Sumário. Introdução xi

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1 Sumário Introdução xi Capítulo 1 Diodos Semicondutores Análise física do funcionamento Funcionamento básico do diodo Curvas características do diodo e equacionamento básico O potencial interno Largura de região de depleção e capacitância de junção Correntes no diodo Ruptura de um diodo inversamente polarizado Modelo elétrico de um diodo Estruturas de teste Procedimentos experimentais Correntes elétricas Capacitâncias de junção Referências bibliográficas Exercícios 22 Capítulo 2 Capacitor MOS Modelo de faixas de energia Estrutura MOS Estrutura MOS ideal Influência da diferença de função de trabalho Influência das cargas no óxido 34 vii

2 Caracterização Elétrica de Tecnologia e Dispositivos MOS Obtenção do perfil de campo elétrico e potencial em uma estrutura MOS Cálculo da tensão de limiar Curvas capacitância-tensão (C-V) Equacionamento básico Exemplo de extração de parâmetros da curva C-V em alta freqüência Exemplo de extração de parâmetros da curva C-V em baixa freqüência Influência da resistência série na curva C-V de alta freqüência Obtenção da carga móvel no óxido Curvas C-V em função dos principais parâmetros Estruturas de teste Procedimentos experimentais Referências bibliográficas Exercícios 69 Capítulo 3 Transistor MOS Introdução Modelagem das curvas características do transistor NMOSFET tipo enriquecimento Transistor NMOSFET tipo depleção Transistor PMOSFET tipo enriquecimento Transistor PMOSFET tipo depleção Extração de parâmetros do transistor MOS Tensão de limiar (V T ) Mobilidade efetiva dos portadores para baixo do campo elétrico superficial Comprimento efetivo de canal Largura efetiva de canal Constante de efeito de corpo (γ) Inclinação da região de sublimiar (S) 99 viii

3 Sumário Tensão de perfuração MOS (V PT ) Efeitos de canal curto Referências bibliográficas Exercícios 103 Capítulo 4 Circuitos Básicos Inversor CMOS Comportamento estático Comportamento dinâmico Oscilador em anel Referências bibliográficas Exercícios 117 Capítulo 5 Estruturas para Caracterização de Processos Estruturas de inspeção visual Conjunto de linhas Conjunto de quadrados Outras estruturas para avaliar a resolução Estruturas em vários níveis Estrutura de medida de erro de alinhamento (Verniers) Estruturas para medidas elétricas Medidas de resistência Medidas de resistência de folha Medidas de largura de linha Medidas de resistência de contato Estruturas de medidas de erro de alinhamento Aspectos práticos das realizações das medidas Referências bibliográficas Exercícios 151 Capítulo 6 Estruturas para Determinar Rendimento Serpentinas e pentes Cadeias de contatos 161 ix

4 Caracterização Elétrica de Tecnologia e Dispositivos MOS 6.3 Capacitores planares Modelos de determinação do rendimento Referências bibliográficas Exercícios 168 Apêndice A Diagramas de Faixas de Energia para a Junção PN 171 Apêndice B Equações Válidas para a Determinação da Largura da Região de Depleção e para Capacitância de Junção no Caso de uma Junção Linear 175 Apêndice C Análise da Influência da Resistência Série na Curva C-V 177 Apêndice D Correções sobre o Modelo Simples de Resistência de Contato 183 Lista de Símbolos 187 x

