buku ic ulfah.docx

1

Pertemuan 1

Perkembangan Teknologi Mikroelektronika

Kemampuan menguasai teknologi tinggi adalah merupakan syarat mutlak bagi suatu negara

untuk memasuki negara industri baru. Salah satu bidang teknologi tinggi yang sangat mempengaruhi

peradaban manusia di abad ini adalah teknologi semikonduktor dan mikroelektronika.

Oleh WilsonWaleryWenas,Ph.D.

Bidang ini biasanya dianalogikan dengan tiga kata bahasa Inggris yang mempengaruhi

kehidupan modern yaitu Computer, Component, and Communication. Untuk komputer, topik utama

dalam bidang ini adalah bagaimana membuat komputer menjadi lebih cepat, lebih ramping dengan

fungsi yang lebih kompleks dan komsumsi daya yang makin kecil. Untuk tujuan tersebut, terdapat dua

pendekatan yang saling mendukung yakni dari segi hardware dan software.

Dari segi hardware adalah bagaimana membuat transistor sebagai komponen aktif terkecil

menjadi semakin kecil dan berkecepatan tinggi. Dari segi software adalah bagaimana mendisain

rangkaian terpadu (integrated circuit) yang makin kompleks menjadi semakin ramping dan kompak.

Tulisan di bawah ini membahas mengenai pendekatan dari segi hardware yakni perkembangan dari

divais-divais elektron (electron devices) saat ini dan yang akan datang sebagai komponen dasar

peralatan semikonduktor/elektronika, dengan tinjauan dari sudut material semikonduktor itu sendiri.

Teknologi Silikon

Pembahasan tentang divais semikonduktor tentunya tidak bisa lepas dari material

semikonduktor itu sendiri sebagai bahan dasar pembuatan divais tersebut. Silikon (Si) dengan

persediaan yang berlimpah di bumi dan dengan teknologi pembuatan kristalnya yang sudah mapan,

telah menjadi pilihan dalam teknologi semikonduktor. Teknologi silikon very large scale integration

(VLSI) telah membuka era baru dalam dunia elektronika di abad ke-20 ini.

Kebutuhan akan kecepatan yang lebih tinggi dan unjuk kerja yang lebih baik dari komputer

telah mendorong teknologi silikon VLSI ke teknologi silikon ultra high scale integration (ULSI). Saat

ini metaloxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) masih dominan sebagai divais dasar

teknologi integrated circuit (IC). Dimensi dari MOSFET menjadi semakin kecil dan akan menjadi

2

sekitar 0,1 mikron untuk ukuran giga-bit dynamic random acces memories (DRAMs). Beberapa

masalah yang timbul dalam usaha memperkecil dimensi dari MOSFET antara lain efek short channel

dan hot carrier yang akan mengurangi unjuk kerja dari transistor itu sendiri.

Walaupun sudah banyak kemajuan yang dicapai, pertanyaan yang selalu muncul adalah

sampai seberapa jauh limit pengecilan yang dapat dilakukan ditinjau dari segi proses produksi, sifat

fisika dari divais itu sendiri dan interkoneksinya. Banyak masalah dari segi fabrikasi yang dapat

menjadi penghambat. Sebagai salah satu contoh keterbatasan dari proses produksi adalah teknik

lithography yaitu teknik yang diperlukan untuk merealisasikan desain sirkuit ke lempengan (waver)

silikon dalam proses fabrikasi IC. Dengan menggunakan cahaya sebagai sumber berkas, dimensi dari

lithography dengan sendirinya akan dibatasi oleh panjang gelombang dari cahaya itu sendiri. Oleh

sebab itu dikembangkan teknik lithography yang lain menggunakan sinar-X dan berkas elektron.

Dengan menggunakan kedua teknik ini tidak terlalu ekonomis untuk digunakan pada proses produksi

IC secara massal. Dari uraian di atas, terlihat masih adanya beberapa masalah yang akan timbul dalam

proses fabrikasi IC di masa yang akan datang.

Teknologi berbasis silikon, seperti diketahui, ditinjau dari struktur elektroniknya, material

semikonduktor dapat dibedakan atas dua jenis yaitu yang memiliki celah pita energi langsung (direct

bandgap) dan celah pita energi tidak langsung (indirect bandgap). Silikon adalah material dengan

celah energi yang tidak langsung, di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai maksimum dari

pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama. Ini berarti agar terjadi eksitasi dan

rekombinasi dari pembawa muatan diperlukan perubahan yang besar pada nilai momentumnya.

Dengan kata lain, silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak

digunakan sebagai piranti fotonik/ optoelektronik, sehingga tertutup kemungkinan misalnya membuat

IC yang di dalamnya terkandung detektor optoelektronik atau suatu sumber pemamcar cahaya dengan

hanya menggunakan material silikon saja.

Beberapa usaha telah dilakukan untuk mengatasi hal ini antara lain dengan mengembangkan

apa yang dikenal sebagai bandgap engineering. Salah satu contohnya adalah menumbuhkan struktur

material SiGe/Si straitned layer superlattice. Parameter mekanik strain yang timbul karena perbedaan

konstanta kisi kristal antara lapisan SiGe dan Si tersebut akan mempengaruhi struktur elektronik dari

material di atas sehingga muncul efek brillioun-zone folding yang mengubah struktur pitanya

menyerupai material dengan celah energi langsung (direct bandgap). Kombinasi dari kedua material

tersebut memungkinkan terjadinya pemancaran dan penyerapan cahaya.

Cara lain yang juga popular untuk memperbaiki sifat optik dari silikon adalah apa yang

dinamakan material silikon porous. Dengan pelarutan secara elektrokimia, pada lempeng silikon dapat

berbentuk lubang-lubang yang berukuran puluhan angstrom. Dengan bantuan sinar laser, akan dapat

3

dilihat dengan mata telanjang pemancaran cahaya dari material silikon tersebut. Fenomena ini dapat

dijelaskan dengan menggunakan model two-dimensional quantum confinement. Kelemahan dari

teknik ini adalah sifat reproductibility-nya yang rendah. Kemajuan-kemajuan di atas membuka era

baru bagi material silikon dan paduannya untuk diaplikasikan pada divais optoelektronika.

Teknolog GaAs

Salah satu hambatan dari teknologi silikon adalah sifat listrik yang berhubungan dengan

rendahnya mobilitas pembawa muatan dari material silikon ini. Mobilitas adalah parameter yang

menyatakan laju dari pembawa muatan dalam semikonduktor bila diberi medan listrik. Untuk

membuat piranti berkecepatan tinggi, galium arsenide (GaAs) dan material-material paduannya telah

dipertimbangkan sebagai material pengganti silikon. Selain untuk divais elektron, material ini juga

digunakan divais fotonik/laser dan divais gelombang mikro (microwave device). GaAs adalah

material semikonduktor dari golongan III-V yang memiliki mobilitas elektron sekitar enam kali lebih

tinggi dari silikon pada suhu ruang.

Material ini bertipe celah energi langsung. Dengan memanfaatkan kelebihan ini, telah berhasil

dibuat transistor yang disebut high electron mobility transistor (HEMT), menyusul transistor yang

lebih dahulu popular untuk teknologi GaAs yaitu metal semiconductor field effect transistors

(MESFET). Struktur dari HEMT mirip dengan MOSFET, tapi dengan menggunakan teknik modulasi

doping, di mana elektron dapat dipisahkan dari ion pengotornya dan bergerak dalam sumur potensial

dua dimensi (2DEG) dengan kecepatan tinggi.

Pengembangan IC dengan berbasis material GaAs saat ini juga sedang ramai diteliti.

Beberapa tahun yang lalu telah berhasil dibuat 64 kb static random access memory (SRAM) yang

berkecepatan tinggi sebesar 2 ns dengan menggunakan teknologi HEMT berukuran 0,6 mikron.

Transistor berkecepatan tinggi lainnya yang sedang dikembangkan adalah heterojunction bipolar

transistor (HBT). Struktur dari transistor ini adalah sambungan npn di mana emiter menggunakan

material dengan celah energi yang lebih besar dibandingkan dengan base dan kolektor.

Pada kondisi ini, diharapkan resistansi dari base dan kapasitansi dari sambungan base-emitter

akan dapat direduksi sehingga dapat diperoleh frekuensi maksimum osilasi (fmaks) yang tinggi. Saat ini

sudah dibuat HBT dengan fmaks = 200 GHz. Walaupun banyak kemajuan yang sudah dicapai, banyak

orang meragukan kemampuan teknologi GaAs ini untuk dapat bersaing dengan teknologi silikon

dalam orde 0,1 mikron atau yang lebih kecil. Itulah sebabnya, banyak perusahaan semikonduktor

terutama di Amerika Serikat yang tidak menganggap teknologi GaAs ini sebagai pengganti silikon.

4

Divais Kuantum

Dewasa ini, perhatian besar juga diberikan pada struktur semikonduktor berdimensi rendah

(low-dimensional semiconductor) seperti quantum well (2D), quantum wire (1D) dan quantum dot

(0D). Struktur seperti ini adalah pembuka jalan ke era fabrikasi nanoteknologi dan divais kuantum

(quantum device). Telah diketahui bahwa bila elektron dikurung dalam daerah potensial dengan

dimensi yang sama dengan panjang gelombangnya maka akan muncul sifat gelombang elektron dan

berbagai fenomena kuantum akan dapat diamati.

Beberapa fenomena kuantum dapat mengurangi performansi dari divais itu sendiri sedangkan

fenomena yang lain dapat memacu terciptanya divais kuantum yang baru. Beberapa divais kuantum

seperti wire-transistor, single-electron transistor sudah berhasil dibuat dan menunjukkan kecepatan

yang tinggi.

Permasalahan yang timbul dari divais yang dibuat berdasarkan struktur semikonduktor

dimensi rendah ini adalah arus drive yang rendah sehingga masih sulit untuk diaplikasikan. Secara

umum, permasalahan yang dihadapi divais kuantum ini adalah operasi kerjanya yang masih harus

dilakukan pada suhu rendah (seperti suhu helium cair: 4,2K) agar dapat diamati fenomena kuantum

secara jelas. Hal ini tentunya akan menaikkan ongkos pembuatan sehingga belum menarik untuk

diproduksi.

Intelligent material

Dari uraian di atas terlihat bahwa meskipun perkembangan divais semikonduktor dewasa ini

sangat cepat, beberapa hambatan sudah mulai terlihat. Pertanyaan yang muncul adalah apakah usaha-

usaha untuk memperbaiki performasi dari divais semikonduktor dapat terus dilakukan dengan pola

yang ada sekarang ini atau harus dicari pola yang lain. Pola yang ada sekarang adalah bahwa dalam

teknologi IC, transistor sebagai divais aktif dasar hanya mempunyai satu fungsi saja dan kemudian

diubah menjadi berfungsi banyak dengan bantuan disain sirkuit dan software.

Dengan berkembangnya permintaan untuk menciptakan suatu rangkaian terpadu yang makin

kompleks, beban yang ditanggung oleh disainer software akan makin berat sehingga kemungkinan

besar sulit untuk direalisasikan. Untuk itu, dari pihak hardware, haruslah dilakukan usaha untuk dapat

membantu meringankan beban tersebut.

Salah satu usul adalah menciptakan divais yang multifungsi sehingga divais menjadi lebih

adaptif. Divais seperti ini dapat direalisasikan dengan menggunakan apa yang disebut sebagai

5

intelligent material. IC yang terbuat dari divais yang adaptif seperti ini akan menjadi bermultifungsi

tanpa harus membebani disainer software yang makin kompleks.

Tantangan di Indonesia

Jadi terlihat bahwa teknologi semikonduktor berkembang sangat pesat dengan

mengeksploitasi fenomena-fenomena fisika yang sebelumnya hanya tertulis dalam textbook

semikonduktor atau zat padat saja. Hal ini dimungkinkan karena banyaknya kemajuan yang dicapai

dalam pengembangan peralatan-peralatan penumbuh material dalam bentuk film tipis. Hal ini juga

diimbangi dengan kemajuan dalam teknik fabrikasi divais dan proses produksi. Sebagai teknologi

tinggi, teknologi semikonduktor saat ini hanya terpusat di negara-negara industri dan negara industri

baru saja, karena memang membutuhkan biaya riset yang besar dan banyak tenaga ahli.

Untuk Indonesia, langkah terbaik yang harus dilakukan adalah secepat mungkin terlibat

dalam teknologi ini sehingga tidak jauh tertinggal. Prioritas pengembangan harus dapat ditentukan

sendiri tanpa harus mengikuti jejak dari negara-negara yang sudah lebih dahulu maju dengan

teknologi ini. Hal ini tentunya harus dikaitkan dengan peluang kompetisi yang masih tersisa. Negara-

negara industri baru di Asia sudah membuktikan bahwa selalu ada peluang yang dapat ditempuh.

Salah satu langkah konkrit yang mendesak saat ini adalah memperbanyak para ahli yang menguasai

teknologi ini sehingga dapat terbentuk suatu masyarakat semikonduktor ynag dapat bekerja sama.

Wilson Walery Wenas, Ph.D, Peneliti di Laboratorium Semikonduktor, Fisika-ITB

6

Pertemuan 2

Bahan Semikonduktor

Insulator, Semikonduktor, dan Konduktor Seperti terlihat pada gambar energy band,

insulator mempunyai forbidden gap yang lebar, semikonduktor mempunyai forbidden gap yang

sempit, dan konduktor sama sekali tidak mempunyai forbidden gap.

Dalam hal insulator, praktis tidak ada elektron di conduction band dari energy level, dan

valence band terisi. Juga, forbidden gap-nya sedemikan lebar sehingga memerlukan energi yang

sangat besar (hampir 6 eV) agar sebuah elektron dapat menyeberang dari valence band ke conduction

band. Karena itu, jika suatu tegangan dipasang pada sebuah insulator, tidak terjadi konduksi baik oleh

gerakan elektron atau oleh pemindahan/transfer hole.

Untuk semikonduktor pada suhu absolut 0oK (-273,15oC) valence band biasanya penuh, dan

tidak ada elektron pada conduction band. Tapi, forbidden gap dalam sebuah semikonduktor jauh lebih

sempit dari pada yang di insulator, dengan pemberian sedikit energi (1,2 eV untuk silikonn dan 0,785

eV untuk germanium) dapat memindahkan elektron-elektron dari valence band ke conduction band.

Jika berada pada suhu kamar, semikonduktor mendapat cukup energi termal untuk memindah elektron

itu. Bila suatu potensial diberikan pada semikonduktor, terjadi konduksi baik oleh karena gerakan

elektron di conduction band maupun oleh karena pemindahan hole di valence band.

Dalam hal konduktor tidak ada forbidden gap, dan valence dan conduction energy band

tumpang tindih (overlap). Karena itu, sangat banyak elektron tersedia untuk menimbulkan konduksi,

sekalipun pada suhu yang sangat rendah.

Semikonduktor Jenis-p dan Jenis-n Semikonduktor murni disebut sebagai bahan intrinsic.

Sebelum bahan semikonduktor dapat dipakai untuk manufaktur divais, atom-atom impuriti harus

7

ditambahkan pada semikonduktor murni. Proses ini disebut doping, dan dengan proses ini

konduktivitas bahan dapat ditingkatkan secara signifikan. Bahan semikonduktor yang telah di-doping

disebut bahan extrinsic.

Ada dua macam doping, doping dengan atom donor dan doping dengan atom akseptor.

Doping dengan atom donor menghasilkan elektron-elekttron bebas di conduction band (yaitu

elektron-elektron yang tidak terikat pada sebuah atom). Doping dengan atom akseptor menghasilkan

hole di valence band, yaitu kekurangan elektron-elektron valensi di dalam bahan.

