Este trabalho tem como objetivo investigar o comportamento de transistores SOI de porta tripla com óxido de porta de alta constante dielétrica e eletrodo de porta de metal. Inicialmente estudou-se a aplicação dos métodos de extração de parâmetros através de curvas da capacitância, previamente desenvolvidos para estruturas SOI planares, em dispositivos de porta tripla com óxido de porta de háfnio (HfO2) e porta de metal com nitreto de titânio (TiN). Foram utilizados dispositivos com grandes dimensões, onde a influência das portas laterais pode ser desprezada, apresentando desta forma, um comportamento similar aos dispositivos com geometria planar. Simulações numéricas tridimensionais seguidas de medidas experimentais validam a utilização desses métodos em estruturas de múltiplas portas com grande largura de canal. A capacitância também foi utilizada para se analisar a influência que o efeito de canto exerce sobre estas estruturas de múltiplas portas. Na seqüência, foi investigado o impacto que a variação da espessura da porta de metal TiN causa nas características elétricas dos transistores SOI de porta tripla com óxido de porta de silicato de óxido de háfnio (HfSiO). Parâmetros como tensão de limiar, função de trabalho, mobilidade, cargas de interface assim como as características analógicas foram analisadas. Os resultados indicaram que camadas de TiN mais finas são mais atrativas, apresentando menor tensão de limiar e armadilhas de interface, assim como um aumento na mobilidade e no ganho intrínseco do transistor. Contudo uma maior corrente de fuga pelo óxido de porta é vista nestes dispositivos. Juntamente com esta análise, o comportamento de transistores de porta tripla com dielétrico de porta de silicato de óxido de háfnio nitretado (HfSiON) também foi estudado, onde observou-se um maior impacto nas cargas de interface para o óxido de háfnio nitretado. Contudo, o mesmo é capaz de reduzir a difusão de impurezas até o óxido de silício (SiO2) interfacial com o canal de silício. Finalmente transistores de porta tripla com diferentes composições de estrutura de porta foram estudados experimentalmente, onde uma camada de óxido de disprósio (Dy2O3) foi depositada entre o silicato de óxido de háfnio (HfSiO) e a porta de metal TiN. Observou-se uma redução na tensão de limiar nos dispositivos com o óxido de disprósio assim como uma variação na tensão de faixa plana. Em resumo, quando a camada de óxido de disprósio foi depositada dentro da porta de metal TiN, uma melhor interface foi obtida, assim como uma maior espessura de óxido efetivo, indicando desta forma uma menor corrente de fuga. / The main goal of this work is to investigate the behavior of SOI triple gate transistors with high dielectric constant gate oxide and metal gate material. Initially it was studied the application of process parameters extraction methods through capacitance curves, developed previously for planar SOI structures, in the triple-gate devices with hafnium gate oxide (HfO2) and metal gate of titanium nitride (TiN). Devices with larger dimensions were used, where the lateral gate influence can be neglected, presenting a planar behavior. Three-dimensional numerical simulations followed by experimental measurements validated the methods used in multiple-gate structures with wide channel width. The capacitance was also used in order to analyze the corner effect influence under these structures. In sequence, it was investigated the impact that the metal gate TiN thickness variation cause on the electric characteristics on the SOI triple gate transistors with silicate of hafnium oxide (HfSiO) as gate oxide. Beyond threshold voltage, work function, mobility, interface trap density and analog characteristics were analyzed. The results showed that thinner TiN are highly attractive, showing a reduction on the threshold voltage and trap density, an improved mobility and of the intrinsic gain of the transistor. However, an increase on the leakage current is observed in these devices. Together with this analyzes the behavior of triple gate transistors with gate dielectric of silicate of hafnium oxide nitrated (HfSiON) was also studied, where for the HfSiON a higher interface trap density impact was observed. Nevertheless it is efficient on the reduction impurity diffusion to cross until the silicon oxide (SiO2) that interfaces with the silicon channel. Finally, triple gate transistors with different gate stacks were experimentally studied, where a dysprosium oxide layer (Dy2O3) was deposited between the silicate of hafnium oxide (HfSiO) and the TiN metal gate. We observed a reduction in the threshold voltage of theses devices with dysprosium oxide as well as a variation of flatband voltage. In summary, when the dysprosium oxide layer was deposited inside the TiN metal gate, a better interface was obtained, as well as a higher effective oxide thickness, resulting in a lower leakage current.