5 Introdução O grande desenvolvimento observado atualmente nas atividades humanas em todas as suas áreas deve-se em muito à enorme evolução da microeletrônica, com o advento das tecnologias de fabricação de circuitos integrados. Nesse contexto, há alguns anos foi solicitado aos autores deste livro a organização de dois cursos sobre testes elétricos em circuitos integrados. Durante a preparação desses cursos, percebeu-se que existe um grande volume de material bibliográfico sobre esse tópico, mas nada organizado. Ao contrário de vários outros tópicos, ministrados em cursos de graduação e de pós-graduação, não existe nenhum livrotexto disponível no mercado nacional e internacional relativo à caracterização elétrica. Esta foi a maior motivação para se escrever esta obra. O livro se restringe principalmente a dispositivos fabricados com a tecnologia MOS, pois esta é predominante atualmente e para os próximos dez ou mais anos. Porém, várias estruturas, modelos e procedimentos podem ser utilizados para outras tecnologias também. Para a abordagem dos assuntos, esta obra foi dividida em seis capítulos, além desta introdução. Sempre que possível, os capítulos analisam e desenvolvem os componentes/estruturas de forma semelhante: funcionamento físico do(s) grupo(s) de dispositivo(s); funcionamento elétrico; modelos e estruturas de teste; procedimentos e exemplos; exercícios e referências. O Capítulo 1 trata de diodos, pois são os dispositivos mais simples dentro de uma tecnologia MOS. O Capítulo 2 descreve o capacitor MOS, que é o dispositivo-base para a tecnologia MOS, e do qual se pode obter muitas informações sobre as características e a qualidade da tecnologia que está sendo investigada. O Capítulo 3 trata do transistor MOS, que deve ser o dispositivo mais presente e provavelmente o mais importante no mundo de hoje e das próximas décadas. No Capítulo 4 são descritos dois circuitos básicos, constituídos de transistores: o inversor CMOS e o oscilador em anel. O Capítulo 5 descreve diferentes estruturas para caracterização de processos: são estruturas relativamente simples, utilizadas para analisar as características específicas de etapas de processos, não para xi

6 Caracterização Elétrica de Tecnologia e Dispositivos MOS caracterizar a tecnologia na sua totalidade. No Capítulo 6 tratamos de rendimento: quais os principais problemas, como caracterizá-los e como determinar o rendimento total da fabricação de circuitos integrados. Este livro contém as informações básicas sobre todos esses tópicos. Com essas informações, um aluno de graduação ou de pós-graduação deve ser capaz de: a) caracterizar e projetar dispositivos e até um circuito integrado básico para testar uma nova tecnologia; b) entender como as estruturas encontradas em circuitos de teste funcionam; c) compreender artigos sobre novas estruturas de teste que aparecem todo ano na literatura especializada. Desse modo, o público-alvo deste livro são alunos de graduação e de pósgraduação que atuam no campo de circuitos integrados (tanto na área de projeto quanto na área de fabricação), como também profissionais que trabalham na área de teste de circuitos integrados ou de etapas de processo. Não é pretensão dos autores esgotar o assunto desenvolvido em cada um dos tópicos: este campo está ainda em pleno progresso e, mesmo se restringindo aos artigos publicados antes de uma certa data, a quantidade de informação a ser tratada seria grande demais para apenas um volume. Além disso, os autores selecionaram apenas os dispositivos que são interessantes para um público maior possível. Um terceiro argumento para não incluir toda informação disponível é que a física de funcionamento das várias estruturas é muito específica e/ou avançada e, portanto, menos interessante para a grande maioria do público-alvo. Durante o desenvolvimento deste livro, muitas pessoas nos auxiliaram nessa tarefa. Gostaríamos de agradecer aos Professores João Antonio Zuffo, do LSI/PSI/ EPUSP, Benedito Moreira Costa, da FATEC-SP, Nicolau Januzzi e Carlos Z. Mammana, do CTI (atualmente CENPRA), pela confiança que depositaram em nós para prepararmos e ministrarmos os cursos. Queremos ainda agradecer a dezenas de alunos que passaram por nossas aulas de graduação e pós-graduação e que deram, voluntária ou involuntariamente, contribuições muito grandes nesse trabalho. E também gostaríamos de agradecer a nossos colegas, com os quais discutimos vários desses tópicos durante esses anos, particularmente o Prof. Dr. Victor Sonnenberg, por suas sugestões e colaborações no desenvolvimento das disciplinas de graduação e pósgraduação. xii