中心鳍片的温度可能比其他鳍片高50%，导致阈值行为不一致和可靠性问题。
新的晶体管设计和新材料不会凭空出现。它们的采用总是由现有技术的局限性所驱动。
硅锗和其他化合物半导体是有趣的，因为他们承诺优越的载流子迁移率相对于硅。FinFET晶体管设计有助于最小化短通道效应，这是平面mosfet的一个关键限制。但是天下没有免费的午餐。这些创新也带来了自身的局限性和权衡。
例如，finFET晶体管的垂直翅片被氧化物层包裹。根据设计的不同，翅片和硅体之间的物理连接要么非常狭窄，要么根本不存在。然而，它们在相对较高的电压下工作，从而产生高电流密度和相应的高工作温度。这种操作温度升高和散热不良的结合会导致局部热效应，通常称为自热。
集成电路领域的热点并不是什么新鲜事。设计人员习惯于管理电路中大量使用部分的散热需求。但自热更局限于局部。而不是影响某些电路块，它影响单个finFET中的单个鳍。
具体地说，热量是由流过通道的电流产生的，并通过触点和与体半导体存在的任何热耦合而消散。在一个多鳍结构，中心鳍往往是温暖的，因为他们远离接触。事实上，在工作在12月的IEEE电子器件会议上，韩国科学技术研究所(KIST)的S. H. Shin及其同事发现，中心鳍片温度高出30%至50%。晶体管内部的这种极端变化会导致不一致的阈值行为并加速可靠性故障。
自热及可靠性
在高度缩放的平面晶体管设计中，偏置温度不稳定是对可靠性最严重的威胁。作为以前讨论的，当捕获载波引起阈值电压漂移时，BTI发生。由于单个纳米级晶体管中的陷阱数量非常少，它们必须被视为根据泊松统计分布的离散位置，而不是可以平等地应用于所有晶体管的平均分布。结合自热效应，BTI加重Vt由于掺杂波动而造成的电路内的不匹配。
图1:温度从金属丝边缘衰减，有或没有相邻金属丝。来源:有限元分析软件
幸运的是，有一些证据表明，finFET器件典型的完全耗尽的通道有助于通过减少掺杂变异性来最小化BTI。SiGe器件似乎也不太容易发生BTI，因为钝化层将通道孔的能级与介电缺陷的能级解耦。另一方面，SiGe通道似乎更容易受到热载流子诱导的降解。热载流子注入发生在高电场驱动载流子进入或通过栅极电介质时。在finfet中，由于它们的小尺寸和“环绕”栅极结构的更大的电子捕获截面，情况变得更糟。HCI在SiGe中尤其成问题，因为带隙的减小降低了注入载流子的势垒。事实上,IBM的研究人员发现热载流子注入似乎是SiGe finfet在低和中等栅极偏置时的主要退化机制，使得热载流子诱导的介电穿孔成为这些器件寿命的潜在限制因素。
HCI和BTI都涉及载波捕获/解捕获过程。应用偏置，用载波填充陷阱位置;去除它可以使载流子回到基态，恢复晶体管的原始行为。因此，最终的可靠性取决于电路的占空比。现代的快速转换互补金属氧化物半导体电路是一个优势，因为它允许比传统直流应力模型假设更多的恢复时间。
第三种重要的失效机制，即随时间变化的介电击穿，则略有不同。TDDB不依赖于Vt独自一人，而是对栅极氧化物中的电场和阱密度有影响。新加坡科技设计大学的S. Mei和Imec的同事们，观察到的"介电击穿诱发外延"其中热能和电迁移硅从通道进入氧化物引起介电物理变薄，最终导致短路。
自热增加了迁移速率。零偏置TDDB故障可能发生在中心翅片。然而，在中心鳍片和边缘鳍片中，迁移都局限在底部角。
热感知晶体管设计
因此，自热会对finFET的可靠性产生重大影响。那么我们能做些什么呢?或者它是finFET晶体管的固有特性，迫使温度管理和静电之间的权衡?在这方面，KIST小组提供了一些好消息。他们对浮体晶体管的建模，与材料或晶体管设计无关，发现自热行为受衬底和埋在地下的氧化物的散热特性影响最大。晶体管的静电性能受沟道和栅极电介质的影响最大。因此，自热和静电可以分别进行解耦和优化。例如，这些研究人员能够通过使用埋藏的Al将通道温度降低50%至70%2O3.在SiC衬底上的一层。
虽然自热似乎并没有压倒finFET设计的静电优势，但很明显，随着行业采用越来越多的奇异器件材料和结构，热效应将需要仔细关注。研究人员Imec提供了一些有用的建议基于他们对纳米线设备的研究。
纳米线和自热的未来
例如，重要的是要记住热导率和电迁移率是不一样的。SiGe比硅具有更好的载流子迁移率，但锗对硅晶格的扭曲增加了声子散射并降低了传热。同样，表面处理也很重要。例如，许多纳米线集成方案使用蚀刻来减小线宽。电流在导线中流动不受影响，但表面特性会影响导线、电介质和晶圆体之间的热耦合。
最后，考虑寄生电流和它们产生的热量也很重要。例如，旨在降低栅极与源极和漏极之间的电容的气隙间隔片可能会起反作用。由于散热减少而导致的性能下降可能抵消了减小电容的好处。
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