الربط البيني (الدوائر المتكاملة)
 | تحتوي هذه المقالة على العديد من المشكلات. يُرجى المساعدة في تحسينها أو مناقشة هذه المشكلات على صفحة المناقشة . ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسائل )
|
في الدوائر المتكاملة ، تكون الوصلات عبارة عن هياكل تربط عنصرين أو أكثر من عناصر الدائرة (مثل الترانزستورات) معًا كهربائيًا. يعد تصميم وتخطيط الوصلات على الدائرة المتكاملة أمرًا حيويًا لوظيفتها المناسبة وأدائها وكفاءة الطاقة وموثوقيتها وإنتاجية التصنيع . تعتمد المواد التي تصنع منها الوصلات على العديد من العوامل. يعد التوافق الكيميائي والميكانيكي مع الركيزة شبه الموصلة والعازل الكهربائي بين مستويات الوصلات ضروريًا، وإلا فستكون هناك حاجة إلى طبقات حاجزة. مطلوب أيضًا ملاءمة التصنيع؛ تمنع بعض الكيمياء والعمليات دمج المواد والعمليات الوحدوية في تقنية أكبر (وصفة) لتصنيع الدائرة المتكاملة. في التصنيع، يتم تشكيل الوصلات أثناء نهاية الخط بعد تصنيع الترانزستورات على الركيزة.
يتم تصنيف الوصلات على أنها وصلات محلية أو عالمية اعتمادًا على مسافة انتشار الإشارة التي يمكنها دعمها. يعد عرض وسمك الوصلة، بالإضافة إلى المادة التي صنعت منها، بعض العوامل المهمة التي تحدد المسافة التي قد تنتشر بها الإشارة. تربط الوصلات المحلية عناصر الدائرة القريبة جدًا من بعضها البعض، مثل الترانزستورات المنفصلة عن بعضها البعض بعشرة ترانزستورات أخرى متجاورة. يمكن للوصلات العالمية أن تنقل لمسافات أبعد، مثل عبر دوائر فرعية كبيرة المساحة. وبالتالي، يمكن تشكيل الوصلات المحلية من مواد ذات مقاومة كهربائية عالية نسبيًا مثل السليكون متعدد البلورات ( يتم معالجته أحيانًا بالسيليكون لتوسيع نطاقه) أو التنغستن . لتمديد المسافة التي قد يصل إليها الوصل، يمكن إدخال دوائر مختلفة مثل المخازن المؤقتة أو المرممات في نقاط مختلفة على طول الوصلة الطويلة.
خصائص الربط
الخصائص الهندسية للوصلات الكهربائية هي العرض والسمك والتباعد (المسافة بين وصلة كهربائية وأخرى على نفس المستوى) والانحدار (مجموع العرض والتباعد) ونسبة العرض إلى الارتفاع (السماكة مقسومة على العرض). يتم تقييد العرض والتباعد (AR) وفي النهاية الانحدار في قيمها الدنيا والقصوى بقواعد التصميم التي تضمن إمكانية تصنيع الوصلات الكهربائية (وبالتالي الدائرة المتكاملة) بواسطة التكنولوجيا المختارة بعائد معقول. يتم تقييد العرض لضمان عدم تعرض الوصلات الكهربائية ذات العرض الأدنى للكسر، ويمكن تسوية الوصلات الكهربائية ذات العرض الأقصى عن طريق التلميع الميكانيكي الكيميائي (CMP). يتم تقييد التباعد لضمان إمكانية تصنيع الوصلات الكهربائية المجاورة دون أي جسر من المواد الموصلة. يتم تحديد السماكة فقط بواسطة التكنولوجيا، ونسبة العرض إلى الارتفاع، بواسطة العرض المختار والسماكة المحددة. في التقنيات التي تدعم مستويات متعددة من الوصلات الكهربائية، يكون لكل مجموعة من المستويات المتجاورة، أو كل مستوى، مجموعة قواعد التصميم الخاصة بها.
قبل تقديم تقنية CMP لتسوية طبقات الدوائر المتكاملة، كانت الوصلات المتداخلة تحتوي على قواعد تصميم تحدد عرضًا أدنى ومسافات أكبر من المستوى الأدنى لضمان عدم تسبب طوبولوجيا الطبقة الأساسية الخشنة في حدوث فجوات في الوصلات المتداخلة المتكونة في الأعلى. وقد جعل تقديم تقنية CMP من الممكن الحصول على أشكال هندسية أدق.
إن عامل المقاومة للتآكل هو عامل مهم. ففي التقنيات التي تشكل هياكل الربط باستخدام العمليات التقليدية، يكون عامل المقاومة للتآكل محدودًا لضمان إمكانية إجراء عملية الحفر التي تنشئ الربط، وترسيب العازل الذي يملأ الفراغات بين الوصلات بالعازل الكهربائي بنجاح. وفي التقنيات التي تشكل هياكل الربط باستخدام العمليات الدمشقية، يجب أن يسمح عامل المقاومة للتآكل بنجاح حفر الخنادق، وترسيب المعدن الحاجز (إذا لزم الأمر) ومواد الربط.
