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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，学界对其热可靠性和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）。
图为CFET剖面示意图
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的卫星研讨会*），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电子器件协会和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：
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
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。
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。
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。
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。
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。
图为热网络模型
图为三维有限元建模模拟结果
图为热网络模型提取和模拟的流程
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/
下载ECAD模型
