r j f p r'! - core.ac.uk · menyelesaikan projek dan seterusnya mcnulis laporan projck ini...

24

Upload: duonghuong

Post on 02-Mar-2019

221 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

r J f P r'! J ~-. j : .• - :. /,'~ • I J T: f·

'[I I' I' I' I' l' I' I [I i' I ,I , I I " J

::; 0000 00076033 t,

FABRIKASI DAN PENCIRIAN TEKNOLOGI 0.13 flm nMOS

AF AND! BIN AHMAD

TESIS YANG DIKEMUKAKAN UNTUK MEMENUHI SEBAHAGIAN DARIPADA SY ARA T MEMPEROLEH IJAZAH

SARJANA SAINS

FAKULTIKEJURUTERAAN UNIVERSITI KEBANGSAAN MALAYSIA

BANGI

2003

PENGAKUAN

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

tiap-tiap satunya te1ah saya je1askan sumbemya.

9 Oktober 2003

Af~ AFP£i4DI BIN AHMAD

P25271

Disertasi ini te\ab diluluskan sebagai memenuhi seba.haglan daripada syarat memperolehi Ijazah Sarjana Sams

(Mikroelektronik)

I /~.JL-~--....... .

Pcnyclia -/ '/ !:..; I

'I." -.> I . -...> Th.ri~ .... -.-----.-

4A~~~ ............... .f..--: ...... . Ketua Jabatan /

Tarikh ••••••• _ •• _~l~1 0 3 1..~ ed - .-~'" MouuWi

prof. Ma~o EW. ~ Kerua Jabatafl 'k Elemonik &. Sistem Kejuruteraan E\cl(tn . fakulti Kcjuruteraan'NGSAAN MALAYSIA, UNWERSITI KEBA 43600 UKM Bangi, Se\angor.

II

PENGHARGAAN

Alhamdulillah, berSyuk.llr saya ke hadrat IIIahi kcrana dengan kcizinanNya dapat saya

menyelesaikan projek dan seterusnya mcnulis laporan projck ini tanpa mcnghadapi

masalah yang besar.

Pertamanya, sekalung penghargaan buat penyelia saya Profesor Madya Ibrahim

Bin Ahmad di atas segala tunjuk ajar, panduan, teguran dan bimbingan tanpa jcmu

sepanjang projek ini dijalankan.

Terima kasih juga saya ucapkan kepada Kak Fauziyah yang telah banyak

memberikan keIjasama dan bimbingan dalam aspek penggunaan perisian. Buat Dr. Kamal

(JKMB), Encik Rarnzan (MIMOS) dan Puan Badariah (IMEN) bantuan yang tebh

diberikan tidak akan saya Iupakan. Tidak lupa juga kepada rakan-rakan scpeIjuangan

seperti Shafinaz, Siti, Kak Mardiana, Sanna, Fairuz dan Thava di atas segala dorongan

dan bantuan anda semua.

Tidak dilupakan buat mak dan bak serta keluarga tercinta, yang amat mcmahami

dan tidak jemu memberikan sokongan kepada saya dalam meneruskan pcngajian ini.

Tidak ketinggalan kepada pihak KUiTIHO dan SLAB JPA di atas kemudahan, bantuan

dan peluang yang diberikan.

111

ABSTRAK

Objektif projek ini adalah melakukan rekabentuk dan simulasi sebuah transistor nMOS dengan saiz salur 0.13 11m. Dengan melaksanakan peraturan penskalaan, transistor nMOS 0.13 11m direkabentuk daripada resipi transistor CMOS 0.18 11m yang telah direkabentuk dan disimulasikan sebelum ini dengan menggunakan kaedah yang sarna. Perubahan dilakukan kepada beberapa parameter penting seperti saiz salur, ketebalan oksida get, implantasi ion bagi modifikasi voltan ambang bagi mencapai matlamat projek ini. Fabrikasi dan simulasi dilakukan menggunakan perisian Virtual Wafer Fabrication (VWF) keluaran Silvaco Inc. TCAD Tools. Terdapat dua alat bantu utama yang digunakan iaitu ATHENA dan ATLAS. ATHENA berfungsi untuk melakukan simulasi kepada proses fabrikasi peranti dan ATLAS adalah untuk simulasi pencirian elektrikal. Keputusan simulasi diberikan dalam paparan dua dimensi di dalam penyunting TONYPLOT. Daripada kajian yang dijalankan, nilai voltan ambang (VTH) untuk transistor nMOS iaitu 0.23503 V, kedalaman simpang (Aj) dengan nilai 0.198707 11m; dan nilai rintangan helaian polisilikon ialah 8.63937 ohmlsegi. Sebagai kesimpulannya, objektif projek telah berjaya dicapai. Penggunaan ATLAS dan ATHENA serta pemilihan faktor penskalaan (S) = 1.38 adalah relevan.

