A rápida e crescente demanda por tecnologias que permitam a redução das dimensões dos transistores planares de porta única leva a uma nova era de dispositivos tensionados mecanicamente. Os transistores de múltiplas portas (MuGFET) com canal de silício e o MOSFET planar convencional com canal de germânio são alguns destes promissores dispositivos avançados a receberem o tensionamento mecânico para aumento da mobilidade dos portadores. O tensionamento mecânico uniaxial, biaxial e ambos combinados são analisados através de simulação numérica de processos e dispositivos e medidas experimentais em três técnicas de tensionamento diferentes, além da análise de medidas obtidas de dispositivos experimentais para análise do aumento da mobilidade dos portadores através da transcondutância máxima. A linha de corte 1D de cada componente do tensionamento simulado é estudado de acordo com a sua dependência com a largura, altura, comprimento do canal e materiais utilizados, assim como a influência que as componentes de tensionamento exercem sobre os parâmetros elétricos analógicos, como transcondutância, ganho intrínseco de tensão e frequência de ganho de tensão unitário. A operação dos dispositivos de silício sobre isolante (SOI Silicon On Insulator) MuGFETs de porta tripla com variações no formato da secção transversal do canal do transistor e variações no comprimento e largura da aleta é estudada em casos selecionados. Um completo estudo da distribuição do tensionamento mecânico gerado por tensionamento global e por tensionamento local é realizado em estruturas com aleta retangular e trapezoidal, juntamente com o impacto destas na mobilidade e nos parâmetros analógicos são realizados. Estruturas nMuGFET SOI com comprimento de canal mais curto alcançaram aumentos maiores de mobilidade utilizando-se o tensionamento uniaxial, enquanto que as estruturas com comprimento de canal mais longo retornaram maior mobilidade com o tensionamento biaxial, resultado da diferente efetividade de cada técnica de tensionamento em cada estrutura. Estruturas MOSFETs convencionais planares com tensionadores embutidos na fonte e dreno em canal de germânio para incremento da mobilidade também são analisadas. Simulações numéricas do processo de fabricação são realizadas e calibradas com dispositivos experimentais em transistores tipo n e tipo p, possibilitando o estudo futuro de estruturas MuGFET de germânio. / The fast and growing demand for technologies that enable the reduction of dimensions of planar single gate transistors leads to a new era of mechanically stressed devices. Multiple gate transistors (MuGFET) with silicon channel and planar bulk MOSFET with germanium channel are some of these promising advanced devices to receive the mechanical stress to increase carriers mobility. The uniaxial stress, biaxial stress and both of them combined are analyzed by process and device numerical simulations in three different strain techniques and also the analysis of experimental measurements for analysis of carriers mobility increase through maximum transconductance. The 1D cut line of each simulated stress component is studied according to their dependence on the width, height and length of the channel and the materials used, as well as the influence that stress components causes on analog electrical parameters, such as transconductance, intrinsic voltage gain and unity gain frequency. The operation of silicon-on-insulator (SOI) triple gate MuGFETs with variations in the shape of the cross section of the transistor channel and variations in the length and width of the fin is studied in selected cases. A complete study in the distribution of the mechanical stress generated by the local and global stress is performed in rectangular and trapezoidal fins and also the impact of these on mobility and analog parameters are studied. SOI nMuGFET structures with shorter channel length achieved higher mobility increases using the uniaxial stress, while structures with longer channel lengths returned higher mobility using the biaxial stress, result of the different effectiveness in each stress technique for each structure. Conventional MOSFET structures with embedded stressors in the source and drain regions with germanium channel are also analyzed. Numerical process simulations are realized and calibrated with experimental devices in both n and p type transistors, making possible the future study of MuGFET structures with germanium.

