Fabrikasi IC Monolitik #05

Fabrikasi dan Karakteristik IC

Sebuah rangkaian terintegrasi (integrated circuit/IC) difabrikasi dengan chip silikon kristal tunggal, biasanya dengan permukaan 50 kali 50 mil, mengandung komponen-komponen baik yang aktip maupun yang pasip dengan interkoneksinya. IC seperti itu dibuat melalui proses-proses yang sama dengan proses fabrikasi membuat komponen diskrit seperti transistor, dan dioda. Proses-proses itu terdiri dari pertumbuhan epitaksial, difusi impuriti dengan masker, pertumbuhan oksida, dan pengikisan oksida dengan proses fotolitografi untuk membuat polanya.

Dengan menggunakan metoda yang dinamakan batch processing maka dapat dilakukan pengulangan dengan baik yang dapat diterapkan untuk memproduksi IC secara besar-besaran berbiaya rendah.

Teknologi Rangkaian Terintegrasi

Fabrikasi IC berdasarkan atas bahan-bahan, proses-proses, dan prinsip-prinsip perancangan yang digunakan, yang menimbulkan teknologi semikonduktor (teknologi silikon) atau teknologi rangkaian terintegrasi atau teknologi mikroelektonika yang sedang berkembang dengan cepat.

Struktur dasar sebuah IC sederhana seperti gambar di bawah ini, yaitu struktur IC gerbang Diode Transistor Logic Inverter (DTL Inverter) dengan satu input, yang terdiri empat lapisan bahan yang berlainan.

Lapisan terbawah (1) adalah silikon jenis-p (tebal 6 mil) sebagai substrat, yang di atasnya akan dibentuk IC-nya.

Lapisan kedua (2) adalah lapisan jenis-n yang tipis (biasanya 25 mikrometer = 1 mil) yang ditumbuhkan sebagai kelanjutan lapisan substrat kristal tunggal. Semua komponen baik yang aktip maupun yang pasip dibentuk di dalam lapisan kedua (jenis-n) yang tipis ini dengan menggunakan seranngkaian proses difusi. Komponen-komponen itu adalah transistor, dioda, kapasitor, dan resistor, yang dibuat dengan jalan mendifusikan impuriti jenis-p dan impuriti jenis-n.

Komponen yang paling rumit difabrikasi adalah transistor, sedangkan komponen-komponen yang lain diproses melalui salah satu atau lebih cara proses untuk membuat transistorn itu.

Dalam fabrikasi semua komponen di atas tadi diperlukan untuk mendistribusikan impuriti pada bagian-bagian tertentu secara tepat ke dalam lapisan (2) adalah jenis-n.

Difusi impuriti itu dilakukan secara selektip dengan menggunakan lapisan pelindung silikon dioksida (SiO₂) untuk melindungi bagian wafer yang lain terhadap perembesan impuriti. Jadi, lapisan (3) adalah silikon dioksida (SiO2), dan silikon dioksida itu juga sebagai pelindung permukaan wafer dari kontaminasi.

Pada bagian-bagian yang akan dilaksanakan difusi, lapisan silikon oksidanya dikikis (di-etching) habis, bagian silikon sisanya tetap terlindungi dari proses difusi. Untuk pengikisan silikon dioksida secara selektip dikerjakan dengan proses fotolitografi pada lapisan silikon dioksida.

Terakhir, untuk membuat interkoneksi antar komponen, di atas permukaan wafer di lapisi dengan lapisan metalik (aluminum) sebagai lapisan keempat (4). Kemudian dengan proses fotolitografi dan proses etching di atas lapisan (4) dibuat pola interkoneksinya.

Gerbang DTL Inverter Untuk membuat IC gerbang DTL Inverter (Diode Transistor Logic Inverter) dengan satu input di bawah ini dalam bentuk terintegrasi (terpadu) maka diperlukan teknik dan proses yang akan dibahas disini. Konfigurasi ini dinamakan IC monolitik karena IC ini difabrikasi di dalam chip silikon kristal tunggal. Kata 'monolitik' berasal dari bahasa Yunani 'monos' yang berarti 'tunggal' dan 'lithos' yang berarti 'batu'. Jadi, IC monolitik itu difabrikasi pada 'batu tunggal', atau 'kristal tunggal'.

Diagram Skema Gerbang DTL Inverter

Prinsip kerja (Operation principle) dari gerbang DTL dapat dianalisis dengan memberi berturut-turut input LOW dan input HIGH. Pertama diberi input LOW. Dioda input menjadi forward bias, dan dioda di belakangnya reversed bias, sehingga transistor output menjadi cutoff. Output DTL menjadi HIGH. Jika rangkaian ini diberi input HIGH, maka dioda input menjadi reversed bias dan dioda di belakanngnya forward bias, sehingga transistor output menjadi saturation. Output DTL menjadi LOW. Maka jika dibuat tabel kebenarannya (truth tabel) diperoleh tabel berikut ini.