إن تخطيط التوصيلات الكهربائية مقيد أيضًا بقواعد التصميم التي تنطبق على مجموعات التوصيلات الكهربائية. بالنسبة لمنطقة معينة، فإن التقنيات التي تعتمد على CMP لديها قواعد كثافة لضمان أن الدائرة المتكاملة بأكملها لديها اختلاف مقبول في كثافة التوصيلات الكهربائية. وذلك لأن المعدل الذي تزيل به CMP المواد يعتمد على خصائص المادة، ويمكن أن تؤدي الاختلافات الكبيرة في كثافة التوصيلات الكهربائية إلى مناطق كبيرة من العازل الكهربائي والتي يمكن أن تنحرف، مما يؤدي إلى تسطح ضعيف. للحفاظ على الكثافة المقبولة، يتم إدخال التوصيلات الكهربائية الوهمية (أو الأسلاك الوهمية ) في المناطق ذات كثافة التوصيلات الكهربائية الاحتياطية.
تاريخيًا، كانت خطوط التوصيل تُوجَّه في خطوط مستقيمة، ويمكن تغيير الاتجاه باستخدام أقسام محاذية بزاوية 45 درجة بعيدًا عن اتجاه السفر. ومع صغر هندسة بنية الدائرة المتكاملة، فُرِضَت قيود على اتجاه التوصيل للحصول على عائدات مقبولة. في البداية، كانت خطوط التوصيل العالمية فقط هي الخاضعة للقيود؛ حيث صُممت لتعمل في خطوط مستقيمة محاذية من الشرق إلى الغرب أو من الشمال إلى الجنوب. للسماح بالتوجيه السهل، كانت مستويات التوصيل البديلة تعمل بنفس المحاذاة، بحيث يتم تحقيق التغييرات في الاتجاه من خلال الاتصال بمستوى أدنى أو أعلى من التوصيل من خلال فتحة. يمكن أن تفترض خطوط التوصيل المحلية، وخاصة المستوى الأدنى (عادةً البولي سيليكون) مجموعة أكثر تعسفًا من خيارات التوجيه لتحقيق كثافة تعبئة أعلى.
مواد
في الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون ، أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا في الدوائر المتكاملة، كانت أول وصلات التوصيل مصنوعة من الألومنيوم. كان الألومنيوم مادة مثالية للوصلات نظرًا لسهولة ترسيبه والالتصاق الجيد بالسيليكون وثاني أكسيد السيليكون. يتم ترسيب وصلات الألومنيوم عن طريق الترسيب الفيزيائي للبخار أو طرق الترسيب الكيميائي للبخار . تم تصميمها في الأصل عن طريق الحفر الرطب ، وفي وقت لاحق عن طريق تقنيات الحفر الجاف المختلفة .
في البداية، تم استخدام الألومنيوم النقي ولكن بحلول سبعينيات القرن العشرين، أجبرت مشاكل توافق الركيزة وتوتر الوصلات والموثوقية (معظمها يتعلق بالهجرة الكهربية ) على استخدام سبائك الألومنيوم المحتوية على السيليكون أو النحاس أو كليهما. وبحلول أواخر التسعينيات، أدت المقاومة العالية للألومنيوم، إلى جانب العرض الضيق لهياكل التوصيل بسبب تقليص حجم الميزة المستمر، إلى مقاومة عالية بشكل محظور في هياكل التوصيل. أجبر هذا على استبدال الألومنيوم بوصلات النحاس .
في الدوائر المتكاملة المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، والتي تستخدم بشكل أساسي في مجالات التطبيق (على سبيل المثال الدوائر المتكاملة للميكروويف المتجانسة ) والتي تختلف عن تلك الخاصة بالسيليكون، فإن المادة السائدة المستخدمة في التوصيلات المترابطة هي الذهب .
تحسينات الأداء
لتقليل عقوبة التأخير الناجمة عن السعة الطفيلية ، يجب أن تحتوي المادة العازلة المستخدمة لعزل الوصلات المتجاورة والوصلات على مستويات مختلفة (العازل بين المستويات [ILD])، على ثابت عازل أقرب ما يمكن إلى 1. تم تقديم فئة من هذه المواد، العوازل منخفضة κ ، خلال أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين لهذا الغرض. اعتبارًا من يناير 2019، تقلل المواد الأكثر تقدمًا الثابت العازل إلى مستويات منخفضة للغاية من خلال الهياكل شديدة المسامية، أو من خلال إنشاء جيوب هوائية أو فراغية كبيرة (عازل فجوة الهواء). غالبًا ما تكون هذه المواد ذات قوة ميكانيكية منخفضة ومقيدة بأدنى مستوى أو مستويات من الوصلات نتيجة لذلك. تساعد الكثافة العالية للوصلات في المستويات السفلية، جنبًا إلى جنب مع التباعد الأدنى، في دعم الطبقات العليا. قدمت شركة إنتل العازل ذو الفجوة الهوائية في تقنيتها 14 نانومتر في عام 2014.
