Create PDF with GO2PDF for free, if you wish to remove this line, click here to buy Virtual PDF Printer

Transcrição

1 SIMULAÇÃO E ESTUDO EXPERIMENTAL DO EFEITO DE TUNELAMENTO NA EXTRAÇÃO DAS ESPESSURAS DO FILME DE SILÍCIO E DO ÓXIDO DE PORTA EM TRANSISTORES SOI SUBMICROMÉTRICOS Artur G. Paiola*, Aparecido S. Nicolett**, João Antonio Martino*** da FATEC-SP; ***Professor Livre- *Aluno de Mestrado da EPUSP; **Professor Dr. do Curso de MPCE docente da EPUSP nicolett@pucsp.br Resumo Este trabalho teve como objetivo verificar se a presença da corrente de tunelamento, existente no óxido de porta de transistores SOI MOSFETs submicrométricos, afeta a extração das espessuras do óxido de porta e da camada de silício, quando técnicas tradicionais são utilizadas. Os resultados, tanto por simulações bidimensionais, como experimentais, demonstraram que este efeito não afeta a extração dos parâmetros estudados. 1. Introdução A tecnologia de fabricação de circuitos integrados, atualmente, tem dois propósitos básicos: miniaturização dos dispositivos e redução dos custos de fabricação dos CI s. O número de componentes no chip de silício tem crescido como observado por Gordon E. Moree (lei de Moore) [1]. Para aumentar a densidade e velocidade, e ainda diminuir o consumo de energia nos circuitos integrados, os dispositivos tiveram suas dimensões diminuídas para nanometros, fazendo-se necessário, portanto, que métodos mais precisos de caracterização e extração de parâmetros fossem pesquisados, principalmente para a tecnologia SOI (Silicon-On-Insulator), onde seu comportamento é muito dependente da espessura do filme de silício e da concentração de dopantes no canal. Na tecnologia SOI, duas classes de dispositivos são definidas: os parcialmente depletados (PD SOI) e os totalmente depletados (FD SOI), apresentados na figura 1. Em um PD SOI MOSFET, a espessura do filme de silício (t Si ) é maior que a espessura total das regiões de depleção da primeira e segunda interfaces, existindo uma região neutra no filme de silício. No FD SOI MOSFET, a espessura do filme de silício é menor que a espessura total das regiões de depleção e neste caso, há uma forte interação entre os potenciais da primeira e segunda interfaces. Uma atenção especial é dada ao SOI totalmente depletado, uma vez que este apresenta um comportamento superior comparado ao parcialmente depletado, apresentando uma alta transcondutância e baixos campos elétricos []. No dispositivo SOI totalmente depletado, a condição da primeira interface (inversão, depleção ou acumulação), depende da condição da segunda interface e vice-versa. As equações (1) e () descrevem as relações de acoplamento de cargas entre primeira e segunda interfaces, em função da polarização aplicada na primeira e segunda interfaces ( e ) [3, 4], respectivamente. Primeira interface Segunda interface Fonte N+ VGF Poli P VDS Dreno N+ toxf tsi Fonte N+ VGF Poli Óxido enterrado VDS N+ Dreno toxf tsi toxb Óxido enterrado toxb Substrato P Substrato P VGB (a) VGB Figura 1 Diagrama esquemático: a) PD SOI MOSFET; b) FD SOI MOSFET. (b) VGF = Qoxf MS1 Coxf Coxf SF Coxf qnaf tsi QS1 SB + Coxf Coxf (1) VGB = Qoxb MS SB qnaf tsi SF + QS ()

