BAB IV

PABRIKASI RANGKAIAN TERINTEGRASIRANGKAIAN TERINTEGRASI

Pendahuluan (1)

• Untuk dapat menghasilkan rangkaian yang kompak dan memerlukan catu daya yang kompak dan memerlukan catu daya yang rendah diperlukan desain yang tepat.

• Gambar A memperlihatkan suatu rangkaian • Gambar A memperlihatkan suatu rangkaian logika diskrit dan untuk keperluan desain IC perlu dibuat rangkaian dengan kepastian p g g pposisi pin (gambar B). Dari rangkaian gambar B ini kemudian dapat dipindahkan ke pola rangkaian monolitik seperti diperlihatkan pada gambar C.

(A)Gerbang Rangkaian Logika

(B)Penggambaran kembali dengan membuat posisi 10 pin eksternalmembuat posisi 10 pin eksternal 

Desain pola monolitik dari rangkaian pada gambar A. 

Pendahuluan (2)

• Struktur IC adalah sangat kompleks baik dari sisi g ptopografi permukaan maupun komposisi internalnya. Masing-masing elemen pada suatu piranti

i it kt 3D h d tmempunyai arsitektur 3D yang harus dapat diproduksi secara sama untuk setiap rangkaian.

• Masing-masing komponen merupakan struktur yang• Masing-masing komponen merupakan struktur yang terdiri dari banyak lapisan, masing-masing memiliki pola yang spesifik. Sebagian lapisan tertanam dalam silikon dan sebagian lagi menumpuk di atasnya. Proses pabrikasi IC memerlukan urutan kerja yang tepat dan diperlukan desain rangkaian yang cermattepat dan diperlukan desain rangkaian yang cermat.

Pendahuluan (3)• Teknik-teknik yang digunakan dalam manufaktur IC

lebih dari satu metoda klasifikasi. lebih dari satu metoda klasifikasi. • Teknik manufaktur yang utama adalah

1. fabrikasi monolitik2. thin-film 3. thick-film4. Hybrid

• Di dalam IC Monolitik, semua komponen difabrikasidengan proses difusi pada chip silikon tunggal dengan proses difusi pada chip silikon tunggal. Interkoneksi di antara komponen dilakukan di ataspermukaan struktur, dan pengawatan sambungan

k l dih b k d i leksternal dihubungkan dengan terminal.

Dasar-Dasar Fabrikasi ICRangkaian Terintegrasi adalah realisasi secara fisik dari komponen-komponen diskrit yang fisik dari komponen komponen diskrit yang terpisah tapi merupakan satu kesatuan yang berada di atas atau di dalam suatu substrat yang membentuk sebuah rangkaian terintegrasi yang bekerja dengan fungsi khususkhusus.Bahan dasar sebuah substrat adalah semikonduktor kristal tunggal yang dipotong-semikonduktor kristal tunggal yang dipotong-potong menjadi beberapa keping wafer. Ukuran sekeping wafer mempunyai tebal 0,2 mm dan diameter 2 cm sampai 12 cm.

Dasar-Dasar Fabrikasi IC…Di atas keping wafer ini kemudian dibuat rangkaian-rangkaian yang diinginkan. Sekeping wafer dibagi g y g g p g gmenjadi sejumlah chip yang berukuran 10 mm x 10 mm. Chip-chip ini selanjutnya dirakit menjadi sebuah package (kemasan)package (kemasan).Ada aturan disain (design rule) agar sesuai dengan toleransi peralatan proses fabrikasi. Disainer rangkaian terintegrasi menggambar pola berdasarkan aturan itu.Menggambar pola rangkaian dapat dilakukan secara Menggambar pola rangkaian dapat dilakukan secara manual atau dibantu komputer. Tujuannya agar disainer dapat menggunakan fasilitas proses f b k d b k d l l k ICfabrikasi dengan baik dalam merealisasikan IC.

