1º relatÓrio cientÍfico

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PAULA GHEDINI DER AGOPIAN ESTUDO DO EFEITO DE ELEVAÇÃO ATÍPICA DA TRANSCONDUTÂNCIA NA REGIÃO LINEAR DE POLARIZAÇÃO EM DISPOSITIVOS SOI NMOSFETS ULTRA-SUBMICROMÉTRICOS São Paulo 2008

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Page 1: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

PAULA GHEDINI DER AGOPIAN

ESTUDO DO EFEITO DE ELEVAÇÃO ATÍPICA DA

TRANSCONDUTÂNCIA NA REGIÃO LINEAR DE POLARIZAÇÃO EM

DISPOSITIVOS SOI NMOSFETS ULTRA-SUBMICROMÉTRICOS

São Paulo

2008

Page 2: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

PAULA GHEDINI DER AGOPIAN

ESTUDO DO EFEITO DE ELEVAÇÃO ATÍPICA DA

TRANSCONDUTÂNCIA NA REGIÃO LINEAR DE POLARIZAÇÃO EM

DISPOSITIVOS SOI NMOSFETS ULTRA-SUBMICROMÉTRICOS

Tese apresentada à Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo para obtenção

do título de Doutor em Engenharia.

São Paulo

2008

Page 3: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

PAULA GHEDINI DER AGOPIAN

ESTUDO DO EFEITO DE ELEVAÇÃO ATÍPICA DA

TRANSCONDUTÂNCIA NA REGIÃO LINEAR DE POLARIZAÇÃO EM

DISPOSITIVOS SOI NMOSFETS ULTRA-SUBMICROMÉTRICOS

Tese apresentada à Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo para obtenção

do título de Doutor em Engenharia.

Área de Concentração:

Engenharia Elétrica/Microeletrônica.

Orientador:

Prof. Dr. João Antonio Martino

São Paulo

2008

Page 4: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho

ao meu marido, Fábio e aos meus filhos: Luís Felipe

e Vinícius, que muito amo e aos quais muito devo.

E aos meus pais:

João Der Agopian Filho e

Ieda Ghedini Machado Der Agopian (in memorian)

Page 5: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

AGRADECIMENTOS

Ao amigo e orientador Prof. Dr. João Antonio Martino, pela dedicação,

atenção, incentivo e confiança para realização deste trabalho.

Aos amigos do Grupo SOI-CMOS do LSI / EPUSP, pelas sugestões,

discussões e incentivo no decorrer deste trabalho.

Ao Laboratório de Sistemas Integráveis da Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo pela infra-estrutura oferecida para realização das

pesquisas necessárias.

À CNPq, pelo apoio financeiro que permitiu a realização deste trabalho.

Ao meu marido e meus filhos que compartilharam de meus planos, me

incentivando direta ou indiretamente a prosseguir nessa jornada. Que

acompanharam com estímulo e carinho a minha vitória.

A meus familiares pelo incentivo, compreensão e apoio.

A tantas outras pessoas, que de alguma forma colaboraram para a

realização deste trabalho e que, de forma involuntária, foram aqui omitidos.

Page 6: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

RESUMO

Este trabalho apresenta o estudo do efeito de elevação atípica da

transcondutância na região linear de polarização devido ao efeito de corpo

flutuante induzido pela porta (Gate Induced Floating Body Effect - GIFBE) de

transistores da tecnologia SOI nMOSFET. Este estudo foi realizado com base

em resultados experimentais e em simulações numéricas, as quais foram

essenciais para o entendimento físico deste fenômeno. Além de contribuir com

a explicação física deste fenômeno, este trabalho explora o efeito de corpo

flutuante em diferentes estruturas (transistor de porta única, transistor de porta

gêmea, transistor de múltiplas portas e transistores de canal tensionado),

diferentes tecnologias e em função da temperatura (100K a 450K).

A partir do estudo realizado em dispositivos SOI de porta única analisou-

se a influência das componentes da corrente de porta que tunelam através do

óxido de porta do dispositivo, o potencial da região neutra do corpo do

transistor, a taxa de recombinação de portadores, o impacto da redução da

espessura do óxido de porta e também as dimensões físicas do transistor. Na

análise feita da redução do comprimento de canal, verificou-se também que o

GIFBE tende a ser menos significativo para dispositivos ultra-submicrométricos.

Analisou-se também o efeito da elevação atípica da transcondutância

para transistores SOI totalmente depletados, para os quais, este efeito ocorre

apenas quando a segunda interface está acumulada, para as duas tecnologias

estudadas (65nm e 130nm).

A análise dos dispositivos de porta gêmea, que tradicionalmente são

usados com a finalidade de minimizar o efeito de elevação abrupta de corrente

de dreno, mostrou uma redução do GIFBE para este tipo de estrutura quando

comparada à de porta única devido ao aumento da resistência série intrínseca

à estrutura.

O efeito de corpo flutuante também foi avaliado em função da

temperatura de operação dos dispositivos. Para temperaturas variando de

100K a 450K, notou-se que o valor do limiar de GIFBE aumentou tanto para

Page 7: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

temperaturas acima de 300K quanto abaixo da mesma. Quando estes

resultados são apresentados graficamente, observa-se que o comportamento

do limiar de GIFBE com a temperatura resulta no formato de uma letra “C”,

onde o valor mínimo está a 300K. Este comportamento se deve à competição

entre o processo de recombinação e a degradação efetiva da mobilidade.

Uma primeira análise do GIFBE em diferentes estruturas de transistores

também foi realizada. Apesar dos transistores de canal tensionado

apresentarem o efeito para valores menores de tensão de porta, este efeito se

manifesta com menor intensidade nestes transistores, devido a alta

degradação da mobilidade efetiva apresentada pelo mesmo. Entretanto,

quando o foco são os transistores de múltiplas portas, os resultados obtidos

demonstram que apesar destes dispositivos terem sido fabricados com

dielétrico de porta de alta constante dielétrica, o GIFBE ainda ocorre. Esta

ocorrência do GIFBE em FinFETs é fortemente dependente da largura do Fin,

da dopagem da região de canal e conseqüentemente do acoplamento das

portas laterais com a superior.

Palavras-chave: Tecnologia SOI. Elevação atípica da transcondutância. Efeito

de corpo flutuante. FinFETs. Transistores com canal tensionado.

Page 8: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

ABSTRACT

This work presents the study of the Gate Induced Floating Body Effect

(GIFBE) that occurs in the SOI MOSFET technology. This study has been

performed based on experimental results and on numerical simulations, which

were an essential auxiliary tool to obtain a physical insight of this effect. Besides

the contribution on the physical explanation of this phenomenon, in this work,

the floating body effect was evaluated for different structures (single gate and

twin-gate transistors), different technologies (130nm and 65nm SOI CMOS

technology) and as a function of the temperature (100K to 450K).

From the study of the single gate devices, it was evaluated the gate

tunneling current influence on GIFBE, the body potential in the neutral region,

the recombination rate, the front gate oxide thickness reduction impact, besides

the physical dimensions of the transistor. In the performed analysis, taking into

account the channel length reduction, it was verified that the GIFBE tends to be

less important for ultra-submicron devices.

The GIFBE only occurs for fully depleted devices when the second

interface is accumulated. In this situation, the floating body effect influence on

fully depleted devices was also studied for both technologies (65nm and

130nm).

The twin-gate devices analysis, that traditionally are used in order to

minimize the Kink effect, show a GIFBE reduction for this structure when it is

compared to the single gate one. This enhance in the electrical characteristics

is due to the series resistance increase that is intrinsic of this structures.

When the temperature variation from 100K to 450K was analyzed, it was

obtained the “C” shape behavior for the floating body effect due to a competition

between the recombination process and the effective mobility degradation

factor.

A first evaluation of the GIFBE occurrence in new devices was also

performed. When the focus is the strained silicon transistor, a occurrence of

GIFBE was obtained for a lower gate voltage. Although, the GIFBE occurs

Page 9: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

earlier for strained transistor. This effect is less pronounced in this device

because it presents strong effective mobility degradation. When the focus is

FinFETs, the results show that although this device was fabricated with a high-k

gate dielectric, the GIFBE still occurs and is strongly dependent on the device

channel width.

Keywords: SOI Technology. Gate induced floating body effect.

Transconductance second peak. FinFETs. Strained transistors.

Page 10: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Perfil de um transistor SOI nMOSFET. ............................................ 28

Figura 2 - Diagrama de Faixas de Energia de dispositivos MOS convencional

(A), SOI de camada espessa (B) e SOI de camada fina (C). .................... 31

Figura 3 – Variação da tensão de limiar com a polarização de substrato em

dispositivos SOI totalmente depletados. ................................................... 35

Figura 4 – (A) Ilha de Potencial com uma barreira de potencial de 2nm de

largura e 40mV de altura. (B) Função de onda20....................................... 41

Figura 5- Diagrama de faixas exemplificando os três principais tipos de injeção

de portadores através do isolante. ............................................................ 42

Figura 6 - Curvas da densidade da corrente de tunelamento (JG) em função da

tensão aplicada à porta (VGF) para toxf variando de 2,9 a 6,2nm. ............. 43

Figura 7 - Correntes de tunelamento que atuam em um transistor PD SOI

MOSFET. .................................................................................................. 44

Figura 8 – Diagrama de bandas de energia e mecanismo da corrente de

tunelamento direto em transistores nMOSFETs com óxido de porta

extremamente finos................................................................................... 45

Figura 9 – Esquema de representação do mecanismo de ionização por impacto

em dispositivos SOI convencionais. .......................................................... 46

Figura 10 – Curva da corrente de dreno em função da tensão aplicada à porta

de um SOI nMOSFET, com a presença do efeito de elevação abrupta de

corrente. .................................................................................................... 47

Figura 11 – Secção transversal de uma estrutura SOI MOSFET de porta

gêmea. ...................................................................................................... 49

Figura 12 – Descrição do processo de obtenção de uma lâmina SOI com a

região de silício sobre isolante tensionada em ambas as direções........... 51

Figura 13 – Esquema bidimensional das estruturas do Silício e da liga de

Silício e Germânio (A) e da estrutura do silício tensionado (B). ................ 52

Figura 14 - Transistores com tensões mecânicas longitudinais. Força

compressora (A) e força tensora (B) . ....................................................... 53

Page 11: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

Figura 15 – Evolução dos transistores SOI MOSFET7. ................................... 55

Figura 16 – Estruturas de porta dupla: DELTA (A) e FinFET (B). .................... 55

Figura 17 – Cortes transversais das estruturas π-gate e Ω-gate7. ................... 57

Figura 18 – Concentração intrínseca de portadores e ionização incompletas de

portadores em função da temperatura. ..................................................... 59

Figura 19 - Curva da mobilidade independente da tensão aplicada calculada

para NA= 1.1017cm-3 em função da temperatura. ...................................... 63

Figura 20 – Degradação da mobilidade em função da temperatura 71. ............ 66

Figura 21 – Corrente de dreno pela tensão de porta e a transcondutância

correspondente, variando a tensão de porta tanto no sentido do negativo

para o positivo como vice-versa, em um transistor SOI NMOSFET

parcialmente depletado com espessura de óxido de porta de 2,5nm. ...... 76

Figura 22 – Curvas da transcondutância (A) e transcondutância normalizada

(B) em função da tensão aplicada à porta para diferentes valores de VDS.

.................................................................................................................. 78

Figura 23 – Curvas da transcondutância (A) e da transcondutância normalizada

(B) em função da tensão aplicada à porta para diferentes valores de

comprimentos de canais. .......................................................................... 79

Figura 24 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta

par diferentes valores de largura de canal. ............................................... 80

Figura 25 – Comparação entre o comportamento da transcondutância e do

potencial de corpo em função da tensão aplicada à porta simuladas

considerando e sem considerar a corrente de tunelamento pela porta..... 81

Figura 26 – Curvas simuladas da transcondutância (A) e a transcondutância

normalizadas (B) em função da tensão aplicada à porta para diferentes

valores de VDS. .......................................................................................... 82

Figura 27 – Transcondutância normalizada em função da tensão de porta (A) e

a razão entre o segundo e o primeiro pico da transcondutância (B) para

diferentes comprimentos de canais. Na figura (A), a seta indica o

decrescimento de L do dispositivo. ........................................................... 84

Page 12: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

Figura 28 – Curvas simuladas da transcondutância e do potencial de corpo em

função da tensão aplicada à porta para dispositivos com L=10μm e

VDS=25mV, variando a largura de canal.................................................... 85

Figura 29 – Transcondutância e a derivada de gm em função a tensão de porta

para diferentes níveis de corrente de porta............................................... 86

Figura 30 – Curvas da transcondutância e do potencial de corpo em função da

tensão aplicada à porta para diferentes tempos de vidas de portadores. A

seta indica o sentido do aumento do tempo de vida do portador. ............. 87

Figura 31 – Comportamento da transcondutância em função da tensão aplicada

à porta do dispositivo para diferentes freqüências. ................................... 88

Figura 32 – Secção transversal de uma estrutura SOI de porta gêmea........... 89

Figura 33 – Comparação entre a transcondutância e o potencial de corpo em

função da tensão aplicada à porta para dispositivos de porta gêmea com

VDS=50mV. ................................................................................................ 90

Figura 34 – Relação entre o potencial de corpo extraído na região neutra do

corpo e a tensão aplicada à porta para transistores de porta gêmea. ...... 91

Figura 35 – Curvas da transcondutância normalizada pela tensão de dreno em

função da tensão aplicada à porta para LINNER variando no intervalo de

0.1μm até 10μm. ....................................................................................... 93

Figura 36 – A resistência total e o fator de degradação efetivo de mobilidade

em função do comprimento da região n+ de contato flutuante ................. 94

Figura 37 – Transcondutância em função da tensão aplicada à porta para

estruturas SOI convencional com resistência série adicional e para

transistores de porta gêmea...................................................................... 95

Figura 38 – Transcondutância em função da tensão de porta com a tensão de

dreno de 50mV, para um transistor SOI convencional e uma estrutura de

porta gêmea. ............................................................................................. 96

Figura 39 - Transcondutância em função da tensão de porta com a tensão de

dreno de 50mV, para um transistor SOI convencional com diferentes

resistências em série com a fonte............................................................. 97

Figura 40 - Curvas da transcondutância normalizada em função da tensão de

porta para diferentes espessuras do óxido de porta. ................................ 99

Page 13: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

Figura 41 – Curva experimental da transcondutância em função da tensão

aplicada a porta variando-se a tensão aplicada ao substrato (A) e a tensão

de limiar obtida em função de VGB (B) para o transistor totalmente

depletado da tecnologia de 130nm. ........................................................ 100

Figura 42 -. Variação da tensão de limiar (Vth) e do limiar do segundo pico da

transcondutância (Vt2) em função da espessura do óxido de porta. ....... 101

Figura 43 - Transcondutância em função da tensão de porta para diferentes

espessuras de óxido de porta e concentrações de corpo para FD SOI

nMOSFETs (A) and PD SOI nMOSFETs (B). ......................................... 103

Figura 44 - Curvas simuladas da transcondutância em função da tensão de

porta para dispositivos PD com tensões de limiar constantes e diferentes

espessuras de óxidos de porta. .............................................................. 104

Figura 45 - Comportamento do potencial de corpo em função da tensão

aplicada à porta para diferentes toxf e concentrações de corpo em

transistores PD SOI nMOSFETs............................................................. 105

Figura 46 - Curvas experimentais da derivada da transcondutância em função

da tensão aplicada a porta para diferentes tecnologias. ......................... 106

Figura 47 - Simulação da influencia do processo de recombinação no GIFBE.

................................................................................................................ 107

Figura 48 – Comportamento experimental da transcondutância em função da

tensão aplicada à porta para temperatura variando de 150 K até 400 K (A).

Derivada das curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à

porta para altas (B) e baixas temperaturas(C). ....................................... 109

Figura 49 - Comportamento experimental da transcondutância em função da

tensão de porta para temperaturas variando entre 100K e 450K............ 110

Figura 50 - Tensão de limiar do segundo pico da transcondutância obtido

experimentalmente em diferentes temperaturas para diferentes larguras de

canal (A) e diversos comprimentos de canal (B)..................................... 111

Figura 51 - Competição entre as influências do processo de geração-

recombinação e do fator θ no comportamento de Vt2 ............................. 112

Page 14: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

Figura 52 - Comportamento simulado do efeito de corpo flutuante para

diferentes temperaturas, desconsiderando a influência da tensão de limiar

nos transistores parcialmente depletados. .............................................. 114

Figura 53 – Comportamento experimental do efeito de corpo flutuante

compensando a influencia da variação da tensão de limiar para diversas

temperaturas para transistores PD e FD com a mesma área de porta. .. 115

Figura 54 – Curvas da corrente de dreno em função da tensão aplicada à porta

para dispositivos sCESL e convencional................................................. 118

Figura 55 – Curvas da corrente de dreno e da corrente de porta em função da

tensão aplicada a porta. .......................................................................... 120

Figura 56 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada na porta

um transistor SOI convencional e outro sCESL de mesmas dimensões

variando-se a polarização de substrato entre 0V e -40V. ....................... 122

Figura 57 - Curvas da corrente de porta em função da tensão aplicada à porta

para transistores SOI convencionais e sCESL variando-se a área de porta

dos mesmos............................................................................................ 123

Figura 58 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta

para transistores de canal tensionado e convencionais, variando-se o

comprimento (A) e a (B) largura do canal. .............................................. 124

Figura 59 – Perfil de um transistor FinFET .................................................... 126

Figura 60 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta

de uma transistor com estrutura FinFET variando-se a tensão de substrato.

................................................................................................................ 127

Figura 61 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta

para diferentes tensões de substrato com dispositivos com a largura de

canal igual a 10μm(A) e 3μm(B). ............................................................ 128

Figura 62 – Perfil da estrutura FinFET que mostra apenas a influência das

portas laterais de um transistor com W grande....................................... 129

Figura 63 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta

para transistor de WFin de 20nm variando a polarização de substrato (A) e

variando o comprimento de canal (B). .................................................... 130

Page 15: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Parâmetros de ajuste do modelo Watt ............................................ 71

Tabela 2 - Parâmetros de ajuste do modelo de Fowler Nordheim. .................. 73

Tabela 3 – Parâmetros de ajuste utilizados pelo modelo SHIRATA,

representados nas equações (39, 40)....................................................... 74

Tabela 4 - Valores experimentais de Vth e Vt2 para as tecnologias de 130nm e

65nm. ...................................................................................................... 102

Tabela 5 - Valores da degradação efetiva da mobilidade com a variação da

temperatura para dispositivos PD SOI nMOSFETs. ............................... 113

Tabela 6 - Comparação entre Vt2 extraído para estruturas com e sem halo.. 116

Tabela 7: Variação da tensão de limiar dos transistores com tensão mecânica

em relação ao transistor de referência. ................................................... 119

Page 16: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

LISTA DE SÍMBOLOS

CD Capacitância da região de depleção por unidade de área [F/cm2]

Cox Capacitância do óxido de porta do transistor MOS convencional

por unidade de área [F/cm2]

Coxb Capacitância do óxido enterrado por unidade de área [F/cm2]

Coxf Capacitância do óxido de porta do transistor SOI por unidade de

área [F/cm2]

CSi Capacitância da camada de silício por unidade de área [F/cm2]

Cit Capacitância de armadilhas de interface por unidade de área

[F/cm2]

Citf Capacitância de armadilhas da primeira interface por unidade de

área [F/cm2]

Citb Capacitância de armadilhas da segunda interface por unidade de

área [F/cm2]

Dnb Constante de difusão para elétrons no corpo do transistor [cm2/s]

E Campo elétrico lateral [V/cm2]

EA Energia de ionização do aceitador [eV]

EC Nível energético do extremo inferior da Faixa de Condução [eV]

ED Energia de ionização do doador [eV]

Eg Largura em energia da faixa proibida [eV]

EF Nível de Fermi da camada de silício [eV] EFM Nível de Fermi no metal de porta [eV]

EFn Nível de Fermi da camada de silício tipo N [eV] EFp Nível de Fermi da camada de silício tipo P [eV] Ei Nível intrínseco [eV]

ETRAP Diferença entre o nível de energia da armadilha e o nível

intrínseco de Fermi [eV]

EV Nível energético do extremo superior da Faixa de Valência [eV]

Eeff Campo elétrico efetivo [V/cm2]

Page 17: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

gm Transcondutância de saída do transistor [S]

gmmax Máxima transcondutância do transistor SOI convencional [S]

HFin Altura do transistor FinFET [nm]

IDS Corrente entre Dreno e Fonte [A]

Ii Corrente de lacunas geradas por impacto [A]

ION Corrente de Saturação [A]

IOFF Corrente de Fuga para tensão de porta igual a 0V [A]

JG Densidade da corrente de tunelamento pela porta [A/cm2]

JFN Densidade de corrente de tunelamento de elétrons [A/cm2]

JFP Densidade de corrente de tunelamento de lacunas [A/cm2]

k Constante de Boltzmann [1,38066 x 10-23 J/K]

L Comprimento de canal do transistor [μm]

Leff Comprimento efetivo de canal do transistor [μm]

Linner Comprimento da região n+ de contato flutuante [μm]

Lmestre Comprimento do canal do transistor dominante [μm]

Lescravo Comprimento do canal do transistor escravo [μm]

n concentração de elétrons

Na Concentração da camada de silício [cm-3]

Nab Concentração do substrato do transistor SOI [cm-3]

Naf Concentração da camada de silício do transistor SOI [cm-3]

ni Concentração intrínseca de portadores [cm-3]

NitF Concentração de armadilhas na primeira interface [cm-3]

NitB Concentração de armadilhas na segunda interface [cm-3]

Nref Valor de referência de dopantes para cálculo de mobilidade

q Carga elementar do elétron [1,6.10-19 C]

Qdepl Carga de depleção [C/cm2]

Qinv Carga de inversão [C/cm2]

Qinf Carga de inversão da primeira interface [C/cm2]

Qox Carga do óxido de porta em dispositivos MOS [C/cm2]

Qoxf Carga do óxido de porta em dispositivos SOI [C/cm2]

Qoxb Carga do óxido enterrado em dispositivos SOI [C/cm2]

Qsb Carga do silício na segunda interface [C/cm2]

Page 18: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

RSRH Taxa de recombinação de portadores calculada por SRH

S Inclinação de Sublimiar [mV/década.]

Sacc Inclinação de Sublimiar com a segunda interface acumulada

[mV/dec].

Sdepl Inclinação de Sublimiar com a segunda interface depletada

[mV/dec].

T Temperatura absoluta [K]

oxt Espessura do óxido de porta [nm]

oxbt Espessura do óxido enterrado [nm]

oxft Espessura do óxido de porta [nm]

Sit Espessura da camada de silício [nm]

VB Tensão aplicada ao substrato do transistor MOS [V]

VDS Tensão entre Dreno e Fonte [V]

VDSsat Tensão de saturação [V]

VEA Tensão Early [V]

VFB Tensão de faixa plana [V]

VGB Tensão aplicada ao substrato do transistor SOI [V]

VGF Tensão aplicada à porta do transistor SOI [V]

VGT Sobretensão de limiar [V]

Vt2 Limiar do segundo pico da transcondutância [V]

Vth Tensão de limiar da primeira porta do transistor SOI MOSFET [V]

Vth,accB Tensão de limiar da primeira porta do transistor SOI MOSFET

com a segunda interface acumulada [V]

Vth,invB Tensão de limiar da primeira porta do transistor SOI MOSFET

com a segunda interface invertida [V]

Vth,deplB Tensão de limiar da primeira porta do transistor SOI MOSFET

com a segunda interface depletada [V]

VGB,accB Tensão aplicada ao substrato do transistor SOI MOSFET para

que a segunda interface acumule [V]

W Largura de canal do transistor [μm]

WFin Largura do transistor FinFET [μm]

Page 19: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

xd1 Espessura da região de depleção da primeira interface [μm]

xd2 Espessura da região de depleção da segunda interface [μm]

xdmáx Profundidade máxima da região de depleção [μm]

α Parâmetro resultante da associação das capacitâncias do

transistor MOSFET

εSi Permissividade do silício [1,06 x 10-12 F/cm]

εox Permissividade do óxido de silício [3,45 x 10-13 F/cm]

φSB Potencial de superfície da segunda interface [V]

φSF Potencial de superfície da primeira interface [V]

φF Potencial de Fermi da camada de silício [V]

φms Função trabalho entre metal e silicio [V]

φmsf Função trabalho entre metal e silicio da primeira interface [V]

φmsb Função trabalho entre metal e silicio da segunda interface[V]

φ t tensão térmica [mV]

nμ Mobilidade efetiva dos elétrons na camada de silício [cm2/V⋅s]

τP Tempo de vida das lacunas [s]

τN Tempo de vida dos elétron [s]

μ0 Mobilidade de baixo campo [cm2/V⋅s]

μeff Mobilidade efetiva dos portadores [cm2/V⋅s]

μLn Mobilidade que considera a dispersão dos portadores na rede

cristalina [cm2/V⋅s]

μnl Mobilidade resultante do mecanismo de espalhamento de rede

[cm2/V⋅s]

μΙΙ Mobilidade resultante do mecanismo de espalhamento por

impurezas ionizadas. [cm2/V⋅s]

μCCS Mobilidade resultante do mecanismo de espalhamento portador-

portador. [cm2/V⋅s]

μN Mobilidade resultante do mecanismo de espalhamento por

impurezas neutras. [cm2/V⋅s]

Page 20: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

μLIC Mobilidade resultante dos mecanismos independentes da tensão

aplicada ao dispositivo. [cm2/V⋅s]

μSS Mobilidade resultante do espalhamento de superfície. [cm2/V⋅s]

μVS Mobilidade resultante da velocidade de saturação do portador.