IV

ABSTRACT

The objective of this project is to design and simulate an nMOS transistor with a channel size of o. I 3 )lm. Implementing the scaling law, nMOS transistor o. 13 )lm is designed from a CMOS transistor 0.18 )lm recipe that had been designed and simulated previously using the same method. Some important parameters such as channel size, gate oxide thickness, ion implanted for voltage threshold modification had to be adjusted in searching the project goals. Fabrication and simulation is done using Virtual Wafer Fabrication (VWF) software by Silvaco Inc. TCAD Tools. Two primary tools are used during this project, which are ATHENA and ATLAS. ATHENA works as a simulation tool for the device fabrication process and ATLAS for electrical characteristics simulation. The simulation results are given in two-dimensional display using TONYPLOT editor. From this study, the value of threshold voltage (VTH) for nMOS transistor is 0.23503 V, junction depth (X}) is O. 198707 )lm; and the value of polysilicon sheet resistance is 8.63937 ohm/square. As a conclusion, the objective of this project is achieved. The tools of ATHENA and ATLAS and the scaling factor (5) = 1.38 are relevant.

PENGAKUAN

PENGHARGAAN

ABSTRAK

ABSTRACT

KANDUNGAN

SENARAI JADUAL

SENARAI RAJAH

SENARAI SIMBOL

SENARAI SINGKATAN

BABI PENDAHULUAN

1.1 Pengenalan

l.2 Objektif projek

l.3 Skop projek

KANDUNGAN

1.4 Ringkasan laporan ilmiah

BAB2

2.1

2.2

2.3

KAnANPERPUSTAKAAN

Pengenalan Kepada Transistor

Transistor MOS

Transistor nMOS

2.3.1 Operasi Transistor nMOS

2.3.1.1 Operasi Transistor nMOS Susutan

2.3. 1.2 Operasi Transistor nMOS Peningkatan

Halaman

ii

iii

IV

V

ix

x

xii

xiv

1

5

5

6

7

9

II

12

13

14

v

VI

2.4 Ciri-ciri Elektrikal Transistor MOS 16

2.4.1 Sistem MOS Bawah Voltan Bias Luaran 16

2.4.2 Operasi MOSFET 20

2.5 Voltan Ambang (VT/{) 26

2.6 Penskalaan MOSFET 27

2.7 Proses-proses Fabrikasi 30

2.7.1 Litografi 31

2.7.1.1 Wafer Dengan Fi1em Substrat 34

2.7.1.2 Pemendapan Rintang Foto 34

2.7. 1.3 Pemanasan 35

2.7. 1.4 Penjajaran Topeng 36

2.7.1.5 Pendedahan Sinaran Ultra Ungu 36

2.7.1.6 Pembangunan (development) 36

2.7.1. 7 Penyingkiran Rintang Foto 37

2.7.2 Pengoksidaan 37

2.7.3 Resapan 38

2.7.4 Implantasi Ion 39

2.7.5 Penglogaman 42

2.7.6 Pemendapan 43

2.7.6.1 Pemendapan Silikon Dioksida 43

2.7.6.2 Pemendapan Silikon Nitrit 44

2.7.6.3 Pemendapan Polisilikon 45

2.7.7 Punaran 45

2.8 Fabrikasi Transistor nMOS 47

BAB 3

3.1

3.2

BAB4

4.1

4.2

BABS

5.1

5.2

5.3

BAB6

6.1

6.2

6.3

REKABENTUK TRANSISTOR nMOS 0.13 11m

Pengenalan

Rekabentuk Transistor nMOS 0.13 11m

3.2.1 Penskalaan Transistor nMOS 0.13 11m

3.2.2 Proses Rekabentuk Transistor nMOS 0.13 J..lm

SIMULASI TRANSISTOR nMOS 0.13 11m

Pengenalan Kepada Virtual Wafer Fabrication (VWF)

