Estruturas de Caracterização de Processo e Componentes ECPC

Transcrição

1 Estruturas de Caracterização de Processo e Componentes ECPC Ementa Livro do Martino, Pavanello e Patrick Caracterização Elétrica de Tecnologia e Dispositivos MOS Capacitor MOS. (cap. 2 - pag. 25) - Diagramas de banda de energia. - Curvas C-V de alta e baixa freqüência. - Parâmetros extraídos das curvas C-V. - Anomalias (TEPP). Estruturas não elétricas. (cap. 5 - pag. 121) - Erro de alinhamento. Estruturas elétricas. - Resistores. - Estrutura Van Der Pauw (Resistência de folha). - Estrutura Kelvin (Resistência de contato). - Erro de alinhamento.

2 Diodo. (cap. 1 - pag. 1) Transistor MOS. (cap. 3 - pag. 75) - Curvas Características. - Equações. - Parâmetros extraídos (Vt, gm, Slope, Idsoff..) - Punchthrought, Tiristor Inversor CMOS. (cap. 4 - pag. 107) (PCI) - Comportamento estático. - Comportamento dinâmico. Tecnologia SOI. (BT 14) - Vantagens e desvantagens. - Equações. - Curvas características.

3 Critério de Avaliação M=(0,4 P1+0,6 P2)*0,8 + MEx Onde P1 e P2 são provas bimestrais. MEx é a soma dos exercícios de avaliação continuada. São 5 exercícios e uma lista substitutiva antes da Psub/Exame. MF=(M+EXAME)/2 M 8,5 8,5>M 7 7>M 5 M ou MF<5 conceito E conceito A conceito B conceito C

4 MODELO DE BANDA DE ENERGIA (pag. 25) Metal: E : Energia potencial (para os elétrons) E E = Nível de Vácuo vácuo Φ = função de trabalho M E F = Nível de Fermi Óxido: E = Nível de Vácuo vácuo χ = afinidade eletrônica ox E = Nível de Condução C Eg q = Faixa proibida E = Nível de Valência V

5 Semicondutor: Faixa proibida Eg q Eg 2q E = Nível de Vácuo Vácuo χ = afinidade eletrônica Si E =Nível de Condução C Φ = função de trabalho Si E Φ i = Nível intrínseco F E F = Nível de Fermi E = Nível de Valência V Φ Si = χ Si + Φ = Potencial de Fermi F E g 2.q +Φ F χ Si = 4,15 V E g 2.q = 0,55V Φ F p = k.t q Φ F N = k.t q ln N A n i ln N D n i - Tipo P - Tipo N

6 ESTRUTURA MOS IDEAL (pag. 29) - Considerando-se Φ MS =0 (Φ M = Φ Si ) e Qox=0 Antes do contato χ ox E C χ Si E vácuo E C Φ M Φ Si E F M Φ F E i E F S E V E V

7 Após o contato e em equilíbrio térmico χ ox E C χ Si E vácuo E C Φ M Φ Si Φ F E i E F M E F S E V E V

8 Aplicando-se V G >0 na porta (metal) Metal Óxido Semicondutor V G + - Al SiO 2 Si E : Energia potêncial para eletrons V ox Φ S χ Si E vácuo EC Φ M Φ Si EF M V > 0 G Φ F Ei EF S EV EV V : Potencial convencional

9 Fazendo-se a curto-circuitação no sentido anti-horário Φ Si +Φ S + V ox +Φ M V G = 0 V G =+Φ S + V ox +Φ M Φ Si V G =+Φ S + V ox +Φ MS Para Φ V =+Φ + V MS =0 G S ox (2.3)

10 Considerou-se que Φ M = Φ Si para este primeiro cálculo, o que na prática nunca ocorre. Por exemplo, se o metal for alumínio Φ M (Al) = 4,1 V Φ MS =Φ M Φ Si = 4,1 (4,7 +Φ F ) Φ MS = 0,6 Φ F (2.4) Se em vez de alumínio, for silício policristalino altamente dopado com fósforo ( Si poli N+) ou com boro ( Si poli P+ ) fica : Φ MS = 0,55 Φ F Φ MS =+0,55 Φ F (2.5) (2.6)

11 Novos Materiais de Porta (extra) O Al foi substituido pelo Si Poli devido ao problema de temperatura. Problemas de Depleção do Poli (Poli Depletion) estão levando a substituição do Poli por outros metais como TiN entre outros. Com estes novos materiais tem-se outros valores de Φ M.

12 Antes do contato E vácuo E F M ΦM χ ox E C χ Si E C Φ Si Φ F E i E F S E V E V

13 Após o contato e em equilíbrio térmico E : Energia potencial para elétrons V ox Φ S E vácuo E C Φ M Φ Si E i E F M E FS E V E V V : Potencial convencional

14 Influência das cargas no óxido (pag. 34) ρ(x) ρ(x) Q om Q os e Q it Q SS Q of Metal Óxido Silício Metal Óxido Silício V ox a) Condição real b) Condição equivalente Q ss é a carga efetiva, que colocada na interface óxido - silício produz o mesmo efeito no silício que as cargas ao longo do óxido (móveis, fixas e armadilhadas) produziriam.

15 V ox = Q ss C ox Q Q V = M = Si ox C C ox ox (2.9) (2.10) C ox = x ox ε ox (ou t ox ) Cox Q (Metal) M Q (Silício) Si V ox V G = V ox +Φ S +Φ MS V G = Q Si C ox Q SS C ox +Φ S +Φ MS

16 Novos Materiais de Óxido de Porta (extra) A espessura do óxido está ficando cada vez mais fino <2nm. Problemas de corrente de fuga alto para óxidos finos. O SiO 2 tem baixo ε ox (3,9). Com novos materiais tem-se valores alto de ε ox (high k). Óxido de Hafnio (HfO), òxido de Alumínio (Al 2 O 3 ), Nitreto de Silício (SiNO 2 ), entre outros com valores maiores que 20.

