المحاضرة الثانية: تقنية تصنيع دوائر CMOS
تناولنا في المحاضرة السابقة تاريخ ظهور تقنيات تصنيع الدوائر المصغرة جدا و تطورها و عرفنا الحاجة الى استخدام تقنيات VLSI و تطرقنا الى تقنية CMOS و عرفنا أن دوائرها تتكون من صمامي رقائق ( ترانزستورين) أحدهما موجب القنال P و الآخر سالب القنال N.
سنتناول في هذه المحاضرة خطوات تصنيع دوائر CMOS و حيث أن تقنيات تصنيع الترانزستور N مشابهة لتقنيات تصنيع الترانزستور P سنقوم بتناول خطوات تصنيع أحدهما و ليكن الترانزستور N.
يعرف الترانزستور سالب القنال N بأنه الترانزستور الذي يستخدم النوع الموجب من عجينة السيليكون P-type و يتم تطعيمه بالنوع السالب من الشوائب N-type لتكوين المنبع Source و المصرف Drain كما في الصورة التالية:
تبدأ عملية تصنيع هذا الترانزستور بقطع اسطوانة من السيليكون المطعم بالشوائب الموجبة الى بلورات لا يتجاوز سمكها 1 ملم كما في الصورة التالية:
بعد تجهيز هذه الطبقة ترسب عليها طبقة سميكة من أوكسيد السيليكون SiO2 ثم يرسب فوقها طبقة حساسة للضوء photoresist ، و من ثم يستخدم قناع ضوئي photomask فوق هذه الطبقة ليمرر الأشعة فوق البنفسجية ultraviolet (UV) light على مناطق و يحجبها عن مناطق أخرى ، حيث يتم تعليم المنطقة التي أصابها الضوء من الطبقة الحساسة حيث سيتم لاحقا حفر و إزالة هذه المنطقة كما في الصورة التالية:
بعد تعليم المنطقة التي سيتم إزالتها يتم تعريضها الى حمض الهيدروليك Hydrofluoric acid و الذي لديه القدرة على إزالة طبقة أوكسيد السيليكون و لكنه لا يؤثر على طبقة السيليكون (و هناك طرق أخرى مثل الإزالة بالتفاعل الأيوني أو الإزالة البلازمية و لكن لن نتطرق إليها) كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم ترسيب طبقة رقيقة جدا من أوكسيد السيليكون ( أو يتم تعريض السيليكون للأكسدة لتنمو هذه الطبقة) كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية سيتم ترسيب طبقة من Polysilicon و من فوقها يتم ترسيب طبقة حساسة للضوء و سيستخدم قناع جديد لتعريض بعض المناطق من الطبقة دون غيرها للأشعة كما في الصورة التالية:
سيتم الآن إزالة المناطق التي تعرضت للأشعة ، حيث ستزال طبقة Polysilicon من جميع المناطق عدا المركز الذي لم يتعرض للأشعة كما في الصورة التالية و التي نرى فيها أن بوابة gate الترانزيستور قد تشكلت ثم يتم حقن الشوائب السالبة N-type (و هي عبارة عن ذرات فوسفور مشحونة بشحنة سالبة) في السيليكون باستخدام الانتشار الحراري أو الزرع الأيوني ION-Implantation لتشكيل منطقة المنبع Source و المصرف Drain :
في الخطوة التالية يتم ترسيب طبقة سميكة من أوكسيد السيليكون يليها طبقة حساسة للضوء ثم يتم تعريضها للأشعة فوق البنفسجية من خلال قناع يمنع وصول الأشعة الى منطقتين فوق المنبع و المصرف كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم إزالة المناطق التي لم تتعرض للأشعة للحصول على الشكل التالي:
في الخطوة التالية يتم ترسيب طبقة من معدن الألمنيوم و هي الطبقة التي ستعمل كموصل للسماح للترانزستور بالعمل ، يليها طبقة حساسة للضوء يتم تعريضها للأشعة من خلال قناع كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم إزالة المناطق التي تعرضت للأشعة للوصول الى الشكل التالي:
