pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos...

24

Upload: others

Post on 04-Feb-2020

37 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin
Page 2: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin
Page 3: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS 0.15 MIKRON

MUHAMMAD SUHAIMI BIN SULONG

TESIS YANG DIKEMUKAKAN UNTUK MEMENUHI SEBAHAGIAN

DARIP ADA SY ARA T MEMPEROLEHI IJAZAH

SARJANA SAINS

F AKUL TI KEJURUTERAAN

UNIVERSITI KEBANGSAAN MALAYSIA

BANGI

2005

Page 4: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

II

PENGAKUAN

Saya akui karya ini adalah hasil keIja saya sendiri kecuali nukilan dan ringkasan yang

tiap-tiap satunya te1ah saya jelaskan sumbemya.

30 Jun 2005 MUHAMMAD SUHAIMI BIN SULONG P30S17

Page 5: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

III

PENGHARGAAN

Assalammualaikum wbk. Dengan nama Allah yang Maha Pemurah lagi Maha Mengasihani. Scla\\"at dan Salam ke atas Junjungan besar Nabi Muhammad S.A.W .. kcpada para ahli kcluarganya dan para sahabat baginda, para tabi'in dan tabi' attabi'in scrta scluruh muslimin dan muslimat yang dirahmati dan dikasihi Allah swt. Alhamdulillah. syukur kc had rat Illahi kerana dengan limpah kllmiaNya dapat membcrikan kckuatan dan kcsabaran dalam menyiapkan projek sarjana ini.

Di kesempatan ini, saya ingin merakamkan sekalung pcnghargaan dan ucapan ribuan terima kasih terutama sekali kepada Penyclia Projek iaitu Pro!Csor ~!adya Ibrahim bin Ahmad selakll Ketua Bidang Mikroclcktronik. Faklliti Kcjurutcraan kerana tclah banyak memberi nasihat, teguran dan tunjuk ajar yang mcmbcrangsang serta memberi pcluang untuk menyiapkan projek ini. Jutaan tcrima kasih yang tidak terhingga juga kepada ayahanda bond a dan keluarga scrta istcri dan anak kcrana sentiasa memberi semangat dan dorongan selama ini. Tidak lupa pula, sctinggi-tinggi ucapan terima kasih buat En. Zahrin dan Pn. Nora dari MIMOS Bcrhad yang ban yak memberi kerjasama dalam mengendalikan projek ini dan juga kepada En. Zaki dari Makmal Unit Mikroskopi Elektron, UKM. Sckalung penghargaan juga buat Kolcj Universiti Teknologi Tun Hussein Onn untuk biasiswa yang dibcrikan kcpada saya untuk menyambung pengajian ke peringkat sarjana sains ini di UKJvL

Akhir sekali, jutaan tcrima kasih ditujukan kcpada scmua yang mcnjayakan perlaksanaan projek sarjana ini tidak bra sarna ada sccara langsung at au tidak langsung. Segala pengorbanan mercka tidak dapat mcmbalasnya. Pcnulis scrahkan semuanya kepada Allah S.W.T. Sesungl:,"llhnya segala kclcmahan itu datangnya dari diri penulis dan segala kebaikan dan kesempumaan itu datangnya dari Allah S.W.T.

Page 6: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

IY

ABSTRAK

Satu kajian untuk mengukur pencirian bagi peranti CMOS dengan panjang get (Le) 0.15 mikron telah dijalankan. Analisa bagi pencirian clektrik dilaksanakan menggunakan Sistem Penguk.llran CV-IV manakala analisa bagi pencirian bahan pula dilaksanakan menggunakan Fokus Alur Ion (FIB), Mikroskopi Pcngcsan Ekktron (SEM) dan Peleraian Tenaga Sinar-X (EDX). Kcputusan bagi kajian tcrscbut menunjukkan operasi bagi transistor nMOS Icbih k.llrang dua kali ganda kc1ajuannya berbanding transistor pMOS dengan nilai purata voltan ambang (Vr) sebanyak 0.36V berbanding 0.66V bagi transistor pMOS. Sehubungan dengan itu, daripada kcratan rentas yang dihasilkan oleh FIB, panjang get (Le) bagi transistor nMOS dan pMOS masing-masing ialah 0.124 mikron dan 0.135 mikron. Bahan-bahan bagi pcranti tersebut terdiri daripada bahan silikon (Si) bagi bahagian substrat, bahan polisilikon (Si) bagi transistor get, bahan tungsten (W) bagi bahagian sentuhan, bahan aluminium (AI) bagi bahagian sambungan logaml, logam2 dan logam 3 scrta bahan silikon oksida (Si02) bagi bahagian medan oksida teba!. Scbagai kesimpulan, pcranti ini tclah difabrikasi dengan sempuma dan ia sepatutnya mampu berfungsi dcngan baik.

