Modeling and simulation of self-heating effects in p-type MOS transistors - Rossetto, Alan Carlos Junior (2018)
Nas últimas décadas, o processo de constante redução das dimensões de dispositivos semicondutores — aliado a novas estruturas de dispositivos e novos materiais —, tem agravado os problemas térmicos em tais estruturas, tornando-os importantes limitadores na confiabilidade destes dispositivos. Como consequência, a dinâmica do transporte térmico, e o impacto desta no desempenho de dispositivos semicondutores de escala nanométrica, se estabelece como um tema bastante atual. Neste contexto, esta tese desenvolve e apresenta um novo simulador eletrotérmico de dispositivos do tipo particle-based voltado ao estudo dos efeitos de auto aquecimento (self-heating) em transistores de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFETs) do tipo p baseados em silício. A ferramenta possui duas partes principais: um módulo elétrico — que realiza o transporte de carga baseado no método de Monte Carlo —, e um módulo térmico — que determina os perfis não-isotérmicos de temperatura dentro do dispositivo através da resolução das equações do balanço energético entre fônons óticos e acústicos. Tais perfis de temperatura são fornecidos ao módulo elétrico que, por sua vez, ajusta a frequência de espalhamento dos portadores com base na temperatura na vizinhança destes, permitindo ao simulador capturar a degradação na capacidade de corrente dos transistores devido aos efeitos de auto aquecimento. A ferramenta se mostrou adequada para a simulação de dispositivos de até 100 nm de comprimento de canal, e foi utilizada para realizar simulações estudo de caso de transistores MOS nas tecnologias bulk e fully-depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) com 24 nm de comprimento de canal. Parâmetros elétricos de tais dispositivos extraídos via simulação se mostraram coerentes com o comportamento esperado e com dados da literatura, o que assegura o correto funcionamento do simulador. A partir de simulações eletrotérmicas, foram extraídos os perfis de temperatura ao longo da estrutura dos transistores, além do mapeamento da geração de calor dentro do dispositivo e a potência por este dissipada. Para comparação, alguns resultados também foram extraídos a partir do modelo de aquecimento Joule. A degradação na corrente do dispositivo devido ao efeito de auto aquecimento se mostrou muito mais significativa para transistores de tecnologia FD-SOI do que para transistores de tecnologia bulk. Para uma polarização de VD = VG = -1.5 V, por exemplo, transistores bulk apresentaram uma variação média na corrente de -0.75%, enquanto que a corrente dos transistores FD-SOI variou, em média, -8.82%, considerando Tgate = 400 K. A temperatura de pico dos fônons acústicos (rede cristalina) e óticos foi extraída em função da polarização aplicada para ambas as topologias. Para a rede cristalina, por exemplo, o aumento da temperatura em relação à temperatura do dissipador foi de 10 K e 150 K para dispositivos bulk e FD-SOI, respectivamente, observando as mesmas condições apresentadas anteriormente. A característica particle-based da ferramenta também se mostrou adequada para o estudo da atividade de armadilhas (traps) em MOSFETs, bem como a interação desta com os efeitos de auto aquecimento. A simulação de armadilhas foi utilizada para analisar a distribuição estatística de impacto destas na corrente de dispositivos bulk com 25 nm de comprimento de canal. Tais simulações mostraram que as variações na corrente dos transistores devido à ação de armadilhas são exponencialmente distribuídas, em concordância com observações experimentais reportadas na literatura. Simulações eletrotérmicas de armadilhas de carga em transistores bulk e FD-SOI revelaram que a maior degradação na corrente do dispositivo ocorre quando os efeitos de auto aquecimento e atividade de armadilhas ocorrem simultaneamente. Para tensões de polarização mais baixas, o impacto das armadilhas de carga domina a degradação de corrente, enquanto que a degradação devido ao auto aquecimento prevalece para tensões mais elevadas.