CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DE ESPELHOS DE CORRENTE BASEADOS EM TRANSISTORES

1. Universidade de São Paulo Grupo SOI - CMOS Laboratório de Sistemas Integráveis EXAME DE QUALIFICAÇÃO CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DE ESPELHOS DE CORRENTE BASEADOS EM TRANSISTORES GC SOI MOSFET EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA Aluno: Renato Silva Ferreira Orientador: Marcelo Antonio Pavanello

2. SUMÁRIO 1 - OBJETIVO 2 - CONCEITOS BÁSICOS 3 - RESULTADOS SIMULADOS 4 - RESULTADOS EXPERIMENTAIS 5 - CONCLUSÃO 6 - PROPOSTA DE CONTINUAÇÃO

3. OBJETIVO Este trabalho faz um estudo comparativo do comportamento de Espelhos de Corrente fabricados com transistores GC SOI MOSFET e SOI MOSFET Convencionais. Para tanto são estudados o descasamento, o desempenho do espelhamento e a resistência de saída destes Espelhos de Corrente.

4. (VGF) toxf 1ª Interface tSi 2ª Interface toxb 3ª Interface (VGB) CONCEITOS BÁSICOS • SOI MOSFET Convencional Perfil transversal de um transistor SOI MOSFET Convencional de canal n. Apresentando os eletrodos: de porta (VGF) e substrato (VGB), e as espessuras: da camada de silício (tSi), do óxido de porta (toxf) e do óxido enterrado (toxb). São indicadas também as três interfaces de Si-SiO2 da estrutura.

5. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional • Tipos de Transistores SOI MOSFET. • SOI MOSFET de camada espessa: • Para o caso de tSi> 2.xdmax • “Parcialmente Depletado” • SOI MOSFET de camada fina: • Para o caso de tSi< xdmax • “Totalmente Depletado” • SOI MOSFET de camada média: • Para o caso de xdmax< tSi< 2.xdmax

6. CONCEITOS BÁSICOS Tensão de Limiar SOI MOSFET Convencional Logo, para VGB,acc2 < VGB < VGB,inv2 (a situação em que a segunda interface está em depleção) :

7. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional • GC SOI MOSFET Perfil transversal de um transistor GC SOI MOSFET de canal n. Apresentando os eletrodos, as espessuras, as interfaces e o comprimento de máscara da porta (L) e a dopagem gradual da região do canal. LLD é o comprimento da região do canal com dopagem reduzida.

8. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET • Vantagens do GC SOI • Aumento da Corrente de Dreno • Aumento da Transcondutância Máxima • Reduzida Modulação do Comprimento de Canal • Reduzida Condutância de Saída • Aumento da Tensão Early • Aumento da Tensão de Ruptura de Dreno, que reduz o efeito bipolar parasitário da estrutura GC.

9. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI • Efeito da Temperatura O aumento da temperatura afeta diretamente a concentração intrínseca de portadores, de acordo com a expressão: Assim, a elevação de ni com a temperatura reflete em uma diminuição do potencial de Fermi (F):

10. CONCEITOS BÁSICOS Potencial de Fermi e Concentração Intrínseca SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Um outro efeito decorrente do aumento de ni com a temperatura é a redução das profundidades de depleção da primeira e segunda interface

11. CONCEITOS BÁSICOS Temperatura Crítica SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Ao elevar a temperatura em transistores SOI de camada fina totalmente depletado, ocorre a diminuição da máxima largura de depleção, desacoplando-a. Logo o transistor deixa de ser totalmente depletado acima dessa temperatura crítica TK. Colinge, J.P. Silicon-on-insulator technology: materials to VLSI, 2nd Edition. Massachusetts: Kluwer Academic Publishers, 2000.

12. CONCEITOS BÁSICOS Tensão de Limiar SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Observa-se que para temperaturas abaixo de TK (241°C) os dispositivos GC SOI MOSFET não sofrem degradação significativa da tensão de limiar com o aumento da relação LLD/L. Galeti, M. Análise do funcionamento de dispositivos GC SOI MOSFET em altas temperatures. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. São Paulo – Brasil, 2003.

13. CONCEITOS BÁSICOS Inclinação de Sublimiar SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Em um dispositivo SOI MOSFET totalmente depletado a variação da inclinação de sublimiar com a temperatura não é linear. Galeti, M.; Pavanello, M. A.; Martino, J. A. Behavior of graded-channel fully depleted SOI NMOSFET at high temperatures.Microeletronic Technology and Devices – SBMICRO, v. 2002-8, p. 342-350, 2002.

