Study of SOI MOSFETs transistors with ultrathin silicon layer and buried oxide in dynamic threshold voltage mode operation.

Neste trabalho foi analisado o comportamento de um transistor UTBB FD SOI MOSFET (Ultra-Thin-Bodyand-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) planar, operando em modo convencional, de tensão de limiar dinâmica (DT2-UTBB, onde a tensão de substrato é igual à de porta, VB=VG) e modo DT2 melhorado (kDT, onde a tensão de substrato é um múltiplo da tensão de porta, VB=kVG). O princípio de funcionamento desses modos foi estudado e a influência de diferentes tendências e tecnologias atuais foram analisadas nessas condições de polarização como a presença do plano de terra (Ground Plane - GP), o escalamento da camada de silício e a ausência de uma região de extensão de fonte e dreno. Também foi proposto neste trabalho o modo kDT inverso, onde a tensão de porta é um múltiplo da tensão de substrato (VG=kVB). O efeito do superacoplamento foi identificado e analisado a partir de diferentes técnicas, como nas curvas de capacitância, sua influência no efeito de corpo e no transistor UTBB operando em modo DT2 e DT2 melhorado. Finalmente o efeito da alta temperatura também foi estudado em transistores UTBB nos modos DT2 e DT2 melhorado, bem como nas curvas de capacitâncias. A operação em DT2 apresentou melhores resultados que o método convencional, principalmente para canais mais curtos (redução da inclinação de sublimiar em 36%, elevação da transcondutância máxima em 23% e diminuição do DIBL, Drain Induced Barrier Lowering, em 57%). A presença do GP acentuou esta melhora (redução da inclinação de sublimiar em 51%, elevação da transcondutância máxima em 32% e diminuição do DIBL em 100%), uma vez que há um maior acoplamento entre o substrato e o canal, fortalecendo sua atuação na redução da tensão de limiar. O modo melhorado da tensão de limiar dinâmica apresentou melhores parâmetros elétricos que no modo DT2, devido à redução mais expressiva da tensão de limiar para uma mesma varredura da tensão de porta. No modo kDT inverso, os parâmetros também foram ainda melhores (60% menor SS e 147% maior gm,max para os dispositivos sem GP e 68% menor SS e 189% maior gm,max nos dispositivos com GP) devido ao óxido de porta ser mais fino que o óxido enterrado. Com relação ao escalamento do filme de silício, para maiores valores de sobretensão de porta, a redução da camada de silício apresenta uma maior resistência série e uma maior degradação da mobilidade, reduzindo a corrente de dreno. Já para tensões de porta negativas, o GIDL (Gate Induced Drain Leakage) é mais elevado para menores espessuras do filme de silício. Entretanto, a menor espessura da camada de silício (tSi) mostrou ser vantajoso no modo kDT, devido ao acoplamento mais forte. O filme de silício mais fino melhorou principalmente o DIBL (a espessura de 6nm apresentou um DIBL 3 vezes menor que o dispositivo de 14nm para k=5), diminuindo o campo elétrico do dreno, e o SS (a espessura de 6nm apresentou um SS 7% menor que o dispositivo de 14nm para k=5), onde o campo elétrico vertical não é suficiente para degradar o parâmetro do dispositivo. O superacoplamento mostrou-se benéfico em transistores UTBB operando em modo DT2 e kDT, amplificando o efeito da inversão de volume e elevando consideravelmente a transcondutância e a mobilidade (melhora de até 131% para k=5, NMOS e tSi=7nm, tomando o caso VB=0V como referência). O superacoplamento também apresentou resultados positivos no estudo do escalamento dos dispositivos, apresentando um excelente acoplamento ainda para o menor comprimento de canal medido (0,076 para comprimento de 20nm contra 0,09 para L=1µm). Com relação à engenharia de fonte e dreno, os melhores resultados foram obtidos para os dispositivos sem a implantação da região de extensão (extensionless) e com comprimento dos espaçadores de 20nm. Os mesmos transistores extensionless também demonstraram serem mais suscetíveis com o aumento do fator k, apresentando o melhor comportamento na região de sublimiar (inclinação de sublimiar, SS, até 59% menor), desempenho analógico (elevação de mais de 300% no ganho intrínseco de tensão, AV, e de mais de 600% na tensão Early, VEA) e aplicação em baixas tensões (menor inclinação de sublimiar e tensão de limiar). A única desvantagem observada para a operação em DT2 e kDT foi a elevada corrente de GIDL (elevação de uma ordem de grandeza entre os transistores auto-alinhados com k=5 em relação ao auto-alinhado com k=0), entretanto, os dispositivos sem a implantação da região de extensão de fonte e dreno apresentaram um menor GIDL (redução de 1 ordem de grandeza para os dispositivos sem a implantação de 20nm com k=5 em relação ao dispositivo auto-alinhado com k=5) devido ao menor campo elétrico da porta para o dreno, o que pode ser uma solução para essa desvantagem. A região de extensão mais longa (sem a implantação) e, principalmente a operação em modo kDT, melhoram os parâmetros (elevação de 82% na transcondutância máxima, gm,max, redução de 45% no SS, de 41% no DIBL, elevação de 303% no AV e de 97% no VEA), superando a degradação observada pelo aumento da temperatura (porcentagens apresentadas já estão considerando a degradação