[cm2/V⋅s]

θ0 Fator de degradação aparente da mobilidade [V-1]

θB Fator de degradação da mobilidade pela polarização do substrato

[V-1]

θE Fator de degradação de mobilidade pelo campo elétrico vertical

[V-1]

αR Fator de degradação de mobilidade devido à resistência série [V-1]

θ fator de degradação efetiva da mobilidade [V-1]

γ constante de efeito de corpo [adimensional]

Page 21: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

LISTA DE ABREVIATURA

CESL Contact-Etch Stop Layer

CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

DIBL Drain-Induced Barrier Lowering

EVB Electron Valence Band [A]

ECB Electron Conduction Band [A]

FD Fully depleted

FN Fowler-Nordheim

GIFBE Gate Induced Floating Body Effect

HVB Hole Valence Band [A] IMEC Interuniversity Microelectronics Center

KUL Katholieke Universiteit Leuven

LKE Linear Kink Effect

LPLV Low-power Low-voltage

MOS Metal-Oxide-Semiconductor

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

NFD Near-fully depleted

PD Partially Depleted

sCESL strained Contact-Etch Stop Layer

SOI Silicon-On-Insular

SRH Shockey-Read-Hall

sSOI strained Silicon-On-Insulator

ULSI Ultra Large Scale Integration

Page 22: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

ÍNDICE

1 INTRODUÇÃO.......................................................................................... 24

1.1 OBJETIVO DO TRABALHO............................................................... 26

1.2 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO................................................... 27

2 CONCEITOS BÁSICOS............................................................................ 28

2.1 TECNOLOGIA SOI ............................................................................ 28

2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSISTORES SOI.................................. 29

2.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO TRANSISTOR SOI MOSFET32

2.3.1 Tensão de Limiar ...................................................................... 32

2.3.2 Efeito de Corpo ......................................................................... 35

2.3.3 Transcondutância ..................................................................... 36

2.3.4 Tempos de Vida de Geração e de Recombinação ................. 38

2.4 CORRENTES DE TUNELAMENTO................................................... 39

2.4.1 Corrente de Tunelamento Direto ............................................. 43

2.5 EFEITOS DE CORPO FLUTUANTE.................................................. 45

2.5.1 Mecanismo da Ionização por Impacto .................................... 45

2.5.2 Efeito de Elevação Abrupta de Corrente de Dreno (Kink

Effect) 47

2.5.3 Efeito Bipolar Parasitário ......................................................... 48

2.6 TRANSISTOR DE PORTA GÊMEA SOI NMOSFET ......................... 48

2.7 TRANSISTOR DE CANAL TENSIONADO ........................................ 50

2.7.1 Tensão mecânica bi-direcional................................................ 51

2.7.2 Tensão mecânica longitudinal................................................. 53

2.8 TRANSISTOR FINFET ...................................................................... 54

2.9 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA.................................................... 57

2.9.1 Tensão de Limiar ...................................................................... 58

2.9.2 Mobilidade ................................................................................. 60

2.9.3 Degradação efetiva da mobilidade .......................................... 64

2.9.4 Transcondutância ..................................................................... 66

2.9.5 Ionização por Impacto e Tensão de Ruptura.......................... 67

Page 23: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

2.9.6 Taxa de Recombinação ............................................................ 67

2.10 SIMULADOR NUMÉRICO ................................................................. 68

2.10.1 Modelos utilizados nas simulações ........................................ 69

3 EFEITO DA ELEVAÇÃO ATÍPICA DA TRANSCONDUTÂNCIA EM TRANSISTORES SOI DE PORTA ÚNICA ...................................................... 75

3.1.1 Resultados Experimentais ....................................................... 77

3.1.2 Resultados Simulados ............................................................. 80

4 EFEITO DA ELEVAÇÃO ATÍPICA DA TRANSCONDUTÂNCIA EM TRANSISTORES DE PORTA GÊMEA............................................................ 89

4.1 RESULTADOS SIMULADOS............................................................. 90

4.2 RESULTADOS EXPERIMENTAIS..................................................... 96

5 INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS FÍSICOS E DA TEMPERATURA NO EFEITO DE ELEVAÇÃO ATÍPICA DA TRANSCONDUTÂNCIA .................... 98

5.1 INFLUÊNCIA DA REDUÇÃO DA ESPESSURA DO ÓXIDO DE

PORTA ......................................................................................................... 98

5.2 ESTUDO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA.................................. 107

6 ESTUDO DO EFEITO DA ELEVAÇÃO ATÍPICA DA TRANSCONDUTÂNCIA EM NOVAS ESTRUTURAS................................... 117

6.1 TRANSISTORES COM CANAL TENSIONADO .............................. 117

6.1.1 Características dos dispositivos medidos ........................... 117

6.1.2 Resultados Experimentais ..................................................... 118

6.2 TRANSISTORES FINFETS ............................................................. 125

6.2.1 Características dos Dispositivos........................................... 125

6.2.2 Resultados Experimentais ..................................................... 126

7 CONCLUSÕES DO TRABALHO ........................................................... 132

8 PUBLICAÇÕES GERADAS DURANTE O PERÍODO DO DOUTORADO 135

8.1 ARTIGOS EM REVISTAS................................................................ 135

8.2 ARTIGOS EM CONGRESSOS........................................................ 136

8.3 FORUM DE ESTUDANTES............................................................. 137

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................... 138

APÊNDICE A .................................................................................................145

Page 24: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

24

1 INTRODUÇÃO

Com a redução das dimensões a níveis ultra-submicrométricos, a tecnologia

CMOS de fabricação de circuitos integrados vem sendo substituída pela tecnologia

SOI (Silicon- On-Insulator) principalmente devido aos efeitos de canal curto. Na

tecnologia CMOS convencional os dispositivos MOS são implementados em lâminas

de silício, enquanto que na tecnologia SOI CMOS, os dispositivos são

implementados em uma camada de silício sobre isolante, o que auxilia na redução

dos efeitos de canal curto além de isolar dieletricamente os dispositivos.

A tecnologia SOI inicialmente era utilizada em aplicações específicas tais

como aviões e satélites, devido à sua alta resistência à radiação1, 2 e baixa

sensibilidade dos parâmetros elétricos com a variação de temperatura 3, 4.

Atualmente, é uma realidade na fabricação de microprocessadores e memórias,

onde podemos citar empresas como IBM, Intel e Motorola. Como exemplo de outros

circuitos comerciais construídos em tecnologia SOI pode-se citar ainda, os divisores

de freqüência na faixa de 1 a 2,5GHz 5, os circuitos Prescaler de 2GHz 6, além de

aplicações de circuitos de baixo consumo de potência e baixa tensão de

alimentação, as chamadas “low-power low-voltage technologies” 7.

Com a redução cada vez mais acentuada das dimensões dos dispositivos,

reduziu-se também a espessura do dielétrico de porta. Para espessuras de dielétrico

de porta muito finas, ocorre o aparecimento de uma corrente de fuga indesejável

pela porta do dispositivo. Esta corrente, chamada de tunelamento, torna-se cada vez

mais significativa devido ao escalamento das tensões aplicadas ao dispositivo não

serem proporcionais ao escalamento das dimensões. A corrente de fuga pela porta

supracitada é formada por diferentes parcelas de tunelamento8, onde ECB é a

corrente proveniente do tunelamento dos elétrons da banda de condução do silício

através do óxido, EVB a corrente de tunelamento de elétrons da banda de valência

do silício e HVB o tunelamento de lacunas para a banda de valência do silício.

Adicionalmente às correntes de fuga pela porta dos transistores, deve-se

considerar que nos dispositivos fabricados em lâminas SOI, a camada de silício fica

isolada do substrato devido ao óxido enterrado (corpo flutuante). A parcela de

Page 25: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

25

corrente HVB aumenta o potencial do canal (corpo flutuante), diminuindo a tensão de

limiar, dando origem a um segundo pico na transcondutância chamado GIFBE (Gate

Induced Floating Body Effect) ou efeito de elevação atípica da transcondutância.

Este novo efeito foi observado inicialmente em 20029/200310, quando notou-

se que este efeito é mais pronunciado em transistores SOI parcialmente depletados,

porém também pode ocorrer em dispositivos SOI totalmente depletados quando a

segunda interface encontra-se acumulada e em transistores MOS convencionais

quando operando em temperaturas criogênicas.

O estudo deste efeito de corpo flutuante e a compreensão física deste

fenômeno é de grande importância pois com a progressiva redução dos dispositivos

ele se torna cada vez mais significativo, podendo então prejudicar o funcionamento

dos novos dispositivos de porta simples e múltiplas portas.

Um dos objetivos da contínua redução de canal é o aumento da capacidade

de condução de corrente. Como os efeitos de canal curto nos transistores de porta

única afetam diretamente o controle da corrente devido ao aumento significativo do

controle das cargas pelas regiões de fonte e dreno, a tecnologia SOI tem procurado

alternativas como os transistores de múltiplas portas e os dispositivos de canal

tensionados.

Além das considerações sobre o tipo de estrutura a ser empregada, outro

fator importante que deve ser considerado é a contínua redução da espessura do

dielétrico de porta. A utilização de novos materiais dielétricos e novos materiais de

porta também são elementos importantes a serem considerados. A utilização de

materiais de alta constante dielétrica (high-k) na região de porta tem permitido a

utilização de espessuras físicas substancialmente maiores comparados aos filmes

de oxinitretos de silício além de possibilitar menor corrente de tunelamento através

da porta MOS. Diversos materiais têm sido empregados na deposição como óxidos

de háfnio, alumínio, titânio, lantânio, tântalo, dentre outros 11,12,13.

Com tantas variáveis de processo e devido à tecnologia SOI ter se tornado

uma realidade, esta tecnologia vem sendo amplamente estudada e a compreensão

de efeitos de corpo flutuante incluindo o efeito de elevação atípica da

transcondutância é necessária para a análise e o aperfeiçoamento dos novos

projetos.

Page 26: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

26

1.1 OBJETIVO DO TRABALHO

Este trabalho tem como objetivo estudar teórica e experimentalmente a

elevação atípica da transcondutância na região linear de polarização em transistores SOI MOSFET ultra-submicrométricos avançados. Estes transistores foram

fabricados no IMEC (Interuniversity Microelectronics Center), que fica na

Universidade Católica de Leuven (KUL) na Bélgica.

Este estudo foi realizado tanto em transistores SOI parcialmente depletados

(PD) quanto em transistores totalmente depletados (FD). Os dispositivos

parcialmente depletados atualmente são as aplicações mais comuns de dispositivos

SOI devido a sua compatibilidade entre as seqüências de processos com

transistores convencionais (Bulk Technology). Os transistores SOI totalmente

depletados (FD), permitem uma melhora significativa no desempenho do dispositivo,

porém as espessuras ultra-finas da camada de silício na fabricação dos transistores

totalmente depletados acrescentam uma maior variação da tensão de limiar ao longo

da lâmina e precisa ser bem controlada.

Este trabalho foi desenvolvido através de simulações numéricas e de medidas

experimentais nos dispositivos SOI ultra-submicrométricos fabricados no IMEC com

as tecnologias SOI CMOS de 130nm e 65nm.

Foi estudada a influência do comprimento e da largura do canal, da tensão de

dreno, da tensão de substrato, do tempo de vida dos portadores e dos níveis de

corrente de porta no efeito de elevação atípica da transcondutância, além de,

contribuir com a análise física mais profunda do fenômeno em questão.

Também foi avaliada a influência da redução da espessura do dielétrico de

porta no comportamento da elevação atípica da transcondutância com o objetivo de

prever o que ocorrerá com a contínua evolução das tecnologias e a influência da

temperatura, na faixa de 100K a 500K.

Após estes estudos, um breve estudo do efeito da elevação atípica da

transcondutância em estruturas que tem sido propostas com o intuito de prolongar a

utilização dos transistores MOS foi realizado. As estruturas avaliadas foram duas: os

transistores de canal tensionado e os transistores de múltiplas portas.

Page 27: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

27

1.2 APRESENTAÇÃO DO TRABALHO

Este trabalho encontra-se dividido em 7 capítulos, os quais estão listados a

seguir:

No capítulo 2 são apresentados os fundamentos teóricos que sustentam o

desenvolvimento do trabalho proposto. Neste capítulo será inicialmente apresentada

uma revisão bibliográfica sobre os transistores SOI MOSFETs (tanto totalmente

quanto parcialmente depletados) e suas principais características elétricas. Será

também apresentada a influência da temperatura na operação destes transistores.

O capítulo 3 descreve o efeito da elevação atípica da transcondutância na

região linear de polarização nos transistores SOI de porta única. Apresenta uma

análise física mais profunda do comportamento do efeito em questão e os resultados

obtidos experimentalmente e através de simulações numéricas para transistores de

porta única da tecnologia de 130nm.

No capítulo 4 é realizada análise deste efeito em transistores de porta-gêmea,

que anteriormente a este trabalho haviam sido propostos como uma alternativa para

a redução do efeito de elevação abrupta de corrente de dreno que por sua vez

ocorre para altas tensões aplicadas ao dreno do dispositivo devido ao mecanismo de

ionização por impacto.

No capítulo 5 é realizada a análise da influência da redução da espessura do

dielétrico de porta na elevação atípica da transcondutância e a tendência da

migração para transistores fabricados em tecnologias menores, assim como o

estudo deste efeito em função da temperatura (100K a 500K).

No capítulo 6 é realizada uma primeira análise do efeito da elevação atípica

da transcondutância em estruturas avançadas, que foram propostas a fim de

melhorar o desempenho e prolongar a utilização dos transistores MOSFETs.

No capítulo 7 são apresentadas as conclusões deste trabalho além de

algumas sugestões de trabalhos futuros através dos quais acreditamos poder

ampliar ainda mais a análise realizada durante o período de doutorado.

Page 28: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

28

2 CONCEITOS BÁSICOS

2.1 TECNOLOGIA SOI

Na tecnologia MOS convencional, os transistores são fabricados em lâminas

de silício cuja espessura é bastante superior à utilizada efetivamente na região ativa

do transistor. A interação entre o dispositivo e o substrato apresenta efeitos

parasitários, como o efeito tiristor parasitário inerente à estrutura MOS e as elevadas

capacitâncias parasitárias.

A tecnologia SOI consiste na fabricação de dispositivos integrados em uma

camada de silício isolada do substrato por meio de um óxido enterrado. Este

isolamento entre a região ativa do transistor e o substrato minimiza ou suprime os

efeitos parasitários existentes na estrutura MOS.

A Figura 1 apresenta o perfil de um transistor SOI nMOSFET onde toxf é a

espessura do óxido de porta, tSi, a espessura da camada de silício, toxb, a espessura

do óxido enterrado, VGF, indica a tensão aplicada na porta e VGB a tensão aplicada

no substrato.

N + N +

Ó x id o E n te rrad o

Ó x id o d e P o rta

S u b stra to

P

P o rta (V G F)

D ren oF o n te

1 a In te rface

2 a In te rface

3 a In te rface

to x f

tS i

to x b

S u b stra to (V G B )

Figura 1 - Perfil de um transistor SOI nMOSFET.

Page 29: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

29

2.2 CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSISTORES SOI

As características físicas dos transistores SOI MOSFETs dependem fortemente

da espessura (tSi) e da concentração de dopantes da camada de silício sobre a qual

são construídos. A partir destes dados, três tipos de estruturas de transistores são

obtidas: os transistores totalmente depletados, parcialmente depletados e próximos

da total depleção.

Para transistores MOS, a zona de depleção formada quando se aplica a

tensão de limiar na porta compreende a região situada entre interface do óxido de

porta e a camada de silício (Si-SiO2) e a profundidade máxima de depleção (xdmáx)

que pode ser representada pela equação14:

af

FSidmáx Nq

x⋅

⋅=

φε 22 ( 1 )

onde

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

niN

qkT af

F lnφ ( 2 )

εSi é a permissividade do Silício, q é a carga elementar do elétron, Naf é a

concentração de portadores da camada de silício, k é a constante de Boltzmann, T é

a temperatura absoluta, ni é a concentração intrínseca de portadores e φF é o

potencial de Fermi.

Os transistores SOI parcialmente depletados possuem a espessura da

camada de silício superior ao dobro da profundidade máxima de depleção, não

existindo assim qualquer interação entre as zonas de depleção provenientes da

primeira e da segunda interfaces, existindo portanto uma região neutra entre as duas

zonas de depleção.

Esta região neutra pode ou não possuir um contato de corpo. Se este contato

de corpo existir e for ligado à terra este dispositivo apresentará o mesmo

comportamento de um transistor MOS convencional. Caso esta região neutra

permaneça eletricamente flutuando, o transistor SOI parcialmente depletado

Page 30: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

30

apresentará alguns efeitos chamados de efeitos de corpo flutuante, como por

exemplo, o efeito de elevação abrupta de corrente (Kink effect) e o efeito bipolar

parasitário entre fonte e dreno.

Os transistores SOI totalmente depletados possuem a espessura da camada

de silício inferior à profundidade máxima de depleção. Portanto, a camada de silício

estará totalmente depletada quando a tensão aplicada na porta for igual ou maior a

tensão de limiar, pois a zona de depleção já atinge a segunda interface

independentemente da condição de polarização de substrato. Estes dispositivos

apresentam vantagens em relação aos MOS convencionais tais como maior

transcondutância, menor efeito de canal curto, melhora no comportamento da região

de sublimiar e total imunidade ao efeito de elevação abrupta de corrente.

Os dispositivos que tem sua espessura de camada de silício maior que a

profundidade máxima de depleção e menor que o dobro da mesma são classificados

como dispositivos próximos à depleção total e podem se comportar ora como um

SOI de camada espessa ora como um SOI de camada fina dependendo das

condições de polarização da segunda interface. Quando a primeira e a segunda

interface estiverem polarizadas de forma que as duas regiões de depleção se

encontrem, haverá interação entre as duas interfaces e o dispositivo comporta-se

como um SOI totalmente depletado. Caso este encontro entre as camadas de

depleção não ocorra, o dispositivo comporta-se como um SOI parcialmente

depletado.

Esta diferença entre os dispositivos MOS convencional, SOI parcialmente

depletado e SOI totalmente depletado está apresentada no diagrama de faixas de

energia da Figura 2.

Page 31: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

31

Óxido

dePorta

EC

EI

EF

EV(A)

Óxido

Enterrado

Óxido

dePorta

EC

EI

EF

EV

tsi

(C)

Óxido

dePorta

EC

EI

EF

EV(A)

EC

EI

EV

tsi

(B)

Óxido

Enterrado

Óxido

dePorta

EC

EI

EF

EV

tsi

(C)

VG

EF

VGF VGB

EF

EF

Xdmáx

Xdmáx

Óxido

dePorta

Óxido

dePortaEF

VGF

Xdmáx

Óxido

Enterrado

VGB

EF

EF

Óxido

dePorta

EC

EI

EF

EV(A)

Óxido

Enterrado

Óxido

dePorta

EC

EI

EF

EV

tsi

(C)

Óxido

dePorta

EC

EI

EF

EV(A)

EC

EIEI

EV

tsi

(B)

Óxido

Enterrado

Óxido

dePorta

EC

EI

EF

EV

tsi

(C)

VG

EF

VGF VGB

EF

EF

XdmáxXdmáx

Xdmáx

Óxido

dePorta

Óxido

dePortaEF

VGFÓ

xidode

PortaÓ

xidode

PortaEF

VGF

XdmáxXdmáx

Óxido

Enterrado

VGB

EF

Óxido

Enterrado

VGB

EF

EF

Figura 2 - Diagrama de Faixas de Energia de dispositivos MOS convencional (A),

SOI de camada espessa (B) e SOI de camada fina (C).

Page 32: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

32

onde, EC é o nível energético do extremo inferior da Faixa de Condução, EF o nível

de Fermi da camada de silício, EFM o nível de Fermi no metal de porta, Ei o nível

intrínseco, Ev o nível energético do extremo superior da Faixa de Valência e tSi a

espessura da camada de silício.

Quanto ao modo de funcionamento os dispositivos SOI MOSFETs ainda

podem ser classificados como: tipo enriquecimento ou tipo acumulação.

Nos transistores do tipo enriquecimento (modo inversão) a passagem da

corrente entre fonte e dreno ocorre devido à inversão dos portadores na região do

canal (interface óxido de porta/ camada de silício).

Os transistores do tipo acumulação são formados pelo mesmo tipo de

semicondutor, tanto na região do canal como na região de fonte e dreno, tendo a

região do canal um nível de dopagem inferior ao de fonte e dreno. Os transistores

tipo acumulação podem portanto ser dos tipos P+ /P- /P+ (pMOSFET) ou N+ /N- /N+

(nMOSFET). A passagem da corrente entre fonte e dreno neste tipo de dispositivo

ocorre devido à acumulação dos portadores na região do canal (interface Si-SiO2).

2.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DO TRANSISTOR SOI MOSFET

2.3.1 Tensão de Limiar

A tensão de limiar (Vth) do dispositivo MOSFET é a tensão, que aplicada na

porta, induz na superfície do silício um potencial de 2φF. Para os transistores

nMOSFETs convencionais é dada por 15:

ox

dmáxafFFBth C

xNqVV

⋅⋅++= φ2 ( 3 )

onde,

Page 33: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

33

ox

oxmsFB C

QV −= φ ( 4 )

ox

oxox t

C ε= ( 5 )

sendo, φms é a diferença da função trabalho metal-silício, Qox é a carga efetiva do

óxido por unidade de área, VFB é a tensão de faixa plana (4), Cox é a capacitância do

óxido por unidade de área (5) e εox é a permissividade do óxido.

Para os transistores SOI MOSFETs parcialmente depletados e os transistores

perto da depleção total que não possuem interação entre as regiões de depleção de

primeira e segunda interfaces, também é válida a equação (3), pois estes se

comportam como um transistor MOS convencional.

Para os transistores totalmente depletados, onde há a interação das regiões

de depleção das duas interfaces (SOI MOSFETs totalmente depletados), as

equações de tensões de porta e substrato, desprezando-se as armadilhas de

interface, são expressas pelas equações de Lim & Fossum 16:

oxf

invfdepl

SBoxf

SiSF

oxf

Si

oxf

oxfmsfGF C

QQ

CC

CC

CQ

V+

−−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−= 2

1

1 φφφ ( 6 )

oxb

SBdepl

SBoxb

SiSF

oxb

Si

oxb

oxbmsbGB C

QQ

CC

CC

CQV

+−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−−= 2

1

1 φφφ ( 7 )

onde,

Siafdepl tNqQ ⋅⋅−= é a carga de depleção na camada de silício;

oxf

oxoxf t

C ε= é a capacitância do óxido de porta por unidade de área;

Page 34: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

34

oxb

oxoxb t

C ε= é a capacitância do óxido enterrado por unidade de área;

Si

SiSi t

= é a capacitância da camada de silício por unidade de área;

sendo, φmsf a diferença de função trabalho entre a porta e a camada de silício, φmsb a

diferença de função trabalho entre o substrato e a camada de silício, Qoxf a carga

efetiva do óxido de porta por unidade de área, Qoxb a carga efetiva do óxido

enterrado por unidade de área, φSF e φSB são os potenciais de superfície das primeira

e segunda interfaces respectivamente, QSB a carga no silício na segunda interface

(QSB>0 acumulação e QSB<0 inversão, para o transistor SOI nMOSFET).

Partindo das equações (6) e (7), pode-se obter a equação da tensão de limiar

em função das polarizações da porta e do substrato 16 para o transistor SOI

nMOSFET:

- Para a segunda interface acumulada (Vth,accB):

oxf

deplF

oxf

Si

oxf

oxfmsfaccBth C

QCC

CQ

V2

21, −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−= φφ ( 8 )

- Para a segunda interface invertida (Vth,invB):

oxf

deplF

oxf

oxfmfsinvBth C

QCQ

V2

2, −+−= φφ ( 9 )

- Para a segunda interface depletada (Vth,deplB):

( ) ( )accBGBGBoxbSioxf

oxbSiaccBthdeplBth VV

CCC

CCVV ,,, −⋅

+

⋅−= ( 10 )

onde, accBGBV , é a tensão aplicada ao substrato para que a segunda interface

acumule.

Page 35: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

35

As equações (8), (9) e (10) são validas admitindo-se que a espessura das

regiões de inversão e acumulação sejam desprezíveis.

A variação da tensão de limiar da primeira interface que ocorre nos

transistores totalmente depletados devido a polarização do substrato discutida

acima, pode ser representada também pela Figura 3.

0V

Depleção total

Inversão da segunda interface

Acumulação da segunda interface

Tensão de Substrato

Tens

ãode

Lim

iar

Modelo

Experimental

0V

Depleção total

Inversão da segunda interface

Acumulação da segunda interface

Tensão de Substrato

Tens

ãode

Lim

iar

Modelo

Experimental

Figura 3 – Variação da tensão de limiar com a polarização de substrato em

dispositivos SOI totalmente depletados.

2.3.2 Efeito de Corpo

O efeito de corpo é definido como a dependência da tensão de limiar com a

tensão aplicada ao substrato. Para os dispositivos convencionais a tensão de limiar

pode ser escrita como: 7

ox

b

ox

oxFmsth C

QCQV +−⋅+= φφ 2 ( 11 )

onde,

( )BFaSib VNqQ −⋅⋅⋅⋅= φε 22 ( 12 )

Page 36: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

36

com VB sendo a tensão aplicada ao substrato.

Nos dispositivos SOI parcialmente depletados a tensão de limiar não varia

com a polarização do substrato porque não há acoplamento entre primeira e

segunda interface. Entretanto para o PD SOI com corpo flutuante, o Potencial de

corpo VB, é determinado pelos efeitos capacitivos e pelas correntes de fuga

Em dispositivos SOI totalmente depletados, a constante de efeito de corpo

pode ser obtida pela capacitância de acoplamento entre a porta e a camada de

silício, através de uma rede capacitiva composta pelas capacitâncias do óxido de

porta, do óxido enterrado e do filme de silício, sendo dado por: 17

( )oxbSioxf

oxbSi

CCCCC

+=γ

oxb

oxf

tt

≅γ ( 13)

sendo γ um número adimensional.

A dependência de Vth com VGB diminui com o aumento de toxb. Quando toxb é

muito espesso (Coxb ≅ 0), a tensão de limiar é virtualmente independente de VGB.

2.3.3 Transcondutância

A transcondutância (gm) de um transistor MOS pode ser definida como a

medida da eficácia do controle da corrente de dreno pela tensão aplicada à porta. A

transcondutância pode ser calculada através da equação (14):

GF

DS

dVdI

gm = ( 14 )

Para um transistor nMOS, usando a lei de Ohm em uma seção do canal de

inversão tem-se: 18

Page 37: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

37

( )dy

dyQWI SFinvfnDS

φμ−= ( 15)

Resolvendo a equação (15) para dispositivos SOI nMOSFETs com as

condições de segunda interface depletada e acumulada, obtém-se na região triodo

(16) e na região saturação (17):

( ) ( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅+−−=

21

2DS

DSthGFoxfn

DSVVVV

LCW

I αμ

( 16)

( )( )2

12 thGFoxfn

DS VVL

CWI −

+⋅=

αμ

( 17 )

onde L é o comprimento do canal do transistor, W a largura do canal do

transistor e μn a mobilidade dos elétrons.

Usando as equações (14), (16) e (17) obtém-se a transcondutância do

dispositivo SOI totalmente depletado:

- Em triodo

DSoxfn V

LCW

gm⋅⋅

( 18)

- Em saturação

( ) ( )thGFoxfn VV

LCW

gm −+⋅

⋅⋅=

αμ1

( 19 )

Vale notar que ( )α+1 novamente depende das condições de operação do

dispositivo.

