ทำ RAM ที่บ้าน [วิดีโอ]
(youtube.com)- สร้างเซลล์ DRAMด้วยอุปกรณ์ภายในบ้านและกระบวนการที่ประกอบขึ้นเอง เพื่อยืนยันการทำงานของโครงสร้างพื้นฐานของ RAMที่รวมทรานซิสเตอร์กับคาปาซิเตอร์
- ดำเนินกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์แบบเป็นลำดับตั้งแต่การตัดซิลิคอนเวเฟอร์ การสร้างชั้นออกไซด์ โฟโตลิโทกราฟี การกัดแบบแห้ง การโดปด้วยฟอสฟอรัส การเติบโตของเกตออกไซด์ การทำคอนแทกต์คัต ไปจนถึงการเคลือบอลูมิเนียม
- จากการวัดอุปกรณ์ที่เสร็จแล้ว พบทั้งคุณสมบัติการสวิตช์ที่กระแสเปลี่ยนตามแรงดันเกต และค่าความจุสูงสุด12.3 pF
- ในการขับเคลื่อนเซลล์ DRAM เดี่ยว สามารถชาร์จคาปาซิเตอร์เก็บข้อมูลจนถึง 3V ได้ภายในไม่กี่ร้อยนาโนวินาที และประจุคงอยู่ได้นานเล็กน้อยเกิน 2msก่อนต้องชาร์จใหม่
- แม้จะยังไม่ถึงเวลาเก็บข้อมูลเกิน 64ms ของ DRAM เชิงพาณิชย์ และยังเผยข้อจำกัดของการย่อขนาดอย่างเช่นpunch through แต่ก็ได้จุดเริ่มต้นสำหรับการขยายไปเป็นอาเรย์ RAMขนาดเล็กที่ทำเองที่บ้าน
โครงสร้าง DRAM และเป้าหมายการผลิต
- เซลล์ DRAMมีโครงสร้างที่วางทรานซิสเตอร์และคาปาซิเตอร์เก็บประจุไว้ที่จุดตัดแต่ละจุดของอาเรย์ที่ประกอบด้วยแถวและคอลัมน์
- ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นสวิตช์
- คาปาซิเตอร์เก็บประจุเหมือนแบตเตอรี่เพื่อเก็บข้อมูล 1 บิต
- เมื่อเปิดทรานซิสเตอร์ คาปาซิเตอร์จะถูกชาร์จ และเมื่อเปิดอีกครั้งเพื่ออ่าน ประจุจะไหลย้อนกลับและสามารถตรวจจับได้
- ในกระบวนการอ่าน ประจุในคาปาซิเตอร์จะหายไป จึงต้องมีการรีเฟรชเป็นระยะ
- ชิ้นงานที่ผลิตเป็นโครงสร้างขนาดเล็กบนเลย์เอาต์แบบ5x4 อาเรย์ที่สามารถนำไปต่อขยายภายหลังได้
- วางทรานซิสเตอร์และคาปาซิเตอร์ไว้ที่แต่ละจุดตัด
- เป้าหมายสุดท้ายคือความยาวเกตของทรานซิสเตอร์ที่เล็กกว่า 1 ไมครอนเล็กน้อย
- ในแบบออกแบบ แต่ละสีหมายถึงคนละชั้น และอุปกรณ์ถูกสร้างขึ้นด้วยกระบวนการซ้อนชั้นแบบแซนด์วิชที่เพิ่มทีละชั้น
กระบวนการเริ่มต้น: การเตรียมซิลิคอนและการโดป
- ใช้ซิลิคอนเวเฟอร์เป็นวัสดุตั้งต้น และตัดเป็นชิปขนาดเล็กด้วย diamond scribe
- อาศัยคุณสมบัติที่ซิลิคอนแตกได้ดีตามระนาบผลึกบางทิศทาง
- หลังการตัด มีการทำความสะอาดด้วยอะซีโตนและไอโซโพรพานอลเพื่อลบสิ่งปนเปื้อนบนผิว
- เพื่อกำจัดอนุภาคและละลายสารอินทรีย์
- จากนั้นจะมีขั้นตอนเปลี่ยนผิวจากซิลิคอนให้เป็นแก้ว จึงไม่จำเป็นต้องสะอาดสมบูรณ์แบบนัก
- นำชิปเข้าเตาและให้ความร้อนที่1,100°Cเพื่อสร้างชั้นออกไซด์หนา 3,300 อังสตรอมบนพื้นผิว
