本發(fā)明涉及集成電路分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種預(yù)測半導(dǎo)體器件溫度分布的方法。

背景技術(shù)：

隨著微電子制造工藝的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體器件的尺寸逐漸縮小，使其功率密度成倍增加，不僅使器件自身的工作溫度不斷升高，也使其周圍材料的溫度上升，對周圍器件的性能造成嚴(yán)重影響。器件溫度的升高不僅會影響器件的電學(xué)性能，而且使自熱效應(yīng)更加突出，大大縮短了器件壽命，影響其可靠性以及整個(gè)芯片的性能。因此在芯片電路設(shè)計(jì)初期就必須對其所使用的半導(dǎo)體器件的溫度特性做出分析，評估其對芯片溫度分布的影響，從而制定出相應(yīng)的版圖布局準(zhǔn)則，指導(dǎo)芯片版圖布局的優(yōu)化，確保芯片工作時(shí)溫度分布更加均勻，局部熱點(diǎn)溫度不超過臨界值，提高芯片工作的穩(wěn)定性。

為了進(jìn)行準(zhǔn)確的器件溫度分析，傳統(tǒng)溫度分析方法通常使用有限元分析軟件，通過建立器件的實(shí)體模型，由計(jì)算機(jī)劃分網(wǎng)格后進(jìn)行計(jì)算，得到器件的溫度分布。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片上的器件種類非常多，單純使用有限元分析軟件對不同的器件進(jìn)行溫度分析，需要占用大量計(jì)算機(jī)硬件資源，并且耗時(shí)很長。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的半導(dǎo)體溫度分析方法中占用大量計(jì)算機(jī)硬件資源和計(jì)算時(shí)間過長的缺陷，提供一種簡單、高效、快速和精確的預(yù)測半導(dǎo)體器件溫度分布的方法，從而準(zhǔn)確預(yù)測器件工作時(shí)的溫度分布。

一種預(yù)測半導(dǎo)體器件溫度分布的方法，包括：

根據(jù)給定的工藝庫文件，獲取芯片上使用的有源器件的模型參數(shù)；

根據(jù)獲取的有源器件的模型參數(shù)，使用有限元分析軟件構(gòu)建有源器件的實(shí)體模型；

對建立的實(shí)體模型施加邊界條件，并對該實(shí)體模型中有源器件的主要發(fā)熱區(qū)域施加功耗，對該實(shí)體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，再用有限元軟件對實(shí)體模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，獲得器件表層溫度隨距離變化的分布曲線；改變有源器件的功耗以及所處的環(huán)境溫度，然后通過穩(wěn)態(tài)熱分析獲得不同環(huán)境溫度、不同功耗下的器件表層溫度隨距離變化的分布曲線；

將得到的不同環(huán)境溫度、不同功耗下的器件表層溫度隨距離變化的分布曲線導(dǎo)入matlab軟件進(jìn)行擬合，從而得到溫度分布曲線的函數(shù)表達(dá)式；

將實(shí)際有源器件的功耗、發(fā)熱區(qū)域面積以及所處的環(huán)境溫度帶入上述函數(shù)表達(dá)式，從而得出器件的溫度分布。

優(yōu)選地，所述有源器件的模型參數(shù)包括器件的各有源區(qū)結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)和材料屬性參數(shù)。

優(yōu)選地，對實(shí)體模型施加的邊界條件是設(shè)定襯底背面溫度為環(huán)境溫度，芯片其它面絕熱。

優(yōu)選地，器件表層溫度隨距離變化的分布曲線為位于發(fā)熱區(qū)域所在的平面，并通過發(fā)熱區(qū)域中心的任意一條直線，其坐標(biāo)零點(diǎn)為發(fā)熱區(qū)中心點(diǎn)。

優(yōu)選地，所述函數(shù)表達(dá)式為：其中，f(p,s,ta)為自熱溫升函數(shù)，是器件發(fā)熱區(qū)中心點(diǎn)的溫升函數(shù)，g(p,s,x,ta)為耦合溫升函數(shù)，是器件發(fā)熱區(qū)周圍的溫升函數(shù)，p為器件自身的功耗，s是器件發(fā)熱區(qū)域的面積，x是器件發(fā)熱區(qū)域所在平面上某點(diǎn)到器件發(fā)熱區(qū)域中心點(diǎn)的距離，ta是器件模型所處的環(huán)境溫度。

本發(fā)明與傳統(tǒng)有限元分析方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明通過在有限元軟件中建立有限個(gè)器件熱學(xué)的分析模型，得到其溫度分布曲線，并且結(jié)合matlab軟件擬合了溫度分布函數(shù)，函數(shù)自變量包括器件的功耗、發(fā)熱區(qū)面積、與器件中心點(diǎn)的距離以及所處的環(huán)境溫度。將實(shí)際有源器件的功耗、發(fā)熱區(qū)面積以及所處的環(huán)境溫度帶入溫度函數(shù)表達(dá)式中，即可得出器件的溫度分布，避免了傳統(tǒng)有限元方法的對整個(gè)器件建立實(shí)體模型和網(wǎng)格劃分過程，能夠簡單、快速和高效地實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的溫度分析。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種預(yù)測半導(dǎo)體器件溫度分布的方法的流程圖；