Page 7: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

ELECTRICAL AND MATERIAL CIIARACTERIZATIO:--; OF 0.15 i\lICRON CMOS DEVICE

ABSTRACT

The characterization of CMOS device of 0.15 micron gate length (/.,;) was carried "ut. The analysis of electrical characteristics using CV-IV i\lcasurement System and the analysis of material characteristics using Focused Ion Beam (FIB). Scanning Electr\1n Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray (ED:\:) has been made. The result or the study indicates that the operational of nMOS transistor is approximately t\W1 times faster than pMOS transistor by threshold voltage (Vr) average of 0.36 V than OJ,() V C"r pMOS transistor. Hence, from the cross section by FIB, the gate length (1-.;) of nj\10S and pMOS transistor was 0.124 micron and 0.135 micron respectively. The materials of the device comprise for substrate were Silicon (Si) material. for transistor gate were Polysilicon (Si) material, for via connection were Tungsten (\V), for interconnection were Aluminium (AI) material and for field oxide were Silicon Oxide (SiO:l composition. As a conclusion, the 0.15 micron CMOS device is well L1bricated and it should function properly.

Page 8: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

PENGAKUAN

PENGHARGAAN

ABSTRAK

ABSTRACT

KANDUNGAN

SENARAlJADUAL

SENARAl RAJAH

SENARAl SIMBOL

SENARAI SINGKATAN

BABI

1.1

1.2

1.3

PENDAHULUAN

Pengenalan

Skop kajian

Objektifkajian

KANDUNGAN

BABII KAJIAN KEPUSTAKAAN

2.1 Pengenalan

2.2 Penskalaan peranti

2.3 Tren teknologi penskalaan

2.4 Ke1uarga MOSFET

2.4.1 Transistor nMOS 2.4.2 Transistor pMOS 2.4.3 Transistor CMOS

2.5 Teori ciri arus-voltan (1- V)

2.5.1 Kawasan linear dan tepu 2.5.2 Voltan ambang, Vr

2.6 Bahan-bahan fabrikasi CMOS

BAB III KAEDAH UJIKAJI

3.1

3.2

Pengenalan

Ujikaji

vi

Halaman

11

iii

iv

v

VI

viii

x

xiii

xiv

3

3

4

4

5

8

11 12 13

15

15 18

19

21

21

Page 9: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

3.3 Pcngukuran/- V mcnggunakan Sistcm Pcngukuran CI·-/l·

3.4

3.5

Mcmpcrolchi kcratan rcntas mclalui Fokus Alur Ion (FIB)

dan Mikroskopi Pcngcsan Elcktron (SEM)

Mcngcnalpasti komposisi bahan mcnggunakan analisa Pclcraian Tcnaga Sillar-X (EDX)

BAB IY KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN

4.1

4.2

4.3

BABY

5.1

5.2

RU.JUKAN

Pcngcllalall

Pcnciriall elektrik

4.2.1 Hubungall/v-VD 4.2.2 Nilai voltall ambang (Vr)

Pencirian Bahan

4.3.1 Panjang get (LG) 4.3.2 Komposisi bahan

KESIMPULAN DAN CADANGAN

Pengenalan

Kesimpulan

LAMPIRAN

\·11

27

27

27 --12

50

51 5--1

7()

