Efeitos das radiações ionizantes de raios-X no SOI nMOSFET com geometria de porta octogonal

Abstract

This work explores the analog and digital applications of unconventional layouts for Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) manufactured in Silicon-On-Insulator Technology (SOI) under a X-ray ionizing radiation effects. On this way, an experimental comparative study of the effects of Total Ionizing Doses (TID) on the main electrical parameters and merit figures of the SOI nMOSFETs with octagonal (Octagonal SOI nMOSFET, OSM), conventional rectangular (Conventional SOI nMOSFET, CSM) and (Diamond SOI nMOSFET, DSM). All SOI nMOSFETs were designed by the Advanced MOSFETs research group at FEI University Center and manufactured using 0.5 µm SOI technology from the Catholic University of Louvain. OSM, due to its octagonal gate geometry, produces a higher longitudinal electric field to the equivalent CSM due to the Longitudinal Corner Effects (LCE) and due to the effect of the PArallel Conection of MOSFETs with Different Channel Lenght Effect (PAMDLE). The OSM is also able to minimize an influence of parasitic transistors from the bird´s beak regions in X-ray ionizing radiation environments, since the longitudinal electric field lines are curved in these regions. This effect was titled Deactivation of the Parasitic MOSFETs in the Bird s Beak Regions Effect (DEPAMBBRE) .The configuration of the OSMs that obtained the best results after the effects of the TID in all bias conditions of the MOSFETs during the X-ray procedure, was the device with a cut factor c equal 25% and angle "a" equal 53, 1°. Considering the different bias of the SOI nMOSFETs during the X-ray irradiation procedure, in the passive or floating condition, the OSM obtained higher or-similar results to the CSM equivalent in 92% of the parameters analyzed. Considering the on state bias (condition that potentiates the vertical electric field), OSM obtained higher or similar results in 83% of the analyzed parameters than the equivalent CSM. Furthermore, adopting the off-state bias (condition that maximizes the horizontal electric field), OSM obtained higher or similar results in 75% of the analyzed parameters than the equivalent CSM. These results suggest the application of OSM mainly for applications of analog Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) integrated circuits (ICs). The tolerance of the OSM considering each electrical parameters in function of TID when compared with equivalent CSM decreases as the longitudinal electric field of the OSM is intensified as a function of the bias condition adopted during x-ray procedures. The worst case is the off-state condition. This is justified due to LCE and PAMDLE effects found in the OSM structure. Even so, the OSM continues to be more tolerant to the TID effects due to x-ray radiation than the equivalent CSM considering all bias conditions.

Este trabalho explora as aplicações analógicas e digitais de leiautes não convencionais para Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (Metal-Oxide-Semicondutor Field Effect Transistors, MOSFETs) fabricados na tecnologia Silício-Sobre-Isolante (Silicon-On-Insulator, SOI) sob a ação das radiações ionizantes de raios-X. Neste sentido, é realizado um estudo comparativo experimental dos efeitos das Doses Ionizantes Totais (Total Ionizing Dose, TID) nos principais parâmetros elétricos e figuras de mérito dos SOI nMOSFETs com geometria de porta octogonal (Octogonal SOI nMOSFET, OSM), convencional retangular (Conventional SOI nMOSFET, CSM) e hexagonal (Diamond SOI nMOSFET, DSM). Todos os SOI nMOSFETs foram projetados pelo grupo de pesquisa em MOSFETs avançados do Centro Universitário FEI e fabricados com a tecnologia SOI de 0,5 µm da Universidade Católica de Louvain. O OSM, devido a sua geometria de porta octogonal, produz um campo elétrico longitudinal superior ao do CSM equivalente, devido aos Efeitos de Canto Longitudinal (Longitudinal Corner Effect, LCE) e devido ao efeito da Associação Paralela de MOSFETs com Diferentes Comprimentos de Canal (PArallel Conection of MOSFETs with Different Channel Lenght Effect, PAMDLE). O OSM também é capaz de minimizar a influência dos transistores parasitários das regiões de bico de pássaro em ambientes de radiações ionizantes de raios-X, pois as linhas de campo elétrico longitudinal são curvas nessas regiões. Este efeito foi intitulado de Desativação dos MOSFETs Parasitários das Regiões de Bico de Pássaro (Deactivation of the Parasitic MOSFETs in the Bird’s Beak Regions Effect, DEPAMBBRE). A configuração dos OSMs que obteve os melhores resultados após os efeitos da TID em todas as condições de polarização dos MOSFETs durante os procedimentos de raios-X, foi a com fator de corte “c” de 25% e ângulo “a” de 53,1°. Considerando-se as polarizações dos SOI nMOSFETs durante o procedimento de irradiação de raios-X, na condição passiva, o OSM obteve resultados superiores ou similares ao do CSM equivalente em 92% dos parâmetros analisados. Ao considerar a polarização de estado ligado (condição na qual potencializa-se o campo elétrico vertical), o OSM obteve resultados superiores e/ou similares ao do CSM equivalente em 83% dos parâmetros analisados. Ao considerar a polarização de estado desligado (condição na qual potencializa-se o campo elétrico longitudinal), o OSM obteve resultados superiores e/ou similares ao do CSM equivalente em 75% dos parâmetros analisados Estes resultados sugerem a aplicação do OSM principalmente para aplicações de circuitos integrados (CIs) Metal-Óxido-Semicondutor Complementar (CMOS) analógicos. As tolerâncias dos parâmetros elétricos em relação aos efeitos da TID dos OSMs em relação aos CSMs equivalentes diminuem à medida que o campo elétrico longitudinal dos OSMs são intensificados em função das condições de polarização adotadas durante os procedimetos de radiações ionizantes de raios-X, sendo o pior caso a condição de polarização de estado desligado. Isto é justificado devido aos efeitos LCE e PAMDLE presentes nos OSMs. Mesmo assim o OSM continua sendo mais tolerante aos efeitos da TID em decorrência das radiações ionizantes de raios-X para todas as condições de polarização estudadas.