Efeitos da aplicação de técnicas de aprimoramento de desempenho em transistores SOI CMOS de tecnologias totalmente depletadas promissoras

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Bergamaschi, F. E.
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo
• Palavras-chave em Português: Tecnologia FD SOI; Temperaturas criogênicas; Autoaquecimento
• Link de acesso: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/4661; https://doi.org/10.31414/EE.2022.T.131553

Este trabalho avalia a influência do uso de duas técnicas para aprimoramento do desempenho de transistores, a polarização do substrato e a operação em temperaturas criogênicas, no comportamento elétrico de dispositivos fabricados em tecnologias consideradas promissoras, pela comunidade científica e pela indústria, para futuros nós tecnológicos: os nanofios transistores MOS e os transistores SOI planares com tecnologia de 28nm. Nos nanofios é realizado o estudo dos efeitos da polarização do substrato no transporte de cargas, enquanto nos transistores SOI planares é realizada a análise do autoaquecimento em temperaturas criogênicas. Os resultados são obtidos através de medidas experimentais e simulações numéricas tridimensionais. A variação da mobilidade dos portadores com o aumento da polarização de substrato é analisada para nanofios transistores MOS com comprimentos de canal e larguras de fin variadas, através dos métodos de extração da mobilidade Y-Function e Split-CV para uma ampla faixa de tensões do substrato, chegando a 100V. É verificada uma mudança de tendência da curva de mobilidade para valores elevados de polarização, fazendo com que, em alguns casos, o aumento da mobilidade se transforme em degradação. Para compreender o comportamento não monotônico da mobilidade com aumento da tensão de substrato, é utilizado um método de obtenção da mobilidade no canal criado entre o silício e o óxido enterrado quando o substrato é polarizado. Além de validar as análises e hipóteses sugeridas pelos resultados experimentais, a simulação também é usada para verificar, através de cortes na estrutura, a distribuição de cargas em diferentes condições de polarização. O canal criado próximo ao óxido enterrado apresenta mobilidade superior à do canal principal, resultando em aumento da mobilidade com a elevação da tensão do substrato. Porém, em alguns casos o campo elétrico elevado aumenta o efeito dos fenômenos de espalhamento a ponto de causar degradação da mobilidade. Simulações mostram a diminuição desse efeito com a redução do comprimento de canal. O estudo do autoaquecimento inclui transistores SOI planares nMOS e pMOS com variações no comprimento e largura de canal, na espessura do óxido de porta e no número de transistores em paralelo. O autoaquecimento é extraído experimentalmente através do método de termometria de porta, com variação da temperatura do ambiente de 300K até 4,2K. A polarização do substrato não aumenta a resistência térmica do transistor, portanto não há piora no autoaquecimento, mas devido ao aumento da potência dissipada, a temperatura do dispositivo atinge maiores valores. Já a redução do comprimento de canal resulta em aumento da resistência térmica, indicando maior autoaquecimento. O acoplamento térmico entre transistores próximos causa aumento no autoaquecimento, mas a presença de isolação entre os dispositivos não modifica esse efeito. A operação em temperaturas criogênicas faz com que o aumento de temperatura em função da potência dissipada não seja linear, divergindo da operação acima de 100K. Acima de 75K, a resistência térmica é proporcional à resistência térmica do SiO2, devido à dissipação de calor majoritariamente pelo óxido enterrado. Porém, abaixo de 75K, a resistência térmica apresenta tendência similar à resistência térmica do silício, sendo um comportamento ainda pouco compreendido pela comunidade científica