بوابة ذاتية المحاذاة

تُصنع الدوائر المتكاملة (ICs، أو "الرقائق") عبر عملية متعددة المراحل، حيث تُبنى طبقات متعددة على سطح قرص من السيليكون يُعرف باسم " الرقاقة ". تُشكّل كل طبقة بتغطية الرقاقة بمادة مقاومة للضوء ، ثم تعريضها للأشعة فوق البنفسجية من خلال " قناع " يشبه الاستنسل . وبحسب العملية، تتصلب أو تلين المادة المقاومة للضوء التي تعرضت للضوء، وفي كلتا الحالتين، تُزال الأجزاء الأكثر ليونة. والنتيجة هي نمط مجهري على سطح الرقاقة، حيث يكون جزء من الطبقة العلوية مكشوفًا بينما يكون الجزء المتبقي محميًا تحت طبقة المادة المقاومة للضوء المتبقية.

تُعرَّض الرقاقة بعد ذلك لعمليات متنوعة تُضيف أو تُزيل مواد من أجزاء الرقاقة غير المحمية بطبقة المقاوم الضوئي. في إحدى العمليات الشائعة، تُسخَّن الرقاقة إلى حوالي 1000 درجة مئوية، ثم تُعرَّض لغاز يحتوي على مادة مُطعِّمة (عادةً البورون أو الفوسفور) تُغيِّر الخصائص الكهربائية للسيليكون. يسمح هذا للسيليكون بأن يصبح مانحًا للإلكترونات، أو مستقبلًا لها، أو شبه عازل، وذلك تبعًا لنوع وكمية المادة المُطعِّمة. في الدوائر المتكاملة النموذجية، تُستخدم هذه العملية لإنتاج الترانزستورات الفردية التي تُشكِّل العناصر الأساسية للدائرة المتكاملة.

في ترانزستور MOSFET ، تتكون الأجزاء الثلاثة من المصدر والمصب والبوابة (انظر الرسم التوضيحي). يشير مصطلح "تأثير المجال" في الاسم إلى التغيرات التي تطرأ على الموصلية عند تطبيق جهد كهربائي على البوابة. يكمن جوهر الأمر في أن هذا المجال الكهربائي قادر على جعل منطقة "القناة" الفاصلة بين المصدر والمصب من نفس نوع المصدر-المصب، مما يؤدي إلى تشغيل الترانزستور. ولأن التيار لا يمر من البوابة إلى المصب، فإن طاقة التبديل في ترانزستور MOSFET صغيرة جدًا مقارنةً بأنواع الترانزستورات ثنائية القطبية السابقة ، حيث كانت البوابة (أو القاعدة كما كانت تُعرف) متصلة بخط التيار.

في منهجيات تصنيع MOSFET المبكرة، كانت البوابة مصنوعة من الألومنيوم الذي ينصهر عند 660 درجة مئوية، لذلك كان لا بد من ترسيبه كإحدى الخطوات الأخيرة في العملية بعد اكتمال جميع مراحل التطعيم عند حوالي 1000 درجة مئوية.

تُختار الرقاقة ككل أولاً لتتمتع بخصائص كهربائية محددة، إما بتحيز موجب (p) أو سالب (n). في الرسم التوضيحي، المادة الأساسية هي "p"، لذا ستُصنع القنوات من النوع "n"، وهو ما يُعرف بقناة n أو nMOS. ثم تُستخدم قناع لتحديد المناطق التي ستُوضع فيها أقسام "n" السالبة للترانزستورات. بعد ذلك، تُسخّن الرقاقة إلى حوالي 1000 درجة مئوية، وتُعرّض لغاز مُطعّم ينتشر في سطحها لتكوين أقسام "n". ثم تُنمّى طبقة رقيقة من مادة عازلة ( ثاني أكسيد السيليكون ) فوق الرقاقة. وأخيرًا، تُصنع البوابة فوق الطبقة العازلة في عملية طباعة ضوئية جديدة. ولضمان تداخل البوابة مع المصدر والمصب، يجب أن يكون عرض مادة البوابة أكبر من الفجوة بين أقسام "n"، عادةً ما يصل إلى ثلاثة أضعاف. هذا يُهدر مساحة ويُنشئ سعة إضافية بين البوابة والمصدر والمصب. تتطلب هذه السعة الطفيلية تشغيل الشريحة بأكملها بمستويات طاقة عالية لضمان تبديل سلس، وهو أمر غير فعال. إضافةً إلى ذلك، فإن اختلاف محاذاة البوابة مع المصدر والمصب يعني وجود تباين كبير بين الشرائح حتى عندما تعمل بشكل صحيح.

