网络知识 娱乐 科研前线 | 3D芯片叠叠热?北大CFET自热效应研究成果发布

科研前线 | 3D芯片叠叠热?北大CFET自热效应研究成果发布

科研前线

直击前线科研动态

尽在芯片揭秘●科研前线

北京大学微纳电子研究院团队于IEEE EDS举办的SNW研讨会议上发布了针对预计将会用于下下代工艺节点的CFET先进器件自热效应的研究成果,并提出了一种能使CEET温度快速变化的热网络评估模型,用于CFET器件可靠性的初步寿命预测。


研究背景

随着集成电路工艺的不断发展,仅仅依靠晶体管尺寸的微缩逐渐无法获得理想的性能增益,在上一次晶体管结构变革为FinFET晶体管已过去十年,集成电路先进节点即将迎来又一次结构更替。在CFET*器件结构与预埋电源线*(非标准译名,以下简称BPR)等前沿研究成果助推下,CFET已经出现在了多个先进集成电路制造厂的技术路线图中,未来可期。

对于CFET这样的3D堆叠器件,其紧凑的拓扑结构限制了声子散射产生自热效应和积热,热载流子注入(以下简称HCI)和偏置温度不稳定性(以下简称BTI)等伴生效应严重影响了器件性能表现和可靠性,降低器件的寿命。自热效应向来是器件失效机理研究的热点领域,但CFET作为一个新型器件结构,学界对其热可靠性自热效应的研究尚在开展中。

*CFET,全称Complementary FET,一般暂译为互补式场效应晶体管,CFET器件在原本单个晶体管的平面上通过纵向堆叠pFET和nFET实现CMOS器件结构,相比当前在平面内完成pFET和nFET排布的器件结构最多可节省50%面积(见下方示意图1,图源Intel)。

*预埋电源线,全称Buried Power Rail,即在晶体管下方埋入电源线的构造(见下方示意图2,图源imec)。

科研前线

图为CFET剖面示意图


科研前线

图为BPR示意图

对此,北京大学微纳电子学研究院团队针对CFET器件的自热效应开展前沿研究,在CFET器件上试验了自热与热串扰分析,并提出了评估发热机理的热网络模型,相关成果以“Investigation of Self-heating and Thermal Network for Complementary FET”为题发布于2021年度Silicon Nanoelectronics Workshop(该研讨会是VLSI Symposia卫星研讨会*),赵松涵为第一作者,刘晓彦教授与杜刚教授与为共同通讯作者。


*卫星研讨会,卫星会议形式之一,卫星会议是正式学术会议开始前(或学术议程结束后)的、由企业赞助的、或由学术团体举办的小型学术会议,是大型学术会议的一个组成部分,但一般不属于大会学术议程,通常有讲座、研讨会、非商业研讨会等形式;本届SNW会议由IEEE电子器件协会日本应用物理学会支持和赞助举办。


研究内容


团队基于TCAD技术,采用与传统FinFET相似的Fin沟道形状,在垂直方向实现n-on-p堆叠,完成了器件结构的初步构建,参数标准与3nm节点相近。器件结构、参数和电流曲线图如下:


科研前线

科研前线

图(a)为结构示意图和电路原理图 图(b)为结构参数和热导率参数表



科研前线

不同沟道数量条件下的电流曲线

完成器件结构后,团队进一步评估了器件级和电路级的自热效应和热串扰效应。在CFET器件内,由于垂直结构限制了热量扩散,晶体管内部的热串扰比晶体管间的热串扰更严重,器件内热串扰主要受n-p间距和沟道数量的影响(见下方两图)。图中可见,nMOS与pMOS对于对方产生的热串扰程度有所区别,N-to-P的串扰温度更高;而沟道形状的不同,ρ系数仍具有相同的变化趋势和相近的数值。


科研前线

科研前线


团队通过方程式进一步定义了热串扰系数ρ(见下表),增加n-p间距或减少沟道数都可以抑制晶体管内部的热串扰。


科研前线


在器件间的串扰测试中,团队测试了由5个CFET晶体管组成的环形振荡器的自热效应和晶体管热串扰,系统内居中的晶体管受到热串扰最多,热可靠性最差,详见下图。


科研前线


在0/1不同状态下,热扩散路径差异反映到了温度分布上(见下图):在0状态时,nMOS阻断了向上到互连层的热扩散路径;在1状态时,热量从向下扩散到衬底的路径被pMOS封堵。


科研前线


基于前述实验,团队进一步提出了一种交叉耦合的热网络模型(见下图),通过仿真得到结温并用于进一步的可靠性预测和自热效应的模拟。


科研前线

图为热网络模型


科研前线

图为三维有限元建模模拟结果


科研前线

图为热网络模型提取和模拟的流程


科研前线

HCI与BTI寿命比较


前景展望


北大微电子团队针对CFET器件自热效应开展研究,发现了热串扰与沟道数量与纵向间距的关系,提出了用于器件热特性和可靠性预测评估模型,初步实现了CFET器件级和电路级的热特性评估,拓展了CFET先进器件结构的自热效应评价方法以及自热效应评价系统,也为未来CFET产业化导入提供了重要前沿技术研究基础。



团队介绍


刘晓彦,北京大学微纳电子学研究院教授、微电子学系副系主任,现任北京市有源显示工程技术研究中心主任,目前主要从事新型半导体器件物理与结构,半导体器件模型及其参数提取、模拟、计算微电子学等方面的研究工作。

刘晓彦教授曾先后主持和参加了973、863、国家自然科学基金、国家重点科技攻关、教育部重点项目等多项国家级科研项目,并负责了与三星等公司开展的多项国际合作项目,2006年入选教育部新世纪优秀人才支持计划;作为负责人,在半导体器件的蒙特卡罗模拟方法、新型存储器模型模拟、新型微纳电子器件模拟等方面取得一系列创新性成果。合作出版著作2部,译著1部,发表论文百余篇,其中被SCI收录44篇,被EI收录55篇。


杜刚,北京大学微纳电子学研究院教授,目前主要研究领域为纳米尺度集成电路自热效应及可靠性、3D NAND存储阵列器件及电路可靠性以及纳米新器件中的输运现象,建立了新材料三维全能代MC器件模拟平台等器件模拟工具。

杜刚教授作为骨干人员先后参加多项国家973子项目、863项目、国家自然科学基金项目,负责一项国家自然科学基金科研项目。在器件模型模拟领域取得了大量创新成果,在国内外期刊和国际会议上发表论文200余篇。


论文原文链接:

https://ieeexplore.ieee.org/document/9500036/