Análise do desempenho de transistores fabricados em tecnologia MOS comercial operando em baixas temperaturas

Abstract

Este trabalho consiste em uma análise dos efeitos da variação da temperatura entre 300 K e 80 K sobre os parâmetros elétricos de dispositivos de diferentes dimensões, fabricados em uma tecnologia CMOS comercial de 180 nm da empresa fabricante de chips United Microelectronics Corporation (UMC). Os resultados obtidos mostram que os parâmetros elétricos são afetados significativamente pela redução de temperatura, seguindo a tendência prevista na literatura. A resistência total do caminho da corrente e a inclinação de sublimiar apresentaram uma redução em baixas temperaturas, o que impacta nos níveis de corrente e na velocidade de chaveamento dos dispositivos. Foi observado que a influência da dopagem é significativa na maneira como a tensão de limiar e a mobilidade respondem a temperatura, especialmente em dispositivos mais curtos, que mostraram sofrer de efeito de canal curto reverso. Os resultados mostraram que alguns dos parâmetros destes mesmos dispositivos, como a tensão de limiar, apresentam menos variação com a temperatura. A mobilidade de baixo campo aumenta para baixas temperaturas em mais de 100% do seu valor extraído em temperatura ambiente, embora apresente maiores valores de fatores de degradação por campo elétrico. Ao estudar os parâmetros analógicos, foi observado que o ganho de tensão varia pouco com a redução de temperatura, apresentando valores maiores para dispositivos com maior comprimento de canal.

This work consists of an analysis of the effects of temperature variation between 300 K and 80 K on the electrical parameters of devices of different dimensions, manufactured in a commercial 180 nm CMOS technology from the chip manufacturer United Microelectronics Corporation (UMC). The obtained results show that the electrical parameters are significantly affected by the temperature reduction, following the trend predicted in the literature. The total current path resistance and the subthreshold slope decreased at low temperatures, impacting current levels and the switching speed of the devices. It was observed that doping has a significant influence on how the threshold voltage and mobility respond to temperature, especially in shorter devices, which exhibited a reverse short-channel effect. The results showed that some parameters of these same devices, such as the threshold voltage, exhibit less variation with temperature. The low-field mobility increases by more than 100% at low temperatures compared to its extracted value at room temperature, although it presents higher values of field-induced degradation factors. When studying the analog parameters, it was observed that the voltage gain varies little with the temperature reduction, showing higher values for devices with longer channel lengths.