Dasar-Dasar Fabrikasi IC…Divais dapat direalisasikan menjadi rangkaian terintegrasidengan beberapa teknologi, antara lain teknologi bipolar d t k l i MOS T k l i bi l idan teknologi MOS. Teknologi bipolar mempunyaiketerbatasan untuk rangkaian yang padat. Teknologi MOS berkembang untuk rangkaian terintegrasi padat sepertiVLSIVLSI.Langkah pengolahan dasar yang dipakai untuk fabrikasibeberapa divais silikon dapat dikategorikan sebagaip p g gberikut :1. Ion implantation2 Diffusion2. Diffusion3. Oxidation4. Photolithography5. Chemical-vapor depostion (termasuk epitaxy)6. Metalization

Design Layout IC (1)

• Layout/tata letak komponen akan dirancang berdasarkan aturan desain yang merupakan bagian berdasarkan aturan desain yang merupakan bagian dari proses pabrikasi.

• Aturan desain digunakan untuk hasil akhir dan kehandalan rangkaian yang tinggi (proses kerja setelah pabrikasi) dengan menggunakan material seminimal mungkin.g

• Untuk desain yang sesuai dengan proses pabrikasi, tata letak harus sesuai dengan aturan desain tata l t k (k li t k k di i t t t )letak (kecuali untuk kondisi tertentu).

• Tata letak desain, selama dan setelah pembuatan, akan diperiksa oleh designer dengan menerapkan akan diperiksa oleh designer dengan menerapkan prosedur DRC (Design Rules Checking)

Design Layout IC (2)• DRC merupakan “akses” aturan desain tata letak dan

akan memeriksa semua kesalahan yang terjadi. y g jDesaigner memerlukan DRC untuk memastikan tidakada kesalahan pada proses desain tata letak.

• Aturan desain tata letak terdiri dari 2 bentuk :Aturan desain tata letak terdiri dari 2 bentuk :1. Aturan Micron : ukuran tata letak didefinisikan dalam

istilah dimensi absolut (μm).2. Aturan Lambda (λ) : ukuran tata letak didefinisikan

dalam satu parameter λ. Parameter λ ini memilikidimensi absolut (μm).dimensi absolut (μm).

• Aturan Lambda memungkinkan tata letak yang linear, skala geometri yang proporsional dan pada awalnyadi t k d h k t ik jdirancang untuk menyederhanakan aturan mikron, jugamemungkinkan untuk penskalaan dari berbagai proses.

Design Layout IC (3)

• Untuk proses pabrikasi, tata letak akan diolahp pkembali menggunakan CAD (Computer Aided Design) dan diubah dalam bentuk file yang b i ik t t l t k k i d l f t berisikan tata letak rangkaian dalam format yang sesuai.

• F t fil di k d l h• Format file yang digunakan adalah :1.GDSII (Stream File Format)2 CIF (C lt h I t di t F t)2.CIF (Caltech Intermediate Format)

Proses Pabrikasi IC (1)• Berawal dengan wafer silikon kristal tunggal,

pengolahan yang tercantum di atas tadi dapat dipakai untuk menghasilkan divais diskrit yang berfungsi (yaitu, dioda dan transistor individual) dan IC. Divais atau IC ini dalam bentuk wafer, dengan puluhan, , g p ,ratusan, atau bahkan ribuan divais atau IC pada wafer silikon yang sama.

• W f it k di h di t t t k • Wafer itu kemudian harus dipotong-potong untuk mendapatkan dice atau chip. Chip ini kemudian dijadikan kapsul (encapsulated) atau dikemas (packaged), dengan bermacam-macam kemasan dengan metoda pengemasan yang ada.

Proses Pabrikasi IC (2)• Ada tiga tujuan dasar pengemasan :1. Membuat kapsul pada chip untuk melindungi chip dari

pengaruh lingkungan.2. Memberikan kemudahan akses ke beberapa bagian dari

chip melalui struktur pin sedemikian rupa sehingga divaischip melalui struktur pin sedemikian rupa sehingga divaisdapat dengan mudah ditancapkan (plug) pada ataudihubungkan pada bagian yang lain dari suatu sistem.