INP	OUT
L	H
H	L

Tabel di atas ini merupakan tabel kebenaran INVERTER atau gerbang NOT. Karena itu rangkaian di atas tadi disebut DTL INVERTER yang standard atau gerbang NOT>

Disini akan dibahas secara kualitatip fabrikasi gerbang DTL INVERTER menjadi bentuk IC. Selanjutnya akan dijelaskan proses-proses: epitaksial, fotolitografi, dan difusi secara rinci. Gerbang logika DTL INVERTE di atas ini mengandung komponen-komponen yang banyak digunakan dalam IC: resistor, dioda, dan transistor, (kapasitor dengan nilai kapasitansi rendah, bila ada).

Penampang Struktur IC Gerbang DTL INVERTER

Tahap 1. Pertumbuhan Epitaksial
Diawali dengan menumbuhkan lapisan epitaksial, biasanya setebal 25 mikro m, di atas substrat jenis-p yang resistivbitasnya biasanya sebesar 10 ohm.cm untuk N_A = 1,4 x 10¹⁵ atom/cm³. Untuk lapisan epitaksial jenis-n disini dipilih yang berharga 0,1 sampai 0,5 ohm.cm. Sesudah dipoles dan dibersihkan, seluruh permukaan wafer dilapisi dengan lapisan silikon oksida (SiO2) tipis setebal 0,5 mikrometer = 5.000 angstroom.

Pertumbuhan Epitaksial
Lapisan SiO2 itu ditumbuhkan dengan jalan dimasukkan ke dalam lingkungan oksigen sambil dipanasi dengan suhu 1.000^oC. Sifat SiO2 tidak tembus difusi impuriti. Sifat ini dimanfaatkan pada tahap-tahap berikutnya.


Tahap 2. Difusi Isolasi
Pada gambar di bawah ini, lapisan silikon dioksida sudah dibuang dari permukaan wafer. 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 pada wafer itu dikerjakan proses yang disebut isolation diffusion (difusi isolasi) yang dilaksanakan pada suhu dan selama selang waktu yang diperlukan oleh impuriti jenis-p untuk bisa merembes masuk ke dalam lapisan epitaksial jenis-p dan bisa mencapai substrat jenis-p. Jadi, menghasilkan bagian-bagian jenis-n seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.

Difusi Isolasi
Bagian-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 (back-to-back diode>. Tujuannya agar di antara komponen-komponen IC yang berlainan itu terdapat elektrical isolation (isolasi elektrik). Misalnya, akan menjadi jelas nanti bahwa 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. Jika dioda-dioda ini menjadi forward-biased dalam IC yang sedang bekerja, maka, tentu saja, isolasinya akan lenyap.

Konsentrasi atom akseptor (N_A = 5 x 10²⁰ atom/cm³) di bagian isolation 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 timbulnya depletion region dari isolation-to-substrat junction yang reverse-biased itu melebar sampai pada bahan jenis-p⁺, sehingga ada kemungkinan terjadi hubungan antara dua isolation island.

Kapasitansi Parasitis
Isolation Region, atau junction, terhubung oleh yang dinamakan significant barrier, atau kapasitansi transisi C_Ts, dengan substrat jenis-p, adanya kapasitansi itu dapat mempengaruhi bekerjanya IC. Karena, C_Ts itu hasil sampingan yang tidak diinginkan dari proses isolasi, sehingga C_Ts disebut kapasitansi parasitis.

Kapasitansi parasitis merupakan jumlah dua komponen, yaitu kapasitansi C_i dari setelah bawah bagian jenis-n ke substrat, dan C₂ dari sisi samping isolation island ke bagian p⁺.

Komponen sebelah bawah, C_i, timbul akibat dari step junction sehingga berubah berbanding terbalik dengan akar kuadrat tegangan V antara isolation region dengan substrat.

Kapasitansi sisi samping, C₂, berhubungan dengan graded junction berubah berbanding lurus dengan V^-1/2. Untuk komponen ini, luas junction sama dengan keliling isolation region kali ketebalan lapisan epitaksial jenis-n, y. Kapasitansi total itu dalam orde beberapa pikofarad.


Tahap 3. Difusi Base
Di atas wafer dibuat lapisan silikon dioksida baru, dan digunakan lagi proses fotolitografi untuk menggambar pola pembukaan lubang-lubang seperti gambar berikut ini.

Difusi Base

Impuriti 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).

