Study of the extensionless UTBOX SOI transistors as memory cell.

O objetivo principal deste trabalho é o estudo de transistores UTBOX SOI não auto-alinhados operando como célula de memória de apenas um transistor aproveitando-se do efeito de corpo flutuante (1T-FBRAM single Transistor Floating Body Random Access Memory). A caracterização elétrica dos dispositivos se deu a partir de medidas experimentais estáticas e dinâmicas e ainda, simulações numéricas bidimensionais foram implementadas para confirmar os resultados obtidos. Diferentes métodos de escrita e leitura do dado 1 que também são chamados de métodos de programação do dado 1 são encontrados na literatura, mas com intuito de se melhorar os parâmetros dinâmicos das memórias como o tempo de retenção e a margem de sensibilidade e ainda, permitir um maior escalamento dos dispositivos totalmente depletados, o método de programação utilizado neste trabalho será o BJT (Bipolar Junction Transistor). Uma das maiores preocupações para a aplicação de células 1T-DRAMs nas gerações tecnológicas futuras é o tempo de retenção que diminui juntamente com a redução do comprimento de canal do transistor. Com o intuito de solucionar este problema ou ao menos retardá-lo, é apresentando pela primeira vez um estudo sobre a dependência do tempo de retenção e da margem de sensibilidade em função do comprimento de canal, onde se observou que esses parâmetros dinâmicos podem ser otimizados através da polarização do substrato e mantidos constantes para comprimentos de canal maiores que 50 no caso dos dispositivos não auto-alinhados e 80 nos dispositivos de referência. Entretanto, observou-se também que existe um comprimento de canal mínimo que é dependente do tipo de junção (30 no caso dos dispositivos não auto-alinhados e 50 nos dispositivos de referência) de modo que para comprimentos de canal abaixo desses valores críticos não há mais espaço para otimização dos parâmetros, degradando assim o desempenho da célula de memória. O mecanismo de degradação dos parâmetros dinâmicos de memória foi identificado e atribuído à amplificação da corrente de GIDL (Gate Induced Drain Leakage) pelo transistor bipolar parasitário de base estreita durante a leitura e o tempo de repouso do dado 0. A presença desse efeito foi confirmada através de simulações numéricas bidimensionais dos transistores quando uma alta taxa de geração de portadores surgiu bem próxima das junções de fonte e dreno somente quando o modelo de tunelamento banda-a-banda (bbt.kane) foi considerado. Comparando o comportamento dos dispositivos não auto-alinhados com os dispositivos de referência tanto nos principais parâmetros elétricos (tensão de limiar, inclinação de sublimiar, ganho intrínseco de tensão) como em aplicações de memória (tempo de retenção, margem de sensibilidade, janela de leitura), constatou-se que a estrutura não auto-alinhada apresenta melhor desempenho, uma vez que alcança maior velocidade de chaveamento devido a menor inclinação de sublimiar; menor influência das linhas de campo elétrico nas cargas do canal, menor variação da tensão de limiar, até mesmo com a variação da temperatura. Além disso, constatou-se que os dispositivos não auto-alinhados são mais escaláveis do que os dispositivos de referência, pois são menos susceptíveis à corrente de GIDL, apresentando menor campo elétrico e taxa de geração próximos das junções de fonte e dreno que os dispositivos de referência, alcançando então um tempo de retenção de aproximadamente 6 e margem de sensibilidade de aproximadamente 71 A/m. Segundo as especificações da International Technology Roadmap for Semicondutor de 2011, o valor do tempo de retenção para as memórias DRAM convencionais existentes no mercado de semicondutores é de aproximadamente 64. Com o intuito de aumentar o tempo de retenção das 1T-DRAMs a valores próximos à 64 recomenda-se então o uso da tecnologia não auto-alinhada e também a substituição do silício por materiais com maior banda proibida (band-gap), como exemplo o arseneto de gálio e o silício-carbono, dificultando assim o tunelamento dos elétrons e, consequentemente, diminuindo o GIDL.The main topic of this work is the study of extensionless UTBOX SOI transistors, also called underlapped devices, applied as a single transistor floating body RAM (1T-FBRAM single transistor floating body access memory). The electrical characterization of the devices was performed through static and dynamic experimental data and two dimensional simulations were implemented to confirm the obtained results. In the literature, different methods to write and read the data 1 can be found but in order to improve the dynamic parameters of the memories, as retention time and sense margin and still allows the scaling of fully depleted devices, the BJT (Bipolar Junction Transistor) method is used in this work. One of the biggest issues to meet the specifications for future generations of 1T-DRAM cells is the retention time that scales together with the channel length. In order to overcome this issue or at least slow it down, in this work, we present for the first time, a study about the retention time and sense margin dependence of the channel length where it was possible to observe that these dynamic parameters can be optimized through the back gate bias and kept constant for channel lengths higher than 50 nm for extensionless devices and 80 nm for standard ones. However, it was also observed that there is a minimal channel length which depends of the source/drain junctions, i.e. 30 nm for extensionless and 50 nm for standard devices in the sense that for shorter channel lengths than these ones, there is no room for optimization degrading the performance of the memory cell. The mechanism behind the dynamic parameters degradation was identified and attributed to the GIDL current amplification by the lateral bipolar transistor with narrow base. Simulations confirmed this effect where higher generation rates near the junctions were presented only when the band-toband- tunneling adjustment was considered (bbt.kane model). Comparing the performance of standard and extensionless devices in both digital and analog electrical parameters and also in memory applications, it was found that extensionless devices present better performance since they reach faster switching which means lower subthreshold slope; less influence of the electrical field in the channel charges; less variation of the threshold voltage even increasing the temperature. Furthermore, it was seen that the gate length can be further scaled using underlap junctions since these devices are less susceptible to the GIDL current, presenting less electric field and generation rate near the source/drain junctions and reach a retention time of around 4 ms and sense margin of 71A/m. According to the International Technology Roadmap for Semiconductor of 2011, the retention time for the existing DRAM is around 64 ms. In order to increase the retention time of the 1T-DRAMs to values close to 64 ms it is recommended the use of extensionless devices and also the substitution of silicon by materials with higher band gap, i.e., gallium arsenide and siliconcarbon, which makes difficult the electron tunneling therefore, decreasing the GIDL