Doping dengan atom donor dilaksanakan dengan jalan menambahkan atom-atom impuriti

yang mempunyai lima elektron dan tiga hole di orbit valensi. Atom-atom impuriti membentuk ikatan

kovalen dengan atom silikon atau dengan atom germanium, tapi karena atom-atom semikonduktor

mempunyai hanya empat elektron dan empat hole di orbit valensinya, maka ada kelebihan sebuah

elektron orbit valensi untuk setiap atom impuriti ditambahkan. Setiap kelebihan elektron itu masuk ke

dalam conduction band sebagai sebuah elektron bebas. Karena tidak ada hole untuk elektron kelima

dari orbit terluar dari atom impuriti, karena itu, elektron tsb menjadi elektron bebas. Karena elektron

bebas mempunyai muatan negatip, bahan yang di-doping dengan atom donor disebut bahan

semikonduktor jenis-n.

Elektron-elektron bebas di conduction band dapat dengan mudah dgerakkan di bawah

pengaruh suatu medan listrik. Akibatnya, terjadi kebanyakan konduksi terjadi oleh gerakan elektron di

dalam bahan semikonduktor yang di-doping dengan atom donor. Bahan yang di-doping itu tetap

netral secara listrik (yaitu tidak bermuatan baik listrik positip maupun listrik negatip), karena jumlah

total elektron (termasuk elektron bebas) tetap sama dengan jumlah total proton di dalam nucleus atom.

(Jumlah proton di dalam setiap atom impuriti sama dengan banyaknya elektron orbit.) Istilah doping

dengan atom donor berasal dari kenyataan bahwa ada sebuah elektron yang didonorkan pada

conduction band oleh setiap atom impuriti. Atom impuriti donor biasanya antimon, fosfor, dan arsen.

Karena mempunyai lima elektron valensi, atom itu disebut atom-atom pentavalen.

8

Pada doping dengan atom akseptor, digunakan atom-atom impuriti yang mempunyai orbit

terluar yang mengandung tiga elektron valensi dan lima hole. Atom-atom dengan tiga elektron valensi

(atom trivalen) itu adalah boron, aluminium, dan gallium. Atom-atom ini membentuk ikatan dengan

atom-atom semikonduktor, tapi ikatan itu kekurangan satu elektron untuk sebuah orbit terluar dengan

delapan elektron lengkap. Pada gambar di bawah ini, atom impuriti digambarkan dengan mempunyai

hanya tiga elektron valensi, sehingga ada hole dalam ikatannya dengan atom-atom di sekitarnya. Jadi,

doping dengan atom akseptor, hule timbul ke dalam valence band, sehingga konduksi terjadi dengan

proses pemindahan hole.

Karena hole dikatakan mempunyai muatan positip, bahan semikonduktr yang di-doping

dengan atom akseptor disebut sebagai bahan jenis-p. Separti pada jenis-n, bahan itu tetap netral secara

listrik, karena jumlah total elektron orbit dalam setiap atom sama dengan jumlah total proton di dalam

nucleus atom. Hole dapat menerima sebuah elektron bebas, karena itu disebut doping dengan atom

akseptor.

Bahkan pada bahan semikonduktor intrinsic pada suhu kamar, mempunyai sejumlah

elekktron bebas dan holes. Hal ini disebabkan oleh energi termal yang menimbulkan beberapa

elektron memutus ikatan dengan atom-atomnya dan masuk ke conduction band, jadi membentuk

pasangan-pasanngan elektron dan hole. Proses itu disebut hole-electron pair generation, dan proses

sebaliknya disebut recombination. Seperti namanya, rekombinasi terjadi bila sebuah elektron bersatu

ke dalam sebuah hole di valence band. Karena lebih banyak elektron dari pada hole di bahan jenis-n,

elektron-elektron itu disebut pembawa muatan mayoritas, dan hole disebut pembawa muatan

minoritas. Pada bahan jenis-p, hole adalah pembawa muatan majoritas dan elektron adalah pembawa

muatan minoritas.

Pengaruh Panas dan Cahaya Bila sebuah konduktor dipanasi, atom-atom (yang berada di

lokasi tetap) cenderung bergetar, dan getaran menimbulkan gerakan massa elektron di sekitarnya. Ini

berarti bahwa ada pengurangan pada aliran elektron yang membangun arus listrik, dan bahwa

9

resistansi konduktor telah meningkat. Suatu konduktor mempunyai suatu positive temperature

coefficient (koefisien suhu positip) dari resistansi, yaitu resistansi bertambah besar bila suhunya naik.

Bila bahan konduktor yang belum di-doping pada suhu absolut 0oK (-273oC), praktis tidak ada

elektron bebas di conduction band dan tidak ada hole di valence band. Hal ini karena semua elektron

berada di orbit normal sekitar atom-atom. Jadi, pada suhu absolut 0oK, sebuah konduktor berperilaku

seperti insulator. Bila bahan itu dipanasi, elektron-elektron melepaskan diri dati atom-atomnya dan

bergerak dari valence band ke conduction band. Hal ini menimbulkan hole di valence band dan

elektron-elektron bebas di conuction band. Kemudian terjadi konduksi dengan adanya gerakan

elektron dan dengan adanya pemindahan hole. Semakin besar pemberian energi termal menimbulkan

semakin banyak pasangan hole-elektron. Seperti halnya pada kondukttor, atom-atom semikonduktor

juga mengalami getaran termal. Tapi, ada sangat sedikit elektron yang timbul dibandingkan dengan

kerapatan massa elektron dalam konduktor. Timbulnya elektron secara termal merupakan faktor

dominan, dan arus bertambah besar dengan naiknya suhu. Hal ini meenunjukkan penurunan resistansi

semikonduktor dengan kenaikan suhu, yaitu koefisien suhu negatip. Perkecualian dari aturan ini

adalah heavily doped semicnductor material (bahan semikonduktor yang di-doping berat), yang lebih

bersifat seperti konduktor dari pada semikonduktor.

Sepert halnya energi termal yang menyebabkan elektron-elektron memisahkan diri dari ikatan

atomnya, juga pasangan-pasangan hole-elektron dapat ditimbulkan oleh energi yang dipancarkan pada

semikonduktor dalam bentuk cahaya. Jika bahan semikonduktor intrinsik, mempunyai sedikit elektron

bebas bila tidak disinari, jadi suatu very high dark resistance. Bila disinari, resistansinya turun dan

menjaadi dapat dibandingkan dengan konduktor.

10

Pertemuan 3

Teknologi Rangkaian Terintegrasi

Integrated Circuit Rangkaian Terintegrasi (Integrated Circuit/IC), sering juga disebut sirkuit

terpadu, terdiri dari beberapa transistor, resistor, dll yang terinterkoneksi satu sama lain dalam

package (paket) kecil dengan terminal-terminal sambungan. IC itu sudah lengkap, hanya memerlukan

sambungan input dan output dan sebuah tegangan supply untuk bisa berfungsi. Cara lain, beberapa

komponen eksternal harus dihubungkan agar IC itu bisa beroperasional.

IC di dalam sebuah sirkuit elektronik

IC dapat diklasifikasikan menurut fungsinya, sebagai IC analog atau IC digital. IC analog

(juga disebut IC linier) bisa berupa amplifier, voltage regulator, dll. IC digital biasanya berisi

transistor-transistor baik yang dalam keadaan swicthed-off atau dalam keadaan switched-on. Gerbang-

gerbang logika, counting circuits, dan yang semacam terdapat dalam bentuk IC.

Metoda lain mengklasifikasi IC adalah menurut ukurannya small-scale integration (SSI),

medium-scale integration (MSI), large-scale integration (LSI), dan very large-scale integration

(VLSI). Selang ini dari kurang 12 rangkaian individual per paket sampai di atas 50.000 rangkaian

dalam sebuah paket tunggal.

Teknik-teknik yang digunakan dalam manufaktur IC lebih dari satu metoda klasifikasi.

Teknik manufaktur yang utama adalah fabrikasi monolitik, thin-film, thick-film, dan hybrid.

IC Monolitik Di dalam IC Monolitik semua komponen difabrikasi dengan proses difusi pada

chip silikon tunggal. Interkoneksi di antara komponen dilakukan di atas permukaan struktur, dan

pengawatan sambungan eksternal dihubungkan dengan terminal.

11

Rangkaian Terintegrasi (integrated circuit/IC) adalah realisasi secara 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 khusus.

keping wafer silikon

Bahan dasar sebuah substrat adalah 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.

Di atas keping wafer ini kemudian dibuat rangkaian-rangkaian yang diinginkan. Sekeping

wafer dibagi menjadi sejumlah chip yang berukuran 10 mm x 10 mm. Chip-chip ini selanjutnya

dirakit menjadi sebuah package (kemasan).

Implementasi rangkaian logika ke dalam wafer silikon merupakan seni tersendiri. Pemahaman

tentang langkah-langkah pengolahan silikon sangat diperlukan agar diperoleh keyakinan dalam

mendisain pola rangkaian. 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 manual atau dibantu komputer.

Tujuannya agar disainer dapat menggunakan fasilitas proses fabrikasi dengan baik dalam

merealisasikan rangkaian terintegrasi.

Divais dapat direalisasikan menjadi rangkaian terintegrasi dengan beberapa teknologi, antara

lain teknologi bipolar dan teknologi MOS. Teknologi bipolar mempunyai keterbatasan untuk

rangkaian yang padat. Teknologi MOS berkembang untuk rangkaian terintegrasi padat seperti VLSI.

12

Langkah pengolahan dasar yang dpakai untuk fabrikasi beberapa divais silikon, seperti dioda,

transistor, dan IC, dapat dikategorikan sebagai berikut:

1. Ion implantation

2. Diffusion

3. Oxidation

4. Photolithography

5. Chemical-vapor depostion (termasuk epitaxy)

6. Metalization

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, ratusan, atau bahkan ribuan divais atau IC

pada wafer silikon yang sama.

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. 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 divais dapat dengan mudah ditancapkan (plug) pada atau dihubungkan pada

bagian yang lain dari suatu sistem, dan

3. memberi fasilitas heat transfer untuk keluar dari divais ke udara.

Proses fabrikasi dasar yang tercantum di atas tadi biasanya diaplikasikan berkali-kali secara

berturut-turut, terutama dalam kasus IC, dimana sebanyak 20 pengulangan dari langkah-langkah

fotolitografi, oksidasi, implantasi ion, dan difusi yang bisa dilakukan.

Persiapan Wafer Silikon

Material awal untuk pengolahan divais silikon adalah wafer silikon kristal tunggal yang jenis

dan doping-nya yang sesuai kondukvitasnya. Urutan persiapan wafer silikon terdiri dari langkah-

langkah dasar berikut ini.

1. Pertumbuhan kristal dan doping

2. Ingot trimming dan grinding

3. Ingot slicing

4. Wafer polishing dan etching

5. Wafer cleaning

13

Pertumbuhan Kristal

Dalam proses pertumbuhan kristal, ingot silikon kristal tunggal dengan tingkat dan jenis

doping yang cukup untuk diproduksi. Material awal untuk pertumbuhan kristal adalah silikon

polikristalin yang tingkat kemurniannya tinggi yang disebut semicoductor grade silicon.

Tingkat kemurnian dari material ini dalam selang lebih dari 99,9999999 atau kermurnian 9-

nines. Ini terkait dengan suatu konsentrasi impuriti sebesar lebih dari 1 part per billion atoms (>1

ppba), yaitu kurang dari satu atom impuriti untuk setiap miliar (109) atom silikon. Banyaknya atom

per satuan isi adalah 5.0 x 1022 cm-3, sehingga konsentrasi impuriti sebesar 1 ppba berkait dengan

kerapatan sebesar 5 x 1013 cm-3. Kebanyakan dari kerapatan impuritas residual ini merupakan

impuritas akseptor seperti boron, dan resistivitas yang terkait dengan kerapaatan impuritas di atas tadi

hampir 300 ohm-cm. Polyscrystaline silicon dengaan kosentrasi impuritas kurang dari 0,1 ppba itu

ada.

Proses pertumbuhan kristal Czochralski merupakan proses yang paling sering digunakan

untuk memproduksi ingot silikon kristal tunggal. Polycrystalline silicon bersama dengan sejumlah

dopant yang cukup atau silikon yang didoping dimasukkan ke dalam sebuah quartz crucible, yang

kemdian dimasukkan sebuah tungku pertumbuhan kristal.

Bahan itu kemudian dipanasi sampai pada suhu sedikit di atas titik cair/leleh silikon yaitu

1420oC. Sebuah batang kecil silikon kristal tunggal yang disebut sebuah seed crystal kemudian

dicelupkan ke dalam cairan/lelehan silikon dan perlahan-lahan ditarik, seperti pada gambar di bawah

ini. Konduksi panas pada seed crystal itu akan menurunkan suhu lelehan silikon yang terhubung

dengan seed crystal itu sedikit di bawah titik leleh silikon.

14

Pertemuan 4

Proses Fotolitografi

Fabrikasi IC monolotik memerlukan proses pengikisan/ pembuangan (etching) lapisan silikon

dioksida secara selektip untuk membuat window sebagai lubang bukaan tempat dilakukan proses

difusi impuriti. Metoda photoetching yang digunakan untuk pengikisan (pembuangan) lapisan silikon

dioksida itu seperti pada gambar di bawah ini.

Selama proses fotolitografi, wafer dilapisi rata dengan lapisan tipis fotoresist yang dinamakan

photosensitive emulsion (emulsi peka cahaya), misalnya photoresist KPR, produk dari Kodak.

Kemudian membuat layout pola hitam putih yang besar untuk lubang bukaan yang diinginkan,

kemudian diperkecil secara fotografis. Bentuk negatip, atau stensil, ini dari dimensi yang diinginkan

diletakkan sebagai masker di atas lapisan fotoresist seperti gambar berikut ini.

Photoetching technique: Masking and exposure to ultraviolet radiation

KPR disinari melalui masker dengan sinar ultraviolet, fotoresist dibawah masker yang

tranparan mengalami polimerisasi. Sekarang maskernya disingkirkan, dan kemudian wafer

dicelupkan ke dalam larutan developer berupa cairan kimia (misalnya trichloroethylene)

untuk melarutkan bagian-bagian lapisan tipis fotoresist yang tidak terkena pencahayaan

(unpolymerized) dan diperoleh hasil seperti gambar di bawah ini.

15

The photoresist after development

Lapisan fotoresist yang tidak larut pada larutan developer menjadi fixed (mengeras)

sehingga menjadi resistan pada proses pengikisan berikutnya. Kemudian chip itu dicelupkan

ke dalam larutan etching yang terdiri dari hydrofluoric acid, untuk mengikis bagian lapisan

silikon dioksida untuk tempat-tempat yang akan dilalui difusi dopant.

Bagian-bagian lapisan silikon dioksida yang terlindungi oleh fotoresist tidak terkikis

oleh hydrofluoric acid. Sesudah proses etching, kemudian lapisan fotoresist harus dibuang

dengan larutan kimia (H2SO4 panas) di dalam peralatan prosesmechanical abrasion.

Proses fotolitografi di atas tadi dapat digambarkan dengan diagram berikut ini.

Steps in the photoresist process

16

Urutan proses fotolitografi dapat dirangkum sebagai berikut.

1. Pada permukaan subtrat dibuat lapisan tipis fotoresist, kemudian diletakkan masker pola

untuk membuat lubang bukaan yang diinginkan, lalu dilakukan pencahayaan dengan sinar

ultraviolet, terjadi perubahan solubilitas (kelarutan) yang timbul pada pola.

2. Pada fotoresist positip pencahayaan itu menambah solubilitas, pada fotoresist negatip,

pencahayaan itu mengurangi solubilitas. Sehingga, menimbulkan pola yang berlainan sesudah

dilakukan proses pengembangan (development).

