Caracterização elétrica de transistores SOI sem extensão de fonte e dreno com estrutura planar e vertical (3D). - Santos, Sara Dereste dos (2014)
Este trabalho tem como objetivo estudar transistores estado da arte desenvolvidos no imec, Bélgica, e dessa forma, contribuir para a evolução tecnológica do Brasil. Tratam-se de transistores sem extensão de fonte e dreno (SemExt), analisados sob diferentes aspectos. São estudados transistores SOI (Silicon-On-Insulator) de múltiplas portas (MuGFETs) e SOI planares de camada de silício e óxido enterrado ultrafinos (UTBB). Diversos comprimentos de óxido espaçador são comparados a fim de se determinar o melhor comportamento elétrico, baseado nas características digital e analógica desses transistores. A caracterização elétrica dos transistores é realizada com base em medidas experimentais estáticas e dinâmicas e o uso de simulações numéricas complementa a análise dos resultados. Os MuGFETs de porta tripla são caracterizados em função dos principais parâmetros digitais e analógicos, onde os transistores sem extensão de fonte e dreno (F/D) apresentam desempenho elétrico superior aos com extensão na maior parte das análises. Como exemplo, obteve-se experimentalmente que a inclinação de sublimiar do dispositivo sem extensão reduziu até 75 mV/dec, quando comparado com o valor do transistor de referência de 545 mV/dec para o comprimento efetivo de canal, Leff=50 nm. Apesar do transistor sem extensão apresentar menor transcondutância (gm), a razão das correntes no estado ligado (Ion) e desligado (Ioff) é até 3 vezes maior que nos dispositivos de referência. O ganho intrínseco de tensão (AV), por sua vez, é capaz de aumentar até 9 dB em relação ao dispositivo com sobreposição de porta, graças ao melhor desempenho da eficiência do transistor (gm/IDS) assim como da tensão Early (VEA). Da mesma forma, os SOI UTBB apresentam melhores resultados quando as regiões de extensão de fonte e dreno são suprimidas da estrutura. Neste caso, o comprimento efetivo de canal torna-se modulável com a tensão de porta, ou seja, para cada valor de tensão na porta, haverá um valor diferente de Leff, e esta é a principal razão para a melhoria do transistor. Além disso, os dispositivos sem extensão são mais imunes ao campo elétrico horizontal do dreno, o que diminui a influência deste campo sobre as cargas do canal. Como resultado, transistores com maiores comprimentos de regiões sem extensões de F/D apresentam melhores resultados como, por exemplo, a razão Ion/Ioff é três vezes maior que aqueles observados nos transistores de referência e o ganho intrínseco de tensão é 60% maior. Os SOI UTBB são submetidos a duas outras análises. A primeira focada no estudo de ruído de baixa frequência. Neste estudo, duas espessuras de camada de silício (tSi) do SOI UTBB são comparadas. Nota-se que quanto mais fina a espessura tSi, maior é a influência de uma interface sobre a outra. Logo, o ruído presente em uma interface afeta a outra e vice-versa. Devido ao elevado acoplamento entre a 1ª e 2ª interfaces, cargas alocadas em diferentes posições nos filmes de óxido e silício podem contribuir para o ruído gerado em ambas as interfaces. Os transistores sem extensão também são analisados em função do dielétrico de porta, onde dispositivos com dióxido de silício são comparados aos transistores com dielétrico de alto valor (alto K), que fornecem, como esperado, maior nível de ruído devido a maior densidade de armadilhas na interface desses óxidos (cerca de duas ordens de grandeza maior que a do SiO2). O segundo estudo refere-se a análise do distúrbio em células de memória de corpo flutuante (FBRAM). Os transistores SOI UTBB são aplicados como memória e através da mudança nas polarizações de repouso foi possível induzir o efeito de distúrbio nos dados armazenados. Dessa forma, uma janela de operação onde a perturbação no dado é parcial foi estimada. Com isso, a condição de escrita do bit 0 pôde ser otimizada fora da região de distúrbio total, sem prejudicar o tempo de retenção e a janela de leitura da memória. Com base nas análises realizadas, foi constatado que os transistores sem extensão respondem melhor à questão do escalamento, sendo menos susceptíveis aos efeitos de canal curto. São indicados para operarem em circuitos de baixa tensão e baixa potência, onde não haja necessidade de alta velocidade de chaveamento. Além do mais, eles são mais indicados para operarem como memória FBRAM por serem menos dependentes dos efeitos da corrente de GIDL (Gate Induced Drain Leakage). E, uma vez que foram otimizados para aplicações de memória, a possibilidade de usar dielétricos de porta formados por óxido de silício, resulta em um melhor desempenho em termos de ruído de baixa frequência.