TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO DE PARÂMETROS DE PROCESSO (TEPP) Prof. Victor Sonnenberg 1 o Experiência: Capacitor MOS Nome Número OBS. PREENHER O RELATÓRIO EM LETRA LEGÍVEL OU DE FORMA. Se necessário, use folha extra ou o verso. Objetivo: Obtenção da curva Capacitância x Tensão (CV) em alta freqüência e a extração de parâmetros físicos e elétricos. Introdução: O capacitor MOS é constituído pela estrutura Metal-Óxido-Semicondutor como representado na figura 1. V G V G Metal Óxido de silício C ox C D Silício Figura 1- Capacitor MOS e sua simbologia A estrutura MOS é muito utilizada em circuitos digitais porém com a finalidade de ser porta de transistor MOS e não isoladamente, no entanto, o capacitor MOS isolado é muito utilizado como estrutura de caracterização de processo. Com o capacitor MOS pode-se extrair, eletricamente, parâmetros tais como: espessura do óxido, concentração de dopantes (não o perfil), tensão de banda plana (flat-band), tensão de limiar entre outros. A capacitância total é resultante da capacitância do óxido (C ox ) em série com a do silício depletado (C D ). O C ox é uma constante que depende da espessura do óxido e do material, normalmente óxido de silício (SiO 2 ), sendo dada por
C ox ε = ox x ox sendo ε ox é a permissividade do óxido (3,9x8,85x 10-14 F/cm para o SiO 2 ) e x ox é a espessura do óxido. O C D, no entanto, depende se o silício está invertido, depletado ou acumulado. C ox ε = si d sendo ε Si é a permissividade do silício (11,7x8,85x 10-14 F/cm ) e d é a profundidade da região de depleção. Na acumulação, d=0, na inversão, d=d MAX, e na depleção, 0<d< d MAX. A figura 2 ilustra as curvas CV em alta e baixa freqüência para um capacitor MOS tipo P. C C Max Baixa frequência C FB C = dq dv G C Min Alta frequência V 0 V V FB T G Figura 2- Curva CV de alta e baixa freqüência (Tipo P) Consultar o livro do Martino, capitulo 2. Procedimento experimental: - Medir a curva CV de alta freqüência e extrair os parâmetros (preencher a tabela 1) nas seguintes condições: Amostra 1 1) Da inversão para a acumulação com luz; 2) Da inversão para a acumulação sem luz; 3) Da acumulação para a inversão com luz; 4) Da acumulação para a inversão sem luz;
- Medir a curva CV de alta freqüência e extrair os parâmetros na melhor condição analisada anteriormente. Amostra 2 5) Da para a luz; Dados: Porta de Alumínio e área 300x300µm. Anexar as curvas CV, medidas 1 e 2 juntas, 3 e 4 juntas e a 5 separada. Destacar nas curvas os efeitos, luz, depleção profunda, Nit e Injeção lateral de elétrons. 1 2 3 4 5 Tabela 1- Resultados (coloque a unidade ao lado do parâmetro). C max ( ) C min ( ) x ox ( ) d max ( ) Na ( ) Φ MS ( ) V FB ( ) Q SS /q ( ) V t ( ) Escreva as equações usadas acima, calculando os valores para a medida 2. Se necessário, use folha extra ou o verso.
- Medir a curva CV de baixa freqüência na amostra 1. Anexar as curvas CV, medida ( a melhor condição) e a CV baixa freqüência juntas. Cuidado com o sinal da tensão aplicada. Questionário : 1) Desenhe o capacitor tipo N e as suas curvas características. Explique as regiões de inversão, acumulação e depleção destacando-as nas curvas. 2) Descreva, sucintamente, o procedimento de medida da curva CV em alta freqüência (CVAF). Cite o equipamento, conexão das pontas de prova no capacitor (desenhe), valor da tensão inicial (positivo ou negativo), etc.
3) Idem questão 2 para CVBF. 4) O que é depleção profunda? O que devemos fazer para eliminá-la. 5) Explique o efeito de injeção lateral de elétrons e o procedimento para evitá-lo.