Page 38: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

38

Para dispositivos MOS convencionais e dispositivos SOI de camada espessa:

ox

D

CC

Para dispositivos SOI de camada fina com a segunda interface acumulada:

oxf

Si

CC

Para dispositivos SOI de camada fina com a segunda interface depletada:

( )oxbSioxf

oxbSi

CCCCC+

⋅=α

Analisando o fator α, ou seja, a relação de capacitâncias dos dispositivos

pode-se concluir que:

α SOI totalmente depletado < α MOS convencional < α SOI segunda interface acumulada

2.3.4 Tempos de Vida de Geração e de Recombinação

O conceito de tempo de vida de portadores se divide em duas categorias:

tempo de vida de recombinação e tempo de vida de geração. O tempo de vida é

medido pelo tempo que o portador demora para ser gerado, ou para ser extinto

(recombinado). O tempo de vida de recombinação é esperado quando há um

excesso de portadores (elétrons ou lacunas) no semicondutor, que pode ser obtido

através da incidência de luz na amostra ou pela polarização direta de uma junção

pn. A diminuição desse excesso de portadores com o tempo é decorrente da

recombinação. O tempo de vida de geração aplica-se em região onde há escassez

de portadores e o material tenta alcançar o equilíbrio, como por exemplo, na região

Page 39: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

39

de depleção de um diodo diretamente polarizado. Quando esses eventos de geração

e recombinação ocorrem na superfície são caracterizados como velocidade de

geração/recombinação superficial.

Basicamente, o evento de recombinação esta associado a três mecanismos

físicos distintos. A recombinação Shockley-Read-Hall (SRH), a recombinação

radiativa e a recombinação Auger.

A recombinação Shockley-Read-Hall (SRH) onde os pares elétron-lacuna se

recombinam através de um nível energético intermediário de armadilhamento

localizado entre o nível superior de valência e o inferior de condução, introduzido

pela presença de impurezas, pode ser chamada também de multi-phonon pois a

energia liberada durante o evento de recombinação é dissipada através de vibrações

na rede cristalina ou por meio de fônons.

A recombinação radiativa ocorre quando pares elétron-lacuna passam direto

da banda de valência para a de condução e a energia resultante é dissipada através

de fótons (por exemplo: a emissão de luz).

Na recombinação Auger, da mesma forma que a radiativa, pares elétron-

lacuna passam direto da banda de valência para a de condução porém a energia

resultante é transferida para outro portador (ocorre em materiais excessivamente

dopados).

A cada processo de recombinação está associado um processo de geração,

que é exatamente o processo complementar ao de recombinação. Como por

exemplo, podemos citar: quando ocorre a recombinação radiativa a energia

dissipada é responsável pela emissão de luz, e a geração se dá pela captação desta

luz.

2.4 CORRENTES DE TUNELAMENTO

O tunelamento de portadores através de uma barreira de potencial pode ser

explicado pela mecânica quântica que diferentemente da mecânica clássica, trata o

comportamento das partículas como ondulatório. Assim, tanto o elétron como a

lacuna possuem uma probabilidade finita de atravessar uma barreira de potencial

mesmo possuindo uma energia menor que a mesma19. O valor desta probabilidade

Page 40: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

40

de atravessar a barreira de potencial, ou seja, do coeficiente de transmissão do

portador, depende da forma, da altura e da largura da barreira de potencial

(exemplificado pela Figura 4)20.

A Figura 4 (A) apresenta uma ilha de potencial que possui uma barreira de

potencial com espessura de 2nm e altura de 40mV. Pode-se dizer que segundo a

mecânica clássica, se uma partícula, posicionada à esquerda da barreira de

potencial, possui energia total E superior à altura desta barreira, tem probabilidade

“1” de ser transmitida para o lado direito da barreira. Porém segundo a mecânica

quântica, a função de onda terá valores diferentes de zero em ambos os lados da

barreira, o que significa que a partícula poderá estar tanto de um lado como do outro

da barreira. Caso a energia total E desta partícula for inferior a altura da barreira de

potencial, segundo a mecânica clássica, a partícula tem probabilidade “1” de ser

refletida.

Na Figura 4 (B) é apresentada a função de onda de um elétron e seu

potencial através da mecânica quântica. Nota-se que o elétron tem potencial máximo

de 0,15mV o qual, pela mecânica clássica, seria insuficiente para vencer a barreira

de potencial. Porém, através da mecânica quântica, a função de onda terá uma

componente que penetrará na barreira, perdendo sua energia exponencialmente

com a distância. Como a barreira tem uma largura finita (2nm), existirá uma

probabilidade da partícula ser encontrada do lado direito da barreira de potencial.

Esta probabilidade é finita e diferente de zero e tende a aumentar conforme a

espessura ou a altura da barreira diminuam.

Este fenômeno é chamado de tunelamento e é comum ocorrer em alguns

dispositivos eletrônicos, como por exemplo, pode-se citar o transistor de efeito de

campo.

Page 41: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

41

0 10 20 30 40 Distância (nm)

Vo = 40 mV

50 nm

2 nm

Potencial

0.15

0.10

0.05

50

Amplitude da função de onda

(mV)

Ilha de potencial

0 10 20 30 40 Distância (nm)

Vo = 40 mV

50 nm

2 nm

Potencial

0.15

0.10

0.05

50

Amplitude da função de onda

(mV)

Ilha de potencial

Vo = 40 mV

50 nm

2 nm

Potencial

Vo = 40 mV

50 nm

2 nm

Potencial

0.15

0.10

0.05

50

Amplitude da função de onda

(mV)

Ilha de potencial

0.15

0.10

0.05

50

Amplitude da função de onda

(mV)

Ilha de potencial

Figura 4 – (A) Ilha de Potencial com uma barreira de potencial de 2nm de largura e

40mV de altura. (B) Função de onda20.

Apesar de o óxido de silício crescido termicamente apresentar excelentes

propriedades (como baixa densidade de armadilha de interface e alta barreira de

potencial) e portanto ser utilizado como isolante de porta nas estruturas MOSFETs,

com o escalamento dos dispositivos a níveis sub-micrométricos e o escalamento não

proporcional das tensões aplicadas ao mesmo, os dispositivos SOI MOSFET com

dielétricos de porta extremamente finos tornam-se susceptíveis a altos campos

elétricos, resultando em uma maior influência do transporte de portadores através do

dielétrico de porta, ou seja, a corrente de tunelamento através da porta torna-se mais

significativa. 21

A corrente de fuga pela porta pode ocorrer devido à três mecanismos de

transporte: por emissão termiônica, por Fowler Nordheim e por tunelamento direto22.

A parcela de corrente de fuga pela porta que ocorre por emissão termo-iônica,

que era a predominante para transistores de óxidos espessos, ocorre quando um

portador recebe energia suficiente para suplantar a barreira de potencial do óxido.

Os elétrons ganham energia através da temperatura ou agitação.

Page 42: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

42

Porém com a redução da espessura do dielétrico, a energia necessária para o

elétron suplantar a barreira de potencial é suficientemente alta para que o mesmo

tunele através das bandas trapezoidal ou triangular de energia do óxido.

No caso de transistores com óxidos de espessuras superiores a 5nm, a

parcela de tunelamento que predomina é a de tunelamento por Fowler- Nordheim,

ou seja, o portador tunela pelo óxido de porta pela barreira triangular de energia. O

limite do tunelamento direto é geralmente estabelecido em 5nm devido a pequena

probabilidade deste tunelamento ocorrer para óxidos mais espessos.23 O transporte

de corrente através de óxidos com espessuras inferiores a 5nm (óxidos ultra-finos)

está principalmente associado ao fenômeno de tunelamento direto, ou seja, o

portador tunela através da barreira trapezoidal de energia. 24

O dielétrico de porta já atingiu espessuras entre 2 e 3 nm e estudos indicam

uma redução para 1,5nm, o que corresponde a 5 camadas atômicas de silício.25 O

uso da tecnologia SOI MOSFET com óxidos extremamente finos (abaixo de 3nm)

fica sujeito a um campo elétrico tal que a influência do transporte de portadores

através do óxido (corrente de tunelamento direto pela porta) não pode ser mais

desprezada. Estes dielétricos finos sofrem tunelamento direto de corrente, pois

possuem energia suficiente para atravessar a fina barreira trapezoidal, passando

direto pela banda proibida do óxido.

Analisando-se então o formato da barreira em que o portador precisa

atravessar, o tipo de mecanismo de tunelamento é determinado, conforme mostra a

Figura 5.

Figura 5- Diagrama de faixas exemplificando os três principais tipos de injeção de

portadores através do isolante26.

Page 43: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

43

A Figura 6 compara a densidade da corrente de tunelamento (JG)

experimental em função da tensão aplicada à porta (VGF),com os modelos de

tunelamento por Fowler Nordheim (FN) e tunelamento direto para diferentes

espessuras de óxidos de porta. Pode-se observar que com a redução da espessura

do dielétrico de porta, o comportamento da curva experimental que era bem descrito

pelo tunelamento de Fowler Nordheim tende a se igualar às curvas de tunelamento

direto.

n+ poly-Si/Sio2/n-Sin+ poly-Si/Sio2/n-Si

Figura 6 - Curvas da densidade da corrente de tunelamento (JG) em função da

tensão aplicada à porta (VGF) para toxf variando de 2,9 a 6,2nm. 27

2.4.1 Corrente de Tunelamento Direto

Os elétrons de vários níveis de energia têm alguma probabilidade de tunelar

através do óxido (barreira trapezoidal) e juntamente com os elétrons da camada de

inversão formam a corrente de porta. As componentes de tunelamento que

compõem a corrente de porta podem ser vistas na Figura 7.

Page 44: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

44

Óxido Enterrado

e- da fontepara porta

e- do drenopara porta

ECB EVB

HVB

Óxido Enterrado

e- da fontepara porta

e- do drenopara porta

ECB EVB

HVB

Figura 7 - Correntes de tunelamento que atuam em um transistor PD SOI MOSFET.

Uma das componentes da corrente de porta é a corrente de tunelamento

proveniente das regiões de fonte e dreno 28 promovida pela diferença de

concentrações de dopantes. Este tunelamento ocorre devido a difusão de uma

pequena parcela destas regiões para baixo do dielétrico de porta nas etapas de

processo.

A maior componente por sua vez é proveniente da região de canal, ECB

(parcela da corrente de tunelamento formada por elétrons da banda de condução)

onde os elétrons com o aumento da tensão aplicada na porta adquirem energia

suficiente para atravessar a barreira de potencial do óxido de porta.

Existem ainda, embora com menor intensidade as componentes provenientes

do substrato. A parcela da corrente de tunelamento formada por elétrons da banda

de valência que atravessam o óxido de porta (EVB) e a parcela da corrente de

tunelamento formada por lacunas que tunelam da banda de valência da porta para

dentro do substrato (HVB). Estas correntes somadas compõe a também chamada

corrente de substrato que embora bastante inferior, a corrente ECB, causam grande

impacto no funcionamento do transistor devido aos efeitos de corpo flutuante dos

dispositivos SOI MOSFETs parcialmente depletados.29

A partir da Figura 8 pode-se observar as componentes da corrente de porta

relacionadas com a banda de energia do óxido de porta para um dispositivo SOI

NMOSFET com porta do tipo silício policristalino n+.

Page 45: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

45

ECEV

EC

EV

ECB

EVB

HVB

ECEV

EC

EV

ECB

EVB

HVB

Porta de Silício Poly n+

Substrato tipo P

Figura 8 – Diagrama de bandas de energia e mecanismo da corrente de tunelamento

direto em transistores nMOSFETs com óxido de porta extremamente finos.

2.5 EFEITOS DE CORPO FLUTUANTE

Nos dispositivos parcialmente depletados que não possuem contato de corpo,

dizemos que a região de corpo neutra do transistor esta eletricamente flutuando. O

potencial do corpo é determinado pelas correntes que fluem do corpo e para o corpo.

2.5.1 Mecanismo da Ionização por Impacto

Quando o campo elétrico na camada de silício aumenta acima do valor crítico,

os portadores adquirem energia suficiente para geração de pares elétron-lacuna a

partir da colisão com átomos da rede cristalina. No caso de transistores MOS os

elétrons provenientes da geração de pares elétron-lacuna seguem em direção aos

pólos de maior potencial (dreno e porta), porém esta geração se dá muito próximo

Page 46: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

46

ao dreno (lugar de campo elétrico máximo na saturação), assim quase todos os

elétrons gerados pela ionização por impacto resultam em uma parcela de corrente

de dreno.

As lacunas porém tendem a se deslocar para o local de menor potencial, que

no caso de MOS convencionais é o substrato e no caso de dispositivos SOI é a

fonte, pois o substrato está isolado da região ativa pelo óxido enterrado. Devido à

diferença de concentração entre a fonte (fortemente dopada) e o canal, quando as

lacunas chegam à fonte, uma quantidade ainda maior de elétrons é injetada na

região de canal. Esta grande quantidade de elétrons na região de canal resulta em

uma corrente de coletor considerável, assim o transistor bipolar parasitário pode

amplificar a corrente de lacunas gerada por impacto.

O aumento da corrente de dreno, por sua vez, gera mais portadores por

impacto e assim obtém-se uma realimentação positiva fazendo com que a corrente

de dreno aumente rapidamente.

A Figura 9 representa o mecanismo de ionização por impacto descrito em

transistores SOI convencionais.

- - - - - - - - - - - - + - +

+ + + + + +

Substrato

Óxido Enterrado

Porta

Fonte Dreno

N+ N+

Região de altocampo elétrico

Figura 9 – Esquema de representação do mecanismo de ionização por impacto em

dispositivos SOI convencionais.

Page 47: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

47

2.5.2 Efeito de Elevação Abrupta de Corrente de Dreno (Kink Effect)

O efeito de elevação abrupta de corrente de dreno ("kink effect") é caracterizado

pelo aparecimento de um degrau na curva de saída do transistor SOI MOSFET,

conforme indicado na Figura 10.17

Considerando-se um dispositivo SOI canal-n parcialmente depletado, para

alta tensão de dreno, os elétrons do canal podem adquirir energia suficiente na

região de alto campo elétrico, junto ao dreno, e através do mecanismo de ionização

por impacto criar pares elétron-lacuna. Como já descrito no item anterior, as lacunas

tendem ir para a fonte, que devido à alta concentração injeta mais lacunas no corpo

e o acúmulo destas lacunas na região neutra do corpo aumenta o potencial do

corpo, diminuindo a barreira de potencial com a fonte. O aumento do potencial do

corpo ocasiona uma redução da tensão de limiar e, conseqüentemente, provoca um

aumento da corrente de dreno, que pode ser observado nas características de saída

(IDS x VDS) do transistor (efeito de elevação abrupta de corrente).

VDS

VGF4 > VGF3

VGF3 > VGF2

VGF2 > VGF1

VGF1 > VGF0

VGF0

I DS

VDS

VGF4 > VGF3

VGF3 > VGF2

VGF2 > VGF1

VGF1 > VGF0

VGF0

I DS

Figura 10 – Curva da corrente de dreno em função da tensão aplicada à porta de

um SOI nMOSFET, com a presença do efeito de elevação abrupta de corrente.

Page 48: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

48

Em dispositivos SOI nMOSFETs totalmente depletados, o campo elétrico

próximo ao dreno é menor do que em dispositivos parcialmente depletados, sendo

assim, a ionização por impacto é menor e menos pares elétron-lacuna são gerados.

Não há barreira de potencial significativa entre fonte e dreno e, como resultado, o

potencial do corpo permanece inalterado. Não havendo queda da tensão de limiar,

pode-se concluir que os dispositivos SOI MOSFET de filme fino, totalmente

depletados, estão livres de efeito de elevação abrupta de corrente.

2.5.3 Efeito Bipolar Parasitário

O efeito bipolar parasitário deve-se ao transistor MOS possuir um transistor

bipolar inerente à sua estrutura, onde a fonte corresponde ao emissor, o canal à

base e o dreno ao coletor.

Com o aumento do potencial aplicado ao dreno, tem-se um aumento do

campo elétrico nesta região e conseqüentemente um aumento de portadores

gerados pelo mecanismo de ionização por impacto, a migração das lacunas,

aumento do potencial do corpo, redução da tensão de limiar e aumento da corrente

de dreno. Avaliando o transistor bipolar e sabendo que a concentração da fonte

(emissor) é muito maior que a concentração do canal (base), como resposta uma

grande quantidade de elétrons será injetada na região do canal e coletados pelo

dreno (coletor) do transistor, gerando assim uma corrente de coletor relevante. Esta

corrente soma-se à corrente de dreno, aumentando consideravelmente a ionização

por impacto, causando a ruptura prematura da junção ou a perda do controle da

porta.

2.6 TRANSISTOR DE PORTA GÊMEA SOI NMOSFET

A partir de um enorme interesse em reduzir ou eliminar os efeitos de corpo

flutuante, causados principalmente pelo alto campo elétrico junto ao dreno e

Page 49: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

49

consequentemente pela ionização por impacto, surge a idéia do transistor de porta

gêmea (twin-gate).

Neste caso, dois transistores são conectados em série, um mestre próximo à

fonte e um escravo próximo ao dreno, com as portas comuns. Esta estrutura de

transistor tem se mostrado eficiente na supressão de efeitos como o da elevação

abrupta da corrente (Kink) das características de saída,30 onde os melhores

resultados obtidos foram para estruturas onde o comprimento de canal do transistor

mestre é muito maior que o comprimento de canal do transistor escravo. A estrutura

aqui descrita pode ser observada na Figura 11.

N+ N+

FonteDreno

Porta

Substrato

Região n+

P P

Óxido enterrado

mestre escravoN+ N+

FonteDreno

Porta

Substrato

Região n+

P PN+ N+

FonteDreno

Porta

Substrato

Região n+

P P

Óxido enterrado

mestre escravo

Óxido enterrado

mestre escravo

Figura 11 – Secção transversal de uma estrutura SOI MOSFET de porta gêmea.

Os mecanismos físicos que explicam a supressão do efeito Kink, são:

• A configuração mestre-escravo ocasiona uma redução do campo

elétrico máximo na saturação próximo ao dreno quando comparamos

com a estrutura convencional com mesmo comprimento de canal, e

conseqüentemente reduz a corrente proveniente da ionização por

impacto;

• A região n+ interna ao canal de contato flutuante serve para

recombinar parte das lacunas geradas. Reduzindo as lacunas geradas,

Page 50: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

50

reduz-se o aumento do potencial do corpo e conseqüentemente resulta

em uma menor variação da tensão de limiar.

2.7 TRANSISTOR DE CANAL TENSIONADO

Após décadas de uma agressiva redução do tamanho dos dispositivos MOS

para satisfazer a taxa de aumento de desempenho, estes dispositivos chegam ao

limite de seu escalamento. No entanto, ainda não há uma tecnologia nova capaz de

substituir a tecnologia CMOS no mercado31. Este escalamento agressivo das

tecnologias tem resultado em problemas com a degradação da mobilidade. Esta

redução na mobilidade pode ocorrer devido ao elevado campo elétrico aplicado nos

dispositivos ou pela crescente concentração de dopantes na região do canal. Além

disso, a mobilidade aparente também tem sido degradada mais fortemente devido

ao aumento da importância da resistência série com a redução dos dispositivos.

Uma alternativa que vem sendo estudada para minimizar esta redução da

mobilidade de baixo campo elétrico é o uso de silício tensionado (“strain SOI”).

Estudos reportados mostram um aumento de até 60% na mobilidade com a

utilização da tensão mecânica nos transistores nMOS em tecnologia SOI, com

conseqüente elevação da corrente de saturação (ION) sem o aumento da corrente de

fuga (IOFF)32, levando a um aumento importante da relação ION/IOFF e da

transcondutância (gm).

Diversas técnicas têm sido utilizadas a fim de se obter a tensão mecânica nos

dispositivos. Estas técnicas estão divididas em dois grupos: o primeiro grupo

apresenta tensão mecânica que envolve a lâmina toda enquanto o segundo grupo

apresenta tensão localizada nos dispositivos. A tensão mecânica localizada

possibilita uma melhor escalabilidade dos circuitos33. Em geral os dispositivos que

são tensionados em ambas as direções do canal do dispositivo (“biaxial strain”)

pertencem ao primeiro grupo e os dispositivos que apresentam tensão apenas na

direção longitudinal (“uniaxial strain”) ao grupo de tensão mecânica localizada. A

tensão mecânica que age em apenas um sentido do dispositivo ainda pode ser do

tipo compressiva ou tensiva.

Page 51: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

51

2.7.1 Tensão mecânica bi-direcional

Um exemplo de lâmina SOI com tensão mecânica em duas direções é a

obtida a partir de uma liga de Silício e Germânio (sSOI). A lâmina de silício sSOI

pode ser obtida conforme mostrado na Figura 12.

Si1-x Gex

Strained-Si

Si

Ge

Si - epitaxial

Si - epitaxial

a)

b)

c)

d)

e)

Liga de Silício e Germânio

Si1-x Gex

Strained-SiStrained-Si

Si

Ge

Si

Ge

Si - epitaxialSi - epitaxial

Si - epitaxialSi - epitaxialSi - epitaxial

a)

b)

c)

d)

e)

Liga de Silício e Germânio

a) Diminui-se gradualmente a concentração de germânio na liga Si1-x Gex até que se

obtenha Si puro na região superior da lâmina.

b) Este silício é crescido epitaxialmente, seguindo, portanto a estrutura cristalina da liga.

c) A região de Si é oxidada termicamente.

d) Esta primeira lâmina é então unida à outra lâmina de Si onde já existe uma camada

espessa de óxido (“bonded wafers”).

e) A camada da liga Si1-x Gex é então removida, dando origem a uma lâmina sSOI onde

serão implementados os dispositivos.

Figura 12 – Descrição do processo de obtenção de uma lâmina SOI com a região de

silício sobre isolante tensionada em ambas as direções.

Page 52: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

52

Apesar dos dispositivos com tensão mecânica em duas direções terem sido

bastante estudados nos últimos anos, a implementação desta tecnologia implica em

alto custo. A Figura 13A representa a diferença entre as estruturas cristalinas do

Silício e da liga de Silício e Germânio, e a Figura 13B representa o efeito causado na

estrutura do Silício tensionado em duas direções (representado na Figura 12b).

(A)

(B)

Figura 13 – Esquema bidimensional das estruturas do Silício e da liga de Silício e

Germânio (A) e da estrutura do silício tensionado (B)34.

Este tipo de lâmina promove uma melhora tanto na mobilidade de elétrons

quanto de lacunas considerável, porém quando os transistores são submetidos a

altos campos elétricos, a melhora da mobilidade de lacunas tende a zero35.

Page 53: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

53

2.7.2 Tensão mecânica longitudinal

Os dispositivos com tensão mecânica longitudinal podem ser obtidos de

diferentes maneiras:

1) Através da deposição da liga de Si1-x Gex nas regiões de fonte e dreno, é

obtida uma força compressiva que atua na direção longitudinal entre a fonte e o

dreno. A compressão efetiva é definida por dois fatores: o comprimento de canal e a

concordância entre as regiões de fonte e dreno (liga de Si1-x Gex) e o canal (Si).

Caso as redes não se adequem uma a outra após o processo, como resultado tem-

se uma compressão menos efetiva no canal, a compressão torna-se mais efetiva a

medida que o comprimento de canal é reduzido.

2) Pela deposição de uma camada de nitreto (Contact Etch Stop Layer -

sCESL) sobre o dispositivo. Essa camada de nitreto induz uma força tensora não

uniforme ao longo do canal (Figura 14). Esta tensão apenas na direção do

comprimento de canal do transistor torna-se mais efetiva à medida que o

comprimento de canal é reduzido.

Figura 14 - Transistores com tensões mecânicas longitudinais. Força compressora

(A) e força tensora (B)36 .

O efeito do tensionamento mecânico gerado causa a melhora da mobilidade

de lacunas, no caso da compressão da rede cristalina e a melhora da mobilidade

dos elétrons, no caso do tensionamento da mesma.

Page 54: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

54

A principal vantagem obtida pela tensão mecânica longitudinal é devida ao

fato de se introduzir em uma mesma lâmina dispositivos com efeito compressivo

(pMOS) e tensionado (nMOS) o que resulta em uma melhoria de mobilidade tanto

das lacunas nos dispositivos pMOS, quanto dos elétrons nos dispositivos nMOS,

mesmo quando submetido a altos campos elétricos.

2.8 TRANSISTOR FINFET

Apesar de o transistor da tecnologia SOI MOSFET ter sido apresentado como

uma alternativa ao transistor MOS convencional devido a sua menor susceptibilidade

aos efeitos de canal curto, com a redução das dimensões do comprimento de canal,

abaixo de 100nm, até mesmo os transistores SOI apresentam problemas quanto ao

controle de cargas na região do canal. Com isso a busca por novas tecnologias ou a

modificação de tecnologias já existentes vem sendo estudadas. Os dispositivos

clássicos (planares) que apresentavam uma única porta vêm sendo alterados para

dispositivos com múltiplas portas.

Na

Figura 15 é possível de se visualizar a evolução dos transistores SOI

MOSFETs e o surgimento dos dispositivos com mais de uma porta.

Page 55: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

55

Figura 15 – Evolução dos transistores SOI MOSFET7.

O primeiro SOI MOSFET de porta dupla fabricado foi o transistor DELTA (fully

Lean-channel transistor) em 198937, este dispositivo era alto e estreito construído

sobre uma camada de isolante, como pode-se observar na Figura 16 A. Logo após

surgiram outros dispositivos de porta dupla com canal vertical, tais como o SOI

FinFET38 (Figura 16 B), o MFXMOS39, o triangular-wire40 e o Δ-channel41.

Os transistores FinFETs de porta dupla diferenciam-se dos transistores delta

apenas pela espessa camada de óxido no topo do transistor.

Dre

no

Font

e

Port

a

Óxido de porta

Dre

no

Font

e

Port

a

Óxido de porta

B Figura 16 – Estruturas de porta dupla: DELTA42 (A) e FinFET (B).

A

Page 56: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

56

Os dispositivos de porta dupla FinFET sofreram nova modificação no seu

processo de fabricação, e a oxidação térmica de porta foi feita em três lados do

canal de forma igual (retornando às características do transistor DELTA). Como

resultado a corrente elétrica flui pelas três regiões controladas pela porta, obtendo-

se um melhor controle das cargas na região do canal. Porém se o dispositivo for

bastante estreito, a parcela de corrente que flui pelo topo do transistor é desprezível

e, portanto este dispositivo pode ser considerado com um transistor de porta dupla.

No entanto, se a largura do canal deste dispositivo não for desprezível quando

comparada com a altura do mesmo, este dispositivo torna-se um transistor de porta

tripla, pois parte considerável da corrente flui próximo ao topo do transistor.