70

71

Page 10: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

\"111

SENARAI JADUAL

No. Jadual Habm~Hl

2.1 Penskalaan Peranti MOSFET Dan Parameter Litar S

4.1 Parameter Model Linear nMOS Bagi Vc= I V 30

4.2 Parameter Model Linear nMOS Bagi Vc=2V 32

4.3 Parameter Model Linear nMOS Bagi V c=3V 34

4.4 Parameter Model Linear pMOS bagi V c=-I V 37

4.5 Parameter Model Linear pMOS bagi V c=-2V 39

4.6 Parameter Model Linear pMOS bagi Vc=-3V 41

4.7 Data Selari Tertinggi 10- Vc pMOS Dengan Vc-GM 43 Bagi Lokasi Atas

4.8 Data Selari Tertinggi 1D-VC nMOS Dengan Va-GM 44 Babri Lokasi Tengah

4.9 Data Selari Tertinggi 10- Vc nMOS Dengan Vc-GM 45 Bagi Lokasi Atas

4.10 Data Selari Tertinggi 10- Vc pMOS Dengan Vc-GM 46 Bagi Lokasi Tengah

4.11 Data Selari Tertinggi fo- Vc pMOS Dengan Vr;-GM 47 Bagi Lokasi Bawah

4.12 Data Selari Tertinggi fo- Vc pMOS Dcngan Vr;-GM -IS

Bagi Lokasi Bawah

4.13 Nilai Vr Manual Dan Vr Auto Bagi Transistor .Il)

nMOS Pada Sctiap Lokasi

4.14 Nilai Vr Manual Dan Vr Auto Bagi Transistor -If)

pMOS Pada Sctiap Lokasi

4.15 Nilai f"r Manual Yang Dikcluarkan okh Siltl:rra :'(1

4.16 Kcbcrat;m Komposisi Bahan PJua Kcdudukan I ~-

4.17 Kcbcratan Knmposisi BJhan Pada Kcduduk~l1l :; ':tj

Page 11: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

ix

4.18 Keberatan Komposisi Bahan Pada Kedudukan 3 61

4.19 Keberatan Komposisi Bahan Pada Kedudukan 4 63

4.20 Keberatan Komposisi Bahan Pada Kedudukan 5 65

4.21 Keberatan Komposisi Bahan Pada Kedudukan 6 67

4.22 Keberatan Komposisi Bahan Pada Kedudukan 7 68

Page 12: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

x

SENARAI RAJAH

No. llustrasi Halaman

2.1 Teknologi Panjang Fizikal Get Transistor 5

2.2 (a) Struktur Fizikal Peranti Asal, Dan 6 (b) Struktur Fizikal Peranti Se1epas Proses