6) Porque devemos fazer a medida no escuro e o objetivo da caixa preta? 7) Porque devemos incidir luz sobre o capacitor antes do início da medida? 8) Explique o efeito do Nit (estiramento) e o procedimento para evitá-lo (processo)? Conclusões:
TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO DE PARÂMETROS DE PROCESSO (TEPP) Prof. Victor Sonnenberg 2 o Experiência: Determinação da Resistência de Folha e Largura de Linha Nome Número OBS. PREENHER O RELATÓRIO EM LETRA LEGÍVEL OU DE FORMA. Se necessário, use folha extra ou o verso. Objetivo: Obtenção da resistência de folha e largura de linha. Introdução: Através da estrutura cruz-ponte da figura 1 (desenhe a estrutura) mede-se a resistência de folha (Van der Pauw 1,2,4 e 5) e do resistor tipo ponte (2,3,5 e 6) mede-se a resistência. A resistência de folha (R F ) é medida por V R 1 = π 12 = F ln2 I 45 Figura 1 Estrutura cruz-ponte V 4,53 12 I 45 Rotacionando-se a amostra em 90 o e aplicando-se I xx e medindo-se o V yy obtém-se o R F 2. A resistência de folha total é dada por (R F1+ R F2) R F = F 2 onde F é o fator de Van der Pauw para ajuste da desuniformidade.
Medindo-se o valor do resistor tipo ponte por V R = 23 I 56 e considerando-se a equação de Ohm, calcula-se a largura efetiva da linha conhecendo-se o comprimento L. R L L = ρ = R F, portanto, A W W = R F L R Procedimento experimental: - Medir as resistências de folha, rotacionando-se a amostra em 90 o, e calcular a resistência de folha total. Verificar o efeito da luz. Determinar R F para I= ma. Anexar as curvas R F x I juntas. R F 1= unidade: R F 2= unidade: R F = unidade: - Medir o resistor tipo ponte e determinar a largura de linha W. Determinar R para I= ma. Anexar a curva R x I. Cálculo de W: L masc =200µm e W masc =15µm R= unidade: W= unidade: Conclusões:
TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO DE PARÂMETROS DE PROCESSO (TEPP) Prof. Victor Sonnenberg 3 o Experiência: Determinação da Resistência de Contato Nome Número OBS. PREENHER O RELATÓRIO EM LETRA LEGÍVEL OU DE FORMA. Se necessário, use folha extra ou o verso. Objetivo: Obtenção da resistência de contato. Introdução: Através da estrutura Kelvin da figura 1 (desenhe a estrutura) mede-se a resistência de contato. Desenhe a estrutura utilizada também. Figura 1 a) Estrutura Kelvin e b) estrutura utilizada A resistência de contato (Rc) é calculada através da equação V Rc = 14 I 23 Procedimento experimental: - Medir a resistência de contato. Verificar o efeito da luz. Determinar Rc para I= ma. Anexar a curva Rc x I. Rc= unidade: Conclusões: (Use o verso)
TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO DE PARÂMETROS DE PROCESSO (TEPP) Prof. Victor Sonnenberg 4 o Experiência: Diodo Nome Número OBS. PREENHER O RELATÓRIO EM LETRA LEGÍVEL OU DE FORMA. Se necessário, use folha extra ou o verso. Objetivo: Caracterizar a junção PN através do diodo. Introdução: O diodo é constituído por uma junção PN conforme a figura 1. O diodo é um componente que, normalmente, não é utilizado isoladamente em circuitos digitais. No entanto, no processo MOS existem vários diodos inerentes devido as cavidades de fonte e dreno. K P N A K A Figura 1 Diodo integrado e simbologia. O diodo ideal conduz corrente elétrica quando polarizado diretamente (com queda de tensão nula entre seus terminais) e não conduz quando polarizado reversamente. No entanto, o diodo real quando polarizado diretamente só conduz a partir de uma determinada tensão e quando polarizado reversamente possui uma pequena corrente elétrica e um limite máximo de polarização conhecido como tensão reversa máxima. A equação de corrente elétrica é dada pela equação 1. qv = nkt I I e 1 (1) D 0 onde n é o fator de idealidade e KT/q é a tensão térmica (Para T=300K é igual a 25,8 mv).