圖2為擬合函數(shù)計(jì)算與仿真得到的器件基區(qū)x軸方向(x＞10μm)的溫度分布圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

以穩(wěn)懋半導(dǎo)體公司的1μmgaashbt工藝為例，結(jié)合圖1的流程對工藝庫中的半導(dǎo)體器件進(jìn)行溫度分析。

步驟100，根據(jù)給定的工藝庫文件，獲取芯片上使用的有源器件的模型參數(shù)。

有源器件的模型參數(shù)包括器件的各有源區(qū)結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)和材料屬性參數(shù)。

步驟200，使用comsol有限元分析軟件對步驟100中獲取的模型參數(shù)建立有源器件的實(shí)體模型，并對該實(shí)體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，實(shí)體模型各層材料及尺寸如表1所示。

表1

步驟300，對建立的實(shí)體模型施加邊界條件，并對該實(shí)體模型中有源器件的主要發(fā)熱區(qū)域施加功耗，對該實(shí)體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，再用有限元軟件對實(shí)體模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，獲得器件表層溫度隨距離變化的分布情況。

具體包括：對基區(qū)和集電區(qū)接觸面施加功耗，設(shè)定襯底背面溫度為環(huán)境溫度，芯片其它面絕熱；

使用自由剖分四面體選項(xiàng)對實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

設(shè)置有源器件的功耗以及所處的環(huán)境溫度求解范圍，點(diǎn)擊求解按鈕，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到溫度在整個(gè)模型各部分的分布曲線，并把芯片上表面沿器件基區(qū)x軸方向的溫度分布曲線用csv格式文件輸出；在本實(shí)施例中分布曲線為位于發(fā)熱區(qū)域所在的平面，并通過發(fā)熱區(qū)域中心的任意一條直線，其坐標(biāo)零點(diǎn)為發(fā)熱區(qū)中心點(diǎn)；

改變有源器件的功耗以及所處的環(huán)境溫度，然后通過穩(wěn)態(tài)熱分析獲得不同環(huán)境溫度、不同功耗下的器件表層溫度隨距離變化的分布曲線并以csv文件導(dǎo)出。

步驟400，在matlab軟件中進(jìn)行函數(shù)擬合。

打開matlab軟件，將步驟300得到的csv文件導(dǎo)入，把芯片表面沿器件基區(qū)x軸方向的溫度曲線進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合得到的函數(shù)表達(dá)式如下：

這里t(x,p,s,ta)為分段函數(shù)，其中，f(p,s,ta)為自熱溫升函數(shù)，代表器件發(fā)熱區(qū)中心的溫升函數(shù)，可用于計(jì)算器件自熱產(chǎn)生的溫升；g(p,s,x,ta)為耦合溫升函數(shù)，代表距離器件發(fā)熱區(qū)周圍的溫升函數(shù)，可用于計(jì)算器件發(fā)熱對周圍溫度的影響。這里p是器件自身的功耗，s是器件發(fā)熱區(qū)域的面積，x器件發(fā)熱區(qū)域所在平面上某點(diǎn)到器件發(fā)熱區(qū)域中心點(diǎn)的距離，ta是器件模型所處的環(huán)境溫度。

經(jīng)過擬合后，f(p,s,ta)＝(41.7618·s^-0.7127·ta+8798.4397·s^-0.6966)·p，f(p,s,x,ta)＝(a·p+b)·d^(c·p+d)，其中a＝a1·ta+a2，b＝b1·ta+b2，c＝c1·ta+c2，d＝d1·ta+d2，a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2均為關(guān)于器件發(fā)熱區(qū)域的面積s的三次多項(xiàng)式，即：a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2的值均為e1·s³+e2·s²+e3·s+e4，具體參數(shù)如表2所示：

表2

步驟500，計(jì)算實(shí)際器件的溫度：把實(shí)際器件的功耗p、面積s和器件模型所處的環(huán)境溫度ta代入步驟400所得的自熱溫升函數(shù)f(p,s,ta)，計(jì)算器件由于自熱效應(yīng)帶來的溫升值；并代入耦合溫升函數(shù)t(x,p,s,ta)，可以得出距器件不同距離處的溫升值。

下面以發(fā)射區(qū)面積為5μm2，功耗為5mw，環(huán)境溫度為50℃為例：

根據(jù)所擬合函數(shù)計(jì)算得到的器件中心點(diǎn)溫度為67.6525℃，仿真得到的溫度為66.0133℃，誤差為2.43％；根據(jù)所擬合函數(shù)計(jì)算得到的器件基區(qū)x軸方向(x＞10μm)的溫度分布如圖2中曲線1所示，仿真得到的溫度分布如圖2中曲線2所示?？梢钥闯觯邘缀跻恢?，從而說明了此方法的精確性與實(shí)用性。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學(xué)存儲器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲器中，使得存儲在該計(jì)算機(jī)可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。