- เป็นวิธีการเติบโตชั้นแก้วด้วยการออกซิไดซ์ซิลิคอน
- ชั้นออกไซด์นี้จะทำหน้าที่เป็นมาสก์และชั้นป้องกันในขั้นต่อไป
- บนพื้นผิวที่มีชั้นแก้วแล้ว มีการเคลือบliftoff resistก่อนเพื่อใช้เป็นชั้นยึดเกาะ
- เดิมเป็นวัสดุสำหรับ metal lift-off แต่ก็ทำงานได้ดีในฐานะชั้นยึดเกาะเช่นกัน
- อบที่ 170°C เป็นเวลา 5 นาที
- จากนั้นสปินโค้ตโฟโตเรซิสต์ทับด้านบน แล้วอบที่ 100°C เป็นเวลา 2 นาที
- ได้ฟิล์มบางสม่ำเสมอที่หนากว่า 1 ไมครอนเล็กน้อย
- ใช้ UV และมาสก์เพื่อสร้างแพตเทิร์นระดับแรก
- แสงที่ผ่านช่องเปิดของมาสก์จะทำให้โฟโตเรซิสต์เกิดการรับแสง
- ส่วนที่รับแสงจะถูกล้างออกในน้ำยาดีเวลอป เกิดเป็นแพตเทิร์น
- ระบบสเต็ปเปอร์แบบกล้องจุลทรรศน์ใช้ฉายแพตเทิร์นแบบย่อส่วน และซอฟต์แวร์ที่ทำขึ้นเองใช้ควบคุมโฟกัสกับการรับแสง
- ใช้อุปกรณ์หุ่นยนต์เพื่อให้การดีเวลอปสม่ำเสมอยิ่งขึ้น
- ใช้โฟโตเรซิสต์ที่สร้างแพตเทิร์นแล้วเป็นมาสก์เพื่อทำการกัดแบบแห้ง
- ลบชั้นแก้วเฉพาะบริเวณเพื่อเปิดผิวซิลิคอนด้านล่าง
- หลังการกัด ลบโฟโตเรซิสต์ด้วยDMSOที่อุ่นไว้
- ผลลัพธ์คือโครงสร้างที่มีหน้าต่างเปิดในชั้นออกไซด์หนา 3,300 อังสตรอม
- ใช้หน้าต่างในชั้นออกไซด์เพื่อสร้างซอร์สและเดรนของทรานซิสเตอร์
- ซอร์สและเดรนทำหน้าที่เป็นขั้วอินพุตและเอาต์พุตของสวิตช์
- เกตจะถูกสร้างภายหลังในบริเวณตรงกลาง
- นำฟอสฟอรัสเข้าสู่ซิลิคอนเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าในบริเวณดังกล่าว
- ในอุตสาหกรรมอาจใช้อิออนอิมพลานเตชัน แต่ที่นี่ไม่ใช้เพราะต้นทุนและขนาดของอุปกรณ์
- แทนที่จะใช้ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ มีการใช้phosphorus doped spin-on glassที่ทำขึ้นเอง
- ในชิ้นทดสอบ ก่อนการทำกระบวนการยังยากที่จะตรวจความต่อเนื่องด้วยมัลติมิเตอร์
- หลังการทำกระบวนการพบว่ามีการนำไฟฟ้าสูงมาก
- ได้ผลลัพธ์ใกล้เคียงกับการโดปในระดับสูงมาก
- ชิปจริงก็เคลือบด้วยสารละลายเดียวกัน และอบโดยค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิ
- เพื่อกำจัดตัวทำละลายและป้องกันการแตกร้าวกับความเค้น
- ในกระบวนการสังเคราะห์ มีตะกอนแก้วเกิดขึ้นเล็กน้อย
- ระบุว่าส่วนใหญ่เป็นเพียงลักษณะภายนอกและไม่น่ากระทบมาก
- กล่าวว่าครั้งหน้าควรกำจัดด้วยการกรองจะเหมาะสมกว่า
- มีการสร้างเครื่องคำนวณเพื่อทำนายความลึกการโดปและทำแบบจำลองdopant profile
- เป้าหมายคือโปรไฟล์ที่ตื้นกว่านี้
- เพื่อให้ได้เช่นนั้น มีการ anneal ที่ 1,100°C เป็นเวลา 5 นาที แล้วลบ spin-on glass ด้วยHF