Kod VWF Bagi Simulasi Transistor nMOS 0.13 11m

KEPUTUSAN DAN PERBINCAN GAN

Pengenalan

Hasil Simulasi Transistor nMOS 0.13 11m

Perbincangan keputusan

5.3.1 Penskalaan

5.3.2 Analisis Nilai Voltan Ambang (VTH)

5.3.3 Analisis Get Oksida

KESIMPULAi'l DAN CADANGAN

Kesimpulan

Masalah Yang Dihadapi

Cadangan Pada Masa Hadapan

60

61

61

64

69

71

90

91

102

102

104

104

106

107

107

VII

RUJUKAN

LAMPIRAN

Lampiran Al

Lampiran A2

Lampiran B

Resipi Simulasi ATHENA Transistor nMOS O. 13 Ilm

Resipi Simulasi ATLAS Transistor nMOS 0.131lm

Laporan Teknikal

109

113

113

120

123

\ III

No. Jadual

1.1

2.1

2.2

3.1

4.1

4.2

5.1

SENARAI JADUAL

Ramalan perkembangan teknologi oleh

Persamaan-persamaan arus-voltan bagi MOSFET sa1uran-n

Kaedah penskalaan medan tetap dan vo1tan tetap

Senarai ujikaji asas

Modul dan fungsi dalam perisian VWF

Parameter asas dalam resipi

Modifikasi parameter berdasarkan faktor S = 1.38

IX

Halaman

4

25

28

63

70

74

103

:\

SENARAI RAJAH

No. Rajah Halaman

1.1 Inovasi awal transistor dwikutub 2

1.2 Rumusan ramalan lvIoore 's Law 3

2.1 Keluarga transistor 8

2.2 Keratan rentas transistor nMOS 10

2.3 Keratan rentas transistor pMOS 10

2.4 Keratan rentas transistor nMOS II

2.5 Transistor nMOS susutan dihidupkan (ON) 13

2.6 Transistor nMOS susutan dimatikan (OFF) 14

2.7 Transistor nMOS peningkatan dihidupkan (ON) 15

2.8 Transistor nMOS peningkatan dimatikan (OFF) IS

2.9 Keratan rentas struktur MOS dan jalur tenaga semasa 17

pengumpulan

2.10 Keratan rentas struktur MOS danjalur tenaga semasa mod 18

deplesi

2.11 Keratan rentas struktur MOS dan jalur tenaga pada 19

penyongsangan

2.12 Keratan rentas nMOS beroperasi pada mod linear 20

2.13 Keratan rentas nMOS beroperasi pada titik pinch-off 21

2.14 Keratan rentas nMOS beroperasi pad a mod tepu 22

2.15 Grafarus salir (ID) lawan voltan salir (YD) bagi nMOS 23

2.16 Grafarus salir (ID) lawan voltan get (Ve) bagi nMOS 24

2.17 Ciri-ciri arus voltan transistor MOS saluran-n 25

termasuk kesan modulasi panjang saluran

2.18 Kesan saluran pendek 29

2.19 Pembentukan pembawa panas dan komponen-komponen 30

arusnya.

2.20

2.21

2.22

2.23

2.24

2.25 (a) - (v)

3.1 (a)-(b)