Este trabalho tem como objetivo investigar o comportamento de transistores SOI de porta tripla com óxido de porta de alta constante dielétrica e eletrodo de porta de metal. Inicialmente estudou-se a aplicação dos métodos de extração de parâmetros através de curvas da capacitância, previamente desenvolvidos para estruturas SOI planares, em dispositivos de porta tripla com óxido de porta de háfnio (HfO2) e porta de metal com nitreto de titânio (TiN). Foram utilizados dispositivos com grandes dimensões, onde a influência das portas laterais pode ser desprezada, apresentando desta forma, um comportamento similar aos dispositivos com geometria planar. Simulações numéricas tridimensionais seguidas de medidas experimentais validam a utilização desses métodos em estruturas de múltiplas portas com grande largura de canal. A capacitância também foi utilizada para se analisar a influência que o efeito de canto exerce sobre estas estruturas de múltiplas portas. Na seqüência, foi investigado o impacto que a variação da espessura da porta de metal TiN causa nas características elétricas dos transistores SOI de porta tripla com óxido de porta de silicato de óxido de háfnio (HfSiO). Parâmetros como tensão de limiar, função de trabalho, mobilidade, cargas de interface assim como as características analógicas foram analisadas. Os resultados indicaram que camadas de TiN mais finas são mais atrativas, apresentando menor tensão de limiar e armadilhas de interface, assim como um aumento na mobilidade e no ganho intrínseco do transistor. Contudo uma maior corrente de fuga pelo óxido de porta é vista nestes dispositivos. Juntamente com esta análise, o comportamento de transistores de porta tripla com dielétrico de porta de silicato de óxido de háfnio nitretado (HfSiON) também foi estudado, onde observou-se um maior impacto nas cargas de interface para o óxido de háfnio nitretado. Contudo, o mesmo é capaz de reduzir a difusão de impurezas até o óxido de silício (SiO2) interfacial com o canal de silício. Finalmente transistores de porta tripla com diferentes composições de estrutura de porta foram estudados experimentalmente, onde uma camada de óxido de disprósio (Dy2O3) foi depositada entre o silicato de óxido de háfnio (HfSiO) e a porta de metal TiN. Observou-se uma redução na tensão de limiar nos dispositivos com o óxido de disprósio assim como uma variação na tensão de faixa plana. Em resumo, quando a camada de óxido de disprósio foi depositada dentro da porta de metal TiN, uma melhor interface foi obtida, assim como uma maior espessura de óxido efetivo, indicando desta forma uma menor corrente de fuga. / The main goal of this work is to investigate the behavior of SOI triple gate transistors with high dielectric constant gate oxide and metal gate material. Initially it was studied the application of process parameters extraction methods through capacitance curves, developed previously for planar SOI structures, in the triple-gate devices with hafnium gate oxide (HfO2) and metal gate of titanium nitride (TiN). Devices with larger dimensions were used, where the lateral gate influence can be neglected, presenting a planar behavior. Three-dimensional numerical simulations followed by experimental measurements validated the methods used in multiple-gate structures with wide channel width. The capacitance was also used in order to analyze the corner effect influence under these structures. In sequence, it was investigated the impact that the metal gate TiN thickness variation cause on the electric characteristics on the SOI triple gate transistors with silicate of hafnium oxide (HfSiO) as gate oxide. Beyond threshold voltage, work function, mobility, interface trap density and analog characteristics were analyzed. The results showed that thinner TiN are highly attractive, showing a reduction on the threshold voltage and trap density, an improved mobility and of the intrinsic gain of the transistor. However, an increase on the leakage current is observed in these devices. Together with this analyzes the behavior of triple gate transistors with gate dielectric of silicate of hafnium oxide nitrated (HfSiON) was also studied, where for the HfSiON a higher interface trap density impact was observed. Nevertheless it is efficient on the reduction impurity diffusion to cross until the silicon oxide (SiO2) that interfaces with the silicon channel. Finally, triple gate transistors with different gate stacks were experimentally studied, where a dysprosium oxide layer (Dy2O3) was deposited between the silicate of hafnium oxide (HfSiO) and the TiN metal gate. We observed a reduction in the threshold voltage of theses devices with dysprosium oxide as well as a variation of flatband voltage. In summary, when the dysprosium oxide layer was deposited inside the TiN metal gate, a better interface was obtained, as well as a higher effective oxide thickness, resulting in a lower leakage current.