O escalamento das dimensões do transistor FinFET é dado como uma de

suas principais vantagens, alcançando um comprimento de canal de até 10nm43.

Além de excelentes propriedades elétricas para aplicações digitais e analogias44,

apresentando melhorias tanto na freqüência de ganho unitário como no ganho

intrínseco do transistor45. Entretanto uma redução na mobilidade é observada,

devido à mudança da orientação cristalográfica de <100> para <110> nas laterais do

canal46. Uma elevada resistência série também é observada em transistores

FinFETs47.

Como outros dispositivos de porta tripla implementados podemos citar: “quantum-

wire SOI MOSFET”48 e o “tri-gate MOSFET”49.

Melhorias nos dispositivos FinFETs foram realizadas resultando nas estruturas

“π-gate”50,51, “Ω-gate”52 e “strained-channel”53. As propriedades elétricas destas

estruturas estão entre os dispositivos de porta tripla e quádrupla podendo ser

chamados de “3+” (triple-plus)-gate”. São dispositivos de porta tripla com uma

extensão do eletrodo de porta abaixo da camada de silício, que pode ser formada

utilizando-se uma taxa de corrosão maior no óxido enterrado durante a etapa de

padronização da camada de silício. A extensão do eletrodo de porta abaixo da

região ativa forma um campo induzido na parte inferior do dispositivo bloqueando o

campo elétrico do dreno entre as extensões da porta, funcionando como uma

pseudo quarta porta, como pode ser visto na Figura 17. Esta extensão da porta faz

também com que a tensão aplicada no substrato tenha uma menor influência nas

condições de operação do dispositivo54.

Page 57: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

57

Óxido enterrado Óxido enterrado

Substrato Substrato

Silício Silício π Ω

Porta

Profundidade da extensão da

porta

Figura 17 – Cortes transversais das estruturas π-gate e Ω-gate7.

2.9 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA

O estudo dos transistores MOS em baixas temperaturas tem se constituído

em uma alternativa atraente devido à obtenção da melhoria de sua velocidade de

chaveamento sem o escalamento adicional das dimensões55, 56 .

A operação dos dispositivos MOS em baixa temperatura apresenta melhorias

como na mobilidade e no fator S, no entanto, alguns efeitos como o congelamento

de portadores 57 e a diminuição da taxa de geração/ recombinação 58 podem

ocasionar efeitos transitórios,59, 60 além das desvantagens do deslocamento da

tensão de limiar e do aumento das capacitâncias de armadilhas de interface61, 62.

A tecnologia SOI aparece também com uma grande variedade de aplicações

em altas temperaturas, dentre as quais podemos citar: 63

• No setor automotivo: sensores e controles de motor, eletrônica de bordo e

sistema ABS

• Na aviação: monitoração de motores, satélites (sonda Vênus);

Page 58: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

58

2.9.1 Tensão de Limiar

A tensão de limiar dada pela equação (3), quando analisada em função da

temperatura, varia devido ao potencial de Fermi e à largura máxima de depleção.

Analisando a largura máxima de depleção, nota-se a sua dependência em relação

ao potencial de Fermi. O potencial de Fermi dado pela equação (2) por sua vez varia

com a própria temperatura e com a concentração intrínseca de portadores.

A concentração intrínseca de portadores pode ser expressa de uma forma

simplificada pela equação (20):64

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

⋅⋅⋅= kTEg

eTni 223

16109,3 ( 20)

onde Eg é a largura da faixa proibida, que também é função da temperatura,65 dada

pela equação (21).

275 10841,410289,11707,1 TTEg ⋅⋅−⋅⋅−= −− ( 21)

esta equação é válida no intervalo de 4,2K até 300K.

Além da variação da concentração intrínseca de portadores, com a diminuição

da temperatura, a parcela de impurezas que não fica totalmente ionizada torna-se

significativa.59 A concentração de impurezas ionizadas poder ser expressa por:

Impurezas aceitadoras ionizadas termicamente

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+

=+

kTEE

NN

FpA

AA

exp.41 ( 22)

Page 59: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

59

Impurezas doadoras ionizadas termicamente

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −+

=+

kTEE

NN

DFn

DD

exp.21 ( 23)

Através das equações (20) e (21) é possível obter o gráfico da concentração

intrínseca de portadores e através das equações (22) e (23) o gráfico de impurezas

ionizadas com a variação da temperatura. Ambas as variações são apresentadas na

Figura 18, para uma concentração inicial de portadores de 1x1017 cm-3,.

50 100 150 200 250 30010-44

10-36

10-28

10-20

10-12

10-4

104

1012

Temperatura (K)

ni (

cm-3)

2.0x1016

4.0x1016

6.0x1016

8.0x1016

1.0x1017

Naf (cm

-3)

Figura 18 – Concentração intrínseca de portadores e ionização incompletas de

portadores em função da temperatura.

Observa-se que o valor referente ao potencial de Fermi (φF) aumenta com a

redução da temperatura, pois apesar da dependência direta com a temperatura e da

redução da concentração de impurezas ionizadas, o valor da concentração

intrínseca diminui muitas ordens de grandeza. Como o potencial de Fermi é

inversamente proporcional à concentração intrínseca de portadores este aumenta

com a redução de ni.

Page 60: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

60

Pode-se afirmar ainda que com o aumento do potencial de Fermi, a largura da

região de depleção também aumenta. Um dispositivo parcialmente depletado pode

tornar-se totalmente depletado com a redução da temperatura devido ao aumento do

potencial de Fermi e consequentemente do aumento da largura de depleção

máxima, o que está de acordo com a equação (1).

2.9.2 Mobilidade

Os movimentos dos portadores no semicondutor não são livres e sim limitados

pelos mecanismos de espalhamento que reduzem a mobilidade. Estes mecanismos

de degradação da mobilidade podem ser classificados como: espalhamento de rede,

espalhamento por impurezas ionizadas, espalhamento de superfície, espalhamento

portador-portador, espalhamento por impurezas neutras e velocidade de saturação

do portador. A maior parte destes mecanismos são muito dependentes da

temperatura.

2.9.2.1 Espalhamento de rede

Este mecanismo, que é o predominante nos transistores MOS convencionais, é

determinado pela interação dos portadores de carga com as vibrações da rede

cristalina. Quando há a redução da temperatura, a vibração da rede cristalina

também reduz e, portanto a mobilidade deve aumentar. O espalhamento de rede

para elétrons pode ser dado por (24):66

Page 61: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

61

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜⎜

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

−− nbna TTonbona

nl

βα

μμ

μ

300

1

300

1

1 ( 24 )

onde μona = 4195cm2/Vs, μonb = 2153cm2/Vs, αna = 1,5, βna = 3,13

2.9.2.2 Espalhamento por impurezas ionizadas

Este mecanismo tem ganho importância devido ao escalamento das dimensões

dos transistores MOS. Com este escalamento, algumas considerações como a alta

dopagem das regiões de fonte e dreno são feitas e as altas doses causam a redução

da mobilidade do portador devido ao espalhamento das impurezas ionizadas. Um

modelo para este tipo de degradação da mobilidade é expresso pela equação

abaixo67:

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−+=

n

n

D

nLnnII

NrefN

α

μμμμ

1

minmin ( 25)

onde μLn refere-se à dispersão dos portadores pela rede cristalina, ND é a

concentração de dopantes ionizados, μminn = [197,17-45,505 log(T)] a mobilidade

mínima, Nrefn = 2,23.1017.(T/300)3,2 cm-3 o valor de referência e αn =

0,72.(T/300)0,065.

Page 62: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

62

2.9.2.3 Espalhamento portador-portador

Este mecanismo possui uma grande influência na mobilidade de portadores

quando o nível de injeção de portadores é elevado, quando a quantidade de

portadores se torna maior que a densidade de dopantes.68 Este mecanismo pode ser

expresso por (26):

1

31

2817

1028,81ln102 −−

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅⋅⋅+⋅⎟

⎜⎜

⎛ ⋅= Df

DfCCS NT

Nμ ( 26)

onde ND é a concentração de dopantes ionizados (semicondutor tipo N) e T é a

temperatura em Kelvin.

2.9.2.4 Espalhamento por impurezas neutras

Este mecanismo apresenta uma importância significativa apenas para

concentrações de impurezas neutras acima de 1.1018cm-3, 68. Além disso sua

contribuição em relação aos demais fatores de degradação da mobilidade é muito

pequena. Devido as estas considerações, neste estudo, este mecanismo é

desprezado.

Os mecanismos de degradação da mobilidade até então apresentados

independem da tensão aplicada. A mobilidade resultante destes mecanismos pode

ser calculada usando a regra de Mathiessen:

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

+++=

NIILSCCS

LIC

μμμμ

μ 11111 ( 27)

Page 63: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

63

onde μN é a mobilidade resultante do mecanismo de espalhamento por impurezas

neutras e neste trabalho são desconsideradas.

A Figura 19 apresenta a mobilidade resultante dos mecanismos que

independem da tensão aplicada (μLIC) dada por Mathiessen em função da

temperatura

Temperatura (K)

μLIC

Figura 19 - Curva da mobilidade independente da tensão aplicada calculada para

NA= 1.1017cm-3 em função da temperatura.

2.9.2.5 Espalhamento de superfície

O campo elétrico vertical, controlado pela tensão aplicada à porta, atrai os

portadores para a superfície de condução reduzindo a mobilidade devido a

rugosidade desta superfície. Este mecanismo de degradação da mobilidade é então

dependente da tensão de porta e é dado por:69

Page 64: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

64

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+

= η

θ

μμ

oxf

thGF

LICSS

tVV1

( 28 )

onde μLIC é a mobilidade resultante considerando os mecanismos que independem

da polarização, VGF é a tensão aplicada à porta, Vth é a tensão de limiar do

dispositivo, toxf é a espessura do óxido de porta, θ é o coeficiente de degradação da

mobilidade (seu valor típico varia entre 1,5-5,5 x 10-5), η é um parâmetro de ajuste

(seu valor típico é 0,5).

2.9.2.6 Velocidade de saturação do portador

Os transistores MOS que operam sob influência do campo elétrico lateral tem a

mobilidade de portadores reduzida devido à velocidade de saturação. Este

mecanismo de degradação pela velocidade de saturação é dado por (29):70

2

1 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

=

EcE

LICVS

μμ ( 29)

onde E é o campo elétrico lateral e Ec é o campo elétrico crítico no qual os

portadores atingem a saturação.

2.9.3 Degradação efetiva da mobilidade

Page 65: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

65

O fator de degradação aparente da mobilidade para dispositivos SOI

MOSFETs, operando na região linear de polarização, em geral obedecem o mesmo

modelo empírico de um transistor convencional que é dado por71,72:

)][1( 0

0

BSBthGFeff VVV ⋅+−+

=θθ

μμ ( 30)

( )RE αθθ +=0 ( 31)

onde μ0 é a mobilidade de baixo campo elétrico, θ0 é o fator de degradação aparente

da mobilidade, θB é o fator de degradação da mobilidade pela polarização do

substrato, VBS é a polarização do substrato, θE é o fator de degradação de

mobilidade pelo campo elétrico vertical e αR é o fator de degradação de mobilidade

devido à resistência série.

A partir da Figura 20 apresentada na referência 71 nota-se que em baixa

temperatura são obtidos valores altos de θ0, enquanto que, com o aumento da

temperatura o fator de degradação efetiva da mobilidade tende a estabilizar-se em

um valor muito próximo de zero.

Page 66: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

66

Temperatura (K)

θ 0(V

-1)

Temperatura (K)

θ 0(V

-1)

Figura 20 – Degradação da mobilidade em função da temperatura 71.

2.9.4 Transcondutância

O estudo da transcondutância em função da temperatura está diretamente

ligado ao estudo da mobilidade. Devido à influência direta da mobilidade em gm,

com a redução da temperatura, o aumento da mobilidade ocasiona o aumento da

transcondutância.

De acordo com as equações (18) e (19), que representam as

transcondutâncias extraídas na região de triodo e saturação, respectivamente, pode-

se afirmar que para gm extraída na região triodo não há influência das armadilhas de

interface enquanto para gm extraída na região de saturação esta influência existe.

Ainda, para a transcondutância na região de saturação, pode-se afirmar que

como gm é inversamente proporcional ao fator ( )α+1 , este fator reduz a influência

do aumento da mobilidade, atenuando assim o aumento da transcondutância com a

Page 67: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

67

redução da temperatura. Quando extraída na região triodo esta atenuação não

ocorre, pois gm independe do fator ( )α+1 .

2.9.5 Ionização por Impacto e Tensão de Ruptura

Com a redução da temperatura, apenas uma parte dos portadores são

ionizados (Figura 18). Com uma menor quantidade de portadores na região de canal

e com a menor vibração da rede cristalina ocorre o aumento da mobilidade. Assim a

velocidade dos portadores da região de canal aumenta e a energia cinética do

portador conseqüentemente também.

A alta energia dos portadores faz com que os choques existentes entre os

portadores e os átomos do canal gerem pares elétron-lacuna com facilidade. Os

elétrons resultantes da ionização por impacto migram em sua maioria para a região

do dreno e as lacunas em direção à fonte. Devido à diferença de concentração de

dopantes uma grande quantidade de elétrons é injetada na região de canal.

Esta parcela de corrente proveniente da ionização por impacto adicionada à

corrente de dreno inicial eleva bastante a corrente total de dreno fazendo com que a

tensão de ruptura seja diminuída com a redução da temperatura.

2.9.6 Taxa de Recombinação

A dependência do processo de recombinação com a temperatura pode ser

observada a partir do modelo de Shockley-Read-Hall. Este modelo é essencialmente

composto por dois processos, a primeira teoria de que foi derivada de Shockley e

Read e a segunda de Hall. A taxa de recombinação calculada através do modelo de

Shockley-Read-Hall é modelada por:

Page 68: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

68

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

⋅++⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅+

−=

kTETRAPnip

kTETRAPnin

nipnR

NP

SRH

expexp

2

ττ ( 32 )

onde ETRAP é a diferença entre o nível de energia da armadilha e o nível intrínseco

de Fermi, o T é a temperatura da rede cristalina em Kelvin e τP e τN são os tempos

de vida dos elétron e das lacunas sob a influência da concentração de portadores.

2.10 SIMULADOR NUMÉRICO

A simulação numérica tem sido uma ferramenta fundamental ao estudo de

dispositivos semicondutores. Esta ferramenta possibilita a alteração de diversos

parâmetros a fim de compreender melhor tanto o comportamento elétrico do

dispositivo como fenômenos físicos impossíveis de serem quantizados através de

medidas experimentais.

O simulador ATLAS é um poderoso programa de simulação numérica de

dispositivos que pode ser usado para simular o comportamento de transistores MOS

e bipolares entre outros dispositivos semicondutores.73 É um simulador com

embasamento físico que prevê as características elétricas da estrutura especificada

e as condições de polarização correspondentes obtidas aplicando-se um conjunto

de operações diferenciais, derivadas das leis de Maxwell. A performance elétrica

pode ser modelada em DC, AC ou no modo transitório de operações.

O modelamento físico é diferente do empírico, pois o empírico, a partir de

fórmulas analíticas, aproxima dados existentes com boa exatidão. Não fornece a

introspecção do conhecimento teórico. A simulação numérica tornou-se muito

importante por três motivos: Primeiro porque é mais rápida e barata que as

experiências, segundo por nos permitir avaliar a influência de um determinado

parâmetro, que seria difícil ou até impossível de modificar em uma medida

experimental e terceiro por possibilitar a análise de grandezas físicas no interior do

dispositivo (em cada nó da grade de simulação).

Page 69: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

69

As simulações obedecem a uma grade triangular que nos permite modelar a

geometria do dispositivo com superfície planar ou não planar. Este simulador permite

ainda simulações em duas ou três dimensões, o que possibilita avaliar todas as

dimensões do dispositivo. Elementos adicionais podem ser inseridos conforme a

quantidade especificada pelo usuário, assim como o potencial ou a concentração de

impurezas pode variar, mesmo que os valores especificados estejam acima da

tolerância dos elementos existentes na malha do simulador. Esta flexibilidade

possibilita a modelagem de estruturas bem complexas.

2.10.1 Modelos utilizados nas simulações

Um grande número de modelos físicos pode ser incorporado ao programa

para uma simulação mais precisa. Entre os modelos estudados e considerados nas

simulações realizadas, os mais utilizados foram:

• BGN: este modelo especifica que o estreitamento do band-gap é usado;

• CONSRH: calcula o tempo de vida do portador em relação a concentração de

dopantes do Silício.

• SRH: calcula a taxa de recombinação, que é inversamente proporcional ao

tempo de vida do portador, através do modelo de Shockley-Read-Hall já

explicado no item 2.7.6, e apresentado pela equação 32. A partir deste

modelo são calculados os parâmetros de τn e τp em função da concentração

de impurezas, sabendo-se que o tempo de vida aproximado dos dispositivos

medidos era de 0,1μs.

• AUGER: calcula a transição direta de portadores entre as bandas de energia,

importantes para semicondutores com alto nível de dopantes.

Page 70: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

70

• KLASSEN: modelo de mobilidade que fornece uma descrição unificada da

mobilidade dos portadores majoritários e minoritários, incluindo o efeito da

temperatura (válido na faixa entre 77K e 500K). Entre os efeitos da influência

da temperatura na mobilidade, inclui os seguintes mecanismos já previamente

descritos na seção 2.7.2: mecanismo do espalhamento de rede, do

espalhamento de impurezas e do espalhamento portador-portador.

• WATT: é um modelo superficial de mobilidade que calcula a influência do

campo elétrico transversal aplicado ao dispositivo na mobilidade resultante.

Este modelo leva em consideração os mecanismos de espalhamento de

phonons, espalhamento de superfície e o espalhamento por impurezas

ionizadas. A equação da mobilidade efetiva calculada para elétrons e lacunas

é dada pelas equações

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

WATTNAL

neff

WATTNAL

neffneff EWATTNMREFEWATTNMREF

.2

,

.1

,,

1.2

11.1

WATTNAL

iB NNWATTNMREF

.3111

.31

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

( 33)

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

WATTPAL

peff

WATTPAL

peffpeff EWATTPMREFEWATTPMREF

.2

,

.1

,,

1.2

11.1

WATTPAL

iB NNWATTPMREF

.3111

.31

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

( 34)

onde, NB é a densidade de cargas armadilhadas na superfície, Ni é a densidade de

cargas na camada de inversão e Eeff é o campo elétrico efetivo calculado

separadamente para elétrons (n) e lacunas (p) e é dado por:

( )⊥⊥ −⋅+= EEWATTETANEE neff 0, . ( 35)

Page 71: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

71

( )⊥⊥ −⋅+= EEWATTETAPEE peff 0, . ( 36)

onde E⊥ é o campo elétrico perpendicular no ponto a ser calculado e E0 é o campo

elétrico perpendicular na interface óxido de porta semicondutor.

Na Tabela 1 são apresentados os parâmetros de ajuste do modelo e seus

valores padrões presentes no simulador.

Devido ao modelo WATT ser um modelo superficial (calculado somente na

interface óxido de porta/semicondutor), é necessário habilitar a extensão do modelo

a partir do comando mod.watt.n e/ou mod.watt.p para que o mesmo leve em

consideração toda a estrutura abaixo da superfície.

.

Tabela 1 - Parâmetros de ajuste do modelo Watt

Parâmetro Valor Unidade

ETAN.WATT 0,50

ETAP.WATT 0,33

MREF1N.WATT 481,0 cm2/(V.s)

MREF1P.WATT 92,8 cm2/(V.s)

MREF2N.WATT 591,0 cm2/(V.s)

MREF2P.WATT 124,0 cm2/(V.s)

MREF3N.WATT 1270,0 cm2/(V.s)

MREF3P.WATT 534,0 cm2/(V.s)

AL1N.WATT -0,16

AL1P.WATT -0,296

AL2N.WATT -2,17

AL2P.WATT -1,62

AL3N.WATT 1,07

AL3P.WATT 1,02

Page 72: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

72

• HEI: Este modelo propõe que um elétron tunela através do óxido devido a um

ganho de energia suficiente para vencer a barreira de potencial do

óxido/semicondutor de portador).

• FLDMOB: calcula a influência do campo elétrico paralelo aplicado ao

dispositivo na mobilidade resultante.

• TEMPERAT: modelo a partir do qual se introduz a temperatura de operação

do componente;

• FN: Este modelo calcula a parcela de corrente de tunelamento pelo óxido de

porta que ocorre pela barreira triangular. Este modelo é fortemente

dependente do campo elétrico aplicado à porta do dispositivo, mas independe

da temperatura de operação do mesmo. Este modelo de corrente de porta

está dividido entre o tunelamento de elétrons na direção da banda de

condução para a porta (FNORD) e o tunelamento de lacunas provenientes da

porta para a banda de valência do semicondutor (FNHOLES).

A densidade de corrente de tunelamento através do óxido é expressa pelas

expressões:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅=

EBEFEAEFJ FN.exp. 2 ( 37)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅=

EBHFEAHFJ FP.exp. 2 ( 38)

onde E é o campo elétrico aplicado ao óxido de porta e F.AE, F.BE, F.AH e F.BH

são parâmetros de ajuste do modelo apresentados na

Page 73: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

73

Tabela 2.

Tabela 2 - Parâmetros de ajuste do modelo de Fowler Nordheim.

Parâmetro Valor

F.AE 1,82 x 10-7

F.BE 1,90 x 108

F.AH 1,82 x 10-7

F.BH 1,90 x 108

• SHIRATA: modelo de mobilidade proposto para dispositivos MOS que

combina a parcela da mobilidade calculada para baixo campo elétrico

calculado pelo modelo KLASSEN com a dependência do campo elétrico

perpendicular na camada de inversão. Quando os modelos KLASSEN e

SHIRATA são usados juntos em uma mesma simulação, a parcela de

espalhamento de rede calculado pelo KLASSEN é omitido. Pode ser

habilitado individualmente para elétrons e lacunas. Este modelo é dado por:

SHINPSHINP

SHITHETANL

N

SHINEE

SHINEE

TSHINMU

.2.1

.

.2.11

300.0

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡+

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅

=⊥⊥

μ ( 39)

Page 74: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

74

SHIPPSHIPP

SHITHETAPL

P

SHIPEE

SHIPEE

TSHIPMU

.2.1

.

.2.11

300.0

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡+

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅

=⊥⊥

μ ( 40)

onde E⊥ é o campo elétrico perpendicular e os parâmetros de ajuste da equação

são: MU0N.SHI, MU0P.SHI, E1N.SHI, E1P.SHI, E2N.SHI, E2P.SHI, P1N.SHI,

P1P.SHI, P2N.SHI, P2P.SHI, THETAN.SHI e THETAP.SHI. Estes parâmetros tem

seus valores padrões para o simulador apresentados na Tabela 3.

Tabela 3 – Parâmetros de ajuste utilizados pelo modelo SHIRATA, representados

nas equações (39, 40).

Parâmetros Valor Unidade

MU0N.SHI 1430 cm2/(V.s)

MU0P.SHI 500 cm2/(V.s)

E1N.SHI 6,03 x 103 V/cm

E1P.SHI 8 x 103 V/cm

E2N.SHI 0,77 x 106 V/cm

E2P.SHI 3,9 x 105 V/cm

P1N.SHI 0,28

P1P.SHI 0,3

P2N.SHI 2,9

P2P.SHI 1,0

THETAN.SHI 2,285

THETAP.SHI 2,247

A partir de medidas experimentais foram ajustados alguns parâmetros

do modelo de mobilidade a fim de se obter uma resposta mais realista do

simulador numérico.

Page 75: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

75

3 EFEITO DA ELEVAÇÃO ATÍPICA DA TRANSCONDUTÂNCIA EM TRANSISTORES SOI DE PORTA ÚNICA

Conforme já foi mencionado, a diminuição da espessura do óxido de porta

para níveis ultrafinos (menores que 3nm), causa o aumento da corrente de

tunelamento. Esta, por sua vez impacta de forma prejudicial o desempenho dos

circuitos integrados CMOS8. Uma das conseqüências destas correntes de

tunelamento é a modificação do potencial de corpo no SOI MOSFET parcialmente

depletado (PD).

A corrente de tunelamento se torna cada vez mais significativa porque com o

estreitamento do óxido de porta e com o aumento da tensão aplicada na porta, o

elétron da camada de inversão (banda de condução) atravessa o óxido de porta

mais facilmente.74, 75, 76, 77

O efeito de elevação atípica da transcondutância aparece como o 2º pico de

gm e pode ser observado em transistores SOI parcialmente depletados de corpo

flutuante ou em transistores SOI totalmente depletados com a segunda interface em

acumulação78. Este efeito é de certa forma similar ao efeito de elevação abrupta de

corrente (Kink effect) que ocorre para altas tensões de dreno devido à ionização por

impacto quando o transistor encontra-se na região de saturação. Porém, no caso da

elevação atípica da transcondutância, o campo elétrico a ser considerado é o

vertical. Quando este for suficientemente alto, elétrons podem tunelar da banda de

valência do silício para a banda de condução do silício policristalino através do óxido

de porta. Isto ocorre porque para tensões de porta próxima a 1,1V, para transistores

nMOSFETs da tecnologia de 0,13μm, o nível de energia da banda de valência no

substrato alcança o nível de condução da porta10.

A corrente de tunelamento pela porta, que é responsável pela elevação

atípica da transcondutância, é formada por diferentes componentes de correntes

como já mencionado no item 2.4. Em transistores SOI nMOSFETs, a corrente de

porta para a região neutra do canal aumenta o potencial de corpo, causando efeitos

atípicos na curva da corrente de dreno e conseqüentemente na transcondutância.

Como conseqüência observa-se na região linear de polarização (baixa tensão de

Page 76: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

76

dreno) nos transistores SOI MOSFETs, um segundo pico na curva da

transcondutância em função da tensão aplicada à porta, para tensões de porta

próximas a 1,1V (Figura 21).

0,0 0,5 1,0 1,50,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

VDS= 25mV

2º Pico

Tensão de Porta (V)

Cor

rent

e de

Dre

no (μ

A)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

Transcondutância (μS)

Figura 21 – Corrente de dreno pela tensão de porta e a transcondutância

correspondente, variando a tensão de porta tanto no sentido do negativo para o

positivo como vice-versa, em um transistor SOI NMOSFET parcialmente depletado

com espessura de óxido de porta de 2,5nm.

A corrente de porta aumenta notavelmente quando a tensão de porta alcança

1V resultando em uma mudança repentina do potencial de corpo o que esta

relacionado com o segundo pico da transcondutância de dreno. Na direção reversa

da tensão de porta, o corpo está pré carregado e possui alto potencial. Abaixo de 1V

a corrente de porta é baixa de forma que a tensão de corpo diminui lentamente

devido a recombinação de portadores. Assim este efeito atípico da elevação da

transcondutância é reduzido quando a medida é realizada na direção reversa da

tensão de porta.