A figura 2 (desenhe as curvas) ilustra as curvas do diodo real na escala linear e monolog, indicando os fatores de idealidade. Parâmetros importantes: Figura 2 Curvas linear e monolog do diodo real. - Tensão de condução (V DO ) é a tensão direta a partir da qual o diodo conduz corrente. Através da curva linear, este parâmetro pode ser extraído da interseção da reta tangente na região linear da curva. - Resistência de corpo (R D ) é a resistência entre os terminais do diodo após entrar em condução. Através da curva linear, este parâmetro é obtido do coeficiente de inclinação da sua reta tangente na região linear da curva. - Fator de idealidade (n) é o fator que verifica o quanto o diodo é bom ou não. Quanto mais próximo de 1 melhor será o diodo. Para valores de tensão maiores do que 0,1V pode-se desprezar o menos 1 da equação do diodo, portanto, o fator de idealidade será proporcional ao coeficiente de inclinação da reta tangente da curva monolog. - Corrente reversa (I 0 ) é a corrente no diodo quando polarizado reversamente. Este parâmetro é medido para uma determinada polarização, em geral V DD.
Procedimento experimental: - Medir a curva IxV do diodo na polarização direta com e sem e luz, a corrente reversa para Vr=V DD =2 e 5V e extrair os parâmetros conforme tabela 1: Tabela 1- Resultados (coloque a unidade ao lado do parâmetro). Medida V DO ( ) R D ( ) n ( ) I 0 (Vr=2V) ( ) I 0 (Vr=5V) ( ) Sem luz Com luz XXXXXXX XXXXXXX Anexar as curvas IxV na escala linear (com e sem luz juntas) e monolog (com e sem luz juntas). Escreva as equações usadas acima, calculando os valores nas condições com e sem luz. Conclusões:
TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO DE PARÂMETROS DE PROCESSO (TEPP) Prof. Victor Sonnenberg 5 o Experiência: Transistor NMOS Nome Número OBS. PREENHER O RELATÓRIO EM LETRA LEGÍVEL OU DE FORMA. Se necessário, use folha extra ou o verso. Objetivo: Medir as curvas características do transistor NMOS e obter os principais parâmetros. Introdução: O transistor NMOS é constituído por duas regiões tipo N (dreno e fonte) e uma porta constituída pelo capacitor MOS, como representado na figura 1 (desenhe o transistor NMOS). Figura 1 Transistor NMOS As curvas características do transistor NMOS estão representadas na figura 2 (desenhe as curvas e destaque as regiões de corte, tríodo e saturação).
a) b) c) Figura 2 Curvas a) I DS x V GS, b) LOG I DS x V GS e c) I DS x V DS. Funcionamento do transistor: Verificar o livro do Martino. Parâmetros importantes: - Tensão de limiar (V T ) é a tensão aplicada na porta do transistor a partir da qual o canal está invertido e, dependendo se V DS está polarizado adequadamente, o transistor passará a conduzir. Através da curva I DS x V GS (V DS = 0,1V), este parâmetro é extraído da interseção da reta tangente a curva na região de maior transcondutância com o eixo das coordenadas ou fixando-se um nível de corrente (por exemplo: 10-7 W/L). - Transcondutância (gm) é extraído diretamente do coeficiente da reta tangente na curva I DS x V GS (V DS =0,1V). gm = I V DS GS VDS =0,1V - Fator de ganho (β) é o fator de amplificação da corrente que depende da mobilidade do portador (µ n ), da espessura do óxido (x ox ) e das dimensões comprimento (L) e largura (W). Este parâmetro é extraído da transcondutância e da constante V DS conforme equação: β = gm / V DS
