rthi (RTH2+RTH3) ] / (RTH1+RTH2+RTH3)对于长度为L，横截面积为A的均勻纳米线来说，热阻Rth = L/KA，其中K为纳米线热导率，所以Rthi = X/KA，RTH2 = (l-a-h-X)/KA, 1为本实验中纳米线总长度，a为栅长，h为绝缘层厚度也可以说是栅到漏端的距离，代入上式得T-T0 = P (MX2+NX)其中，M= -1/ [ΚΑ (1-a-h) +K2A2Rth3]，N = [ (l-a-h) /K2A2+RTH3] / [ (l-a-h) /KA+RTH3]，将步骤三中测得的各点的温度与各点的位置(即各个点距源端的距离)代入上式，由于上述公式只有两个未知数P和RTH3，所以可以求出P和Rth3的值；而Rth3可以等同于电阻的处理，看作是栅散热途径与源散热途径并联，栅散热途径热阻可以用Rtik表示，源散热途径热阻用Rnro表示，即Rth3 = Rthg//Rthd而Rthd可以认为是栅到漏之间的纳米线热阻，即Rnro = (h+a)/KA，所以可以求出
丄、thg ，(四)比较所得的Rthc和Rthd值，如果RthJRthd则说明源端为主要散热路径，相反如果R 《R 则说明栅是主要散热路径，如果Rnffi与Rthd相当，则说明他们散热的能力相当，根据实验结果可以对纳米尺度器件的散热途径进行改善，从而提高器件的特性；作为一个实施例，上述步骤(一)形成的测试结构中纳米线总的长度为1 = IOum,栅长为a = 200nm,绝缘层厚度h = 5nm。
权利要求
1.一种纳米尺度器件散热特性的测试结构，包括源(1)、漏O)、栅(3)三部分，其特征是，其中源⑴和漏⑵之间有一根悬空纳米线(5)；栅(3)和漏⑵之间有绝缘层(6)；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相连。
2.如权利要求1所述的测试结构，其特征是，所述测试结构以SOI为衬底。
3.如权利要求1所述的测试结构，其特征是，所述绝缘层(6)为绝缘材料层或者空气。
4.一种纳米尺度器件散热特性的测试方法，其特征在于，包括如下步骤1)制作权利要求1所述的测试结构；2)由源端开始一直到栅，每隔一段距离D在纳米线上取一个点，采用高功率激光依次给纳米线上各个点加热，当整个系统进入稳态时收集各个点的拉曼光谱；3)通过所测得的各个点的拉曼光谱的峰移，计算出每个点与源、漏端之间的温差，进而求得每个点的温度；4)计算由栅这条路径的总的热阻Rtik和从栅到漏端之间的纳米线热阻R·；5)比较Rtik和R·的大小，找出主要散热路径。
5.如权利要求4所述的测试方法，其特征是，步骤1)所述测试结构是在SOI衬底上制成的。
6.如权利要求4所述的测试方法，其特征是，步骤2)所述给各点加热的步骤是在室温条件下进行的。
7.如权利要求4所述的测试方法，其特征是，步骤2)所述高功率激光为打到纳米线上的光斑功率为毫瓦量级的激光。
8.如权利要求4所述的测试方法，其特征是，步骤2)所述距离D= O. 5um。
9.如权利要求4所述的测试方法，其特征是，所述步骤4)，将所得的各个点的温度T和该点距离源端和纳米线连接处的距离X代入公式T = P[RTH1(RTH2+RTH3)]/(RTH1+RTH2+RTH3) = P (MX2+NX)RTH3 — Rthg//RTHD其中Rthi为激光打到的点到源端之间的纳米线热阻，Rth2为激光打到的点到栅之间的纳米线热阻，Rth3为由栅组成的散热途径和和由源端组成的散热途径总的热阻，P为纳米线吸收总热量，X为打到纳米线上的激光光斑中心到源端的距离，M、N为系数；确定系数M、N，根据上述公式计算出RTH3，再由纳米线热阻公式计算出RTHD，进而计算出RTHe。
10.如权利要求4所述的测试方法，其特征是，步骤幻中，如果RTHe》RTHD，说明源端为主要散热路径，否则如果Rnffi《Rthd，则说明栅是主要散热路径，如果Rtik与Rnro相当，则说明他们散热的能力相当。
全文摘要
本发明公布了一种纳米尺度器件散热特性的测试结构和测试方法。结构包括源(1)、漏(2)、栅(3)三部分，源(1)和漏(2)之间有一根悬空纳米线(5)；栅(3)和漏(2)之间有绝缘层(6)；该结构采用围栅结构，栅(3)的一端与一个接线板(4)相连。由源端开始一直到栅，每隔一段距离在纳米线上取一个点，采用高功率激光依次给纳米线上各个点加热，通过所测得的各个点的拉曼光谱的峰移，计算出每个点与源、漏端之间的温差，进而求得每个点的温度；计算由栅这条路径的总的热阻RTHG和从栅到漏端之间的纳米线热阻RTHD；比较RTHG和RTHD的大小，找出主要散热路径。根据测试结果可以对纳米尺度器件的散热途径进行改善，从而提高器件的特性。
文档编号H01L23/544GK102569261SQ20121000599
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者孙帅, 林增明, 王润声, 邹积彬, 黄如 申请人:北京大学