14. CONCEITOS BÁSICOS Mobilidade SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Um modelo simples e clássico da mobilidade, que inclui o efeito da temperatura e as resistências de fonte e dreno: Com a elevação da temperatura temos a diminuição na mobilidade para baixo campo elétrico e um aumento da resistência série de fonte e dreno.

15. SOI MOSFET canal n () e canal p () CONCEITOS BÁSICOS Mobilidade SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Por mais que a resistência série aumente, a redução de 0 é predominante, levando uma redução do coeficiente R. Logo o termo (+R) diminui com o aumento da temperatura, atenuando a redução da mobilidade efetiva (n) Gentinne, B. A study of potencial of SOI technology for analog applications.Tese (Doutorado) – Laboratoire de Microélectronique Faculte dês Sciences Appliquées, Université Catholique de Louvain, Louvain-La-Neuve – Bélgica, 1996.

16. CONCEITOS BÁSICOS Ponto Invariante com a Temperatura (ZTC) SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Existe um valor da tensão aplicada na porta (VGF) para o qual a corrente de dreno (IDS) não sofre variação com a temperatura, devido aos mecanismos de compensação entre o aumento da corrente de sublimiar e a redução da mobilidade com o aumento da temperatura. Este ponto (Zero Temperature Coeficient, ZTC) ocorre quando os transistores operam no regime de saturação.

17. CONCEITOS BÁSICOS Ponto Invariante com a Temperatura (ZTC) SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Galeti, M. Análise do funcionamento de dispositivos GC SOI MOSFET em altas temperatures. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. São Paulo – Brasil, 2003.

18. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura • Espelho de Corrente Espelhos de Corrente (Current Mirror, CM) são blocos analógicos utilizados para polarizar os diversos ramos de um circuito ou apresentar-se como carga ativa

19. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Espelho de Corrente A função do Espelho de Corrente consiste no fornecimento de uma corrente de saída (IDSout), semelhante a corrente de entrada (IDSin), para qualquer tensão aplicada no dreno (VDSout) do transistor de saída (Q2), contanto que as dimensões dos transistores de entrada e saída sejam idênticas, isto é, a razão P=IDSout/IDSin deve ser mais próximo possível da unidade

20. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Espelho de Corrente • Descasamento Uma operação precisa de um Espelho de Corrente depende fortemente do descasamento do par de transistores utilizado. O descasamento pode ser analisado separando-o em descasamento causado por parâmetros tecnológicos e/ou por parâmetros geométricos.

21. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Espelho de Corrente Descasamento Parâmetro Tecnológico A corrente é proporcional à (VGF-Vth1)2 na saturação, qualquer variação de Vth1 significará em alterações na corrente. Ocorre descasamento também por modulação do comprimento de canal () devido à queda de tensão no dreno. Parâmetro Geométrico A diferença da razão de aspecto (W/Leff) entre o transistor de entrada e saída, ocasionada por um desalinhamento de máscaras ou uma difusão lateral.

22. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Espelho de Corrente Descasamento Esses três diferentes efeitos combinados são expressos por: Parâmetro Geométrico Parâmetro Tecnológico

23. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Espelho de Corrente Descasamento • Excursão de Saída Para uma dada corrente de entrada, o Espelho de Corrente deve possibilitar o espelhamento sem distorção do sinal de entrada, com um intervalo máximo de amplitudes para a corrente de saída. Com isto, é possível diminuir as tensões de saída, garantindo ainda o comportamento do espelhamento da corrente de entrada na corrente de saída.

24. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Espelho de Corrente Descasamento Excursão de Saída Resistência de Saída Um parâmetro tecnológico que melhor demonstra o comportamento da excursão de saída é a resistência de saída (ROUTPUT), que pode ser expressa por: gDout é a condutância de dreno do transistor da saída do Espelho de Corrente:

25. CONCEITOS BÁSICOS SOI MOSFET Convencional GC SOI MOSFET Vantagens do GC SOI Efeito da Temperatura Espelho de Corrente Descasamento Excursão de Saída VDS (GC SOI MOSFET) X VDS (Convencional) Para o pior caso da excursão de saída dos transistores GC SOI, tem-se melhores resultados, do que o melhor caso da excursão de saída do SOI Convencional.

