科研前線 | 散熱成新瓶頸，北大團隊持續(xù)探究CFET自熱效應

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盡在芯片揭秘●科研前線

BRP與CFET器件結構等前沿技術未來將落地先進節(jié)點，結構的改進使得集成電路內部的自熱效應增強，與之相關的HCI等可靠性問題難以忽視。北大杜剛團隊在2021年中的SNW研討會發(fā)表的CFET自熱效應成果基礎上，進一步研究了熱串擾和相關可靠性問題，其研究成果刊載于IEEE TED一月刊。

集成電路先進工藝的發(fā)展進度日趨放緩，IMEC提出在5nm以下節(jié)點應用BPR*技術，業(yè)界預測三星、臺積電等IC制造商會在2nm/3nm節(jié)點應用；而作為FinFET器件結構繼任者的GAA nanosheet FET也被普遍認為在兩次大節(jié)點迭代后會面臨進一步的結構創(chuàng)新，基于“折疊”思路的CFET便是GAA環(huán)柵結構的進階版本，該技術路線已被主要IC制造商接受并納入了研發(fā)規(guī)劃中。

與在二維平面上排布晶體管的傳統(tǒng)CMOS工藝相比，垂直堆疊的CFET結構使標準單元面積減少了50%，而電氣性能沒有降低，但全三維結構使得其散熱效果不容樂觀。更有甚者，可能會造成上下p/nFET之間發(fā)生嚴重串擾，從而加劇發(fā)熱問題。

集成電路中的SHE（Self-Heating Effects，自熱效應）嚴重影響器件的電氣特性和可靠性，隨著技術節(jié)點尺度縮小，晶格中聲子邊界散射不斷增強，易生成局部熱點導致晶格溫度升高。隨著工藝引入材料和拓撲結構的等微創(chuàng)新，材料內部的散熱路徑被極大的限制，增加了設備之間的熱串擾。以上種種隨著結構創(chuàng)新而更加嚴峻的散熱問題將對HCI、BTI、EM電遷移等可靠性問題造成巨大挑戰(zhàn)。

北京大學微納電子學研究院杜剛團隊在針對CFET熱效應研究課題中針對上述問題進行相關實驗，研究成果以“Self-Heating and Thermal Network Model for Complementary FET”為題發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices，趙松涵為本文第一作者為，杜剛教授為通訊作者。

*BPR，全稱Buried Power Rail，即在晶體管下方埋入電源線的構造（見下方示意圖左，圖源imec）。

*CFET，全稱Complementary Field Effect Transistor，通過在垂直方向實現nFET與pFET堆疊的3D晶體管結構（見下方示意圖右，圖源imec）。

圖為BRP與CFET示意圖

在之前的研究中SNW發(fā)表的成果中，團隊研究了CFET晶體管的熱量分布；本次，研究團隊為模擬CFET的熱行為，通過定義串擾系數評價了器件內部和器件間的串擾程度。結果表明，CFET器件內部的熱串擾是標準CMOS器件的兩倍。

此外，垂直結構使得CFET器件在兩種輸入狀態(tài)下呈現截然不同的散熱路徑，基于CFET的熱運動特征和必要的高精度快速預測設備的熱特性,團隊提出了一種熱網絡模型,它可以快速響應熱源并實現陣列級電路擴展。

最后，團隊分析了負載電容和工作頻率對自熱的影響，并根據熱網絡陣列溫度預測了與SHE相關的可靠性壽命。預測結果表明，CFET的偏溫不穩(wěn)定性(BTI)壽命比標準CMOS器件降低了84%。

CFET結構示意圖與電路圖

器件結構參數與熱參數

不同輸入狀態(tài)下的熱分布圖

有/無SHE影響下的Id-Vg特性曲線

用于反相器鏈溫度預測的陣列級熱網

北大微電子團隊在CFET器件自熱效應研究上不斷拓展，在熱特性與可靠性評估模型建立寄出上，進一步量化測試了CFET自熱效應，探究了先進工藝創(chuàng)新和器件結構升級過程會出現的熱效應和可靠性問題，為CFET工藝的先導研究提供了更多地前沿技術基礎。

杜剛教授，北京大學微納電子學研究院教授，目前主要從事納米尺度集成電路自熱效應及可靠性、3D NAND存儲陣列器件及電路可靠性以及納米新器件中的輸運現象，建立了新材料三維全能代MC器件模擬平臺等器件模擬工具。

杜剛教授作為骨干人員先后參加多項國家973子項目、863項目、國家自然科學基金項目，負責一項國家自然科學基金科研項目。在器件模型模擬領域取得了大量創(chuàng)新成果，在國內外期刊和國際會議上發(fā)表論文200余篇。

北京大學微電子學研究院，是我國高水平微電子科學技術研究基地和微電子人才培養(yǎng)基地，研究院緣起上世紀五十年代由著名物理學家黃昆院士領導的在北京大學物理系創(chuàng)建的我國第一個半導體專業(yè)。在我國著名的微電子學家王陽元院士、黃如院士的領導下，北京大學微納電子學科為我國微電子產業(yè)培養(yǎng)了大批優(yōu)秀人才，是我國培養(yǎng)高水平微電子人才的一個重要基地，是國家和學校大力支持和發(fā)展的重點學科。

北京大學微納電子學系下設5個研究所/中心和3個實驗室：新器件及集成技術研究所（ULSI）、集成電路與系統(tǒng)設計研究所(SOC)、集成微納系統(tǒng)研究所(MEMS)、寬禁帶半導體研究中心、射頻與太赫茲集成技術研究中心，以及IC CAE（EDA）實驗室、工藝實驗室和測試實驗室?？茖W研究和人才培養(yǎng)在基礎研究、關鍵技術、應用開發(fā)3個層面上展開，已經取得了一系列具有國際先進水平的科研成果。