As características dos dispositivos estudados da tecnologia SOI de 130nm

são: espessuras de óxido de porta (toxf), filme de silício (tSi) e óxido enterrado (toxb) de

2,5nm, 100nm e 390nm, respectivamente e a concentração de dopantes do corpo do

Page 77: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

77

transistor de 5,5x1017 cm-3. A largura de canal (W) é de 10μm para a maioria dos

dispositivos medidos, enquanto para nas simulações bidimensionais as curvas são

obtidas por unidade de largura e as simulações tridimensionais foram feitas

variando-se a largura do canal entre 1μm e 10μm.

Apesar do mecanismo de tunelamento predominante, para esta tecnologia,

ser o do tunelamento direto, o modelo correspondente implementado no simulador

Atlas faz o cálculo da corrente de tunelamento pela porta considerando apenas a

parcela ECB (tunelamento de elétrons do canal de inversão). As parcelas HVB e

EVB, que causam o efeito de corpo flutuante, não estão implementadas no

simulador. Sendo assim, utilizou-se, nas simulações, o modelo de Fowler-Nordheim.

Alterando-se alguns parâmetros de ajuste do modelo, foi possível obter a mesma

densidade de corrente de tunelamento (proveniente de ECB, HVB e EVB) a fim de

simular o efeito de corpo flutuante.

3.1.1 Resultados Experimentais

A Figura 22 apresenta o comportamento da transcondutância em função da

tensão aplicada à porta (VGF) para o transistor SOI nMOSFET com diferentes

tensões de dreno (VDS) aplicadas. As medidas foram realizadas com a tensão de

dreno variando de 25mV até 125mV. A Figura 22A sugere um aumento da

amplitude do segundo pico da transcondutância com o aumento da tensão de dreno

aplicada. Porém quando o gráfico da Figura 22B, que esta normalizado por VDS, é

observado pode-se notar que a amplitude do segundo pico da transcondutância não

sofre alteração, apenas um pequeno deslocamento em direção a maior tensão de

porta com o aumento de VDS.

Com o objetivo de avaliar a influência do tamanho do transistor no efeito de

elevação atípica da transcondutância (Gate Induced Floating Body Effect - GIFBE), o

comportamento da transcondutância foi investigado mantendo-se VDS constante e

variando-se o comprimento de canal. Na Figura 23 são apresentadas as curvas da

transcondutância em função da tensão aplicada à porta para diferentes

Page 78: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

78

comprimentos de canais. As medidas foram realizadas para comprimentos de canal

diferentes começando com comprimentos de 10μm e diminuindo até 0,25μm.

0,0 0,5 1,0 1,50

10

20

30

40

50

gm (μ

A/V

)

VGF (V)

VDS= 25mV VDS= 50mV VDS= 75mV VDS= 100mV VDS= 125mV

A

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.50

100

200

300

4002º pico

gm/V

DS

(μA

/V2 )

VGF (V)

VDS= 25mV VDS= 50mV VDS= 75mV VDS= 100mV

B 1º pico

Figura 22 – Curvas da transcondutância (A) e transcondutância normalizada (B) em

função da tensão aplicada à porta para diferentes valores de VDS.

Em uma primeira análise da Figura 23A nos leva a concluir que a amplitude

do segundo pico da transcondutância tende a aumentar com a redução do

comprimento de canal. Entretanto, com a normalização da transcondutância

(equação 18) com o comprimento de canal, podemos notar que a amplitude do

segundo pico, na verdade, reduz com o comprimento de canal (Figura 23B). O

deslocamento da curva em direção à maior tensão de porta é devida a variação da

Page 79: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

79

tensão de limiar, que com a redução do comprimento de canal, aumenta devido a

maior influência da implantação do Halo.

0,0 0,5 1,0 1,50

50

100

150

200

250

300

350gm

(μA

/V)

VGF (V)

L=0,25μm L=0,50μm L=1μm L=5μm L=10μm

VDS = 25mV A

0,0 0,5 1,0 1,50

20

40

60

80

100

gm.L

(μA

/V) .

μm

VGF (V)

L=0,25μm L=0,50μm L=1μm L=5μm L=10μm

VDS =25mV

B

Figura 23 – Curvas da transcondutância (A) e da transcondutância normalizada (B)

em função da tensão aplicada à porta para diferentes valores de comprimentos de

canais.

Page 80: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

80

A Figura 24 mostra o comportamento da transcondutância em função da

tensão aplicada à porta para dispositivos com larguras de canais diferentes (W).

Pode-se notar que embora a transcondutância seja diminuída com a redução de W,

a variação de W não causa variação do ponto de disparo da elevação atípica da

transcondutância, ou seja a polarização de porta para a qual o GIFBE se inicia.

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,750,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

gm (μ

S)

VGF (V)

W=10 μm W=5 μm W=1 μm VGF=1,075V

VDS=25mVL=10μm

Figura 24 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta par

diferentes valores de largura de canal.

Uma análise mais profunda dos resultados experimentais apresentados está

descrita na próxima seção (resultados simulados).

3.1.2 Resultados Simulados

O uso de simulações numéricas como uma ferramenta auxiliar na análise

mais aprofundada dos resultados experimentais foi fundamental para o

entendimento da ocorrência do fenômeno da elevação atípica da transcondutância.

Além de reproduzir as curvas experimentais, também foram investigados a

Page 81: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

81

densidade da corrente de porta e o potencial de corpo sob as condições do GIFBE

ocorrido nos PD SOI nMOSFETs.

Vale a pena lembrar que conforme já foi escrito, os dispositivos simulados

possuem as mesmas dimensões dos dispositivos medidos, exceto para a largura de

canal, quando são consideradas as simulações bidimensionais. Neste caso todos os

resultados são dados por unidade de largura (μm).

Inicialmente, foram realizadas simulações considerando e não considerando

as correntes de tunelamento pela porta. A Figura 25 apresenta a relação da

transcondutância e do potencial de corpo com a tensão aplicada à porta para estas

condições. As curvas foram obtidas para VDS de 25 mV para dispositivos com 10μm

de comprimento de canal. A curva da transcondutância para a qual a corrente de

porta foi desprezada na simulação, não apresenta o segundo pico. Por outro lado, as

curvas da transcondutância extraídas de simulações onde a corrente de porta foi

levada em consideração apresenta o segundo pico da transcondutância. A partir

desta comparação torna-se evidente que a ocorrência do efeito da elevação abrupta

da transcondutância está necessariamente relacionada ao fluxo de corrente de porta

através do óxido de porta.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

VGF (V)

gm (μ

A/V

)/μm

0,01

0,1

gmVBody

Com corrente de tunelamento Sem corrente de tunelamento P

otencial de Corpo (V

)

Figura 25 – Comparação entre o comportamento da transcondutância e do potencial

de corpo em função da tensão aplicada à porta simuladas considerando e sem

considerar a corrente de tunelamento pela porta.

Page 82: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

82

Além das curvas da transcondutância, o potencial do corpo também foi

avaliado em ambos os casos. È possível verificar que o potencial correspondente à

primeira situação, desprezando-se a corrente de porta, o potencial é praticamente

constante, enquanto para o segundo caso onde a corrente que flui através do óxido

é considerada, o potencial de corpo aumenta exponencialmente.

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

I DS

(μA

)/μm

VGF (V)

Vds=25mV Vds=50mV Vds=75mV Vds=100mV Vds=125mV

A

0,0 0,5 1,0 1,50

10

20

30

40

gm/V

DS

(μA

/V2 )/μ

m

VGF (V)

VDS=25mV VDS=50mV VDS=75mV VDS=100mV

B

Figura 26 – Curvas simuladas da transcondutância (A) e a transcondutância

normalizadas (B) em função da tensão aplicada à porta para diferentes valores de

VDS.

Page 83: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

83

A Figura 26 mostra o comportamento da transcondutância em função da

tensão de porta, para diferentes valores de VDS. Estas simulações não apenas

confirmam as medidas experimentais, mas também mostram que o GIFBE não é

influenciado pela variação da tensão de dreno. O deslocamento ocorrido com o

segundo pico em direção a maiores tensões de porta com o aumento da tensão

aplicada ao dreno é apenas uma conseqüência da relação entre a corrente de dreno

e a tensão aplicada ao dreno (quando gm é normalizado por VDS nota-se a variação

da tensão de limiar Vth com VDS).

A influência do comprimento de canal no GIFBE também foi verificada como

pode ser observado na Figura 27. Da mesma forma que foi feito para as medidas

experimentais, a transcondutância foi normalizada com o comprimento de canal em

função da tensão aplicada à porta. Pode-se notar que há um pequeno deslocamento

do segundo pico da transcondutância em direção a maior tensão de porta com o

decréscimo do comprimento do canal (Figura 27 A). A comparação entre estas

curvas e as obtidas através de medidas experimentais (Figura 23 B) nos permite

notar que a variação da tensão de limiar não ocorre e, portanto não há o

deslocamento da curvas na direção da maior tensão de porta. Isto ocorre porque a

implantação da região do HALO não foi considerada nas simulações. Ao mesmo

tempo, o segundo pico de gm tende a diminuir com o comprimento de canal, o que

esta de acordo com as medidas realizadas.

Conforme as dimensões são reduzidas, a influência do GIFBE também

diminui. Isto acontece devido à maior capacitância de acoplamento nas junções

dreno/canal e fonte/canal, resultante da proximidade entre as regiões de depleção

provenientes da fonte e do dreno, o qual torna a variação do potencial de corpo mais

difícil.

Page 84: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

84

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

2

4

6

8

10

gm .L

(μA

/V)

VGF (V)

L=0.25μm L=0.5μm L=1μm L=3μm L=5μm L=10μm

Redução de L

A

1 101,00

1,05

1,10

1,15

1,20

gm2/g

m1

L (μm)

VDS=25mV

B

Figura 27 – Transcondutância normalizada em função da tensão de porta (A) e a

razão entre o segundo e o primeiro pico da transcondutância (B) para diferentes

comprimentos de canais. Na figura (A), a seta indica o decrescimento de L do

dispositivo.

A Figura 27 B apresenta a relação entre o segundo (gm2) e o primeiro pico

(gm1) da transcondutância em função do comprimento de canal. A partir destes

resultados, podemos notar que, como uma conseqüência da redução do GIFBE, que

Page 85: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

85

ocorre para menores comprimentos de canais devido à menor corrente de porta, a

relação gm2/gm1 também diminui. Este comportamento sugere que este efeito

indesejável venha a se tornar menos importante para dispositivos sub-micrométricos.

Simulações tridimensionais foram realizadas mantendo-se o comprimento de

canal constante e igual a 1μm, a fim de se fazer uma análise da influência da largura

do canal (W) no GIFBE. A Figura 28 não apenas confirma o comportamento da

transcondutância através dos dispositivos simulados, mas mostra que as curvas do

potencial do corpo na região neutra têm o mesmo comportamento para todas as

simulações, isto é, o potencial do corpo dispara para a mesma tensão de porta para

todas as larguras de canal avaliadas e conseqüentemente o GIFBE ocorre para a

mesma polarização de porta. O potencial de corpo mostrou-se independente da

largura de canal.

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500

20

40

60

80

100

120 W=1μm W=5μm W=10μm

VGF (V)

gm (μ

S)

L=1μmVDS=25mV

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Potencial de C

orpo (V)

Figura 28 – Curvas simuladas da transcondutância e do potencial de corpo em

função da tensão aplicada à porta para dispositivos com L=10μm e VDS=25mV,

variando a largura de canal.

Nas simulações, usou-se a corrente de porta dada por 73, já apresentada

anteriormente na seção 2.8.1:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⋅=

EBEFEAEFJ FN

.exp. 2 ( 41)

Page 86: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

86

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⋅=

EBHFEAHFJ FP

.exp. 2 ( 42)

onde o JFN é a densidade de corrente de tunelamento de elétrons, JFP a densidade

de corrente de tunelamento de lacunas, E o campo elétrico e F.AE, F.BE, F.AH e

F.BH são parâmetros de ajuste do modelo, os quais foram modificados objetivando

avaliar o GIFBE para diferentes níveis de corrente de porta.

Como a ocorrência do GIFBE é relacionada à corrente de porta, diversas

simulações foram realizadas variando-se o nível de corrente de porta. A Figura 29

mostra o comportamento da transcondutância e da tensão de limiar, que é obtida

através do primeiro pico da derivada de gm, em função da tensão aplicada à porta

para diferentes correntes de porta.

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,50,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

VGF (V)

gm (μ

A/V

)/μm

IG

L=10μmVDS=25mV

-2,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

dgm / dV

GF (μA

/V2)/μm

Figura 29 – Transcondutância e a derivada de gm em função a tensão de porta para

diferentes níveis de corrente de porta.

As curvas da transcondutância apresentam um deslocamento na posição do

segundo pico de gm (GIFBE) em direção a menores valores de tensões de porta

com o aumento da corrente de tunelamento. Entretanto, não houve deslocamento da

tensão de limiar, com a variação da corrente de tunelamento. Para valores de VGF

próximos da unidade, a curva da derivada da transcondutância começa a crescer

Page 87: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

87

novamente devido a presença do tunelamento, que é responsável pela ocorrência do

segundo pico. Como já mencionado anteriormente, esta corrente de tunelamento

causa o aumento do potencial de corpo, que por sua vez causa na redução da

tensão de limiar, resultando em um excesso de corrente de dreno.

A Figura 30 apresenta o comportamento de gm variando o tempo de vida dos

portadores de 0,5ns até 50ns em função da VGF.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

VGF (V)

gm (μ

A/V

)/μm

Aumento do Tempo de Vida dos Portadores

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Potencial de C

orpo (V)

Figura 30 – Curvas da transcondutância e do potencial de corpo em função da

tensão aplicada à porta para diferentes tempos de vidas de portadores. A seta indica

o sentido do aumento do tempo de vida do portador.

Pode-se observar que o segundo pico da transcondutância desloca-se em

direção a maiores tensões aplicadas a porta, quando os tempos de vida de elétrons

e de lacunas são reduzidos. Sabendo-se que o tempo de vida dos portadores é

inversamente proporcional à taxa de recombinação,79, 80 a redução do tempo de vida

dos portadores (elétrons e lacunas) causam um aumento na taxa de recombinação.

Por sua vez, uma maior recombinação implica no aumento do potencial tardio devido

ao fato de, o aumento inicial do potencial ser em parte compensado pelo aumento da

taxa de recombinação. Então com o disparo do potencial ocorrendo para maiores

tensões de porta, a ocorrência do GIFBE mais tardiamente, resulta em um melhor

controle do transistor.

Page 88: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

88

Também foi realizada uma breve análise da resposta em freqüência do efeito

de elevação atípica da corrente de dreno. Simulações numéricas bidimensionais

foram realizadas com uma sinal de tensão alternado (AC) de pequena amplitude

(20mV) sobreposto a uma polarização estática (DC) aplicada na porta. A partir da

Figura 31 é possível notar que, com o aumento da freqüência, o segundo pico da

transcondutância ocorre para tensões de porta mais elevadas e que sua amplitude é

reduzida como é esperado na literatura81. Para os dispositivos simulados (tecnologia

CMOS de 130nm) o efeito de corpo flutuante em questão é suprimido, no intervalo

de polarização de porta estudado, quando aplicadas freqüências superiores a

10KHz. Quando o comportamento da transcondutância é analisado para diferentes

freqüências, o resultado é análogo ao resultado obtido quando variado o tempo de

vida do portador, onde o potencial do corpo também é disparado para maiores

tensões aplicadas à porta do dispositivo, causando a ocorrência do efeito de corpo

flutuante mais tardiamente.

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,750

10µ

15µ

20µL=1μmVDS=50mV

gm (S

)

VGF(V)

0.01Hz 1Hz 100Hz 1KHz 10KHz

Aumento da Frequência

Figura 31 – Comportamento da transcondutância em função da tensão

aplicada à porta do dispositivo para diferentes freqüências.

Page 89: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

89

4 EFEITO DA ELEVAÇÃO ATÍPICA DA TRANSCONDUTÂNCIA EM TRANSISTORES DE PORTA GÊMEA

A Figura 32 mostra a secção transversal de uma estrutura SOI de porta

gêmea onde toxf é a espessura do óxido de porta, tSi é a espessura da camada de

silício, toxb é a espessura do óxido enterrado, LMESTRE é o comprimento do transistor

mestre, LINNER é o comprimento da região n+ de contato flutuante, LESCRAVO é o

comprimento do transistor escravo, VGF é a tensão aplicada à porta, VDS é a tensão

aplicada ao dreno, VS é a tensão aplicada à fonte e VGB é a polarização do substrato.

As características dos dispositivos SOI nMOSFETs estudados são: espessura do

óxido de porta, espessura da camada de silício e espessura de óxido enterrado de

2.5nm, 100nm e 390nm, respectivamente e a concentração de dopantes no canal é

de 5.5x1017 cm-3. A largura do canal é de 10μm para os dispositivos medidos,

enquanto para os dispositivos simulados as respostas são apresentadas por unidade

de largura visto que as simulações são bidimensionais. O comprimento do transistor

mestre é de 0.8μm, o comprimento do transistor escravo é de 0.25μm, enquanto o

comprimento do transistor SOI convencional é igual ao comprimento total sendo de

1.05μm. O comprimento da região n+ de contato flutuante (LINNER) foi variada no

intervalo de 0.1μm até 10μm.

N+N+N+ P+ P+

VSVDS

VGF

VGB

LMASTER LINNER LSLAVE

toxf

tSi

toxb

N+N+N+ P+ P+

VSVDS

VGF

VGB

LMESTRE LINNER LESCRAVO

toxf

tSi

toxb

Figura 32 – Secção transversal de uma estrutura SOI de porta gêmea.

Page 90: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

90

O uso da estrutura de porta gêmea que se mostrou muito eficiente na

supressão do efeito de elevação abrupta de corrente (Kink) em saturação agora é

objeto de estudo na região linear de polarização, com o objetivo de verificar se esta

estrutura também será eficiente na supressão deste novo efeito de corpo flutuante

uma vez que o campo elétrico a ser considerado é o perpendicular.

4.1 RESULTADOS SIMULADOS

A Figura 33 apresenta uma primeira análise do comportamento do efeito da

elevação atípica da transcondutância em dispositivos de porta gêmea onde é

explorada a relação entre a transcondutância e os potenciais de corpo dos

transistores mestre e escravo em função da tensão aplicada à porta para esta

estrutura.

-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5 LMESTRE

LESCRAVO

VGF (V)

Pot

enci

al d

e C

orpo

(V)

VDS=50mVLinner =1μm

0,0

2,5

5,0

7,5

10,0

12,5

15,0

17,5

gm (μS

)/μm

Figura 33 – Comparação entre a transcondutância e o potencial de corpo em função

da tensão aplicada à porta para dispositivos de porta gêmea com VDS=50mV.

Page 91: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

91

Pode-se notar que o GIFBE é iniciado quando o potencial de corpo do

transistor mestre torna-se exponencial.

A diferença entre as curvas do potencial de corpo dos transistores mestre e

escravo é devida às diferenças das correntes de tunelamento (EVB). Isto ocorre

devido à corrente de tunelamento EVB não depender apenas do potencial aplicado à

porta, mas também ao comprimento de canal visto que os demais parâmetros físicos

do componente são os mesmos para ambos os transistores conectados em série.

A fim de explicar a descrição do potencial de corpo citada acima, novamente

foram realizadas simulações numéricas bidimensionais, onde os comprimentos dos

transistores mestre e escravo foram alterados entre si para esta análise como pode

ser visto na Figura 34.

Figura 34 – Relação entre o potencial de corpo extraído na região neutra do corpo e

a tensão aplicada à porta para transistores de porta gêmea.

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.500.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

VDS = 50mV

LMESTRE = 0.8μm

LESCRAVO = 0.25μm

LINNER = 0,1, 0,5 and 1μm

LPORTA ÚNICA = 0,8+0,25=1,05μm

Pot

enci

al d

e C

orpo

(V)

VGF (V)

mestre escravo SOI

A

0 ,0 0 0 ,2 5 0 ,5 0 0 ,7 5 1 ,0 0 1 ,2 5 1 ,5 00 ,0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

Pot

enci

al d

e C

orpo

(V)

V G F (V )

L M E S T R E

L E S C R A V O

L M E S T R E = 0 ,8 μ mL E S C R A V O = 0 ,8 μ m

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Pot

enci

al d

e C

orpo

(V)

V G F (V)

LMESTRE

LESCRAVO

LMESTRE = 0,25μmLESCRAVO = 0,8μm

B C

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.500.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

VDS = 50mV

LMESTRE = 0.8μm

LESCRAVO = 0.25μm

LINNER = 0,1, 0,5 and 1μm

LPORTA ÚNICA = 0,8+0,25=1,05μm

Pot

enci

al d

e C

orpo

(V)

VGF (V)

mestre escravo SOI

A

0 ,0 0 0 ,2 5 0 ,5 0 0 ,7 5 1 ,0 0 1 ,2 5 1 ,5 00 ,0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

Pot

enci

al d

e C

orpo

(V)

V G F (V )

L M E S T R E

L E S C R A V O

L M E S T R E = 0 ,8 μ mL E S C R A V O = 0 ,8 μ m

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Pot

enci

al d

e C

orpo

(V)

V G F (V)

LMESTRE

LESCRAVO

LMESTRE = 0,25μmLESCRAVO = 0,8μm

B C

Page 92: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

92

A Figura 34A apresenta a comparação do comportamento do potencial de

corpo entre os transistores SOI de porta única e SOI de porta gêmea em função da

tensão de porta. Para VGF menores que 1V, o potencial do transistor escravo da

estrutura de porta gêmea é maior que do transistor mestre devido a polarização de

dreno de 50mV. Com o aumento da tensão de porta, a corrente de tunelamento EVB

também aumenta resultando em um aumento do potencial de corpo. Embora

inicialmente o transistor escravo esteja em um maior potencial, devido a maior área

de porta do transistor mestre, a corrente de tunelamento EVB é maior no transistor

mestre que no escravo resultando em um maior aumento do potencial que por sua

vez varia juntamente com a corrente EVB. Com isso há uma interseção entre as

curvas do potencial de corpo dos transistores mestre e escravo porque o potencial

cresce primeiro para o mestre e apenas para maiores polarizações de porta este

crescimento ocorre para o transistor escravo.

Em uma primeira análise, podemos concluir que o potencial de corpo

depende da tensão de porta, da concentração de dopantes e da área da porta.

Conclusões similares foram observadas quando às Figura 34B e Figura 34C foram

consideradas. Para o dispositivo de porta gêmea com o transistor escravo

comprimento de canal maior que o mestre (Figura 34 B), as curvas dos potenciais de

corpo não interceptam uma a outra. O potencial de corpo do transistor escravo

inicialmente é maior devido à tensão aplicada ao dreno, devido à maior área de porta

e conseqüentemente maior corrente de tunelamento deste transistor, o disparo

exponencial do potencial de corpo ocorre antes que no transistor mestre. Quando os

transistores mestre e escravo possuem o mesmo comprimento de canal, isto é, a

mesma área de porta (Figura 34), apesar da diferença do potencial de corpo inicial,

ambos os potenciais tornam-se exponenciais para a mesma tensão de porta,

provando que a corrente de tunelamento EVB não depende da estrutura de porta

gêmea, mas da área da porta do transistor.

A Figura 35 apresenta a influência do comprimento da região n+ de contato

flutuante (LINNER) no GIFBE. As curvas da transcondutância são normalizadas pela

tensão de dreno. As simulações foram realizadas com LINNER variando no intervalo

de 0.1μm até 10μm.

Page 93: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

93

-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,000

50

100

150

200

250

300

350

gm/ V

DS (μ

A/V

2 )/μm

VGF (V)

Linner=0,1μm Linner=0,5μm Linner=1μm Linner=2μm Linner=4μm Linner=8μm Linner=10μm

Linner

Figura 35 – Curvas da transcondutância normalizada pela tensão de dreno em

função da tensão aplicada à porta para LINNER variando no intervalo de 0.1μm até

10μm.

Embora uma primeira análise baseada nos resultados das simulações da

Figura 34 nos levam a concluir que a estrutura de porta gêmea não tem influência na

corrente de porta e, portanto não causariam nenhuma alteração no GIFBE, é sabido

que a degradação da mobilidade ocasionará um efeito semelhante ao causado pela

resistência série de fonte/dreno nas características de tensão e de corrente,82 e que

a degradação da mobilidade e a resistência série são dois importantes parâmetros

na caracterização dos transistores SOI MOSFETs.

A partir da Figura 35, é possível verificar que a presença da região n+ de

contato flutuante no canal causa uma redução da amplitude do segundo pico da

transcondutância. Conseqüentemente, devido ao aumento desta resistência série

adicional há uma redução ainda maior da amplitude do segundo pico de gm, o qual

sugere uma redução do efeito de corpo, devido ao aumento da degradação da

mobilidade causada pela região n+ de contato flutuante inerente à estrutura. O

potencial de corpo mostrou-se independente ao comprimento da região n+ de

contato flutuante.

A resistência total do transistor de porta gêmea foi extraída a fim de avaliar a

resistência série adicional citada acima. Visto que simulações numéricas foram

Page 94: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

94

realizadas mantendo-se constantes a concentração de dopantes, os comprimentos

das regiões de fonte e dreno e também o comprimento dos transistores mestre e

escravo, a variação atribuída à resistência total do dispositivo é causada pela

variação do comprimento da região n+ de contato flutuante, isto é, da resistência

série que esta região impõe ao dispositivo.

0 2 4 6 8 10

4750

5000

5250

5500

5750

6000

LINNER (μm)

Res

istê

ncia

Tot

al (Ω

)

VDS=50mVLESCRAVO=0,25μmLMESTRE=0,8μm

0,25

0,38

0,50

0,63

0,75

0,88

1,00

1,13

Fator θ Efetivo (V

-1)

Figura 36 – A resistência total e o fator de degradação efetivo de mobilidade em

função do comprimento da região n+ de contato flutuante

A Figura 36 apresenta a resistência total e o fator de degradação efetivo de

mobilidade em função do comprimento da região n+ de contato flutuante Estes

parâmetros foram extraídos para ambas as estruturas de porta única e de porta

gêmea, onde LINNER igual a zero representa a estrutura de porta única. Dividindo VDS

por IDS obtivemos a resistência total para VGF igual a 0.9V. O fator de degradação

efetivo de mobilidade (θ) foi extraído da curva da transcondutância utilizando a

seguinte expressão: 83

Page 95: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

95

( )thGFN VV −+

μμ

10

( 43 )

onde μ0 foi extraído da transcondutância máxima e μN para VGF =0.9V.