3. Setelah proses pengembangan, dilanjutkan dengan proses etching (pengikisan) untuk

menimbulkan pola pada substrat, dan diteruskan dengan pembersihan fotoresist.

Schematic illustration of a photolithography process sequence. Resist is applied to the substrate, and a solubility change is induced by

exposure to a pattern of light. In positive resist, exposure increases the solubility; in negative resist, it is decreased. Thus a different pattern

results after development. Development is followed by etching to transfer the pattern into the film on the substrate and by resist removal

17

Pertemuan 5

Fabrikasi IC Monolitik

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.

18

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.

19

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 NA = 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

20

Lapisan SiO2 itu ditumbuhkan dengan jalan dimasukkan ke dalam lingkungan oksigen sambil

dipanasi dengan suhu 1.000oC. 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 (NA = 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 CTs, dengan substrat jenis-p, adanya kapasitansi itu dapat

21

mempengaruhi bekerjanya IC. Karena, CTs itu hasil sampingan yang tidak diinginkan dari proses

isolasi, sehingga CTs 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, Ci, 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

22

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).

23

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

24

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.

25

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 1.200oC. 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.

26

Pertemuan 6

Fabrikasi IC Dengan Teknologi Bipolar

Struktur IC Transistor Bipolar

Penampang tegak sebuah transistor bipolar dalam bentuk IC dengan skala tepat

Urutan proses fabrikasi IC transistor bipolar seperti yang terlihat pada gambar-gambar di

bawah ini. Dengan membuat perancangan pola yang akurat, maka pembuatan komponen IC dapat

dibuat sekaligus di atas permukaan wafer.

(a) Suatu lapisan tipis silikon dioksida dibuat di atas permukaan silikon jenis-p dengan jalan

mengenakan wafer itu pada oksigen atau uap air dalam tungku listrik. Dengan memakai masker yang

pertama, ditentukan daerah yang dinamakan subcollector n+ atau buried layer (lapisan terpendam),

yang bertahanan rendah yang menghubungkan daerah base-collector aktif (terletak di tengah-tengah

komponen bila sudah jadi) dengan daerah kontak collector di permukaan atas. Dengan difusi termal

atau dengan implantasi ion terbentuk buried layer jenis-n yang heavily doping.

27

(b) Lapisan pelindung silikon dioksida dibuang, seluruh permukaan wafer silikon menjadi terbuka.

Dengan proses chemical vapor deposition (CVD) bersuhu tinggi kemudian terbentuk lapisan

epitaksial, suatu lapisan silikon jenis-n kristal tunggal setebal 2 sampai 5 mikro m di atas seluruh

permukaan wafer. Selama pembuatan lapisan epitaksial, bahan doping jenis-n yang sebelumnya

digunakan pada pembuatan buried layer didifusikan ke seluruh permukaan. Penampang wafer pada

tahap ini seperti terlihat gambar di atas.

(c) Sekarang terbentuk lapisan silikon dioksida baru. Penggunaan masker kedua untuk menentukan

batas-batas yang mengelilingi seluruh daerah silikon jenis-n yang akan menjadi collector transistor

yang terisolasi secara elektrik. Kemudian proses difusi jenis-p dilakukan ke dalam daerah perbatasan

dilanjukan sampai lapisan epitaksial tertembus seperti terlihat pada gambar di atas. Jadi, daerah

(island) silikon jenis-n dikelilingi silikon jenis-p pada sisi-sisinya. Dengan jalan memasang tegangan

sedemikian rupa sehingga pn junction menjadi reverse bias maka terjadi isolasi secara elektrik. Di

atas daerah-daerah terisolasi ini kemudian ditumbuhkan lapisan oksida termal baru.

(d) Masker ketiga digunakan untuk menentukan daerah base dari transistor npn. Pola untuk resistor

dibuat bersamaan di dalam daerah jenis-p terisolasi yang terpisah. Kemudian boron didifusikan atau

diimplantasikan untuk membentukan base atau resistor. Bahan colector (jenis-n) mengalami konversi

sampai menjadi jenis-p, yaitu ketika kerapatan impuriti melampaui impuriti jenis-n, suatu keadaan

yang disebut overcompensation. Struktur sesudah ini seperti terlihat pada gambar di atas.

28

(e) Masker keempat digunakan untuk menentukan emitter dari transistor npn dan daerah jenis-n

sebagai kontak bertahanan rendah untuk collector. Disini terjadi lagi konversi bahan base jepis-p

menjadi jenis-n yang memerlukan proses overcompensation. Tidak hanya itu, setiap lapisan yang

mengalami difusi secara berurutan harus diberi doping yang lebih banyak dibandingkan dengan

lapisan yang mengalami overcompensation.

(f) Masker kelima digunakan untuk menentukan daerah-daerah yang akan ditempati kontak-kontak

collector, base, dan emitter, seperti yang terlihat pada gambar di atas. Kemudian pada seluruh

permukaannya dilapisi dengan aluminium tipis melalui proses evaporasi. Sesudah itu dilakukan

proses etching (pengikisan) menggunakan masker keenam untuk membentuk pola interkoneksi yang

diinginkan.

Selanjutnya, di atas seluruh permukaan dibuat suatu lapisan pelindung (sering disebut scratch

protection atau cukup disebut scratch).

Masker terakhir digunakan untuk membuang lapisan pelindung yang terletak pada pad, tempat kontak

dibuat. IC itu kemudian akan dtest dengan menggunakan probe yang berbentuk seperti jarum pada

contact pad. Unit-unit yang rusak diberi tanda titik dengan tinta, dan kemudian wafer itu dipotong-

potong menjadi chip-chip. Chip-chip yang baik lalu dibuatkan package (kemasan) dan dilanjutkan

dengan dilakukan final test.

Urutan proses yang dibahas di atas merupakan fabrikasi yang paling sederhana yang dapat

menghasilkan IC traansistor bipolar dengan kinerja tinggi. Proses fabrikasi yang lebih rumit

menggunakan lebih banyak masker untuk memperoleh kinerja yang lebih unggul, kerapatan yang

lebih besar, dan lain-lain. Dengan menggunakan ion implanter, tempat dan konsentrasi atom impuriti

dapat dikendalikan lebih ketat. Kerapatan IC masih mungkin diperbaiki menjadi lebih memadai bila

daerah isolasi jenis-p diganti dengan silikon dioksida (SiO2), dengan menggunakan proses oksidasi

29

lokal yang selektip. Proses IC bipolar sering dilakukan penambahan dengan jalan membuat lapisan

metalisasi interkoneksi yang kedua.

30

Pertemuan 7

Fabrikasi IC dengan Teknologi MOS

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

31

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.

32

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.

33

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.

34

Urutan proses fabrikasi IC transistor nMOS digambarkan dengan penampang tegaknya sebagai

berikut.

35

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.

Latihan Soal

1. Uraikan secara garis besarnya, apa yang Sdr ketahui tentang: (a) semikonduktor, (b) silikon

intrinsik, (c) silikon ekstrinsik, (d) silikon jenis p, (e) silikon n

2. Apa yang dimaksud dengan: (a) lapisan substrat, (b) lapisan epitaksial, (c) lapisan silikon

dioksida, (d) wafer silikon, (e) buried layer

3. Terangkan apa yang dimaksud dengan: (a) proses difusi, (b)proses fotolitografi, (c) koefisien

difusi, (d) solid solubility, (e) profil impurity

4. Gambarkan penampang struktur sebuah wafer silikon yang terdiri dari lapisan substrat jenis p,

lapisan epitaksial jenis n, lapisan silikon dioksida, cantumkan ketebalan dari setiap lapisan.

5. Jelaskan secara singkat proses fotolitografi yang menggunakan negative photoresist lengkap

dengan gambar penampang strukturnya setiap tahapnya.

6. Jelaskan secara singkat proses fotolitografi yang menggunakan positive photoresist lengkap

dengan gambar penampang strukturnya setiap tahapnya.

7. Terangkan proses fabrikasi sebuah transistor bipolar npn menjadi IC monolitik, dengan

metoda difusi epitaksial, menurut tahap epitaxial growth, isolation diffusion, base diffusion,

emitter diffusion, dan aluminum metalization.

36

8. Terangkan proses fabrikasi IC dengan teknologi bipolar untuk sebuah transistor bipolar npn,

yang tidak mengandung lapisan terpendam (buried layer). Untuk setiap tahap lengkapi dengan

gambar penampang strukturnya.

9. Terangkan proses fabrikasi IC dengan teknologi bipolar untuk sebuah transistor bipolar npn,

yang mengandung lapisan terpendam (buried layer). Untuk setiap tahap lemgkapi dengan

gambar penampang strukturnya.

10. Terangkan proses fabrikasi IC dengan teknologi MOS untuk sebuah nMOS, lengkap dengan

gambar penampang struktur untuk setiap tahapnya.

11. Sebuah lapisan epitaksial jenis-n mempunyai resistivitas = 0,5 ohm.cm yang rata (uniform)

akan mengalami difusi boron dengan konsentrasi = 5 x 1018 atom/cm3 dipermukaan lapisan

epitaksial konstan. Jika proses difusi boron itu dilakukan pada suhu 1130oC selama 2 jam,

berapa kedalaman pn junction yang terbentuk di dalam lapisan epitaksial itu.

37

Pertemuan 8

Ujian Tengah Semester

1. Uraikan secara garis besarnya, apa yang Sdr ketahui tentang: (a) semikonduktor, (b) silikon

intrinsik, (c) silikon ekstrinsik, (d) silikon jenis p, (e) silikon n

2. Apa yang dimaksud dengan: (a) lapisan substrat, (b) lapisan epitaksial, (c) lapisan

silikon dioksida, (d) wafer silikon, (e) buried layer

3. Terangkan apa yang dimaksud dengan: (a) proses difusi, (b)proses fotolitografi, (c)

koefisien difusi, (d) solid solubility, (e) profil impurity

4. Gambarkan penampang struktur sebuah wafer silikon yang terdiri dari lapisan substrat

jenis p, lapisan epitaksial jenis n, lapisan silikon dioksida, cantumkan ketebalan dari

setiap lapisan.

5. Terangkan proses fabrikasi sebuah transistor bipolar npn menjadi IC monolitik,

dengan metoda difusi epitaksial, menurut tahap epitaxial growth, isolation diffusion,

base diffusion, emitter diffusion, dan aluminum metalization.

38

Pertemuan 9

Teori Difusi

Proses difusi yang dibahas disini adalah solid-state impurity diffusion (difusi impuriti zat

padat) yang menggunakan bermacam-macam impuriti yang diletakkan di atas permukaan wafer

silikon.

Karena proses ini berlangsung secara wajar, maka suhu wafer harus di antara 900 o sampai

1200oC. Meskipun agak tinggi, suhu-suhu itu masih lebih rendah dari titik leleh silikon, yaitu pada

1420oC. Kecepatan difusi beberapa impuriti masuk ke dalam silikon adalah 1 mikrometer/jam dalam

selang suhu di atas tadi, dan kedalaman penetrasi yang terkait dengan kebanyakan proses difusi adalah

0,3 sampai 30 mikrometer. Pada suhu kamar, proses difusi sedemikian sangat lambatnya sehingga

impuriti dapat dianggap menjadi 'diam' di tempat.

Bahan dopant dengan radius atomik atau radius ionik yang sangat kecil, misalnya lithium

(Li+), dapat berdifusi pas dalam gap atau interstice di antara atom-atom silikon dan karena itu dapat

berdifusi dengan sangat cepat. Dopant berukuran kecil ini disebut interstitial diffusant dan proses

difusi disebut interstitial diffusion digambarkan pada gambar berikut ini.

Meskipun lithium merupakan impuriti donor pada silikon, lithium tidak akan digunakan

karena lithium masih bergerak di sekitarnya, bahkan pada suhu kamar, tidak akan 'diam' di tempat.

Hal ini berlaku pada kebanyakan interstitial diffusion, sehingga stabilitas divais jangka panjang tidak

dapat terjamin dengan jenis impuriti ini.

39

Persamaan Difusi

Proses yang paling penting dalam fabrikasi IC monolitik adalah difusi impuriti ke dalam chip

silikon. Penyelesaian persamaan difusi menunjukkan adanya pengaruh suhu dan waktu terhadap

distribusi difusi.

Hukum Difusi Persamaan yang mengatur difusi atom-atom netral adalah:

dimana N adalah konsentrasi partikel (dalam atom per satuan isi) sebagai fungsi jarak x dari

permukaan dan waktu t, dan koefisien difusi D (dalam luas per satuan waktu).

The Complemenntary Error Function Jika sebuah wafer silikon intrinsik diletakkan dalam

ruangan yang berisi gas impuriti jenis-n dengan konsentrasi No atom per satuan isi, misalnya fosfor,

atom-atom ini akan berdifusi ke dalam kristal silikon dan distribusi impuritinya seperti gambar

berikut ini.

40

Jika difusi dibiarkan berlangsung dalam jangka waktu sangat lama, silikon akan mengalami doping

yang rata sebesar No atom per satuan isi. Maka dapat diasumsikan bahwa dengan konsentrasi atom

impuriti di permukaan tetap No selama waktu difusi dan bahwa N(x) = 0 pada t = 0 untuk x > 0.

dimana erfc y berarti error-function complement dari y, dan erf y adalah error-function dari y,

sedangkan erfc y = 1 - erf y dan grafik erfc y seperti berikut ini.

41

The Gaussian Distribution Jika banyaknya impuriti sebesar Q atom per satuan luas

dituangkan di atas suatu permukaan wafer, dan dipanasi, maka atom-atom impuriti itu akan berdifusi

ke dalam wafer. Jika syarat batasnya adalah ∫N(x)dx = Q, untuk waktu yang lama sekali dan N(x) = 0

pada t = 0 dan untuk x > 0 diterapkan pada persamaan di atas, maka diperoleh:

Rumus di atas ini untuk distribusi Gaussian dan grafiknya seperti berikut ini untuk dua waktu

t1 dan t2. Dalam grafik terlihat, bahwa bila waktu semakin lama, maka konsentrasi impuriti di

permukaan menjadi semakin berkurang.

Luas di bawah masing-masing kurva adalah sama, dan luas di bawah kurva itu menunjukkan

banyaknya impuriti yang didifusikan, yaitu Q yang konstan.

Dalam rumus di atas, waktu t dan koefisien difusi D selalu tampil sebagai hasil kali Dt.

Solid Solubility Dalam membuat rancangan IC, diinginkan profil difusi yang spesifik

(misalnya, complementary error function dari impuriti jenis-n). Untuk memilih impuriti-impuriti yang

tersedia (contohnya fosfor, arsen, antimon) yang dapat digunakan, maka harus tahu bahwa banyaknya

atom impuriti per satuan isi yang diperlukan untuk membuat profil yang spesifik itu harus lebih

rendah dari pada solid solubility (kelarutan padat) dari difusan (impuriti yang akan difusikan).

42

Solid solubility adalah konsentrasi maksimum No dari impuriti yang dapat diserap oleh silikon padat

pada suhu tertentu. Grafik di atas ini menunjukkan solid solubility dari beberapa impuriti.

Diffusion Coefficiets Suhu mempengaruhi proses difusi, bila semakin tinggi, suhu memberikan lebih

banyak energi, maka berarti kecepatannya semakin tinggi. Jadi jelas, bahwa koefisien difusi itu

merupakan fungsi dari suhu, seperti terlihat pada grafik berikut ini. Dari grafik ini dapat disimpulkan

bahwa koefisien difusi menjadi dua kali lipat bila suhu naik beberapa derajat.

Typical Diffusion Apparatus Agar proses difusi bisa berlangsung dalam waktu yang wajar,

maka proses difusi memerlukan suhu yang tinggi (sekitar 1000oC). Karena itu, fasilitas untuk

43

fabrikasi IC memerlukan peralatan yang standard berupa suatu tungku difusi bersuhu tinggi (high-

temperature diffusion furnace) yang suhunya dapat dikendalikan secara ketat di sepanjang hot zone

(20 in) dari tungku itu.