الترابطات متعددة المستويات
تتطلب الدوائر المتكاملة ذات الدوائر المعقدة مستويات متعددة من التوصيلات لتشكيل دوائر ذات مساحة ضئيلة. اعتبارًا من عام 2018، قد تحتوي الدوائر المتكاملة الأكثر تعقيدًا على أكثر من 15 طبقة من التوصيلات. يتم فصل كل مستوى من التوصيلات عن بعضها البعض بواسطة طبقة من العازل. لإجراء اتصالات رأسية بين التوصيلات على مستويات مختلفة، يتم استخدام الفتحات . تحتوي الطبقات العلوية من الشريحة على الطبقات المعدنية الأكثر سمكًا وعرضًا والأكثر انفصالًا، مما يجعل الأسلاك الموجودة على تلك الطبقات تتمتع بأقل مقاومة وأصغر ثابت زمني RC ، لذلك يتم استخدامها لشبكات توزيع الطاقة والساعة . تحتوي الطبقات المعدنية السفلية للشريحة، الأقرب إلى الترانزستورات، على أسلاك رفيعة وضيقة ومضغوطة بإحكام، تُستخدم فقط للتوصيلات المحلية. يمكن أن يؤدي إضافة الطبقات إلى تحسين الأداء، ولكن إضافة الطبقات تقلل أيضًا من العائد وتزيد من تكاليف التصنيع. [1] تستخدم الدوائر المتكاملة ذات الطبقة المعدنية الواحدة عادةً طبقة البولي سيليكون "للقفز عبر" عندما تحتاج إشارة واحدة إلى عبور إشارة أخرى.
إن العملية المستخدمة في تشكيل مكثفات DRAM تخلق سطحًا خشنًا وتلالًا، مما يجعل من الصعب إضافة طبقات ربط معدنية مع الحفاظ على إنتاجية جيدة.
في عام 1998، كانت عمليات ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية الحديثة تحتوي على أربع طبقات معدنية، في حين كانت عمليات المنطق الحديثة تحتوي على سبع طبقات معدنية. [2]
في عام 2002، كان من الشائع استخدام خمس أو ست طبقات من الترابط المعدني. [3]
في عام 2009، كانت ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية بسعة 1 جيجابايت تحتوي عادةً على ثلاث طبقات من الترابط المعدني؛ التنغستن للطبقة الأولى والألومنيوم للطبقات العليا. [4] [5]
انظر أيضا
- تأثير الهوائي
- وسادة الترابط
- أنابيب الكربون النانوية في الوصلات
- عنق الزجاجة في الربط
- الربط البصري
- استخراج الطفيليات
مراجع
- ^ DeMone, Paul (2004). "وحدة المعالجة المركزية المتقلصة بشكل لا يصدق".
- ^ 1998. كيم، يونج بين؛ تشين، توم دبليو. (15 مايو 1996). تقييم تكنولوجيا ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية المدمجة/المنطق . ندوة معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات الدولية لعام 1996 حول الدوائر والأنظمة. الدوائر والأنظمة التي تربط العالم. أتلانتا، الولايات المتحدة الأمريكية. ص 133-136. doi :10.1109/ISCAS.1996.541917.
- ^ Rencz, M. (2002). "مقدمة إلى تكنولوجيا الدوائر المتكاملة" (PDF) . مؤرشف من الأصل (PDF) في 26 أبريل 2012.
- ^ Jacob, Bruce; Ng, Spencer; Wang, David (2007). "Section 8.10.2: Comparison of DRAM-optimized process versus a logic-optimized process". أنظمة الذاكرة: ذاكرة التخزين المؤقت، ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية، القرص . مورجان كوفمان. ص. 376. ISBN 9781558601369.
- ^ تشوي، يونج (2009). "تبدأ المعركة في ساحة ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية 50 نانومتر". مؤرشف من الأصل في 2012-04-06 . تم الاسترجاع في 2019-01-08 .
- هاريس، ديفيد موني؛ ويستي، نيل (2011). تصميم CMOS VLSI: منظور الدوائر والأنظمة (الطبعة الرابعة). أديسون ويسلي. رقم ISBN 9780321547743.
- شوارتز، جيرالدين كوجين (2006). شوارتز، جيرالدين سي.؛ سريكريشنان، كريس في. (المحرران). دليل تكنولوجيا التوصيل بين أشباه الموصلات (الطبعة الثانية). دار نشر سي آر سي. رقم ISBN 9781420017656.