Este trabalho apresenta o estudo da influência do tensionamento mecânico (strain) no efeito de abaixamento de barreira induzido pelo dreno (DIBL) em dispositivos SOI FinFETs de porta tripla com e sem crescimento seletivo epitaxial. Também é analisada a influência do uso de crescimento seletivo epitaxial nesses dispositivos em relação ao efeito de canal curto mencionado. O uso de transistores verticais de múltiplas portas tem permitido a continuidade do escalamento dos dispositivos, apresentando melhora nos níveis de corrente bem como a supressão dos efeitos de canal curto. No entanto, ao reduzir a largura do canal, aumenta-se a resistência total do transistor, diminuindo seu desempenho. A fim de melhorar essa característica, as técnicas de tensionamento mecânico e crescimento de fonte e dreno tem sido empregadas. No primeiro caso, ao se deformar mecanicamente a estrutura do canal, altera-se o arranjo das camadas eletrônicas que ocasiona o aumento da mobilidade dos portadores. Conseqüentemente, a corrente aumenta tal como a transcondutância do dispositivo. A técnica de crescimento de fonte e dreno chamada de crescimento seletivo epitaxial (SEG) tem como finalidade reduzir ainda mais a resistência elétrica total da estrutura, uma vez que a área dessas regiões aumenta, possibilitando o aumento das áreas de contato, que são responsáveis pela maior parcela da resistência total. Esse trabalho baseia-se em resultados experimentais e simulações numéricas tridimensionais que analisam o comportamento dos transistores com as tecnologias acima apresentadas em função do efeito de DIBL. / This work presents a study about the influence of strain in the drain induced barrier lowering effect (DIBL) in triple gate SOI FinFETs. Also it is analyzed the selective epitaxial growth used in that structures, comparing their behavior in relation to DIBL effect. Using the vertical multi-gate devices become possible the downscale whereas they present higher current level and suppressed short channel effects. However, reducing the channel width, the transistors total resistance increases and consequently its performance decreases. In order to improve this feature, the strained technology and the Source/Drains growth technique has been employed. In the first case, the mechanical deformation causes a change in the electron shell, which improves the carrier mobility. Consequently, the current level and the transconductance also improve. The selective epitaxial growth technique aims to reduce the devices total resistance since these regions areas increase, allowing large contacts which are responsible for the main parcel of the total resistance. This work is based on experimental results and tridimensional simulations that analyze the transistor behavior using the technologies above presented as a function of DIBL effect.