2 C oxf é a capacitância associada ao óxido de porta, C oxb é a capacitância associada ao óxido enterrado, C Si é a capacitância do filme de silício, N af é a concentração de dopantes no filme de silício, Q oxf é a densidade de cargas no óxido de porta, Q oxb é a densidade de cargas no óxido enterrado, Q S1 densidade de carga na primeira interface, Q S densidade de carga na segunda interface, t Si é a espessura da camada de silício, t oxf é a espessura da camada do óxido de porta, t oxb é a espessura da camada do óxido enterrado, MS1 é a diferença de função trabalho entre a porta e a camada silício, MS é a diferença de função trabalho entre o substrato e a camada de silício, SB é o potencial de superfície da segunda interface e SF é o potencial de superfície da primeira interface.. Efeito de tunelamento no óxido de porta Um problema crítico, quando os dispositivos têm suas dimensões reduzidas, é o aparecimento de uma corrente através do fino óxido de porta. Este efeito ocorre porque o elétron consegue passar por tunelamento, através do óxido de porta, indo da camada de silício para o material da porta, devido ao campo elétrico vertical [5]. O tunelamento de elétrons através de uma barreira de potencial é um efeito explicado pela mecânica quântica como sendo a finita probabilidade de um elétron atravessar esta barreira, mesmo sem ter energia suficiente para superá-la. De maneira geral, pode-se dizer que o tunelamento, através de uma barreira de potencial, pode ser caracterizado pelo coeficiente de transmissão que representa a probabilidade de um elétron atravessar a barreira. Região do óxido Porta Poly (região 1) O valor deste coeficiente de transmissão depende da forma da barreira (triangular, retangular, etc), sua altura e sua largura. Quanto mais finos e baixos os potenciais, mais alto será o coeficiente de transmissão. Quando os elétrons tunelam a partir da camada de valência para o silício poli, são deixadas lacunas no filme de silício, carregando-o positivamente e reduzindo a tensão de limiar. A figura mostra a estrutura e o diagrama de bandas do tunelamento direto, tanto para os elétrons originados na banda de condução, quanto para os elétrons originados na banda de valência. 3. Método dos dois picos [6] A espessura da camada de silício é extraída através da curva da corrente de fonte-dreno em função da tensão aplicada na segunda porta (I DS x ), com uma tensão fixa na primeira porta ( ) maior que Vth F,acc, onde a primeira interface está invertida e a segunda interface acumulada, garantindo assim a inversão da primeira interface e conseqüentemente o fluxo da corrente entre fonte e dreno para diferentes valores de, uma vez que V DS é positivo. Variando-se de valores positivos para negativos, dois pontos de máximo são observados na curva δ I DS /δv GB x. O ponto ( ) A representa a tensão na qual a segunda interface muda da inversão para depleção, e o ponto ( ) B representa a condição na qual a segunda interface muda da depleção para acumulação. Definindo = ( ) A ( ) B, resulta na equação (3) que pode ser usada para extrair a espessura do filme de silício. Tunelamento direto de electrons na banda de condução elétron Ec Efp Ev Semicondutor P (região ) lacuna Ec1 Tunelamento Efn1 direto de electrons na banda de valência Ev1 Porta N+ Poly Óxido Semicondutor P Figura : Estrutura do dispositivo e diagrama de bandas para tunelamento direto.

3 ε t = Si Si (3) V C GB oxb 1 Ff Para a determinação da espessura do óxido de porta (t oxf ), a curva I DS x é obtida, utilizando-se uma tensão, que mantém a a interface dentro do canal sempre invertida. Esta tensão deve ser maior que Vth B,acc1, onde Vth B,acc1 é a tensão de limiar da a interface, quando a 1 a interface estiver acumulada. Variando-se de valores positivos para negativos, dois pontos de máximo são observados na curva δ I DS /δv GF x. O ponto ( ) A representa a tensão na qual a primeira interface torna-se invertida e o ponto ( ) B representa a tensão na qual a primeira interface torna-se acumulada. Definindo-se = ( ) A ( ) B, a equação (4) pode ser usada para extrair a espessura do óxido de porta. VGF εox tsi 1 Ff toxf = (4) εsi 4. Simulações e resultados Os dispositivos SOI nmosfets simulados pelo programa MEDICI [7] possuem, como características, comprimentos do canal (L) de 0,15 µm a µm, espessura do óxido de porta (t oxf ) de,5 nm, espessura do filme de silício (t Si ) de 30 nm e espessura do óxido enterrado (t oxb ) de 00 nm. A concentração de dopantes da camada de silício (N af ) é de 1.0 x cm -3. Para as simulações, a tensão de fonte-dreno (V DS ) aplicada foi de 0,1 V. Os valores adotados das densidades de cargas efetivas no óxido de porta e no óxido enterrado foram de Q oxf = 5.0 x cm - e Q oxb = 1.0 x cm - respectivamente. As densidades de armadilhas de interface foram consideradas desprezíveis Os modelos de mobilidade, considerando campo elétrico vertical e mobilidade dependente da concentração, foram usados, assim como os modelos de tunelamento, que calculam a corrente de porta através do óxido fino. A figura 3 mostra a curva da corrente de porta pela tensão na porta ( x ) para diferentes comprimentos de canal, considerando a ocorrência do efeito de tunelamento no óxido de porta. Estas curvas foram obtidas para t oxf de,5 nm e = 35 V. A figura 4 mostra as curvas δ I DS /δv GB x com o gráfico de incluso, para dois dispositivos com comprimentos de canal de,0 µm. O primeiro considera a ocorrência de efeito de tunelamento, enquanto o outro não apresenta este efeito. A partir dos pontos ( ) A e ( ) B extraídos para cada dispositivo, a espessura da camada de silício pode ser extraída através da equação (3). A tabela 1 sumariza e compara os valores obtidos para t Si nas simulações com e sem o efeito de tunelamento. A partir dos valores apresentados na tabela 1, é possível concluir que o efeito de tunelamento, para as condições simuladas, não influencia no método dos dois picos para extração do t Si. É possível perceber também um menor erro na extração de t Si para dispositivos com maiores comprimentos de canal. Simulação t oxf =,5 nm / t Si 1n 100p 10p 1p 100f 10f = 35V L = 0,15 µm L = 0,0 µm L = 0,50 µm L = 1,00 µm L =,00 µm Figura 3: Curva logarítmica x para diferentes comprimentos de canal.

