Apresenta

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IE733 Prof. Jacobus Cap. 6 Efeitos em
dispositivos de pequenas dimensões. (parte 2)
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6.4 Perfuração MOS (punchthrough).
Na 1a parte Efeitos eletrostáticos p/ pequenas
dimensões, porém fracos, em nível de não afetar
muito o comportamento do transistor.
O critério mais usados para observar integridade
dos efeitos eletrostáticos (canal curto) é S
pouco dependente de VDS e com valor próximo ao L
longo
S ? 80 mV/dec (longo)
Para o menor dispositivo aceita-se uma variação
de alguns ( 5 mV/dec).
A fig. 6.11b apresenta uma boa característica
eletrostática.
O deslocamento da curva para esquerda quando VDS
? deve-se ao efeito DIBL.
VDS2 gt VDS1 VDS1 cheita VDS2 - tracejada
DVGS/DVDS lt 100 mV/V valores típicos aceitáveis.
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Fig 6.11a, grande dependência de S com VDS
efeito de perfuração MOS
É uma caso severo de diminuição de barreira que
causa um fluxo de elétrons da fonte para o dreno.
A integridade eletrostática é violada
Também pode ocorrer quando há o encontro das
regiões de depleção da fonte e do dreno, na
ausência da região de depleção na porta
- perfuração de superfície (dopagem uniforme) -
perfuração de corpo (dopagem maior na superfície)
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Efeitos de perfuração MOS sobre as curvas
características
Perfuração MOS deve ser evitado por construção e
não necessita ser modelado em modelos compactos
SPICE.
Fig 6.21 Assinatura de bulk punchthrough
pouca mudança de S com VDS, porém IDS é
fortemente dependente de VDS e independente de
VGD na parte inferior da curva caso.
Nota tenho sérias dúvidas quanto a isto!
Depende muito da razão entre IDS de corpo e de
superfície (e possível fuga de junção)
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(No Transcript)
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• Parâmetros de ajuste
• Dopagem no canal (duas implantações)
• Profundidade de junção (LDD ou SDESourse/drain
  extention)
• Espessura de óxido de porta

