التوصيلات البينية (الدوائر المتكاملة)

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
الوصلات البينية هي الهياكل (النحاسية عادةً) الموجودة داخل طبقة التوصيل الخلفية (BEOL) .

في الدوائر المتكاملة ، تُعدّ الوصلات البينية هياكل تربط عنصرين أو أكثر من عناصر الدائرة (مثل الترانزستورات) كهربائيًا. ويُعدّ تصميم وتخطيط هذه الوصلات على الدائرة المتكاملة أمرًا بالغ الأهمية لوظيفتها السليمة، وأدائها، وكفاءتها في استهلاك الطاقة، وموثوقيتها، وإنتاجيتها . وتعتمد المواد المستخدمة في صناعة هذه الوصلات على عوامل عديدة. فمن الضروري التوافق الكيميائي والميكانيكي مع ركيزة أشباه الموصلات والعازل بين مستويات الوصلات، وإلا ستكون هناك حاجة إلى طبقات عازلة. كما يُشترط أيضًا ملاءمة المادة لعملية التصنيع؛ إذ إن بعض التركيبات الكيميائية والعمليات تمنع دمج المواد والعمليات الأساسية في تقنية (وصفة) أكبر لتصنيع الدوائر المتكاملة. وفي عملية التصنيع، تُشكّل الوصلات البينية خلال مرحلة تصنيع الطبقات الخلفية (BEOL) بعد تصنيع الترانزستورات على الركيزة.

تُصنّف الوصلات البينية إلى وصلات محلية وعالمية بناءً على مسافة انتشار الإشارة التي تدعمها. ويُعدّ عرض الوصلة وسُمكها، بالإضافة إلى المادة المصنوعة منها، من أهم العوامل التي تُحدّد المسافة التي يمكن أن تنتشر فيها الإشارة. تربط الوصلات المحلية عناصر الدائرة المتقاربة جدًا، مثل الترانزستورات التي يفصل بينها عشرة ترانزستورات أخرى متجاورة. أما الوصلات العالمية، فتستطيع نقل الإشارة لمسافات أبعد، كما هو الحال في الدوائر الفرعية ذات المساحة الكبيرة. ولذلك، قد تُصنع الوصلات المحلية من مواد ذات مقاومة كهربائية عالية نسبيًا ، مثل السيليكون متعدد البلورات ( الذي يُعالج أحيانًا بالسيليكون لزيادة مداه) أو التنجستن . ولزيادة المسافة التي تصل إليها الوصلة، يمكن إدخال دوائر مختلفة، مثل دوائر التخزين المؤقت أو دوائر الاستعادة، في نقاط متفرقة على طول الوصلة.

خصائص الربط البيني

تتضمن الخصائص الهندسية للوصلات البينية العرض، والسماكة، والمسافة بين الوصلات (المسافة بين وصلة وأخرى على نفس المستوى)، والخطوة (مجموع العرض والمسافة بين الوصلات)، ونسبة العرض إلى الارتفاع (نسبة السماكة إلى العرض). يتم تحديد العرض والمسافة بين الوصلات ونسبة العرض إلى الارتفاع، وبالتالي الخطوة، بقيم دنيا وعليا وفقًا لقواعد تصميم تضمن إمكانية تصنيع الوصلة (وبالتالي الدائرة المتكاملة) باستخدام التقنية المختارة بكفاءة معقولة. يتم تحديد العرض لضمان عدم تعرض الوصلات ذات العرض الأدنى للكسر، بينما يمكن تسوية الوصلات ذات العرض الأقصى باستخدام التلميع الكيميائي الميكانيكي . يتم تحديد المسافة بين الوصلات لضمان إمكانية تصنيع الوصلات المتجاورة دون أي جسور من المواد الموصلة. يتم تحديد السماكة حصريًا بواسطة التقنية المستخدمة، بينما يتم تحديد نسبة العرض إلى الارتفاع بناءً على العرض المختار والسماكة المحددة. في التقنيات التي تدعم مستويات متعددة من الوصلات البينية، يكون لكل مجموعة من المستويات المتجاورة، أو لكل مستوى، مجموعة قواعد تصميم خاصة به.

قبل إدخال تقنية التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) لتسوية طبقات الدوائر المتكاملة، كانت قواعد تصميم الوصلات البينية تحدد عرضًا أدنى أكبر ومسافات أكبر من الطبقة السفلية لضمان عدم تسبب البنية الخشنة للطبقة الأساسية في حدوث انقطاعات في الوصلة البينية المتكونة في الأعلى. وقد أتاح إدخال تقنية التلميع الكيميائي الميكانيكي إمكانية الحصول على أشكال هندسية أدق.