26. RESULTADOS SIMULADOS • Características da Simulação Foram utilizados os simuladores T-SUPREM4 e MEDICI. Do simulador TSUPREM-4 obtém-se o arquivo contendo o transistor individual, o qual é então convertido para o formato MEDICI. Em seguida, utilizando o módulo de circuitos do simulador MEDICI, é possível simular um circuito Espelho de Corrente.

27. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Utilizou-se, para este estudo, Espelhos de Corrente fabricados com transistores SOI Convencionais de L=2m e L=1m., e transistores GC SOI de L=2m com razões LLD/L de 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5. tSi=90nm; toxf=30nm; toxb=400nm; W=18m; Nab=1.1015cm-3; Naf=1.1017cm-3.

28. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Comprimento Efetivo de Canal

29. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação • Tensão de Limiar A partir dos dados obtidos na tabela é possível observar o decréscimo da tensão de limiar com o aumento da temperatura, devido aumento da concentração intrínseca, que diminui o potencial de Fermi.

30. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Tensão de Limiar • Efeito da Temperatura em IDSout

31. RESULTADOS SIMULADOS 300K Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout O dispositivo GC SOI com LLD/L=0,1 não apresenta a mesma tendência dos demais transistores GC SOI, devido uma má formação da região menos dopada. Ou ocorreu difusão lateral, após o processo de I.I. para ajuste da tensão de limiar.

32. RESULTADOS SIMULADOS 373K Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout A redução da corrente de dreno do transistor da saída do circuito Espelho de Corrente com o aumento da temperatura, devido principalmente ao efeito da temperatura sobre a mobilidade dos elétrons, que diminui ao elevar-se a temperatura O comportamento ruim da corrente de dreno do transistor de saída do Espelho de Corrente fabricado com SOI Convencional de L=1m, ocorre devido aos efeitos de canal curto.

33. RESULTADOS SIMULADOS 473K Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout A mesma tendência de decréscimo da corrente de dreno com a elevação da temperatura é observada.

34. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout • Tensão de Saturação

35. RESULTADOS SIMULADOS SOI Convencional Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação O segundo pico, o negativo, define o início do efeito bipolar parasitário, portanto, onde VDSout é igual a tensão de ruptura de dreno na curva IDsout x VDSout. O primeiro pico positivo define o início da saturação do transistor de saída, ou seja, VDSout igual à tensão de saturação do dreno (VDSsat). Através da diferença de VDSout destes dois picos tem-se a variação da excursão de saída: VDS (Convencional)

36. RESULTADOS SIMULADOS GC SOI MOSFET Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação O fim da excursão de saída é definida da mesma maneira do SOI Convencional, sendo onde se inicia o efeito bipolar parasitário, quando VDSout é igual a tensão de ruptura de dreno na curva IDsout x VDSout. O primeiro pico positivo refere-se à tensão de saturação da região do canal do transistor de saída GC SOI MOSFET mais dopada, definida como LHD. O segundo pico positivo refere-se à tensão de saturação da região do canal do transistor de saída GC SOI MOSFET menos dopada, também conhecida de LLD.

37. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação • Tensão Early do Transistor de Saída Para obtenção da tensão Early foi utilizado o método de regressão linear da curva da corrente de dreno do transistor de saída do Espelho de Corrente (IDSout) em função da tensão aplicada ao dreno do mesmo transistor no circuito (VDSout), no intervalo de 0,75  VDSout 1,5V, variando-se a temperatura de 300K, 373K e 473K.

38. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação Tensão Early do Transistor de Saída Um ponto máximo para VEA, ocorre com LLD/L=0,4. Para valores superiores de LLD/L, a tensão Early tende a degradar-se nos transistores GC SOI, devido à redução do comprimento efetivo de canal. Nota-se que os transistores de saída do circuito nãosofrem variação significativa na tensão Early com a temperatura, concordando com o mencionado na literatura. Nos dispositivos GC SOI, conforme se aumenta à relação LLD/L e conseqüentemente reduz-se o comprimento efetivo do canal, obtém-se uma elevação de VEA, devido à estrutura de canal gradual.

39. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação Tensão Early do Transistor de Saída • Excursão de Saída Embora, a tensão de saturação seja maior nos transistores de saída fabricados com GC SOI, principalmente ao se elevar o valor da razão LLD/L, a tensão de ruptura de dreno também é maior, fazendo com que VDSout torne-se maior nos Espelhos de Corrente utilizando GC SOI.

40. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação Tensão Early do Transistor de Saída Excursão de Saída Observa-se que VDSout é sempre superior nos Espelhos de Corrente fabricados com GC SOI do que no Espelho de Corrente feitos com dispositivos SOI Convencionais. Para uma relação LLD/L de 0,2 obtém-se um valor de VDSout aproximadamente 50% superior em relação ao obtido com Espelhos de Corrente fabricados com SOI Convencionais, em temperatura ambiente. Em 473K esse valor é de aproximadamente de 20% entre o GC com LLD/L=0,2 e SOI Convencional de L=2m, e cerca de 25% entre o GC com LLD/L=0,2 e SOI Convencional de L=1m.

41. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação Tensão Early do Transistor de Saída Excursão de Saída • Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC

42. RESULTADOS SIMULADOS Parte 1 Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação Tensão Early do Transistor de Saída Excursão de Saída Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC A melhor precisão de espelhamento nos GC SOI estão relacionadas ao maior valor de tensão Early, e a uma maior variação da excursão de saída, devido ao aumento da tensão de ruptura de dreno nos transistores GC SOI. Os Espelhos de Corrente GC SOI com razões LLD/L entre 0,20 e 0,30 apresentam o melhor desempenho. Pode-se notar que Espelhos de Corrente fabricados com GC SOI aproximam-se mais da unidade do que os feitos com SOI convencional.

43. RESULTADOS SIMULADOS Parte 2 Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação Tensão Early do Transistor de Saída Excursão de Saída Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC Os Espelhos de Corrente GC SOI com razões LLD/L entre 0,20 e 0,30 apresentam o melhor desempenho.

44. RESULTADOS SIMULADOS Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação Tensão Early do Transistor de Saída Excursão de Saída Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC • Desempenho em Altas Temperaturas O desempenho da precisão dos Espelhos de Corrente é avaliada fixando-se VDSout em 1,5V e variando-se VDSin na faixa entre 0V e 3V. Em 300K e 473K.

45. RESULTADOS SIMULADOS 300K Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação Tensão Early do Transistor de Saída Excursão de Saída Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC Desempenho em Altas Temperaturas Nota-se que os Espelhos de Corrente fabricados com GC SOI apresentam melhores resultados entre as razões LLD/L de 0,2 e 0,3. Concordando com as figuras anteriores.

46. RESULTADOS SIMULADOS 473K Características da Simulação Tensão de Limiar Efeito da Temperatura em IDSout Tensão de Saturação Tensão Early do Transistor de Saída Excursão de Saída Espelhos de Corrente Polarizados no ZTC Desempenho em Altas Temperaturas Nota-se que os Espelhos de Corrente fabricados com GC SOI apresentam melhores resultados entre as razões LLD/L de 0,2 e 0,3. Mesmo em alta temperatura. Concordando com as figuras anteriores.

47. RESULTADOS EXPERIMENTAIS • Características Experimentais Foi utilizado Espelhos de Corrente fabricados no Laboratório de Microeletrônica da Universidade Católica de Louvain (UCL). Para as medidas experimentais foi utilizado o analisador de parâmetros do semicondutor HP4156C. E para controlar a temperatura na câmera de vácuo foi utilizado o sistema K-20.

48. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Características Experimentais Com o intuito de explorar as capacidades o transistor em Espelhos de Corrente foi utilizadotransistores SOI Convencionais e GC SOI com 2 m e 4 m de comprimento de canal. Como característica principal, o processo SOI utilizado possui: tSi=80nm; toxf=30nm; toxb=390nm; W=18m; Nab=1.1015cm-3; Naf=1.1017cm-3.

49. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Características Experimentais • Desempenho em Altas Temperaturas

50. RESULTADOS EXPERIMENTAIS 300K Características Experimentais Desempenho em Altas Temperaturas Todos os espelhos de corrente utilizando dispositivos GC SOI MOSFET apresentaram melhores resultados nas características de saída, isto é, P300K mais próximo da unidade. Os CM GC SOI são melhores independentemente do comprimento de máscara do canal (L), devido à extrema redução da condutância de saída, e por conseqüência a elevada tensão Early