da temperatura). Além disso, os modos kDT reduziram a tensão de porta do ponto ZTC (Zero-Temperature-Coefficient) em até 57%, sendo interessante em aplicações de baixa tensão. O modo kDT também permitiu o ajuste da tensão de limiar e da tensão de polarização, ainda com o nível de corrente independente com a temperatura e com o fator k.In this work, it was analyzed the behavior of a planar UTBOX FD SOI NMOSFET (Ultra-Thin-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect-Transistor), operating in conventional (VB=0V), dynamic threshold (DT2-UTBB, where the back-gate bias is equal to the front-gate one, VB=VG) and enhanced DT (kDT-UTBB, where the back-gate bias is a multiple value of the front-gate one, VB=kVG) modes. The working principle of these modes has been studied and the effect of different technologies and current trends were analyzed under such biasing conditions as the presence of the ground plane (ground plane - GP), the scaling of the silicon layer and the absence of a doped extended source and drain region. It was also proposed in this paper the inverse kDT-UTBB mode, where the gate voltage is a multiple of the back-gate one (VB=kVG). The supercoupling effect was identified and analyzed through different techniques, such as the capacitance curves, its influence on the body effect and in UTBB SOI transistors operating in DT2 and kDT modes. Finally, the high temperature influence was also studied in UTBB SOI transistors operating in DT2 and kDT modes, as well as on capacitance characteristics. The operation DT2 showed better results than the conventional method, mainly for shorter channels (reduced subthreshold slope, SS, in 36%, increased maximum transconductance, gm,max, in 23% and reduced Drain Induced Barrier Lowering, DIBL, 57%). The presence of GP intensified this improvement (reducing SS by 51%, raising gm,max by 32% and reduced DIBL by 100%), due to the greater coupling of the substrate on the channel, strengthening its influence on reducing the threshold voltage. The kDT mode showed better electrical parameters than the DT2 due to a remarkable reduction of the threshold voltage for the same VG sweep. In the inverse kDT mode, the parameters were also better (60% lower SS and 147% higher gm,max for devices without GP and 68% lower SS and 189% higher gm,max on devices with GP) due to the thinner gate oxide than the buried oxide. With regard to the silicon film scaling, for higher values of gate voltage, the thinner silicon layer presented a larger series resistance and a greater mobility degradation, reducing the drain current. For negative gate biases, the GIDL (Gate Induced Drain Leakage) is higher for smaller thicknesses of the silicon film. However, the lower silicon film thickness showed to be advantageous in kDT due to the stronger coupling. The thinner silicon thickness has improved the DIBL (thickness of 6nm presented a DIBL 3 times smaller than the device of 14nm for k = 5), reducing the drain electric field, and the SS (thickness of 6nm presented an SS 7% smaller than 14nm device for k = 5), where the vertical electric field is not enough to degrade the device parameter. The supercoupling demonstrated beneficial results in UTBB transistors in DT2 and kDT operations, amplifying the volume inversion effect and rising significantly the transconductance and the mobility (improvement of up to 131% for k=5, 7nm-NMOS, taking VB=0V as the reference). Measurements and simulations have also shown positive results in the scalability study, presenting an excellent coupling for the shortest channel considered (0.076 for L=20nm against 0.09 for L=1µm). With respect to source and drain engineering, the best results were obtained for devices without the extension implantation and spacer length of 20nm. They also demonstrated to be more susceptible to the increase of k factor, showing the best behavior in the subthreshold region (59% lower), analog performance (300% higher intrinsic voltage gain, AV and 600% higher Early voltage, VEA) and for low voltages applications (reduced SS and VT). The only drawback observed for operation in kDT was the higher GIDL current (increase of 1 order of magnitude between self-aligned transistors with k=5 and self-aligned ones with k=0). However, the devices without the extension region implantation had a lower GIDL (1 order of magnitude lower for 20nm-extensionless devices with k=5, taking the self-aligned ones with k=5 as the reference) due to the lower gate-to-drain electric field, which can be a solution to this disadvantage. The longer extension region (without implantation) and, mainly, the kDT operation improved the parameters (increase of 82% in gm,max, reduction of 45% in SS, 41% reduced DIBL, rising of 303% in AV and 97% increased VEA), surpassing the degradation caused by rising the temperature (the last percentages is already considering the temperature degradation). Moreover, the DT2 and kDT operations reduced the gate bias of the ZTC point (Zero-Temperature-Coefficient) in 57%, being interesting for low voltage applications. The kDT mode also allowed the threshold voltage and the biases tunning, still with the current level independent of the temperature and the k-factor