17 Campo Elétrico e Potencial na estrutura MOS (pag. 36) Óxido Silício x d E C Φ S Φ F E i E F E V inversão

18 E= -q.φ e ρ -q.n A d 2 Φ dx 2 = ρ ε Si = q.n A ε Si d dx ( d Φ q.n A dx ) = ε Si, integrando-se q.n d Φ A dx = ε x + C Si 1 Sendo o Campo Elétrico ε= d Φ dx = q.n A ε Si x C 1 Para x=d ε=0 0 = q.n A ε Si d C 1 C 1 = q.n A ε Si d ε= d Φ dx = q.n A ε Si ( x + d), integrando-se Φ= q.n A ε Si ( x2 2 x.d) + C 2

19 para x = d Φ = 0 0 = q.n A ε Si ( d2 2 d2 ) + C 2 C 2 = q.n A d 2 ε Si 2 Φ= q.n A ε Si ( x2 2 x.d + d2 2 ) (2.17) E = q 2.N A ε Si ( x2 2 + x.d d2 2 ) (2.18) Para x=0 Φ = Φ S = qnad ε 2 Si 2 d = 2ε SiΦ qna (2.19) (2.20) S

20 ρ (concentração de íons ) ε ( campo elétrico ) a) d qn A x ε s b) 0 d x Φ ( potencial ) Φ s c) 0 d x -qφ s d) 0 E ( energia potencial para os elétrons ) d x

21 E F EC V = V G FB Ei EF Φ EV b) Faixa Plana V FB é a tensão de faixa plana onde Φ S =0 e, consequentemente, Q Si =0 V G = Q Si C ox Q SS C ox +Φ S +Φ MS V G = V FB = Q C SS ox + Φ MS

22 V ox E F V G <V FB ΦS E C E i E F E V Φ Metal Óxido Semicondutor a)acumulação Φ S <0

23 V ox d EC V > V > V T G FB Φ S Φ F Ei EF EF EV Φ c) Depleção 0<Φ S <2Φ F V T é a tensão de limiar onde Φ S =2Φ F e Q Si = Q sifmax.

24 V ox dmax EC EF V > V G T Φ S Φ F Ei EF EV Φ inversão d) Inversão Φ S 2Φ F porém Φ S ~2Φ F A partir deste ponto não há mais aumento da camada de depleção mas sim a inversão de portadores no silício.

25 Cálculo da Tensão de limiar (pag. 45) Φ= q.n A ε Si ( x2 2 x.d + d2 2 ) Para x=0 Φ = Φ S = qnad ε 2 Si 2 d = 2ε SiΦ qna S Q Si =-qnad = -qna 2ε Si Φ S qna Para V G =V T Φ S =2Φ F d=dmax e Q Si =Q Simax 2ε Si 2Φ F dmax = qna Q Simax =-qnadmax = -qna 2 Si F ε 2Φ qna

26 V G = Q Si C ox Q SS C ox +Φ S +Φ MS V qnadmax Q SS G = VT = + 2 Cox Cox Φ F + Φ MS V 2qNaε 2Φ Q SI F SS G = VT = + 2 Cox Cox Φ F + Φ MS 2qNaε 2Φ SI F V G = VT = + 2Φ F + Cox V FB

27 Curva Capacitância x Tensão (C-V) (pag. 47) Silício Tipo P - Para V G < V FB Acumulação Q Si >0 (lacunas muito maior que elétrons p>>>n) - Para V G = V FB Banda plana Q Si =0 (p>>n) - Para V FB < V G < V T Depleção e inversão fraca Q Si <0, Q Si = Q Sif <0 e Q Sim 0 (p>n ; n=p=ni (Φ S =Φ F ) ; n>p) - Para V G > V T Inversão forte Q Si <0, Q Si =Q Sif <0 e Q Sim <<0 (n>>p ; n Na) -C ox é a capacitância do óxido (C ox = ε ox / t ox ) -C Si é a capacitância do silício (C Si = ε Si / d)

28 C é a capacitância total (C ox em série com C Si ). C = C C Si C + C Si ox ox C = dq dv G -Acumulação: Não existe depleção, portanto, d=0 e C Si C= C ox. - Depleção: d 0, portanto, C = C C Si C + C Si ox ox Maior VG maior d menor C Si menor C.

29 - Inversão forte: Até agora só havia um portador, o majoritário, no entanto, agora surge o portador minoritário. Para baixa freqüência: O minoritário consegue responder a variação de sinal. Portanto: dv G dq Sim. A variação é pelicular, tornando d 0, portanto, C Si tende a infinito e C tende a C ox. Metal Óxido Silício dq M -dq M Q M dmáx Q Sif Q Sim -dq Sim dq Sim

30 Para alta freqüência: O minoritário não consegue responder a variação de sinal. Portanto: dv G dq Sif. A variação não é pelicular, portanto, C Si = ε Si /dmax Metal Óxido Silício dq M -dq M Q M d Máx Q Sim Q Sif -dq Sim dq Sim

31 C Acumulação C ox Depleção aproximada Inversão forte V 0 V V FB T G Aproximado C C ox Baixa frequência C FB Real Alta frequência V 0 V V FB T G

32 Exemplo de extração de parâmetros da curva C-V em alta freqüência, pag. 56: Obtida experimentalmente a curva (em alta freqüência) calcule x ox,d max, N A *, V FB,Q ss /q e Vt. C [pf] C = 51 pf max C = 38,1 pf ( obtido nos cálculos ) FB C min = 14 pf -1 0 V [V] G