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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2018.tde-11042018-091600
Documento
Autor
Nome completo
Vanessa Cristina Pereira da Silva
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Agopian, Paula Ghedini Der (Presidente)
Fontes, Marcelo Bariatto Andrade
Nicolett, Aparecido Sirley
Título em português
Estudo da região de sublimiar de transistores SOI avançados.
Palavras-chave em português
MOSFET
NW
SOI
Transistores
UTBB
UTBOX
Resumo em português
Em decorrência da necessidade de se obter circuitos integrados (CIs) cada vez mais velozes e consequentemente dando sequência à lei de Moore, a redução das dimensões dos dispositivos se torna necessária, aumentando assim a capacidade de integração de transistores dentro de um CI, porém, ao passo que ocorre a miniaturização, aparecem efeitos parasitários que afetam o comportamento dos transistores. Sendo assim, torna-se necessária a utilização de novos dispositivos e o uso de diferentes materiais, para dar continuidade à evolução tecnológica. Com o avanço da tecnologia, as indústrias seguiram em dois caminhos diferentes, a tecnologia planar (exemplo: UTBB) e a tridimensional (exemplo: FinFET). Neste trabalho são abordadas estas duas diferentes geometrias. Foram analisados dispositivos UTBOX e UTBB (planares) e os nanofios de porta ômega (?-Gate NW), que tem estrutura tridimensional. O uso de dispositivos com baixa-potência e baixa-tensão tornaram-se ainda mais importante nos dias de hoje, com aplicações em áreas médicas, como aparelhos auditivos e marca passos, em relógios inteligentes, microsensores e etc. Quanto menor for a potência consumida, menor será o calor gerado, resultando em uma redução de custos com sistemas de refrigeração. Os circuitos que operam na região de sublimiar são utilizados em aplicações onde o consumo de energia é mais importante do que a performance, porém, ao trabalhar nessa região os transistores apresentam um alto ganho para pouca variação de tensão. Nos transistores UTBOX e UTBB SOI nMOSFETs foram analisados os parâmetros partindo-se da tensão de limiar em direção à região do transistor no estado desligado, analisando a influência da espessura da região ativa do silício, do comprimento do canal e da implantação do plano de terra nos seguintes parâmetros: tensão de limiar, inclinação de sublimiar, abaixamento da barreira induzido pelo dreno (DIBL), a fuga no dreno induzida pela porta (GIDL) e razão das correntes no estado ligado e desligado (ION/IOFF). A redução do comprimento de canal afeta todos os parâmetros, devido ao efeito de canal curto, que além de reduzir a tensão de limiar, quando o dispositivo opera com baixo VDS (tensão entre dreno (VD) e fonte (VS)), reduz ainda mais quando aplicado alto VDS (em saturação), aumentando o DIBL. Esse efeito foi observado para os dispositivos nanofios com porta ômega, nos três valores de largura de canal analisados. Com o VDS alto também ocorre mais fuga de corrente pela segunda interface para comprimentos de canal curto, o que reduz a razão ION/IOFF. Quanto mais fina é a espessura do canal, melhor é o acoplamento entre as interfaces, resultando em uma melhor inclinação de sublimiar (SS) tornando os valores próximos ao limite teórico de 60mV/dec à temperatura ambiente. Nos resultados experimentais foi possível observar, para os dispositivos UTBOX e UTBB, uma redução de SS de aproximadamente 20 mV/dec, com a redução de tsi. A espessura da região ativa do silício também influencia na distribuição do campo elétrico, sendo diretamente proporcional, ou seja, quanto mais espessa a camada de silício, maior será o campo elétrico. A implantação do plano de terra (GP) tem como um de seus objetivos reduzir as cargas de depleção que são formadas abaixo do óxido enterrado e assim melhorar o controle das cargas no canal pela tensão aplicada no substrato. Essas cargas de depleção aumentam a espessura efetiva do óxido enterrado e também influenciam as cargas dentro do canal, resultando em um maior potencial na segunda interface (canal/óxido enterrado), facilitando a condução no canal, ou seja, reduzindo o valor de VT. Com a presença do GP, o potencial na segunda interface é mais próximo de zero, o que reduz a condução por essa região. Com isso será necessária uma maior tensão para inverter o canal. Porém, o controle das cargas pela tensão aplicada na porta é maior. Os valores extraídos de VT sem GP foram de aproximadamente 0,25V e com GP aproximadamente 0,45V. O estudo feito nos transistores de estrutura de nanofio e porta ômega NMOS e PMOS foi baseado em três parâmetros: tensão de limiar, inclinação de sublimiar e DIBL, com diferentes comprimentos e larguras de canal, sendo possível observar a presença do efeito de canal curto ao analisar os três parâmetros para L a partir de 100nm. Os transistores com Wfin=220nm apresentaram um menor VT em relação aos demais, para explorar esse fato, foram feitas simulações numéricas dos transistores do tipo N com Wfin=220nm e L=100nm. Com as simulações iniciais, os transistores com Wfin=220nm apresentaram um valor da tensão de limiar bem próximo dos demais Wfin. Para explorar o porquê de os dispositivos experimentais apresentarem um deslocamento no VT, foi analisada a condução pela segunda interface, onde, com as simulações com cargas fixas na segunda interface, a curva IDSXVGS simulada ficou próxima da experimental, explicando a redução de VT para Wfin=220nm. Com as simulações com cargas fixas na primeira e segunda interfaces, foi possível notar uma imunidade na inclinação de sublimiar ao adicionar essas cargas, que ocorre devido à pequena altura da região ativa de silício (hfin=10nm) que promove um forte acoplamento entre as interfaces. A largura de canal afetou significativamente os valores de DIBL para Ls menores que 100nm, pois, como o campo elétrico é proporcional à área, os transistores com L pequeno e W grande sofrem forte influência desse campo, resultando em um aumento de VT quando em saturação.