Sebagai sumber impuriti untuk tungku difusi itu dapat berupa gas, cair, atau padat. Misalnya

POCl3 yang cair, sering digunakan sebagai sumber impuriti fosfor. Gambar berikut ini peralatan yang

digunakan untuk difusi POCl3.

Dalam peralatan ini gas pembawanya (campuran nitrogen dan oksigen) dilewatkan difusan

cair, bergelembung-gelembung mengambil dan membawa atom-atom difusan ke silikon wafer.

Dengan menggunakan proses ini, bisa diperoleh distribusi complementary-error-function.

Untuk mendapatkan distribusi Gaussian, digunakan prosedur dua tahap. Tahap pertama

merupakan predeposition, dilaksanakan pada suhu sekitar 900oC, kemudian diikuti tahap drive-in

pada 1100oC.

Contoh Soal

Sebuah lapisan epitaksial silikon jenis-n yang didoping merata mempunyai resistivitas sebesar 0,5

ohm-cm dilakukan proses difusi boron dengan konsentrasi permukaan yang konstan sebesar 5 x 10 18

atom/cm3. Diinginkan untuk membentuk pn-junction pada kedalaman 2,7 mikrometer. Pada suhu

berapa difusi ini harus dilakukan jika difusi itu harus selesai dalam tempo 2 jam.

Jawab Konsentrasi impuriti boron di permukaan sebesar N atom/cm3 dan berkurang mengikuti jarak

ke dalam silikon.

44

Pada jarak x = xj, konsentrasi boron N sama dengan konsentrasi impuriti jenis-n di dalam

lapisan epitaksial silikon jenis-n, kerapatan impuriti bersih adalah nol.

Untuk x < xj kerapatan impuriti bersih adalah positip dan untuk x > x j kerapatan impuriti

bersih adalah negatip. Karena itu xj merupakan representasi jarak dari permukaan ke tempat junction

terbentuk.

45

Pertemuan 10

Transistor dalam IC Monolitik

Penampang tegak sebuah transistor planar dalam IC monolitik, yang difabrikasi dengan

proses epitaksial dan difusi, seperti gambar berikut ini.

Cross section of a monolthic IC transistor

Disini collector terpisah dari substrat secara elektrik karena dioda-dioda isolasinya dalam

keadaan reverse biased. Anoda dari dioda isolasi meliputi seluruh bagian belakang wafer, sehingga

kontak collector harus dibuat di atas, seperti terlihat pada gambar di atas tadi.

Jadi jelas sekarang, bahwa dioda isolasi dari transistor dalam IC mempunyai dua pengaruh

yang tidak diinginkan. Yaitu, dioda isolasi memperbesar kapasitansi shunt yang parasitik pada

collector dan memperpanjang jalur arus bocor. Selain itu, keharusan menempatkan sambungan

collector di atas dapat memperpanjang jalur arus-collector akibatnya resistansi collector dan VCE,sat

semakin besar.

Semua pengaruh yang tidak diinginkan itu tidak terdapat pada transistor epitaksial yang

diskrit, seperti yang terlihat pada gambar berikkut ini.

Cross section of a discrete planar epitaxial transistor

Kemudian, apa gunanya membuat transistor IC monolitik. Salah satunya adalah perbaikan

yang signifikan dalam kinerja, karena transistor-transistor dalam IC secara fisik terletak saling

berdekatan, dan karakteristik elektriknya hampir padan (matched). Misalnya, spasi transistor-

transistor dalam IC sekitar 30 mil (0,03 in), mempunyai VBE sebesar 5 mV dengan koefisien suhu 10

μV/oC. Transistor-transistor ini cocok untuk membuat sebuah difference amplifier unggulan.

46

Karakteristik elektrik sebuah transistor tergantung pada ukuran dan geometri transistor,

doping level, jadwal difusi, bahan dasar silikon. Dari semua faktor ini ukuran dan geometri

memberikan fleksibilitas perancangan yang terbesar. Doping level dan jadwal difusi ditentukan oleh

jadwal difusi standard yang dipakai untuk membuat transistor-transistor yang diinghinkan dalam IC.

Profil Impuriti Untuk Transistor IC Monolitik Transistor dalam IC Monolitik biasanya

mempunyai profil impuriti sebagai berikut.

A typical impurity profile in a monolithic IC transistor.

(Note that N(x) is plotted on a logarithmic scale)

Background concentration NBC (konsentrasi latarbelakang), atau epitaxial-collector

concentration, digambarkan dengan garis terputus-putus dalam grafik profil di atas ini. Difusi base

dari impuriti jenis-p (boron) dimulai dengan konsentrasi dipermukaan sebanyak 5 x 10 18 atom/cm3,

dan didifusikan sampai kedalaman 2,7 μm, pada tempat collector junction terbentuk.

Difusi emitter (fosfor) dimulai dengan konsentrasi permukaan yang jauh lebih banyak

(mendekati solid solubility-nya) sekitar 1021 atom/cm3, dan didifusikan sampai kedalaman 2 μm,

tempat emitter junction terbentuk. Junction ini merupakan titik potong grafik distribusi impuriti base

dengan grafik distribusi impuriti emmitter.

Sekarang terlihat bahwa ketebalan base untuk transistor dalam IC monolitik ini adalah 0,7

μm. Emitter-to-base junction biasanya merupakan sebuah step-graded junction, sedangkan base-to-

collector junction merupakan sebuah linearly graded junction.

Tataletak Transistor IC Monolitik Ukuran fisik sebuah transistor menentukan kapasitansi isolasi

parasitik juga kapasitansi junction. Karena itu biasany digunakan transistor-transistor dengan geometri

47

kecil jika IC itu dirancang untuk bekerja pada frekuensi tinggi atau bekerja pada kecepatan switching

tinggi. Geometri transistor dalam IC monolitik biasanya seperti gambar berikut ini.

A typical double-base stripe geometry of an integrated-circuit iransistor. Dimensions are in

mils.

Segiempat emitter berukuran 1 kali 1,5 mil, d idifusikan ke dalam daerah base 2,5 kali 4,0

mil. Kontak pada base dibuat dengan dua metalize stripe pada kedua sisi emitter. Rectangular

metalized area membentuk ohmic contact pada collector region. Rectangular collectror contact dari

transistor ini dapat mengurangi resistansi saturasi. Substrat dari struktur ini berada 1 mil di bawah

permukaan. Karena difusi berlangsung dalam tiga dimensi, jadi jelas bahwa jarak lateral-diffusion

akan juga 1 mil. Segiempat terputus-putus dalam gambar di atas ini menyatakan daerah substrat

dengan ukuran 6,5 kali 8 mil.

Sifat-sifat elektrikal dari transistor ini, baik untuk collector yang dengan resistivitas 0,5

ohm.cm maupun yang dengan resistivitas 0,1 ohm.cm dirangkum dalam tabel berikut ini.

48

Buried Layer Karena kontak collector-nya berada di atas, transistor dalam IC mempunyai

resistansi collector seri lebih besar dari pada transistor jenis diskrit yang sama. Salah satu metoda

yang biasa digunakan untuk mengurangi resistansi collector seri adalah dengan jalan membuat sebuah

buried layer (lapisan terpendam) jenis-n+ yang heavily doping, yang di-sandwiched di antara substrat

jenis-p dan collector epitaksial jenis-n, seperti terlihat pada gambar berikut ini.

Utilization of 'buried' n+ layer to reduce collector series resistance

Struktur lapisan terpendam dapat dibuat dengan jalan mendifusikan lapisan n+ ke dalam

substrat sebelum collector epitaksial jenis-n ditumbuhkan, atau dengan jalan menumbuhkan lapisan

jenis-n secara selektip, dengan menggunakan masked epitaxial technique.

Transistor p-n-p Lateral Transistor dalam IC yang standard adalah jenis n-p-n, seperti yang

sudah dibahas disini. Dalam beberapa aplikasi sering memerlukan transistor baik yang n-p-n maupun

yang p-n-p pada chip yang sama. Struktur p-n-p lateral terlihat pada gambar berikut ini merupakan

bentuk transistor p-n-p yang paling sering digunakan.

A pnp lateral transistor

49

Transistor p-n-p ini menggunakan teknik difusi yang standard seperti yang digunakan untuk

n-p-n, difusi n yang terakhir (yang digunakan transistor n-p-n) tidak dilaksanakan.

Transistor p-n-p VertikalTransistor ini menggunakan subtrat sebagai collector p, lapisan epitaksial n

sebagai base, dan base p dari transistor n-p-n standard sebagai emitter dari transistor p-n-p ini. Seperti

sudah dibahas disini bahwa subtrat harus dihubungkan pada potensial yang paling negatip dalam IC.

Karena itu, transistor p-n-p vertikal dapat digunakan hanya bila collector-nya bertegangan negatip

tetap. Konfigurasi seperti itu dinamakan emitter follower.

Transistor n-p-n Supergain Jika emitter didifusikan sedemikian rupa sehingga mengurangi

ketebalan efektip dari base hampir mendekati yang dinamakan titik punch-through, current gain bisa

meningkat secara drastis (biasanya, 5.000). Tapi, breakdown voltage berkurang sampai pada harga

yang sangat rendah (misalnya 5 volt).

Jika sebuah transistor seperti itu dalam konfigurasi common emitter (CE) dihubungkan seri

dengan sebuah transistor dalam konfigurasi common base (CB) di dalam IC standard (sebuah

kombinasi seperti itu dinamakan rangkaian cascode), maka diperoleh superhigh gain dengan arus

yang sangat kecil dan dengan breakdown voltage di atas 50 volt.

Rancangan Tataletak Transistor n-p-n Untuk rancangan tataletak transistor n-p-n terdapat

bermacam-geometri permukaan. Yang dibahas disini rancangan tataletak sebuah single base stripe

single collector stripe isolated n-p-n transistor dengan penampang tegak sebagai berikut

Cross section of a single-base stripe single-collector stripe isolated npn transistor

Bila semua isolasi sudah selesai dikerjakan dalam proses difusi isolasi dan seluruh permukaan

wafer sudah dilapisi silikon dioksida, maka fabrikasi transistor dalam IC masih memerlukan masker-

masker untuk difusi:

buried layer jenis-n+

isolasi jeis-p

base jenis-n

50

emitter n+

window untuk contact

lapisan metalisasi

Pada umumnya, kecuali bila diprelukan jarak antar trasistornya yang closed matching, kinerja

suatu transistor IC tidak tergantung pada pada geometri permukaan. Karena itu transistor yang palinng

sering terpakai dalam IC adalah transistor yang memerlukan luas permukaan yang kecil. Luas

permukaan kecil yang diperlukan itu tergantung pada ukuran window yang minimum, lebar line yang

minimum, dan toleransi urutan proses yang digunakaan. Untuk transistor npn tunggal (isolated npn

transistor) memerlukan satu set masker seperti gambar berikut ini.

A set of masks for npn transistor

Untuk menunjukkan hubungan atara masker yang satu dengan masker yang lain ( inter

relationship) maka pada gambar berikut ini ditunjukkan dalam susunan superimpose:

51

Layout of a single-base stripe single-collector stripe npn transistor with buried layer

52

Pertemuan 11

Dioda dalam bentuk IC Monolitik

Dioda dalam IC dibuat dengan menggunakan salah satu struktur transistor dari enam

konfigurasi yang mungkin.

Tiga dari enam konfigurasi dioda yang paling banyak digunakan seperti pada gambar berikut.

Ketiga struktur dioda itu dibuat dari struktur transistor dengan jalan menggunakan dioda

emitter-base, dengan collector dihubung-singkat pada base (a); dioda emitter-base, dengan collector

dibiarkan terbuka (b); dan dioda collector-base, dengan emitter dihubung-terbuka (atau tidak

difabrikasi sama sekali) (c). Pemilihan dioda yang akan digunakan tergantung pada aplikasi dan

kinerja IC yang diinginnkan.

Dioda-dioda collector-base mempunyai tingkat collector-base voltage-breaking dari collector

junction yang lebih besar (minimum 12 volt), dan dioda-dioda collector-base cocok untuk common-

53

cathode diode arrays yang didifusikan ke dalam sebuah isolation island tunggal, seperti gambar

berikut ini.

Common-anode diode arrays dapat juga dibuat dengan collector-base diffusion, seperti terlihat pada

gambar berikut ini.

Untuk setiap dioda diperlukan daerah isolasi yang terpisah, dan anoda dihubungkan dengan

metalisasi.

Difusi dioda emitter-base banyak digunakan untuk fabrikasi dioda yang mempunyai

persyaratan reverse-voltage dari IC yang meliwati batas bawah base-emitter breakdown voltage

(sekitar 7 volt).

54

Common-anode diode arrays dapat dengan mudah dibuat dengan difusi emitter-base dengan

jalan menggunakan transistor multi-emitter dalam daerah isolasi tunnggal, seperti terlihat pada

gambar berikut ini.

Collector bisa terbuka atau dihubung-singkat pada base.

Karakteristik Dioda Karakteristik forward volt-ampere dari tiga macam dioda itu terlihat pada

gambar berikut ini.

Karakteristik volt-ampere untuk ketiga macam dioda pada grafik di atas ini.

a. base-emitter (collector dihubung-singkat dengan base)

b. base-emitter (collector terbuka)

55

c. collector-base (emitter terbuka)

Terlihat dalam karakteristik dioda diatas ini, transistor yang dihubungkan sebagai dioda

(dioda emitter-base dengan collector dihubung-singkat pada base) mempunyai konduksi yang terbesar

pada suatu tegangan forward tertentu. Reverse recovery time untuk dioda ini lebih cepat, sepertiga

sampai seperempat dari dioda collector-base.

56

Pertemuan 12

Resistor dalam IC Monolitik

Resistor dalam IC monolitik sering diperoleh dengan menggunakan bulk resistivity dari salah

satu daerah yang didifusikan. Difusi base jenis-p paling sering digunakan, meskipun difusi emitter

jenis-n juga digunakan. Karena lapisan difusi ini sangat tipis, maka lebih mudah mendefinisikan

besaran yang disebut sheet resistance (Rs).

Sheet Resistance Jika, pada gambar berikut ini, lebar W sama dengan panjang L, maka

diperoleh sebuah bujursangkar L kali L dari bahan dengan resistivitas ρ, ketebalan y, dan luas

penampang tegak A = Ly.

Resistansi konduktor bujursangkar ini (dalam ohm per square) adalah: R = rho.L/A =

rho.L/Ly sehingga R = ρ/y yang dinamakan sheet resistance Rs dengan satuan ohm/sq.

Hendaknya dicatat disini bahwa Rs tidak tergantung pada ukuran bujursangkar (square).

Biasanya, sheet resistance difusi base dan difusi emitter berturut-turut adalah 200 ohm/sq dan 2,2

ohm/sq. Konstruksi sebuah resistor difusi base terlihat seperti pada gambar berikut ini.

Dan tampak atasnya terlihat pada gambar di atas ini.

57

Harga resistansi dapat dihitung sebabai berikut.

R = ρ.L/A = ρ.L/yW = (ρ/y)(L/W) maka R = Rs.(L/W)

Dimana L dan W adalah panjang dan lebar daerah difusi seperti yang terlihat pada tampak

atas. Misalnya sebuah base-diffused-resistor stripe dengan lebar 1 mil dan panjang 10 mil mempunyai

harga 10 x 200 sama dengan 2000 ohm. Koreksi untuk kontak ujung, biasanya secara empiris

dimasukkan dalam perhitungan harga R.

Resistance Value Karena sheet resistance dari difusi base dan dari difusi emitter itu tetap, satu-

satunya parameter yang ada untuk disain resistor difusi adalah panjang stripe dan lebar stripe.