تطورت البوابة ذاتية المحاذاة على عدة مراحل لتصل إلى شكلها الحالي. وكان مفتاح هذا التقدم هو اكتشاف أن السيليكون متعدد التبلور عالي التشويب موصلٌ كافٍ ليحل محل الألومنيوم. وهذا يعني إمكانية إنشاء طبقة البوابة في أي مرحلة من مراحل عملية التصنيع متعددة الخطوات . ^{[ 1 ] : ص. 1 (انظر الشكل 1.1)}

في عملية المحاذاة الذاتية، تُشكّل طبقة العزل الرئيسية للبوابة قرب بداية العملية. ثم تُرسّب البوابة وتُشكّل عليها. بعد ذلك، تُطعّم مصادر ومصارف التيار (في حالة السيليكون متعدد التبلور، تُطعّم البوابات في الوقت نفسه). وبالتالي، يُمثّل نمط مصادر ومصارف التيار الحواف الخارجية فقط للمصدر والمصرف، بينما تُغطّى الحواف الداخلية لهذه الأجزاء بالبوابة نفسها. ونتيجةً لذلك، تتم محاذاة المصدر والمصرف تلقائيًا مع البوابة. ولأنها دائمًا في موضعها المثالي، فلا حاجة لجعل البوابة أعرض من المطلوب، مما يُقلّل السعة الطفيلية بشكل كبير. كما يقلّ وقت المحاذاة والتباين بين الرقاقات. ^{[ 2 ]}

بعد تجارب مبكرة باستخدام مواد بوابات مختلفة كالألومنيوم والموليبدينوم والسيليكون غير المتبلور ، تبنت صناعة أشباه الموصلات بشكل شبه كامل البوابات ذاتية المحاذاة المصنوعة من السيليكون متعدد التبلور، والمعروفة بتقنية بوابة السيليكون (SGT) أو تقنية "بوابة السيليكون ذاتية المحاذاة"، والتي تميزت بالعديد من المزايا الإضافية إلى جانب تقليل السعات الطفيلية. ومن أهم سمات تقنية بوابة السيليكون أن الترانزستور كان مدفونًا بالكامل تحت طبقة أكسيد حراري عالية الجودة (أحد أفضل العوازل المعروفة)، مما أتاح إمكانية ابتكار أنواع جديدة من الأجهزة، لم تكن ممكنة باستخدام التقنيات التقليدية أو البوابات ذاتية المحاذاة المصنوعة من مواد أخرى. ومن أهم هذه الأجهزة أجهزة اقتران الشحنة (CCD)، المستخدمة في مستشعرات الصور، وأجهزة الذاكرة غير المتطايرة التي تستخدم هياكل بوابة السيليكون العائمة. وقد وسّعت هذه الأجهزة بشكل كبير نطاق الوظائف التي يمكن تحقيقها باستخدام إلكترونيات الحالة الصلبة.

تطلبت عملية صنع البوابات ذاتية المحاذاة ابتكارات معينة: ^{[ 3 ]}

• عملية جديدة من شأنها أن تخلق البوابات؛
• التحول من السيليكون غير المتبلور إلى السيليكون متعدد التبلور (لأن السيليكون غير المتبلور سينكسر عند مروره فوق "الخطوات" في سطح العزل الأكسيدي)؛
• طريقة الطباعة الضوئية لحفر السيليكون متعدد البلورات ؛
• طريقة لتقليل الشوائب الموجودة في السيليكون.

قبل هذه الابتكارات، تم عرض البوابات ذاتية المحاذاة على أجهزة ذات بوابات معدنية ، لكن تأثيرها الحقيقي كان على أجهزة ذات بوابات سيليكونية.

