Esse trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de transistores de camada de silício e óxido enterrado ultrafinos (UTBB SOI nMOSFET) e transistores de nanofios horizontais com porta ômega ? (?G NW SOI MOSFET) com ênfase na variação da tensão aplicada no substrato (VGB). As análises foram feitas através de medidas experimentais e simulações numéricas. Nos dispositivos UTBB SOI nMOSFET foram estudados dispositivos com e sem implantação de plano de terra (GP), de três diferentes tecnologias, e com diferentes comprimentos de canal. A partir do modelo analítico de tensão de limiar desenvolvido por Martino et al. foram definidos os valores de VGB. A tecnologia referência possui 6 nm de camada de silício (tSi) e no óxido de porta uma camada de 5 nm de SiO2. A segunda tecnologia tem um tSi maior (14 nm) em relação a referência e a terceira tecnologia tem no óxido de porta um material de alta constante dielétrica, HfSiO. Na tecnologia de referência, os dispositivos com GP mostraram melhores resultados para transcondutância na região de saturação (gmSAT) devido ao forte acoplamento eletrostático entre a região da porta e do substrato. Porém os dispositivos com GP apresentam uma maior influência do campo elétrico longitudinal do dreno no canal, assim os parâmetros condutância de saída (gD) e tensão Early (VEA) são degradados, consequentemente o ganho de tensão intrínseco (AV) também. Na tecnologia com tSi de 14 nm, a influência do acoplamento eletrostático entre porta e substrato é menor em relação a referência, devido à maior espessura de tSi. Como a penetração do campo elétrico do dreno é maior em dispositivos com GP, todos os parâmetros analógicos estudados são degradados em dispositivos com GP. A última tecnologia estudada, não apresenta grande variação nos resultados quando comparadodispositivos com e sem GP. O AV, por exemplo, tem uma variação entre 1% e 3% comparando os dispositivos com e sem GP. Foram feitas análises em dispositivos das três tecnologias com comprimento de canal de 70 nm, e todos os parâmetros degradaram com a diminuição do comprimento de canal, como esperado. O fato de ter um comprimento de canal menor faz com que a influência do campo elétrico longitudinal do dreno seja mais relevante, degradando assim todos os parâmetros analógicos nos dispositivos com GP. Nos dispositivos ?G NW SOI MOSFET foram feitas análises em dispositivos pMOS e nMOS com diferentes larguras de canal (WNW = 220 nm, 40 nm e 10 nm) para diferentes VGB. Através de simulações viu-se que dispositivos com largura de canal de 40 nm possuem uma condução de corrente pela segunda interface para polarizações muito altas (VGB = +20 V para nMOS e VGB -20 V para pMOS). Todavia essa condução de corrente na segunda interface ocorre ao mesmo tempo que na primeira interface, impossibilitando fazer a separação dos efeitos de cada interface.A medida que a polarização no substrato faz com que haja uma condução na segunda interface, todos os parâmetros degradam devido a essa condução parasitária. Dispositivos estreitos sofrem menor influência de VGB e, portanto, tem os parâmetros menos degradados, diferente dos dispositivos largos que tem uma grande influência de VGB no comportamento elétrico do transistor. Quando a polarização no substrato é feita a fim de que não haja condução na segunda interface, a variação da inclinação de sublimiar entre dispositivos com WNW = 220 nm e 10 nm é menor que 2 mV/déc. Porém a corrente de dreno de estado ligado do transistor (ION) apresenta melhores resultados em dispositivos largos chegando a 6 vezes maior para nMOS e 4 vezes maior para pMOS que em dispositivos estreitos. Os parâmetros analógicos sofrem pouca influência da variação de VGB. Os dispositivos estreitos (WNW = 10 nm) praticamente têm resultados constantes para gmSAT, VEA e AV. Já os dispositivos largos (WNW = 220 nm) possuem uma pequena degradação de gmSAT para os nMOS, o que degrada levemente o AV em cerca de 10 dB. A eficiência do transistor (gm/ID) apresentou grande variação com a variação de VGB, piorando-a a medida que a segunda interface ia do estado de não condução para o estado de condução. Porém analisando os dados para a tensão que não há condução na segunda interface observou-se que, em inversão forte, a eficiência do transistor apresentou uma variação de 1,1 V-1 entre dispositivos largos (WNW = 220 nm) e estreitos (WNW = 10 nm). Com o aumento do comprimento do canal, esse valor de variação tende a diminuir e dispositivos largos passam a ser uma alternativa válida para aplicação nessa região de operação. / This work aims to study the behavior of the ultrathin body and buried oxide SOI nMOSFET (UTBB SOI nMOSFET) and the horizontal ?-gate nanowire SOI MOSFET (?G NW SOI MOSFET) with the variation of the back gate bias (VGB). The analysis were made through experimental measures and numerical simulation. In the UTBB SOI nMOSFET devices, devices with and without ground plane (GP) implantation of three different technologies were studied. Based on analytical model developed by Martino et al. the values VGB were defined. The reference technology has silicon film thickness (tSi) of 6 nm and 5 nm of SiO2 in the front oxide. The second technology has a thicker tSi of 14 nm comparing to the reference and the third technology has a high-? material in the front oxide, HfSiO. In the reference technology, the devices with GP shows better result for transconductance on saturation region (gmSAT) due to the strong coupling between front gate and substrate. However, devices with GP have major influence of the drain electrical field