Este trabalho teve como objetivo estudar os transistores de tunelamento por efeito de campo em estruturas de nanofio (NW-TFET), sendo realizado através de analises com base em explicações teóricas, simulações numéricas e medidas experimentais. A fim de avaliar melhorar o desempenho do NW-TFET, este trabalho utilizou dispositivos com diferentes materiais de fonte, sendo eles: Si, liga SiGe e Ge, além da variação da espessura de HfO2 no material do dielétrico de porta. Com o auxílio de simulações numéricas foram obtidos os diagramas de bandas de energia dos dispositivos NW-TFET com fonte de Si0,73Ge0,27 e foi analisada a influência de cada um dos mecanismos de transporte de portadores para diversas condições de polarização, sendo observado a predominância da influência da recombinação e geração Shockley-Read-Hall (SRH) na corrente de desligamento, do tunelamento induzido por armadilhas (TAT) para baixos valores de tensões de porta (0,5V > VGS > 1,5V) e do tunelamento direto de banda para banda (BTBT) para maiores valores tensões de porta (VGS > 1,5V). A predominância de cada um desses mecanismos de transporte foi posteriormente comprovada com a utilização do método de Arrhenius, sendo este método adotado em todas as análises do trabalho. O comportamento relativamente constante da corrente dos NW-TFETs com a temperatura na região de BTBT tem chamado a atenção e por isso foi realizado o estudo dos parâmetros analógicos em função da temperatura. Este estudo foi realizado comparando a influência dos diferentes materiais de fonte. O uso de Ge na fonte, permitiu a melhora na corrente de tunelamento, devido à sua menor banda proibida, aumentando a corrente de funcionamento (ION) e a transcondutância do dispositivo. Porém, devido à forte dependência de BTBT com o campo elétrico, o uso de Ge na fonte resulta em uma maior degradação da condutância de saída. Entretanto, a redução da espessura de HfO2 no dielétrico de porta resultou no melhor acoplamento eletrostático, também aumentando a corrente de tunelamento, fazendo com que o dispositivo com fonte Ge e menor HfO2 apresentasse melhores resultados analógicos quando comparado ao puramente de Si. O uso de diferentes materiais durante o processo de fabricação induz ao aumento de defeitos nas interfaces do dispositivo. Ao longo deste trabalho foi realizado o estudo da influência da densidade de armadilhas de interface na corrente do dispositivo, demonstrando uma relação direta com o TAT e a formação de uma região de platô nas curvas de IDS x VGS, além de uma forte dependência com a temperatura, aumentando a degradação da corrente para temperaturas mais altas. Além disso, o uso de Ge introduziu maior número de impurezas no óxido, e através do estudo de ruído foi observado que o aumento na densidade de armadilhas no óxido resultou no aumento do ruído flicker em baixa frequência, que para o TFET, ocorre devido ao armadilhamento e desarmadilhamento de elétrons na região do óxido. E mais uma vez, o melhor acoplamento eletrostático devido a redução da espessura de HfO2, resultou na redução desse ruído tornando-se melhor quando comparado à um TFET puramente de Si. Neste trabalho foi proposto um modelo de ruído em baixa frequência para o NW-TFET baseado no modelo para MOSFET. Foram realizadas apenas algumas modificações, e assim, obtendo uma boa concordância com os resultados experimentais na região onde o BTBT é o mecanismo de condução predominante. / This work aims to study the nanowire tunneling field effect transistors (NW-TFET). The analyses were performed based on theoretical explanations, numerical simulations and experimental data. In order to improve the NW-TFET performance, it was used devices with different source compositions, such as Si, SiGe alloy and Ge, besides different thicknesses of HfO2 for the gate dielectric. With the aid of numerical simulations it was obtained the NW-TFET energy band diagrams and analyzed the influence of recombination and generation Shockley-Read-Hall (SRH) on the off current, the influence of the trap assisted tunneling (TAT) at low gate voltage bias (0,5V > VGS > 1,5V) and the direct band to band tunneling (BTBT) at higher gate voltage bias(VGS > 1,5V). The predominance of each conduction mechanisms was confirmed by the Arrhenius plot method, being this method adopted in all analysis in this work. The constant current with the temperature in the BTBT region has drawn attention and due to that, this work have studied the NW-TFET analog performance as function of temperature and also the influence of the source composition. The Ge source device shows an improved tunneling current, related to the bandgap narrowing, which leads to higher ION and transconductance. However, due to the strong BTBT dependence with the electric field, the use of Ge as source results in further ION/IOFF degradation. Despite this, the reduced HfO2 thickness in the gate dielectric, results in better electrostatic coupling, which also increases the tunneling current, making this device to present better analog performance when compared to devices with Si source. The use of different materials during the device fabrication leads to an increase of the interface defects. This work presented the influence of the interface trap density on the current, showing a direct relation with TAT and appearance of a plateau region in the IDS x VGS curves. In addition it was shown a strong temperature dependence increasing the current degradation at higher temperatures. Furthermore, the use of Ge has shown an increase of impurities in the oxide, and through the noise study it was observed the flicker noise increase at low frequency, which for TFETs, occurs due to the electrons trapping and detrapping in the oxide region. Once again, the reduced HfO2 thickness leads to better electrostatic coupling, resulting in noise reduction and becoming better when compared to a devices with Si source. In this work was proposed a low frequency noise model for a NW-TFET based on MOSFET models. Minor changes have been done, and thus a good agreement with the experimental results in the region where the BTBT is predominant conduction mechanism was obtained.