Neste trabalho é apresentado um estudo dos transistores MOS sem junções (Junctionless Nanowire Transistors - JNTs), cujo foco é a modelagem de suas características elétricas e a análise do funcionamento dos mesmos quanto à tensão de limiar, ponto invariante com a temperatura e operação analógica. Os JNTs possuem uma concentração de dopantes constante da fonte ao dreno sem apresentar gradientes. Eles foram desenvolvidos a fim de se evitar as implantações iônicas de fonte e dreno, que requerem condições rigorosamente controladas para se evitar a difusão de dopantes para o interior do canal em dispositivos de tamanho extremamente reduzido (sub-20 nm). Dessa forma, esses dispositivos permitem um maior escalamento, com um processo de fabricação simplificado. Os trabalhos recentes de modelagem desses transistores consideram dispositivos de canal longo, de forma geral o comprimento utilizado é de 1 µm, de porta dupla ou cilíndricos. Pouco tem sido feito relacionado à modelagem de JNTs porta tripla e a influência da temperatura no funcionamento dos mesmos. Assim, este trabalho tem como objetivo a modelagem do funcionamento dos dispositivos MOS sem junções de porta tripla quanto à tensão de limiar, potencial de superfície, carga de condução e corrente de dreno. Os modelos são derivados da solução da equação de Poisson com as condições de contorno adequadas, apresentando grande concordância com simulações numéricas tridimensionais e com resultados experimentais para dispositivos com comprimento de canal de até 30 nm. No caso do modelo da tensão de limiar, o maior erro obtido entre modelo e simulação foi de 33 mV, que representa uma percentagem menor que 5 %. Também foi apresentado um método de extração da tensão de limiar baseado na igualdade das componentes de deriva e difusão da corrente de dreno. Este método foi igualmente validado com resultados simulados, apresentando um erro máximo de 3 mV (menor que 0,5 %) e aplicado à dispositivos experimentais. A influência da temperatura na tensão de limiar também foi analisada tanto pelo modelo proposto como por simulações e resultados experimentais, mostrando que a dependência da concentração de dopantes ionizados com a temperatura devido à ionização incompleta dos portadores tem grande influência na tensão de limiar. No caso da modelagem da corrente de dreno e do potencial de superfície, foi acrescentada uma correção de efeitos de canal curto. O erro médio foi menor que 12 % para as curvas de corrente e suas derivadas quando comparadas à dos dispositivos experimentais de comprimento de canal de 30 nm. Também foi realizado um estudo do funcionamento dos JNTs, mostrando que o ponto invariante com a temperatura, onde a corrente de dreno se mantém constante independente da temperatura, pode ou não existir nesses dispositivos dependendo da resistência série e de sua dependência com a temperatura. Por fim, a operação analógica dos dispositivos sem junções é analisada para dispositivos de diferentes dimensões. / In this work, a study of the Junctionless Nanowire Transistors (JNTs) is presented, focusing their modeling and analyzing their operation. The JNTs are heavily doped devices with a doping concentration constant from source to drain, without presenting doping gradients. They have been developed in order to avoid drain and source ion implantation, which requires rigorous controlled conditions to avoid dopants diffusion into the channel in extremely reduced devices (sub-20 nm). Therefore, these devices provide a higher scalability with a simplified fabrication process. Recent works on junctionless nanowire transistors modeling have considered long-channel (a length of 1 µm is commonly used) double-gate or cylindrical devices. Few works have presented the modeling of triple-gate JNTs and the temperature influence on the device operation. The goal of this work is the modeling of the threshold voltage, surface potential, conduction charge and drain current in triple-gate junctionless nanowire transistors. The models are derived from the solution of the Poisson equation with the appropriate boundary conditions and exhibit a great concordance with three-dimensional numerical simulations and experimental data even for devices with channel length of 30 nm. In the case of the threshold voltage, the higher error obtained between model and simulation was 33 mV, which represents an error lower than 5 %. A method for the threshold voltage extraction based on the equality of the drift and diffusion components of the drain current has also been presented. This method was also validated using simulated results, with a maximum error of 3 mV (lower than 0.5 %), and applied to experimental devices. The influence of the temperature on the threshold voltage has also been analyzed through the proposed model, the numerical simulations and the experimental data. It has been shown that the dependence of the ionized dopant concentration with the temperature due to the incomplete carrier ionization has a great influence on the threshold voltage. In the case of the surface potential and drain current modeling, a correction for the short channel effects has been proposed. The mean error has been lower than 12 % for the drain current curves and their derivatives when compared to the ones of experimental devices with a channel length of 30 nm. An analysis on the operation of the JNTs has been also performed, showing that the zero temperature coefficient point, in which the current is the same independent of the temperature, can or not exist depending on the series resistance and its dependence on the temperature. Finally, the operation of junctionless nanowire transistors in analog applications has been analyzed for devices of different dimensions.

