Karakteristik sifat, klasifikasi dan aplikasi bahan elektrik
PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI … ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS 0.15 MIKRON MUHAMMAD...
Transcript of PENCIRIAN ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI … ELEKTRIK DAN BAHAN BAGI PERANTI CMOS 0.15 MIKRON MUHAMMAD...
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
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
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.
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.
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.
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
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
\"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
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
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
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
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
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
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
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.
'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).
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.
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
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).
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).
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).
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