Este trabalho teve como objetivo estudar os transistores de tunelamento por efeito de campo em estruturas de nanofio (NW-TFET), sendo realizado através de analises com base em explicações teóricas, simulações numéricas e medidas experimentais. A fim de avaliar melhorar o desempenho do NW-TFET, este trabalho utilizou dispositivos com diferentes materiais de fonte, sendo eles: Si, liga SiGe e Ge, além da variação da espessura de HfO2 no material do dielétrico de porta. Com o auxílio de simulações numéricas foram obtidos os diagramas de bandas de energia dos dispositivos NW-TFET com fonte de Si0,73Ge0,27 e foi analisada a influência de cada um dos mecanismos de transporte de portadores para diversas condições de polarização, sendo observado a predominância da influência da recombinação e geração Shockley-Read-Hall (SRH) na corrente de desligamento, do tunelamento induzido por armadilhas (TAT) para baixos valores de tensões de porta (0,5V > VGS > 1,5V) e do tunelamento direto de banda para banda (BTBT) para maiores valores tensões de porta (VGS > 1,5V). A predominância de cada um desses mecanismos de transporte foi posteriormente comprovada com a utilização do método de Arrhenius, sendo este método adotado em todas as análises do trabalho. O comportamento relativamente constante da corrente dos NW-TFETs com a temperatura na região de BTBT tem chamado a atenção e por isso foi realizado o estudo dos parâmetros analógicos em função da temperatura. Este estudo foi realizado comparando a influência dos diferentes materiais de fonte. O uso de Ge na fonte, permitiu a melhora na corrente de tunelamento, devido à sua menor banda proibida, aumentando a corrente de funcionamento (ION) e a transcondutância do dispositivo. Porém, devido à forte dependência de BTBT com o campo elétrico, o uso de Ge na fonte resulta em uma maior degradação da condutância de saída. Entretanto, a redução da espessura de HfO2 no dielétrico de porta resultou no melhor acoplamento eletrostático, também aumentando a corrente de tunelamento, fazendo com que o dispositivo com fonte Ge e menor HfO2 apresentasse melhores resultados analógicos quando comparado ao puramente de Si. O uso de diferentes materiais durante o processo de fabricação induz ao aumento de defeitos nas interfaces do dispositivo. Ao longo deste trabalho foi realizado o estudo da influência da densidade de armadilhas de interface na corrente do dispositivo, demonstrando uma relação direta com o TAT e a formação de uma região de platô nas curvas de IDS x VGS, além de uma forte dependência com a temperatura, aumentando a degradação da corrente para temperaturas mais altas. Além disso, o uso de Ge introduziu maior número de impurezas no óxido, e através do estudo de ruído foi observado que o aumento na densidade de armadilhas no óxido resultou no aumento do ruído flicker em baixa frequência, que para o TFET, ocorre devido ao armadilhamento e desarmadilhamento de elétrons na região do óxido. E mais uma vez, o melhor acoplamento eletrostático devido a redução da espessura de HfO2, resultou na redução desse ruído tornando-se melhor quando comparado à um TFET puramente de Si. Neste trabalho foi proposto um modelo de ruído em baixa frequência para o NW-TFET baseado no modelo para MOSFET. Foram realizadas apenas algumas modificações, e assim, obtendo uma boa concordância com os resultados experimentais na região onde o BTBT é o mecanismo de condução predominante. / This work aims to study the nanowire tunneling field effect transistors (NW-TFET). The analyses were performed based on theoretical explanations, numerical simulations and experimental data. In order to improve the NW-TFET performance, it was used devices with different source compositions, such as Si, SiGe alloy and Ge, besides different thicknesses of HfO2 for the gate dielectric. With the aid of numerical simulations it was obtained the NW-TFET energy band diagrams and analyzed the influence of recombination and generation Shockley-Read-Hall (SRH) on the off current, the influence of the trap assisted tunneling (TAT) at low gate voltage bias (0,5V > VGS > 1,5V) and the direct band to band tunneling (BTBT) at higher gate voltage bias(VGS > 1,5V). The predominance of each conduction mechanisms was confirmed by the Arrhenius plot method, being this method adopted in all analysis in this work. The constant current with the temperature in the BTBT region has drawn attention and due to that, this work have studied the NW-TFET analog performance as function of temperature and also the influence of the source composition. The Ge source device shows an improved tunneling current, related to the bandgap narrowing, which leads to higher ION and transconductance. However, due to the strong BTBT dependence with the electric field, the use of Ge as source results in further ION/IOFF degradation. Despite this, the reduced HfO2 thickness in the gate dielectric, results in better electrostatic coupling, which also increases the tunneling current, making this device to present better analog performance when compared to devices with Si source. The use of different materials during the device fabrication leads to an increase of the interface defects. This work presented the influence of the interface trap density on the current, showing a direct relation with TAT and appearance of a plateau region in the IDS x VGS curves. In addition it was shown a strong temperature dependence increasing the current degradation at higher temperatures. Furthermore, the use of Ge has shown an increase of impurities in the oxide, and through the noise study it was observed the flicker noise increase at low frequency, which for TFETs, occurs due to the electrons trapping and detrapping in the oxide region. Once again, the reduced HfO2 thickness leads to better electrostatic coupling, resulting in noise reduction and becoming better when compared to a devices with Si source. In this work was proposed a low frequency noise model for a NW-TFET based on MOSFET models. Minor changes have been done, and thus a good agreement with the experimental results in the region where the BTBT is predominant conduction mechanism was obtained.