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6.5 Saturação da velocidade dos portadores.
Em dispositivos de canal curto, nos efeitos já
vistos, a porta não tem um controle completo das
cargas no canal. Isto indica que o campo paralelo
(longitudinal) ao canal não deve ser desprezível
quando comparado ao campo transversal.
O efeito mais significante provocado ?Ex e que
dever ser incluído no cálculo de IDS
? meff
Defini-se o campo crítico Ec
vd ? m.Ex, Ex ltlt Ec vd ?
vdmax, Ex gtgt Ec
Em canal longo, EX ltlt Ec. Em curto não (usar as
duas retas).
Ec vdmax / m
vdmax, 5x106 2x107 cm/s (p/ n e p).
Ecn8-30x103 V/cm Ecp2-10x104 V/cm
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6.5 Saturação da veloc. portadores
outra relação em uso
Para o cálculo de IDS, assumindo somente corrente
por deriva
Assumindo m e EC independente do campo
longitudinal e integrando
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6.5 Saturação da veloc. portadores
Forte influência na curva IDS-VDS
Para o mesmo VGS, atinge-se a saturação para
menores valores de VDS!.
O espaçamento entre as correntes é proporcional
ao incremento de VGS quando o dispositivo
apresenta este efeito, ou seja, a corrente de
saturação depende linearmente de VGS -VT!!.
?L ?efeitos da saturação da veloc.
?L VDS ?.
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6.5 Saturação da veloc. portadores
Exemp. 1
usando as eq. do cap. 4 e somando o efeito de
saturação da veloc. de portadores
VDS VDS.
Exemp. 2
dIDS / dVDS 0
VDS é menor que o valor VDS sem o efeito.
Se L.Ec tender ao infinito, VDS(VGS-VT)/a
Exemp. 3
incluindo os efeitos de modulação (L-lp)
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6.5 Saturação da veloc. portadores
fazendo L? (VDS ?) e lp/L ltlt 1
?
dependência linear com VGS-VT
Para altos valores de campos, a carga no canal é
aproximadamente uniforme pois elas têm
praticamente as mesmas velocidades, Vsat.
-QI ? Cox(VGS -VT)
Outro efeito observado A corrente de dreno é
independente de L!!
Tempo que os portadores levam para atravessar o
canal é proporcional a L e a velocidade é aprox.
constante (máxima). Carga total no canal também é
proporcional a L. ? a corrente (dQ/dt) é
independente de L.
Fluxo médio de água saindo de um cano com
velocidade constante independe do comprimento do
cano
Na verdade, a análise acima é simplificada. Canal
curto, considerar efeitos bi-dimensionais mais
complexo! Como vdMAX ? p/ n e p podemos usar Wn
Wp em CMOS!
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6.6 Efeito de portadores quentes.
O campo longitudinal aumenta da fonte para o
dreno.
O pico do campo se dá na junção canal-dreno e
depende fortemente de L e VDS.
Para L(2)?, o campo crítico coincide com o
inicio do estrangulamento.
Para L(1)?, há uma porção do canal antes do
estrangulamento onde a velocidade dos portadores
satura.
Ec campo crítico ? (Vsat)
Em campos gt Ec
A velocidade dos portadores não aumenta devido as
colisões, porém a energia cinética randômica
aumenta. Uma pequena fração de portadores
adquirem uma quantidade de energia alta ?
portadores quentes
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Alguns do elétrons adquirem energia suficiente
para produzir ionização por impacto com átomos de
silício do cristal, onde são criados novos pares
elétron-lacuna ? avalanche fraca.
Elétrons gerados são atraídos para o dreno
Lacunas geradas são puxadas para o substrato,
gerando a corrente IDB.
Uma fração dos elétrons podem sobrepor a barreira
do SiO2, serem injetados no óxido e coletados
pela porta.
? ?Nit e modifica Q0, ? ?tempo de vida dos
dispositivos.
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6.6 Portadores quentes
IDB a IDS
IDB é função do campo, ou, excesso VDS-VDS
Para um dado VDS e aumentando VGS, ? IDS e ? IDB
aumentando mais VGS, ?VDS e (VDS - VDS) ? e o
campo no dreno ?
Ki de 1 a 3 Vi de 10 a 30V.
IDB é máx em VGS VDS/2
corrente total de dreno, ID IDS IDB
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6.6 Portadores quentes
Se tox? a corrente de porta (efeito de portadores
quentes) não é mais desprezível.
Porém o limite de tox é definido pelo efeito de
tunelamento e não por portadores quentes, pois ?
tox, ? tensões e campos (escalamento).
Para limitar os efeitos por portadores quentes -
LDD
G
Parte da região de depleção dentro LDD,
Diminuição do campo elétrico máximo.
B
n/n ? entre 10 e 100
lightly doped drain
LDD
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6.7 Escalamento.
? velocidade dos circuitos, ? quantidade de
circuitos por área do chip, ? efeitos de canal
curto, ... ...
Ajuste do processo de fabricação e das tensões
para permitir um funcionamento correto dos
dispositivos de dimensões cada vez menores
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Escalamento simples, todas as dimensões alteradas
pelo mesmo fator. Se o campo elétrico mantiver
mesma forma de distribuição e magnitude,
mantém-se o comportamento de canal longo.
Permite aplicar os conceitos desenvolvidos para
os dispositivos longos.
Por exemplo
Para escalar d por 1/k ? escalar NA por k e V por
1/k (supondo ?biltltV)
assim g(NA) por 1/vk VT por 1/k (tensões)
daí VFB f0 deveria também ser escalado, para
isso utiliza-se VFBeff (cap5), através da
implantação de íons
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Quantidade Fator de
escala
Dimensões (L,W,tox,dj) 1/k
Área 1/k2
Densidade de empacotamento (por área) k2
Concentração de dopagem, NA K
Tensões e VT 1/k
Correntes 1/k
Dissipação de potência (circuito) 1/k2
Dissipação de potência (por área) 1
Capacitâncias, C 1/k
Capacitâncias por área, C k
Cargas, Q 1/k2
Cargas por área, Q 1
Intensidade do campo elétrico 1
Coeficiente de efeito de corpo, g 1/k1/2
Tempo de atraso, t 1/k
Figura de mérito (power-delay product) 1/k3
Escalonamento de campo-constante.
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6.7 - Escalonamento
Para metais ou poli-silício usados para
interconexões
Espessura das linhas 1/k
Larguras das linhas 1/k
correntes 1/k
Área da secção transversal 1/k2
Daí a densidade de corrente k !
Problemas de eletromigração (p/ Al limitar em
1mA/?m2).
Linhas resistência escala com k capacitância
com 1/k ? ? RC cte. ?RC fica mais
significativo comparado ao tempo de atraso de
porta! Solução escalar espessura da linha com
fator menor.
Abertura de janelas de contato
Se a área 1/k2 - resistências k2
correntes 1/k
Daí a queda de tensão nos contatos vai ser
escalado por k, oposto das tensões de
polarização!!.
Análise similar com a resistência de S/D pela
redução de xJ
Deve-se então definir algumas regras para o
escalamento.
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Três eras i) tensão constante (70-90), ii)
junções abruptas (90-00) e iii) strained Si
engineering (00-...)
Reduz ? e confiabilidade
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Ion vs. xJ para Ioff fixo (Era junção abrupta)
XJ menor resulta S menor, permite VT menor,
aumenta Ion
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W, L 1/k 1/k 1/k 1/k
tox 1/k 1/k 1/k 1/k
NA k k k k2/k
V, Vt 1/k 1 1/k 1/k
Algumas previsões são feitas a partir destas
regras - Limite tecnologia MOS (??)
Dados já demonstrados (segundo o livro)
Lmin de 0.04mm (40 nm)
Densidade de empacotamento 108 cm2.
Tempo de chaveamento 10 ps.
Freqüência de clock para redes digitais 3
GHz.
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ITRS2001 dimensões em nm
Ano 04 07 10 13 16 19 22 25
Nó tecnológico 90 65 45 32 22 15 10 7
Printed Gate 53 35 25 18 13 9 6 4
Physical Gate 37 25 18 13 9 6 4 3

