João ntonio Martino USP Departamento de stemas Eletrônicos Escola Politécnica PSI PSI2643 Laboratório de Fabricação de Dispositivos em Microeletrônica aracterização Elétrica - Parte 1 apacitor MOS João ntonio Martino
João ntonio Martino USP aracterização Elétrica de Tecnologia e Dispositivos MOS João ntonio Martino Marcelo ntonio Pavanello Patrick Bernard Verdonck Pioneira Thomson Learning, 2013 ap. 1 - Diodos Semicondutores ap. 2 - apacitor MOS ap. 3 - Transistor MOS ap. 4 - ircuitos Básicos ap. 5 - Estruturas de aracterização de Processos ap. 6 - Estruturas para Determinar Rendimento
João ntonio Martino USP PITOR MOS Estrutura MOS (Metal-Óxido-Semicondutor) urvas -V (apacitância-tensão) lta frequência Baixa frequência Extração de parâmetros
João ntonio Martino USP apacitores MOS -Poli/O2/-P -Poli/O2/-N
apacitores João ntonio Martino USP apacitância () onstante: adotada quando se deseja fabricar um capacitor em I l ondutor óxido P x óxido -poli/metal V x Onde: - Permissividade do dielétrico (normalmente O 2 ) x - Espessura do dielétrico (normalmente O 2 ) - área do capacitor
João ntonio Martino USP apacitância () Variável com a tensão aplicada Dois tipos apacitância reversa de junção apacitor MOS apacitância Reversa de Junção V N P Depleção j 3x10 12 N V 0,7 1/ 2 pf/ m N - Dopagem do Substrato V - Tensão Reversa 2
João ntonio Martino USP apacitor MOS V l O 2 P x Metal Oxido Semicondutor lém de ser parte integrante de um transistor MOS, esta estrutura é largamente utilizada para a obtenção de características elétricas e físicas do processo de fabricação de circuitos integrados.
Regimes de carga do capacitor MOS em função da tensão aplicada plicando-se uma tensão suficientemente negativa, cargas positivas são atraídas para a interface O 2 -. Nesta situação, diz-se que a superfície do semicondutor encontra-se em acumulação de portadores majoritários (lacunas). V< < 0 l O 2 + + + + + P argas acumuladas na superfície do Entre os terminais do capacitor, a única capacitância existente é a do óxido ( ): max x. João ntonio Martino USP
João ntonio Martino USP umentando-se a tensão aplicada, as lacunas que estavam acumuladas na superfície são repelidas. concentração de lacunas acumuladas na superfície vai reduzindo, até chegar a neutralidade da superfície. Desprezando-se a diferença de função trabalho e a presença de cargas parasitas no óxido, esta tensão é nula. aso contrário esta tensão será V FB (tensão de faixa plana). O 2 l V= V FB V FB Q SS MS P
umentando-se a tensão na porta (V > V FB ) as lacunas são repelidas e formam uma região de depleção. l O 2 V > 0 P amada de depleção d - espessura da camada de depleção capacitância associada à camada de depleção ( ) por unidade de área é: d João ntonio Martino USP
João ntonio Martino USP s capacitâncias decorrentes do óxido e da camada de depleção estão em série. l O 2 V > 0 P V Logo, a capacitância equivalente por unidade de área resulta:
Quanto maior a tensão aplicada, maior a largura da camada de depleção, até atingir valor máximo (d max ) para V = V T l O 2 V =V T P (tensão de limiar) amada de depleção d max - espessura máxima da camada de depleção Nesta condição a capacitância do silício atinge seu valor mínimo ( si min ): min d max João ntonio Martino USP
João ntonio Martino USP om a equação da associação equivalente de capacitores: Todos os aumentos na tensão aplicada elevam o valor de d até atingir d max, ponto onde a capacitância equivalente atinge seu valor mínimo: min min min
