Fabrikasi IC dan Teknologi IC CMOS N-Well A. Pengen Pengenalan alan Semik Semikond ondukt uktor or Semikonduktor merupakan sebuah bahan yang dimana konduktivitas listriknya berada antara isolator dan konduktor, pada saat tertentu semikonduktor bisa menjadi isolator dan bisa juga menjadi konduktor, contoh semikonduktor adalah silicon, germanium, dan gallium arsinide. Definisi semikonduktor dibagi menjadi dua yaitu; 1. Semikondu Semikonduktor ktor intrinsik intrinsik atau atau semikondukt semikonduktor or murni murni yang belum belum tercampur, tercampur, pengotoran yang dimana jumlah hole atau electron bebasnya sama yang memungkinkan untuk perpindahan muatan. . Semi Semiko kond nduk ukto torr ekst ekstri rinsi nsik k adal adalah ah semi semiko kond nduk ukto torr yang yang telah telah dicam dicampu pur r sediki sedikitt kemurn kemurnian iannya nya dengan dengan melaku melakukan kan proses proses pendop pendoping ingan. an. Akiba Akibatt doping ini maka hambatan jenis semikonduktor mengalami penurunan. Semikonduktor jenis ini terdiri dari dua macam, yaitu semikonduktor tipe! P "pemba#a muatan hole$ dan tipe!% "pemba#a muatan elektron$. Pada Pada semi semiko kond nduk ukto torr terd terdap apat at tipe tipe yaitu yaitu semik semikon ondu dukt ktor or tipe tipe & P dan dan semikonduktor tipe & %. a. Semiko Semikondu ndukto ktorr tipe P terjad terjadii jika jika bahan silikon silikon di!dop di!doping ing dengan dengan bahan bahan yang lain yang mempunyai elektron bervalensi tiga,maka akan diperoleh semiko semikondu ndukto ktorr tipe tipe p karena karena terjadi terjadi kekura kekuranga ngan n elektro elektron.' n.'eku ekuran rangan gan elektron ini mengakibatkan kovalen yang bolong "hole$.(ole merupakan digambarkan sebagai akseptor yang dapat dapat menerima electron. b. Semikonduktor tipe % merupakan silikon murni yang dapat diubah!ubah tingkat konduktivitasnya dengan cara menambahkan "doping$ unsur lain yang berbeda jumlah elektron valensinya.Proses penambahan unsur lain ini mengakibatkan silikon menjadi tidak murni "ekstrinsik$.
). *+S "*et "*etal al +ide +ide Semico Semicondu nducto ctor$ r$ Struktur
*+S
-
Sebuah substrat semikonduktor dengan lapisan oksida tipis dan lapisan kontak metal di bagian paling atas. "lapisan metal ini nantinya disebut sebagai gate$ 'ontak metal yang dilapiskan di dasar substrat dinamakan bulk. • Struktur di atas menggunakan substrat tipe p • Struktur ini merupakan sebuah n!type *+S capacitor karena nanti ada • perubahan layer "inversion layer$ yang berisi electron. Salah satu transistor yang menggunakan *+S adalah ransistor *+S/0 "*etal +ide Semiconductor /ield!0ffect$ adalah transistor yang digunakan sebagai penguat, tapi paling sering digunakan sebagai saklar elektronik. *osfet terdiri dari jenis yaitu, ipe & P dan ipe & %, selain itu ransistor mosfet juga digunakan sebagai komponen dari 2 karna sifatnya yang bisa sebagai saklar. •
2. 2 "ntergrated 2ircuit$ c adalah sebuah komponen electronica yang berbentuk sebuah chip yang terdiri dari beberapa transistor *osfet di dalamnya, yang biasanya akan menghasilkan gerbang logika seperti %+, +3, A%D, dan lain & lain. Pada 2 terdapat sebuah teknologi bernama 2*+S (Complementary MetalOxide-Semiconductor) yaitu gabungan antara P *+S dan % *+S. 4adi pada 2 2*+S terdapat transistor di dalamnya yaitu *+S/0 tipe P dan *+S/0 tipe %, yang dimana akan mengahsilkan logika 1 dan 5. D. /abrikasi 2 /abrikasi 2 merupakan suatu proses dan langkah!langkah pembuatan sirkuit terpadu atau yang biasa kita kenal dengan 2. 2 terbentuk dari bahan semikonduktor, dan bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan saat ini adalah silicon.
