Avaliação do comportamento elétrico de capacitores MOS em altas temperaturas

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo do comportamento do capacitor da tecnologia MOS por meio da análise da curva característica da capacitância em função da tensão de polarização aplicada à porta do dispositivo, operando em alta freqüência e exposto a temperaturas de até 300ºC. É feita a variação de algumas características físicas do capacitor MOS, como concentração de dopantes que compõe o substrato do dispositivo, o tipo do material de porta e de substrato, com o objetivo de verificar os efeitos provocados em sua curva característica C-V e analisar as tendências de comportamento resultantes na região de inversão do capacitor, quando operando em altas temperaturas. Os resultados obtidos por meio de simulações numéricas bidimensionais demonstram a importância da escolha cuidadosa dos materiais e dopagens utilizados em cada região da estrutura MOS para que a mesma seja apropriada para operar em temperaturas elevadas sem que haja a degeneração de suas características elétricas, principalmente na região de inversão operando em alta freqüência. Apresentamos ainda resultados experimentais que confirmam as tendências observadas no comportamento do capacitor MOS em altas temperaturas obtidas através das simulações numéricas, possibilitando a explicação dos efeitos físicos que surgem neste tipo de estrutura quando submetida a temperaturas na faixa de 27ºC a 300ºC, como é o caso do estreitamento da faixa proibida e aumento significativo da concentração intrínseca do substrato de silício que influi diretamente no valor total da capacitância medida na região de inversão da estrutura MOS estudada.

This work presents the study of the MOS capacitor behavior through the analysis of the capacitance versus gate voltage characteristic curves operating at high frequency and temperatures uo to 300ºC. Some physical parameters of the MOS capacitor are analyzed, such as substrate doping concentration, gate and substrate material aiming to verify the effects that these parameters cause in the high frequency C-V curves and besides that, analyze the tendencies observed when the devices are operating at the inversion region. The results obtained from the bi-dimensional numerical simulation demonstrate the importance of choosing the correct specification for materials and doping concentration for each MOS structure, to allow the device suitability for high temperature environments minimizing the risk of degeneration regarding its electrical characteristics, specially for the high frequency C-V curve in the inversion region. Experimetal results also are presented to confirm the MOS capacitor tendency behavior when exposed to high temperatures that were obtained through simulations, enabling the explanation of substrate physical effects that take place during operating for temperatures in the range of 27ºC to 300ºC, such as band gap narrowing and silicon intrinsic carrier concentration increase, which directly affect the total capacitance value of MOS structure when operating in the inversion region.