Penskalaan Dengan Faktor K

2.3 Graf Arus Melawan Voltan Bagi Pencirian Salir 7 Penskalaan Peranti

2.4 Struktur MOS 9

2.5 Struktur MOSFET Jenis-n 10

2.6 (a) Struktur Fizikal Transistor nMOS, Dan 11 (b) Simbol Litar nMOS

2.7 (a) Struktur Fizikal Transistor pMOS, Dan 13 (b) Simbol Litar pMOS

2.8 (a) Struktur Fizikal Transistor CMOS, Dan 14 (b) Simbol Litar CMOS

2.9 Ciri Arus-Voltan nMOS Yang Menunjukkan 16 Kawasan Linear Dan Tepu

2.10 MOSFET Beroperasi Dalam Kawasan Linear 17 (Voltan Salir Rendah)

2.11 MOSFET Beroperasi Dalam Kawasan Tepu (Voltan 17 Salir Tinggi)

2.12 Struktur Keratan Rentas CMOS 19

3.1 Contoh Sampel Wafer Yang Telah Digunakan 20 Semasa Ujikaji

3.2 Sistem Pengukuran CV-JV 22

3.3 Mesin Fokus Alur Ion (FIB) 23

3.4 Analisa Peleraian Tenaga Sinar-X (EDX) 25

4.1 Graf JD-VD nMOS Bagi Lokasi Atas 27

Page 13: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

xi

4.2 Graf fD-VD nMOS Bagi Lokasi Tengah 28

4.3 Graf fIr VD nMOS Bagi Lokasi Bawah 28

4.4 GrafPuratafIrVD nMOS Bagi VG=lV 29

4.5 Perwakilan Model Linear nMOS Bagi V ~1 V 29

4.6 GrafPurata fD- VD nMOS Bagi V ~2V 31

4.7 Perwakilan Model Linear nMOS Bagi V ~2V 31

4.8 GrafPurata fD-VD nMOS Bagi V ~3V 33

4.9 Perwakilan Model Linear nMOS Bagi V ~3V 33

4.10 Graf fD-VD pMOS Bagi Lokasi Atas 35

4.11 Graf fIr VD pMOS Bagi Lokasi Tengah 35

4.12 Graf f D- VD pMOS Bagi Lokasi Bawah 36

4.13 GrafPuratafD-VD pMOS Bagi V~-lV 36

4.14 Perwaki1an Model Linear pMOS Bagi V ~-1 V 37

4.15 GrafPurata fD-VD pMOS Bagi V ~-2V 38

4.16 Perwaki1an Model Linear pMOS Bagi V ~-2V 39

4.17 GrafPurata fD- VD pMOS Bagi V ~-3V 40

4.18 Perwakilan Model Linear pMOS Bagi V ~-3V 41

4.19 Graf fD-VG nMOS Bagi Lokasi Atas 43

4.20 Graf fD-VG nMOS Bagi Lokasi Tengah 44

4.21 Graf fD-VG nMOS Bagi Lokasi Bawah 45

4.22· Graf fD-VG pMOS Bagi Lokasi Atas 46

4.23 Graf fD-VG pMOS Bagi Lokasi Tengah 47

4.24 Graf fD- VG pMOS Bagi Lokasi Bawah 48

4.25 Keratan Rentas Transistor pMOS 51

4.26 Keratan Rentas Transistor nMOS 52

Page 14: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

xii

4.27 Kesan Elektron Panas 53

4.28 Penggalakkan Get Salir Bocor (GIDL) 53

4.29 Kedudukan Komposisi Bahan Dalam Peranti CMOS 55 0.15 Mikron

4.30 Analisa Spektrum Kedudukan 1, Tempat 1 56

4.31 Analisa Spektrum Kedudukan 1, Tempat 2 56

4.32 Analisa Spektrum Kedudukan 1, Tempat 3 57

4.33 Analisa Spektrum Kedudukan 2, Tempat 1 58

4.34 Analisa Spektrum Kedudukan 2, Tempat 2 58

4.35 Analisa Spektrum Kedudukan 2, Tempat 3 59

4.36 Analisa Spektrum Kedudukan 3, Tempat 1 60

4.37 Ana1isa Spektrum Kedudukan 3, Tempat 2 60

4.38 Analisa Spektrurn Kedudukan 3, Tempat 3 61

4.39 Ana1isa Spektrum Kedudukan 4, Tempat 1 62

4.40 Analisa Spektrum Kedudukan 4, Tempat 2 62

4.41 Analisa Spektrum Kedudukan 4, Tempat 3 63

4.42 Analisa Spektrum Kedudukan 5, Tempat 1 64

4.43 Analisa Spektrum Kedudukan 5, Tempat 2 64

4.44 Analisa Spektrum Kedudukan 5, Tempat 3 65

4.45 Analisa Spektrum Kedudukan 6, Tempat 1 66

4.46 Analisa Spektrum Kedudukan 6, Tempat 2 66

4.47 Analisa Spektrum Kedudukan 6, Tempat 3 67

4.48 Analisa Spektrum Kedudukan 7 68

Page 15: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

SE;\:\R·\I SI;\IBOL

" faklOr pemabr

If) arus salir

Ir; arus get

I[)s arus salir-sumher

V[) voltan salir

V" voltan get

V[)S voltan salir-sumher

V(;S voltan get-sumber

VFfi voltan jalur rata

Vr voltan ambang

L" panjang get

GM transkonduktans

Cn, bpisatans oksida

tnt ketcbalan oksida get

,- pcmalar tin

,- ketcbalan uksida (,"or

Page 16: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

CMOS

IC

SIA

Corp

FET

FIB

SEM

EDX

MOSFET

NMOS

PMOS

TTL

BJT

ICS

Sdn. Bhd.