Pasir "terutama 6uart7$, mempunyai persentase silikon yang tinggi di dalam bentuk Silicon Dioide "Si+$ dan pasir merupakan bahan pokok untuk memproduksi semiconductor. Setelah memperoleh mentahan dari pasir dan memisahkan silikonnya, materiil yang kelebihan dibuang. 8alu, silikon dimurnikan secara bertahap hingga mencapai kualitas 9semiconductor manufacturing 6uality:, atau biasa disebut 9electronic grade silicon:. Pemurnian ini menghasilkan sesuatu yang sangat dahsyat dimana 9electronic grade silicon: hanya boleh memiliki satu 9alien atom: di tiap satu milyar atom silikon. Setelah tahap pemurnian silikon selesai, silikon memasuki fase peleburan. Pada saat silicon dileburkan, maka akan muncul kristal yang berukuran besar dan hasilnya akan muncul kristal tunggal yang disebut Ingot. Dalam dunia assembly 2, semikonduktor dibentuk dalam suatu piringan yang besar. Pringan tersebut disebut wafer . afer ini berisi ratusan otak dari 2. Silikon #afer tersedia dalam berbagai ukuran dari <,= mm "1 inci$ hingga >55 mm "11,? inci$. Proses pertama dalam pembuatan 2 adalah #afer tersebut akan dipotong!potong menjadi bagian!bagian yang kecil. Sebelum dilakukan proses pemotongan, #afer tersebut akan ditempatkan pada blue tape sehingga ketika dipotong, potongannya tidak akan tercecer. Potongan potongan wafer ini diberi nama chip. Proses selanjutnya adalah meletakan die ke leadframe. *esin Die attach atau die bonders digunakan untuk mount atau attach "mengambil dan menempelkan$ die pada die cavity "lubang@cetakan tempat die nantinya diletakkan$ mumnya mesin Die Attach terdiri dari - B Sistem ntuk *emegang dan menyusun leadframe "rangka 2$ atau tempat dimana die nantinya akan ditempelkan "mounted$. B Sistem untuk mengambil die dari #afer untuk diletakkan dan ditempelkean pada die pad atau die cavity. B Sistem pick and place "ambil dan letakkan$ untuk mengambil die dari #afer dan meletakkannya atau menempelkannya pada posisinya leadframe. 8eadframe adalah sebuah komponen yang terbuat dari tembaga yang berfungsi sebagai kaki!kaki pada 2. Die direkatkan ke leadframe menggunakan epoy"lem khusus chip semikonduktor$. Setelah direkatkan kemudian leadframe dipanaskan agar epoy mengeras dan die tidak lepas dari leadframe. Pada #afer terdapat proses yang disebut Photolitography adalah proses dimana pola mikroskopik yang telah didesain dipindahkan dari masker ke permukaan #afer dalam bentuk rangkaian nyata, yang dia#ali dengan memberikan lapisan photoresist yaitu cairan kimia yang bersifat photosensitive pada permukaan #afer. Pada tahap Difusi 0miter Sekali lagi di seluruh permukaan wafer dibuat lapisan silikon dioksida, dilanjutkan dengan proses pemasangan masker dan pengikisan dikerjakan lagi untuk membuka yang dinamakan #indo# pada bagian jenis!n. Pada fabrikasi 2 terdapat suatu proses yang disebut proses etsa(Etching) yang dimana berfungsi untuk pengikisan untuk
mengikis silikon dioksida yang tidak dilindingi photoresist. Sekarang ada permukaan #afer yang terbuka, tidak ditutupi oleh silikon oksida. Sistem Difusi Difusi adalah pemindahan materi yang dihasilkan dari pemusatan energi tinggi. Pada masa a#al industri semikonduktor, ini digunakan untuk mengkontrol deposisi@jumlah implan@dopan yang terdapat dalam silicon substrat yang menjadi dasar dari pembentukan P!% junction Pada akhir!akhir ini, eknik mplantasi telah menjadi cara yg utama untuk deposisi dopan. api eknik Difusi masih diperlukan untuk aplikasi tertentu Ion Implantation Equipment mplantasi on, digunakan dalam fabrikasi #afer, untuk memilih deposisi implan ke dalam permukaan #afer. Proces ini melibatkan atom energi tinggi sebagai yang akan membantu penembakakan ke dalam dopan, untuk dapat memasukkan atom implan ke dalam struktur atom dopan. ni memerlukan kontrol yang ketat untuk memastikan jumlah implan dan dopan persis sama dengan yang direncanakan dan tepat berada di lokasi dan kedalaman yang tepat tanpa menimbullkan kerusakan sedikitpun pada struktur silikon dari substrat. Alat ini sangat kompleks, memerlukan keakuratan implant dan monitoring jenis bahan yang akan ditanam