- จากนั้นทำ drive-in anneal ที่ 1,000°C เป็นเวลา 10 นาที
กระบวนการช่วงกลาง: เกตออกไซด์และคอนแทกต์
- หลังสร้างซอร์สและเดรนแล้ว จึงทำกระบวนการสำหรับบริเวณเกตของทรานซิสเตอร์และบริเวณคาปาซิเตอร์
- เนื่องจากยังมีชั้นแก้วคงอยู่ จึงเคลือบ liftoff resist และโฟโตเรซิสต์ซ้ำตามลำดับ
- บริเวณช่องสัญญาณถูกจัดแนวให้อยู่ระหว่างซอร์สและเดรนเดิม
- พร้อมกันนั้นยังจัดแนวและรับแสงให้กับบริเวณคาปาซิเตอร์เก็บประจุด้านบนของทรานซิสเตอร์ด้วย
- หลังการดีเวลอป ใช้HFเพื่อลบชั้นออกไซด์ตรงกลางระหว่างซอร์สกับเดรน และชั้นออกไซด์ข้างคาปาซิเตอร์
- เพราะชั้นออกไซด์ที่ตำแหน่งนั้นหนาเกินไป จึงต้องสร้างเกตออกไซด์และชั้นออกไซด์ของคาปาซิเตอร์ที่มีความหนาเหมาะสม
- เพื่อทำความสะอาดบริเวณช่องสัญญาณซึ่งสำคัญที่สุด มีการทำpiranha clean
- เป็นการล้างที่กำจัดสารอินทรีย์และโลหะส่วนใหญ่บนพื้นผิวอย่างรุนแรง
- จากนั้นนำกลับเข้าเตาเพื่อเติบโตชั้นออกไซด์ของเกตและคาปาซิเตอร์
- ต้องการชั้นออกไซด์ที่บางเพื่อให้ได้ค่าความจุสูงขึ้นและควบคุมเกตได้ดีขึ้น
- กระบวนการที่ 950°C นาน 38 นาทีสร้างชั้นออกไซด์หนา 200 อังสตรอม หรือ 20 นาโนเมตร
- นอกตัวอุปกรณ์ยังคงมีชั้นออกไซด์ที่หนากว่าอยู่
- ต่อมามีกระบวนการคอนแทกต์คัตเพื่อเปิดชั้นออกไซด์เฉพาะจุดสำหรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า
- เคลือบและอบ LOR กับโฟโตเรซิสต์
- จัดแนวและรับแสงด้วยมาสก์คอนแทกต์คัต แล้วสร้างช่องเปิดขนาดเล็ก
- HF จะลบชั้นแก้วบนผิวซิลิคอนผ่านช่องเปิดเหล่านี้ เพื่อสร้างเส้นทางการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า
กระบวนการปิดท้าย: การเคลือบโลหะและอุปกรณ์สมบูรณ์
- ในระดับสุดท้าย มีการเคลือบโลหะเพื่อสร้างเกตของทรานซิสเตอร์ คอนแทกต์ทางไฟฟ้า และอิเล็กโทรดของคาปาซิเตอร์
- เคลือบและอบ LOR กับโฟโตเรซิสต์อีกครั้ง ก่อนจัดแนวและรับแสงด้วยมาสก์สุดท้าย
- หากกระบวนการก่อนหน้านี้เน้นการลบวัสดุ ขั้นตอนนี้จะใช้ช่องเปิดในโฟโตเรซิสต์เป็นเหมือนสเตนซิล
- หลักการคล้ายสเตนซิลพ่นสีที่ทำให้วัสดุถูกสร้างขึ้นเฉพาะตำแหน่งที่ต้องการ
- โลหะที่ใช้คืออะลูมิเนียม
- ในระบบสปัตเตอร์ อาร์กอนจะชนเป้าโลหะและทำให้อะตอมโลหะไปเคลือบบนผิวตัวอย่าง
- เคลือบได้อย่างสม่ำเสมอ ยกเว้นบางบริเวณใกล้ขอบตัวอย่างที่มีเทปปิดอยู่
- หลังจากนั้น ลบโฟโตเรซิสต์ด้วยDMSOที่ให้ความร้อนเพื่อทำ lift-off
- โลหะจะยกตัวและหลุดออก เหลือเฉพาะแพตเทิร์นที่ต้องการ
- จากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ พบโครงสร้างอาเรย์ DRAMทั้งหมดซึ่งรวมทั้งทรานซิสเตอร์ คาปาซิเตอร์ และส่วนเชื่อมต่อ
- โครงสร้างหน้าตัดก็สอดคล้องกับภาพแนวคิดเริ่มต้น
- ทรานซิสเตอร์ควบคุมการไหลของกระแสและชาร์จคาปาซิเตอร์เก็บข้อมูล จึงสามารถเก็บบิตข้อมูลได้
ผลการวัดและข้อจำกัด
- มีการประเมินคุณสมบัติทางไฟฟ้าด้วยอุปกรณ์ทดสอบในห้องและsemiconductor parameter analyzer
- เนื่องจากเป็นอุปกรณ์ระดับนาโน จึงใช้ micromanipulator ที่มีปลายโพรบขนาดจิ๋วแทนสายไฟทั่วไป
- ในการวัดทรานซิสเตอร์ พบเส้นโค้งกระแสที่แตกต่างกันตามแรงดันเกต
- ได้คุณสมบัติการสวิตช์ที่เมื่อแรงดันเกตเปลี่ยน จะมีกระแสแทบไม่มีเลยหรือมีกระแสมากขึ้น
- สำหรับการใช้งานเป็น RAM เพียงการเปิด-ปิดพื้นฐานก็เพียงพอ
- อย่างไรก็ตาม ไม่พบการอิ่มตัวของกระแสแบบทรานซิสเตอร์ทั่วไป และกระแสยังคงเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันสูงขึ้น
- เกิดpunch throughซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของshort channel effect
- เนื่องจากระยะระหว่างซอร์สกับเดรนน้อยกว่า 1 ไมครอน เมื่อแรงดันเพิ่มขึ้น สองบริเวณนี้จึงแทบเชื่อมถึงกัน
- ส่งผลให้กระแสเพิ่มขึ้นและความสามารถในการควบคุมด้วยเกตลดลง
- แม้จะยังใช้งานได้ที่แรงดันต่ำ แต่ก็สะท้อนความยากของการย่อขนาดเช่นกัน
- คาปาซิเตอร์ถูกวัดด้วยCV plotter
- วัดค่าความจุขณะเปลี่ยนแรงดัน
- ค่าความจุสูงสุดอยู่ที่12.3 pF
- เป็นค่าที่ใกล้เคียงกับค่าทฤษฎีอุดมคติที่ออกแบบไว้ซึ่งอยู่ในช่วงสิบกว่าพิโคฟารัดปลาย ๆ
- เมื่อทำงานร่วมกันเป็นเซลล์ DRAMเดี่ยว ทรานซิสเตอร์สามารถชาร์จคาปาซิเตอร์เก็บข้อมูลจนถึง 3V ได้ภายในไม่กี่ร้อยนาโนวินาที
- หลังจากนั้นแรงดันจะค่อย ๆ ลดลงตามเวลา
- เก็บประจุไว้ได้เพียงประมาณเล็กน้อยเกิน 2ms
- หลังจากนั้นจำเป็นต้องชาร์จใหม่
- DRAM เชิงพาณิชย์สามารถเก็บข้อมูลได้มากกว่า 64ms
- การออกแบบครั้งนี้จึงต้องรีเฟรชถี่กว่ามาก
- ผู้สร้างระบุว่านี่เป็นครั้งแรกของการทำ RAM ที่บ้าน
- ตอนนี้ยังอยู่ในขั้นพิสูจน์การทำงานในระดับไม่กี่เซลล์
- ยังไม่ถึงระดับที่จะเอาไปใช้รัน Doom บนพีซีได้
- ขั้นตอนถัดไปคือการต่อเซลล์เข้าด้วยกันเพื่อขยายเป็นอาเรย์ที่ใหญ่ขึ้น
- และมีแผนจะเชื่อมต่อกับพีซีในภายหลัง
4 ความคิดเห็น
ราคาแรมขึ้นแรงขนาดนี้ คงต้องทำใช้เองที่บ้านแล้วสินะ ^^
ดูเหมือนว่าในคอมเมนต์จะเล่นคำกับ
lambกันสินะdram แบบเลี้ยงปล่อย, ฟาร์มแกะ, เลี้ยงด้วยหญ้า, เนื้อสด ฯลฯ....
55555 คนพวกนี้ตลกดีนะ
ความเห็นจาก Hacker News