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大四学生自制1200+晶体管阵列芯片,类似英特尔4004 CPU

2021-08-17 阅读:
日前,国外大四学生@Sam Zeloof 制作了他的第二个自制硅集成电路Z2,单个芯片上有 1200 个晶体管,使用的技术与英特尔在 1970 年代制作第一批 CPU 时使用的技术相同。换而言之,他一个人在家完成了在 1970 年代需要整个公司才能完成的工作……

EDN之前报道过国内大神“爆肝”纯手工自制CPU的故事,有网友表示纯手工自制CPU这件事很厉害,但自制的CPU体积太大,显得笨拙,可见自制小型集成电路几乎不可能完成。pBMednc

但日前,国外大四学生@Sam Zeloof  却证实了自制小型集成电的可能性,他制作了他的第二个自制硅集成电路,具有 1200 个晶体管,使用的技术与英特尔在 1970 年代制作第一批 CPU 时使用的技术相同。pBMednc

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Zeloof 发文称表示2018 年,还是高中生的他在车库工厂制作了第一批自制集成电路。pBMednc

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现在,在 2021 年,成为大四学生的Zeloof 创造了他的第二台计算机,名为 Z2 的芯片。该芯片比 Z1 大几个数量级,单个芯片上有 1200 个晶体管,而 Z1 上只有 6 个。pBMednc

与 Zeloof 的第一个设计相比,Z2 的效率也更高。通过从金属栅极工艺切换到多晶硅栅极工艺,他能够将芯片所需的电压输入从 10v 降低到仅 1v,从而显着降低了功耗。pBMednc

相比之下,Intel 的 4004 CPU 有 2200 个晶体管,而 Z2 有 1200 个,并且采用相同的工艺构建。在 1970 年代需要整个公司才能完成的工作现在由一个人在自己的家中完成。pBMednc

他的收益率并不完美,这是家庭实验室可以预料的。在他制造的 12 台 Z2 中,只有一台功能齐全,其余的功能约为 80%。所以还有更多的调整和优化要做。pBMednc

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Zeloof 已经证明,只要掌握了适量的知识,就可以在家中构建自己的集成电路,至少与1970 年代最好的一样,一个人在2021年做到了只有 1970 年代的整个公司才能做的事。pBMednc

接下来看看他在制造过程中遇到了哪些有意思的故事,又做出了哪些思考与改良:pBMednc

以前,我用金属栅极工艺制作芯片。pBMednc

铝栅极与其下方的硅沟道有很大的功函数差异,从而导致高阈值电压 (>10V)。我在一些有趣的项目中使用了这些金属栅极晶体管,例如吉他失真踏板 和环形振荡器 LED 闪光灯, 但由于 Vth 高,这两个项目都需要一到两节 9V 电池来运行电路。通过切换到多晶硅栅极工艺,我获得了大量的性能优势(自对准栅极意味着更低的重叠电容),包括更低的 Vth,这使得这些芯片与 2.5V 和 3.3V 逻辑电平兼容。新型 FET 具有出色的特性:pBMednc

NMOS 电气特性:pBMednc

Vth = 1.1VpBMednc

Vgs MAX = 8 VpBMednc

Cgs = <0.9 pFpBMednc

上升/下降时间 = <10 nspBMednc

开/关比 = 4.3e6pBMednc

漏电流 = 932 pA (Vds=2.5V)pBMednc

超低的漏电流让我特别惊讶。该值在室内环境照明中上升约 100 倍。pBMednc

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现在我们知道可以用不纯的化学品、没有洁净室和自制设备制造出真正好的晶体管。当然,产量和工艺可重复性会降低。我将进行更多测试以收集有关 FET 属性的统计数据和可变性的数据,但看起来不错!pBMednc

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该芯片很小,大约是我以前的 IC (2.4mm^2) 芯片面积的四分之一,这使得它难以探测。每个芯片上都有一个简单的 10×10 N 沟道 FET 阵列,这将为我提供大量特性数据。由于它是如此简单的设计,我能够使用 Photoshop 进行布局。10 个晶体管的列共享一个公共栅极连接,每行与相邻的晶体管串联在一起,共享一个源极/漏极端子。它类似于 NAND 闪存,但我这样做只是为了保持金属焊盘足够大,以便我可以合理地探测它们,如果每个 FET 都有 3 个焊盘,它们就太小了。pBMednc

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下面可以看到单个 10µm NMOS 晶体管,金属层有轻微的未对准(左侧触点的一部分未覆盖)。红色轮廓是多晶硅,蓝色是源极漏极。pBMednc