Neste trabalho é apresentado um estudo dos transistores MOS sem junções (Junctionless Nanowire Transistors - JNTs), cujo foco é a modelagem de suas características elétricas e a análise do funcionamento dos mesmos quanto à tensão de limiar, ponto invariante com a temperatura e operação analógica. Os JNTs possuem uma concentração de dopantes constante da fonte ao dreno sem apresentar gradientes. Eles foram desenvolvidos a fim de se evitar as implantações iônicas de fonte e dreno, que requerem condições rigorosamente controladas para se evitar a difusão de dopantes para o interior do canal em dispositivos de tamanho extremamente reduzido (sub-20 nm). Dessa forma, esses dispositivos permitem um maior escalamento, com um processo de fabricação simplificado. Os trabalhos recentes de modelagem desses transistores consideram dispositivos de canal longo, de forma geral o comprimento utilizado é de 1 µm, de porta dupla ou cilíndricos. Pouco tem sido feito relacionado à modelagem de JNTs porta tripla e a influência da temperatura no funcionamento dos mesmos. Assim, este trabalho tem como objetivo a modelagem do funcionamento dos dispositivos MOS sem junções de porta tripla quanto à tensão de limiar, potencial de superfície, carga de condução e corrente de dreno. Os modelos são derivados da solução da equação de Poisson com as condições de contorno adequadas, apresentando grande concordância com simulações numéricas tridimensionais e com resultados experimentais para dispositivos com comprimento de canal de até 30 nm. No caso do modelo da tensão de limiar, o maior erro obtido entre modelo e simulação foi de 33 mV, que representa uma percentagem menor que 5 %. Também foi apresentado um método de extração da tensão de limiar baseado na igualdade das componentes de deriva e difusão da corrente de dreno. Este método foi igualmente validado com resultados simulados, apresentando um erro máximo de 3 mV (menor que 0,5 %) e aplicado à dispositivos experimentais. A influência da temperatura na tensão de limiar também foi analisada tanto pelo modelo proposto como por simulações e resultados experimentais, mostrando que a dependência da concentração de dopantes ionizados com a temperatura devido à ionização incompleta dos portadores tem grande influência na tensão de limiar. No caso da modelagem da corrente de dreno e do potencial de superfície, foi acrescentada uma correção de efeitos de canal curto. O erro médio foi menor que 12 % para as curvas de corrente e suas derivadas quando comparadas à dos dispositivos experimentais de comprimento de canal de 30 nm. Também foi realizado um estudo do funcionamento dos JNTs, mostrando que o ponto invariante com a temperatura, onde a corrente de dreno se mantém constante independente da temperatura, pode ou não existir nesses dispositivos dependendo da resistência série e de sua dependência com a temperatura. Por fim, a operação analógica dos dispositivos sem junções é analisada para dispositivos de diferentes dimensões. / In this work, a study of the Junctionless Nanowire Transistors (JNTs) is presented, focusing their modeling and analyzing their operation. The JNTs are heavily doped devices with a doping concentration constant from source to drain, without presenting doping gradients. They have been developed in order to avoid drain and source ion implantation, which requires rigorous controlled conditions to avoid dopants diffusion into the channel in extremely reduced devices (sub-20 nm). Therefore, these devices provide a higher scalability with a simplified fabrication process. Recent works on junctionless nanowire transistors modeling have considered long-channel (a length of 1 µm is commonly used) double-gate or cylindrical devices. Few works have presented the modeling of triple-gate JNTs and the temperature influence on the device operation. The goal of this work is the modeling of the threshold voltage, surface potential, conduction charge and drain current in triple-gate junctionless nanowire transistors. The models are derived from the solution of the Poisson equation with the appropriate boundary conditions and exhibit a great concordance with three-dimensional numerical simulations and experimental data even for devices with channel length of 30 nm. In the case of the threshold voltage, the