SSI

MSI

LSI

VLSI

ULSI

OS!

SENARAI SINGKATAN

Complementary Metal Oxide Semiconductor

Integrated Circuit

Semiconductor Industry Association

Corporation

Field Effect Transistor

Focused Ion Beam

Scanning Electron Microscopy

Energy Dispersive X-ray

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

N-channel Metal Oxide Semiconductor

P-channel Metal Oxide Semiconductor

Transistor Logic

Bi Junction Transistor

Interactive Characteristics Software

Send irian Berhad

Small Scale Integrated

Medium Scale Integrated

Large Scale Integrated

Very Large Scale Integration

Ultra Large Scale Integrated

Giga Scale Integrated

xiv

Page 17: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

BABI

PENDAHULUAN

1.1 PENGENALAN

Dalam era sains dan teknologi ini, perkernbangan teknologi telah berlaku dengan

kadar yang luar biasa. Teknologi mikroeIektronik bukan sahaja memberi sumbangan

dan memain peranan utama kepada perkembangan ini, tetapi ia sendiri telah

mengalami pertumbuhan yang drastik. Dalam jangka masa lebih kurang 20 tahun lalu

dan pada abad ini, industri mikroelektronik bukan sahaja mengalami kemaraan dan

kemajuan yang hebat dan pesat, tetapi juga telah menghasilkan banyak sistem

teknologi baru. Sistem-sistem mikroelektronik, terutamanya yang menggunakan !itar­

!itar bersepadu (IC) seperti mikrokomputer dan sebagainya telah mempengaruhi

kemajuan dan peraneangan dalam bidang perhubungan, perubatan dan sains seeara

besar-besaran termasuk sistem senjata angkatan tentera, sistem penerbangan dan

sistem kawalan elektronik untuk banyak proses pengilangan elektronik di industri.

Teknologi IC berkembang dengan pesat iaitu dari persepaduan skala keeiI

(SSI) dengan bilangan get yang kurang daripada 12 setiap satu eip, ke persepaduan

skala sederhana (MSI) dengan 12 hingga 99 get setiap satu eip; hingga ke persepaduan

skala besar dan pegamiran skala-lebih besar (LSI dan VLSI); yang boleh

menempatkan berpuluh ribu get setiap satu eip. Berdasarkan perkembangan terkini,

ULSI dengan lebih seratus ribu get dan GSI dengan satu juta atau lebih get setiap eip.

Sebab-sebab utama kebanyakan sistem digit moden menggunakan litar

bersepadu adalah jelas. IC dipadatkan dengan lebih banyak Ii tar di dalam satu

bungkusan keeil, agar saiz keseluruhan untuk hampir kesemua sistem digit berkurang.

Page 18: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

'2

Kosnya juga berkurangan kerana pengeluaran masa peranti yang serupa dengan

jumlah yang besar. Seperti yang sedia maklum, silikon CMOS telah wujud selama

hampir 25 tahun yang lalu sebagai predominan teknologi bagi industri

mikroelektronik. Namun ia perlu diselaraskan dengan perkembangan dunia ke arah

sistem digital. Dengan itu, konsep pengecilan peranti telah digunakan secara konsisten

dalam banyak generasi teknologi di mana kini peranti dimensi berada di bawah skala

mikrometer dan sedang menuju ke rejim nanometer (Wong et al 1999).

Peranti elektronik yang sedia ada mempunyai beberapa masalah yang tidak

dapat diselaraskan dengan kernajuan yang sernakin mendadak terutama sekali dalam

sains dan teknologi. Dalam mengatasi permasalahan tersebut, industri dalam sektor

pernbangunan dan penyelidikan telah mula mencari jalan penyelesaian seperti SIA

(Semiconductor Industry Association) di mana ia menyenaraikan tren teknologi terkini

dan akan datang. Ini akan dibincangkan lebih mendalam dalam Bab II.