يُعدّ هامش الخطأ عاملاً هاماً. ففي التقنيات التي تُشكّل هياكل التوصيل البيني باستخدام العمليات التقليدية، يكون هامش الخطأ محدوداً لضمان نجاح عملية الحفر لإنشاء التوصيل البيني، وترسيب العازل الذي يملأ الفراغات بين التوصيلات. أما في التقنيات التي تُشكّل هياكل التوصيل البيني باستخدام عمليات دمشقية، فيجب أن يسمح هامش الخطأ بنجاح حفر الأخاديد، وترسيب المعدن الحاجز (إن لزم الأمر)، ومادة التوصيل البيني.

تخضع تصميمات التوصيلات البينية لقيود إضافية من خلال قواعد تصميمية تُطبق على مجموعات التوصيلات. بالنسبة لمنطقة معينة، تعتمد التقنيات التي تستخدم التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) على قواعد كثافة لضمان وجود تباين مقبول في كثافة التوصيلات البينية على مستوى الدائرة المتكاملة بأكملها. ويعود ذلك إلى أن معدل إزالة المادة بواسطة التلميع الكيميائي الميكانيكي يعتمد على خصائص المادة، وقد تؤدي الاختلافات الكبيرة في كثافة التوصيلات البينية إلى ظهور مساحات واسعة من العازل الكهربائي قابلة للانحناء، مما ينتج عنه ضعف في استواء السطح. وللحفاظ على كثافة مقبولة، يتم إدخال توصيلات بينية وهمية (أو أسلاك وهمية ) في المناطق ذات الكثافة الزائدة من التوصيلات البينية.

تاريخيًا، كانت الوصلات البينية تُمدد في خطوط مستقيمة، ويمكن تغيير اتجاهها باستخدام أقسام مُحاذية بزاوية 45 درجة عن اتجاه الحركة. ومع تصغير أبعاد هياكل الدوائر المتكاملة، ولتحقيق إنتاجية مقبولة، فُرضت قيود على اتجاه الوصلات البينية. في البداية، كانت الوصلات البينية العالمية فقط هي الخاضعة لهذه القيود؛ حيث كانت تُمدد في خطوط مستقيمة باتجاه الشرق والغرب أو الشمال والجنوب . ولتسهيل عملية التوجيه، كانت مستويات الوصلات البينية البديلة تُمدد في نفس الاتجاه، بحيث يتم تغيير الاتجاه عن طريق الاتصال بمستوى أدنى أو أعلى من الوصلات البينية عبر وصلة رأسية. أما الوصلات البينية المحلية، وخاصة المستوى الأدنى (عادةً ما يكون من السيليكون متعدد التبلور)، فكانت تسمح بتشكيلة أوسع من خيارات التوجيه لتحقيق كثافة تعبئة أعلى.

مواد

في الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون ، وهو أكثر أشباه الموصلات استخدامًا في هذه الدوائر، كانت الوصلات البينية الأولى تُصنع من الألومنيوم. كان الألومنيوم مادة مثالية للوصلات البينية نظرًا لسهولة ترسيبه والتصاقه الجيد بالسيليكون وثاني أكسيد السيليكون. تُرسّب وصلات الألومنيوم البينية باستخدام طريقتي الترسيب الفيزيائي للبخار أو الترسيب الكيميائي للبخار . في البداية، كانت تُشكّل باستخدام الحفر الرطب ، ثم لاحقًا باستخدام تقنيات الحفر الجاف المختلفة.

في البداية، استُخدم الألومنيوم النقي، ولكن بحلول سبعينيات القرن الماضي، أجبرت مخاوف التوافق مع الركائز، وظهور ارتفاعات مفاجئة في الوصلات، ومخاوف الموثوقية (وخاصةً فيما يتعلق بالهجرة الكهربائية ) على استخدام سبائك الألومنيوم التي تحتوي على السيليكون أو النحاس أو كليهما. وبحلول أواخر التسعينيات، أدت المقاومة العالية للألومنيوم، بالإضافة إلى ضيق عرض هياكل التوصيلات البينية نتيجةً للتصغير المستمر لأحجام المكونات ، إلى مقاومة عالية للغاية في هذه الهياكل. مما استدعى استبدال الألومنيوم بوصلات نحاسية .

في الدوائر المتكاملة المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، والتي تستخدم بشكل أساسي في مجالات التطبيق (مثل الدوائر المتكاملة للميكروويف المتجانسة ) المختلفة عن تلك المصنوعة من السيليكون، فإن المادة السائدة المستخدمة في التوصيلات البينية هي الذهب .