on mplantation khasnya terdiri dari B feed source, mengandung material sumber implant B on source, B Devais untuk mengekstrak dan memisahkan on B abung akselerasi, ntuk menentukan jumlah pemuatan energi on B Scanning System, untuk menjamin keseragaman distribusi on pada target B System end station, untuk mengukur dosis dari implant dan meminimalisasi error B (igh vacuum sytem B Sistem 'ontrol terkomputerisasi /A)3'AS 2 C03A)A% D8 "Diode ransistor 8ogic$ %0303 Taap !" Pertumbuhan 0pitaksial Dia#ali dengan menumbuhkan lapisan epitaksial, biasanya setebal < mikro m, di atas substrat jenis!p yang resistivbitasnya biasanya sebesar 15 ohm.cm untuk %A E 1,= 151< atom@cm>. ntuk lapisan epitaksial jenis!n disini dipilih yang berharga 5,1 sampai 5,< ohm.cm. Sesudah dipoles dan dibersihkan, seluruh permukaan #afer dilapisi dengan lapisan oksida Si+ tipis setebal 5,< mikro m E <.555 angstroom.
8apisan Si+ itu ditumbuhkan dengan jalan dimasukkan ke dalam lingkungan oksigen sambil dipanasi dengan suhu 1.555 2. Sifat Si+ tidak tembus difusi impuriti. Sifat ini dimanfaatkan pada tahap!tahap berikutnya. o
Taap #" Difusi solasi Pada gambar di ba#ah ini, lapisan silikon dioksida sudah dibuang dari permukaan #afer. Pembuangan lapisan silikon dioksida itu dilakukan dengan menggunakan peralatan etching "pengikisan$ dalam proses fotolitografi. Silikon dioda yang tidak terkikis menjadi penutup@pelindung dari difusi impuriti akseptor "dalam hal ini, impuriti boron$. Sekarang #afer itu dikenakan pada yang disebut isolation diffusion"difusi isolasi$ yang dilaksanakan pada suhu dan selama selang #aktu yang diperlukan oleh impuriti jenis!p untuk bisa merembes masuk ke dalam lapisan epitaksial jenis!p dan bisa mencapai substrat jenis!p. 4adi, menghasilkan bagian!bagian jenis!n seperti yang terlihat pada gambar di ba#ah ini.
Difusi solasi
)agian!bagian jenis!n itu dinamakan isolation island , atau isolated region, karena bagian!bagian jenis!n itu terpisah oleh dua buah back-to-back pn junction. ujuannya agar di antara komponen!komponen 2 yang berlainan itu terdapat elektrical isolation "isolasi elektrik$. *isalnya, akan menjadi jelas nanti bah#a sebuah isolation region yang berlainan harus digunakan untuk collector dari setiap transistor yang terpisah. Substrat jenis!p harus selalu dihubungkan pada sebuah potensial negatip terhadap isolation island sehingga pn junction menjadi reverse-biased . 4ika dioda!dioda ini menjadi forard-biased d alam 2 yang sedang bekerja, maka, tentu saja, isolasinya akan lenyap. 'onsentrasi atom akseptor "% E < 15 atom@cm $ di bagianisolation island biasanya jauh lebih besar "dan karena itu diberi tanda p $ dibandingkan dengan yang di bagian substrat jenis!p. Alasannya kenapa kerapatannya lebih tinggi adalah untuk menghindari timbulnyadepletion region dari isolation-to substrat junction yang reverse-biased i tu melebar sampai pada bahan jenis!p , sehingga ada kemungkinan terjadi hubungan antara dua isolation island . A
5
>
F
F
$apasitansi %arasitis !solation "egion, atau junction, terhubung oleh yang dinamakan significant barrier , atau kapasitansi transisi 2 , dengan substrat jenis! p, adanya kapasitansi itu dapat mempengaruhi bekerjanya 2. 'arena, 2 itu hasil sampingan yang tidak diinginkan dari proses isolasi, sehingga 2 disebut kapasitansi parasitis. s
s
s
'apasitansi parasitis merupakan jumlah dua komponen, yaitu kapasitansi 2 dari setelah ba#ah bagian jenis!n ke substrat, dan 2 dari sisi samping isolation island ke bagian p. i
F
'omponen sebelah ba#ah, 2 , timbul akibat dari step junction sehingga berubah berbanding terbalik dengan akar kuadrat tegangan antara isolation region dengan substrat. i
'apasitansi sisi samping, 2 , berhubungan dengan graded junction berubah berbanding lurus dengan . ntuk komponen ini, luas junction sama dengan keliling isolation region kali ketebalan lapisan epitaksial jenis!n, y. 'apasitansi total itu dalam orde beberapa pikofarad.