A partir da relação entre a resistência total e o fator efetivo de degradação de

mobilidade, como mostrado na Figura 36, pode ser observado um aumento do fator

θ com LINNER, que é devido à resistência série.

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,00,0

3,0

6,0

9,0

12,0

15,0

18,0

SOI de Porta Única SOI de Porta Gêmea

Linner=10μm

Linner=4μm

gm (μ

A/V

)/μm

VGF (V)

Linner=0,5μm

VDS=50mVLcanal=1,05μm

Figura 37 – Transcondutância em função da tensão aplicada à porta para estruturas

SOI convencional com resistência série adicional e para transistores de porta

gêmea.

Simulações da estrutura SOI de porta única com os comprimentos das

regiões de fonte e dreno iguais ao da estrutura de porta gêmea acrescidas de uma

quantia equivalente ao LINNER, foram realizadas. Fazendo então, com que a

resistência série da estrutura SOI de porta única fosse aumentada e nenhuma outra

influência, que a estrutura de porta gêmea poderia adicionar a análise, fosse

considerada. A Figura 37 apresenta as curvas de transcondutância obtidas em

Page 96: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

96

função da tensão aplicada à porta para a estrutura SOI convencional com adicional

resistência série e para estruturas de porta gêmea, através da qual podemos notar

que ambas as estruturas apresentam o mesmo comportamento.

A partir destes resultados pode-se verificar que a redução do GIFBE

observado para transistores de porta gêmea é apenas devido à resistência série

adicional introduzida pela região n+ de contato flutuante.

4.2 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

As medidas das estruturas SOI de porta única e SOI de porta gêmea foram

realizadas, em temperatura ambiente. A Figura 38 apresenta o comportamento da

transcondutância em função da tensão aplicada à porta para ambas as estruturas.

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500

25

50

75

100

125

150

175

200

VGF (V)

gm (μ

A/V

)

SOI de Porta Gêmea - LMESTRE=0.3μm, LESCRAVO=0.8μm SOI de Porta Gêmea- LMESTRE=0.8μm, LESCRAVO=0.3μm SOI de Porta Única - L=1μm

Figura 38 – Transcondutância em função da tensão de porta com a tensão de dreno

de 50mV, para um transistor SOI convencional e uma estrutura de porta gêmea.

Pode-se notar que a degradação da transcondutância é maior e a amplitude

do segundo pico de gm é menor para as estruturas de porta gêmea. Os resultados

obtidos para os dispositivos de porta gêmea mostram-se independentes dos

Page 97: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

97

comprimentos de canais das regiões mestre e escravo do transistor, visto que neste

caso, o campo elétrico em questão é o perpendicular. Estes resultados sugerem que

o principal efeito da estrutura de porta gêmea no efeito de elevação atípica da

transcondutância provém da alta resistência série inerente à estrutura.

Foi também medido o transistor SOI de porta única, colocando-se diferentes

resistências externas em série com a fonte. Os resultados correspondentes estão

apresentados na Figura 39. As curvas da transcondutância mostram que, com a

resistência externa mais alta, o GIFBE é reduzido e a degradação da

transcondutância é aumentada. Este comportamento também foi avaliado por

simulações numéricas Este comportamento é similar ao observado nas figura 28 e

30 apresentados na secção de resultados simulados do transistor de porta gêmea,

indicando que a real influência desta estrutura no GIFBE é a alta resistência série,

como previamente sugerido. Esta redução do GIFBE resulta da competição entre o

aumento do potencial de corpo e o aumento da degradação aparente da mobilidade,

onde a última destaca-se devido a alta resistência série.

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500

25

50

75

100

125

150

175

gm (μ

A/V

)

VGF (V)

Rseries 50Ω 100Ω 150Ω 200Ω 250Ω 500Ω

SOI de Porta Única L=1μmVDS=50mV

Figura 39 - Transcondutância em função da tensão de porta com a tensão de dreno

de 50mV, para um transistor SOI convencional com diferentes resistências em série

com a fonte.

Page 98: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

98

5 INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS FÍSICOS E DA TEMPERATURA NO EFEITO DE ELEVAÇÃO ATÍPICA DA

TRANSCONDUTÂNCIA

5.1 INFLUÊNCIA DA REDUÇÃO DA ESPESSURA DO ÓXIDO DE PORTA

Foram utilizados dispositivos de duas tecnologias diferentes (130nm e 65nm)

para analisar a influência da redução da espessura do óxido de porta no efeito de

corpo flutuante.

Da tecnologia SOI CMOS de 130nm foram estudados transistores totalmente

e parcialmente depletados. As características dos dispositivos parcialmente

depletados são: espessura efetiva do óxido de porta (EOT), a espessura da camada

de silício e do óxido enterrado de 2,5nm, 100nm, e 390nm respectivamente e uma

concentração de corpo de 5,5x1017 cm-3. Os dispositivos totalmente depletados

possuem a mesma espessura de óxido de porta e a mesma concentração de corpo,

mas as espessuras da camada de silício e do óxido enterrado são de 30nm e 200nm

respectivamente.

No caso da tecnologia de 65nm, apenas os dispositivos totalmente depletados

foram explorados e suas características são: espessura efetiva do óxido de porta,

camada de silício e óxido enterrado de 1,5nm, 15nm e 150 nm, respectivamente.

Nas análises realizadas através das simulações bidimensionais todos os

parâmetros tecnológicos foram mantidos constantes exceto a espessura do óxido de

porta que variou de 1nm até 3nm.

A Figura 40 apresenta a curva simulada da transcondutância normalizada em

função da tensão de porta para diferentes espessuras de óxido de porta. A

transcondutância foi normalizada pelo comprimento e largura do canal e pela

capacitância do óxido de porta por unidade de área (Coxf). A partir desta figura é

possível notar que como o óxido de porta é reduzido, o segundo pico da

transcondutância ocorre para menores tensões de porta. Embora a Figura 40

apresente os resultados obtidos das simulações de transistores parcialmente

Page 99: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

99

depletados, o mesmo comportamento foi obtido para os dispositivos totalmente

depletados quando a segunda interface esta acumulada.

O segundo pico da transcondutância sofre um deslocamento em direção à

menor tensão de porta com a redução da espessura do óxido de porta devido ao

aumento da corrente de tunelamento, que por sua vez resulta no carregamento do

potencial de corpo para menores tensões aplicadas à porta.

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.50

1

2

3

4

5

6

7

8

VGF (V)

gm

.L/C

OXF

.W (S

/F)/μ

m

toxf =1nm toxf =1,5nm toxf =2,5nm toxf =3nm

PD SOI

Redução de toxf

Figura 40 - Curvas da transcondutância normalizada em função da tensão de porta

para diferentes espessuras do óxido de porta.

Devido ao fato de o transistor totalmente depletado não apresentar o efeito de

corpo flutuante (observado através do segundo pico da transcondutância) enquanto

a tensão no substrato não for negativa o suficiente para acumular a segunda

interface, foi realizada a medida deste tipo de transistor variando-se a tensão

aplicada ao substrato. A Figura 41 apresenta o comportamento da transcondutância

em função da tensão aplicada à porta de um transistor FD SOI nMOSFET de

comprimento de canal igual a 10μm, variando-se a tensão aplicada ao substrato do

mesmo.

A partir deste gráfico é possível notar que quando é aplicado um potencial

positivo ao substrato, na região de sublimiar, aparece uma alta corrente de fuga.

Esta se deve ao fato de que aplicando cada vez tensões mais positivas ao substrato

Page 100: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

100

a segunda interface tende à inversão. Já com tensões aplicadas ao substrato muito

próximas de zero, a segunda interface encontra-se em depleção e como o corpo

encontra-se totalmente depletado, não ocorre o efeito de corpo flutuante. Porém

quando são aplicadas tensões cada vez mais negativas, a segunda interface tende a

acumular e quando isso ocorre, devido ao desacoplamento das interfaces o efeito de

corpo flutuante aparece neste tipo de transistor.

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.50.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

VGB> 0

gm (μ

A/V)

VGF (V)

VSUB=20V VSUB=15V VSUB=10V VSUB=5V VSUB=0V VSUB=-5V VSUB=-10V VSUB=-15V VSUB=-20V

L= W =10μmVDS=25mV

VGB< 0

A

-20 -10 0 10 200.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Vth

(V)

VGB (V)

B

Figura 41 – Curva experimental da transcondutância em função da tensão aplicada a

porta variando-se a tensão aplicada ao substrato (A) e a tensão de limiar obtida em

função de VGB (B) para o transistor totalmente depletado da tecnologia de 130nm.

Page 101: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

101

A derivada da transcondutância em função da tensão de porta foi extraída

para todos os dispositivos medidos e simulados. Através destas curvas foram

obtidas as tensões de limiar do dispositivo e a tensão de limiar do segundo pico da

transcondutância (Vt2) pelos primeiro e segundo pico de dgm/dVGF respectivamente.

A diferença entre as tensões de limiar obtidas para os dispositivos parcialmente e

totalmente depletados é também devido ao fato de que o efeito da elevação atípica

da transcondutância ocorre em transistores totalmente depletados apenas se a

segunda interface estiver acumulada como apresentado acima, portanto um

polarização de -20 V foi aplicada ao substrato.

Conforme a tensão de limiar diminui para dispositivos com óxidos de porta

menores, a Figura 42 mostra que a redução de Vt2 é maior que a redução da tensão

de limiar e conseqüentemente a diferença entre Vt2 e Vth torna-se menor para

dispositivos com menores espessuras de óxido.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,50,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

PD SOI FD SOI

toxf (nm)

Vth (V

)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Vt2 (V

)

Tecnologia CMOS de 130nm

Figura 42 -. Variação da tensão de limiar (Vth) e do limiar do segundo pico da

transcondutância (Vt2) em função da espessura do óxido de porta.

Os resultados experimentais, apresentados na Tabela 4, indicam que Vt2

apresenta a mesma tendência prevista pelas simulações quando o óxido de porta é

reduzido. Entretanto, temos que considerar que no caso da análise experimental,

Page 102: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

102

não é escalado apenas o óxido de porta, mas todas as outras dimensões. Como

resultado uma maior polarização de substrato é necessária para acumular a

segunda interface, o que resulta em uma maior tensão de limiar. Com o aumento da

tensão de limiar do dispositivo e a redução do limiar do segundo pico da

transcondutância tende-se a sobreposição dos picos.

Tabela 4 - Valores experimentais de Vth e Vt2 para as tecnologias de 130nm e 65nm.

Tecnologia de 130nm (toxf =2,5nm) - FD SOI

Tecnologia de 65nm (toxf =1,5nm) - FD SOI

Vth 0,500 0,530

Vt2 1,075 0,990

A Figura 43 apresenta o comportamento da transcondutância para diferentes

espessuras de óxido de porta e diferentes concentrações de corpo em função da

tensão aplicada à porta.

Na Figura 43 A são apresentados os resultados das simulações e os

resultados experimentais obtidos para o transistor FD SOI, enquanto na Figura 43 B

os resultados apresentados foram obtidos para transistores PD SOI nMOSFETs.

Sabe-se que a presença do HALO no dispositivo causa um aumento da

concentração efetiva na região neutra. Esta situação também foi simulada

considerando a concentração do corpo igual a 1x1018cm-3. Estas figuras mostram que

além da ocorrência prévia do GIFBE com a redução do óxido de porta, quando a

concentração de corpo aumenta, Vt2 ocorre ainda mais cedo para dispositivos PD

enquanto não sofrem alteração para os dispositivos FD, embora a tensão de limiar

aumente devido ao aumento da concentração de corpo.

Page 103: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

103

0,0 0,5 1,0 1,50

10

20

30

40

gm (μ

S)/μ

m

VGF (V)

Concentração 5E17 1E18toxf=3nm toxf=2,5nm toxf=2nm toxf=1,5nm toxf=1nm Experimental

FD SOI tSi=30nmtoxb= 200nmVDS =25mV

A

0.0 0.5 1.0 1.50.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

gm (μ

S)/μ

m

VGF (V)

PD SOItSi = 100nmtoxb = 390nm VDS=25mV

B

Figura 43 - Transcondutância em função da tensão de porta para diferentes

espessuras de óxido de porta e concentrações de corpo para FD SOI nMOSFETs

(A) and PD SOI nMOSFETs (B).

Page 104: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

104

A Figura 44 mostra a transcondutância em função da tensão de porta para

dispositivos com diferentes espessuras de óxido de porta e concentrações de corpo.

Nestas curvas a tensão de limiar foi mantida constante variando-se a concentração

de dopantes próxima a superfície da primeira interface. Nesta figura é possível notar

que quando a tensão de limiar é mantida constante, com a redução do óxido de

porta Vt2 torna-se cada vez mais próximo da tensão de limiar do dispositivo. Para

dispositivos com óxidos de porta de 1nm é possível ver a sobreposição dos dois

picos de gm.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

gm (μ

S)/μ

m

VGF(V)

Corpo 1x1018cm-3 5x1017cm-3

toxf=1nm toxf=1,5nm toxf=2nm toxf=2,5nm toxf=3nm

Figura 44 - Curvas simuladas da transcondutância em função da tensão de porta

para dispositivos PD com tensões de limiar constantes e diferentes espessuras de

óxidos de porta.

Considerando que a diferença entre Vt2 e Vth é menor para dispositivos FD, a

tendência da sobreposição dos picos de gm deve ocorrer mesmo para óxidos de

porta mais espessos.

Page 105: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

105

0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

toxf=1,5nm

toxf=1nmtoxf=2nm

toxf=2,5nm

Pote

ncia

l de

Cor

po (V

)

VGF (V)

Concentração de Corpo = 5x1017 cm-3 Concentração de Corpo = 1x1018 cm-3

toxf=3nm

Figura 45 - Comportamento do potencial de corpo em função da tensão aplicada à

porta para diferentes toxf e concentrações de corpo em transistores PD SOI

nMOSFETs.

O comportamento do potencial de corpo em função da tensão aplicada na

porta para PD SOI nMOSFETs é apresentado na Figura 45. Pode-se observar que a

tensão da porta, para a qual o potencial do corpo torna-se exponencial, é menor

para dispositivos com concentrações de corpo mais elevadas e os óxidos de porta

mais finos causando a ocorrência prévia do GIFBE, como observado na Figura 43.

Independente da espessura do óxido da porta e da concentração do corpo,

quando o potencial de corpo aumenta de aproximadamente 20mV a redução da

tensão de limiar torna-se mais importantes que a degradação da mobilidade

associada ao campo elétrico vertical, e conseqüentemente ocorre o início do GIFBE.

A Figura 46 apresenta as derivadas das curvas experimentais da

transcondutância em função da tensão aplicada à porta para tecnologias de 130nm e

de 65nm. O primeiro pico destas curvas representa o Vth e segundo, o Vt2. Pode-se

notar que Vth torna-se mais próximo de Vt2 a medida que os dispositivos são

escalados, tendendo então à sobreposição dos picos, de acordo com o que foi

previamente sugerido.

Page 106: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

106

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50-30

-15

0

15

30

45

60

75

PD SOI, toxf=2,5nm FD SOI, toxf=2,5nm FD SOI, toxf=1,5nm

d gm

/ d

VG

F (μA

/V2 )

VGF (V)

Vt2Vth

Figura 46 - Curvas experimentais da derivada da transcondutância em função da

tensão aplicada a porta para diferentes tecnologias.

Page 107: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

107

5.2 ESTUDO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA

É conhecido que quando a temperatura aumenta, a amplitude do segundo

pico da transcondutância é atenuada 84. Portanto, o segundo pico tende a

desaparecer com o aumento da temperatura devido ao processo de geração e

recombinação, resultando em uma variação menor do potencial de corpo. A partir da

Figura 47, pode-se notar que o processo de recombinação não é somente

responsável pela redução da amplitude do pico, mas também pelo deslocamento da

tensão de limiar do segundo pico da transcondutância (Vt2) para uma tensão mais

alta de porta. Este deslocamento do segundo pico da transcondutância em direção a

uma maior tensão de porta é desejável para se obter um melhor controle do

transistor. Como já citado anteriormente, o Vt2 é obtido a partir da derivada do

segundo pico da transcondutância.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

gm (μ

A/V

)/μm

VGF (V)

Aumento do Processo de Recombinação

PD SOI nMOSFETL=10μmVDS=25mV

Figura 47 - Simulação da influência do processo de recombinação no GIFBE.

O estudo da influência da temperatura foi realizado tanto em transistores

parcialmente como nos totalmente depletados. Como já mencionado anteriormente,

os transistores totalmente depletados não sofrem o efeito de elevação abrupta da

Page 108: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

108

transcondutância enquanto a polarização de substrato não for suficientemente

negativa para acumular a segunda interface (Figura 41).

O comportamento experimental da tensão de limiar do segundo pico da

transcondutância nos transistores totalmente depletados foi analisada em função da

temperatura, em um intervalo de 150K até 400K. Para temperaturas acima de 400K

a recombinação de portadores é tal que o segundo pico não é mais perceptível na

curva da transcondutância para os dispositivos totalmente depletados estudados.

Quando este estudo foi realizado em transistores parcialmente depletados, o

intervalo de temperatura utilizado foi de 100K à 450K. Para os dispositivos

parcialmente depletados foi possível a visualização do segundo pico da

transcondutância na temperatura de 450K pois devido a existência da região neutra

nestes transistores, eles são naturalmente mais susceptíveis aos efeitos de corpo

flutuante.

A Figura 48 apresenta o comportamento de Vt2 com a redução da

temperatura para um transistor totalmente depletado. É possível notar na Figura 48A

a maior amplitude do segundo pico da transcondutância para operação em baixas

temperaturas e a redução do mesmo quando a temperatura aumenta. Através da

derivada das curvas da transcondutância para temperaturas acima da temperatura

ambiente (300K), é possível observar que enquanto a tensão de limiar do dispositivo

é reduzida, o limiar do segundo pico ocorre para maiores tensões de porta devido a

alta taxa de recombinação (Figura 48B). No entanto, para temperaturas abaixo de

300K (Figura 48C) obtem-se tanto o aumento da tensão de limiar como o aumento

do limiar do segundo pico de gm. Avaliando ambas os gráficos em questão (Figura

48 B e C), é fácil de notar que o menor valor de Vt2 ocorre para a temperatura de

300K, resultando em um comportamento de Vt2 na forma de uma letra “C”.

Page 109: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

109

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

gm (μ

A/V

)

VGF (V)

Temperatura 400K 350K 300K 250K 200K 150K

FD SOIL=10μmW=0,3μm

Aumento da temperatura

VDS= 25mVVSUB= -20V

A

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

gm (μ

A/V

)

VGF (V)

Temperatura 400K 350K 300K 250K 200K 150K

FD SOIL=10μmW=0,3μm

Aumento da temperatura

VDS= 25mVVSUB= -20V

A

0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

d gm

/DV G

F (μA

/V2 )

VGF (V)

Temperatura 400K 350K 300K

Vt

Vt2

B

0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

0

2

4

6

8

10

12

VGF (V)

d gm

/DV G

F (μA

/V2 )

Temperatura 300K 250K 200K 150K

Vt2

Vt

C

Figura 48 – Comportamento experimental da transcondutância em função da tensão

aplicada à porta para temperatura variando de 150 K até 400 K (A). Derivada das

curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta para altas (B) e

baixas temperaturas(C).

Page 110: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

110

Quando o transistor avaliado em função da temperatura é do tipo

parcialmente depletado as mesma observações podem ser feitas e o mesmo

resultado do comportamento em forma de “C” é obtido como pode ser visto na

Figura 49.

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500

100

200

300

400

500

600

gm(μ

S)

VGF (V)

PD SOI nMOSFETW=10μmL=0,3μmVDS=25mVtoxf=2,5nm

450K

100K

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,500

100

200

300

400

500

600

gm(μ

S)

VGF (V)

PD SOI nMOSFETW=10μmL=0,3μmVDS=25mVtoxf=2,5nm

450K

100K

Figura 49 - Comportamento experimental da transcondutância em função da tensão

de porta para temperaturas variando entre 100K e 450K.

Os transistores parcialmente depletados da tecnologia SOI CMOS de 0,13μm

foram medidos variando-se o comprimento de canal entre 0,3μm e 5μm e os

totalmente depletados foram medidos variando-se a largura de canal entre 0,225μm

e 0,3μm. O mesmo comportamento, para o deslocamento de Vt2, em formato de “C”

foi obtido para ambos os tipos de transistores, como pode ser visto na Figura 50.

Page 111: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

111

100

150

200

250

300

350

400

450

0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30

Vt2(V)

Tem

pera

tura

(K)

W=0.225μm W=0.25μm W=0.275μm W=0.3μm

L=10μm

FD SOI nMOSFETsVDS= 25mVVSUB= -20V

A

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35

Vt2 (V)

Tem

pera

tura

(K)

L=0,3μm L=0,4μm L=0,5μm L=0,6μm L=0,8μm L=1,0μm L=5,0μm

PD SOI nMOSFETW=10μm

B

Figura 50 - Tensão de limiar do segundo pico da transcondutância obtido

experimentalmente em diferentes temperaturas para diferentes larguras de canal (A)

e diversos comprimentos de canal (B).

Page 112: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

112

Com o objetivo de avaliar a influência do processo de recombinação no

deslocamento de Vt2 com a variação da temperatura, foram realizadas simulações

numéricas onde considerou-se tanto a mobilidade de baixo campo elétrico (μ0)

quanto o fator de degradação efetiva da mobilidade (θ) constantes em função da

temperatura. Pode-se notar na Figura 51 que quando o efeito da mobilidade é

desprezado, Vt2 tende a ocorrer mais cedo com a redução da temperatura, mesmo

para temperaturas menores que 300K. Este efeito ocorre devido apenas ao processo

de recombinação, que é menor em baixas temperaturas. A menor recombinação

resulta em um carregamento prévio do corpo, o que por sua vez, causa um disparo

precoce do potencial de corpo e, conseqüentemente, um menor Vt2.

100

150

200

250

300

350

400

450

-0.15 0.00 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90

0.900 0.975 1.050 1.125 1.200 1.275 1.350

Fator θ simulado

Fator θ (V-1)

Tem

pera

tura

(K)

Vt2 Experimental Vt2 Simulado

(μ0 e θ são constantes)

Vt2 (V)

Figura 51 - Competição entre as influências do processo de geração-recombinação e

do fator θ no comportamento de Vt2

Após esta etapa, a degradação efetiva da mobilidade com a temperatura foi

extraída, tanto a partir de dados experimentais quanto dos dados obtidos a partir das

simulações, no intervalo de 100K a 450K. O comportamento da degradação efetiva

da mobilidade (θ), a qual diminui com o aumento da temperatura também esta

Page 113: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

113

apresentado na Figura 51. Os valores de θ extraídos em função da temperatura

apresentados na Tabela 5 mostram a mesma tendência do gráfico da Figura 20.

Tabela 5 - Valores da degradação efetiva da mobilidade com a variação da temperatura para dispositivos PD SOI nMOSFETs.

Temperatura (K) Fator de degradação da mobilidade θ (V-1)

100 0,736

150 0,320

175 0,307

250 0,078

300 0,050

350 0,032

400 0,020

423 0,018

450 0,016

Avaliando o comportamento experimental de Vt2, pode-se dizer que, uma vez que

o fator θ é desprezível para altas temperaturas, o processo responsável pelo

deslocamento de Vt2 é o processo de recombinação; desta forma, o comportamento

de Vt2 simulado, desprezando o efeito da mobilidade, é o mesmo obtido

experimentalmente. Porém, quando a temperatura é reduzida, o fator θ não pode

mais ser desprezado e sua influência torna-se maior que do processo de

recombinação. Como resultado, Vt2 aumenta novamente, devido à maior

degradação da mobilidade.

Page 114: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

114

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

Vt2 - Vth (V)

Tem

pera

tura

(K)

L=5μm L=0,6μm L=0,3μm

Figura 52 - Comportamento simulado do efeito de corpo flutuante para diferentes

temperaturas, desconsiderando a influência da tensão de limiar nos transistores

parcialmente depletados.

Uma vez que a tensão de limiar do dispositivo (Vth) também varia com a

temperatura, um estudo da elevação abrupta da transcondutância sem a influência

da tensão de limiar foi realizada. A Figura 52 apresenta a diferença entre a tensão

de limiar do segundo pico da transcondutância e a tensão de limiar do dispositivo

(Vt2-Vth) para diferentes temperaturas em dispositivos PD. Em alta temperatura, a

tensão de limiar é menor e portanto é subtraído uma menor parcela de Vt2,

resultando em um efeito mais pronunciado. Embora a tensão de limiar aumente com

a redução da temperatura, pode-se notar que a diferença Vt2 – Vth ainda apresenta

um comportamento em formato de “C”, ainda que menos pronunciado em baixas

temperaturas.

Este mesmo comportamento foi obtido para transistores do tipo totalmente

depletados desta tecnologia. A Figura 53 apresenta o comportamento experimental

de Vt2 para diversas temperaturas compensando a influencia da tensão de limiar dos

dispositivos para um transistor PD e um FD com a mesma área de porta e portanto a

mesma corrente de fuga pela porta. O “C” formado pelos valores de Vt2, do transistor

FD é deslocado em direção a menor sobre tensão de porta quando em comparação

com o “C” formado pelo Vt2 do transistor PD. Este deslocamento ocorre devido a

necessidade de se aplicar uma tensão negativa no substrato a fim de se acumular a

Page 115: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

115

segunda interface. Esta tensão é responsável pelo aumento da tensão de limiar dos

dispositivos FD, o que por sua vez resulta em uma menor sobre tensão de Vt2.

0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,9050

100

150

200

250

300

350

400

450

500Te

mpe

ratu

ra (K

)

Vt2-Vt (V)

Totalmente Depletado Parcialmente Depletado

VDS= 25mVVSUB= -20V

0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,9050

100

150

200

250

300

350

400

450

500Te

mpe

ratu

ra (K

)

Vt2-Vt (V)

Totalmente Depletado Parcialmente Depletado

VDS= 25mVVSUB= -20V

Figura 53 – Comportamento experimental do efeito de corpo flutuante compensando

a influencia da variação da tensão de limiar para diversas temperaturas para

transistores PD e FD com a mesma área de porta.

A fim de avaliar a influência da presença do HALO no GIFBE, foram realizadas

medidas para diferentes estruturas, com e sem HALO. Estas medidas foram

realizadas em temperaturas variando entre 100K to 300K em transistores

parcialmente depletados variando-se o comprimento de canal de 10μm até 0,3μm. A

Tabela 6 mostra que as duas estruturas, com e sem HALO, apresentam o mesmo

comportamento para a variação de comprimento de canal estudada (de 0,6μm à

0.3μm), sugerindo que o HALO não exerce influência sobre Vt2. Os resultados para

dispositivos de canal longo não foram apresentados pois o HALO não influencia

estes dispositivos e, conseqüentemente, os resultados são exatamente os mesmos.