Sabe-se que a máxima espessura da camada de depleção é obtida quando o potencial na interface -O 2 é igual a: S 2 kt q ln Onde: k é a constante de Boltzmann T é a temperatura absoluta q é a carga do elétron n i é a concentração intrínseca de portadores (constante) N é a concentração de dopantes do substrato. N n i d max 4 kt ln 2 q N N n i João ntonio Martino USP
pós atingir o valor máximo (d max ), a região de depleção não aumenta mais com a tensão aplicada. Todo o aumento de tensão se converte na atração de um grande volume de cargas negativas para a interface -O 2. Este último regime de cargas é chamado de inversão. atração de cargas ocorre para uma tensão igual ou superior a tensão de limiar de inversão (V T ). V > V T l amada de inversão O 2 (elétrons livres) P d max - espessura máxima da camada de depleção Os aumentos na tensão aplicada aumentam a quantidade de cargas negativas (elétrons livres) atraídas para a superfície, formando a camada de inversão. João ntonio Martino USP
João ntonio Martino USP urva -V (apacitância x Tensão) de um apacitor MOS Max Baixa frequência FB dq dv Min lta frequência V 0 V FB T V cumulação Depleção Inversão
João ntonio Martino USP Modelo Geral de apacitâncias para a Estrutura MOS (depleção) D 1 1 1 = I + D (inversão) I
João ntonio Martino USP curva característica do capacitor MOS depende da freqüência do sinal alternado aplicado camada de inversão apenas contribui capacitivamente, anulando o efeito da capacitância da região de depleção, se a freqüência do sinal alternado for baixa. 1 - Baixas Frequências max x max V
João ntonio Martino USP Perfil de argas : Baixa Frequência Metal Óxido Sílicio dq M 1 1 1 Q M I d max Q f Q m 1 1 dq m
João ntonio Martino USP 2 - ltas Frequências Neste caso, o efeito da capacitância da região de depleção permanece, mantendo o valor da capacitância equivalente no mínimo (min). Max Baixa frequência FB Min lta frequência V 0 V FB T V
João ntonio Martino USP Perfil de argas : lta Frequência Metal Óxido Sílicio dq M Q M 1 1 1 Q f d max dq f D Q m 1 1 1 D
Extração de Parâmetros Determinar : X, d max, N, V FB, Q ss /q max FB min lta frequência V 0 V FB T V Para a determinação da espessura do óxido (x ) utiliza-se a capacitância máxima: x max João ntonio Martino USP
João ntonio Martino USP onhecendo o valor da capacitância mínima da curva -V pode-se obter a capacitância do silício mínima e consequentemente a região de depleção máxima (d max ): min min min d max min Onde: max
João ntonio Martino USP Pode-se estimar a concentração efetiva de dopantes do substrato (N ), por solução iterativa: 2 i max N q n N kt ln 4 d 2 max 2 i d q n N kt ln 4 N
partir do valor da concentração de dopantes no substrato (N ) e X, pode-se determinar a capacitância de faixa plana ( FB ), e graficamente, a tensão de faixa plana (V FB ): FB x k. T. q 2. N V FB João ntonio Martino USP
partir de V FB e do cálculo de ϕ MS, pode-se obter o valor da densidade de carga efetiva no óxido (Qss/q) : Q ss Qss MS V V FB q q ( MS FB ) Onde: MS M, 6 0 MS M, 55 MS M, 55 F 0 0 F F Para porta de l Para porta de -Poli N+ Para porta de -Poli P+ F kt q.ln Na ni João ntonio Martino USP
Exemplo de Extração de Parâmetros utilizando-se uma curva -V de alta frequência Área = 9.10-4 cm 2 lumínio Óxido [pf] max = 51 pf = 38,1 pf ( obtido nos cálculos ) FB lício min = 14 pf -1 0 V [V] G Determinar : X, d max, N, V FB, Q ss /q Dados: ε = 3,45.10-13 F/cm; ε = 1,03.10-12 F/cm; kt/q = 25 mv; ni=1,45.10 10 cm -3 ; João ntonio Martino USP