كانت تقنية SGT أول تقنية تصنيع تُستخدم لإنتاج الدوائر المتكاملة MOS التجارية، والتي اعتُمدت لاحقًا على نطاق واسع في جميع أنحاء الصناعة خلال ستينيات القرن الماضي. في أواخر عام 1967، أدرك توم كلاين، الذي كان يعمل في مختبرات البحث والتطوير لشركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات ، وكان مسؤولًا أمام ليس فاداسز ، أن فرق دالة الشغل بين السيليكون المُطعّم بشدة من النوع P والسيليكون من النوع N كان أقل بمقدار 1.1 فولت من فرق دالة الشغل بين الألومنيوم والسيليكون نفسه من النوع N. هذا يعني أن جهد العتبة لترانزستورات MOS ذات البوابة السيليكونية يمكن أن يكون أقل بمقدار 1.1 فولت من جهد العتبة لترانزستورات MOS ذات البوابة الألومنيومية المصنعة على نفس المادة الأولية. وبالتالي، يمكن استخدام مادة أولية ذات توجيه سيليكون [111]، والحصول في الوقت نفسه على جهد عتبة طفيلي مناسب وترانزستورات ذات جهد عتبة منخفض، دون الحاجة إلى استخدام قناع مانع للقناة أو زرع أيوني تحت أكسيد المجال. وبالتالي، باستخدام بوابة السيليكون المشوبة من النوع P، سيكون من الممكن ليس فقط إنشاء ترانزستورات بوابة ذاتية المحاذاة ولكن أيضًا عملية جهد عتبة منخفض باستخدام نفس اتجاه السيليكون لعملية جهد العتبة العالي.

في فبراير 1968، انضم فيديريكو فاجين إلى فريق ليس فاداس ، وكُلِّف بتطوير تقنية تصنيع دارة MOS ذات البوابة ذاتية المحاذاة بجهد عتبة منخفض. تمثلت مهمة فاجين الأولى في تطوير حلول حفر دقيقة لبوابة السيليكون غير المتبلور، ثم ابتكر بنية العملية وخطوات المعالجة التفصيلية لتصنيع دوائر MOS المتكاملة ذات بوابة السيليكون . كما ابتكر "الوصلات المدفونة"، وهي طريقة لإنشاء اتصال مباشر بين وصلات السيليكون غير المتبلور والسيليكون، دون استخدام المعدن، وهي تقنية سمحت بكثافة دوائر أعلى بكثير، لا سيما لدوائر المنطق العشوائي.

بعد التحقق من صحة العملية وتوصيفها باستخدام نمط اختبار قام بتصميمه، صنع فاجين أول ترانزستورات MOS ذات بوابة سيليكونية عاملة وهياكل اختبار بحلول أبريل 1968. ثم صمم أول دائرة متكاملة باستخدام بوابة سيليكونية، وهي فيرتشايلد 3708، وهي عبارة عن مضاعف إرسال تناظري 8 بت مع منطق فك التشفير، والذي كان له نفس وظائف فيرتشايلد 3705، وهي دائرة متكاملة إنتاجية ذات بوابة معدنية واجهت شركة فيرتشايلد سيميكوندكتور صعوبة في صنعها بسبب مواصفاتها الصارمة إلى حد ما.

كما وفر توفر المنتج 3708 في يوليو 1968 منصة لتحسين العملية بشكل أكبر خلال الأشهر التالية، مما أدى إلى شحن أولى عينات المنتج 3708 إلى العملاء في أكتوبر 1968، وجعله متاحًا تجاريًا للسوق العامة قبل نهاية عام 1968. وخلال الفترة من يوليو إلى أكتوبر 1968، أضاف فاجين خطوتين حاسمتين إضافيتين إلى العملية:

• استُبدل السيليكون غير المتبلور المُرسب بالتبخير الفراغي بالسيليكون متعدد التبلور المُستخلص بالترسيب البخاري. وقد أصبحت هذه الخطوة ضرورية لأن السيليكون غير المتبلور المُرسب بالتبخير كان يتكسر عند مروره فوق "النتوءات" الموجودة على سطح الأكسيد.
• استُخدمت تقنية امتصاص الفوسفور لإزالة الشوائب الموجودة دائمًا في الترانزستور، والتي كانت تُسبب مشاكل في الموثوقية. وقد سمحت هذه التقنية بتقليل تيار التسريب بشكل كبير وتجنب انحراف جهد العتبة الذي كان لا يزال يُعيق تقنية MOS ذات البوابة الألومنيومية (حيث لم تكن ترانزستورات MOS ذات البوابة الألومنيومية مناسبة لامتصاص الفوسفور نظرًا لارتفاع درجة الحرارة المطلوبة).

بفضل بوابة السيليكون، سرعان ما وصلت موثوقية ترانزستورات MOS على المدى الطويل إلى مستوى الدوائر المتكاملة ثنائية القطب، مما أدى إلى إزالة عقبة رئيسية أمام التبني الواسع لتقنية MOS.