Di dalam dunia ini yang semakin rancak membangun, kelajuan pemprosesan

adalah merupakan faktor utama dalam pertumbuhan sains dan teknologi terutama

sekali dalam sektor perkomputeran. Kini zaman sains dan teknologi memerlukan

kelajuan yang maksima dalam segala kerja-kerja harian. Setiap perkara yang

menggunakan peralatan elektronik terutamanya komputer memerlukan kelajuan

sehingga melaksanakan seribu operasi dalam masa sesaat. Tetapi kelajuan ini masih

tidak mencukupi kerana ia melibatkan penggunaan kadar masa. Kita perlu penggunaan

masa yang singkat dalam menghasilkan sesuatu daripada memerlukan masa yang

panjang. Oleh kerana itu, dengan meningkatnya kelajuan pemprosesan akan

menjimatkan masa pengoperasiannya.

Di samping memerlukan kelajuan yang maksima dan penjimatan masa, adalah

penting un"tuk menitikberatkan penggunaan k.llasa yang minima dan kecekapan yang

tinggi dalam segala peralatan dan peranti elektronik. Ini adalah untuk meningkatkan

jangka hayat dan memastikan kualiti yang terjamin bagi peranti tersebut (Sze 1981).

Page 19: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

3

1.2 SKOP PROJEK

Kajian ini adalah berdasarkan kepada penganalisaan data yang diperolehi dari sampel

kajian iaitu peranti CMOS 0.15 mikron. Penganalisaan data ini terbahagi kepada dua

iaitu pencirian elektrik dan pencirian bahan. Dalam projek ini, analisa pencirian

elektrik dibuat dengan pengukuran arus-voltan pada sampel kajian. Di dalam

pengukuran ini, parameter-parameter yang diambil kira adalah arus salir (ID), voltan

salir (VD), voltan get (VG) dan voltan ambang (Vr). Di sini, dua graf arus lawan voltan

dihasilkan iaitu graf arus salir lawan voltan salir dan arus salir lawan voltan get bagi

kedua-dua transistor nMOS dan pMOS. Voltan ambang diperolehi melalui graf arus

salir lawan voltan get.

Bagi analisa pencirian bahan pula, parameter-parameter yang diambil kira

pada sampel kajian adalah sifat fizikal, panjang get (LG) dan komposisi bahan kimia.

Di sini, sebuah rajah berbentuk keratan rentas bagi sampel tersebut diperolehi dengan

bentangan sifat fizikal yang terdiri dari terminal get, salir, sumber, substrat serta yang

paling penting adalah mengenalpasti pangjang get (LG) peranti. Rajah spektrum yang

menunjukkan komposisi bahan yang terkandung dalam sampel tersebut termasuk

dalam analisa pencirian bahan ini.

1.3 OBJEKTIF PROJEK

Objektif utama adalah untuk mengetahui sejauh mana keberkesanan peranti CMOS

yang mempunyai panjang get 0.15 mikron dalam pengoperasiannya sebagai sebuah

transistor. Berikut merupakan objektif projek bagi peranti CMOS 0.15 mikron.

Objektifnya adalah :-

(a) Untuk mengukur pencirian elektrik arus-voltan (I-V) bagi peranti

tersebut dengan menggunakan alat pengujian arus-voltan.

(b) Untuk mengenalpasti pencirian bahan kimia dan sifat fizikal bagi

peranti tersebut dengan menggunakan sistem FIB, SEM dan EDX.

Page 20: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

BABII

KAJIAN KEPUSTAKAAN

2.1 PENGENALAN

Di dalam kajian kepustakaan ini, ia akan lebih ditekankan kepada teori ciri-ciri arus

melawan voltan terhadap sampe1 kajian iaitu peranti CMOS 0.15 mikron disamping

memperkenalkan kepada keluarga MOSFET iaitu nMOS, pMOS dan CMOS.

Sebelum itu, pengenalan kepada penskalaan peranti akan dibincangkan serta tren yang

semakin menuju dari mikrometer ke rejim nanometer.

2.2 PENSKALAAN PERANTI

Industri mikroelektronik kini tertumpu kepada konsep penskalaan atau pengecilan

peranti di mana konsep ini berterusan sehingga belum tahu bilakah ia akan berhenti.

