Frente à crescente necessidade de que novas tecnologias sejam capazes de operar com confiabilidade em ambientes hostis, a análise dos efeitos da radiação ionizante em dispositivos semicondutores se tornou um ramo de pesquisa em contínua ascensão, contribuindo para o desenvolvimento de tecnologias estratégicas e promovendo o aprimoramento científico e o desenvolvimento tecnológico da humanidade. Por outro lado, a atual tecnologia CMOS de fabricação de circuitos integrados apresenta sinais de limitação, em grande parte, devido às características físicas inerentes ao seu princípio de funcionamento, sendo necessário, portanto, que dispositivos com novos mecanismos de operação e geometrias sejam desenvolvidos. Dentre eles, transistores de tunelamento induzido por efeito de campo (TFET) se destacam por apresentarem menor corrente de dreno quando desligados e a possibilidade de se atingir inclinações de sublimiar abaixo do limite teórico estabelecido por dispositivos MOSFET de 60 mV/déc à temperatura ambiente, permitindo-se a redução da tensão de alimentação dos transistores para cerca de 0,5 V. Buscando contribuir com as necessidades destas duas áreas de pesquisa, neste projeto de mestrado, foi analisado o comportamento de TFETs de silício com porta tripla, fabricados sobre lâmina SOI (silício sobre isolante), submetidos a até 10 Mrad(Si) de dose acumulada total enquanto não polarizados, gerada por uma fonte de prótons de 600 keV de energia. Em uma análise inicial, após exposição de dispositivos de 1 µm de largura de aleta a uma dose de 1 Mrad(Si), foi possível observar uma redução no nível corrente de dreno de estado ligado do dispositivo (ION ? 300 pA) de até 10%, não associada à uma alteração da corrente de porta. Além disso, o efeito da radiação nesses transistores reduz de 10% para 2% quando se aumenta o comprimento do canal de 150 nm para 1 µm. As razões para ambos os fenômenos foram discutidas com base na competição entre os efeitos de divisão da corrente de dreno na primeira e segunda interfaces e do aumento da resistência de canal em dispositivos mais longos. Para uma análise em função da dose acumulada total, dispositivos SOI TFET e SOI MOSFET, ambos de porta tripla, foram caracterizados eletricamente 14 dias após cada etapa de irradiação. De maneira geral, dispositivos de ambas as tecnologias, com largura de aleta igual a 40 nm, apresentaram baixa susceptibilidade aos efeitos cumulativos da radiação ionizante. No entanto, quando considerados dispositivos com largura de aleta muito maior que a altura da aleta (WFIN = 1 µm), nos quais a influência das portas laterais sobre o acoplamento eletrostático do canal é praticamente inexistente, transistores túnel-FET se destacaram positivamente. Esses dispositivos se mostraram resistentes aos efeitos de dose ionizante total (TID) mesmo para doses de 5 Mrad(Si), enquanto os transistores SOI MOSFET apresentaram uma variação gradual de seus parâmetros a cada dose acumulada. Um exemplo disso é a variação observada na inclinação de sublimiar, de 32,5% nos transistores SOI MOSFET e 5,6% nos transistores SOI TFET. Somente após 10 Mrad(Si) de irradiação por prótons é que os TFETs de aleta larga apresentaram variações mais significativas em sua curva de transferência (ID x VG). Tanto para a configuração como tipo P quanto para a configuração como tipo N, notou-se um deslocamento de até 80 mV da curva de transferência do dispositivo para a esquerda, provocado, segundo análise via simulações, pelas cargas fixas positivas geradas pela irradiação no óxido enterrado do dispositivo. Adicionalmente, foi possível observar um aumento da corrente de tunelamento assistido por armadilhas (TAT) nesses dispositivos, provocada pelo aumento da densidade de estados de interface causada também pelos efeitos de TID. O aumento de TAT foi reconhecido como o principal responsável pela degradação de 23,3% da inclinação de sublimiar dos TFETs, com WFIN igual 1 µm, após 10 Mrad(Si). Apesar das mudanças observadas, foi possível se sugerir, através da comparação com transistores SOI MOSFET de dimensões equivalentes, que transistores de tunelamento induzido por efeito de campo podem, futuramente, se tornar referência no quesito imunidade aos efeitos de dose ionizante total. / In light of the increasing need for new technologies to be able to operate reliably in harsh environments, the analysis of the effects of ionizing radiation on semiconductor devices has become a continually rising field of research, contributing to the development of strategic technologies and promoting scientific improvement and technological development of humankind. On the other hand, the current CMOS technology for the manufacture of integrated circuits shows signs of limitation, mostly, due to the physical characteristics inherent to its operating principle, thus, it is necessary that devices with new operating mechanisms and geometries be developed. Among them, tunnel field-effect transistors (TFET) stand out because of its lower OFF state current and the possibility of reaching subthreshold swing below the theoretical limit established by MOSFET devices of 60 mV/dec at room temperature, allowing to reduce transistors supply voltage to about 0.5 V. In order to contribute with both areas, the behavior of silicon based triple gate TFETs fabricated on a SOI (silicon-on-insulator) substrate and exposed to a total cumulative dose of 10 Mrad (Si) (while not biased) generated by a 600 keV proton beam was analyzed. In an initial analysis after exposure of 1 µm width devices to 1 Mrad(Si), it was possible to observe an ON state current reduction (ION ? 300 pA) up to 10%, not associated to a gate current change. Beyond that, irradiation effects on these devices reduce from 10% to 2% with the channel length increasing from 150 nm to 1 µm. The reasons behind these phenomena were discussed based on the competition between a high channel resistance present in longer devices and the TFET drain current reduction due to the irradiation. For a total cumulative dose analysis, triple gate SOI TFET and triple gate SOI MOSFET devices were characterized 14 days after each irradiation phase. In general, devices of both technologies, with 40 nm fin width, presented low susceptibility to the cumulative effects of ionizing radiation. However, for devices with fin width larger than fin height (WFIN = 1 µm) in which the influence of side gates on the electrostatic coupling of the channel is weak, tunnel-FET transistors have stood out. These devices were resistant to the effects of total ionizing dose (TID) even for doses as high as 5 Mrad(Si), while SOI MOSFET transistors showed a gradual variation of their parameters at each accumulated dose. The variation observed for the subthreshold swing, for example, was about 32.5% for SOI MOSFET devices and 5.6% for SOI TFET devices. TFETs with wider fin have shown significant variations on its transfer characteristic (ID x VG) only after 10 Mrad(Si) of proton irradiation. For both P-type and N-type configurations, it was observed a shift of the transfer curve to the left up to 80 mV caused by, according to simulations, the positive fixed charges generated in the buried oxide by irradiation. In addition, it was possible to observe a trap assisted tunneling (TAT) current increase caused by interface states promoted by TID effects. The increase of TAT was recognized as the main responsible for the degradation of 23.3% of the subthreshold swing of the TFETs after 10 Mrad(Si). In spite of the observed changes, it was possible to suggest, through comparison with SOI MOSFET devices of equivalent dimensions, which tunnel field-effect transistors may become a reference when considering immunity against total ionizing dose effects.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-28082018-151322 |
| Date | 28 May 2018 |
| Creators | Torres, Henrique Lanza Faria |
| Contributors | Agopian, Paula Ghedini Der, Martino, João Antonio |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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