Lebar stripe yang kurang dari 1 mil (0,001 inci) tidak biasa digunakan, karena ada yang

dinamakan line-width variation sebesar 0,001 inci akibat dari mask drawing error, atau mask

misalignment, atau photographic-resolution error yang dapat menimbulkan resistor-tolerance error

(kesalahan toleransi resistor) sebesar 10%.

Rangkaian Ekivalen Sebuah model resisstor difusi yang terlihat pada gambar berikut ini termasuk di

dalamnya kapasitansi-kapasitansi isolasi-base (C1) dan junction-junction isolasi-substrat (C2). Selain

itu, dapat terlihat adanya transistor parasitik p-n-p, subtrat sebagai collector, daerah isolasi jenis-n

sebagai base, bahan jenis-p dari resistor sebagai emitter.

Collector dari transistor parasitik itu dalam keadaan reverse-bias karena subtrat jenis-p berada

pada potensial yang paling negatip. Emiter harus juga reverse-bias agar transistor parasitik tetap

dalam keadaan cutoff. Keadaan ini dapat diperoleh dengan jalan menempatkan semua resistor dalam

isolation region yang sama dan menghubungkan isolation region jenis-n di sekeliling resistor-resistor

pada tegangan yang paling positip yang ada di dalam IC. Transistor parasitik mempunyai harga h f

biasanya dalam selang dari 0,5 sampai 5.

58

Thin-film Resistor Dengan menggunakan teknik yang disebut vapor thin-film deposition dapat juga

difabrikasi resistor-resistor untuk IC. Di atas lapisan silikon dioksida dibuat lapisan film metal

(biasanya nichrome NiCr) dengan ketebalan kurang dari 1 mikrometer, dan dengan proses etching

memakai masker dibuat geometri yang diinginkan.

Kemudian di atas resistor logam itu dibuat lapisan insulator, sedangkan lubang-lubang bukaan

(window) untuk ohmic contact dibuat melalui lapisan insulator ini. Resistor-resistor thin-film

nichrome mempunyai harga sheet-resistance sebesar 40 sampai 400 ohm/sq yang dapat menimbulkan

resistansi dari sekitar 20 ohm sampai 50 kiloohm.

Rancangan Tataletak Resistor Difusi Dalam IC sering diperlukan resistansi yang besar. Untuk

memfabrikasi sebuah resistor difusi dalam IC biasanya dilakukan dengan difusi impuriti-p, seperti

halnya difusi base untuk transistor n-p-n dalam IC. Resistor difusi dalam IC mempunyai penampang

tegak dengan struktur sebagai berikut.

59

Harga resistansi ditentukan oleh geometri (panjang L dan lebar W) dari tampak atas permukan resistor

difusi, disamping ditentukan karakteristik profil impuritinya.

R = Rs (L/W)

L/W disebut aspect ratio dari geometri permukaan resistor, Karena itu, aspect ratio L/W

menunjukkan banyaknya square yang efektip yang terdapat dalam resistor difusi.

Bila semua isolasi sudah selesai dikerjakan dengan proses difusi isolasi dan seluruh

permukaan wafer sudah selesai dilapisi silikon dioksida, maka fabrikasi resistor difusi masih

memerlukan masker-masker untuk proses-proses:

1. difusi jenis-p

2. pembuatan lubang-lubang kontak (window)

3. pembuatan lapisan metalisasi interkoneksi

Masker-masker yang diperlukan dalam fabrikasi resistor difusi itu juga dibuat dengan

menggunakan sistem fotografi seperti pada pembuatan masker-masker untuk kapasitor MOS. Jika

sheet resistance Rs diketahui maka aspect ratio L/W dapat dihitung dengan L/W = R Rs.

Dalam merancang tataletak resistor difusi harus diketahui bagaiman kontak untuk resistor  itu

dibuat, karena geometri resistor mempengaruhi harga resistansinya. Antara aluminium dan silikon

terdapat yang dinamakan ohmic contact yang konduktansinya 0,08 mho/mil2. Artinya, contact

window seluas 1 mil2 dapat menimbulkan resistansi sebesar 1/0,08 = 12,5 ohm, yang harus

dimasukkan dalam perancangan tataletak resistor difusi.

Contact window tidak boleh overlapping (tumpang tindih) dengan bagian tepi dari resistor,

karena harus memenuhi kesalahan registrasi, maksimum sebesar 1 mil. Bila dimensi contact window

itu minimum 1 x 1 mil, maka berarti lebar badan resistor itu W = 1 + 1 + 1 = 3 mil.

60

Yang sering terjadi, lebar badan resistor itu W = 1 mil. Sehingga untuk mendapatkan

registration clearance, bagian ujung resistor (disebut end pad) harus diperlebar seperti terlihat pada

gambar berikut ini.

Meskipun end pad itu 3 x 3 mil, tapi nilainya hanya 0,65 square, bukan 9 square.

Bila diperlukan resistansi yang jauh lebih besar, maka timbul masalah. Misalnya, diperlukan

sebuah resistor 100 kilo-ohm dalam sebuah chip yang berukuran 100 x 100 mil. Dengan sheet

resistance Rs = 200 ohm/sq dan lebar W = 1 mil, maka resistor mempunyai kurang lebih L = 500 mil.

Sehingga tataletak resistor itu tidak mungkin dibuat memanjang lurus. Dalam hal ini harus

diterapkan tataletak dengan geometri zig-zag atau maze, seperti pada gambar berikut ini.

61

Tapi, pada lebar badan resistor ada garis-garis gaya medan listrik yang tidak rata, yaitu lebih

rapat pada bagian sudut dalam. Sehingga satu squarepada sudut resistor tidak lagi 1 sq tapi sekitar

0,65 sq. Jadi, kalau dipandang perlu untuk menekuk resistor itu, maka hal ini harus diperhitungkan.

Contoh Soal

Buatlah rancangan tataletak resistor difusi sebesar 2 kilo-ohm, dengan resistance sheet Rs =

200 ohm/sq, layout tolerance Δx/W = 5%, dan drafting accuraacy Δx = 0,00625 inch.

62

Pertemuan 13

Kapasitor dan Induktor dalam IC Monolitik

Kapasitor dalam IC bisa diperoleh dengan menggunakan kapasitansi transisi dari pn-junction

yang reversed bias atau dengan menggunakan teknik thin film.

Kapasitor Junction Suatu penampang tegak sebuah kapasitor junction terlihat pada gambar

berikut ini.

Kapasitor terbentuk oleh junction J2 yang reverse-biased yang memisahkan lapisan epitaksial

jenis-n dari daerah difusi jenis-p di atasnya. Sebuah junction tambahan J1 yang timbul antara bidang

epitaksial jenis-n dan substrat, merupakan kapasitansi parasitik C1 yang terkait dengan junction yang

reverse biased.

Rangkaian ekivalen dari kapasitor junction terlihat berikut ini, dimana kapasitansi yang

diinginkan C2 harus relatip sebesar mungkin terhadap C1.

Harga C2 tergantung pada luas junction dan konsentrasi impuriti. Resistansi seri R (10 sampai

50 ohm) merupakan resitansi lapisan jenis-n.

63

Jadi jelas, bahwa substrat itu harus berada pada tegangan yang paling negatip agar meminisasi

C1 dan mengisolasi kapasitor dari elemen-elemen yang lain dengan jalan junction J 1 tetap dalam

keadaan reverse biased. Harus diingat bahwa kapasitor junction C2 adalah kapasitor polar, karena p-n

junction J2 harus selalu dalam keadaan reverse biased.

Kapasitor MOS Kapasitor metal-oxide-semiconductor (MOS) nonpolar mempunyai

penampang tegak seperti yang terlihat pada gambar berikut ini. Struktur ini merupakan kapasitor

keping sejajar dengan silikon dioksida sebagai dielektrik. Keping atasnya adalah sebuah lapisan thin

film logam (aluminnium). Keping bawah terdiri dari heavily doped n+ region yang terbentuk ketika

difusi emitter dilakukan.

Harga kapasitansinya biasanya 0,4 pF/mil2 untuk ketebalan silikon dioksida 500 Ӓ, kapasitansi itu

berubah mengikuti ketebalannya.

64

Rangkaian ekivalen kapasitor MOS seperti pada gambar berikut ini, dimana C1 menyatakan

kapasitansiparasitik J1 dari collector-subbstrate junction, dan R adalah resistansi seri kecil dari n+

region.

Tabel berikut ini merupakan daftar selang harga parameter-parameter dari kapasitor junction

dan kapasitor MOS.

Sering kali penampang tergak kapasitor MOS digambarkan juga dengan struktur sebagai berikut.

65

Kapasitor Thin Film Penampang tegak kapasitor thin film mempunyai struktur sebagai

berikut.

Rancangan Kapasitor MOS Sekarang akan dibahas rancangan sebuah kapasitor MOS dalam

IC dengan struktur penampang tegaknya seperti berikut ini.

Kapasitor MOS dalam IC merupakan kapasitor keping sejajar. Keping bawah dibuat dengan

proses difusi n+ yang heavily doping, dikerjakan bersamaan dengan proses difusi emitter untuk

transistor n-p-n dalam IC. Lapisan dielektriknya merupakan lapisan silikon dioksida tipis. Sebagai

keping atasnya adalah lapisan metalisasi tipis yang dikerjakan bersamaan dengan pembuatan lapisan

metalisasi untuk interkoneksi.

Bila semua isolasi sudah selesai dikerjakan dengan proses difusi isolasi, dan seluruh

permukaan sudah dilapisi silikon dioksida, maka fabrikasi kapasitor MOS masih memerlukan masker-

masker untuk proses-proses:

1. difusi n+

2. pembuatan lapisan silikon dioksida

3. pembuatan lubang kontak (window)

4. pembuuatan lapisan metalisasi untuk keping atas metal dan konduktor interkoneksi.

Dalam pembuatan masker, dimensi keping kapasitor ditentukan dengan asumsi bahwa yang

dinamakan fringing effect boleh diabaikan, sehingga kapasitansi kapasitor MOS dapat dihitung rumus

kapasitor keping sejajar ini.

66

C = (Ko εo A )/d

Dimana:

Ko = kostante dielektrik relatip silikon dioksida = 3,9

εo = permitiviti ruang bebas = 88,6 x 10-12

d = ketebalan dielektrik silikon dioksida

A = luas keping atas yang efektip

Dalam kapasitor MOS, luas keping bawah harus lebih besar dari keping atas, karena fringing

effect boleh diabaikan, sehingga luas keping atas dianggap luas A yang efektip.

Keping bawah kapasitor MOS harus lebih luas dari pada keping atasnya. Karena fringing

effect dapat diabaikan, sehingga luas keping atas harus dibuat seminimum mungkin, untuk dapat

dianggap sebagai luas yang efektip. Selain itu, untuk memperoleh kapasitansi yang besar, ketebalan

dielektrik harus dibuat yang setipis mungkin. Dengan teknologi yang ada saat ini ketebalan dielektrik

dapat dibuat sampai setipis 500 Ӓ.

Dalam merancang tataletak kapasitor MOS, pertama-tama harus dihitung dimensi keping atas.

Sebelum diimplementasikan, hasil hitungan itu harus disesuaikan dengan parameter-parameter

pembuatan masker, dan juga disesuaikan dengan teknologi difusi yang digunakan.

Karena dimensi masker itu sangat kecil, terlebih dahulu harus dibuat yang dinamakan artwork

dalam dimensi yang jauh lebih besar. Kemudian artwork itu dperkecil (direduksi) dengan sistem

fotografi sampai mendapatkan masker dengan dimensi yang diinginkan.

Jadi, sebelum membuat artwork harus diketahui dan dipahami sistem fotografi yang

digunakan dalam pembuatan masker. Selain itu, juga harus dipahami berapa besar rasio fotoreduksi,

dan jenis fotoresis yang digunakan.

Biasanya yang sering digunakan:

1. sistem fotoreduksi dua tahap, memakai dua image reversal (pembalik citra.

2. total reduction ratio sebesar 125 kali

3. fotoresist negatip

Jika menggunakan fotoresist negatip, maka bagian fotoresist negatip yang terkena sinar

ultraviolet yang menembus bagian masker yang transparan, menjadi tidak larut (mengeras) dalam

67

larutan yang disebut developer . Sehingga bagian silikon dioksida yang akan dibuka sebagai window

harus diletakkan di bawah fotoresist yang tidak terkena sinar ultraviolet.

Selain itu, juga harus dipahami berapa dimensi bukaan window yang diperbolehkan, berapa

besar registration errors maksimum selama dikerjakan alignment masker-masker berurutan di atas

wafer. Biasanya lubang bukaan window minimum 1 x 1 mil, dan registration errors maksimum 1 mil.

Contoh Soal

Buatlah rancangan tataletak sebuah kapasitor MOS dalam IC dengan kapasitansi sebesar 100 pF.

Induktor dalam IC Induktor untuk IC mempunyai masalah khusus. Divais IC pada dasarnya

dua dimensi, dalam dimensi kedalaman biasanya sangat tipis (sekitar 1 sampai 10 μm) dibandingkan

68

dengan dimensi lateralnya. Induktor untuk IC dapat dibuat dalam bentuk sebuah spiral thin-film

metalik yang datar, tapi induktansinya hanya beberapa nanohenry.

Kombinasi harga induktansi yang sangat rendah dengan resistansi seri dari spiral metalisasi

thin-film akan menghasilkan faktor-Q yang sangat rendah, jadi kegunaan jenis induktor ini sangat

terbatas. Untuk setiap harga induktansi yang wajar, diperlukan sebuah struktur kumparan tiga-dimensi

dengan banyaknya lilitan yang besar agar menghasilkan kerapatan flux magnetik dan sejumlah flux-

linkage yang sangat besar.

Dalam banyak hal, penggunaan induktansi sebisa mungkin dihindari pada pembuatan disain

sistem IC. Pada rangkaian feedback banyak yang menggunakan RC network sebagi pengganti LC

tuned circuit atau membuat sebuah net input admittance yang bersifat induktip.

Untuk aplikasi yang lain, misalnya pada rangkaian RF dan IF, dimana penggunaan induktor

itu mutlak, maka harus digunakan induktor eksternal pada paket IC itu. Perkecualian pada hal ini

adalah thin-film hybrid microwave integrated circuits (MMICs), boleh menggunakan thin-film spirals.

69

Pertemuan 14

Crossover dalam IC monolitik

Sering kali terjadi tataletak dalam IC monolitik memerlukan dua jalur konduktor yang

bersilangan satu sama lain. Crossing seperti ini tidak mungkin dibuat langsung karena akan berakibat

terjadi kontak elektrik antara dua bagian.

Salah satu cara yang tidak memerlukan penambahan atau perubahan tahap fabrikasi adalah

dengan jalan membuat yang disebut buried crossover, yang penampang tegaknya sebagai berikut.

Sedangkan tampak atas geometri permukaan buried crossover ini seperti yang terlihat berikut

ini.

Buried crossover dibuat dengan difusi n+ yang dikerjakan secara bersamaan dengan difusi

emitter n+. Pada kedua ujung buried crossover dibuat window (lubang) untuk kontak-kontaknya. Di

antara kedua kontak itu diberi ruang yang cukup untuk dilalui metal stripe di atas silikon dioksida.

Bahan difusi n+ merupakan konduktor sedangkan metal stripe yang menyilang di atasnya tersekat oleh

silikon dioksida, sehingga tidak ada hubungan elektrik di antara kedua jalur itu.

70

Karena difusi n+ untuk buried crossover dilaksanakan bersamaan dengan difusi emitter n+,

maka untuk membuat buried crossover tidak perlu ada tahap fabrikasi tambahan.