Pengecilan saiz dan dimensi MOSFET dikenali sebagai penskalaan. Penskalaan

transistor MOSFET adalah berkaitan dengan pengecilan keseluruhan dimensi

transistor secara sistematik dan berdasarkan teknologi yang sedia ada (Sze 1981).

Penskalaan ini adalah bertujuan untuk meningkatkan prestasi transistor

MOSFET dengan kelajuan respons tinggi, penggunaan kuasa rendah, lebih

keboleharapan operasi dan keupayaan pengendalian kuasa tinggi (Sze 1981). Untuk

memenuhi perkembangan ini, sebuah Persatuan Semikonduktor Industri yang lebih

dikenali sebagai SIA (Semiconductor Industry Association) te1ah mewujudkan satu

Peta Jalan bagi perkembangan penskalaan peranti. Peta Jalan ini merangkumi segala

aspek teknologi terkini dan akan datang, bermula dari rekaan peranti sehingga ke

Page 21: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

proses fabrikasi peranti. Bagi projek ini, ia lebih tertumpu kepada tren teknologi

penskalaan panjang get, LG bagi sebuah peranti CMOS (ITRS, SIA).

2.3 TREN TEKNOLOGI PENSKALAAN

Teknologi penskalaan telah bermula sejak terciptanya transistor bipolar pada tahun

1947. Kemudian ia berkembang pesat sehingga terciptanya unipolar transistor dan

ianya terns berkembang dengan meningkatnya keinginan pengguna (Hong Xiao

2001).

i I

1.00 05 I , ~~ I 1 Pan·an Fiz kal

--;-a:J5!lrlli I Get 1hnsis or I.

! i o,2~~i I 1 I _i 2 0.1 0 ----~-. nonm I I

~ I 7r nrn l, 1 I I : 5Uifm"'·~ --m ~~~rn 120 nrn 'I

I I I '{l]...

I I 1 I I "iJ 15 nrn 0.01~~--~--~--~--~--~--~----~+

1990 1995 2000 2005 2010 Tahun

RAJAH 2.1 Teknologi Panjang Fizikal Get Transistor

Sumber: Chau R. 2001

Pengecilan saiz dan dimensi ini adalah dirnjuk kepada panjang fizikal get

transistor LG seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.2. Mernjuk kepada rajah 2.1 di

atas, panjang fizikal get adalah 0.51lm pada awal tahun 90an dan terns mengecil pad a

sehingga 30nm. Panjang fizikal get akan terns mengecil dan dijangka 15nm pada

hu jung abad ini dan 10nm sehingga hu jung abad depan (Chau R. 2001).

Page 22: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

6

Penskalaan peranti bukan ahaja melibatkan panjang fizikal get malah la

melibatkan keseluruhan peranti itu sendiri dengan parameter-parameter tertentu .

Setiap penskalaan yang berlaku, wujudnya faktor-faktor dan kesan-kesan yang

menyebabkan berlaku penskalaan terhad. Untuk mengelakkan kesan-kesan ini, adalah

perlu mengekalkan kelakuan panjang sa luran dengan membuat pen kalaan terhadap

semua dimensi dan vo ltan bagi panjang saluran MOSFET supaya medan elektrik

dalaman adalah sama (Sze 2002).

Voltan , V ---+ .... __ P_e_n_d_a_w_a_ia_n_---'

+-w_

p-Substrat, Dopan = NA

(a)

RAJAH 2.2 (a) Struktur Fizikal Peranti Asal, Dan

VIK --+ Pendawalan .. o--Substrat Cooan = A'N.

(b)

(b) Struktur Fizikal Peranti Selepas Proses Penskalaan DenganFaktor K

Surnber: Frank 1997

Rajah 2.2 di atas menunjukkan struktur peranti asal dan penskalaan peranti

dimana keseluruhan dimensi diskalakan dengan faktor K. Penskalaan ini terma uk

ketebalan oksida, panjang saluran, kelebaran saluran dan kedalaman impang. Tahap

dopan dalam peranti meningkat dengan faktor K, dan semua voltan menurun dengan

faktor K, menyebabkan penurunan kelebaran deplesi simpang dengan faktor K. (Davan

et al 1995).

