- Lise 3. sınıfta evinin garajında Z1 çipini üreterek tanınan Sam Zeloof, üniversitenin 3. sınıfındayken Z2'yi duyurdu
- Z2 çipi, yaklaşık 100 transistör içeren, kendi kendine üretilmiş polisilisyum kapı tabanlı bir entegre devre olarak, ev tipi ekipmanlarla gerçekleştirilen yüksek performanslı silikondur
- Önceki nesil olan Z1 çipi (6 transistör, metal gate) ile karşılaştırıldığında, 10µm polisilisyum gate süreci kullanılarak eşik gerilimi (Vth) 1.1V'a düşürüldü ve 2.5V~3.3V mantık uyumluluğu sağlandı
- NMOS transistör özellikleri yükselme/kapanma süresi 10ns'in altında, sızıntı akımı 932pA, açma/kapama oranı 4.3×10⁶ gibi değerler sunarak, kirli kimyasallar ve temiz olmayan ortamda bile yüksek performans elde edildi
- Fotoresist yalıtım katmanı olarak kullanılarak ve fabrika çıkışı waferin polisilisyum katmanının işlenmesiyle pahalı ve riskli süreçler atlanarak, minimum ekipman ve kimyasal ile üretim yapıldı
- Bu proje, DIY yarı iletken üretiminin uygulanabilirliğini kanıtlayarak, gelecekte karmaşık dijital ve analog devre tasarımına geçiş için temel hazırladı
Z2 Çipine Genel Bakış
- Z2, 10×10 transistör dizisinden oluşan deneysel bir entegre devredir; süreç özelliklerini ölçmek ve optimize etmek için bir test yapısıdır
- Aynı silikon wafer üzerinde yaklaşık 1.200 transistör üretildi
- Intel 4004 (2,200 transistör) ile aynı 10µm polisilisyum gate teknolojisi temelinde gerçekleştirildi
- Z1 (6 transistör, metal gate) karşısında transistör sayısında ve performansta büyük artış
- Z1, yüksek eşik gerilimi ( >10V ) nedeniyle iki adet 9V pille çalışıyordu; buna karşılık Z2 düşük gerilimde sürülebiliyor
Polisilisyum Kapı Sürecine Geçiş
- Mevcut alüminyum gate sürecinin sınırlamalarını aşmak için polisilisyum gate sürecine geçildi
- Kendiliğinden hizalanmış kapı (self-aligned gate) yapısı ile üst üste binen kapasitans azaltıldı
- Eşik gerilimi 1.1V, maksimum Vgs 8V, Cgs <0.9pF, yükselme/kapanma süresi <10ns
- Sızıntı akımı 932pA(Vds=2.5V) oldukça düşük seviyede olup, aydınlatılmış ortamda yaklaşık 100 kat artıyor
- Kirli kimyasallar ve temiz olmayan ortamda bile sağlam NMOS karakteristiği elde edildi
Çip Tasarımı ve Yapısı
- Çip alanı 2.4mm², önceki IC'nin dörtte biri
- Photoshop ile layout tasarımı, basit yapı sayesinde üretimi kolay
- On transistör aynı gate'i paylaşıyor
- Her satır seri olarak bağlanarak NAND flash benzeri bir yapı oluşturuluyor
- Problama kolaylık sağlamak için büyük pad tasarımı
- Üretimi tamamlanan 15 çipten en az 1'i tamamen çalışır, 2'si yaklaşık %80 çalışır durumda
- Ana hata, drain/source bulk kısa devreleri, gate sızıntısı nadir görüldü
Düzenlenmiş DIY Polisilisyum Süreci
- Silane (SiH₄) gazı olmadan yüksek sıcaklık difüzyon doping yöntemi ile değiştirildi
- Fabrikadan polisilisyum kaplı wafer satın alınıp doğrudan paternlendi
- Lazer tavlama ile amorf silikon biriktirme de alternatif olarak belirtildi
- Kullanılan kimyasallar: su, alkol, aseton, fosforik asit, fotoresist, KOH geliştirici, N tipi dopant (P509), HF (%1) veya CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ veya SF₆ RIE
- Kullanılan ekipmanlar: hotplate, tube furnace, litografi cihazı, mikroskop, metal kaplama için vakum kabini
Süreç Detayları ve Kesit Yapısı
- 10nm gate oksiti ve 300nm polisilisyum katmanı içeren wafer kullanıldı
- eBay'den 200mm wafer, 25 adet 45 dolara satın alındı
- Yüksek kaliteli oksit sayesinde sülfürik asit gibi güçlü asit temizlik adımı kaldırılabildi
- Alan oksidi yerine geçen fotoresist yalıtım katmanı (1µm) kullanıldı
- 250°C kür ile kalıcı bir yalıtım katmanı elde edilir, CVD SiO₂'nin yerini alabilir
- Spin-on-glass (sol-gel) da alternatif olarak belirtildi
- Oksit aşındırma pas giderici bazlı HF çözeltisi veya RIE ile yapılıyor
Üretim Sonuçları ve Gelecek Planlar
- SEM kesit görüntüleri ile NMOS yapısı doğrulandı
- Polisilisyum doping maskesi olarak kullanıldı, hard-bake fotoresist alan yalıtkanı olarak kullanıldı
- Bu sayede basamaklı yapı oluştu
- Süreçte CMOS uyumluluğu yetersiz olsa da, asgari ekipman ve güvenlik açısından avantajlı
- Gelecekte otomatik test sistemi kurulumu ve karmaşık devre tasarımı ile genişleme planlanıyor
Topluluk Tepkisi
- Çoğu yorum "şaşırtıcı başarı", "DIY yarı iletkenin mümkün olduğu" şeklinde değerlendirdi
- Bazıları SOI wafer kullanımı, DVD-R tabanlı fotolitografi gibi geliştirme önerileri sundu
- Çok sayıda takip önerisi arasında Z3 geliştirme beklentisi, ses için transistör uygulamaları yer alıyor
- Genel olarak kişisel ölçekte yarı iletken üretim inovasyonunun yüksek ilgiyi ve övgüyü çektiği bir örnek olarak görüldü
Henüz yorum yok.