penetration, then the output conductance (gD) and Early voltage (VEA) are degraded, consequently the intrinsic voltage gain (AV) as well. In the technology with tSi of 14 nm, the influence of the coupling between front gate and substrate is lower because of the thicker tSi. Once the drain electrical field penetration is higher in devices with GP, all analog parameters are degraded in devices with GP. The third technology, presents results very close between devices with and without GP. The AV has a variation from 1% to 3% comparing devices with and withoutGP. Devices with channel length of 70 nm were analyzed and all parameters degraded with the decrease of the channel length, as expected. Due to the shorter channel length, the influence of the drain electrical field penetration is more relevant, degrading all the analog parameters in devices with GP. In the ?G NW SOI MOSFET devices, the analysis were done in nMOS and pMOS devices with different channel width (WNW = 220 nm, 40 nm and 10 nm) for different VGB. By the simulations, devices with channel width of 40 nm have a conduction though the back interface for very high biases (+20 V for nMOS and -20 V for pMOS). However, this conduction occurs at the same time as in the front interface, so it is not possible to separate de effects of each interface. As the substrate bias voltage induces a back gate current, all the parameters are degraded due to this parasitic current. Narrow devices are less affected by VGB and thus its parameters are less degraded, different from wider devices, in which VGB has a greater influence on their behavior. When the back gate is biased in order to avoid the conduction in back interface, the subthreshold swing variation between devices with WNW = 220 nm and 10 nm is lower than 2 mV/déc. However, the on state current (ION) has better results in wide devices reaching 6 times bigger for nMOS and 4 times bigger for pMOS The analog parameterssuffer little influence of the back gate bias variation. The narrow devices (WNW = 10 nm) have practically constant results gmSAT, VEA and AV. On the other hand, wide devices (WNW = 220 nm) have a small degradation in the gmSAT for nMOS, which slightly degrades de AV. The transistor efficiency showed great variation with the back gate bias variation, worsening as the back interface went from non-conduction state to conduction state. However, when the back gate is biased avoiding the conduction in back interface, the transistor efficiency for strong inversion region has a small variation of 1,1 V-1 between wide (WNW = 220 nm) and narrow (WNW = 10 nm) devices. As the channel length increases, this value of variation tends to decrease and wide devices become a valid alternative for applications in this region of operation.

Esse trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de transistores de camada de silício e óxido enterrado ultrafinos (UTBB SOI nMOSFET) e transistores de nanofios horizontais com porta ômega ? (?G NW SOI MOSFET) com ênfase na variação da tensão aplicada no substrato (VGB). As análises foram feitas através de medidas experimentais e simulações numéricas. Nos dispositivos UTBB SOI nMOSFET foram estudados dispositivos com e sem implantação de plano de terra (GP), de três diferentes tecnologias, e com diferentes comprimentos de canal. A partir do modelo analítico de tensão de limiar desenvolvido por Martino et al. foram definidos os valores de VGB. A tecnologia referência possui 6 nm de camada de silício (tSi) e no óxido de porta uma camada de 5 nm de SiO2. A segunda tecnologia tem um tSi maior (14 nm) em relação a referência e a terceira tecnologia tem no óxido de porta um material de alta constante dielétrica, HfSiO. Na tecnologia de referência, os dispositivos com GP mostraram melhores resultados para transcondutância na região de saturação (gmSAT) devido ao forte acoplamento eletrostático entre a região da porta e do substrato. Porém os dispositivos com GP apresentam uma maior influência do campo elétrico longitudinal do dreno no canal, assim os parâmetros condutância de saída (gD) e tensão Early (VEA) são degradados, consequentemente o ganho de tensão intrínseco (AV) também. Na tecnologia com tSi de 14 nm, a influência do acoplamento eletrostático entre porta e substrato é menor em relação a referência, devido à maior espessura de tSi. Como a penetração do campo elétrico do dreno é maior em dispositivos com GP, todos os parâmetros analógicos estudados são degradados em dispositivos com GP. A última tecnologia estudada, não apresenta grande variação nos resultados quando comparadodispositivos com e sem GP. O AV, por exemplo, tem uma variação entre 1% e 3% comparando os dispositivos com e sem GP. Foram feitas análises em dispositivos das três tecnologias com comprimento de canal de 70 nm, e todos os parâmetros degradaram com a diminuição do comprimento de canal, como esperado. O fato de ter um comprimento de canal menor faz com que a influência do campo elétrico longitudinal do dreno seja mais relevante, degradando assim todos os parâmetros analógicos nos dispositivos com GP. Nos dispositivos ?G NW SOI MOSFET foram feitas análises em dispositivos pMOS e nMOS com diferentes larguras de canal (WNW = 220 nm, 40 nm e 10 nm) para diferentes VGB. Através de simulações viu-se que dispositivos com largura de canal de 40 nm possuem uma condução de corrente pela segunda interface para polarizações muito altas (VGB = +20 V para nMOS e VGB -20 V para pMOS). Todavia essa condução de corrente na segunda interface ocorre ao mesmo tempo que na primeira interface, impossibilitando fazer a