Tapi bahan difusi n+ itu dapat menimbulkan resistansi seri tambahan, sehingga buried

crossover sebisa mungkin jangan digunakan, misalnya, pada jalur power supply atau jalur ke ground.

Karena memerlukan isolation region tersendiri, sehingga adanya buried crossover dapat

menambah luas permukaan chip.

Sebelum memutuskan untuk membuat buried crossover, harus dipastikan bahwa buried

crossover itu memang sangat diperlukan. Cukup dengan mengamati diagram IC-nya secara sepintas,

apakah ada resistor difusi yang di atasnya ada ruang yang cukup untuk dilalui metal stripe sebagai

implementasi sebuah crossover, seperti gambar berikut ini

Selama harga resistansi dari resistor difusi itu cukup besar, sehingga di antara kedua kontak

resistor difusi ada ruang yang cukup untuk dilalui metal stripe, maka disitu dapat dijadikan crossover

seperti yang terlihat pada gambar di atas.

Kadang-kadang membuat crossover dapat dihindari dengan jalan menggunakan transistor

dengan double base stripe atau menggunakan transistor dengan double collector stripe. Gambar

berikut ini menunjukkan crossing (persilangan) sambungan base dengan sambungan emitter yang

diatasi dengan memakai transistor dengan double base stripe.

71

Dengan memakai teknik-teknik seperti di atas tadi, maka untuk mengimplementasikan suatu

crossover tidak harus ada kompromi dengan kinerja IC.

Jika tidak ada masalah untuk menggunakan lebih dari satu lapisan interkoneksi metal, maka

crossover dapat diimplementasikan sebagai berikut.

Pertama-tama IC diproses seperti biasanya, sesudah mengikis bagian lapisan metal yang tidak

diperlukan kemudian di atas permukaan wafer dibuat lapisan silikon dioksida di dalam sebuah reaktor

dengan proses dekomposisi pirolitik dengan silane pada suhu di bawah 300oC. Karena dilakukan pada

suhu yang relatip rendah, pola interkoneksi metal yang sudah ada tidak mengalami kerusakan.

Selanjutnya dibuat window (lubang) pada lapisan silikon baru, kemudian dibuat lapisan metal

yang kedua, dan bagian lapisan metal kedua yang tidak diinginkan dikikis dengan cara seperti

biasanya. Penampang tegak crossover yang diperoleh seperti gambar berikut ini.

72

Karena pembuatan crossover metal multi-lapis ini memerlukan beberapa tahap proses

tambahan, maka cara implementasi seperti ini sedapat mungkin dihindari.

73

Pertemuan 15

Tataletak dalam IC monolitik

Inovasi merupakan salah satu kata kunci di masa depan, terutama di dunia rekayasa. Untuk itu

diperlukan pemikiran-pemikiran yang inovatif. Agar dapat berpikir inovatif, mahasiswa dapat belajar

dari kasus-kasus rekayasa yang menggambarkan best practices. Dengan studi kasus itu mahasiswa

dapat membuka wawasan tentang suatu permasalahan dalam kegiatan pembelajarannya.

Tataletak dalam IC monolitik

Design Rules untuk tataletak dalam IC monolitik

Sekarang akan dibahas bagaimana caranya merekayasa tataletak dalam IC monolitik untuk rangkaian

logika diskrit yang disebut gerbang diode transistor logic (DTL) dengan tiga input. Diagram skema

Standard 3-input DTL NAND seperti di bawah ini.

Sebuah Gerbang Diode Transistor Logic

Prinsip kerja sebuah DTL NAND dengan tiga input dapat dianalisis dengan diberi input LOW

dan input HIGH. Jika input1, input2, input3 semuanya diberi LOW, maka dioda D1, D2, D3

semuanya menjadi forward bias. sedangkan D4 reversed bias dan D5 forward bias. Maka transistor

output menjadi cutoff dan Output menjadi HIGH.

74

Jika input1, input2, input3 semuanya diberi HIGH, maka dioda D1, D2, D3 semuanya

menjadi reversed bias. Sedangkan D4 forward bias dan D5 reversed bias. Maka transistor output

menjadi saturation dan Output menjadi LOW.

Jika dibuatkan tabel kebenarannya didapatkan tabel berikut ini.

INP1 INP2 INP3 OUT

L L L H

L L H H

L H L H

L H H H

H L L H

H L H H

H H L H

H H H L

75

Untuk membahas rekayasa tataletak dalam IC DTL itu, disini menggunakan sepuluh aturan

disain menurut Philips berikut ini.

1. Gambar ulang diagram skema gerbang DTL itu dengan syarat banyaknya pin connection

seminimum mungkin.

The schematic redrawn to indicate the 10 external connections arranged in the sequence in

which they will be brought out to the header pins. The isolation region are shown in heavy

outline.

2. Dari hasil gambar ulang ini terlihat ada 10 external connections yang tersusun dalam urutan

sambungan yang dihubungkan keluar dengan header pins.

3. Tentukan banyaknya isolation island dengan mempertimbangkan potensial collector, dan

kurangi luasnya sebesar mungkin.

4. Tempatkan semua resistor yang mempunyai potensial tetap pada satu ujung dalam isolation

island yang sama, dan kembalikan isolation island itu ke potensial yang paling positip dalam

IC.

5. Hubungkan substrat pada potensial yang paling negatip

76

6. Di dalam tataletak, usahakan sebuah batas isolasi sama dengan dua kali ketebalan epitaksial

untuk memungkinkan underdiffusion.

7. Gunakan lebar 1 mil untuk daerah-daerah difusi emitter, dan gunakan lebar 1/2 mil untuk

kontak base dan spasi, dan untuk kontak collector dan spasi.

8. Untuk resistor-resistor, gunakan disain-disain selebar mungkin kosisten dengan pembatasan

ukuran die. Resistansi-resistansi harus mempuyai aspect ratio yang kecil harus mempunyai

lebar yang sama dan ditempatkan bedekatan satu sama lain.

9. Selalu mengoptimalkan susunan tataletak untuk mendapatkan ukuran die yang sekecil

mungkin, jika perlu, dikompromikan dengan sambungan-sambungan pin untuk mencapai

tataletak yang optimal.

10. Tentukan geometri-geometri komponen berdasarkan persyaratan-persyaratan IC.

11. Semua jalur metalisasi dibuat yang sependek dan selebar mungkin, terutama pada

sambungan-sambungan keluaran emitter dan collector dari transistor yang dalam keadaan

saturasi.

Dalam gambar ulang di atas tadi, terlihat ada sambungan-sambungan eksternal diberi label 1,

2, 3, ...., 10 dan tersusun menurut ururutan sambungan yang dihubungkan pada header pins. Dalam

gambar di bawah ini terlihat pin-pin power supply dikelompokkan menjadi satu, juga sambungan-

sambungan input pada pin-pin yang berdekatan. Secara umum, sambungan-sambungan eksternal

ditentukan oleh sistem dimana IC itu digunakan.

Pin-pin power supply dikelompokkan menjadi satu, juga sambungan-sambungan input pada pin-pin

yang berdekatan

77

Sering kali tataletak IC monolitik memerlukan jalur konduksi (misalnya jalur 5 dan 6)

yang menyilang di atasnya satu sama lain.

Crossover ini tidak dapat dibuat langsung karena hal ini dapat menimbulkan kontak elektrik

antara kedua bagian dari IC. Karena semua resistor dilindungi lapisan silikon dioksida, maka setiap

resistor dapat dimanfaatkan sebagai sebuah crossover. Dengan kata lain, jika metalisasi aluminium

melintas di atas resistor, tidak akan terjadi kontak elektrik di antara resistor dan aluminium.

Kadang-kadang tataletak itu sedemikian rumitnya sehingga memerlukan titik-titik tambahan

untuk membuat crossover. Bila dimungkinkan  bisa juga membuat sebuah crossover dengan struktur

difusi. Selanjutnya menentukan banyaknya isolation island. Karena collector dari transistor

memerlukan satu isolation island sendiri, maka sebuah segi-empat dengan garis tebal digambar di

sekeliling transistor, seperti yang terlihat pada gambar berikut ini.

Karena semua resistor dilindungi lapisan silikon dioksida, maka setiap resistor dapat dimanfaatkan

sebagai sebuah crossover

Segi-empat dengan garis tebal itu terlihat dihubungkan pin output 2 karena isolation island ini

juga merupakan collector dari transistor. Selanjutnya, semua resistor diletakkan dalam isolation island

yang sama, dan kemudian isolation island itu  dihubungkan pada tegangan yang paling positip dalam

IC.

Untuk menentukan banyaknya isolation island yang diperlukan dioda-dioda, pertama-tama

memilih dioda jenis apa yang akan difabrikasi. Dalam hal ini, karena mempunyai rugi tegangan

78

forward yang rendah, maka diputuskan untuk membuat jenis common-anode diodes dengan collector

dihubung-singkat ke base.

Karena 'collector' berada pada potensial 'base', maka digunakan sebuah single isolation island

untuk membuat keempat common-anode diodes. Akhirnya, dioda yang tersisa difabrikasi sebagai

dioda emitter-base dengan collector dibiarkan terbuka, sehingga dioda itu memerlukan sebuah

isolation island yang terpisah.

Urutan Fabrikaasi

Tataletak IC monolitik yang final diperoleh dengan sebuah proses yang disebut trial-and-

error, tujuannya untuk mendapatkan ukuran die size yang sekecil mungkin. Tataletak ini terlihat pada

gambar berikut ini.

Monolithic design layout

Perhatikan keempat isolation island, ketiga resistor, kelima dioda, dan transistor dalam

tataletak di atas ini. Perlu dicatat disini, bahwa resistor 5,6 K diperoleh dengan resistor 1,8 K yang

lebarnya 2 mil seri dengan resistor 3,8 K yang lebarnya 1 mil. Untuk menghemat tempat, resistor itu

dilipat balik. Selain itu, kedua crossover metalisasi dibuat meliwati di atas resistor-resistor ini.

Berdasarkan tataletak di atas ini, manufaktur membuat masker-masker yang diperlukan untuk

79

fabrikasi IC monolitik. Urutan produksinya yang melibatkan difusi-difusi isolasi, base, dan emitter,

preohmic etch, metalisasi aluminium, dan flat package assembly terlihat pada gambar di bawah ini.

Monolithic fabrication sequence

Berikut ini gambar diagram skema sebuah gerbang TTL NAND dengan dua input yang standard.

Buatlah diagram skema sebuah gerbang Standard 4-input TTL NAND yang layout-nya seperti pada

gambar di bawah ini.

80

Layout of a dual 4-input TTL NAND gate

Contoh Daftar tipe IC

Part

numberDescription

7400 quad 2-input NAND gate

741G00 single 2-input NAND gate

7401 quad 2-input NAND gate with open collector outputs

741G01 single 2-input NAND gate with open drain output

7402 quad 2-input NOR gate

741G02 single 2-input NOR gate

7403 quad 2-input NAND gate with open collector outputs

741G03 single 2-input NAND gate with open drain output

7404 hex inverter

741G04 single inverter

7405 hex inverter with open collector outputs

741G05 single inverter with open drain output

7406 hex inverter buffer/driver with 30 v open collector outputs

81

741G06 single inverting buffer/driver with open drain output

7407 hex buffer/driver with 30 v open collector outputs

741G07 single non-inverting buffer/driver with open drain output

7408 quad 2-input AND gate

741G08 single 2-input AND gate

7409 quad 2-input AND gate with open collector outputs

741G09 single 2-input AND gate with open drain output

7410 triple 3-input NAND gate

7411 triple 3-input AND gate

7412 triple 3-input NAND gate with open collector outputs

7413 dual Schmitt trigger 4-input NAND gate

7414 hex Schmitt trigger inverter

741G14 single Schmitt trigger inverter

7415 triple 3-input AND gate with open collector outputs

7416 hex inverter buffer/driver with 15 v open collector outputs

7417 hex buffer/driver with 15 v open collector outputs

741G17 single Schmitt-trigger buffer

7418 dual 4-input NAND gate with Schmitt trigger inputs

7419 hex Schmitt trigger inverter

7420 dual 4-input NAND gate

7421 dual 4-input AND gate

7422 dual 4-input NAND gate with open collector outputs

7423 expandable dual 4-input NOR gate with strobe

7424 quad 2-input NAND gate gates with schmitt-trigger line-receiver inputs.

7425 dual 4-input NOR gate with strobe

7426 quad 2-input NAND gate with 15 v open collector outputs

7427 triple 3-input NOR gate

741G27 single 3-input NOR gate

7428 quad 2-input NOR buffer

7430 8-input NAND gate

7431 hex delay elements

7432 quad 2-input OR gate

741G32 single 2-input OR gate

82

7433 quad 2-input NOR buffer with open collector outputs

7436 quad 2-input NOR gate (different pinout than 7402)

7437 quad 2-input NAND buffer

7438 quad 2-input NAND buffer with open collector outputs

7439 quad 2-input NAND buffer

7440 dual 4-input NAND buffer

7441 BCD to decimal decoder/Nixie tube driver

7442 BCD to decimal decoder

7443 excess-3 to decimal decoder

7444 excess-3-Gray code to decimal decoder

7445 BCD to decimal decoder/driver

7446 BCD to seven-segment display decoder/driver with 30 v open collector outputs

7447 BCD to 7-segment decoder/driver with 15 v open collector outputs

7448 BCD to 7-segment decoder/driver with Internal Pullups

7449 BCD to 7-segment decoder/driver with open collector outputs

7450 dual 2-wide 2-input AND-OR-invert gate (one gate expandable)

7451 dual 2-wide 2-input AND-OR-invert gate

7452 expandable 4-wide 2-input AND-OR gate

7453 expandable 4-wide 2-input AND-OR-invert gate

7454 4-wide 2-input AND-OR-invert gate

7455 2-wide 4-input AND-OR-invert Gate (74H version is expandable)

7456 50:1 frequency divider

7457 60:1 frequency divider

7458 2-input & 3-input AND-OR Gate

7459 2-input & 3-input AND-OR-invert Gate

7460 dual 4-input expander

7461 triple 3-input expander

7462 3-2-2-3-input AND-OR expander

7463 hex current sensing interface gates

7464 4-2-3-2-input AND-OR-invert gate

7465 4-2-3-2 input AND-OR-invert gate with open collector output

7468 dual 4 bit decade counters

7469 dual 4 bit binary counters

7470 AND-gated positive edge triggered J-K flip-flop with preset and clear

83

74H71 AND-or-gated J-K master-slave flip-flop with preset

74L71 AND-gated R-S master-slave flip-flop with preset and clear

7472 AND gated J-K master-slave flip-flop with preset and clear

7473 dual J-K flip-flop with clear

7474 dual D positive edge triggered flip-flop with preset and clear

7475 4-bit bistable latch

7476 dual J-K flip-flop with preset and clear

7477 4-bit bistable latch

74H78dual positive pulse triggered J-K flip-flop with preset, common clock, and common clear

(different pinout than 74L78 / 74Ls78)

74L78 dual positive pulse triggered J-K flip-flop with preset, common clock, and common clear

74Ls78 dual negative edge triggered J-K flip-flop with preset, common clock, and common clear

7479 dual D flip-flop

741G79 single D-type flip-flop positive edge trigger non-inverting output

7480 gated full adder

741G80 single D-type flip-flop positive edge trigger inverting output

7481 16-bit random access memory

7482 2-bit binary full adder

7483 4-bit binary full adder

7484 16-bit random access memory

7485 4-bit magnitude comparator

7486 quad 2-input XOR gate

741G86 single 2 input exclusive-OR gate

7487 4-bit true/complement/zero/one element

7488 256-bit read-only memory

7489 64-bit random access memory

7490 decade counter (separate divide-by-2 and divide-by-5 sections)

7491 8-bit shift register, serial In, serial out, gated input

7492 divide-by-12 counter (separate divide-by-2 and divide-by-6 sections)

