- हाई स्कूल के तीसरे वर्ष में घर के गैरेज में Z1 चिप बनाकर प्रसिद्ध हुए Sam Zeloof ने कॉलेज के तीसरे वर्ष में Z2 जारी किया
- Z2 चिप लगभग 100 ट्रांजिस्टर वाली स्वयं-निर्मित पॉलीसिलिकॉन गेट आधारित एकीकृत सर्किट (IC) है, जिसमें घरेलू उपकरणों से हाई-परफॉर्मेंस सिलिकॉन तैयार करने का प्रयास है
- पूर्व संस्करण Z1 चिप (6 ट्रांजिस्टर, मेटल गेट) की तुलना में, 10µm पॉलीसिलिकॉन गेट प्रोसेस अपनाकर थ्रेशोल्ड वोल्टेज (Vth) को 1.1V तक घटाया और 2.5V~3.3V लॉजिक कम्पैटिबिलिटी हासिल की
- NMOS ट्रांजिस्टर की विशेषताएँ में राइज़/फॉल टाइम 10ns से कम, लीकेज करंट 932pA और ऑन/ऑफ अनुपात 4.3×10⁶ है; अशुद्ध रसायनों और गैर-स्वच्छ वातावरण के बावजूद इसमें उत्कृष्ट प्रदर्शन मिला
- फोटोरेज़िस्ट को इंसुलेटिंग लेयर की तरह उपयोग करके और फैक्ट्री-ग्रेड वेफर की पॉलीसिलिकॉन लेयर को प्रोसेस कर, महंगे और जोखिमभरे चरणों से बचते हुए न्यूनतम उपकरण व रसायनों से निर्माण संभव हुआ
- यह प्रोजेक्ट DIY सेमीकंडक्टर निर्माण की व्यवहारिकता को सिद्ध करता है और आगे जटिल डिजिटल/एनालॉग सर्किट डिजाइन की ओर विस्तार की बुनियाद रखता है
Z2 चिप अवलोकन
- Z2 एक टेस्ट स्ट्रक्चर के रूप में डिज़ाइन की गई 10×10 ट्रांजिस्टर एरे वाली प्रयोगात्मक IC है, जिसका उपयोग प्रोसेस पैरामीटर के मापन और अनुकूलन के लिए किया गया
- समान सिलिकॉन वेफर पर लगभग 1,200 ट्रांजिस्टर बनाए गए
- Intel 4004 (2,200 ट्रांजिस्टर) में उपयोग होने वाली समान 10µm पॉलीसिलिकॉन गेट तकनीक के आधार पर
- Z1 (6 ट्रांजिस्टर, मेटल गेट) के मुकाबले ट्रांजिस्टर संख्या और परफॉर्मेंस में बड़ा सुधार
- Z1 में उच्च थ्रेशोल्ड वोल्टेज (>10V) के कारण दो 9V बैटरियाँ चाहिए थीं, जबकि Z2 लो-वोल्टेज ड्राइव के लिए तैयार है
पॉलीसिलिकॉन गेट प्रोसेस में बदलाव
- पहले की एल्यूमीनियम गेट प्रोसेस की सीमाओं को पार करने के लिए पॉलीसिलिकॉन गेट पर स्विच किया गया
- सेल्फ-अलाइंड गेट (self-aligned gate) संरचना से ओवरलैप केपेसिटेंस कम हुई
- थ्रेशोल्ड वोल्टेज 1.1V, अधिकतम Vgs 8V, Cgs < 0.9pF, राइज़/फॉल टाइम < 10ns
- लीकेज करंट 932pA (Vds=2.5V) बहुत कम है और प्रकाश की स्थिति में लगभग 100 गुना बढ़ जाता है
- अशुद्ध रसायन और गैर-स्वच्छ वातावरण में भी अच्छे ट्रांजिस्टर गुण हासिल किए गए
चिप डिजाइन और स्ट्रक्चर
- चिप का आकार 2.4mm² है, जो पिछले IC का लगभग 1/4 है
- Photoshop से लेआउट डिज़ाइन, साधारण स्ट्रक्चर होने के कारण निर्माण आसान
- दस ट्रांजिस्टर एक साझा गेट साझा करते हैं
- प्रत्येक पंक्ति सीरीज़ में जुड़कर NAND फ्लैश जैसा स्ट्रक्चर बनाती है