تحسينات في الأداء

لتقليل زمن التأخير الناتج عن السعة الطفيلية ، يجب أن تتمتع المادة العازلة المستخدمة لعزل الوصلات المتجاورة، والوصلات على مستويات مختلفة (العازل بين المستويات [ILD])، بثابت عزل كهربائي قريب قدر الإمكان من 1. وقد طُرحت فئة من هذه المواد، تُعرف باسم العوازل منخفضة ثابت العزل الكهربائي (Low-κ) ، في أواخر التسعينيات وأوائل الألفية الثانية لهذا الغرض. اعتبارًا من يناير 2019، تعمل المواد الأكثر تطورًا على خفض ثابت العزل الكهربائي إلى مستويات منخفضة جدًا من خلال هياكل مسامية للغاية، أو من خلال إنشاء جيوب هوائية أو فراغية كبيرة (عازل الفجوة الهوائية). غالبًا ما تتميز هذه المواد بقوة ميكانيكية منخفضة، ولذلك يقتصر استخدامها على المستوى الأدنى أو المستويات الأدنى من الوصلات. تساعد الكثافة العالية للوصلات في المستويات الأدنى، إلى جانب التباعد الأدنى بينها، على دعم الطبقات العليا. وقد قدمت شركة إنتل عازل الفجوة الهوائية في تقنية 14  نانومتر الخاصة بها في عام 2014.

وصلات متعددة المستويات

تتطلب الدوائر المتكاملة ذات الدوائر المعقدة مستويات متعددة من التوصيلات البينية لتشكيل دوائر ذات مساحة صغيرة. اعتبارًا من عام 2018، قد تحتوي أكثر الدوائر المتكاملة تعقيدًا على أكثر من 15 طبقة من التوصيلات البينية. يفصل بين كل مستوى من مستويات التوصيلات البينية طبقة عازلة. ولإنشاء وصلات رأسية بين التوصيلات البينية على مستويات مختلفة، تُستخدم الثقوب الموصلة . تتميز الطبقات العلوية للشريحة بأسمك وأعرض طبقات معدنية متباعدة، مما يجعل الأسلاك على هذه الطبقات ذات أقل مقاومة وأصغر ثابت زمني RC ، لذا تُستخدم لشبكات توزيع الطاقة والساعة . أما الطبقات المعدنية السفلية للشريحة، الأقرب إلى الترانزستورات، فتتميز بأسلاك رفيعة وضيقة ومتراصة، وتُستخدم فقط للتوصيلات البينية المحلية. قد يؤدي إضافة طبقات إلى تحسين الأداء، ولكنه يقلل أيضًا من الإنتاجية ويزيد من تكاليف التصنيع. [ 1 ] تستخدم الدوائر المتكاملة ذات الطبقة المعدنية الواحدة عادةً طبقة البولي سيليكون "للقفز" عندما تحتاج إشارة إلى عبور إشارة أخرى.

إن العملية المستخدمة لتشكيل مكثفات DRAM تخلق سطحًا خشنًا ومتعرجًا، مما يجعل من الصعب إضافة طبقات التوصيل المعدني مع الحفاظ على إنتاجية جيدة.

في عام 1998، كانت أحدث عمليات تصنيع ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) تحتوي على أربع طبقات معدنية، بينما كانت أحدث عمليات تصنيع المنطق تحتوي على سبع طبقات معدنية. [ 2 ]

في عام 2002، كان استخدام خمس أو ست طبقات من التوصيلات المعدنية أمراً شائعاً. [ 3 ]

في عام 2009،  كانت ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) بسعة 1 جيجابت تحتوي عادةً على ثلاث طبقات من التوصيلات المعدنية؛ التنجستن للطبقة الأولى والألومنيوم للطبقات العلوية. [ 4 ] [ 5 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ديمون، بول (2004). "وحدة المعالجة المركزية المتضائلة بشكل لا يصدق" .
  2. ↑ ١٩٩٨. كيم، يونغ بين؛ تشين، توم و. (١٥ مايو ١٩٩٦). تقييم تقنية دمج ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية/المنطق . ندوة IEEE الدولية للدوائر والأنظمة لعام ١٩٩٦. الدوائر والأنظمة التي تربط العالم. أتلانتا، الولايات المتحدة الأمريكية. الصفحات ١٣٣-١٣٦ . doi : 10.1109/ISCAS.1996.541917 . 
  3. ↑ رينكز، م. (2002). "مقدمة في تكنولوجيا الدوائر المتكاملة" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 26 أبريل 2012.
  4. ↑ جاكوب، بروس؛ نغ، سبنسر؛ وانغ، ديفيد (2007). "القسم 8.10.2: مقارنة بين عملية مُحسَّنة لذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية وعملية مُحسَّنة منطقيًا" . أنظمة الذاكرة: ذاكرة التخزين المؤقت، ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية، القرص . مورغان كوفمان. ص 376. ISBN  9781558601369.
  5. ↑ تشوي، يونغ (2009). "بدء المعركة في ساحة ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية بتقنية 50 نانومتر" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2012-04-06 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2019-01-08 .
  • هاريس، ديفيد موني؛ ويست، نيل (2011). تصميم الدوائر المتكاملة بتقنية CMOS VLSI: منظور الدوائر والأنظمة (  الطبعة الرابعة). أديسون ويسلي. ISBN 9780321547743.
  • شوارتز، جيرالدين كوجين (2006). شوارتز، جيرالدين سي.؛ سريكريشنان، كريس في. (محرران). دليل تكنولوجيا توصيل أشباه الموصلات (  الطبعة الثانية). مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 9781420017656.