4.2

4.2

5.1

5.2

5.3

5.4

5.5

5.6

5.7

5.8

5.9

5.10

5.n

5.12

5.13

5.14

5.15

5.16

5.17

5.18

Aliran proses litografi

Pemindahan Corak Pada Wafer

Rintang foto positif dan negati f

Taburan ion terhadap jarak dari permukaan

Perbandingan kesan isotropik dan anisotropic

Fabrikasi langkah demi langkah transistor nMOS

Proses fabrikasi transistor nMOS

Pandangan Sudut Atas Transistor nMOS

Pentakrifan Jejaring

Paras ion dopan boron bagi substratum as as

Taburan ion boron untuk pembentukan telaga-p

Paras dopan ion boron dalam substratum silikon untuk

pembentukan telaga-p

Taburan dopan ion boron selepas PSG penyepuhlindapan

Taburan dopan untuk pembentukan lapisan oks ida secara

LOCOS

Pertumbuhan lapisan nipis oksida get

Paras dopan ion boron selepas pembentukan saluran-n

Punaran polisilikon untuk pembentukan get nMOS

Pertumbuhan oks ida polisilikon

Pembentukan kawasan n-LDD

Pembentukan peruang

Pemendapan logam aluminium

Struktur transistor nMOS 0.13 ~m lengkap

Struktur transistor nMOS 0.13 flm dengan penamaan

elektrod

Struktur transistor nMOS 0.13 flm dengan orientasi jejaring

Struktur transistor nMOS 0.13 flm dengan fungsi pembaris

Hubungan 10 - Vo untuk transistor nMOS 0.13 flm

Hubungan 10 - Vc untuk transistor nMOS 0.13 flm

33

35

41

46

48 - 59

67 - 68

72

74

93

93

94

94

95

95

96

96

97

97

98

98

99

99

lOa

lOa

101

101

Cox

D

D

Ec

E;

EFp

Eox

Ev

Id

k

L

Lef!

N

NA

ND

No

q

'Q

Qso

Qox

Rp

S

S

T

SENARAI SIMBOL

Kapasitans oks ida MOSFET

Pekali resapan

Salir

T enaga keakti fan

Paras tenaga jalur konduksi

Paras tenaga celah tengah

Paras Fermi

Medan elektrik lapisan oksida

Paras tenaga jalur valensi

Arus salir

Pemalar Boltzman (1.38 x 10-23 J/K)

Panjang get MOSFET

Panjang saluran berkesan

Kepekatan pengedopan

Kepekatan penerima

Kepekatan penderma

Kepekatan dopan pada permukaan

Caselektron

Ketumpatan cas

Ketumpatan cas kawalan deplesi

Ketumpatan cas tetap positif pad a antaramuka oksida silikon

Julat terunjur

Sumber

Faktor penskalaan

Masa

Suhu dalam Kelvin

Ketebalan lapisan oks ida get

XII

X!II

VB Voltan substrat

Vd Voltan salir

VDD Voltan bekalan kllasa

VDS Voltan sumber-salir

VDSur Voltan tepu salir

Vg Voltan get

V.whTH Voltan sub-ambang

VTH Voltan ambang

W Lebar get MOSFET

JV Kedalaman simpang

x Jarak

E:r Pemalar dielektrik

Cn Ketelusan ruang bebas

/In Kelincahan electron

/lp Kelincahan lubang

A Pemalar modulasi panjang saluran

<PGC Fungsi kerja antara get dan saluran

APCVD

BJT

CAD

CMOS

ITRS

LDD

LPCVD

MIMOS

MOSFET

nMOS

pMOS

PECVD

PSG

RIE

SIA

ULSI

UV

YLSI

VWF

SENARAI SINGKATAN

Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition

Bipolar Junction Transistor

Computer Aided Design

Complementary Metal Oxide Semiconductor

International Technology Roadmap for Semiconductor

Lightly-Doped Drain

Low Pressure Chemical Vapor Deposition

Malaysia Institute of Microelectronics Systems

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

n-channel MOSFET

p-channel MOSFET

Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition

Phosphor Silicate Glass

Reactive Ion Etching

Semiconductor Industry Association

Ultra Large Scale Integration

Ultra Violet

Very Large Scale Integration

Virtual Wafer Fabrication

XI\'

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 PENGENALAt'l

Teknologi semikonduktor dan teknologi mikroelektronik adalah saling berkait. Teknologi

semikonduktor adalah kajian berkaitan dengan proses, fabrikasi, perincian dan operasi

sesebuah peranti elektronik yang dibina berdasarkan teknologi mikroelektronik.

Manakala, teknologi mikroelektronik pula ialah teknologi yang membolehkan sesebuah

peranti mikroelektronik itu difabrikasikan.

