Caracterização elétrica e simulação dos efeitos do autoaquecimento em nanofios transistores MOS sem junções em regime estacionário e transitório

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Bergamaschi, F. E.
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo
• Palavras-chave em Português: Semicondutores de óxido metálico; Transitórios de corrente
• Link de acesso: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/311

Este trabalho apresenta uma análise do comportamento elétrico e térmico de nanofios transistores MOS sem junções fabricados em tecnologia SOI, com o objetivo de verificar a ocorrência de efeitos de autoaquecimento através de medidas elétricas e simulações numéricas tridimensionais em regime estacionário e transitório. Para esta verificação foram utilizados métodos validados na literatura, como o método de extração da resistência de porta utilizando estruturas de porta de 4 terminais e o método de medidas pulsadas, onde se observa os efeitos causados pelo aumento de temperatura em transitórios de corrente elétrica. O autoaquecimento é um efeito inerente à física dos semicondutores e está relacionado ao perfil térmico dos transistores, que pode ter grande influência no desempenho de circuitos analógicos. Este efeito consiste no aumento da temperatura do dispositivo devido à dissipação de potência em forma de calor durante a operação do dispositivo, provocada apenas pela condução de corrente no canal. O prévio estudo dos parâmetros físicos de transistores MOS revelou que os efeitos provocados pelo autoaquecimento estão relacionados à degradação da mobilidade devido a efeitos de espalhamento dependentes da temperatura do silício. Por meio de simulações, foi analisada a influência da estrutura de porta na caracterização do autoaquecimento pela extração da resistência de porta, que na prática requer uma estrutura de porta grande com 4 terminais, em oposição à estrutura de porta convencional que cobre apenas a superfície do fin de silício. Concluiu-se que em dispositivos sem junções de dimensões reduzidas, especificamente largura de fin abaixo de 500 nm e altura de fin menor que 100 nm, a presença de uma estrutura de porta grande causa subestimação da predição da temperatura no canal, reduzindo a precisão dessa predição de 82% para 43%. Então, foram realizadas simulações de transitório, que revelaram que há redução na parte visível da degradação de corrente com o uso de tempos de subida maiores no pulso, próximos dos utilizados nas medidas experimentais. Através do estudo do funcionamento do módulo de medidas pulsadas e de como obter curvas de transitório consistentes, foi possível realizar a caracterização dinâmica de diferentes dispositivos. Os resultados indicam que transistores SOI planares com óxido enterrado espesso são os que apresentam mais efeitos de autoaquecimento, alcançando redução de corrente entre 4,5% e 12%. Os transistores sem junções medidos, de 10 fins e largura de fin até 240 nm foram pouco influenciados pelo autoaquecimento, não sendo observada degradação de corrente relevante, mas apresentaram maior dificuldade na análise do transitório devido ao overshoot de corrente. Já em transistores com fin único e largura de fin de 240 nm, foi verificada degradação de corrente em até 3,85%, aumentando quanto mais curto o canal do transistor. Tendo os transistores estreitos características elétricas mais interessantes, foram medidos dispositivos com largura de fin de 60 nm, resultando em degradação de corrente máxima de 3,5%, porém agora reduzindo para transistores mais curtos devido à influência do campo elétrico na degradação da mobilidade. Portanto, os transistores com fin único apresentaram menor distorção por overshoot e autoaquecimento similar, por terem menor corrente aquisitada pelo medidor, mas mesmo nível de corrente fluindo por fin. Contudo, os resultados indicaram que os nanofios transistores sem junções medidos são pouco suscetíveis aos efeitos do autoaquecimento, apresentando baixa degradação de corrente em relação à corrente total do transistor.