- प्रोबिंग को आसान बनाने के लिए बड़े पैड डिज़ाइन
- बने हुए 15 में से कम से कम 1 चिप पूरी तरह काम करती है, और 2 चिप लगभग 80% तक काम करती हैं
- मुख्य दोष ड्रेन/स्रोत का बैक-शॉर्ट है, जबकि गेट लीकेज कम ही देखा गया
संशोधित DIY पॉलीसिलिकॉन प्रोसेस
- सिलेन (SiH₄) गैस के बिना उच्च-तापमान डिफ्यूज़न डोपिंग तरीके से बदलाव
- फैक्ट्री में पहले से डिपोज़िट किए गए पॉलीसिलिकॉन वेफर खरीदकर सीधे पैटर्निंग की गई
- लेज़र एनीलिंग के जरिए अमॉर्फ़स सिलिकॉन डिपोज़िशन को वैकल्पिक विकल्प के रूप में भी बताया गया
- उपयोग किए जाने वाले रसायन: पानी, अल्कोहल, एसिटोन, फॉस्फोरिक एसिड, फोटोरेज़िस्ट, KOH डेवलपर सॉल्यूशन, N-टाइप डोपेंट (P509), HF (1%) या CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ या SF₆ RIE
- उपयोग में लाई गई उपकरण सूची: हॉटप्लेट, ट्यूब फर्नेस, लिथोग्राफी उपकरण, माइक्रोस्कोप, मेटल डिपोज़िशन के लिए वैक्यूम चैम्बर
प्रोसेस डिटेल्स और क्रॉस-सेक्शन
- 10nm गेट ऑक्साइड और 300nm पॉलीसिलिकॉन लेयर वाले वेफर का उपयोग
- eBay से 200mm वेफर की 25 शीट्स $45 में खरीदीं
- अच्छे क्वालिटी के ऑक्साइड की वजह से सल्फ्यूरिक एसिड जैसे स्ट्रॉंग एसिड क्लीनिंग चरण हटाना संभव हुआ
- फील्ड ऑक्साइड के विकल्प के रूप में 1µm फोटोरेज़िस्ट इंसुलेटिंग लेयर का उपयोग
- 250°C पर बेक करने से स्थायी इंसुलेशन लेयर बनती है, जो CVD SiO₂ का विकल्प बन सकती है
- स्पिन-ऑन-ग्लास (sol-gel) को भी विकल्प के रूप में उल्लेख किया गया
- ऑक्साइड एचिंग HF सॉल्यूशन (रस्ट-रीमूवर आधारित) या RIE से की जाती है
निर्माण परिणाम और भविष्य की योजना
- SEM क्रॉस-सेक्शन इमेज से NMOS स्ट्रक्चर की पुष्टि
- पॉलीसिलिकॉन को डोपिंग मास्क की तरह और हार्ड-बेक फोटोरेज़िस्ट को फील्ड इंसुलेटर की तरह इस्तेमाल किया गया
- इससे स्टेप-लाइक स्ट्रक्चर बना
- प्रोसेस में CMOS कम्पैटिबिलिटी की कमी है, लेकिन उपकरणों की न्यूनतम जरूरत और सुरक्षा सुधार में फायदा है
- आगे चलकर ऑटोमेटेड टेस्ट सिस्टम बनाने और जटिल सर्किट डिजाइन की दिशा में बढ़ने की योजना है
समुदाय की प्रतिक्रिया
- कई टिप्पणियों में इसे “अद्भुत उपलब्धि” और “DIY सेमीकंडक्टर की संभावना” के रूप में सराहा गया
- कुछ ने SOI वेफर के उपयोग, DVD-R आधारित फोटो-लिथोग्राफी जैसे सुधार सुझाव दिए
- कई बाद की सिफारिशों में Z3 विकास की उम्मीद और ऑडियो के लिए ट्रांजिस्टर अनुप्रयोग शामिल थे
- कुल मिलाकर इसे व्यक्तिगत स्तर पर सेमीकंडक्टर मैन्युफैक्चरिंग में नवाचार के रूप में काफी रुचि और प्रशंसा मिली
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