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到目前为止,我已经制作了一个运算放大器(Z1)和一个类似内存的阵列(Z2)。即使晶体管密度如此低,更有趣的电路肯定是可能的。这个过程需要一些调整,但现在我能够始终如一地制造高质量的晶体管,我应该能够设计更复杂的数字和模拟电路。测试每个芯片非常乏味,所以我试图自动化这个过程,然后我会发布更多数据。我已经制作了 15 个芯片(1,500 个晶体管)并且知道至少有一个功能齐全的芯片和至少两个“主要功能”的芯片,这意味着大约 80% 的晶体管工作而不是 100%。还没有合适的产量数据。最常见的缺陷是与体硅沟道短路的漏极或源极,而不是像我的 Z1 工艺那样的泄漏或短路栅极。pBMednc

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栅极层的轮廓仪扫描(y 轴为埃,x 轴为微米)pBMednc

我之前说过,栅极曾经是由铝制成的,现在是硅,这使芯片工作得更好。我们关心的硅分为三种:非晶、多晶和单晶。从左到右,它们变得更导电,但也更难沉积。事实上,单晶硅不能沉积,你只能在与另一个单晶硅层接触的情况下生长它作为种子(外延)。由于栅极必须沉积在绝缘电介质的顶部,因此多晶硅是我们能做的最好的方法。我们无论如何都可以对多晶硅进行大量掺杂,以使其更具导电性。pBMednc

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2 个 FET 共享栅极 相邻共享源极漏极pBMednc

典型的自对准多晶硅栅极工艺需要硅烷(一种有毒且易爆的气体)来沉积多晶硅层。也可以通过溅射或蒸发非晶硅并用激光退火. 这种 DIY 硅工艺的一个主要主题是规避昂贵、困难或危险的步骤。所以,我想出了一个修改过的流程。它是标准自对准方法的一种变体,允许通过高温扩散而不是离子注入进行掺杂。结果是,我可以购买一块硅晶片,上面已经从工厂沉积了多晶硅,并对其进行图案化以制造晶体管,而不是在过程中途将我自己的多晶硅放下。这是一个不错的短期解决方法,但最好使用上述激光退火方法设计多晶硅沉积工艺。pBMednc

晶圆上已经沉积了各种材料,所以我只需要找到一个带有一层薄薄的 SiO2(栅极氧化物,~10nm),然后是更厚的多晶硅(300nm)。我在 eBay 上以 45 美元的价格找到了很多 25 200 毫米(EPI、prime、[1-0-0]、p 型)晶圆,这基本上是终身供应,所以如果你想要一个,请给我发电子邮件。栅极氧化物是最脆弱的层,在制造过程中需要最小心。由于我购买的晶圆上已经带有优质的氧化物,并被厚多晶硅层覆盖并保持清洁,因此我能够从过程中消除所有腐蚀性清洁化学品(硫酸等),并且仍然保持良好状态晶体管。下面列出了最少的过程化学品和工具。pBMednc

家用多晶栅工艺中使用的化学品:pBMednc

-水pBMednc

-酒精pBMednc

-丙酮pBMednc

-磷酸pBMednc

-光刻胶pBMednc

-显影剂 (2% KOH) -N 型掺杂剂(filmtronics P509)pBMednc

-HF (1%) 或 CF4/CHF3 RIE -HNO3 用于多晶蚀刻或 SF6 RIEpBMednc

家用poly-gate工艺所用设备:pBMednc

-电炉pBMednc

-管式炉pBMednc

-光刻设备pBMednc

- 显微镜pBMednc

-用于沉积金属的真空室pBMednc

Z2“门先”工艺:pBMednc

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这里提到了一些过程的微妙之处,阅读这个推特线程pBMednc

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这个过程并不理想,我想进行一些更改,使其与 CMOS 兼容,但它简化了制造并使其能够使用最少的工具集。1μm 介电层(橙色)理想情况下是 CVD SiO2(可以在家中构建 TEOS 氧化物反应器),但我使用了光刻胶。大多数光刻胶可以在 250°C 左右烘烤以形成坚硬的永久介电层,这是 CVD 或 PECVD 氧化物的简单替代品。这里也可以使用旋涂玻璃/溶胶凝胶。pBMednc

巨大的复合材料缝模图像:pBMednc

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参考链接:pBMednc

http://sam.zeloof.xyz/second-ic/pBMednc

Demi Xia编译pBMednc

  • 没什么用,玩玩而已
  • 这个故事如果是真的,那就真的是厉害了,非填鸭式教育的学生能比的。
  • 纯手工制作个手机瞅瞅
  • 需要有便宜简单的工艺,让流片像做PCB一样简单。
  • 开局一张图,后面全靠吹。
  • 开局一张图,后面全靠吹
  • 这个有些屌
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