Inovasi dalam bidang mikroelektronik telah berkembang dengan begitu pesat.

Oengan meningkatnya perkembangan kehidupan manusia sejagat serta pergantungan

yang kuat terhadap penggunaan peralatan elektronik, industri semikonduktor telah

mengalami perkembangan dengan begitu pesat juga.

2

Transistor misalnya, tclah mula diinovasikan seawal 1947 di Makmal Bell

(Veendrick 2000). Kcjayaan pcnghasilan transistor ini telah menjadi titik tolak

bermulanya perkembangan dunia mikroelektronik hingga ke hari ini. Rajah 1.1

menunjukkan struktur transistor dwiklltub seawal inovasinya di Makmal Bell.

Pada tahun 1965, Gordon Moore tclah mcramalkan bahawa jumlah bilangan

peranti pada satu cip ialah dua kali ganda dalam tempoh setiap dua belas bulan. Ramalan

beliau ini telah menjadi satu pol a jangkaan dan ramalan. Ramalan ini dikenali sebagai

Moore's Law (Veendrick 2000). Rajah 1.2 menunjukkan rumusan terhadap Moore's Law

yang memberikan impak yang besar kepada pembangunan dunia semikonduktor dan

mikroelek1.ronik hari ini.

RAJAH 1.1 lnovasi awal transistor dwikutub

Sumber: Veendrick 2000

..I.

I

0.. u .... <:J 0.. c: <:J c: 0 0.. E 0

-'" c: '" c.o ] co

16 G

4G

IG

256 M

64 M

16M

4M

I II.'I

256 k

64 k

16 k

4k

I k

256

64

16

4 , ,

,

,

,0 4 Gbir

,0'1 Gbir

0256 Mbir 0"64 Mbir

o 16Mbir

Cf 4 Mbit , , ,,() 1 Mbir

p' 256 kbit ,0 64 kbir

0" 16-kbir MOS-DRA.t\1

, ,

, , , ,

(),-' l-kbit MOS-DRAM , ,

9" 4-bit TIL

,0 dual flip-flop

,0 RTL

, SSI VLSI 1 ~~~~~--~---Lr-~T---~---r--~---'r-1959 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

tahun )

RAJAH 1.2 Rumusan ramalan Moore's Law

Sumber: Y.Taur dan T.H. Ning 2001

3

Rentetan ramalan yang dibuat o\eh Gordon Moore melalui Moore's Law,

teknologi fabrikasi litar bersepadu telah mengalami evolusi bermula dari Kamiran Skala

Kecil - SSI (Small Scale Integration), Kamiran Skala Sederhana - MSI (Medium Scale

Integration), Kamiran Skala Besar - LSI (Large Scale Integration). Kamiran Skala

Sangat Besar - VLSI (Very Large Scale Integration) dan kini Kamiran Skala Tersangat

Besar - ULSI (Ultra Large Scale Integration) (Burhanuddin 2000).

Seiring dengan perkembangan tcknologi fabrikasi ini. Semiconductor Illdusln'

Assocsiation (SIA) tciah mcngeluarkan satl! jadual ramalan bcrkaitan Jcngan

perkembangan teknologi pada masa kini dan akan datang. Jadual 1.1 mcnunjukkan

ramalan perkembangan teknologi merangkumi anggaran saiz minimum transistor yang.

bolch difabrikasikan di atas cip Iitar bersepadu. Saiz transistor ini diukur bcrdasarkan .

parameter yang dikenali sebagai panjang gel.

Berdasarkan Jadual 1.1, dapat dilihat bahawa SalZ transistor bakal mcngalami

pengecilan dari tahun ke tahun dan setcrusnya meningkatkan bilangan transistor pada

sescbuah cip. Perkara ini didorong oleh pcnskalaan saiz komponcnnya. Pcnskalaan saiz

transistor yang menyebabkan saiz transistor mcnjadi kecil juga tclah mcnycbabkan masa

pensuisan bagi transistor bcrkurangan dan scterusnya mcningkatkan kelajuan opcrasi

sesebuah transistor. Ringkasnya dapatJah dikatakan, pengccilan saiz transistor dapat

meningkatan kelajuan sesebuah transistor.