- Mobilidade (µ no ) é a mobilidade de elétrons, independente de campo, no canal do transistor NMOS. Após a extração do fator de ganho, este parâmetro é calculado pela equação: β µ max no = C ox L W - Degradação da mobilidade (θ) é o coeficiente de degradação que a mobilidade sofre pelo campo elétrico vertical. µ neff µ no = 1 + θ (VGS - Vt) - Corrente de fuga com o transistor cortado (I DSoff ) é a corrente de dreno e fonte quando o transistor está cortado. Esta corrente será extraída no ponto de corte, normalmente, V GS = 0V. - Inclinação de sublimiar (S) é a taxa de variação da tensão por uma década de corrente na região de sublimiar (V GS <V T ) S = V Log(I GS2 D2 VGS1 ) Log(I D1 ) - Corrente de saturação (I Dsat ) é a corrente máxima no transistor na saturação com V GS =V DS =V DD. - Constante de efeito de corpo (γ) é um parâmetro que verifica o efeito do substrato na tensão de limiar e se a concentração é ou não uniforme. É extraída do coeficiente da reta tangente a curva V T x 2Φ F + V BS. - Comprimento efetivo de canal (L eff ) é o valor real do comprimento de canal (Lmasc L). É extraído da curva gmmax x L através da cascata de transistores. Procedimento experimental: - Medir a curva I DS x V GS (V DS = 0,1V e para V BS =0) com e sem luz. Anexar as curvas I DS x V GS (V DS = 0,1V e para V BS =0) na escala linear (com e sem luz juntas) e monolog (com e sem luz juntas). - Medir e anexar a curva I DS x V GS (V DS = 0,1V e para diferentes V BS ) e a curva I DS x V DS (para diferentes V GS ).
Dados do transistor: x ox = L= W= - Medir e anexar (juntas) a curva I DS x V GS (V DS = 0,1V e para V BS =0) da cascata de transistores. Anexar a curva gm x V GS (V DS = 0,1V e para V BS =0) juntas também. Medida Dados do transistor: W= L=,,, e Extrair e determinar os parâmetros da tabela 1. V T ( ) Tabela 1- Resultados (coloque a unidade ao lado do parâmetro). I DSoff S gm max β µ no θ γ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Na ( ) L ( ) Sem luz Com luz XXX XXX XXX XXX XXX Escreva as equações usadas acima, calculando os valores nas condições sem e com luz. (Use o verso)
Anexar as curvas V T x 2Φ F + V BS, V T x L e gm max x L. Conclusões:
TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO DE PARÂMETROS DE PROCESSO (TEPP) Prof. Victor Sonnenberg 6 o Experiência: Transistor PMOS Nome Número OBS. PREENHER O RELATÓRIO EM LETRA LEGÍVEL OU DE FORMA. Se necessário, use folha extra ou o verso. Objetivo: Medir as curvas características do transistor PMOS e obter os principais parâmetros. Introdução: O transistor PMOS é constituído por duas regiões tipo P (dreno e fonte) e uma porta constituída pelo capacitor MOS, como representado na figura 1 (desenhe o transistor PMOS). Figura 1 Transistor PMOS As curvas características do transistor PMOS estão representadas na figura 2 (desenhe as curvas e destaque as regiões de corte, tríodo e saturação).