!1@
Taap &" Difusi )ase Di atas #afer dibuat lapisan silikon dioksida baru, dan digunakan lagi proses fotolitografi untuk menggambar pola pembukaan lubang!lubang seperti gambar berikut ini.
Difusi )ase mpuriti jenis!p "boron$ didifusikan melalui lubang!lubang bukaan itu. Dengan cara ini dibuat base dari transistor sekaligus membuat resistor, anoda dari dioda, dan kapasitor junction "bila ada$. 'edalaman difusi base harus dikontrol sedemikian rupa sehingga kedalamannnya tidak sampai mencapai substrat. 3esistivitas lapisan base jauh lebih besar dari pada resistivitas isolation region. Difusi Emiter Sekali lagi di seluruh permukaan #afer dibuat lapisan silikon dioksida, dilanjutkan proses pemasangan masker dan pengikisan dikerjakan lagi untuk membuka yang dinamakan indo pada bagian jenis!n seperti pada gambar di ba#ah ini.
Difusi 0miter *elalui lubang bukaan ini didifusikan impuriti jenis!n "fosfor$ untuk membuat emitter dari transister, dan bagian katoda dari dioda, serta kapasitor junction "kalau ada$. #indo tambahan "seperti 1 dan seperti pada gambar di atas ini$ sering dibuat pada bagian jenis!n, tempat menghubungkan sambungan dengan
menggunakan aluminium sebagai ohmic contact , atau logam interkoneksi. Selama dikerjakan difusi fosfor pada titik!titik yang akan menjadi tempat!tempat kontak dengan aluminium, terbentuk suatu konsentrasi yang pekat "yang disebut n . Aluminium merupakan impuriti jenis!p dalam silikon, dan konsentrasi fosfor yang tinggi untuk menghindari terbentuknya pn!junction bila aluminium dicampur untuk membentuk ohmic contact . F
Metalisasi 'luminium Semua pn!junction dan resistor untuk 2 telah selesai dibuat pada tahap!tahap sebelum ini. )eberapa komponen 2 itu sekarang tinggal diinterkoneksikan sesuai dengan rangkaiannya. ntuk membuat sambungan itu dilakukan pembuatan lubang!lubangindo pada lapisan silikon oksida baru dibuat, seperti pada gamabar di ba#ah ini, pada titik!titik tempat kontak akan dibuat.
*etalisasi Aluminium ntuk membuat interkoneksi, pertama!tama dengan menggunakan$acuum %eposition dilakukan pelapisan aluminium tipis merata di seluruh permukaan #afer. 'emudian dengan teknik fotoresis, dikerjakan pengikisan lapisan aluminium tipis yang tidak dikehendaki, menyisakan pola interkoneksi yang diinginkan antara resisstor!resistor, dioda!dioda, dan transistor, seperti pada gambar di atas. ntuk memproduksi suatu 2 yang identik seperti itu dalam jumlah besar "beberapa ratus$ dilakukan manufaktur secara simultan pada #afer tunggal. Sessudah proses metalisasi selesai, #afer itu dipotong!potong dengan alat yang berujung berlian, dipisahkan menjadi chip individual. 'emudian setiap chip diletakkan pada sebuah #afer keeramik dan dipasang pada yang dinamakan header . Sambungan!sambungan paket dihubungkan pada 2 dengan stitch bonding berupa ka#at aluminium atau emas 1 mil dari terminal pad pada 2 ke sambungan paket.
/abrikasi 2 *onolitik
rutan /abrikasi 2 Silikon