Page 116: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

116

Tabela 6 - Comparação entre Vt2 extraído para estruturas com e sem halo.

Comprimento de canal

100K 150K 200K 250K 300K

L=0,3μm 1,25 1,2 1,175 1,15 1,15

L=0,4μm 1,2 1,2 1,175 1,15 1,1

L=0,5μm 1,2 1,2 1,175 1,15 1,075

Com

Hal

o

L=0,6μm 1,225 1,2 1,175 1,15 1,075

L=0,3μm 1,2 1,175 1,175 1,15 1,1

L=0,4μm 1,2 1,2 1,175 1,125 1,1

L=0,5μm 1,2 1,2 1,175 1,125 1,1

Sem

Hal

o

L=0,6μm 1,2 1,2 1,175 1,1 1,1

Page 117: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

117

6 ESTUDO DO EFEITO DA ELEVAÇÃO ATÍPICA DA TRANSCONDUTÂNCIA EM NOVAS ESTRUTURAS

Conforme escrito na seção 2.7, diante do contexto atual de constante busca

pela redução das dimensões e da melhora do desempenho dos circuitos integrados

se faz necessária a inclusão de novos materiais, novas etapas de processo, ou

formas de se prolongar a vida dos dispositivos MOS.

6.1 TRANSISTORES COM CANAL TENSIONADO

Uma das linhas de pesquisa que surge então é a inserção da tensão

mecânica nos dispositivos. Esta nova tecnologia vem sendo utilizada a fim de se

melhorar a performance dos dispositivos atuais com o aumento da mobilidade dos

portadores no canal do transistor e conseqüentemente com o aumento da corrente

de dreno e da transcondutância dos mesmos.

O estudo do efeito de corpo flutuante em transistores de canal tensionado

torna-se indispensável visto que estes novos dispositivos SOI tem despertado a

atenção por parte das industrias como por exemplo a Intel. Neste trabalho estudou-

se apenas dispositivos com tensão mecânica longitudinal.

6.1.1 Características dos dispositivos medidos

Os transistores estudados nesta seção foram fabricados no Interuniversity

Microelectronics Center – IMEC, na Bélgica e pertencem à tecnologia SOI CMOS de

65nm. Para a fabricação destes dispositivos utilizou-se tecnologia planar de porta

única e a inserção da tensão mecânica longitudinal é feita através da deposição de

uma camada de 100nm de nitreto de silício (Si3N4) em cima da porta e parte da fonte

e dreno do transistor nMOS.

Page 118: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

118

O isolante de porta utilizado foi o oxinitreto de silício com uma espessura de

1,5nm, o filme de silício com espessura de 15nm e o óxido enterrado de 150nm. A

porta dos transistores é constituída por uma camada de 100nm de silício

policristalino.

A largura de canal (W) estudada nestes dispositivos variam de 1μm até 10μm

e o comprimento de canal de 0,25 até 1μm.

6.1.2 Resultados Experimentais

A Figura 54 apresenta as curvas da corrente de dreno em função da tensão

aplicada à porta obtidas para um transistor SOI com tensão mecânica (sCESL) e um

convencional, que é usado como referência. A partir desta figura é fácil notar a

diferença entre os níveis de corrente destes dispositivos. O transistor sCESL

apresenta maior nível de corrente principalmente devido ao aumento da mobilidade

obtido pelo tensionamento da camada do silício. Outro motivo que pode ser

considerado é a redução da tensão de limiar apresentada pelo dispositivo sCESL.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,202468

1012141618202224

I DS (μ

A)

VGF (V)

SOI referência SOI tensionado

L=1μmW=3μmVGB= -30V

Figura 54 – Curvas da corrente de dreno em função da tensão aplicada à porta para

dispositivos sCESL e convencional.

Page 119: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

119

A Tabela 7 apresenta a diferença dos valores da tensão de limiar obtidas para

um transistor SOI convencional e outro sCESL de mesmas dimensões variando-se a

polarização de substrato. Os valores apresentados na tabela mostram que os

dispositivos tensionados longitudinalmente sofrem uma redução na tensão de limiar

e que esta variação tende a aumentar quando aplicamos tensões negativas ao

substrato.

A variação da tensão de limiar depende do tipo de tensão sofrida pelo

transistor. Esta variação de Vth para os dispositivos tensionados longitudinalmente

deve-se a redução da banda proibida e ao aumento da densidade de estados de

interface. Sabe-se ainda que no caso do dispositivo com tensão mecânica

longitudinal, a variação da tensão de limiar é menor quando comparada à variação

sofrida pelo transistor tensionado em duas direções85.

Tabela 7: Variação da tensão de limiar dos transistores com tensão mecânica em

relação ao transistor de referência.

Variação da tensão de limiar Vth (referência)- Vth (tensionado)

VGB (V) L=0,25μm

W=10μm

L=0,5μm

W=10μm

L=0,7μm

W=10μm

L=1μm

W=10μm

L=1μm

W=1μm

L=1μm

W=3μm

0 20mV 10mV 20mV --------- 20mV ---------

-10V 30mV 20mV 10mV 10mV 20mV 20mV

-20V 40mV 20mV 20mV 20mV 30mV 20mV

-30V 40mV 30mV 20mV 20mV 20mV 30mV

A partir da Figura 55 é possível fazer uma análise da importância da corrente

de fuga pela porta, uma vez que as correntes de dreno e porta são apresentadas no

mesmo gráfico, em mesma escala e ambas em função da tensão aplicada à porta do

transistor.

Page 120: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

120

-0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,250

5

10

15

20

25

30

35

VGB=-30V VGB=-20V VGB=-10V VGB=0V

VGF (V)

I DS (μ

A)

W=3μmL=1μmVDS=25mV

0

5

10

15

20

25

30

35

IG (μA)

Figura 55 – Curvas da corrente de dreno e da corrente de porta em função da tensão

aplicada a porta para um transistor com tensão mecânica longitudinal.

Uma das observações que deve ser feita é a ordem de grandeza das duas

correntes ser igual. Isso ocorre porque para esta tecnologia (CMOS de 65nm) a

espessura efetiva do óxido de porta (EOT) é de apenas 1,5nm o que permite alto

tunelamento pela porta do transistor. É devido a este fato que uma nova geração de

transistores, fabricados com materiais de alta constante dielétrica (high-k), tem

ganhado espaço na indústria apesar de estes apresentarem uma pior interface com

o silício.

A outra observação importante é a necessidade de polarização negativa no

substrato para ocorrer o desacoplamento das interfaces do transistor. Esta

polarização é responsável pela variação da tensão de limiar e conseqüentemente

pelo deslocamento da curva da corrente de dreno em direção a maior tensão de

porta. Com isso, para substratos cada vez mais negativos, uma maior influência da

corrente de tunelamento pela porta (que não dependente da polarização do

substrato) é obtida e portanto, um efeito de corpo flutuante mais precoce é esperado.

A Figura 56 apresenta as curvas da transcondutância em função da tensão

aplicada à porta tanto para o transistor convencional como para o tensionado,

variando-se a polarização do substrato. A partir desta figura é possível notar o

aumento da mobilidade de baixo campo elétrico, obtida pelos transistores

Page 121: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

121

tensionados, através do aumento da transcondutância máxima e o aumento da

degradação efetiva da mobilidade em função da tensão aplicada a porta

apresentada pelo dispositivo com sCESL.

Quando o foco é o efeito da elevação atípica da transcondutância, é

necessário avaliarmos a influência do tensionamento do canal do transistor na

corrente de tunelamento. Avaliando-se então o diagrama de bandas de energia dos

dispositivos tensionados, obtem-se que o tensionamento do transistor é responsável

pela redução da banda proibida do silício na camada de inversão. Isto ocorre devido

ao abaixamento da banda de condução e à elevação da banda de valência da região

do canal. Como resultado, tem-se o aumento da barreira efetiva para o tunelamento

dos portadores através do óxido de porta. Uma vez que o canal é tensionado, então

o material de porta encontra-se comprimido resultando em um efeito oposto, ou seja,

ao alargamento da banda proibida. Assim a redução do nível da banda de valência

do silício policristalino proporciona o aumento do tunelamento de lacunas para a

banda de valência do canal85,86.

Observando-se agora o efeito de corpo flutuante na Figura 56, é possível

constatar também que o disparo do segundo pico da transcondutância ocorre antes

para o dispositivo tensionado quando comparado ao convencional. O disparo prévio

do segundo pico de gm deve-se principalmente ao deslocamento dos extremos da

banda de energia ocorrido devido ao tensionamento do dispositivo86. Além do

deslocamento de Vt2, é possível verificar que a amplitude do segundo pico de gm, no

caso dos transistores de canal tensionado, é bastante reduzida. Pode-se dizer então

que o segundo pico da transcondutância apenas tende a ocorrer. Este fato é devido

ao aumento da degradação efetiva da mobilidade para altas tensões de porta que

derruba a transcondutância antes mesmo do segundo pico se formar.

Page 122: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

122

-0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.250

10

20

30

40

50

L= 1μmW=3μmVDS=25mV

gm (μ

A/V

)

VGF (V)

CESL SOI SOI convencional

VGB= 0, -10, -20, -30V

Figura 56 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada na porta um

transistor SOI convencional e outro sCESL de mesmas dimensões variando-se a

polarização de substrato entre 0V e -40V.

Os transistores de canal tensionado foram medidos variando-se a polarização

de substrato de 0V até -30V, enquanto para os transistores convencionais foi

possível variar o substrato até -40V .

Sabe-se que com a polarização negativa do substrato uma maior influência da

corrente de tunelamento pela porta é obtida e um maior efeito de corpo flutuante é

esperado. Além disso, com a polarização do substrato cada vez mais negativa, a

quantidade de carga acumulada na segunda interface aumenta, o que também

aumenta o efeito de corpo flutuante, fazendo com que o disparo do segundo pico de

gm ocorra ainda mais previamente. No caso dos transistores com tensão mecânica

ainda temos que considerar o estreitamento da banda proibida devido ao

tensionamento do canal 85 e a redução da banda de valência devido à compressão

do material de porta (silício poli), o que aumenta a parcela de tunelamento

proveniente da banda de valência. Sendo assim, apesar da corrente de porta dos

dois tipos de transistores aqui avaliados serem praticamente iguais (Figura 57), com

o aumento de HVB, que é uma parcela pequena da corrente de porta, os transistores

de canal tensionado apresentam um segundo pico de gm bastante antecipado.

Page 123: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

123

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,20

2

4

6

8

10

12

14

16

18I G

(uA

)

VGF (V)

L=1μm W=10μm L=0,7μm W=10μm L=0,5μm W=10μm L=1μm W=3μm L=1μm W=1μm

SOI referência SOI tensionado

VDS=25mVVGB= -30V

Figura 57 - Curvas da corrente de porta em função da tensão aplicada à porta para

transistores SOI convencionais e sCESL variando-se a área de porta dos mesmos.

A partir da Figura 57 avaliou-se os efeitos da tensão mecânica com a variação

das dimensões do transistor. Na Figura 58A observou-se que a medida que o

comprimento de canal do transistor é reduzido, o aumento da mobilidade de baixo

campo assim como o aumento da degradação efetiva da mobilidade dependente do

campo perpendicular obtidos em dispositivos sCESL tornam-se mais fortes. Isto

porque para dispositivos de canal longo perde-se a efetividade da tensão mecânica

devido ao própria dimensão do material. É possível observar também a menor

influência do efeito de corpo flutuante devido a redução da área de porta e

conseqüentemente da redução da corrente de tunelamento.

Na Figura 58B observa-se também a redução do efeito de corpo flutuante

juntamente com a redução da área de porta do dispositivo. No entanto, a largura do

canal do transistor não apresenta uma influência tão forte nas características de

tensionamento do dispositivo como observado na Figura 58A.

Page 124: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

124

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,250

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

gm (μ

A/V)

VGF (V)

SOI tensionado SOI referência

L=0.5μm L=0.7μm L=1.0μm

W=10μmVGB=-30V

A

-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,250

20

40

60

80

100

120

gm (μ

A/V

)

VGF (V)

SOI referência SOI tensionadoL=1μm

VGB= -30V

W=10μm W=3μm

B

Figura 58 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta para

transistores de canal tensionado e convencionais, variando-se o comprimento (A) e a

(B) largura do canal.

Page 125: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

125

6.2 TRANSISTORES FINFETS

Apesar dos transistores SOI permitirem uma maior longevidade dos

transistores MOS, o problema do controle das cargas na região de canal em

dimensões extremamente reduzidas, com comprimentos de canal inferiores a

100nm, é também um problema que vem sendo exaustivamente tratado pela

comunidade científica mundial na atualidade.

Como já mencionado, uma possível solução é a adoção de dispositivos com

múltiplas portas que mantenha os mesmos benefícios da estrutura CMOS com porta

simples. Sendo assim, a tecnologia FinFET torna-se atrativa devido a fácil

implementação do seu processo de fabricação com as técnicas já existentes, uma

vez que esta tecnologia consiste na obtenção de uma aleta de silício estreita através

do processo de corrosão (“Fin”) e após o crescimento do óxido de porta é feita a

deposição do material que irá formar a porta. Sendo assim, o alinhamento entre as

portas se faz de forma natural.

Além da modificação da estrutura do transistor, a utilização de materiais de

alta constante dielétrica (high-k) na região de porta, que tem permitido a utilização de

espessuras físicas maiores além de reduzir substancialmente a corrente de

tunelamento de porta também foi considerada, uma vez que a tecnologia FinFET

avaliada neste trabalho tem dielétrico de porta diferente do oxinitretos de silício até

então estudado.

6.2.1 Características dos Dispositivos

Os dispositivos FinFETs estudados também foram fabricados no

Interuniversity Microelectroncs Center (IMEC) na Bélgica (Figura 59). A altura do

filme de silício (HFin) e a espessura do óxido enterrado são respectivamente de 60nm

e 145nm. A concentração do filme de silício é de 1x1015cm-3 (concentração natural

da lâmina).

Page 126: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

126

O isolante de porta foi formado por uma camada de 1nm de óxido de silício

seguida da deposição de 2nm de óxido de háfnio, o que resulta em uma espessura

de óxido efetiva de aproximadamente 2nm.

A largura de canal (WFin) estudada nestes dispositivos varia de 20μm até

20nm e o comprimento de canal de 10μm até 0,4μm.

HFin

L

WFin

HFin

L

WFin

Figura 59 – Perfil de um transistor FinFET .

6.2.2 Resultados Experimentais

Uma primeira análise do efeito da elevação atípica da transcondutância em

transistores fabricados com a estrutura FinFET também foi realizada. Primeiramente

foram explorados dispositivos que apesar de possuir estrutura FinFET, podem ser

considerados com transistores de porta única devido à largura de porta ser bastante

superior aos 60nm de altura (portas laterais). Como pode ser visto na Figura 60,

transistores FinFETs de dimensões grandes apresentam o mesmo comportamento

do efeito de corpo flutuante quando acumulada a segunda interface.

Page 127: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

127

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,250,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0 VGB=0V VGB=-10V VGB=-20V VGB=-30V VGB=-40V

L=10μmW=20μmgm

(μ A

/V)

VGF(V)

VDS=25mV

Figura 60 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta de

uma transistor com estrutura FinFET variando-se a tensão de substrato.

Com a redução do comprimento do canal, a amplitude do segundo pico da

transcondutância é reduzida devido à diminuição da área da porta do transistor o

que causa a redução da corrente de tunelamento pela porta, da mesma forma que

ocorre nos transistores de estrutura planar estudados até agora.

No entanto, quando a dimensão avaliada é a largura do Fin, a sua influência

no efeito de elevação atípica da transcondutância é bastante importante devido ao

acoplamento das portas laterais e superior da estrutura FinFET.

Segundo Akarvardar87, os dispositivos desta tecnologia com a largura do Fin

(WFin) superiores a 500nm apresentam características similares aos planares com o

filme de silício totalmente depletado, pois a largura do Fin é muito superior à altura

do mesmo (HFin).

A Figura 61 apresenta a transcondutância para diferentes tensões de

substrato com dispositivos com a largura de canal igual a 10μm(A) e 3μm(B). Estes

dispositivos se comportam com dispositivos planares87, uma vez que a corrente de

dreno flui praticamente toda através da porta superior e a variação da tensão de

limiar pode ainda ser descrita pelo modelo de Lim-Fossum88.

No entanto, a partir da Figura 61, é possível notar que para transistores de

largura de canal de 10μm (Figura 61A) ainda pode ser desprezada a influência das

Page 128: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

128

portas laterais no efeito de corpo flutuante, pois o segundo pico de gm dispara para

a mesma tensão aplicada à porta uma vez que a Segunda interface já esta

acumulada. No entanto, com a redução do WFin para 3μm (Figura 61B) esta

afirmação não é mais correta.

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.250

50

100

150

L=1μmW=10μm

VGF(V)

gm (μ

A/V

)

VGB=0V VGB=-10V VGB=-20V VGB=-30V VGB=-40V

VDS= 25mV 0.9 1.2

50

100

A

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.250

50

100

150

L=1μmW=10μm

VGF(V)

gm (μ

A/V

)

VGB=0V VGB=-10V VGB=-20V VGB=-30V VGB=-40V

VDS= 25mV 0.9 1.2

50

100

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.250

50

100

150

L=1μmW=10μm

VGF(V)

gm (μ

A/V

)

VGB=0V VGB=-10V VGB=-20V VGB=-30V VGB=-40V

VDS= 25mV 0.9 1.2

50

100

A

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.250

10

20

30

40

50

L=1μmW=3μmVDS=25mV

VGB=0V VGB=-10V VGB=-20V VGB=-30V VGB=-40V

gm (μ

A/V

)

VGF (V)

0.9 1.2

30

40

Disparo do 2º pico

B

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.250

10

20

30

40

50

L=1μmW=3μmVDS=25mV

VGB=0V VGB=-10V VGB=-20V VGB=-30V VGB=-40V

gm (μ

A/V

)

VGF (V)

0.9 1.2

30

40

Disparo do 2º pico

B

Figura 61 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta para

diferentes tensões de substrato com dispositivos com a largura de canal igual a

10μm(A) e 3μm(B).

Considerando a camada de inversão apenas superficial e sabendo que o

transistor estudado tem a altura do Fin de 60nm e a dopagem do silício de

Page 129: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

129

1x1015cm-3, a depleção proveniente da porta superior é tal que depleta todo o canal

do transistor.

Usando as mesmas considerações descritas acima apenas para as portas

laterais, podem-se admitir as regiões de depleção como apresentadas na Figura 62

uma vez que o transistor seja largo.

BOX

xdmax xdmax

Influência das portas laterais

BOX

xdmax xdmax

Influência das portas laterais

Figura 62 – Perfil da estrutura FinFET que mostra apenas a influência das portas

laterais de um transistor com W grande.

Com a redução de Wfin, as depleções provenientes das portas laterais se

aproximam. Sabendo-se que para a tecnologia avaliada a dopagem do canal e

bastante baixa (1x1015cm-3), esta região de depleção máxima chega a atingir mais

de 830nm de cada lado. Sendo assim quando o foco é o efeito de corpo flutuante

não podemos dizer que dispositivos de 3μm comportam-se como os planares da

mesma tecnologia.

Com a redução ainda maior de WFin (inferiores a 1,66μm), as regiões de

depleção laterais irão interagir. Para transistores onde W é menor que duas vezes a

depleção máxima das portas laterais, a soma da interação das depleções das portas

laterais com a depleção da porta superior resulta em um forte acoplamento que

dificulta a formação de uma camada de acumulação na segunda interface.

Além da influência de WFin no efeito de corpo flutuante, a partir da Figura 61 é

possível notar que para o segundo pico ocorrer, a tensão aplicada ao substrato tem

que ser suficiente para acumular a segunda interface (VBG<-10V). No entanto, para

polarizações de substrato que promovem forte condição de acumulação (VBG<-30V)

Page 130: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

130

a amplitude do segundo pico tende a diminuir. Este resultado pode ser atribuído ao

aumento da recombinação na segunda interface89.

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.250

10

20

30

40

50gm

(μA

/V)

VGF (V)

VGB=0V VGB=-10V VGB=-20V VGB=-30V VGB=-40V

VDS=25mV

L= 500nmW= 20nm

A

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.250

10

20

30

40

50

gm (μ

A/V

)

VGF(V)

L=0.4μm L=0.5μm L=0.7μm L=1μm L=3μm L=5μm L=10μm L=20μm

Número de Fins = 30

WFin= 20nmVGB=-40V

VDS=25mV

B

Figura 63 – Curvas da transcondutância em função da tensão aplicada à porta para

transistor de WFin de 20nm variando a polarização de substrato (A) e variando o

comprimento de canal (B).

A Figura 63 apresenta resultados da transcondutância para transistores de

WFin de 20nm. Neste caso a influência das portas laterais tornou-se maior que o

Page 131: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

131

acoplamento vertical, então o potencial na segunda interface tende a ser mais

controlado pelo campo elétrico existente entre as duas portas que pela polarização

do substrato87. A dificuldade encontrada em acumular a segunda interface, para

tensões de substrato de até –40V, poder ser observada também pelo não

deslocamento das curvas das transcondutâncias e consequentemente pela não

variação da tensão de limiar com a polarização do substrato (Figura 63A) para esta

largura de canal. A não acumulação do substrato impede a ocorrência do efeito de

corpo flutuante estudado (Figura 63B).

Estudos recentes mostram que para tensões de substrato bastante negativas,

como por exemplo –80V ou –100V, o campo elétrico vertical volta a ter maior

influência que o campo lateral possibilitando novamente a visualização do efeito de

corpo flutuante estudado.

Page 132: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

132

7 CONCLUSÕES DO TRABALHO

Neste trabalho foi apresentada uma análise da elevação atípica da

transcondutância em transistores da tecnologia SOI nMOSFET. Foram estudados

transistores planares de porta única, transistores de porta gêmea, transistores de

canal tensionado, transistores de múltiplas portas e também a influência da

temperatura no efeito de corpo flutuante.

Primeiramente foram estudados, através de medidas experimentais e de

simulações numéricas, os transistores de porta única parcialmente depletados.

Sabendo que para as novas tecnologias o efeito do tunelamento de corrente pela

porta do transistor não pode ser mais desprezado, estudou-se então as

componentes da corrente de porta. Apesar de o tunelamento de elétrons (EVB) e

lacunas (HVB) das bandas de valência apresentarem-se como parcelas bastante

pequenas em comparação com o tunelamento de elétrons provenientes da banda de

condução, as parcelas EVB e HVB são responsáveis pelo aumento do potencial de

corpo que por sua vez é responsável pelo aparecimento de um segundo pico da

transcondutância.

A partir das simulações foi possível obter uma melhor compreensão física do

fenômeno que leva a ocorrência do efeito de elevação atípica da transcondutância.

Além de permitir a análise da variação das dimensões dos dispositivos e das

condições de polarização, também podem ser alterados parâmetros como por

exemplo, cada componente da corrente de porta separadamente e a variação do

tempo de vida de recombinação, o que seria muito difícil a partir de medidas

experimentais.

O GIFBE é resultado da competição entre a redução da tensão de limiar

causada pelo aumento do potencial do corpo e o aumento da degradação efetiva da

mobilidade.

Como resultado da redução do comprimento de canal foi verificado que o

efeito de corpo flutuante torna-se menos pronunciado, tendendo a desaparecer para

dispositivos nanométricos. No entanto, a redução da largura do transistor não altera

a tensão de porta para a qual o efeito ocorre, apenas uma redução da amplitude do

Page 133: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

133

segundo pico da transcondutância é observado devido á redução da área de porta

que por conseqüência reduz a corrente de tunelamento. O aumento do processo de

recombinação diminui o aumento do potencial o qual retarda o aparecimento do

efeito de corpo flutuante.

Os dispositivos totalmente depletados só apresentam o efeito estudado

quando seu substrato é polarizado com tensão negativa o suficiente para acumular a

segunda interface. Quando operando nesta situação de polarização o

comportamento deste tipo de transistor é muito semelhante ao do transistor

parcialmente depletado.

Quando o foco é o dispositivo de porta gêmea, que foi idealizado para reduzir

o efeito da elevação abrupta da corrente de dreno, o GIFBE está relacionado ao

potencial de corpo do transistor de maior comprimento de canal. O comprimento da

região n+ de contato flutuante não tem influência sobre o potencial do corpo,

conseqüentemente não influencia na tensão de porta para a qual o efeito ocorre,

porém a redução do efeito observada para este tipo de transistor é devida à

resistência série adicional proveniente desta região.

Neste trabalho também foi considerada a influência da temperatura no

comportamento do efeito de corpo flutuante. Com o aumento da temperatura

aumenta-se o processo de recombinação, o que sabe-se retardar o aparecimento do

segundo pico da transcondutância. Com a redução da temperatura, o fator de

degradação efetiva da mobilidade aumenta exponencialmente. A competição entre

estes dois efeitos resulta no comportamento do segundo pico da transcondutância

em um formato de “C” quando é analisado em função da temperatura.

A implantação de HALO não apresentou influência no GIFBE para

dispositivos de até 0,3μm de comprimento de canal, quando avaliados entre 100K e

300K.

Com a redução da espessura do óxido de porta, o segundo pico da

transcondutância tende a ocorrer para menores tensões de porta devido ao aumento

da corrente de tunelamento pela porta, assim como com o aumento da concentração

do corpo, o efeito estudado ocorre antes para dispositivos parcialmente depletados

devido a redução da camada de depleção e conseqüentemente o aumento da região

neutra. Os transistores totalmente depletados não sofrem influência da concentração

do corpo desde que a depleção não se torne menor que a espessura da camada de

silício. Considerando o deslocamento da tensão de limiar e o deslocamento de

Page 134: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

134

segundo pico da transcondutância, com a redução da espessura do óxido de porta,

os resultados mostram uma tendência a sobreposição dos dois picos da

transcondutância. Quando o potencial de corpo aumenta de 20mV, a redução da

tensão de limiar torna-se mais importante que a degradação da mobilidade.

Neste trabalho foi também realizada uma primeira análise do efeito da

elevação abrupta da transcondutância em novas estruturas, os dispositivos de canal

tensionado e dispositivos FinFETs.