3 Memberi fasilitas heat transfer untuk keluar dari divais ke3. Memberi fasilitas heat transfer untuk keluar dari divais keudara.

• Proses fabrikasi biasanya diaplikasikan berkali-kali secara berturut-turut, terutama dalam kasus IC, dimana sebanyak 20 pengulangan dari langkah-langkah fotolitografi, oksidasi, implantasi ion, danlangkah fotolitografi, oksidasi, implantasi ion, dandifusi yang bisa dilakukan.

Proses Pabrikasi IC (3)

Proses Pabrikasi IC (4)Proses pabrikasi IC secara berturutan dapat dijelaskansebagai berikut :1. Proses desain rangkaian dengan komputer.2. Pola yang dihasilkan digunakan sebagai dasar pembuatan

masker Paling tidak harus disediakan lima jenis maskermasker. Paling tidak harus disediakan lima jenis masker, yaitu masker isolasi, masker polisilikon, masker pengangkatan-oksida, masker metalisasi dan masker

li dpelindung.3. Wafer silikon sebagai substrat dari rangkaian dihasilkan dari

proses pengirisan batang kristal menjadi keping tipis, melaluip p g g j p g p ,proses penggosokan, pencucian dan oksidasi sehingga siapuntuk proses langkah pertama.

4 Dilakukan uji jolok terhadap wafer untuk menyeleksi4. Dilakukan uji-jolok terhadap wafer untuk menyeleksirangkaian yang baik.

Proses Pabrikasi IC (5)• Satu langkah penting dalam proses pendefinisian struktur

elemen sesuai dengan desain rangkaian adalah prosesf t lit fi k di lfotolitografi yang merupakan proses dimana polamikroskopik yang telah didesain dipindahkan dari masker ke permukaan wafer dalam bentuk rangkaian nyata.

• Proses fotolitografi pembentukan pola oksida : 1. Lapisan Oksida di atas wafer,2. Deposisi lapisan peka cahaya (fotoresis),3. Penyinaran dengan UV melalui masker,4 Setelah melalui proses pengembangan bagian yang tersinari4. Setelah melalui proses pengembangan bagian yang tersinari

akan larut kemudian diikuti proses pengerasan fotoresis,5. Proses etsa, yaitu penggerusan SiO2 dengan memasukkan

ke larutan HClke larutan HCl,6. Pengangkatan fotoresis melalui perlakuan kimia

Proses Pabrikasi IC (6)Proses pabrikasi gerbang-polisilikon MOSFET saluran-nmelalui lima langkah masker. Secara berurutan langkah

b ik i d l h b i b ik tpabrikasi adalah sebagai berikut :• Deposisi lapisan silikon dioksida ke seluruh permukaan

kristal, kemudian lapisan silikon nitrida dideposisi dikristal, kemudian lapisan silikon nitrida dideposisi diatasnya.

• Pengangkatan silikon nitrida pada bagian sesuai dengan l k tpola masker pertama.

• Implantasi dopan tipe-p dengan menggunakan masker silikon nitrida diikuti oksidasi menghasilkan lapisan tebalsilikon nitrida diikuti oksidasi menghasilkan lapisan tebalsilikon dioksida pada daerah yang tidak tertutup.

• Pengangkatan lapisan silikon nitrida dengan proses etsaid k k ilik k id f ilikyang tidak merusak silikon oksida atau wafer silikon

sendiri.

Proses Pabrikasi IC (7)

• Pembentukan lapisan polisilikon pertama dengan deposisi menggunakan masker keduadeposisi menggunakan masker kedua.

• Deposisi lapisan oksida kedua diikuti dengan deposisi lapisan polisilikon kedua menggunakan masker ketiga.

• Proses inplantasi tipe-p pada daerah terpilih pada “jendela” yang dibuat dengan menggunakan masker ke empatempat.

