- Sam Zeloof, yang menjadi terkenal setelah membuat chip Z1 di garasi rumahnya saat kelas 12 SMA, kini memperkenalkan Z2 saat menjadi mahasiswa tahun ketiga
- Chip Z2 adalah sirkuit terpadu berbasis gerbang polisilikon buatan sendiri yang memuat sekitar 100 transistor, yakni silikon berperforma tinggi yang direalisasikan dengan peralatan rumahan
- Dibandingkan chip Z1 generasi sebelumnya (6 transistor, gerbang logam), Z2 menerapkan proses gerbang polisilikon 10µm untuk menurunkan tegangan ambang (Vth) menjadi 1.1V dan memperoleh kompatibilitas logika 2.5V~3.3V
- Karakteristik transistor NMOS meliputi waktu naik/turun di bawah 10ns, arus bocor 932pA, dan rasio on/off 4.3×10⁶, menunjukkan kinerja sangat baik meski dibuat dengan bahan kimia yang tidak murni dan lingkungan non-cleanroom
- Dengan memanfaatkan photoresist sebagai lapisan isolasi dan memproses lapisan polisilikon pada wafer keluaran pabrik, ia menghindari proses yang mahal dan berbahaya, sehingga pembuatan memungkinkan dengan peralatan serta bahan kimia minimal
- Proyek ini membuktikan kelayakan manufaktur semikonduktor DIY dan menyiapkan dasar untuk berkembang ke desain rangkaian digital dan analog yang lebih kompleks
Ikhtisar chip Z2
- Z2 adalah sirkuit terpadu eksperimental yang terdiri dari susunan transistor 10×10, sebuah struktur uji untuk mengukur dan mengoptimalkan karakteristik proses
- Sekitar 1.200 transistor dibuat pada wafer silikon yang sama
- Berbasis teknologi gerbang polisilikon 10µm yang sama dengan Intel 4004 (2.200 transistor)
- Dibandingkan Z1 (6 transistor, gerbang logam), jumlah transistor dan performanya meningkat drastis
- Z1 memerlukan dua baterai 9V karena tegangan ambang yang tinggi (>10V), sedangkan Z2 dapat beroperasi pada tegangan rendah
Peralihan ke proses gerbang polisilikon
- Beralih ke gerbang polisilikon untuk mengatasi keterbatasan proses gerbang aluminium sebelumnya
- Struktur self-aligned gate mengurangi kapasitansi overlap
- Tegangan ambang 1.1V, Vgs maksimum 8V, Cgs <0.9pF, waktu naik/turun <10ns
- Arus bocor 932pA (Vds=2.5V) tergolong sangat rendah, meski meningkat sekitar 100 kali di bawah pencahayaan
- Karakteristik transistor yang baik tetap diperoleh meski memakai bahan kimia yang tidak murni dan lingkungan non-cleanroom
Desain dan struktur chip
- Ukuran chip adalah 2.4mm², sekitar seperempat dari IC sebelumnya
- Layout dirancang dengan Photoshop, dengan struktur sederhana agar mudah dibuat
- Sepuluh transistor berbagi satu gerbang yang sama
- Setiap baris terhubung seri sehingga membentuk struktur mirip NAND flash
- Desain pad besar untuk memudahkan probing
- Dari 15 chip yang dibuat, setidaknya 1 berfungsi sepenuhnya, dan 2 lainnya berfungsi sekitar 80%
- Cacat utama adalah hubung singkat bulk pada drain/source, sementara kebocoran gerbang jarang terjadi
Proses polisilikon DIY yang dimodifikasi
- Menggantikan penggunaan gas silan (SiH₄) dengan metode doping difusi suhu tinggi
- Membeli wafer dengan polisilikon yang sudah dideposisi di pabrik lalu mempolakannya sendiri
- Deposisi silikon amorf melalui laser annealing juga disebut sebagai alternatif
- Bahan kimia yang digunakan: air, alkohol, aseton, asam fosfat, photoresist, developer KOH, dopan tipe-N (P509), HF(1%) atau CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ atau SF₆ RIE
- Peralatan yang digunakan: hot plate, tube furnace, perangkat litografi, mikroskop, ruang vakum untuk deposisi logam
Detail proses dan struktur penampang
- Menggunakan wafer yang mencakup oksida gerbang (10nm) dan lapisan polisilikon (300nm)
- Membeli 25 wafer 200mm di eBay seharga $45
- Berkat oksida berkualitas tinggi, proses pembersihan dengan asam kuat seperti asam sulfat dapat dihilangkan
- Menggunakan lapisan isolasi photoresist (1µm) sebagai pengganti field oxide
- Pengerasan pada 250°C membentuk lapisan isolasi permanen, sehingga dapat menggantikan CVD SiO₂
- Spin-on glass (sol-gel) juga disebut sebagai alternatif
- Etsa oksida dilakukan menggunakan larutan HF berbasis penghilang karat atau RIE
Hasil produksi dan rencana ke depan
- Gambar penampang SEM mengonfirmasi struktur NMOS
- Polisilikon digunakan sebagai masker doping, dan photoresist hard-bake dipakai sebagai isolator medan
- Hal ini menghasilkan struktur bertingkat
- Proses ini kurang kompatibel dengan CMOS, tetapi menguntungkan untuk meminimalkan alat dan meningkatkan keselamatan
- Ke depan, proyek ini akan diperluas ke pembangunan sistem pengujian otomatis dan desain rangkaian yang lebih kompleks
Respons komunitas
- Banyak komentar menilai ini sebagai “pencapaian luar biasa” dan bukti “potensi semikonduktor DIY”
- Sebagian mengusulkan ide perbaikan seperti penggunaan wafer SOI dan fotolitografi berbasis DVD-R
- Muncul banyak usulan lanjutan seperti harapan akan pengembangan Z3 dan aplikasi transistor untuk audio
- Secara keseluruhan, ini mendapat perhatian dan pujian besar sebagai contoh inovasi manufaktur semikonduktor di tingkat individu
Belum ada komentar.