7493 4-bit binary counter (separate divide-by-2 and divide-by-8 sections)

7494 4-bit shift register, dual asynchronous presets

7495 4-bit shift register, parallel In, parallel out, serial input

7496 5-bit parallel-In/parallel-out shift register, asynchronous preset

7497 synchronous 6-bit binary rate multiplier

84

741G97 configurable multiple-function gate

7498 4-bit data selector/storage register

7499 4-bit bidirectional universal shift register

74100 dual 4-bit bistable latch

74101 AND-or-gated J-K negative-edge-triggered flip-flop with preset

74102 AND-gated J-K negative-edge-triggered flip-flop with preset and clear

74103 dual J-K negative-edge-triggered flip-flop with clear

74104 J-K master-slave flip-flop

74105 J-K master-slave flip-flop

74106 dual J-K negative-edge-triggered flip-flop with preset and clear

74107 dual J-K flip-flop with clear

74107a dual J-K negative-edge-triggered flip-flop with clear

74108 dual J-K negative-edge-triggered flip-flop with preset, common clear, and common clock

74109 dual J-Not-K positive-edge-triggered flip-flop with clear and preset

74110 AND-gated J-K master-slave flip-flop with data lockout

74111 dual J-K master-slave flip-flop with data lockout

74112 dual J-K negative-edge-triggered flip-flop with clear and preset

74113 dual J-K negative-edge-triggered flip-flop with preset

74114 dual J-K negative-edge-triggered flip-flop with preset, common clock and clear

74116 dual 4-bit latch with clear

74118 hex set/reset latch

74119 hex set/reset latch

74120 dual pulse synchronizer/drivers

74121 monostable multivibrator

74122 retriggerable monostable multivibrator with clear

74123 dual retriggerable monostable multivibrator with clear

741G123 single retriggerable monostable multivibrator with clear

74124 dual voltage-controlled oscillator

74125 quad bus buffer with three-state outputs, negative enable

741G125 buffer/Line driver, three-state output with active low output enable

74126 quad bus buffer with three-state outputs, positive enable

74128 quad 2-input NOR Line driver

741G126 buffer/line driver, three-state output with active high output enable

74130 quad 2-input AND gate buffer with 30 v open collector outputs

85

74131 quad 2-input AND gate buffer with 15 v open collector outputs

74132 quad 2-input NAND schmitt trigger

74133 13-input NAND gate

74134 12-input NAND gate with three-state output

74135 quad exclusive-or/NOR gate

74136 quad 2-input XOR gate with open collector outputs

74137 3 to 8-line decoder/demultiplexer with address latch

74138 3 to 8-line decoder/demultiplexer

74139 dual 2 to 4-line decoder/demultiplexer

74140 dual 4-input NAND line driver

74141 BCD to decimal decoder/driver for cold-cathode indicator/Nixie tube

74142 decade counter/latch/decoder/driver for Nixie tubes

74143 decade counter/latch/decoder/7-segment driver, 15 ma constant current

74144 decade counter/latch/decoder/7-segment driver, 15 v open collector outputs

74145 BCD to decimal decoder/driver

74147 10-line to 4-line priority encoder

74148 8-line to 3-line priority encoder

74150 16-line to 1-line data selector/multiplexer

74151 8-line to 1-line data selector/multiplexer

74152 8-line to 1-line data selector/multiplexer

74153 dual 4-line to 1-line data selector/multiplexer

74154 4-line to 16-line decoder/demultiplexer

74155 dual 2-line to 4-line decoder/demultiplexer

74156 dual 2-line to 4-line decoder/demultiplexer with open collector outputs

74157 quad 2-line to 1-line data selector/multiplexer, noninverting

74158 quad 2-line to 1-line data selector/multiplexer, inverting

74159 4-line to 16-line decoder/demultiplexer with open collector outputs

74160 synchronous 4-bit decade counter with asynchronous clear

74161 synchronous 4-bit binary counter with asynchronous clear

74162 synchronous 4-bit decade counter with synchronous clear

74163 synchronous 4-bit binary counter with synchronous clear

74164 8-bit parallel-out serial shift register with asynchronous clear

74165 8-bit serial shift register, parallel Load, complementary outputs

74166 parallel-Load 8-bit shift register

86

74167 synchronous decade rate multiplier

74168 synchronous 4-bit up/down decade counter

74169 synchronous 4-bit up/down binary counter

74170 4 by 4 register file with open collector outputs

74172 16-bit multiple port register file with three-state outputs

74173 quad d flip-flop with three-state outputs

74174 hex d flip-flop with common clear

74175 quad d edge-triggered flip-flop with complementary outputs and asynchronous clear

74176 presettable decade (bi-quinary) counter/latch

74177 presettable binary counter/latch

74178 4-bit parallel-access shift register

74179 4-bit parallel-access shift register with asynchronous clear and complementary Qd outputs

74180 9-bit odd/even parity bit generator and checker

74181 4-bit arithmetic logic unit and function generator

74182 lookahead carry generator

74183 dual carry-save full adder

74184 BCD to binary converter

74185 6-bit binary to BCD converter

74186 512-bit (64x8) read-only memory with open collector outputs

74187 1024-bit (256x4) read only memory with open collector outputs

74188 256-bit (32x8) programmable read-only memory with open collector outputs

74189 64-bit (16x4) ram with inverting three-state outputs

74190 synchronous up/down decade counter

74191 synchronous up/down binary counter

74192 synchronous up/down decade counter with clear

74193 synchronous up/down binary counter with clear

74194 4-bit bidirectional universal shift register

74195 4-bit parallel-access shift register

74196 presettable decade counter/latch

74197 presettable binary counter/latch

74198 8-bit bidirectional universal shift register

74199 8-bit bidirectional universal shift register with J-Not-K serial inputs

74200 256-bit ram with three-state outputs

74201 256-bit (256x1) ram with three-state outputs

87

74206 256-bit ram with open collector outputs

74209 1024-bit (1024x1) ram with three-state output

74210 octal buffer

74219 64-bit (16x4) ram with noninverting three-state outputs

74221 dual monostable multivibrator with schmitt trigger input

74222 16 by 4 synchronous FIFO memory with three-state outputs

74224 16 by 4 synchronous FIFO memory with three-state outputs

74225 asynchronous 16x5 FIFO memory

74226 4-bit parallel latched bus transceiver with three-state outputs

74230 octal buffer/driver with three-state outputs

74232 quad NOR Schmitt trigger

74237 1-of-8 decoder/demultiplexer with address latch, active high outputs

74238 1-of-8 decoder/demultiplexer, active high outputs

74239 dual 2-of-4 decoder/demultiplexer, active high outputs

74240 octal buffer with Inverted three-state outputs

74241 octal buffer with noninverted three-state outputs

74242 quad bus transceiver with Inverted three-state outputs

74243 quad bus transceiver with noninverted three-state outputs

74244 octal buffer with noninverted three-state outputs

74245 octal bus transceiver with noninverted three-state outputs

74246 BCD to 7-segment decoder/driver with 30 v open collector outputs

74247 BCD to 7-segment decoder/driver with 15 v open collector outputs

74248 BCD to 7-segment decoder/driver with Internal Pull-up outputs

74249 BCD to 7-segment decoder/driver with open collector outputs

74251 8-line to 1-line data selector/multiplexer with complementary three-state outputs

74253 dual 4-line to 1-line data selector/multiplexer with three-state outputs

74255 dual 4-bit addressable latch

74256 dual 4-bit addressable latch

74257 quad 2-line to 1-line data selector/multiplexer with noninverted three-state outputs

74258 quad 2-line to 1-line data selector/multiplexer with Inverted three-state outputs

74259 8-bit addressable latch

74260 dual 5-input NOR gate

74261 2-bit by 4-bit parallel binary multiplier

74265 quad complementary output elements

88

74266 quad 2-input XNOR gate with open collectoroutputs

74270 2048-bit (512x4) read only memory with open collector outputs

74271 2048-bit (256x8) read only memory with open collector outputs

74273 8-bit register with reset

74274 4-bit by 4-bit binary multiplier

74275 7-bit slice Wallace tree

74276 quad J-Not-K edge-triggered Flip-Flops with separate clocks, common preset and clear

74278 4-bit cascadeable priority registers with latched data inputs

74279 quad set-reset latch

74280 9-bit odd/even Parity bit Generator/checker

74281 4-bit parallel binary accumulator

74283 4-bit binary Full adder

74284 4-bit by 4-bit parallel binary multiplier (low order 4 bits of product)

74285 4-bit by 4-bit parallel binary multiplier (high order 4 bits of product)

74287 1024-bit (256x4) programmable read-only memory with three-state outputs

74288 256-bit (32x8) programmable read-only memory with three-state outputs

74289 64-bit (16x4) RAM with open collector outputs

74290 decade counter (separate divide-by-2 and divide-by-5 sections)

74291 4-bit universal shift register, binary up/down counter, synchronous

74292 programmable frequency divider/digital timer

74293 4-bit binary counter (separate divide-by-2 and divide-by-8 sections)

74294 programmable frequency divider/digital timer

74295 4-bit bidirectional register with three-state outputs

74297 digital phase-locked-loop filter

74298 quad 2-input multiplexer with storage

74299 8-bit bidirectional universal shift/storage register with three-state outputs

74301 256-bit (256x1) random access memory with open collector output

74309 1024-bit (1024x1) random access memory with open collector output

74310 octal buffer with Schmitt trigger inputs

74314 1024-bit random access memory

74320 crystal controlled oscillator

74322 8-bit shift register with sign extend, three-state outputs

74323 8-bit bidirectional universal shift/storage register with three-state outputs

74324 voltage controlled oscillator (or crystal controlled)

89

74340 octal buffer with Schmitt trigger inputs and three-state inverted outputs

74341 octal buffer with Schmitt trigger inputs and three-state noninverted outputs

74344 octal buffer with Schmitt trigger inputs and three-state noninverted outputs

74348 8 to 3-line priority encoder with three-state outputs

74350 4-bit shifter with three-state outputs

74351dual 8-line to 1-line data selectors/multiplexers with three-state outputs and 4 common

data inputs

74352 dual 4-line to 1-line data selectors/multiplexers with inverting outputs

74353 dual 4-line to 1-line data selectors/multiplexers with inverting three-state outputs

74354 8 to 1-line data selector/multiplexer with transparent latch, three-state outputs

74356 8 to 1-line data selector/multiplexer with edge-triggered register, three-state outputs

74361 bubble memory function timing generator

74362 four-phase clock generator/driver

74365 hex buffer with noninverted three-state outputs

74366 hex buffer with Inverted three-state outputs

74367 hex buffer with noninverted three-state outputs

74368 hex buffer with Inverted three-state outputs

74370 2048-bit (512x4) read-only memory with three-state outputs

74371 2048-bit (256x8) read-only memory with three-state outputs

74373 octal transparent latch with three-state outputs

741G373 single transparent latch with three-state output

74374 octal register with three-state outputs

741G374 single d-type flip-flop with three-state output

74375 quad bistable latch

74376 quad J-Not-K flip-flop with common clock and common clear

74377 8-bit register with clock enable

74378 6-bit register with clock enable

74379 4-bit register with clock enable and complementary outputs

74380 8-bit multifunction register

74381 4-bit arithmetic logic unit/function generator with generate and propagate outputs

74382 4-bit arithmetic logic unit/function generator with ripple carry and overflow outputs

74385 quad 4-bit adder/subtractor

74386 quad 2-input XOR gate

74387 1024-bit (256x4) programmable read-only memory with open collector outputs

90

74388 4-bit register with standard and three-state outputs

74390 dual 4-bit decade counter

74393 dual 4-bit binary counter

74395 4-bit universal shift register with three-state outputs

74398 quad 2-input mulitplexers with storage and complementary outputs

74399 quad 2-input multiplexer with storage

744051 to 8 decoder, equivalent to Intel 8205, only found as UCY74S405 so might be non-TI

number

74408 8-bit parity tree

74412 multi-mode buffered 8-bit latches with three-state outputs and clear

74423 dual retriggerable monostable multivibrator

74424 two-phase clock generator/driver

74425 quad gates with three-state outputs and active low enables

74426 quad gates with three-state outputs and active high enables

74428 system controller for 8080a

74438 system controller for 8080a

74440 quad tridirectional bus transceiver with noninverted open collector outputs

74441 quad tridirectional bus transceiver with Inverted open collector outputs

74442 quad tridirectional bus transceiver with noninverted three-state outputs

74443 quad tridirectional bus transceiver with Inverted three-state outputs

74444 quad tridirectional bus transceiver with Inverted and noninverted three-state outputs

74448 quad tridirectional bus transceiver with Inverted and noninverted open collector outputs

74450 16-to-1 multiplexer with complementary outputs

74451 dual 8-to-1 multiplexer

74452 dual decade counter, synchronous

74453 dual binary counter, synchronous

74453 quad 4-to-1 multiplexer

74454 dual decade up/down counter, synchronous, preset input

74455 dual binary up/down counter, synchronous, preset input

74456 NBCD (Natural binary coded decimal) adder

74460 bus transfer switch

74461 8-bit presettable binary counter with three-state outputs

74462 fiber-optic link transmitter

74463 fiber-optic link receiver

91

74465 octal buffer with three-state outputs

74468 dual mos-to-ttL level converter

74470 2048-bit (256x8) programmable read-only memory with open collector outputs

74471 2048-bit (256x8) programmable read-only memory with three-state outputs

74472 programmable read-only memory with open collector outputs

74473 programmable read-only memory with three-state outputs

74474 programmable read-only memory with open collector outputs

74475 programmable read-only memory with three-state outputs

74481 4-bit slice processor elements

74482 4-bit slice expandable control elements

74484 BCD-to-binary converter

74485 binary-to-BCD converter

74490 dual decade counter

74491 10-bit binary up/down counter with limited preset and three-state outputs

74498 8-bit bidirectional shift register with parallel inputs and three-state outputs

74508 8-bit multiplier/divider

74520 8-bit comparator

74521 8-bit comparator

74526 fuse programmable identity comparator, 16 bit

74527 fuse programmable identity comparator, 8 bit + 4 bit conventional Identity comparator

74528 fuse programmable Identity comparator, 12 bit

74531 octal transparent latch with 32 ma three-state outputs

74532 octal register with 32 ma three-state outputs

74533 octal transparent latch with inverting three-state Logic outputs

74534 octal register with inverting three-state outputs

74535 octal transparent latch with inverting three-state outputs

74536 octal register with inverting 32 ma three-state outputs

74537 BCD to decimal decoder with three-state outputs

74538 1 of 8 decoder with three-state outputs

74539 dual 1 of 4 decoder with three-state outputs

74540 inverting octal buffer with three-state outputs

74541 non-inverting octal buffer with three-state outputs

74544 non-inverting octal registered transceiver with three-state outputs

74558 8-bit by 8-bit multiplier with three-state outputs

92

74560 4-bit decade counter with three-state outputs

74561 4-bit binary counter with three-state outputs

74563 8-bit d-type transparent latch with inverting three-state outputs

74564 8-bit d-type edge-triggered register with inverting three-state outputs

74568 decade up/down counter with three-state outputs

74569 binary up/down counter with three-state outputs

74573 octal D-type transparent latch with three-state outputs

74574 octal D-type edge-triggered flip-flop with three-state outputs

74575 octal D-type flip-flop with synchronous clear, three-state outputs

74576 octal D-type flip-flop with inverting three-state outputs

74577 octal D-type flip-flop with synchronous clear, inverting three-state outputs

