Estudo comparativo experimental entre o casamento do SOI nMOSFETs do tipo diamante do tipo diamante e dos seus respectivos convencionais equivalentes

Abstract

O MOSFET de geometria de porta hexagonal (estilo de leiaute do tipo Diamante) foi especialmente projetado com o objetivo de melhorar o desempenho elétrico desses transistores, em comparação ao transistor de geometria de porta convencional (retangular). Havia sido proposto inicialmente um modelo analítico para a corrente de dreno do MOSFET do tipo Diamante, que levava em consideração apenas o efeito de canto longitudinal (Longitudinal Corner Effect, LCE) e através deste trabalho de dissertação de mestrado foi desenvolvida uma nova versão para esse modelo, que é mais precisa, e que leva em consideração o efeito da associação paralela de SOI nMOSFETs com diferentes comprimentos de canais (Parallel Association of SOI nMOSFETs with Different Channel Lenghts Effect, PAMDLE). O efeito PAMDLE tem a capacidade de reduzir o comprimento efetivo de canal de um MOSFET do tipo Diamante em relação ao seu equivalente convencional, considerando que ambos apresentam a mesma área de porta. Além disso, este novo modelo analítico para a corrente de dreno tem a capacidade de predizer o comportamento elétrico do SOI MOSFET do tipo Diamante em relação ao comportamento do seu equivalente convencional, com um erro máximo inferior a 10% para a maioria dos parâmetros estudados nesse trabalho. Adicionalmente, como foco principal deste trabalho, foi realizado o estudo comparativo experimental do casamento entre os SOI nMOSFETs do tipo Diamante e os Convencionais equivalentes, decorrente da variação do processo de fabricação CMOS de circuitos integrados (CIs), considerando-se a mesma área de porta e as mesmas condições de polarização. Observou-se que os SOI nMOSFET do tipo Diamante com ângulos a iguais a 53,1°, 90°, 126,9° e 143,1° conseguem produzir sempre os melhores casamentos entre dispositivos em relação aqueles observados nos SOI nMOSFETs Convencionais equivalentes, em média um melhor casamento em torno de 30,1%, 31,5%, 14,9% e 16,9%, respectivamente. Um outro trabalho realizado foi o estudo da predição dos valores médios dos parâmetros dos SOI nMOSFET do tipo Diamante através do modelo analítico que foi desenvolvido para o transistor do tipo Diamante, utilizando-se os dados experimentais dos SOI nMOSFETs Convencionais equivalentes, com o objetivo de fornecer informações sobre o comportamento do SOI nMOSFET do tipo Diamante aos projetistas de circuitos integrados, conhecendo-se somente os dados experimentais dos seus equivalentes convencionais. Pode-se verificar que, para todos os ângulos a da estrutura do tipo Diamante estudados, o modelo analítico da corrente de dreno é capaz de predizer os seus valores médios com um erro máximo de cerca de 9%. Neste trabalho também foi desenvolvida uma nova metodologia de validação para o modelo analítico proposto da corrente de dreno do MOSFET do tipo Diamante, que leva em consideração o LCE e o PAMDLE, através do uso dos testes estatísticos de Anderson - Darling e t-Student, respectivamente. Verificou-se que o modelo da corrente de dreno do SOI nMOSFET do tipo Diamante, que usa os dados experimentais dos SOI nMOSFETs do tipo Convencional, apresenta praticamente a mesma média que aquelas extraídas dos parâmetros elétricos dos SOI nMOSFETs do tipo Diamante para os ângulos a iguais a 53,1°, 90°, 126,9° e 143,1°, em 100% dos casos analisados.

The hexagonal gate geometry (Diamond layout style) was designed in order to improve the electrical performance of MOSFETs when compared to the conventional gate geometry transistor (rectangular). Initially an analytical model was proposed for the Diamond MOSFET drain current, that took into account only the longitudinal corner effect (LCE), and through this work a new version for this model was developed, which is more accurate and takes into account the MOSFETs parallel association with different channel lengths effect (PAMDLE). The PAMDLE effect is capable to reduce the effective channel length of a Diamond MOSFET in comparison to its conventional counterpart, considering that both present the same gate area. Besides, this new drain current analytical model has the capability to predict the Diamond MOSFET electrical behavior in relation to its conventional counterpart, with a maximum error below 10% for the most parameters studied on this work. Additionally, as a main focus of this work, an experimental comparative study of the device match was developed between the Diamond SOI nMOSFETs and its Conventional counterpart, due to the variations of the CMOS manufacturing process, considering the same gate area and the same bias conditions. It was observed that the Diamond SOI nMOSFET with angles a equal to 53.1°, 90°, 126.9° and 143,1° can always produce a better device match, when compared to those observed in the Conventional SOI nMOSFETs counterpart, on average a better device match around 30,1%, 31,5%, 14,9% and 16,9%, respectively. Besides that, the study of the average values prediction of the Diamond SOI nMOSFET parameters was developed, by the use of the experimental data of the Conventional SOI nMOSFETs counterparts, in order to provide information about the Diamond SOI nMOSFET behavior to the integrated circuits designers, knowing only the experimental data of theirs conventional counterparts. One can verify that for all a angles studied, the drain current analytical model of the Diamond SOI nMOSFET is capable to predict the average values of theirs parameters with a maximum error of around 9%. On this work a new methodology has also been proposed for the validation of the drain current analytical model of the Diamond SOI MOSFET, that takes into account the LCE and the PAMDLE, by using the statistical tests of the Anderson Darling and the t-Student, respectively. It was found that the drain current model of the Diamond SOI nMOSFET that uses the experimental data of its Conventional counterparts, presents practically the same average of those extracted from the electrical parameters of the Diamond SOI nMOSFETs for the angles a equal to 53.1°, 90°, 126.9° and 143.1° in 100% of analyzed cases.