A rápida e crescente demanda por tecnologias que permitam a redução das dimensões dos transistores planares de porta única leva a uma nova era de dispositivos tensionados mecanicamente. Os transistores de múltiplas portas (MuGFET) com canal de silício e o MOSFET planar convencional com canal de germânio são alguns destes promissores dispositivos avançados a receberem o tensionamento mecânico para aumento da mobilidade dos portadores. O tensionamento mecânico uniaxial, biaxial e ambos combinados são analisados através de simulação numérica de processos e dispositivos e medidas experimentais em três técnicas de tensionamento diferentes, além da análise de medidas obtidas de dispositivos experimentais para análise do aumento da mobilidade dos portadores através da transcondutância máxima. A linha de corte 1D de cada componente do tensionamento simulado é estudado de acordo com a sua dependência com a largura, altura, comprimento do canal e materiais utilizados, assim como a influência que as componentes de tensionamento exercem sobre os parâmetros elétricos analógicos, como transcondutância, ganho intrínseco de tensão e frequência de ganho de tensão unitário. A operação dos dispositivos de silício sobre isolante (SOI Silicon On Insulator) MuGFETs de porta tripla com variações no formato da secção transversal do canal do transistor e variações no comprimento e largura da aleta é estudada em casos selecionados. Um completo estudo da distribuição do tensionamento mecânico gerado por tensionamento global e por tensionamento local é realizado em estruturas com aleta retangular e trapezoidal, juntamente com o impacto destas na mobilidade e nos parâmetros analógicos são realizados. Estruturas nMuGFET SOI com comprimento de canal mais curto alcançaram aumentos maiores de mobilidade utilizando-se o tensionamento uniaxial, enquanto que as estruturas com comprimento de canal mais longo retornaram maior mobilidade com o tensionamento biaxial, resultado da diferente efetividade de cada técnica de tensionamento em cada estrutura. Estruturas MOSFETs convencionais planares com tensionadores embutidos na fonte e dreno em canal de germânio para incremento da mobilidade também são analisadas. Simulações numéricas do processo de fabricação são realizadas e calibradas com dispositivos experimentais em transistores tipo n e tipo p, possibilitando o estudo futuro de estruturas MuGFET de germânio. / The fast and growing demand for technologies that enable the reduction of dimensions of planar single gate transistors leads to a new era of mechanically stressed devices. Multiple gate transistors (MuGFET) with silicon channel and planar bulk MOSFET with germanium channel are some of these promising advanced devices to receive the mechanical stress to increase carriers mobility. The uniaxial stress, biaxial stress and both of them combined are analyzed by process and device numerical simulations in three different strain techniques and also the analysis of experimental measurements for analysis of carriers mobility increase through maximum transconductance. The 1D cut line of each simulated stress component is studied according to their dependence on the width, height and length of the channel and the materials used, as well as the influence that stress components causes on analog electrical parameters, such as transconductance, intrinsic voltage gain and unity gain frequency. The operation of silicon-on-insulator (SOI) triple gate MuGFETs with variations in the shape of the cross section of the transistor channel and variations in the length and width of the fin is studied in selected cases. A complete study in the distribution of the mechanical stress generated by the local and global stress is performed in rectangular and trapezoidal fins and also the impact of these on mobility and analog parameters are studied. SOI nMuGFET structures with shorter channel length achieved higher mobility increases using the uniaxial stress, while structures with longer channel lengths returned higher mobility using the biaxial stress, result of the different effectiveness in each stress technique for each structure. Conventional MOSFET structures with embedded stressors in the source and drain regions with germanium channel are also analyzed. Numerical process simulations are realized and calibrated with experimental devices in both n and p type transistors, making possible the future study of MuGFET structures with germanium.