في الخطوة الأخيرة يتم ترسيب طبقة من نيتريد السيليكون silicon nitride تعمل كطبقة حماية لمنع الذرات الخارجية مثل الصوديوم مثلا من الدخول الى التصميم ، و يكون الشكل النهائي للترانزستور N-type كما في الصورة التالية:
أما ترانزستور P-type فسيكون شكله كما في الصورة التالية:
الآن بعد أن تعرفنا على خطوات تصنيع ترانزيستور N-type سننتقل الى خطوات تصنيع دائرة CMOS التي تحتوي على ترانزستورين N-type و P-type ، حيث سنبدأ بطبقة من السيليكون P-type ثم سنعرضها للأكسدة لتنمو عليها طبقة رقيقة من أوكسيد السيليكون ، ثم نقوم بحقن شوائب سالبة من ذرات الفوسفور من خلال قناع لتشكيل المنطقة التي ستكون فيما بعد ترانزستور P-type كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم أكسدة السطح في الأوكسجين الرطب wet oxygen للحصول على طبقة سميكة من أوكسيد السيليكون تسمى أوكسيد المجال field oxide ، يتم حفرها لتمييز مناطق الترانزستورات كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم أكسدة السطح في الأوكسجين الجاف dry oxygen للحصول على طبقة رقيقة من أوكسيد السيليكون تسمى أوكسيد البوابة gate oxide كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم ترسيب طبقة سميكة من Polysilicon ثم يتم تشكيلها و حفرها باستخدام الإزالة البلازمية لتمييز مناطق المنبع و المصرف كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم حقن شوائب N-type من ذرات الفوسفور باستخدام الانتشار الحراري أو الزرع الأيوني الذي يتم تعريضه للرقاقة من خلال قناع للحصول على مناطق المنبع و المصدر في الترانزستور N-type كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم حقن شوائب P-type من ذرات البورون باستخدام الانتشار الحراري أو الزرع الأيوني الذي يتم تعريضه للرقاقة من خلال قناع للحصول على مناطق المنبع و المصدر في الترانزستور P-type كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم ترسيب طبقة متوسطة من أوكسيد السيليكون كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم حفر ثقوب في مناطق المنبع و المصرف للترانزستورين كما في الصورة التالية:
في الخطوة التالية يتم ترسيب طبقة من الألمنيوم و تشكيلها و تقطيعها كما في الصورة التالية:
و في الخطوة الأخيرة يتم ترسيب طبقة الحماية للحصول على الشكل النهائي لدائرة CMOS كما في الصورة التالية:
قواعد التصميم Design Rules :
تُحدّدُ هذه القواعدِ الأبعاد الدنيا المسموح بها للمكونات على الرقاقة مثل المعدنِ ومادة polysilicon ، و المسافات الفاصلة بينها. فإذا كان عرض الخَطِّ المعدنيِ صغير جداً، على سبيل المثال، فمن المحتملُ للخَطِّ أَنْ يَنكسرَ أثناء التصنيع أَو بعد ذلك، مما يُؤدّي إلى دائرةِ مفتوحةِ. و إذا وضع خطين قريبا جداً من بعضهم البعض في التخطيطِ فإن ذلك قَدْ يؤدي الى تشكيل دائرةَ قصيرة short circuit غير مرغوبةَ أثناء أَو بعد عملية التصنيع.
إنّ قواعدَ التصميمَ يتم توصيفها عادة بأسلوبين:
قواعد الميكرون Micron rules ، حيث يتم كتابة الأبعاد بالميكرومتر.
قواعد Lambda ، حيث يتم استخدام عامل مفرد يطلق عليه لامده ، و الذي يَسْمحُ للقيَاْس النسبيِ الخطيِّ لكُلّ القيود الهندسية بحيث لا يتم تحديد قيم محددة و إنما يتم توصيف قيمة متغيرة يمكن فيما بعد الاستعاضة عنها بقيم معينه بحيث تبقى النسب في مقاييس التصميم واحدة.
في الجدول التالي بعض الأمثلة على استخدام قواعد لامده :
