تقنية VLSI

[Ya2oot Afandy]

هذا الموضوع تم نقلة بالكامل من موقع الدكتور: وليد عودة
https://www.walidouda.com

المحاضرة الأولى: مقدمة في تقنية تصنيع المعالجات

من أجل وصف الأنظمة و المكونات التي سنستخدمها في هذه المحاضرة ، لابد من استخدام بعض التعريفات الأولية كما يلي:

1- الدائرة المتكاملة Integrated Circuit (IC) ، و هي عبارة عن لوحة تجمع دائرة من عدة مكونات الكترونية في مغلف واحد و قد يصل عدد هذه المكونات الى بضعة مئات الألوف أو حتى بضعة ملايين كما في الدارات الحديثة.

2- الرقاقة Chip هي قطعة صغيرة مستطيلة من السيليكون تحتوي على الدارات المتكاملة.

حقّقت صناعة الإلكترونيّات نموًّا خارقًا طوال آخر عقدين, بشكل رئيسيّ بسبب التّقدّم السّريع في تكنولوجيّات التّكامل، و مع زيادة المهام المعقدة في معالجة البيانات المختلفة و انتشار أجهزة الاتّصالات السّلكيّة واللّاسلكيّة, فإن الحاجة لتنفيذ هذه الوظائف باستخدام أنظمة مصغرة زادت بشكل كبير.

بصفة عامّة, فإن الشرائح المنطقية logic chips مثل شرائح المعالجات الصغرية microprocessor chips و شرائح معالجة الإشارة الرّقميّة digital signal processing (DSP) chips تحتوي على كثير من الوحدات العمليّة التي تقوم بتنفيذ المهام و الأوامر المعقدة المختلفة . نتيجة لذلك, فإن تعقيد تصميمهم ُيفوق كثيرًا تصميم شرائح الذاكرة, بالرّغم من أنّ شرائح الذاكرة المتقدّمة تحتوي على بعض الوظائف المنطقية المتطوّرة . و يجب أن يكون معلوما أن تعقيد تّصميم الشرائح يتناسب بشكل مطّرد مع عدد الترانزستورات ( صمامات الرقائق ) في هذه الشرائح.

كان ميلاد صمامات الرقائق Transistors بين عامي 1946-1947 و كان ذلك بداية عصر الدوائر المتكاملة ، حيث ظهرت أول دائرة متكاملة سنة 1958 ثم ظهرت تقنية التجميع على نطاق ضيق Small Scale Integration (SSI) في بداية الستينات، ثم ظهرت تقنية التجميع على نطاق متوسط Medium Scale Integration (MSI) ثم تقنيات التجميع على نطاق واسع Large Scale Integration (LSI) ، ثم ظهرت تقنية التجميع على نطاق واسع جدا Very Large Scale Integration (VLSI) و قد كان ذلك في أواخر السبعينات ، و للتفريق بين هذه التقنيات يمكن استخدام التصنيف التالي:

SSI = 1 الى 10 صمامات رقائق في كل رقاقة.

MSI = 10 الى 100 – 500 صمام رقائق في كل رقاقة.

LSI = 100-500 الى 10.000 – 20.000 صمام رقائق.

VLSI = أكثر من 20.000 صمام رقائق الى بضعة مئات الألوف.

الخطوة التالية بعد VLSI هي تقنية Ultra Large Scale Integration (ULSI) و التي تسمح بتجميع ما بين 500.000 الى 10.000.000 صمام رقائق في كل رقاقة و من ثم تقنية Gigantic Scale Integration (GSI) و التي تسمح بتجميع أكثر من 10.000.000 صمام رقائق و هي من تقنيات المستقبل.

لماذا نحتاج الى استخدام تقنية VLSI؟

نحتاج الى استخدام تقنية التجميع على نطاق واسع جدا للأسباب التالية:

1- بتقليل حجم المكونات تقل المسافة اللازمة لنقل الإشارة الكهربائية و بالتالي تزيد سرعة نقل البيانات.

2- التقليل من استهلاك الطاقة الكهربائية.

3- التقليل من كلفة التصنيع حيث تتم العملية آليا دون تدخل العمال.

مجالات استخدام VLSI:

1- المعالجات الصغرية Microprocessors في الكمبيوترات الشخصية.

2- المتحكمات الصغرية Microcontrollers.

3- رقائق الذاكرة في الكمبيوترات الشخصية

4- معالجات لأداء مهام خاصة.

قانون مور Moore's Law:

توقع مؤسس شركة إنتل Gordon Moore في أوائل الثمانينات أن عدد صمامات الرقائق في كل رقاقة في المعالجات الصغرية سيتضاعف كل 18-24 شهر ، و هذا هو ما حصل بالفعل كما هو واضح من المخطط التالي:



و لتحقيق هذا التطور في صناعة المعالجات الصغرية باستخدام تقنية VLSI هناك عدة أمور يجب أن تؤخذ في عين الاعتبار:

1- الكلفة : حيث يجب مراعاة أن لا يرتفع سعر تكلفة صناعة الرقاقة كي لا يرتفع ثمن المنتج و بالتالي يقل الإقبال عليه، و تأتي الكلفة المرتفعة لتغطية ما يلي:

أ- تكلفة الأبحاث لإنتاج رقائق جديدة في أسرع وقت بسبب التنافس الكبير بين المصنعين.