4 Crea δ I DS / δ 16.0n 14.0n 1.0n 1n 8.0n 6.0n 4.0n.0n -.0n ( ) B sem corrente de tunelamento na porta semcorrente de tunelamento na porta 50p = 1,5 V ( ) A L =,0 µm / t oxf =,5 nm / t Si -4.0n p 40p 35p 30p 5p 0p 15p 10p 5p -5p Figura 4: Curvas δ I DS /δ x e x usadas na comparação dos resultados da extração de t Si com e sem tunelamento. Tabela 1: Resultados obtidos pelo método dos dois picos com diferentes comprimentos de canal, para t Si simulado de 30 nm. Extração com efeito de tunelamento Extração sem efeito de tunelamento L (µm) t Si (nm) Erro (%) t Si (nm) Erro (%) 0,15 3,30 5,4 15,90 3,50 5,01 16,60 0,18,10 6,67 11,10,10 6,67 11,10 0,0 1,70 7,18 9,40 1,80 7,05 9,80 0, 1,40 7,58 8,10 1,40 7,58 8,0 0,50 0,10 9,45 1,80 0,0 9,30,30 1,00 19,90 9,67 0,80 19,80 9,90 0,30,00 19,70 30,08 0,30 19,80 9,90 0,30 A figura 5 mostra as curvas δ I DS /δv GF x e x para duas condições de simulação, em um dispositivo com L = 0, µm. O primeiro considera a ocorrência do efeito de tunelamento, enquanto o outro dispositivo não considera tal efeito. Partindo-se dos pontos ( ) A e ( ) B, e utilizando o valor de t Si extraído para cada dispositivo apresentado na tabela 1, os valores de t oxf podem ser obtidos através da equação (4). A tabela sumariza e compara os valores obtidos de t oxf nas simulações com e sem tunelamento. Ao contrário da extração de t Si, o menor erro nos valores extraídos de t oxf aparece em dispositivos com menores comprimentos de canal. É possível concluir novamente que a corrente de tunelamento não influencia, para as condições simuladas, a extração de t oxf.

