考虑热串扰效应的纳米片场效应晶体管与互补场效应晶体管新型热网络模型及电热耦合研究

本文提出了一种创新的热网络模型，通过引入虚拟网络(dummy network)精准计算纳米片场效应晶体管(NSFETs)和互补场效应晶体管(CFETs)的自热效应(SHE)与热串扰。研究发现CFETs因垂直堆叠结构导致更严重的自热（温度达534K）和11.3%的导通电流退化，其构成的反相器、逻辑门和环形振荡器电热特性劣化显著。该模型为3nm及以下节点器件电路的热优化设计(DTCO)提供了重要工具。

　　

Highlight

器件结构

图1展示了带有背面供电网络(BPR)的NSFET和CFET结构。CFET顶部为NFET，底部为PFET。M0采用钨(W)材料的环绕式接触(WAC)结构，BPR及其通孔(Vbpr)材料为钌(Ru)，BPR与衬底隔离层为SiO₂。该结构参数设置参考文献[14-16]。

有限元仿真

根据图4的I_dV_g曲线，设置NFET/PFET热源分别为56μW/50.5μW(NSFET)和95.4μW/86.6μW(CFET)。采用COMSOL软件模拟热特性，衬底与后端布线(BEOL)间设理想散热器。

反相器电热特性仿真

瞬态仿真中，输入信号V_in上升/下降沿时间为1ps，周期10ns。图10显示不同负载电容(C_L)下自热对传输延迟的影响。图11(a)表明随着C_L增大，CFET反相器的充放电时间延长更显著，峰值温度较NSFET高22.8%。

Conclusion

本工作揭示CFETs因双器件堆叠产生更剧烈的自热效应，导致导通电流退化比NSFETs高2.43%。通过公式(1)计算的热串扰系数表明，CFETs中NFET对PFET的热干扰强度达0.48，显著高于NSFETs的0.31。该模型为亚3nm节点器件热管理策略提供了量化分析基础。