Panjartg get (il1l1)

JADUAL 1.1 Ramalan perkembangan teknologi oleh

Semiconductor Indust!), Association (SIA)

Tahun

1999 2001 2003 2006 2009 0.14 0.12 0.10 0.07 0.05

Transistor per cm- (juta) 14 16 24 40 64 Saiz cip (mm-) 800 850 900 1000 1100

Sumber: Y.Taur dan T.H. Ning 2001

I 2012 I 0.035

I 100

I 1300

5

1.2 OBJEKTIF PROJEK

Projck ini dibangunkan dcngan tujuan bagi mcncapal bcberapa objcktif kajian yang

digarisbn scpcrti bCrih.llt;

I. mcmpclajari ciri-ciri sebuah transistor nMOS dan langkah-Iangkah dalam

proses fabrikasinya

11. mengkaji kaedah pcnskalaan MOSFET untuk diimplementasikan bagi

rekabentuk transistor nMOS O. 13 ~m

111. membangunkan satu aturcara dengan menggunakan Virtual Wafer

Fabricatioll (VWF) keluaran Silvaco Illc. TCAD Tools

1.3 SKOP PROJEK

Projek ini merangh.llmi proses untuk merekabentuk sebuah transistor nMOS dengan

panjang getnya 0.13 ~m. Resipi asal transistor CMOS 0.18 ~m digunakan sebagai as as

untuk melah.llkan penskalaan. Pembangunan aturcara dilaksanakan menggunakan perisian

Virtual Wafer Fabricatioll (VWF). Analisa ciri elektrikal transistor turut dilakukan untuk

menentukan kebolehkerjaan transistor yang telah direkabentuk.

6

1.4 RlNGKASAN BAB

Laporan projek ini dicerakinkan kepada enam bahagian utama. Laporan dimulakan pad a

Bab I dengan memperihalkan pengenalan kepada projek ini merangkumi pengenalan .

terhadap industri semikonduktor, objektif dan skop projek.

Bab 2 pula merangkumi kajian perpustakaan yang telah dijalankan bagi

mendapatkan kefahaman sebclum proses rekabentuk dan fabrikasi transistor nMOS 0.13

11m dijalankan Kandungan utamanya ialah ciri-ciri sebuah transistor dan proses fabrikasi

sebenar sebuah transistor nMOS.

Seterusnya Bab 3 pula menjelaskan kaedah yang dilaksanakan dalam projek ini

meliputi senarai ujikaji yang dijalankan. Bab 4 memfokuskan kepada proses penghasilan

aturcara dan penerangannya. Bab 5 pula memperihalkan dapatan keputusan yang

diperolehi melalui simulasi dan analisis dilakukan dengan membuat beberapa

perbandingan berdasarkan cadangan atau dapatan terdahulu.

Akhimya, Bab 6 menerangkan keputusan yang diperolehi dan seterusnya

memberikan cadangan pada masa akan datang terhadap projek rekabentuk dan simulasi

transistor nMOS 0.13 11m ini.

7

BAB2

KAJIAN PERPUST AKAAN

2.1 PENGENALAN KEPADA TRANSISTOR

Transistor adalah peranti yang terpenting dalam litar elektronik. Ia boleh berfungsi

sebagai amplifier iaitu untuk menguatkan kuasa, voltan atau arus. Transistor juga banyak

digunakan sebagai suis di dalam litar-litar digital dan komputer.

Secara asasnya, transistor boleh dibahagikan kepada dua kumpulan utama iaitu,

transistor dwik.-utub (bipolar) dan ekakutub (unipolar). Transistor dwikutub atau

ringkasnya BJT (Bipolar Junction Transistor) menggunakan kedua-dua elektron dan

lubang sebagai pembawa. Operasi BIT adalah dikawal oleh arus kerana arus yang keluar

adalah bergantung kepada arus yang masuk.

Transistor ekakutub atau FET (Field Effect Transistor) pula hanya rnenggunakan

salah satu sarna ada elektron atau lubang sebagai pembawa. Operasi FET pula adalah

dikawal oleh voltan kerana voltan yang terdapat pada get akan rnengawal arus yang