Estudo e fabricação de MOSFETs robustos à radiação para aplicações espaciais de circuitos integrados

• Autor(a) principal: Cirne, K. H.
• Data de Publicação: 2011
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da FEI
• Texto Completo: https://repositorio.fei.edu.br/handle/FEI/396
• topic: Transistor de efeito de campo de metal-óxido semicondutor; Radiação

Atualmente circuitos integrados comerciais robustos a radiacao tem alto valor comercial, por causa da alta tecnologia envolvida (processo de manufatura e leiautes especiais), baixo volume de producao, acordos comerciais, etc. Assim, agencias do ramo aeroespacial, principalmente as norte-americanas, tem incentivado empresas e pesquisadores a desenvolverem dispositivos semicondutores e circuitos integrados que utilizam processos de fabricacao CMOS convencionais, para baratear os custos de fabricacao e que atendam as exigencias de robustez a radiacao, para aplicacao em eletronica embarcada espacial. E importante enfatizar que essas expectativas tambem fazem parte dos objetivos do programa espacial brasileiro, pois atualmente os circuitos integrados imunes a radiacao sao importados, o que gera um custo adicional muito significativo, principalmente na fabricacao de equipamentos especiais, como satelites, avioes, etc. A forma pelo qual o leiaute dos transistores e concebido nos circuitos integrados pode produzir diferentes comportamentos quando submetidos a radiacao. Assim, foi realizado um estudo para verificar os efeitos da radiacao em transistores de geometria retangular convencional (RGT), de porta em anel circular (CGT), wave MOSFET (formato de "S") e Overlapping Circular-Gate Transistor (O-CGT), concebidos com o processo de fabricacao CMOS convencional (Bulk) de 0,5 Êm da AMI (On Semiconductor), via MOSIS EDUCATIONAL PROGRAM (MEP) e transistores de potencia (transistores planares conectados em paralelo), concebidos com o processo convencional CMOS de fabricacao AMS 0,35 Êm, cedidos pelo Centro a Tecnologia da Informacao Renato Archer (CTI). Este trabalho visa caracterizar eletricamente tais dispositivos emicondutores, antes e apos o processo de radiacao, nas condicoes de polarizado e nao polarizado para a irradiacao por raios-X e na condicao de polarizado para a irradiacao por feixe de protons. Assim, espera-se identificar qual e a estrutura de leiaute mais adequada para ser utilizada nas aplicacoes aeroespaciais. MOSFETs de Potencia, projetados pelo prof. Dr. Jader Alves de Lima Filho, foram utilizados em dois ensaios. A partir dos resultados, observou-se que os MOSFETs de potencia com geometria retangular convencional, apresentaram variacao de 3 a 4 decadas em sua corrente de fuga em estado desligado (IOFF), um aumento de 3 a 5 decadas na corrente de fuga do substrato no estado ligado (IBULK) e aumento de 25 % a 50 % em sua inclinacao de sub-limiar (S). Em contrapartida, os O-CGTs, praticamente nao apresentaram variacao na corrente de fuga no estado desligado e de substrato no estado ligado, alem de apresentarem variacao maxima de 10 % em sua inclinacao de sub-limiar. Dessa forma, o O-CGT se mostrou como o dispositivo mais indicado para aplicacoes aeroespaciais. Outros MOSFETs concebidos com o processo de fabricacao CMOS convencional (Bulk) de 0,5 Êm da AMI (On Semiconductor) foram expostos ate 60 Mrad de radiacao por raios-X, enquanto eram polarizados com tensao constante de dreno e porta e ate 3,2 Grad de radiacao por protons, onde foram extraidas curvas IDSxVGS durante e apos da exposicao a radiacao. Durante a irradiacao por raios-X, observou-se que o MOSFET de geometria convencional apresentou aumento de 210 mV na tensao de limiar e variacao de 57,40 % na inclinacao de sub-limiar. Em contrapartida, O-CGT apresentou diminuicao de 90 mV na tensao de limiar e variacao de 5,44 % na inclinacao de sub-limiar. Assim, o O-CGT e a estrutura mais robusta a radiacao, em comparacao ao MOSFET de geometria convencional. O MOSFET de geometria convencional que foi exposto a radiacao por protons apresentou variacao máxima de 540 mV na tensao de limiar, variacao de ate 6 decadas na corrente de estado desligado e variacao maxima de 219 mV/dec na inclinacao de sub-limiar. Por outro lado, o O-CGT apresentou variacao de 400 mV na tensao de limiar, variacao maxima de 4 decadas na corrente de estado desligado e variacao maxima de 51 mV/dec na inclinacao de sub-limiar. Embora todos os MOSFETs tenham sofrido reducao na mobilidade dos portadores, os de geometria circular mostraram ser mais obustos por nao terem a regiao do bico de passaro.