Fabrikasi IC dengan Teknologi MOS #07

Struktur dan Prinsip Kerja Transistor Metal Oxide Semiconductor (MOS)

Analisis dan perancangan IC sangat tergantung pada pemilihan model yang cocok sebagai komponen IC. Untuk analisis secara manual, cukup digunakan model-model yang sederhana. Untuk analisis dengan komputer, digunakan model-model yang lebih rumit.

Karena untuk analisis, atau perancangan, hanya seakurat seperti model-model yang digunakan, maka pemahaman model-model yang mendalam dan derajat pendekanan yang diambil adalah penting. Karena itu, struktur internal dan proses konduksi di dalam transistor dan dioda perlu dikaji dengan baik. Dalam analisis dan perancangan IC digital perlu mengetahui model yang digunakan sebagai pendekatan divais.



Di atas ini adalah gambar perspektip dan simbol skematis dari transistor MOS kanal-n dengan gate silikon.



Penampang transistor MOS di atas ini digambar dengan jelas dan secara rinci untuk menerangkan prinsip kerja transistor nMOS. Bila suatu tegangan dikenakan pada elektroda gate maka timbul suatu medan elektrik untuk mengatur konduksi di antara bagian source dan bagian drain yang heavily doping (n⁺). Karena menggunakan medan elektrik, divais ini adalah salah satu bentuk dari field-effect transistor (FET).

Karena gate tersekat sama sekali dari elektroda-elektroda yang lain, divais ini disebut juga insulated gate field-effect transistor (IGFET). Masih ada nama lain, yaitu transisor unipolar. Disebut transistor unipolar, karena hanya ada satu macam pembawa muatan (elektron di dalam nMOS) yang diperlukan untuk operasi divais ini. Hole yang 'bergerak' dalam substrat jenis-p pada transistor nMOS tidak terlibat dalam operasi yang normal. Berlainan dengan sebuah nMOS atau transistor unipolar lain, sebuah transistor bipolar npn atau pnp harus melibatkan baik elektron maupun hole dalam operasinya.

Belum ada terminologi yang baku yang diterima secara luas, sehingga istilah MOST, MOSFET, FET, dan IGFET masih banyak digunakan untuk menyebut divais MOS ini.

Struktur divais transistor nMOS ini untuk menjadi IC dengan urutan langkah-langkah: oksidasi, pattern definition (penentuan pola), difusi, implantasi ion, dan proses-prose deposisi, serta pembuangan material.

Pada divais transistor pMOS, polaritas tegangan simetris tapi berlawanan dengan polaritas tegangan divais transistor nMOS. Pembahasan divais nMOS di atas tadi juga berlaku untuk pembahasan divais pMOS. Mengenai penentuan polaritas positip, negatip dan jenis-n, jenis-p saling dipertukarkan bila keduanya muncul bersamaan.



Poses Fabrikasi Transistor nMOS Dengan Teknologi MOS

Untuk memahami aspek-aspek perancangan berbasis proses, maka pertama-tama perlu dpelajari yang dinamakan polysilicon gate self-aligning nMOS process. Disini akan dibahas pembuatan enhancement mode transistor dalam bentuk IC di dalam substrat silikon.

Tahap 1 Sebuah wafer tipis silikon murni dengan diameter 75 sampai 100 mm dan tebal 0,4 mm mengalami doping dengan impuriti atom boron dengan konsentrasi 10¹⁵ sampai 10¹⁶ atom/cm³ dan wafer dengan resistivitas 25 sampai 26 ohm.cm.

Tahap 2 Seluruh permukaan wafer kemudian dibuat lapisan silikon dioksida (SiO2) setebal 1 mikro m sebagai lapisan pelindung terhadap dopant (bahan doping) selama dilakukan proses.

Tahap 3 Sekarang, di atas seluruh permukaan dilapisi dengan photoresist dan diputar untuk menndapatkan lapisan yang rata dengan ketebalan tertentu.

Tahap 4 Selanjut lapisan photoresist disinari dengan ultraviolet melewati masker untuk menentukan tempat-tempat yang akan dillakukan difusi. Pada tempat yang terkena radiasi sinar ultraviolet terjadi polimerisasi (mengeras), tapi pada tempat yang tidak tembus sinar ultraviolet tidak terjadi polimerisasi.

Tahap 5 Kemudian dilakukan proses development (pengembangan) untuk membersihkan photoresist yang tidak mengalami polimerisasi. Selanjutnya dilakukan proses etching untuk mengikis silikon dioksida yang tidak dilindingi photoresist. Sekarang ada permukaan wafer yang terbuka, tidak ditutupi oleh silikon oksida.

Tahap 6 Sisa photoresist dibersihkan/dihapus dan selanjutnya di seluruh permukaan wafer ditumbuhkan lapisan silikon tipis setebal 0,1 mikro m dan di atas silikon dioksida tipis dituang polisilikon untuk membuat gate.

Tahap 7 Sekali lagi dilakukan pelapisan photoresist dan dengan menggunakan masker untuk membuat pola polisilikon dan lapisan silikon di bawahnya dikikis untuk membuka tempat-tempat dilakukan difusi impuriti jenis-n untuk membuat source dan drain. Difusi ini dikerjakan dengan jalan memanasi wafer pada suhu tinggi dan di atas permukaan waafer diliwatkan gas pembawa impuriti fosfor. Selama difusi polisilikon, silikon dioksida menjadi pelindung, proses itu disebut self-aligning.

Tahap 8 Penumbuhan lapisan silikon dioksida tebal di seluruh permukaan lagi, dan di atasnya dilapisi dengan photoresist untuk membuka tempat-tempat di gate polisilikon, di source dan drain untuk membuat sambungan.

Tahap 9 Kemudian di atas seluruh permukaan wafer dituangkan lapisan aluminium setebal 1 mikro m. Selanjutnya lapisan aluminium dilapisi photoresist dan di atasnya diberi masker untuk membentuk pola interkoneksi yang dinginkan.

Jadi, proses fabrikasi IC dengan teknologi MOS merupakan pengulangan-pengulangan di seputar pembentukan atau penuangan (deposition), membuat pola (patterning) tiga lapisan, dipisahkan dengan penyekat (insulation) silikon dioksida. Lapisan-lapisan itu terdiri dari lapisan difusi dalam substrat, polisilikon di atas silikon dioksida pada substrat, dan lapisan metal yang tersekat terhadap silikon dioksida.

Urutan proses fabrikasi IC transistor nMOS digambarkan dengan penampang tegaknya sebagai berikut.

Pada gambar top view (tampak atas), lapisan kaca dan passivation tidak digambarkan, meskipun bentuk bukaan kontak terlihat melalui lapisan kaca. Gambar top view menunjukkan posisi gate.

Garis terputus-putus menunjukkan bidang penampang tegak.


back