Quando avaliados os transistores de canal tensionado, notou-se um

deslocamento do segundo pico devido a alteração nos extremos dos níveis das

bandas de energia do material, porém o efeito de corpo flutuante em questão nestes

dispositivos, ocorre com menor intensidade devido a alta degradação da mobilidade

efetiva. Quando o foco passa a ser a estrutura de múltiplas portas, observou-se que

a ocorrência do efeito é fortemente dependente da largura do Fin e da dopagem do

canal, uma vez que estes parâmetros estão fortemente ligados a largura da região

de depleção e conseqüentemente ao acoplamento entre as portas laterais e superior

do transistor.

Como seqüência do trabalho poderia ainda ser realizada uma análise mais

profunda do efeito de corpo flutuante em estruturas de canal tensionado e estruturas

de múltiplas portas, onde a influência de cada porta e a interação das mesmas fosse

contabilizada em três dimensões, além do estudo deste efeito em transistores

FinFETs com o canal tensionado e que apresentem diferentes camadas de isolantes

de porta.

Page 135: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

135

8 PUBLICAÇÕES GERADAS DURANTE O PERÍODO DO DOUTORADO

8.1 ARTIGOS EM REVISTAS

1 Electron valence-band tunnelling excess noise in twin-gate silicon-on-insulator MOSFETs. E. Simoen, C. Claeys, N. Lukyanchikova, N. Garbar, A.

Smolanka, P. Ghedini Der Agopian and J.A. Martino, Solid-State Electronics,

Volume 50, Issue 1, January 2006, Pages 52-57.

2 Impact of the twin-gate structure on the linear kink effect in PD SOI

nMOSFETS., Paula Ghedini Der Agopian, João Antonio Martino, Eddy Simoen

and Cor Claeys, Microelectronics Journal, Volume 37, Issue 8, August

2006, Pages 681-685.

3 Study of the linear kink effect in PD SOI nMOSFETs, Paula Ghedini Der

Agopian, João Antonio Martino, Eddy Simoen and Cor Claeys; Microelectronics

Journal, Volume 38, Issue 1, January 2007, Pages 114-119

4 The Gate Oxide Thickness Reduction Influence on the GIFBE in SOI Technology, Paula Ghedini Der Agopian, João Antonio Martino, Eddy Simoen,

Cor Claeys; Journal of Integrated Circuits and Systems (JICS), aceito para

publicação.

5 The Temperature Influence on the Gate-Induced Floating Body Effect Parameters in Fully Depleted SOI nMOSFETs, Paula Ghedini Der Agopian,

João Antonio Martino, Eddy Simoen, Cor Claeys; artigo aceito para publicação

na Solid-State Electronics.

Page 136: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

136

8.2 ARTIGOS EM CONGRESSOS

1 Analysis of the Linear Kink Effect in Partially depleted SOI NMOSFETs,

Paula Ghedini. Der Agopian, João Antonio Martino, Eddy Simoen, Cor Claeys; In:

Microelectronics Technology and Devices - SBMICRO, 2005, Florianópolis -SC.

Proceedings of Microelectronics Technology and Devices SBMICRO 2005.

Pennington, New Jersey : The Electrochemical Society, INC, 2005. v. 200508. p.

512-519.

2 Series Resistance Influence on the Linear Kink Effect in Twing-Gate Partially Depleted SOI nMOSFETs, Paula Ghedini. Der Agopian, João Antonio

Martino, Eddy Simoen, Cor Claeys; In: Microelectronics Technology and Devices

- SBMICRO, 2006, Ouro-Preto -MG. Proceedings of Microelectronics Technology

and Devices SBMICRO 2006. Pennington, New Jersey : The Electrochemical

Society, INC, 2006. p. 293-300.

3 The “C” Shape Behavior of the Floating Body Effect in Function of Temperature in PD SOI nMOSFETs, Paula Ghedini Der Agopian, João Antonio

Martino, Eddy Simoen and Cor Claeys, In: Silicon-On –Insulator Technology and

Devices – SOI Symposium, 2007, Chicago IL. Pennington, New Jersey : The

Electrochemical Society, INC, 2007.. p. 107-111.

4 The Impact of the Gate Oxide Thickness Reduction on the Gate Induced Floating Body Effect in SOI nMOSFETs, Paula Ghedini Der Agopian, João

Antonio Martino, Eddy Simoen, Cor Claeys; In: Microelectronics Technology and

Devices - SBMICRO, 2007, Rio de Janeiro -RJ. Proceedings of Microelectronics

Technology and Devices SBMICRO 2007. Pennington, New Jersey : The

Electrochemical Society, INC, 2007.vol.9 n.1 p. 305-311.

5 HALO OPTIMIZATION FOR 0.13μm SOI CMOS TECHNOLOGY, Paula Ghedini

Der Agopian, Julia Maria Arrabaça and João Antonio Martino, In: Microelectronics

Technology and Devices - SBMICRO, 2008, Gramado – RS, Proceedings of

Page 137: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

137

Microelectronics Technology and Devices SBMICRO 2008. Pennington, New

Jersey : The Electrochemical Society, INC, 2008 .vol.14 n.1 p. 111-118.

6 Analog Performance of Dynamic Threshold Voltage SOI MOSFET, Jefferson

Oliveira Amaro, Paula Ghedini Der Agopian and João Antonio Martino, In:

Microelectronics Technology and Devices - SBMICRO, 2008, Gramado –

Proceedings of Microelectronics Technology and Devices SBMICRO 2008.

Pennington, New Jersey : The Electrochemical Society, INC, 2008 .vol.14 n.1 p.

169-175. 7 Gate Induced Floating Body Effect behavior in Uniaxially Strained SOI

nMOSFETs, Paula Ghedini Der Agopian, Vinícius Heltai Pacheco, João Antonio

Martino, Eddy Simoen, Cor Claeys; Artigo submetido - EuroSOI 2009.

8.3 FORUM DE ESTUDANTES

1 Radiation Influence On SOI CMOS Devices, Marcio Martino, Marcelo Sandri,

Paula Agopian, Milene Galeti, Wilhelmus Noije and João Martino, Student Forum

on Microelectronics 2007, September 3th - 6th, 2007Rio de Janeiro, RJ - Brazil

2 The Halo Influence on PD SOI nMosfets at Low Temperature Operation, Julia

Maria Arrabaça, Paula Der Agopian and João Martino; Student Forum on

Microelectronics 2007, September 3th - 6th, 2007Rio de Janeiro, RJ – Brazil

3 Radiation Effects on Flip-Flop SOI CMOS, M. D. V. Martino, M. Sandri, P. G. D.

Agopian, M. Galeti, W. A. M. Van Noije, J. A. Martino Student Forum on

Microelectronics 2008, September 1th - 4th, 2008, Gramado, RS – Brazil

Page 138: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

138

9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 G. E. DAVIS et al, Transient radiation effects in SOI memories, IEEE Trans. on Nuclear Science, Vol. 32, p. 4432, 1985. 2 J. L. LERAY et al, From substrate to VLSI: investigation of hardened SIMOX without epitaxy, for dose, dose rate and SEU phenomena IEEE Trans. on Nuclear Science, Vol. 35. p. 1355, 1988. 3 A. KRULL and J. C. LEE, Demonstration of the benefits of SOI for high temperature operation, Proceedings of SOS/SOI Technology Workshop, p. 69, 1989. 4 W. P. MASZARA, Proceedings of the Fourth International Symposium on Silicon-On-Insulator Technology and Devices, Vol. 90-6, p. 199, 1990. 5 M. FUJISHIMA, K. ASSADA, Y. OMURA and K. IZUMI, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 28, n. 4, p. 510, 1993. 6 Y. KADO, T. OHNO, M. HARADA, K. DEGUCHI, T. TSUCHIYA, “Enhanced performance of multi-GHz PLL LSI’s using sub-l/4-micron gate ultrathin film CMOS/SIMOX technology with synchrotron X-ray lithography,”, IEDM, p. 243, 1993. 7 J. P. COLINGE, “Silicon-On-Insulator Technology: Materials to VLSI”, 3nd Edition, Kluwer Academic Publishers, 2004. 8 J. PRETET, T. MATSUMOTO, T. POIROUX, S. CRISTOLOVEANU, R. GWOZIECKI, C. RAYNAUD, A.ROVEDA and H. BRUT, “ New Mechanism of Charging in Partially Depleted SOI-MOSFETs with Ultra-Thin Gate Oxides”, ESSDERC, P.515-518, 2002. 9 PRETET J, MATSUMOTO T, POIROUX T, CRISTOLOVEANU S, GWOZIECKI R, RAYNAUD C, ET AL, “ New mechanism of body charging in partially depleted SOI-MOSFETs with ultra-thin gate oxides”. In: Proceedings of ESSDERC, 2002. p. 515–8. 10 MERCHA, A.; RAFI, J.M.; SIMOEN, E.; AUGENDRE, E.; CLAEYS, C.;, “Linear kink effect" induced by electron valence band tunneling in ultrathin gate oxide bulk and SOI MOSFETS” IEEE Transactions on Electron Devices, Volume 50, Issue 7, July 2003 Page(s):1675 – 1682 11 H. WONG, H. IWAI, “On the scaling issues and high-k replacement of ultra thin gate dielectrics for nanoscale MOS transistors”. Microelectronic Engineering, v.83, p.1867-1904, 2006. 12 J. ROBERTSON, “Electronic structure and band offsets of high-dielectric-constant gate oxides”, MRS Bulletin, v.27, n.3, p.217-221, 2002.

Page 139: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

139

13 G.D. WILK, R.M. WALLACE, J.M. ANTHONY, “High-k gate dielectrics: Current status and materials properties considerations”, Journal of Applied Physics, v.89, n.10, p.5243-5275, 2001. 14 Martino J.A. , Pavanello M.A. ,Verdonck P.B. , Caracterização Elétrica de

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Page 140: 1º RELATÓRIO CIENTÍFICO

140

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35 ZHIYUAN CHENG, JONGWAN JUNG, MINJOO L LEE, ARTHUR J PITERA, JUDY L HOYT, DIMITRI A ANTONIADIS AND EUGENE A FITZGERALD, “Hole mobility enhancement in strained-Si/strained-SiGe heterostructure p-MOSFETs fabricated on SiGe-on-insulator (SGOI)” Semicond. Sci. Technol., Vol.19 p48–51, 2004. 36 THOMPSON, S.E.; ARMSTRONG, M.; AUTH, C.; CEA, S.; CHAU, R.; GLASS, G.; HOFFMAN, T.; KLAUS, J.; ZHIYONG MA; MCINTYRE, B.; MURTHY, A.; OBRADOVIC, B.; SHIFREN, L.; SIVAKUMAR, S.; TYAGI, S.; GHANI, T.; MISTRY, K.; BOHR, M.; EL-MANSY, Y.; “A logic nanotechnology featuring strained-silicon”, IEEE Electron Device Letters, Vol 25, p.191-193, April 2004. 37 HISAMOTO, D.; KAGA, T.; KAWAMOTO, Y. TAKEDA, E. Technical Digest pf IEDM, p.833, 1989. 38 HUANG, X. Technical Digest of International Electron Devices Meeting (IEDM), p.67, 1999.

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39 LIU, Y. K. Electrochemical Society Proceedings 2003-05, p. 255, 2003. 40 HIRAMOTO, T. IEEE International SOI Conference Proceedings, p.8, 2001. 41 JIAO, Z.; SALAMA, A. T. Electrochemical Society Proceedings 2001-3, p.403, 2001. 42 MIYANO, S.; HIROSE, M.; MASUOKA, F. IEEE Transactions on Electron Devices, v. 39, p. 1876, 1992. 43 BIN, Y.; LELAND, C.; AHMED, S.; HAIHONG, W.; BELL, S.; CHIH-YUH, Y.;TABERY, C.; CHAU, H.; QI, S.; TSU-JAE, K.; BOKOR, J.; HU, C.; MING-REN, L.; KYSER, D. Technical Digest of International Electron Devices Meeting (IEDM), p. 251, 2002. 44 YANG, J. W.; FOSSUM, J. G. IEEE Transactions on Electron Devices, v. 52, n. 6, p. 1159, 2005. 45 LEDERER, D.; KILCHYTSKA, V.; RUDENKO, T.; COLLAERT, N.; FLANDRE, D.; DIXIT, A.; MEYER, K.; RASKIN, J. P. Solid-State Electronics, v. 49, n. 9, p. 1488, 2005. 46 RUDENKO, T.; COLLAERT, N.; GENDT, S.; KILCHYTSKA, V.; JURCZAK, M.; FLANDRE, D. Microelectronic Engineering, p. 386, 2005. 47 COLLAERT, N.; DIXIT, A.; ANIL, K. G.; ROOYACKERS, R.; VELOSO, A.; MEYER K. Solid-State Electronics, v. 49, p. 763, 2005. 48 BAIE, X. et al. Proccedings of the IEEE International SOI Conference, p.66, 1995. 49 CHAU, R. et al. Extended Abstracts of International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM), p. 68, 2002. 50 PARK, J. T.; COLINGE, J. P.; DIAZ, C. H. IEEE Electron Device Letters, v. 22, p. 405, 2001. 51 PARK, J. T.; COLINGE, J. P. IEEE Transactions on Electron Devices, v. 49, p. 2222, 2002. 52 YANG, F. L. Technical Digest of International Electron Devices Meeting (IEDM), p. 255, 2002. 53 KRIVOKAPIC, Z. Extended abstracts of the International Conference on Solid Stare Devices and Materials (SSDM), p.760, 2003. 54 FREI, J.; JOHNS, C.; VAZQUEZ, A.; XIONG, W.; CLEAVELIN, C. R.; SCHULZ, T.; CHAUDHARY, N.; GEBARA, G. ZAMAN, J. R.; GOSTKOWSKI, M.; MATTHEWS, K.; COLINGE, J. P. IEEE Electron Device Letters, v. 25, n. 12, p. 813, 2004.

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55 GAENSSLEN, F.H., RIDEOUT, E.J.W e WALKER, j.j; “Very small MOSFETS for Low Temperature Operation”, IEEE Trans. Electron Devices, vol.ED-24, nº3, p. 218-229, 1977. 56 SUN, J.Y.C; TAUR, Y; DENNARD, R. H.e KLEPNER; Submicrometer-Channel CMOS for Low Temperature Operation, IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-34, nº1, p.19-27, 1987. 57 WANG, J. ; KISTLERE, N. ; WOO, J. ; VISWANATHAN, C.R.; Threshold Voltage Instability at Low Temperatures in Partially Depleted Thin-Film SOI MOSFETs, IEEE Electron Devices Letters, Vol 12, pag. 300, 1991. 58 GUTIERREZ, E.A.; “Electrical Perfomance of Submicron CMOS Technologies from 300 K to 4.2K”, 1993, tese de doutorado, Louven. 59 SELBERHERR, S, MOS Device Modeling at 77K : IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 36,n.8, pag. 1464-1474, 1989. 60 DEFERM, L. ; CLAEYS, C. ; SIMOEN, E. ; The importance of the internal bulk-source potential on the low temperature kink in NMOSTs; IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 38, pag. 1459-1466, 1991. 61 MARTINO, J.A.; SIMOEN, E.; MAGNUSSON, U.; ROTONDARO, A.L.P; CLAEYS, C.; Simple method for the determination of the interface trap densit at 77K in fully depleted accumulation mode SOI MOSFETs; Solid State Eletronics, Vol.36, p.872, 1993 62 MARTINO, J.A.; SIMOEN, E.; CLAEYS, C.; A new method for determining the front and back interface trap densities of accumulation mode SOI-MOSFETs at 77K. Solid State Eletronics, Vol.38, p.1799, 1995. 63 AUBERTON-HERVÉ, A.J., COLINGE, j.P. and FLANDRE, D., High Temperature Applications of SIMOX Tecnology, Japanese Solid-State Technology, p.12, Dezembro 1993. 64 MULLER, R.S. ; KAMINS, T.I. Device Electronics for Integrated Circuits, 2 .ed, J.Wiley & Sons Eds, pag. 56, 1986 65 BLUDAU, W.; ONTON, A.; J.l of Appl. Physics, Vol45, nº4, p.1846-1848, 1974. 66 SAH, C.T., CHAN, P.C.H., WANG, C.K., SAH, R.L., YAMAKAWA, K.A. and LUTWACK, R; Effect of Zinc Impurity on Silicon Solar-Cell Efficiency; IEEE Trans. Electron Devices, Vol.ED-28, Nº 3, p.304-313, 1981. 67 CAUGHEY, D.M., THOMAS, R.E.; Carrier Mobilities in Silicon Empirically Related to Doping and Field; Proc.IEEE, Vol.55,p.2192-2193, 1967.

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68 DORKEL, J.M. and LETURCQ, Ph; Carrier mobilities in silicon semi-empirically related to temperature, doping and injection level; Solid-State Electronics, Vol.24, nº9, p.821-825, 1981. 69 YAMAGUCHI, K., A Mobility Model for Carries in the MOS Inversion Layer IEEE Trans. Electron Devices, Vol.ED-30, Nº 6, p.658-663, 1983. 70 SODINI, C.G., KO, P.K.and MOLL,J.L.; The Effects of High Fields on MOS Device and Circuit Performance, IEEE Trans. Electron Devices, Vol.ED-31, Nº 10, p.1386-1393, 1984. 71 DEEN, M.J., WANG,J., HARDY, H.S., Intrinsic Mobility and Its Surface Degradation Parametrers in Narrow Channel Width pMOS Devices at Cryogenic Temperatures, Solid States Electronics, V0l.32, Nº 11, p.1009-1012, 1989. 72 Y.P. TSIVIDIS, Operation and modeling of the MOS transistor, McGraw-Hill, 1994. 73 ATLAS User’s Manual, SILVACO (2006) 74 M. F. KARIM, S. SHAARI, Member, IEEE e B. Y. MAJLIS, “ Gate Tunneling Current in Thin Oxide MOSFET”, ICSE Proceding, Penang, Malaysia, p. 287-292, Nov. 1996. 75 M. U. ERDOGAN, M. C. CHANG, C. BOWEN, A CHATTERJEE, J. SEITCHIK, E H. SHICHIJO “ Analysis of Gate Tunneling Current in Ultra-Thin Oxide MOSFETs”, p.14-15. 76 N.YANG, K. HENSON, J.R. HAUSER e J.J. WORTMAN, “ Modeling Study of Ultrathin Gate OxidesUsing Direct Tunneling Current and Capacitance-Voltage Measurements in MOS devices”, IEEE, Transaction on Electron Devices, p.1464-1471, vol.46, nº 7, julho, 1999 77 S.K.H. FUNG, N. ZAMDMER, I. YANG, M. SHERONY, S.H. LO, L. WAGNER, T.-C. CHEN, G. SHARIDI e F. ASSADERAGHI, “ Impact of the Gate –to-Body Tunneling Current on SOI History Effect”, IEEE International SOI Conference, p.122-123, Oct.2000. 78 A.MERCHA, J.M.RAFI, E.SIMOEN and C.CLAEYS; “Evidence for a Linear Kink Effect in Ultra-Thin Gate Oxide SOI MOSFETs”, Electrochemical Society Proceedings vol.05, p.319-324, 2005 79 W. SHOCKLEY and W.T. READ, “Statistics of the Recombination of Holes and Electrons”, Physical Review, vol. 87, p. 835, 1952. 80 R.N. HALL, “Electron Hole Recombination in Germanium”, Physical Review, vol. 87, p. 387, 1952

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81 D.LEDERER, D. FLANDRE and J.P.RASKIN, “AC behavior of gate-induced floating body effects in ultrathin oxide PD SOI MOSFETs", IEEE Electron Device Letters, Vol. 25, Issue 2, Feb. 2004, pp. 104-106 82 F.J. GARCÍA SÁNCHEZ, A. ORTIZ-CONDE, A. CERDEIRA, M. ESTRADA, D. FLANDRE, and J.J. LIOU, “A Method to Extract Mobility Degradation and Total Series Resistance of Fully-Depeted SOI MOSFETs”, IEEE Transaction On Electron Devices, January 2002, Vol.49, NO.1. 83 G. GHIBAUDO, “New Method for the Extraction of the MOSFET Parameters”, Electronics Letters (1988), Vol.24, Nº9, p. 543. 84 K.F SCHUEGRAF. and CHENMING HU, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol.41. p.761- 767, no. 5, May (1994). 85 C.CLAEYS, E.SIMOEN, S.PUT, G. GIUSI and F.CRUPI, “Impact strain engineering on gate stack quality and reliability”, Solid-States Electronics, article in press(2008). 86 WEI ZHAO; A.SEABAUGH, V.ADAMS, D.JOVANOVIC, B.WINSTEAD, “Opposing dependence of the electron and hole gate currents in SOI MOSFETs under uniaxial strain”, IEEE Electron Devices Letters, vol.26, n.6, p. 410-412, 2005. 87 K.AKARVARDAR, A.MERCHA, S.CRISTOLOVEANU, P.GENTIL, E.SIMOEN, V.SUBRAMANIAN and C.CLAEYS, “A two-dimensional model for interface coupling in triple-gate transistors”, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol.54, N.4, p.767-775, 2007 88 H.-K. LIM and J. G. FOSSUM, “Threshold voltage of thin-film SOI MOSFETs,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-30, no. 10, pp. 1244–1251, Oct. 1983. 89 J.M.RAFI, E.SIMOEN, A.MERCHA, N. COLLAERT, K. HAYAMA, F. CAMPABADAL and C.CLAEYS, “Gate induced floating body effect in TiN/SiON and TiN/HfO2 gate stack triple gate SOI nFinFETs”, Solid States Electronics, vol.51, p.1201-1210, 2007.

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APÊNDICE A – Exemplo de arquivo de utilizado para simulação numérica bidimensional (Atlas)

go atlas #--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # Definição da Grade #--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- mesh space.mult=1.0 x.mesh loc=0.00 spac=0.05 x.mesh loc=0.23 spac=0.002 x.mesh loc=0.37 spac=0.002 x.mesh loc=0.5 spac=0.01 x.mesh loc=1.0 spac=0.01 x.mesh loc=1.23 spac=0.002 x.mesh loc=1.47 spac=0.002 x.mesh loc=1.66 spac=0.05 y.mesh loc=-0.0025 spac=0.0005 y.mesh loc=-0.002 spac=0.001 y.mesh loc=-0.001 spac=0.001 y.mesh loc=0.00 spac=0.0005 y.mesh loc=0.003 spac=0.001 y.mesh loc=0.006 spac=0.001 y.mesh loc=0.020 spac=0.01 y.mesh loc=0.040 spac=0.01 y.mesh loc=0.060 spac=0.01 y.mesh loc=0.080 spac=0.01 y.mesh loc=0.090 spac=0.01 y.mesh loc=0.095 spac=0.01 y.mesh loc=0.100 spac=0.005 y.mesh loc=0.105 spac=0.005 y.mesh loc=0.110 spac=0.01 y.mesh loc=0.200 spac=0.05 y.mesh loc=0.300 spac=0.05 y.mesh loc=0.400 spac=0.1 y.mesh loc=0.500 spac=0.1 # -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # Definição das Regiões da Estrutura #--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- region num=1 y.min=-0.0025 y.max=0 oxide region num=2 x.min=0.33 x.max=1.33 y.min=0 y.max=0.005 silicon region num=3 x.min=0.33 x.max=1.33 y.min=0.005 y.max=0.100 silicon region num=4 y.min=0.100 oxide # dreno e fonte region num=5 x.max=0.25 y.min=0 y.max=0.100 silicon region num=6 x.min=1.41 y.min=0 y.max=0.100 silicon

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# Ldd region num=7 x.min=0.25 x.max=0.33 y.min=0 y.max=0.03 silicon region num=8 x.min=1.33 x.max=1.41 y.min=0 y.max=0.03 silicon region num=9 x.min=0.25 x.max=0.33 y.min=0.03 y.max=0.100 silicon region num=10 x.min=1.33 x.max=1.41 y.min=0.03 y.max=0.100 silicon # HALO region num=11 x.min=0.33 x.max=0.395 y.min=0 y.max=0.100 silicon region num=12 x.min=1.265 x.max=1.33 y.min=0 y.max=0.100 silicon # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # Definição dos Eletrodos # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- #--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # 1-GATE 2-SOURCE 3-DRAIN 4-SUBSTRATE (abaixo do óxido) # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- electrode name=gate x.min=0.33 x.max=1.33 y.min=-0.0025 y.max=-0.0025 electrode name=source x.min=0.0 x.max=0.10 y.min=-0.003 y.max=0.0 electrode name=drain x.min=1.56 x.max=1.66 y.min=-0.003 y.max=0.0 electrode name=substrate bottom # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # Definição da concentração de dopantes # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- #canal doping uniform conc=1.0e18 p.type region=2 x.l=0.33 x.r=1.33 doping uniform conc=5.5e17 p.type region=3 x.l=0.33 x.r=1.33 # fonte e dreno doping gauss n.type conc=1e20 char=0.2 lat.char=0.00304 reg=5 x.r=0.25 doping gauss n.type conc=1e20 char=0.2 lat.char=0.00304 reg=6 x.l=1.41 # Ldd doping uniform conc=1e19 n.type region=7 x.l=0.25 x.r=0.33 doping uniform conc=1e19 n.type region=8 x.l=1.33 x.r=1.41 doping uniform conc=1e20 n.type region=9 x.l=0.25 x.r=0.33 doping uniform conc=1e20 n.type region=10 x.l=1.33 x.r=1.41 #HALO doping uniform conc=1e18 p.type region=11 x.l=0.33 x.r=0.395 doping uniform conc=1e18 p.type region=12 x.l=1.265 x.r=1.33 # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # Definição de Cargas de Interface # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- interf qf=5e10 y.max=0.015 interf qf=1e11 y.min=0.085 # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # Definição dos tipos de contatos # ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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contact name=gate n.poly contact name=substrate workfunc=4.95 # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # Definição dos modelos utilizados # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- models kla watt srh bgn auger consrh fldmob print hei fnord fnholes temp=293 F.AE=1.82E-3 F.AH=1.82E-3 F.BE=1.6E8 F.BH=1.6E8 mobility mod.watt mobility AL1N.WATT=-0.01 mobility AL2N.WATT=-0.2 mobility MREF1N.WATT=570 mobility MREF2N.WATT=670 material TAUN0=2.1E-6 material TAUP0=2.1E-6 # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # Polarização # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- solve init method newton autonr trap maxtrap=10 solve prev solve vdrain=1e-7 solve vdrain=1E-6 solve vdrain=1e-5 solve vdrain=1e-4 solve vdrain=1e-3 solve vdrain=0.025 solve vgate=-1e-7 solve vgate=-1E-6 solve vgate=-1e-5 solve vgate=-1e-4 solve vgate=-1e-3 solve vgate=-0.1 solve vgate=-0.2 solve vgate=-0.3 solve vgate=-0.5 # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- # Rampa de tensão # --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- log outf=tox25293.log master solve vgate=-0.5 vstep=0.01 name=gate vfinal=1.5 quit