5 sem corrente de tunelamento na porta sem corrente de tunelamento na porta (AV - / µm) δ I DS / δ 30µ 5µ 0µ 15µ 10µ 5µ = 35 V ( ) B ( ) A L =,0 µm t oxf =,5 nm t Si 5p 4p 3p p 1p -1p -5µ -p Figura 5: Curvas δ I DS /δv GF x e x comparando as extrações de t oxf com e sem tunelamento. Tabela : Valores extraídos de e t oxf pelo método dos dois picos para diferentes comprimentos de canal e t oxf =,5 nm. Extração com efeito de tunelamento Extração sem efeito de tunelamento L (µm) t oxf (nm) Erro (%) t oxf (nm) Erro (%) 0,15 1,3,66 6,30 1,3,63 5,30 0,18 1,3,81 1,30 1,3,81 1,30 0,0 1,,76 10,60 1,,75 10,10 0, 1,,81 1,0 1,,81 1,30 0,50 1,,99 19,80 1,,98 19,0 1,00 1,1,9 16,90 1,1,94 17,50,00 1,1,95 18,90 1,1,94 17,50 5. Medidas experimentais e resultados As medidas experimentais foram feitas utilizando dispositivos SOI nmosfets semelhantes, em suas dimensões, aos dispositivos simulados. A tabela 3 descreve as características destes dispositivos. As curvas I DS x foram obtidas aplicando-se V DS = 0,1 V, tensão = 35 V e variando entre 1,5 V a 1,5 V, com passos de 10 mv. Todas as medidas foram feitas usando o analisador de parâmetros HP 4145B. A figura 6 mostra as curvas δ I DS /δv GF x para uma cascata de transistores com comprimentos de canal variando de 0,15 a 0, µm. Os resultados de ( ) A e ( ) B, apresentados na tabela 4, foram usados para extrair t oxf, adotando-se t Si (valor esperado pelo processo de fabricação), uma vez que as curvas δ I DS /δv GB x apresentaram nível elevado de ruído, não permitindo a aplicação do método dos dois picos para extração de t Si.

6 Tabela 3: Características dos dispositivos experimentais. Espessura do óxido de porta (t oxf ) Espessura do filme de silício (t Si ) Espessura do óxido enterrado (t oxb ),5 nm 30 nm 00 nm Comprimento de canal (L) 0,15; 0,18; 0,0; 0, µm Largura do canal (W) 10 µm Concentração de portadores no canal (N af ) 1E18 cm -3 Temperatura (T) 300 K Medida experimental: extração de t oxf t oxf =,5 nm / t Si (AV - ) δ I DS / δ 6.0m 4.0m.0m W = 10,0 µm / L = 0,15 µm W = 10,0 µm / L = 0,18 µm W = 10,0 µm / L = 0,0 µm W = 10,0 µm / L = 0, µm ( ) B ( ) A A = 35 V -.0m Figura 6: Curvas δ I DS /δ x para uma cascata de transistores com L variando de 0,15 a 0, µm. Tabela 4: Valores extraídos de t oxf através de medidas experimentais em dispositivos SOI nmosfets. L (µm) ( ) A ( ) B t oxf (nm) Erro (%) 0,15 0, -0,9 1,14,0 11,90 0,18 0,1-0,99 1,0,84 13,60 0,0 0,0-1,0 1, 3,05,10 0, 0,17-1,06 1,3 3,16 6,30 Como é possível perceber na tabela 4, dispositivos com maiores comprimento de canal apresentaram um erro maior na extração de toxf em relação aos dispositivos com menor comprimento de canal, similarmente à simulação. 6. Conclusões Neste trabalho foi estudada a dependência da extração de t oxf e t Si com a corrente de tunelamento na porta de dispositivos SOI MOSFETs. Quando dispositivos submicrométricos são usados, há o aparecimento de uma corrente de tunelamento pela porta devido a fina espessura do óxido que poderia afetar a extração de parâmetros, porém, os resultados simulados e experimentais mostraram que o método dos dois picos não foi afetado ao ser utilizado para extrair t Si e t oxf. 7. Referências [1] M. Yoshimi, M. Terauchi, A. Murakoshi, M. Takahashi, K. Matsuzawa, N. Shigyo, Y. Ushiku, IEDM, p. 49, 1994.

7 [] H. K. Lim, J. G. Fossum, IEEE Trans. Electron Devices, vol. Ed. 31, n. 4, p. 401, [3] H. K. Lim, J. G. Fossum, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 30, n. 10, p. 144, [4] M. A. Pavanello, J. A. Martino, V. Dessard and D. Flandre, Electrochemical and Solid-State Letters, vol. 3, p. 50, 000. [5] J.P. Colinge, C.A. Colinge, Physics of Semiconductor Devices, p.331, Kluwer Academic Publishers, Boston (00). [6] A.S. Nicolett, J. A. Martino, E. Simoen, C. Claeys, Solid-State Electronics, v. 44, p , , [7] TMA MEDICI, version 4.0, 1997.