separação dos efeitos de cada interface.A medida que a polarização no substrato faz com que haja uma condução na segunda interface, todos os parâmetros degradam devido a essa condução parasitária. Dispositivos estreitos sofrem menor influência de VGB e, portanto, tem os parâmetros menos degradados, diferente dos dispositivos largos que tem uma grande influência de VGB no comportamento elétrico do transistor. Quando a polarização no substrato é feita a fim de que não haja condução na segunda interface, a variação da inclinação de sublimiar entre dispositivos com WNW = 220 nm e 10 nm é menor que 2 mV/déc. Porém a corrente de dreno de estado ligado do transistor (ION) apresenta melhores resultados em dispositivos largos chegando a 6 vezes maior para nMOS e 4 vezes maior para pMOS que em dispositivos estreitos. Os parâmetros analógicos sofrem pouca influência da variação de VGB. Os dispositivos estreitos (WNW = 10 nm) praticamente têm resultados constantes para gmSAT, VEA e AV. Já os dispositivos largos (WNW = 220 nm) possuem uma pequena degradação de gmSAT para os nMOS, o que degrada levemente o AV em cerca de 10 dB. A eficiência do transistor (gm/ID) apresentou grande variação com a variação de VGB, piorando-a a medida que a segunda interface ia do estado de não condução para o estado de condução. Porém analisando os dados para a tensão que não há condução na segunda interface observou-se que, em inversão forte, a eficiência do transistor apresentou uma variação de 1,1 V-1 entre dispositivos largos (WNW = 220 nm) e estreitos (WNW = 10 nm). Com o aumento do comprimento do canal, esse valor de variação tende a diminuir e dispositivos largos passam a ser uma alternativa válida para aplicação nessa região de operação. / This work aims to study the behavior of the ultrathin body and buried oxide SOI nMOSFET (UTBB SOI nMOSFET) and the horizontal ?-gate nanowire SOI MOSFET (?G NW SOI MOSFET) with the variation of the back gate bias (VGB). The analysis were made through experimental measures and numerical simulation. In the UTBB SOI nMOSFET devices, devices with and without ground plane (GP) implantation of three different technologies were studied. Based on analytical model developed by Martino et al. the values VGB were defined. The reference technology has silicon film thickness (tSi) of 6 nm and 5 nm of SiO2 in the front oxide. The second technology has a thicker tSi of 14 nm comparing to the reference and the third technology has a high-? material in the front oxide, HfSiO. In the reference technology, the devices with GP shows better result for transconductance on saturation region (gmSAT) due to the strong coupling between front gate and substrate. However, devices with GP have major influence of the drain electrical field penetration, then the output conductance (gD) and Early voltage (VEA) are degraded, consequently the intrinsic voltage gain (AV) as well. In the technology with tSi of 14 nm, the influence of the coupling between front gate and substrate is lower because of the thicker tSi. Once the drain electrical field penetration is higher in devices with GP, all analog parameters are degraded in devices with GP. The third technology, presents results very close between devices with and without GP. The AV has a variation from 1% to 3% comparing devices with and withoutGP. Devices with channel length of 70 nm were analyzed and all parameters degraded with the decrease of the channel length, as expected. Due to the shorter channel length, the influence of the drain electrical field penetration is more relevant, degrading all the analog parameters in devices with GP. In the ?G NW SOI MOSFET devices, the analysis were done in nMOS and pMOS devices with different channel width (WNW = 220 nm, 40 nm and 10 nm) for different VGB. By the simulations, devices with channel width of 40 nm have a conduction though the back interface for very high biases (+20 V for nMOS and -20 V for pMOS). However, this conduction occurs at the same time as in the front interface, so it is not possible to separate de effects of each interface. As the substrate bias voltage induces a back gate current, all the parameters are degraded due to this parasitic current. Narrow devices are less affected by VGB and thus its parameters are less degraded, different from wider devices, in which VGB has a greater influence on their behavior. When the back gate is biased in order to avoid the conduction in back interface, the subthreshold swing variation between devices with WNW = 220 nm and 10 nm is lower than 2 mV/déc. However, the on state current (ION) has better results in wide devices reaching 6 times bigger for nMOS and 4 times bigger for pMOS The analog parameterssuffer little influence of the back gate bias variation. The narrow devices (WNW = 10 nm) have practically constant results gmSAT, VEA and AV. On the other hand, wide devices (WNW = 220 nm) have a small degradation in the gmSAT for nMOS, which slightly degrades de AV. The transistor efficiency showed great variation with the back gate bias variation, worsening as the back interface went from non-conduction state to conduction state. However, when the back gate is biased avoiding the conduction in back interface, the transistor efficiency for strong inversion region has a small variation of 1,1 V-1 between wide (WNW = 220 nm) and narrow (WNW = 10 nm) devices. As the channel length increases, this value of variation tends to decrease and wide devices become a valid alternative for applications in this region of operation.

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.