بحلول نهاية عام 1968، حققت تقنية البوابة السيليكونية نتائج مبهرة. على الرغم من أن تصميم 3708 كان يهدف إلى أن يكون له نفس مساحة 3705 تقريبًا لتسهيل استخدام نفس أدوات الإنتاج، إلا أنه كان من الممكن تصغير حجمه بشكل ملحوظ. ومع ذلك، فقد تفوق أداؤه على 3705: كان أسرع بخمس مرات، وكان تيار التسريب فيه أقل بمئة مرة تقريبًا، وكانت مقاومة التشغيل للترانزستورات الكبيرة المكونة للمفاتيح التناظرية أقل بثلاث مرات. ^{[ 4 ] : ​​ص 6-7}

اعتمدت شركة إنتل تقنية البوابة السيليكونية (SGT) عند تأسيسها (يوليو 1968)، وفي غضون سنوات قليلة أصبحت التقنية الأساسية لتصنيع الدوائر المتكاملة MOS على مستوى العالم، ولا تزال كذلك حتى اليوم. وكانت إنتل أيضًا أول شركة تطور ذاكرة غير متطايرة باستخدام ترانزستورات البوابة السيليكونية العائمة.

كانت شريحة ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة ( SRAM ) من إنتل، طراز 1101، أول شريحة ذاكرة تستخدم تقنية البوابة السيليكونية ، حيث صُنعت عام 1968 وعُرضت عام 1969. ^{[ 5 ]} أما أول معالج دقيق تجاري أحادي الشريحة ، وهو إنتل 4004 ، فقد طوّره فاجين باستخدام تقنية الدوائر المتكاملة MOS ذات البوابة السيليكونية. وساهم كل من مارسيان هوف ، وستان مازور، وماساتوشي شيما في تصميم بنيته. ^{[ 6 ]}

حصل فريق كيروين وكلاين وساراس على براءة اختراع تصميم البوابة ذاتية المحاذاة عام 1969. ^{[ 7 ]} وقد اخترعها بشكل مستقل روبرت دبليو. باور (براءة الاختراع الأمريكية رقم 3,472,712، الصادرة في 14 أكتوبر 1969، والمقدمة في 27 أكتوبر 1966). ولم تُقدم براءة اختراع مختبرات بيل الخاصة بكيروين وآخرين إلا في 27 مارس 1967، أي بعد عدة أشهر من نشر روبرت دبليو. باور وهـ. د. ديل أول منشور لهذا العمل وعرضه في الاجتماع الدولي للأجهزة الإلكترونية في واشنطن العاصمة عام 1966. ^{[ 8 ]}

في دعوى قضائية تتعلق بباور، قررت محكمة الاستئناف للدائرة الثالثة أن كيروين وكلاين وساراس هم مخترعو ترانزستور البوابة السيليكونية ذاتية المحاذاة. وبناءً على ذلك، مُنحوا براءة الاختراع الأساسية رقم US 3,475,234. في الواقع، تم اختراع ترانزستور MOSFET ذي البوابة ذاتية المحاذاة بواسطة روبرت دبليو. باور (براءة الاختراع الأمريكية رقم 3,472,712، الصادرة في 14 أكتوبر 1969، والمقدمة في 27 أكتوبر 1966). أما براءة اختراع مختبرات بيل، كيروين وآخرون (رقم 3,475,234)، فلم تُقدم إلا في 27 مارس 1967، أي بعد عدة أشهر من نشر روبرت دبليو. باور وهـ. د. ديل أول منشور لهذا العمل بعنوان "ترانزستورات تأثير المجال ذات البوابة المعزولة المصنعة باستخدام البوابة كقناع للمصدر والمصب" في الاجتماع الدولي للأجهزة الإلكترونية، واشنطن العاصمة، عام 1966. وصف عمل باور ترانزستور MOSFET ذي البوابة ذاتية المحاذاة، المصنوع من بوابات من الألومنيوم والسيليكون متعدد التبلور. وقد استخدم كلاً من زرع الأيونات والانتشار لتشكيل المصدر والمصب باستخدام قطب البوابة كقناع لتحديد منطقتي المصدر والمصب. حضر فريق مختبرات بيل هذا الاجتماع الخاص بـ IEDM في عام 1966، وناقشوا هذا العمل مع باور بعد عرضه التقديمي في عام 1966. كان باور قد صنع البوابة ذاتية المحاذاة باستخدام الألومنيوم كبوابة، وقبل العرض التقديمي في عام 1966، صنع الجهاز باستخدام البولي سيليكون كبوابة.