Título em inglês
Subthreshold region study of advanced SOI transistors.
Palavras-chave em inglês
MOSFET
NW.
SOI
UTBB
UTBOX
Resumo em inglês
Due to the need to obtain integrated circuits (IC) faster and to follow Moore's law, it is necessary to reduce the dimensions of the devices increasing the capacity of integration of transistors inside an IC, however, with the miniaturization appears parasitic effects that affect the behavior of the transistors. Therefore, it is necessary to use new devices and the use of different materials to continue the technological evolution. With the advancement of technology, the industries have followed in two different ways, the planar technology (example: UTBB) and the three-dimensional technology (example: FinFET). In this work, these two different geometries are discussed. UTBOX and UTBB (planar) devices and the ?-Gate NW, which has a three-dimensional structure, were analyzed. The use of low-power low-voltage devices has become even more important nowadays, with applications in medical areas such as hearing aids and pacemakers, in smart watches, microsensors, and so on. The lower the power consumed, the lower the heat generated, resulting in a reduction of costs with cooling systems. The circuits that operate in the subthreshold region are used in applications where power consumption is more important than performance, but when working in this region the transistors have a high gain for little voltage variation. In the UTBOX and UTBB SOI nMOSFETs transistors the parameters starting from the threshold voltage towards the region of the transistor in the off state were studied, analyzing the influence of the silicon active region thickness, the channel length and the ground plane implantation in the following parameters: threshold voltage, subthreshold swing, drain-induced barrier lowering (DIBL), gate-induced drain leakage (GIDL) and current ratio on over off (ION/IOFF). The channel length reduction affects all parameters due to the short channel effect, which in addition to reducing the threshold voltage when the device operates with low VDS (VD) and source (VS)), reduces even further when applied high VDS (in saturation), increasing the DIBL. This effect was observed for the nanowire devices with omega gate, in the three channel width analyzed. With high VDS, there is also more current leakage through the back interface for short channel lengths, which reduces the ION/IOFF ratio. The thinner the channel thickness, the better the coupling between the interfaces, resulting in a better SS, making the values close to the theoretical limit of 60mV/dec at room temperature. In the experimental results, it was possible to observe for the UTBOX and UTBB devices a SS reduction of approximately 20mV/dec, with tsi reduction. The thickness of the active region of the silicon also influences the distribution of the electric field, being directly proportional, that is, the thicker the silicon layer, the greater the electric field. The implementation of the ground plane (GP) has as one of its objectives to reduce the depletion charges that are formed below the buried oxide and thus improve the control of the charges in the channel by the voltage applied at the substrate. These depletion charges increase the effective thickness of the buried oxide and also influence the charges at the channel, resulting in a higher potential at the second interface (buried channel/oxide), facilitating the conduction in the channel, i.e., reducing the value of VT. And with the presence of GP, the potential in the second interface is closer to zero, which reduces the conduction by this region, and then, this will require a higher voltage to invert the channel. However, the charge control by the voltage applied at the gate is higher. Values extracted of VT without GP were approximately 0.25V and with GP approximately 0.45V. The study on the omega-gate nanowire transistors of N and P type was based on three parameters: threshold voltage, subthreshold swing and DIBL, with different channel lengths and widths, being possible to observe the presence of the short channel effect for the three analyzed parameters and L=100 and 40nm. The transistors with Wfin=220nm had a higher VT in relation to the others, suggesting the presence of the narrow channel effect, to explore this fact, numerical simulations of N type transistors with Wfin=220nm and L=100nm were done. With the initial simulations, the transistors with Wfin=220nm did not show a narrow channel effect, where the threshold voltage value is very close to the others Wfin. Another alternative that was explored was the conduction by the back interface, where, with the simulations with fixed charges in the back interface, the simulated IDSXVGS curve was close to the experimental one, explaining the reduction of VT for Wfin=220nm. With the simulations with fixed charges in the front and back interfaces it was possible to notice an immunity in the subthreshold swing when adding these charges, which occurs due to the small height of the silicon active region (hfin=10nm) that promotes a strong coupling between the interfaces. The channel width significantly affected the DIBL values for Ls smaller than 100nm since, the electric field is proportional to the area, and the transistors with small L and large W have strong influence of this field, resulting in an increase of VT when in saturation.
 
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Data de Publicação
2018-04-23
 
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