Page 23: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

ID

I

Penskalaan Peranti (Vd/()

Peranti Asal (VD)

) ) ~--~------------~~---------------+VG

RAJAH 2.3 Graf Arus Melawan Voltan Bagi Pencirian Salir Penskalaan Peranti

Sumber: Dennard et al 1974

7

Rajah 2.3 di atas menunjukkan perbandingan arus ID melawan VG dalam

kawasan linear bagi penskalaan peranti dan peranti asal. Di sini voltan ambang juga

dikurangkan dengan faktor /(. Oleh yang demikian, jurnlah peranti per unit luas

meningkat dengan faktor ,(-, masa lengah disebabkan perantaraan melalui saluran

menurun dengan faktor /( dan pelepasan kuasa per sel juga menurun dengan faktor ,;

(Sze 1981).

Di sini dapat diterangkan dalam Hukum Moore di mana ia menyatakan bahawa

jumlah transistor dalam sebuah cip akan berlipat ganda setiap tahun. lni adalah kerana,

transistor tersebut semakin mengecil dalam saiznya sehingga kini. Hukum Moore ini

bukan hukum yang biasa kita ketahui. Dasar utamanya bukan hanya berkait dengan

masalah teknologi semata akan tetapi ia juga berkait dengan masalah ekonomi bagi

industri mikroelektronik. Beliau meramalkan tren ini akan berterusan pada masa akan

datang dan kebanyakan pakar, termasuk Moore sendiri, menjangkakan Hukurn Moore

akan bertahan sekurang-kurangnya dua dekad lagi (Moore 1975).

Page 24: PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS …eprints.uthm.edu.my/id/eprint/740/1/...DAN_BAHAN...pencirian elektrik dan bahan bagi peranti cmos 0.15 mikron muhammad suhaimi bin

8

lADUAL 2.1 Penskalaan Peranti MOSFET Dan Parameter Litar

Detenninant Peranti MOSFET Faktor Penskalaan

Scaling Peranti dimensi (d,L, W,rj) 11K

assumptions Kepekatan dopan (NA,ND) K Voltan (V) 11K Medan elektrik (e) 1 Halaju pembawa (u) Lebar jalur deplesi (w) 11K

Parameter peranti Kapasitans (C=eAld) 11K Keturnpatan cas j alur inversi (Qn) 1 Current drift (1) 11K Panjang saluran (L) 11K Kerintangan saluran (R) 1 Masa lengah litar ('t ~ CVff) 11K Pe1epasan kuasa per litar (P~Vl) 11K!

Parameter Litar Lengah kuasa produk per litar (P't) 1/12 Ketumpatan litar (~ l/A) K! Ketumpatan kuasa (PIA)

Sumber: Taur Y. 1998

ladual 2.1 di atas merumuskan peraturan-peraturan penskalaan untuk pelbagai

parameter peranti dan faktor prestasi Ii tar. Prestasi litar (seperti ke1ajuan dan

penggunaan kuasa) boleh ditingkatkan apabila peranti dimensi dikecilkan dengan

faktor IC Dengan berlandaskan peraturan penskalaan ini, peranti CMOS difabrikasikan

sehingga ia mempunyai panjang get sepanjang 150 urn.

2.4 KELUARGA MOSFET

Teknologi MOS (separa pengalir oksida logam) mendapat namanya dari struktur asas

MOS iaitu e1ektrod logam diatas penebat beroksida dan di atas substrat separuh

pengalir seperti yang ditunjukkan pada rajah 2.4. Transistor dengan teknologi MOS

merupakan transistor kesan medan yang juga disebut sebagai MOSFET. Ini bennakna

medan elektrik pada sebe1ah elektrod logam atas penebat oks ida mempunyai kesan

rintangan substrat. Kebanyakan IC digit MOS dibina menggunakan MOSFET tanpa

komponen-komponen lain. MOSFET adalah merupakan cabang kepada IC monolitik