تتضمن البوابة ذاتية المحاذاة عادةً زرع الأيونات ، وهو ابتكار آخر في عمليات أشباه الموصلات من ستينيات القرن الماضي. يرتبط تاريخ زرع الأيونات والبوابات ذاتية المحاذاة ارتباطًا وثيقًا، كما ورد في تاريخ مفصل من قبل آر بي فير. ^{[ 9 ]}

كان أول منتج تجاري يستخدم تقنية البوابة السيليكونية ذاتية المحاذاة هو جهاز Fairchild 3708، وهو مُضاعِف إشارات تناظري ثماني البتات، في عام 1968، والذي صممه فيديريكو فاجين، الذي كان رائدًا في العديد من الاختراعات لتحويل نماذج إثبات المفهوم غير العاملة المذكورة سابقًا إلى ما اعتمدته الصناعة فعليًا فيما بعد. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

فيما يلي خطوات إنشاء بوابة ذاتية المحاذاة: ^{[ 12 ]}

تم إنشاء هذه الخطوات لأول مرة بواسطة فيديريكو فاجين واستخدمت في عملية تكنولوجيا بوابة السيليكون التي تم تطويرها في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات في عام 1968 لتصنيع أول دائرة متكاملة تجارية تستخدمها، وهي فيرتشايلد 3708 ^{[ 13 ].}

1. يتم حفر آبار على أكسيد المجال حيث سيتم تشكيل الترانزستورات. يحدد كل بئر مناطق المصدر والمصب والبوابة النشطة لترانزستور MOS.

2. باستخدام عملية الأكسدة الحرارية الجافة ، يتم تنمية طبقة رقيقة (5-200  نانومتر) من أكسيد البوابة (SiO ₂ ) على رقاقة السيليكون.

3. باستخدام عملية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، يتم تنمية طبقة من البولي سيليكون فوق أكسيد البوابة.

4. يتم وضع طبقة من مادة مقاومة للضوء فوق البولي سيليكون .

5. يتم وضع قناع فوق طبقة مقاومة الضوء وتعريضها للأشعة فوق البنفسجية ؛ وهذا يؤدي إلى تحلل طبقة مقاومة الضوء في المناطق التي لم يحمها القناع.

6. يتم تعريض طبقة مقاومة الضوء لمحلول مُظهِر متخصص. والهدف من ذلك هو إزالة طبقة مقاومة الضوء التي تحللت بفعل الأشعة فوق البنفسجية.

7. يتم إزالة طبقة البولي سيليكون وأكسيد البوابة غير المغطاة بطبقة مقاومة الضوء باستخدام عملية حفر أيوني مُخففة. وعادةً ما يكون هذا محلولاً حمضياً يحتوي على حمض الهيدروفلوريك .

8. تُزال طبقة المقاوم الضوئي المتبقية من رقاقة السيليكون. يوجد الآن رقاقة مغطاة بالسيليكون متعدد التبلور فوق أكسيد البوابة، وفوق أكسيد المجال.

9. يتم إزالة طبقة الأكسيد الرقيقة عن طريق الحفر مما يكشف عن مناطق المصدر والمصب للترانزستور، باستثناء منطقة البوابة التي تتم حمايتها بواسطة بوابة البولي سيليكون.

١٠. باستخدام عملية التطعيم التقليدية، أو عملية تُسمى زرع الأيونات، يتم تطعيم المصدر والمصب والسيليكون متعدد التبلور. تعمل طبقة الأكسيد الرقيقة الموجودة أسفل بوابة السيليكون كقناع لعملية التطعيم. هذه الخطوة هي ما يجعل البوابة ذاتية المحاذاة. تتم محاذاة منطقتي المصدر والمصب تلقائيًا بشكل صحيح مع البوابة (الموجودة مسبقًا).

11. تُعالج الرقاقة حرارياً في فرن ذي درجة حرارة عالية (> 800 درجة مئوية أو 1500 درجة فهرنهايت ). يؤدي ذلك إلى انتشار المادة المطعمة بشكل أعمق داخل البنية البلورية لتكوين منطقتي المصدر والمصب، وينتج عنه انتشار طفيف للمادة المطعمة أسفل البوابة.  

12. تستمر العملية بترسيب بخار ثاني أكسيد السيليكون لحماية المناطق المكشوفة، ومع جميع الخطوات المتبقية لإكمال العملية.