Efeitos do autoaquecimento em transistores SOI-MOS tridimensionais nanométricos

Abstract

O autoaquecimento é um efeito que os dispositivos SOI MOSFETs estão sujeitos, quando a potência dissipada na forma de calor encontra dificuldade em dissipar-se para fora do dispositivo. Este efeito é muito comum e ocorre com maior frequência em dispositivos com óxido enterrado. Nos transistores SOI MOSFETs, esse efeito está presente quando o dispositivo estiver com alta polarização de porta e alta polarização de dreno, degradando a corrente elétrica que passa pelo canal. Quando o autoaquecimento é intenso, pode-se verificar uma redução abrupta da corrente elétrica de dreno. Este trabalho apresenta o estudo do autoaquecimento em transistores nanofios SOI MOSFETs de múltiplas portas com concentração natural de dopantes e, pela primeira vez, o estudo do autoaquecimento em transistores nanofios SOI MOSFETs de múltiplas portas sem junção. Para que seja possível verificar a influência da dissipação de calor nestes dispositivos, usou-se, pela primeira vez, um método de polarização em dispositivos com dois contatos de porta, muito semelhante ao método já conhecido com quatro contatos de porta. Para a extração da temperatura de autoaquecimento, foi utilizado o módulo de medidas LCR, no qual foi possível extrair o valor da resistência elétrica da porta através da polarização dos dois contatos de porta dos dispositivos em função da polarização de dreno. Para avaliar a precisão do método, as temperaturas de autoquecimento foram extraídas em dispositivos com maiores larguras de canal, confrontando os resultados com outros métodos descritos na literatura. Observou-se que o método foi eficiente na extração da temperatura de autoaquecimento em dispositivos com largura de canal de 10µm na qual a temperatura do metal representa a temperatura do canal. Entretanto, o mesmo não pode ser observado em transistores nanofios, com largura de canal igual a 12,5nm, pois as dimensões do metal de porta nestes dispositivos facilitam a dissipação de calor gerado na camada de silício, dificultando avaliar o autoaquecimento nestes transistores. Foram feitas simulações numéricas tridimensionais dos transistores SOI MOSFETs com concentração natural de dopantes e nos transistores SOI MOSFETs sem junções. Foram inseridos vários pontos de grade dependentes da temperatura de autoquecimento, onde foi possível obter simulações compatíveis com os resultados experimentais. Assim, pôde-se quantificar a diferença de temperatura entre o canal e o metal nos transistores nanofios, além de comprovar o efeito da dissipação térmica nos transistores nanofios influenciados pelas dimensões do metal de porta.

The self-heating is an effect where devices are submitted when the dissipated power presents difficulty to dissipate the heat out of the device. This effect is so common and occurs frequently in devices with the presence of a buried oxide. On SOI MOSFET transistors, this effect is presented when the device has a high gate and drain bias, degrading the electrical current that flows through the channel. When the self-heating is intense, it is possible to verify an abrupt reduction of the drain current. This work presents the study of the self-heating in undoped nanowires SOI MOSFETs transistors with multiple gates and, for the first time the study of the self-heating in nanowires SOI MOSFETs transistors without junctions. To verify the influence of the heat dissipation in those devices, it has been used for the first time, devices with two gate bias contacts, like the well-known method on devices with 4 gate contacts. LCR meter was used to extract the temperature of self-heating by measuring the electrical resistance in the gate between two gate contacts biased as a function of drain bias. In order to evaluate the method, the self-heating temperatures were extracted in devices with larger channel width, comparing the results with other methods published in the literature. It has been observed that the method was very efficient in devices with channel with equal to 10µm, which the temperature in the gate metal represents the temperature in the channel. Otherwise, it was not happened on nanowire devices with channel width equal to 12.5nm, once the metal gate dimensions facilitate the heat dissipation generated in the silicon layer, complicating the self-heating evaluation in nanowire devices. Also, it has been performed tridimensional numerical simulations of SOI MOSFETs undoped devices and SOI MOSFETs without junctions. Thermal mesh has been used in order to obtain self-heating simulations to compare with experimental results. Therefore, it was possible to quantify the difference of temperature between the channel and the metal in nanowire transistors, besides confirming the thermal dissipation effect on these transistors due to the metal gate dimensions.