higher error obtained between model and simulation was 33 mV, which represents an error lower than 5 %. A method for the threshold voltage extraction based on the equality of the drift and diffusion components of the drain current has also been presented. This method was also validated using simulated results, with a maximum error of 3 mV (lower than 0.5 %), and applied to experimental devices. The influence of the temperature on the threshold voltage has also been analyzed through the proposed model, the numerical simulations and the experimental data. It has been shown that the dependence of the ionized dopant concentration with the temperature due to the incomplete carrier ionization has a great influence on the threshold voltage. In the case of the surface potential and drain current modeling, a correction for the short channel effects has been proposed. The mean error has been lower than 12 % for the drain current curves and their derivatives when compared to the ones of experimental devices with a channel length of 30 nm. An analysis on the operation of the JNTs has been also performed, showing that the zero temperature coefficient point, in which the current is the same independent of the temperature, can or not exist depending on the series resistance and its dependence on the temperature. Finally, the operation of junctionless nanowire transistors in analog applications has been analyzed for devices of different dimensions.

Este trabalho apresenta o estudo da influência do tensionamento mecânico (strain) no efeito de abaixamento de barreira induzido pelo dreno (DIBL) em dispositivos SOI FinFETs de porta tripla com e sem crescimento seletivo epitaxial. Também é analisada a influência do uso de crescimento seletivo epitaxial nesses dispositivos em relação ao efeito de canal curto mencionado. O uso de transistores verticais de múltiplas portas tem permitido a continuidade do escalamento dos dispositivos, apresentando melhora nos níveis de corrente bem como a supressão dos efeitos de canal curto. No entanto, ao reduzir a largura do canal, aumenta-se a resistência total do transistor, diminuindo seu desempenho. A fim de melhorar essa característica, as técnicas de tensionamento mecânico e crescimento de fonte e dreno tem sido empregadas. No primeiro caso, ao se deformar mecanicamente a estrutura do canal, altera-se o arranjo das camadas eletrônicas que ocasiona o aumento da mobilidade dos portadores. Conseqüentemente, a corrente aumenta tal como a transcondutância do dispositivo. A técnica de crescimento de fonte e dreno chamada de crescimento seletivo epitaxial (SEG) tem como finalidade reduzir ainda mais a resistência elétrica total da estrutura, uma vez que a área dessas regiões aumenta, possibilitando o aumento das áreas de contato, que são responsáveis pela maior parcela da resistência total. Esse trabalho baseia-se em resultados experimentais e simulações numéricas tridimensionais que analisam o comportamento dos transistores com as tecnologias acima apresentadas em função do efeito de DIBL. / This work presents a study about the influence of strain in the drain induced barrier lowering effect (DIBL) in triple gate SOI FinFETs. Also it is analyzed the selective epitaxial growth used in that structures, comparing their behavior in relation to DIBL effect. Using the vertical multi-gate devices become possible the downscale whereas they present higher current level and suppressed short channel effects. However, reducing the channel width, the transistors total resistance increases and consequently its performance decreases. In order to improve this feature, the strained technology and the Source/Drains growth technique has been employed. In the first case, the mechanical deformation causes a change in the electron shell, which improves the carrier mobility. Consequently, the current level and the transconductance also improve. The selective epitaxial growth technique aims to reduce the devices total resistance since these regions areas increase, allowing large contacts which are responsible for the main parcel of the total resistance. This work is based on experimental results and tridimensional simulations that analyze the transistor behavior using the technologies above presented as a function of DIBL effect.