• Transistor
• pMOS
• L 6 nm
• (IBM)

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Considerações para o limite de escalamento

• Limite para reduzir VDD
• manter sinal maior que o ruído.
• imprecisão no valor de VT, e valor fixo de S,
  impede reduzir VT.
• ? VDD gt 0,5V
• velocidade de chaveamento e capacidade de
  corrente em output impõe VDD maior, o que limita
  o Lmin por BV.
• Limites de aquecimento ou dissipação de potência
• refrigeração por ar forçado 20 a 40 W/cm2
• refrigeração por líquido pode aumentar o valor em
  uma ordem.
• ? limita o número de transistores por área
• potência dinâmica fCV2 ? limitar a freqüência
  se T aumenta.

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6.8 Efeito das resistências série de fonte e
dreno.
O canal do transistor está em série com duas
resistências parasitarias, fonte e dreno.
R1 resistência do contato metal e a região n
R2 resistência da região difundida n e LDD (se
houver)
R3 resistência de espalhamento (região n
/camada de inversão).
Novas tecnologias ?dJ e AC ? ?R
Não é mais desprezível.
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Séria limitação RSD
ID improvement com uso de uniaxial strained Si

• RSD/Rch era menor que 20, agora tende a 1 !
• Ganho pelo strain tende a saturar para Llt100nm
  (nMOS) e Llt50nm (pMOS) devido à RSD.
• Prioridade reduzir RSD não adianta melhorar a
  chave MOS (CNT ?)

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6.8 Resistência série
Efeito de R na corrente de dreno (fig 6.30)

supondo VDS ltlt VGS - VT
Caso de junções profundas, óxidos não finos e
abertura de contatos grandes reduzem o efeito e
obtém-se bR, (Cox.R.W) nulo. Caso contrário,
bR torna-se importante e deve ser considerado.
Tem o mesmo efeito sobre IDS que a redução da
mobilidade efetiva.
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6.8 Resistência série
A característica da curva IDS x VGS é a mesma
apresentada para a redução da mobilidade efetiva
(cap.4)
Se assumir os dois efeitos, deve-se substituir m,
por meff na expressão anterior de IDS.
Difícil distinguir os dois efeitos!
Se ?(VGS-VT) e ?R(VGS-VT) ltlt 1
Para manter as resistências de fonte e dreno
baixa, elas são cobertas com Ti, Co ou Ni e
reagidos termicamente com Si. Salicide
(sefl-aligned silicide). Reduz R por 5 a 10.
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6.9 Efeito devido a óxido fino e alta dopagem.
Para manter a integridade eletrostática dos
dispositivos, diminuindo L e W, deve-se diminuir
também a espessura de óxido e aumentar a dopagem.
Efeitos mais importantes devido à tendência de
escalamento
1) Diminuição da capacitância de óxido efetiva
devido à espessura da camada de inversão e de
acumulação e a depleção da porta de poli-silício)
2) Aumento da tensão de limiar devido aos efeitos
mecânico-quânticos (QM)
3) Tunelamento através de óxido finos.
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6.9 Óxido fino e alta dopagem
Aumento da espessura efetiva do óxido de porta
A camada de inversão ou acumulação não pode ser
mais considerada infinitamente fina (cap. 4
aproximação por folhas de carga).
Para calcular o formato dessa camada Poisson e
Schrödinger
dm distância entre a centróide das cargas na
camada de inversão (acumulação) e a superfície

? dm ou (tox tox) ? se tox ?, pois QB ? com ?
de NA.
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6.9 Óxido fino e alta dopagem
Depleção no poli-silício da porta
Dependendo da dopagem do poli-silício pode
ocorrer a depleção na porta quando a camada de
inversão é formada.
A depleção resulta numa diminuição da espessura
do óxido, (efeito fisicamente diferente de dm).
Se a porta depletar uma profundidade, dp daí
dp é dependente da polarização!!!
Solução usar metal como material de porta.
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6.9 Óxido fino e alta dopagem
Aumento da tensão de limiar devido aos efeitos
mecânico-quânticos
Outro efeito quântico que também aumenta com o
escalamento Potencial de superfície (Dys)
necessário para inversão forte.
dependente da dopagem (g).
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6.9 Óxido fino e alta dopagem
Tunelamento através do óxido de porta
Para a tecnologia abaixo de 0.13mm, tox 20 Å.
Quando a espessura da barreira do óxido torna-se
muito pequena, mais elétrons podem tunelar por
ela. Limite para tox 16 Å.
Para resolver substituir o isolante por um outro
com constante dielétrica maior ? tin ?
tunelamento ? para um mesmo Cox.
Intenso tema de pesquisa!!!