• Akhirnya dengan menggunakan masker kelima, lapisan almunium dideposisi pada daerah terpilih.

• Langkah terakhir adalah pelapisan pelindung silikon dioksida atau silikon nitrida, namun lapisan pelindung ini sebagian terbuka untuk memberikan akses bondingsebagian terbuka untuk memberikan akses bonding.

Proses Pabrikasi IC (8)• Uji kelistrikan merupakan langkah yang dilakukan

untuk menyeleksi rangkaian yang baik (dapat y g y g ( pdigunakan) dan siap untuk proses berikutnya sebelum dilakukan pemecahan wafer.

• Untuk proses pengujian digunakan kontak jarum yang sangat halus dan runcing. Uji kelistrikan ini biasanya dilakukan dengan bantuan komputerbiasanya dilakukan dengan bantuan komputer. Rangkaian yang tidak baik diberi tanda dengan tinta dan nantinya setelah dipotong akan dibuang. y p g g

• Proses berlangsung sampai semua rangkaian dalam wafer teruji seluruhnya.

PROSES FOTOLITOGRAFI• Fabrikasi IC monolotik memerlukan proses pengikisan(etching) lapisan silikon dioksida secara selektiF untukmembuat window sebagai lubang bukaan tempat dilakukanproses difusi impuriti. Metoda photoetching yang digunakanuntuk pengikisan lapisan silikon dioksida itu seperti padauntuk pengikisan lapisan silikon dioksida itu seperti padagambar di bawah ini.

PROSES FOTOLITOGRAFI…• Selama proses fotolitografi, wafer dilapisi rata dengan lapisantipis fotoresist yang dinamakan photosensitive emulsion(emulsi peka cahaya). Kemudian membuat layout pola hitamputih yang besar untuk lubang bukaan yang diinginkan, kemudian diperkecil secara fotografis. Bentuk negatip, ataukemudian diperkecil secara fotografis. Bentuk negatip, ataustensil, ini dari dimensi yang diinginkan diletakkan sebagaimasker di atas lapisan fotoresist seperti gambar berikut ini.

PROSES FOTOLITOGRAFI…• Lapisan fotoresist yang tidak larut pada larutandevelopermenjadi fixed (mengeras) sehingga menjadidevelopermenjadi fixed (mengeras) sehingga menjadiresistan pada proses pengikisan berikutnya. Kemudianchip itu dicelupkan ke dalam larutan etching yang terdirid h d fl d k k b ldari hydrofluoric acid, untuk mengikis bagian lapisansilikon dioksida untuk tempat yang akan dilalui difusidopantdopant.

• Bagian‐bagian lapisan silikon dioksida yang terlindungioleh fotoresist tidak terkikis oleh hydrofluoric acid. y fSesudah proses etching, kemudian lapisan fotoresistharus dibuang dengan larutan kimia (H2SO4 panas) didalam peralatan prosesmechanical abrasiondalam peralatan prosesmechanical abrasion.

PROSES FOTOLITOGRAFI…Urutan proses fotolitografi dapat dirangkum sebagai berikut :1. Pada permukaan subtrat dibuat lapisan tipis fotoresist,1. Pada permukaan subtrat dibuat lapisan tipis fotoresist, 

kemudian diletakkan masker pola untuk membuat lubangbukaan yang diinginkan, lalu dilakukan pencahayaan dengansinar ultraviolet terjadi perubahan kelarutan yang timbulsinar ultraviolet, terjadi perubahan kelarutan yang timbulpada pola.

2. Pada fotoresist positip, pencahayaan menambah kelarutan, p p p ypada fotoresist negatip, pencahayaan mengurangi kelarutan. Sehingga, menimbulkan pola yang berlainan sesudahdilakukan proses pengembangan (development)dilakukan proses pengembangan (development).

3. Setelah proses pengembangan, dilanjutkan dengan prosesetching (pengikisan) untuk menimbulkan pola pada substrat, dan diteruskan dengan pembersihan fotoresist.