【摘 要】
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随着半导体产业沿着摩尔定律向前发展,持续增长的芯片集成度带来更高的功率密度,导致集成电路内部温度上升,器件的自热效应越来越显著。在先进的半导体技术中,FinFET器件以其抑制短沟道效应的卓越能力吸引了越来越多的关注,但是复杂的器件结构导致散热路径复杂,散热困难,加剧器件的自热效应,造成器件电学性能的退化和可靠性问题。对自热效应进行精准的时空建模不仅有助于优化器件模型,而且可以在电路设计中更好地掌握
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随着半导体产业沿着摩尔定律向前发展,持续增长的芯片集成度带来更高的功率密度,导致集成电路内部温度上升,器件的自热效应越来越显著。在先进的半导体技术中,FinFET器件以其抑制短沟道效应的卓越能力吸引了越来越多的关注,但是复杂的器件结构导致散热路径复杂,散热困难,加剧器件的自热效应,造成器件电学性能的退化和可靠性问题。对自热效应进行精准的时空建模不仅有助于优化器件模型,而且可以在电路设计中更好地掌握电路性能,有助于电路仿真和可靠性设计,具有重要的研究意义和应用价值。本文主要进行深纳米工艺节点下FinFET器件的自热效应动态分析,从器件参数对热网络的影响、热阻热容的尺寸依赖性、多鳍结构热耦合模型等方面进行研究和讨论,提出尺寸依赖性五阶热RC网络模型,对纳秒级器件温度的估计具有非常高的准确性。将模型嵌入BSIM-CMG模型中仿真和研究自热效应对电路性能的影响,提高了高频下温度预测的准确性。本文的主要研究内容和成果有:一、针对FinFET器件结构,提出五阶热阻容网络模型,准确表征器件的瞬态热特征。基于结构函数法抽取五阶热RC网络,通过提取热时间常数谱,网络转换和构建结构函数建立五阶热网络模型,对器件的峰值温度的计算具有很高的准确性。基于COMSOL搭建和有限元仿真14 nm FinFET的瞬态自热过程,五阶热RC网络的平均相对误差为0.31%,均方根误差为1.73 K。结合器件内热量的时空分布,基于热阻矩阵进行多鳍结构的热耦合研究。二、提出结构尺寸依赖性五阶热阻容网络模型,实现器件在不同几何参数下的自热计算。搭建TCAD器件结构并进行电学特性的仿真和校准,研究器件参数对自热效应的影响。基于电热耦合瞬态热响应仿真和结构函数法提取五阶热网络,研究各阶热阻热容的沟道高度、沟道宽度、浅沟槽隔离厚度、源漏扩展区长度和侧墙热导率依赖性,提出五阶热RC网络尺寸依赖性模型。与有限元仿真相比,BSIM-CMG模型中自带的一阶自热模型均方根误差为15.66 K,而五阶热网络尺寸依赖性模型的平均相对误差为0.16%,均方根误差为0.73 K,比一阶自热模型降低95.32%,在预测器件自热效应上具有更高的准确性。三、提出兼容于BSIM-CMG的精准电热耦合协同设计方法,并研究自热效应对电路性能的影响。基于BSIM-CMG模型进行器件参数提取,通过增加热节点实现BSIM-CMG与五阶热RC网络模型的电热耦合仿真。研究自热效应对反相器和环形振荡器性能的影响,发现反相器在自热效应影响下直流增益退化了12.02%,噪声容限分别退化了6 m V和2 m V,传播延迟和转换时间分别退化了2 ps和1 ps,传输延迟和负载电容呈正相关;随着反相器级数的增加,环形振荡器频率第一周期的温升由于周期变长而提高,稳态温升由于动态功耗降低而降低。随着源漏扩展区长度增加,7阶环振温升下降约7.22%。本文提出的多阶热网络尺寸依赖性模型和器件自热分析对FinFET器件模型优化,电路电热可靠性设计具有重要意义,可解决现有BSIM-CMG自热模型在高频工作条件下准确度不足的问题,可应用于纳秒级高速电路的电热耦合设计中。
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