Kedalaman difusi base harus dikontrol sedemikian rupa sehingga kedalamannnya tidak sampai mencapai substrat. Resistivitas lapisan base jauh lebih besar dari pada resistivitas isolation region.

Tahap 4. Difusi Emiter
Sekali lagi di seluruh permukaan wafer dibuat lapisan silikon dioksida, dilanjutkan dengan proses pemasangan masker dan pengikisan dikerjakan lagi untuk membuka yang dinamakan window pada bagian jenis-n seperti pada gambar di bawah ini.

Difusi Emiter
Melalui lubang bukaan ini didifusikan impuriti jenis-n (fosfor) untuk membuat emitter dari transister, dan bagian katoda dari dioda, serta kapasitor junction (kalau ada).

Window tambahan (seperti W1 dan W2 seperti dalam 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.

Tahap 5. Metalisasi Aluminium
Semua pn-junction dan resistor untuk IC telah selesai dibuat pada tahap-tahap sebelum ini. Beberapa komponen IC itu sekarang tinggal diinterkoneksikan sesuai dengan rangkaiannya, dalam proses metalisasi aluminium. Untuk membuat sambungan itu dilakukan pembuatan lubang-lubang window pada lapisan silikon oksida yang baru dibuat, seperti yang terlihat pada gamabar di bawah ini, pada titik-titik tempat kontak akan dibuat.

Metalisasi Aluminium


Untuk membuat interkoneksinya, pertama-tama dengan menggunakan Vacuum Deposition untuk membuat lapisan aluminium tipis merata di seluruh permukaan wafer. Kemudian dengan teknik fotoresis, dikerjakan pengikisan lapisan aluminium tipis yang tidak dikehendaki, menyisakan pola interkoneksi yang diinginkan di antara resisstor-resistor, dioda-dioda, dan transistor, seperti pada gambar di atas.

Untuk memproduksi suatu IC yang identik seperti itu dalam jumlah besar (beberapa ratus) dilakukan manufaktur secara simultan pada wafer tunggal.

Sesudah proses metalisasi selesai, wafer itu dipotong-potong dengan alat yang berujung berlian, dipisahkan menjadi chip individual. Kemudian setiap chip diletakkan pada sebuah wafer keeramik dan dipasang pada yang dinamakan header. Sambungan-sambungan paket dihubungkan pada IC dengan stitch bonding berupa kawat aluminium atau emas 1 mil dari terminal pad pada IC ke sambungan paket (kemasan).

Rangkuman

Di atas tadi telah dijelaskan metoda difusi epitaksial dari fabrikasi IC. Telah diterangkan proses-proses berikut ini.

1. Pertumbuhan kristal dari sebuah substrat
   
2. Pertumbuhan silikon dioksida
   
3. Proses photoetching
   
4. Proses difusi
   
5. Proses vacuum evaporation aluminium
   

Dengan menggunakan teknik-teknik ini, dimungkinkan untuk memproduksi komponen-komponen dalam chip yang sama: taransistor, dioda, resistor, kapasitor, dan interkoneksi aluminium.

Fabrikasi IC Monolitik

Diagram Alir Fabrikasi IC Silikon

Pertumbuhan Epitaksial
Proses epitaksial menghasilkan lapisan film tipis (thin film) silikon kristal tunggal dari fase gas di atas wafer kristal yang ada dari bahan yang sama. Lapisan epitaksial itu biasanya yang jenis-p maupun yang jenis-n. Pertumbuhan suatu lapisan film tipis epitaksial dengan atom-atom boron yang terperangkap dalam penumbuhan lapisan tipis seperti gambar dibawah ini.

Disini diinginkan membuat lapisan film tipis epitaksial dengan konsentrasi impuriti yang spesifik, maka harus menggunakan impuriti-impuriti misalnya phosphine untuk doping jenis-n atau biborane untuk doping jenis-p yang dimasukkan ke dalam aliran gas tetrachloride-hydrogen. Peralatan untuk memproduksi suatu lapisan epitaksial seperti pada gambar berikut ini.

Dalam sistem ini, tabung kuartz panjang yang berbentuk silinder dililiti dengan kumparan induksi frekuensi tinggi. Wafer-wafer silikon diletakkan pada papan graphite segiempat yang disebut boat. Boat itu dimasukkan ke dalam ruang reaksi, dan graphite itu panasi secara induktip sampai sekitar 1.200^oC. Pada masukan ruang reaksi terdapat yang dinamakan control console untuk mengatur pemasukan beberapa macam gas yang diperlukan dalam penumbuhan lapisan-lapisan epitaksial yang cocok. Jadi, dimungkinkan untuk membentuk pn-junction yang hampir abrupt step.





back

HOME