ب- تكلفة أجهزة التصنيع.

ج- تكلفة المواد الأولية.

د- تكلفة إجراء الاختبارات على الرقائق.

2- السرعة : فمع زيادة عدد الصمامات سيتم الحصول على سرعات أكبر للمعالجات و لكن مع مراعاة أن زيادة السرعة يصاحبها استهلاك أكبر للطاقة.

3- استهلاك الطاقة : يجب مراعاة التقنية لتقليل استهلاك الطاقة المتولدة مع السرعات الكبيرة.

4- الموثوقية: و يتعلق ذلك بمتانة التصنيع و تقليل الأخطاء أو تجنبها قدر الإمكان.

لمحة عن تصنيع مكونات VLSI:

لتصنيع مكونات الدوائر المتكاملة تستخدم تقنية أشباه الموصلات من أوكسيد المعدن Metal Oxide Semiconductor (MOS).

من أجل أن نصنع دائرة MOS يجب أولا إنتاج بلورة من السيليكون ، حيث يتم تقسيم هذه البلورة بعدئذ الى شرائح باتجاه محدد و شرائح دائرية رقيقة جدا تدعى رقيقة Wafer و يمكن إنتاج عدة دزينات من الرقائق Chips من رقيقة واحدة. يتم تعريض الرقيقة للطبع الحجري الضوئي Photolithographic و هي عملية شبيهة بطبع الصور التجارية ، حيث يتم إنشاء مناطق كهربائية موجبة و سالبة على السيليكون بحقن شوائب Impurities فيه أثناء عملية التصنيع و تسمى هذه العملية التطعيم Doping. بعد الانتهاء من تشكيل القوالب الكاملة على الرقيقة يجري اختبار الرقيقة و في حال نجاح الاختبارات يتم تقطيع الرقيقة و تكسيرها الى رقائق مفردة ، ثم تحمل كل رقاقة على غلاف Package و توصل بأسلاك ذهبية مع الوسادات و الغلاف ، ثم يتم ختم الغلاف و يخضع للاختبار النهائي و في حال اجتياز الاختبار بنجاح ترسل الرقائق للبيع.

هناك عدة تقنيات MOS كما يلي :

1- تقنية PMOS و هي التقنية التي تستخدم قابلية الحركة للشحنات الموجبة P لنقل الكهربائية ، و هي تقنية قديمة نسبيا و قد استخدمت في صناعة المعالجات الصغرية الأولى. تعطي هذه التقنية كثافة جيده تصل الى 20.000 صمام رقائقي أو أكثر للرقاقة الواحدة ، و مع ذلك فهي بطيئة نسبيا عند مقارنتها بالتقنيات الأخرى.

2- تقنية NMOS هي التقنية التي تستخدم قابلية الحركة للشحنات السالبة N لنقل الكهربائية و هي أسرع من PMOS و تعطي كثافة جيدة.

3- تقنية Complementary MOS (CMOS) ( متمم MOS) تستخدم هذه التقنية المزج بين صمامات الرقائق الموجبة القنال P-channel و السالبة القنال N-channel، حيث تتطلب استخدام صمامي رقائق أحدهما موجب القنال و آخر سالب القنال، لهذا تقع مواصفاتها بين تقنية NMOS و PMOS ، فهي أسرع من PMOS و لكنها أبطأ قليلا من NMOS و كثافتها عالية و هي توفر الميزات التالية:

1- تستهلك طاقة كهربائية أقل.

2- لها مناعة ممتازة ضد الضوضاء و التشويش.

تستخدم هذه التقنية في الأنظمة التي تتطلب خفة الوزن وانخفاض استهلاك الطاقة الكهربائية.

[Ya2oot Afandy]

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 :

[محمد أبوحجلة]

السلام عليكم

ويعطيك العافية
.....جاري القرائة

[مازن - ابو عمر]

استخدام تقنية التجميع على نطاق واسع جدا للأسباب التالية:

1- بتقليل حجم المكونات تقل المسافة اللازمة لنقل الإشارة الكهربائية و بالتالي تزيد سرعة نقل البيانات.

2- التقليل من استهلاك الطاقة الكهربائية.

3- التقليل من كلفة التصنيع حيث تتم العملية آليا دون تدخل العمال.

مجالات استخدام VLSI:

1- المعالجات الصغرية Microprocessors في الكمبيوترات الشخصية.

2- المتحكمات الصغرية Microcontrollers.

3- رقائق الذاكرة في الكمبيوترات الشخصية

4- معالجات لأداء مهام خاصة.

تشكر على المعلومات المفيدة والقيمة وبارك الله فيك ويعطيك العافية

[AMD_PC]

الله يديك العافيه مجهود جبار تستاهل عليه الشكر والتقدير