Neste trabalho foi analisado o comportamento de um transistor UTBOX FD SOI MOSFET (Ultra-Thin-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal- Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) planar do tipo N, em sua aplicação como uma célula de memória 1T-DRAM, dando ênfase no estudo das polarizações e propostas de melhorias de desempenho para viabilizar sua aplicação como uma célula de memória. Dessa forma, foram analisados os efeitos das diferentes polarizações (de porta, de dreno e de substrato), bem como a influência da concentração de uma região de extensão de fonte e dreno menos dopada (LDD Lightly Doped Drain), nos principais parâmetros da referida memória. Assim, foram analisados alguns parâmetros da memória tais como tensão de disparo no dreno, margem de sensibilidade, janela de leitura e tempo de retenção, além dos mecanismos atuantes em cada estado da memória (escrita, leitura e repouso). Por fim, foram propostas algumas melhorias de desempenho para o tempo de retenção. Foi observado que o aumento da temperatura facilita a escrita na memória diminuindo a mínima tensão no dreno (até 72% para temperatura de 25 a 300°C, ficando limitada a 0,8V) e o tempo necessários para a escrita (até 95%), porém reduz a margem de sensibilidade (até 90%) e o tempo de retenção (até 2 ordens de grandeza). Verificou-se também que, apesar da menor espessura do filme de silício e do óxido enterrado aumentar a tensão no dreno necessária para ativar o efeito BJT (efeito bipolar parasitário), um potencial positivo no substrato pode reduzir este requisito (61% para tensão de substrato variando de 0 V até 1,5 V). Além disso, foi visto que pode haver uma geração ou uma recombinação de portadores, dependendo da tensão na porta durante o repouso, degradando o bit \'0\' ou \'1\'. Já a otimização da polarização de substrato demonstrou ser limitada pelo compromisso de ser alta o suficiente para ativar o efeito de corpo flutuante durante a escrita, sem prejudicar a leitura do \'0\'. Os resultados também demonstraram que a margem de sensibilidade é menos dependente da tensão do substrato que o tempo de retenção, levando a este último parâmetro ser considerado mais crítico. Com relação à leitura, maiores tensões no dreno resultaram na presença do efeito BJT também neste estado, aumentando a margem de sensibilidade (60%) e diminuindo o tempo de retenção (66%) e o número de leituras possíveis sem atualização do dado (de mais de 30 para 22 leituras). No tópico da concentração das extensões de fonte e dreno, os dispositivos sem extensão de fonte e dreno apresentaram uma taxa de geração de lacunas menor (aproximadamente 12 ordens de grandeza), levando a um tempo de retenção muito maior (aproximadamente 3 ordens de grandeza) quando comparado ao dispositivo referência. Em seu estudo no escalamento, verificou-se uma diminuição no tempo de retenção para canais mais curtos (quase 2 ordens de grandeza), demonstrando ser um fator limitante para as futuras gerações das memórias 1T-DRAM. Apesar disso, quando comparados com os dispositivos convencionais com extensão de fonte e dreno (com extensão), seu tempo de retenção aumentou (quase 1 ordem de grandeza), permitindo a utilização de menores comprimentos de canal (30nm contra 50nm do dispositivo com extensão) e polarizações de substrato menores. Outra proposta de melhoria no tempo de retenção apresentada foi a utilização da polarização de substrato pulsada apenas durante a escrita do nível \'1\', o que resultou no aumento do tempo de retenção em 17%. Finalmente, estudou-se também a variação da banda proibida motivado pela utilização de novos materiais para o filme semicondutor. Observou-se que o aumento da banda proibida aumentou o tempo de retenção em até 5 ordens de grandeza, possibilitando retenções mais próximas das DRAMs convencionais atuais. / In this work, it was analyzed the behavior of a planar UTBOX FD SOI NMOSFET (Ultra-Thin-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal- Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor), as a 1T-DRAM (Single Transistor Dynamic Random Access Memory) cell, focusing on the best biases and other proposals for enabling the 1T-DRAM applications. Therefore, it was analyzed the effects of different biases (gate, drain and substrate), as well as the influence of the concentration of a less doped source/drain extension region on the main parameters of this kind of memory. Thus, it was analyzed some of the main memory parameters such as the trigger drain voltage, the sense margin, the read window and the retention time, as well as the mechanisms operating in each state of the memory (writing, reading and holding). Finally, it were proposed some performance enhancements for the retention time of this kind of memory. It was observed that the increase in temperature facilitates the memory write decreasing the minimum drain bias and time required for writing, but reduces the sense margin. It was also verified that, despite the thinner silicon film and buried oxide increase the drain voltage required to activate the BJT effect (parasitic bipolar effect), a positive potential on the substrate may reduce this requirement (61% for back gate bias varying from 0 to 1,5V), being an alternative for solving the problem and allowing the use of smaller devices as a memory cell. Furthermore, it was seen that there can be a carriers generation or recombination, depending on the gate voltage during the holding state, degrading the bit \'0\' or \'1\'. Moreover, the optimization of substrate bias proved to be limited by enabling the writing state, without degrading the reading of \'0\'. The results also demonstrated the sense margin is less dependent on the substrate voltage than the retention time, therefore, the retention time was considered as a more critical parameter. With respect to the reading state, there was the presence of BJT effect also in this state, increasing the margin of sensitivity (60%) and reducing the retention time (66%) and the number of possible readings without updating the data (over 30 for 22 readings) in cases of higher drain bias. On the topic of the concentration of the source and drain extensions, the devices with source and drain extensions presented a generation rate lower (about 12 orders of magnitude), resulting in a retention time far longer than the reference one (about 3 orders of magnitude). About its downscaling, the retention time decreased for shorter channel lengths (almost 2 orders of magnitude), which is a limiting factor for 1T-DRAM future generations. Nevertheless, when it was compared to the conventional devices with source and drain extensions, theirs retention time increased (almost 1 order of magnitude), allowing the use of shorter channel lengths (30nm against 50nm of reference device) and lower back gate biases. Another proposal presented to improve the retention time was the pulsed back gate only during the writing \'1\' state, which resulted in an increase on the retention time by 17%. Finally, we also studied the band gap influence motivated by the use of new materials for the semiconductor film. It was observed that higher band gaps increase the retention time by up to 5 orders of magnitude, allowing a retention time closer to the current conventional DRAMs.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-26072013-173443 |
| Date | 05 February 2013 |
| Creators | Kátia Regina Akemi Sasaki |
| Contributors | João Antonio Martino, Antônio Luís Pacheco Rotondaro, Sebastião Gomes dos Santos Filho |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Engenharia Elétrica, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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