74580 octal transceiver/latch with inverting three-state outputs

74589 8-bit shift register with input latch, three-state outputs

74590 8-bit binary counter with output registers and three-state outputs

74592 8-bit binary counter with input registers

74593 8-bit binary counter with input registers and three-state outputs

74594 serial-in shift register with output registers

74595 serial-in shift register with output latches

74596 serial-in shift register with output registers and open collector outputs

74597 serial-out shift register with input latches

74598 shift register with input latches

74600 dynamic memory refresh controller, transparent and burst modes, for 4K or 16K drams

74601 dynamic memory refresh controller, transparent and burst modes, for 64K drams

74602 dynamic memory refresh controller, cycle steal and burst modes, for 4K or 16K drams

74603 dynamic memory refresh controller, cycle steal and burst modes, for 64K drams

74604 octal 2-input multiplexer with latch, high-speed, with three-state outputs

74605 latch, high-speed, with open collector outputs

74606 octal 2-input multiplexer with latch, glitch-free, with three-state outputs

74607 octal 2-input multiplexer with latch, glitch-free, with open collector outputs

74608 memory cycle controller

74610 memory mapper, latched, three-state outputs

74611 memory mapper, latched, open collector outputs

74612 memory mapper, three-state outputs

74613 memory mapper, open collector outputs

93

74620 octal bus transceiver, inverting, three-state outputs

74621 octal bus transceiver, noninverting, open collector outputs

74622 octal bus transceiver, inverting, open collector outputs

74623 octal bus transceiver, noninverting, three-state outputs

74624 voltage-controlled oscillator with enable control, range control, two-phase outputs

74625 dual voltage-controlled oscillator with two-phase outputs

74626 dual voltage-controlled oscillator with enable control, two-phase outputs

74627 dual voltage-controlled oscillator

74628voltage-controlled oscillator with enable control, range control, external temperature

compensation, and two-phase outputs

74629 dual voltage-controlled oscillator with enable control, range control

74630 16-bit error detection and correction (EDAC) with three-state outputs

74631 16-bit error detection and correction with open collector outputs

74632 32-bit error detection and correction

74638 octal bus transceiver with inverting three-state outputs

74639 octal bus transceiver with noninverting three-state outputs

74640 octal bus transceiver with inverting three-state outputs

74641 octal bus transceiver with noninverting open collector outputs

74642 octal bus transceiver with inverting open collector outputs

74643 octal bus transceiver with mix of inverting and noninverting three-state outputs

74644 octal bus transceiver with mix of inverting and noninverting open collector outputs

74645 octal bus transceiver

74646 octal bus transceiver/latch/multiplexer with noninverting three-state outputs

74647 octal bus transceiver/latch/multiplexer with noninverting open collector outputs

74648 octal bus transceiver/latch/multiplexer with inverting three-state outputs

74649 octal bus transceiver/latch/multiplexer with inverting open collector outputs

74651 octal bus transceiver/register with inverting three-state outputs

74652 octal bus transceiver/register with noninverting three-state outputs

74653 octal bus transceiver/register with inverting three-state and open collector outputs

74654 octal bus transceiver/register with noninverting three-state and open collector outputs

74658 octal bus transceiver with Parity, inverting

74659 octal bus transceiver with Parity, noninverting

74664 octal bus transceiver with Parity, inverting

74665 octal bus transceiver with Parity, noninverting

94

74668 synchronous 4-bit decade Up/down counter

74669 synchronous 4-bit binary Up/down counter

74670 4 by 4 register File with three-state outputs

74671 4-bit bidirectional shift register/latch /multiplexer with three-state outputs

74672 4-bit bidirectional shift register/latch/multiplexer with three-state outputs

74673 16-bit serial-in serial-out shift register with output storage registers, three-state outputs

74674 16-bit parallel-in serial-out shift register with three-state outputs

74677 16-bit address comparator with enable

74678 16-bit address comparator with latch

74679 12-bit address comparator with latch

74680 12-bit address comparator with enable

74681 4-bit parallel binary accumulator

74682 8-bit magnitude comparator

74683 8-bit magnitude comparator with open collector outputs

74684 8-bit magnitude comparator

74685 8-bit magnitude comparator with open collector outputs

74686 8-bit magnitude comparator with enable

74687 8-bit magnitude comparator with enable

74688 8-bit equality comparator

74689 8-bit magnitude comparator with open collector outputs

74690 three state outputs

74691 4-bit binary counter/latch/multiplexer with asynchronous reset, three-state outputs

74692 4-bit decimal counter/latch/multiplexer with synchronous reset, three-state outputs

74693 4-bit binary counter/latch/multiplexer with synchronous reset, three-state outputs

746944-bit decimal counter/latch/multiplexer with synchronous and asynchronous resets, three-

state outputs

746954-bit binary counter/latch/multiplexer with synchronous and asynchronous resets, three-

state outputs

74696 4-bit decimal counter/register/multiplexer with asynchronous reset, three-state outputs

74697 4-bit binary counter/register/multiplexer with asynchronous reset, three-state outputs

74698 4-bit decimal counter/register/multiplexer with synchronous reset, three-state outputs

74699 4-bit binary counter/register/multiplexer with synchronous reset, three-state outputs

74716 programmable decade counter

74718 programmable binary counter

95

74724 voltage controlled multivibrator

74740 octal buffer/Line driver, inverting, three-state outputs

74741 octal buffer/Line driver, noninverting, three-state outputs, mixed enable polarity

74744 octal buffer/Line driver, noninverting, three-state outputs

74748 8 to 3-line priority encoder

74779 8-bit bidirectional binary counter (3-state)

74783 synchronous address multiplexer

74790 error detection and correction (EDAC)

74794 8-bit register with readback

74795 octal buffer with three-state outputs

74796 octal buffer with three-state outputs

74797 octal buffer with three-state outputs

74798 octal buffer with three-state outputs

74804 hex 2-input NAND drivers

74805 hex 2-input NOR drivers

74808 hex 2-input AND drivers

74832 hex 2-input OR drivers

74848 8 to 3-line priority encoder with three-state outputs

74873 octal transparent latch

74874 octal d-type flip-flop

74876 octal d-type flip-flop with inverting outputs

74878 dual 4-bit d-type flip-flop with synchronous clear, noninverting three-state outputs

74879 dual 4-bit d-type flip-flop with synchronous clear, inverting three-state outputs

74880 octal transparent latchwith inverting outputs

74881 arithmetic logic unit

74882 32-bit lookahead carry generator

74888 8-bit slice processor

74901 hex inverting TTL buffer

74902 hex non-inverting TTL buffer

74903 hex inverting CMOS buffer

74904 hex non-inverting CMOS buffer

74905 12-Bit successive approximation register

74906 hex open drain n-channel buffers

74907 hex open drain p-channel buffers

96

74908 dual CMOS 30V relay driver

74909 quad voltage comparator

74910 256x1 CMOS static RAM

74911 4 digit expandable display controller

74912 6 digit BCD display controller and driver

74914 hex schmitt trigger with extended input voltage

74915 seven segment to BCD decoder

74917 6 digit Hex display controller and driver

74918 dual CMOS 30V relay driver

74920 256x4 CMOS static RAM

74921 256x4 CMOS static RAM

74922 16-key encoder

74923 20-key encoder

74925 4-digit counter/display driver

74926 4-digit counter/display driver

74927 4-digit counter/display driver

74928 4-digit counter/display driver

74929 1024x1 CMOS static RAM

74930 1024x1 CMOS static RAM

74932 phase comparator

74933 address bus comparator

74934 =ADC0829 ADC, see corresponding NSC datasheet

74935 3.5-digit digital voltmeter (DVM) support chip for multiplexed 7-segment displays

74936 3.75-digit digital voltmeter (DVM) support chip for multiplexed 7-segment displays

74937 =ADC3511 ADC, see corresponding NSC datasheet

74938 =ADC3711 ADC, see corresponding NSC datasheet

74941 octal bus/line drivers/line receivers

74945 4 digit up/down counter with decoder and driver

74947 4 digit up/down counter with decoder and driver

74948 =ADC0816 ADC, see corresponding NSC datasheet

74949 =ADC0808 ADC, see corresponding NSC datasheet

74949 =ADC0808 ADC, see corresponding NSC datasheet

741005 hex inverting buffer with open-collector output

741035 hex noninverting buffers with open-collector outputs

97

742960 error detection and correction (EDAC)

742961 edac bus buffer, inverting

742962 edac bus buffer, noninverting

742968 dynamic memory controller

742969 memory timing controller for use with EDAC

742970 memory timing controller for use without EDAC

741G3208 single 3 input OR-AND Gate;

744002 dual 4-input NOR gate

744015 dual 4-bit shift registers

744017 5-stage ÷10 Johnson counter

744020 14-stage binary counter

744024 7 stage ripple carry binary counter

744028 BCD to decimal decoder

744040 12-stage binary ripple counter

744046 phase-locked loop and voltage-controlled oscillator

744049 hex inverting buffer

744050 hex buffer/converter (non-inverting)

744051 high-speed CMOS 8-channel analog mulitplexer/demultiplexer

744052 dual 4-channel analog multiplexer/demultiplexers

744053 triple 2-channel analog multiplexer/demultiplexers

744059 programmable divide-by-N counter

744060 14-stage binary ripple counter with oscillator

744066 quad bilateral switches

744067 16-channel analog multiplexer/demultiplexer

744075 triple 3-input OR gate

744078 8-input OR/NOR gate

744094 8-bit three-state shift register/latch

744316 quad analog switch

744511 BCD to 7-segment decoder

744520 dual 4-bit synchronous binary counter

744538 dual retriggerable precision monostable multivibrator

747007 hex buffer

747266 quad 2-input XNOR gate

7429841 10-bit bus-interface D-type latch with 3-state outputs

98

7440103 presettable 8-bit synchronous down counter

7440105 4-bit by 16-word FIFO register

References

1. ^ Modern CMOS circuits manual By R. M. Marston

Digital Integrated Circuits, National Semiconductor Corporation, January 1974

Logic/Memories/Interface/Analog/Microprocessor/Military Data Manual, Signetics

Corporation, 1976

The Bipolar Microcomputer Components Data Book for Design Engineers, Second Edition,

Texas Instruments, 1979

The TTL Data Book for Design Engineers, Second Edition, Texas Instruments, 1976

Bipolar LSI 1982 Databook, Monolithic Memories Incorporated, September 1981

Schottky TTL Data, DL121R1 Series D Third Printing, Motorola, 1983

High-Speed CMOS Logic Data Book, Texas Instruments, 1984

Logic: Find A Device, Texas Instruments Incorporated

ALVC Advanced Low-Voltage CMOS Including SSTL, HSTL, And ALB (Rev. B), Texas

Instruments, 2002

IC Master, 1976

Schottky and Low-Power Schottky Data Book, Advanced Micro Devices, July 1978

Latihan Soal UAS #17

1. Terangkan proses fabrikasi IC dengan teknologi MOS untuk sebuah E-MOSFET kanal n,

lengkap dengan gambar penampang struktur untuk setiap tahapnya.

2. Jelaskan apa yang dimaksud dengan: (a) lapisan substrat (b) lapisan epitaksial (c) lapisan

silikon diolsida (d) photoresist (e) photolithography (f) solid solubility (g) koefisien difusi (h)

profil impurity.

99

3. Gambarkan penampang tegak sebuah wafer yang terdiri dari: lapisan substrat jenis-p, lapisan

epitaksial jenis-n, lapisan silikon dioksida. Cantumkan dalam gambar ketebalan masing-

masing lapisan itu.

4. Terangkan proses difusi dengan distribusi impuritinya: (a) complementary error function, (b)

gaussian distribution.

5. Jelaskan tentang transistor dalam IC dengan buried layer.

6. Konfigurasi dioda dalam IC yang bagaimana yang mempunyai karakteristik volt-ampere

terbaik. Jekaskan.

7. Sebuah resistor difusi mempunyai panjang L = 10 mil dan lebar W = 1 mil, sheet resistance

Rs = 200 ohm/sq.

(a) Dengan 1 mil line dan 1 mil spacing, gambarkan tampak atas permukaan resistor difusi itu

dalam isolation island-nya bila lubang bukaan contact window sebesar 1 mil x 1 mil. (b)

Hitunglah luas bidang isolation island-nya. (c) Bila antara silikon dan aluminium ada ohmic

contact dengan konduktansi sebesar 0,08 mho/mil2, hitunglah berapa besar resistansi dari

resistor difusi itu.

8. Terangkan fabrikasi thin-film resistor.

9. Apa itu kapasitor MOS dalam IC

10. Mengapa diperlukan crossover dalam IC.

11. Bagaimana caranya memfabrikasi sebuah induktor dalam IC

12. Sebuah lapisan epitaksial silikon jenis-n mempunyai resistivitas = 0,1 ohm.cm akan dilakukan

difusi boron dengan konsentrasi permukaan yang konstansebesar 4,8 x 1010 atom/cm3.

Kedalaman junction yang diinginkan 2,7 mikrometer.

(a) Hitung konsentrasi impuriti untuk difusi boron sebagai fungsi jarak dari permukaan.

(b) Berapa lama waktu yang diperlukan jika difusi ini dilakukan pada 1100oC.

(c) Sebuah transistor npn akan diselesaikan dengan melakukan difusi fosfor pada konsentrasi

permukaan sebesar 1021 atom/cm3. Jika junction baru berada pada kedalaman 2 mikrometer,

hitung konsentrasi impuriti untuk fosfor sebagai fungsi jarak dari permukaan.

(d) Gambarkan grafik profil konsentrasi impuriti sebagai fungsi dari jarak dari permukaan

100

untuk soal (a) dan (c) dengan asumsi bahwa atom-atom boron tidak berubah selama dilakukan

difusi fosfor. Kemudian tunjukkan emitter, base, dan collector dalam profil itu.

(e) Jika difusi fosfor dilakukan selama 30 menit, pada suhu berapa proses difusi itu

dikerjakan.

13. Gambarkan sketsa grafik kedua profil impuriti soal No. 4 pada satu sistem salib sumbu.

14. Difusi fosfor dengan kosentrasi permukaan konstan pada suhu 1150oC selama 60 menit ke

dalam substrat silikon jenis-p yang mempunyai resistivitas 1 ohm.com. Konsentrasi

permukaan fosfor akan larut terbatas.

Hitunglah:(a) Konsentrasi permukaan fosfor.(b) Koefisien difusi fosfor.(c) Tingkat doping level boron.(d) Kedalaman junction yang terbentuk.(e) Kedalamam junction bila lama difusi 15 menit.(f) Kedalamam junction bila lama difusi 1 jam.(g) Lama difusi kedalaman junction 10 mikrometer.

15. Sebuah lapisan epitaksial silikon jenis-n mempunyai resistivitas = 0,5 ohm.cm yang rata

(uniform) akan mengalami difusi boron dengan konsentrasi permukaan = 5 x 1018 atom/cm3

yang konstan. Jika proses difusi boron itu dilakukan pada suhu 1130oC selama 2 jam, berapa

kedalaman pn junction yang terbentuk di dalam lapisan silikon itu.

16. Lapisan epitaksial silikon jenis-n dengan konsentrasi latar belakang NBC = 1016 atom/cm3

mengalami difusi boron dengan konsentrasi permukaan = 1018 atom/cm3 yang konstan. (a)

Agar diperoleh pn junction pada kedalaman 2,7 mikrometer, berapa lama waktu yang

diperlukan, jika proses difusi itu dikerjakan pada suhu 1100oC.

17. Kemudian dilanjutkan dengan difusi fosfor dengan kosentrasi permukaan = 1021 atom/cm3

yang konstan. Agar diperoleh pn junction pada kedalaman 2 mikrometer, pada suhu berapa

difusi fosfor ini harus dilakukan, kalau waktu yang diperlukan 2 jam 15 menit.

18. Pada soal No. 7 dan No. 8 di atas, tentukan persamaan profil (a) impuriti boron, dan (b)

impuriti fosfor.

|

101

Ujian Akhir Semester #18