a) b) c) Figura 2 Curvas a) I DS x V GS, b) LOG I DS x V GS e c) I DS x V DS. Funcionamento do transistor: Verificar o livro do Martino. Parâmetros importantes: - Tensão de limiar (V T ) é a tensão aplicada na porta do transistor a partir da qual o canal está invertido e, dependendo se V DS está polarizado adequadamente, o transistor passará a conduzir. Através da curva I DS x V GS (V DS = -0,1V), este parâmetro é extraído da interseção da reta tangente a curva na região de maior transcondutância com o eixo das coordenadas ou fixando-se um nível de corrente (por exemplo: -10-7 W/L). - Transcondutância (gm) é extraído diretamente do coeficiente da reta tangente na curva I DS x V GS (V DS =-0,1V). gm = I V DS GS VDS = 0,1V - Fator de ganho (β) é o fator de amplificação da corrente que depende da mobilidade do portador (µ p ), da espessura do óxido (x ox ) e das dimensões comprimento (L) e largura (W). Este parâmetro é extraído da transcondutância e da constante V DS conforme equação: β = gm / V DS
- Mobilidade (µ po ) é a mobilidade das lacunas, independente de campo, no canal do transistor PMOS. Após a extração do fator de ganho, este parâmetro é calculado pela equação: β µ max po = C ox L W - Degradação da mobilidade (θ) é o coeficiente de degradação que a mobilidade sofre pelo campo elétrico vertical. µ peff µ po = 1 + θ (VGS - Vt) - Corrente de fuga com o transistor cortado (I DSoff ) é a corrente de dreno e fonte quando o transistor está cortado. Esta corrente será extraída no ponto de corte, normalmente, V GS = 0V. - Inclinação de sublimiar (S) é a taxa de variação da tensão por uma década de corrente na região de sublimiar (V GS >V T ) V S = Log(I GS2 D2 VGS1 ) Log(I D1 ) - Corrente de saturação (I Dsat ) é a corrente máxima no transistor na saturação com V GS =V DS =-V DD. - Constante de efeito de corpo (γ) é um parâmetro que verifica o efeito do substrato na tensão de limiar e se a concentração é ou não uniforme. É extraído do coeficiente da reta tangente a curva V T x 2 Φ F + VBS. Procedimento experimental: - Medir a curva I DS x V GS (V DS = -0,1V e para V BS =0) com e sem luz. Anexar as curvas I DS x V GS (V DS = -0,1V e para V BS =0) na escala linear (com e sem luz juntas) e monolog (com e sem luz juntas). - Medir e anexar a curva I DS x V GS (V DS = -0,1V e para diferentes V BS ) e a curva I DS x V DS (para diferentes V GS ). Dados do transistor: x ox = L= W=
Medida Extrair e determinar os parâmetros da tabela 1. V T ( ) Tabela 1- Resultados (coloque a unidade ao lado do parâmetro). I DSoff S gm max β µ po θ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) γ ( ) Nd ( ) Sem luz Com luz XXX XXX XXX XXX Escreva as equações usadas acima, calculando os valores nas condições sem e com luz.
Anexar a curva V T x 2 Φ F + VBS. Conclusões:
TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO DE PARÂMETROS DE PROCESSO (TEPP) Prof. Victor Sonnenberg 7 o Experiência: Inversor CMOS Nome Número OBS. PREENHER O RELATÓRIO EM LETRA LEGÍVEL OU DE FORMA. Se necessário, use folha extra ou o verso. Objetivo: Medir a curva de transferência do inversor CMOS e obter os principais parâmetros. Introdução: O inversor CMOS é constituído por um transistor NMOS e um transistor PMOS conforme figura 1. S V DD PMOS V E G D V S NMOS S Figura 1 Inversor CMOS. A curva de transferência do inversor está representada na figura 2, onde também é demonstrado alguns parâmetros importantes como a margem de ruído alto (MR H ) e a margem de ruído baixo (MR L ). A tensão de inversão V INV é dada pela equação 1. V INV = V + V + V DD Tp Tn 1+ β N β P β N β P (1)
V = V DD OH V S dv S dv E = -1 MR L MR H V = 0 OL V V INV V IL IH V DD V E Procedimento experimental: Figura 2 Curva de transferência do inversor CMOS - Medir e anexar (juntas) as curvas de transferência do inversor CMOS para V DD =2 e 3V e obter a tensão de inversão experimental. - Medir e anexar as curvas I DS x V GS (V DS = CTE e V BS =0) dos transistores e obter a tensão de limiar e o fator de ganho. Dados dos transistores: NMOS: L= V T = unidade: W= gm max = unidade: PMOS: L= W= V T = unidade: gm max = unidade: Calcular a tensão de inversão pela equação 1 ( use o verso) com os parâmetros V T e gm max extraídos e comparar com o valor experimental. V DD (V) V INV experimental V INV calculado 2 3 Conclusões: