Технологии
ВТОРАЯ МИКРОСХЕМАх
Sam Zeloof
В 2018 году у себя гараже я изготовил первую интегральную схему (фото ни-
же) , это был двойной дифференциальный усилитель Z1. Тогда я заканчивал школу,
а сейчас уже выпускаюсь из колледжа. Очевидно, пришло время улучшить произ-
водственный процесс.
1 Первую смотрите: Домашняя лаборатория 2018-05

Z1 с шестью транзисторами представлял эксперимент для отработки всех про-
цессов и проверки оборудования. В теперешнем Z2 уже 100 транзисторов с поли-
кремниевым затвором 10 мкм — та же технология, что и в первом процессоре
Intel. Здесь просто массив 10x10 транзисторов для тестирования, определения
характеристик и настройки процесса, но это огромный шаг к более продвинутым
самодельным чипам. В Intel 4004 было 2200 транзисторов, а я разместил 1200 на
такой же пластине.
Раньше я делал чипы с металлическим затвором (алюминий) , но у алюминия
слишком большая разница рабочих функций с кремниевым каналом под ним, что
приводит к высокому пороговому напряжению (больше 10 В). Те транзисторы с ме-
таллическим затвором я использовал в нескольких забавных проектах, типа ги-
тарной педали дисторшна и кольцевого осциллятора светодиодной мигалки, но в
обоих случаях приходилось запитывать схему одной или двумя батареями 9 В. С
другой стороны, поликремниевый затвор сразу даёт массу преимуществ в произво-
дительности (у самовыравнивающегося затвора ниже ёмкости перекрытия), включая
гораздо более низкое пороговое напряжение (Vth) , так что эти микросхемы со-
вместимы с логическими уровнями 2,5 В и 3,3 В. У новых транзисторов (N-МОП)
превосходные характеристики:
■ Vth = 1,1 В
■ Vgs max = 8 В
-gs
= <0,9 пФ
■ Время нарастания/спада = <10 не
■ Соотношение уровней on/off = 4.3 106
■ Ток утечки = 932 пА (Vds=2,5 В)
Меня особенно впечатлил сверхнизкий ток утечки. При комнатном освещении это
значение увеличивается примерно в сто раз.
С®
GRAPHICS PLOT
(тА)
4 . 000
. 4000
/cti v
.0000U
.0000
I . 000/C3I v ( V)
10.00
N-МОП, ступени Vgs 0,5 В

-2.©ae
GRAPHICS PLOT
40ДОГ
/fl « vl
(©CCI
i .c?ec/d«v с v)
Диодная кривая
C-V, показывающий Vth = 1,1 В
Теперь мы знаем, что своими руками можно изготовить действительно хорошие
транзисторы, без чистой комнаты, с обычными химикатами и самодельным оборудо-
ванием. Конечно, выход и повторяемость процесса тут ниже. Я проведу дополни-
тельные испытания, чтобы собрать данные о статистике и изменчивости свойств
FET, но на первый взгляд выглядит неплохо!

1 МГц на нагрузке 50 Ом
20 МГц на нагрузке 50 Ом
Микросхема маленькая, примерно в четверть площади предыдущих чипов (2,4
мм2), что затрудняет зондирование. На каждой микросхеме простой массив 10x10
N-канальных FET, который даёт много информации о характеристиках. Поскольку
конструкция настолько простая, я смог нарисовать её в Photoshop. У столбцов
из десяти транзисторов общее затворное соединение, а в каждом ряду соседние
элементы соединены на общий вывод истока/стока. Это похоже на микросхему
флэш-памяти типа NAND, но я просто хотел увеличить металлические площадки,
чтобы их можно было нормально зондировать. Если каждому транзистору сделать
три персональные площадки, они получатся слишком маленькими.

s
о
о
я
о
о
я
_ ттлт
& ffiffiffii
ттлт
iitiiiiiii
■■■■■■■■■■
;iiiiiiiHi
JMMM
шм*нм

Затвор
Z2 10x10 POLY
ZELOOF 2021
Контакты
Металл

Ниже показан один 10-мкм N-МОП-транзистор с небольшим смещением в металли-
ческом слое (часть левого контакта не покрыта). Красный контур — поликристал-
лический кремний, синий — исток/сток.
Одиночный N-МОП-транзистор
Пока что я сделал усилитель (Z1) и массив транзисторов, похожий на память
(Z2). Безусловно, даже при такой низкой плотности транзисторов можно реализо-
вать более интересные схемы. Процесс требует доработки, но если я могу уве-
ренно производить транзисторы хорошего качества, то можно попробовать более
сложные цифровые и аналоговые схемы. Тестировать каждый чип вручную очень
утомительно, попытаюсь автоматизировать этот процесс — и тогда я опубликую
больше данных. Я сделал 15 чипов (1500 транзисторов) и знаю, что среди них
как минимум один полностью функциональный чип и как минимум два «в основном
функциональных», то есть работает около 80% транзисторов, а не 100%. Точной
статистики пока нет. Наиболее распространённый дефект — замыкание стока или
истока на общий кремниевый канал, а не утечка или замыкание затвора, как было
в процессе Z1.

Профилометрические параметры слоя затвора (по вертикальной оси
ангстремы, снизу микроны)
Я уже говорил, что раньше затвор изготавливался из алюминия, а теперь из
кремния, что значительно улучшает характеристики микросхем. Кремний бывает
трёх видов (из того, что нас интересует): аморфный, поликристаллический и мо-
нокристаллический. С переходом из одной формы в следующую у кремния увеличи-
вается электропроводность, но его становится гораздо труднее осаждать. Факти-
чески, монокристаллический кремний нельзя осадить, его можно только вырастить
в контакте с другим слоем монокристаллического кремния в качестве затравки
(эпитаксия). Поскольку затвор должен быть осаждён поверх изолирующего диэлек-
трика , то поликристаллическая форма — лучшее, что нам доступно. Но всегда
можно сильно легировать поликремний затвора с помощью допанта, чтобы увели-
чить его электропроводность.
Два транзистора с общим затвором

Общий сток/исток у соседей
В обычном процессе производства самовыравнивающихся поликремниевых затворов
используется силан — токсичный и взрывоопасный газ. Он нужен для нанесения
слоев поликристаллического кремния. Это также возможно с помощью напыления
или испарения аморфного кремния и лазерного отжига. Конечно, в домашних усло-
виях хотелось бы исключить дорогостоящие, сложные или опасные этапы. Поэтому
я придумал, как модифицировать технологический процесс. Здесь вариация на те-
му стандартных методов самовыравнивания, позволяющая легировать кремний по-
средством высокотемпературной диффузии, а не ионной имплантации. В результате
я могу купить на заводе кремниевую пластину с уже нанесённым поликремнием — и
на ней изготовить транзисторы, чтобы не добывать собственный поликремний. Это
хороший и быстрый обходной путь, но в идеале хотелось бы реализовать настоя-
щий процесс осаждения поликремния лазерным отжигом, как упоминалось выше.
В продаже имеются пластины с уже нанесёнными материалами всех видов. Так
что я просто нашёл вариант с тонким слоем Si02 (для затвора, ^10 нм) и более
толстым поликремнием (300 нм) . Я нашёл на eBay партию из 25 200-мм пластин
(EPI, prime, [1-0-0], р-тип) — по сути, это пожизненный запас. Оксид затвора
— самый хрупкий слой и требует максимальной осторожности. Поскольку я купил
пластину с хорошим высококачественным оксидом, который изначально изолирован
толстым слоем поликремния, я смог исключить из процесса все агрессивные хими-
каты для очистки (серную кислоту и т.д.) и по-прежнему делать отличные тран-
зисторы . Минимальные химикаты и инструменты перечислены ниже.

Химикаты для изготовления транзисторов с поликремниевым затвором:
1. Вода
2 . Спирт
3. Ацетон
4. Фосфорная кислота
5. Фоторезист
6. Проявитель (2% КОН)
7. Допант n-типа (Filmtronics P509)
8. HF (1%) или CF4/CHF3 RIE
9. HN03 для травления или SF6 RIE
Оборудование для изготовления транзисторов с поликремниевым затвором:
1. Плита
2 . Трубная печь
3. Литографический аппарат
4. Микроскоп
5. Вакуумная камера для осаждения металла
Процесс
изготовления
Poly (ЗООппл)
SiO2(10nm)
Si, p-type
Купленная пластина
Poly (ЗООпт)
SiO2(10nm)
Si, p-type
Активное травление
Poly (ЗООпт)
SiO2(10nm)
Si, p-type
Добавка допанта для стока/истока
Poly (ЗООпт)
SiO2(10nm)
Si, p-type
Травление поликремниевого затвора

Нанесение диэлектрика
Травление контактов
Осаждение металла
Dielectric
(1pm)
Poly (ЗООпт)
SiO2(10nm)
Si, p-type
Dielectric
(1Mm)
Poly (ЗООпт)
SiO2(10nm)
Si, p-type
Aluminum
(1-2Mm)
Dielectric
(1Mm)
Poly (ЗООпт)
SiO2(10nm)
Si, p-type
Aluminum
(1-2Mm)
Dielectric
(1Mm)
Poly (ЗООпт)
SiO2(10nm)
Si, p-type
Травление металла

Процесс не идеален (я хочу внести некоторые изменения для полупроводников
КМОП), но он упрощает изготовление микросхем с минимальным набором инструмен-
тов. Слой диэлектрика толщиной 1 мкм (оранжевый) в идеале должен быть CVD
Si02 (можно собрать реактор для получения тетраэтоксисилана в домашних усло-
виях) , но вместо него я использовал фоторезист. Большинство фоторезистов мож-
но запекать при температуре около 250 С для формирования твёрдого постоянного
диэлектрического слоя — это простая альтернатива покрытию CVD или PECVD.
Здесь также можно использовать кремнийорганическое стекло (SOG) и процесс
золь-гель.
ФОТОЛИТОГРАФИЯ
БЕЗ МАСКИ
Общая идея состоит в том, чтобы использовать модифицированный презентацион-
ный цифровой проектор (DLP) и уменьшающую оптику для переноса изображения на
фоторезист на пластине без использования дорогих масок. Ниже приведены описа-
ния четырех этапов разработки моей фотолитографической установки.
Mark I
Доказательная установка DLP. Изображение проецируется проектором
на место крепления фотокамеры, оттуда через объектив 5х на пред-
метный столик.

Mark II
Ручной выравниватель проецирования DLP > 10 мкм. Цветовой круг удален, по-
тому что он не пропускал достаточно света ниже 400 нм. Цепи эмуляции (релак-
сационный генератор) были созданы для воспроизведения сигналов, которые про-
ектор ожидал от привода/датчика положения цветового колеса и фотодиода.
Удаление цветового круга

^k<S
1уДПГ r/,.>fc-H - »lv_J
<3</"T Ttf pR^T^ft
-H2\/
r
7^1 tfp/V? *Я <;*/*r2,AR
'r&y-rfrty^
Эмуляция цветового круга
r:>
л

Узел уменьшающей линзы
Модифицированный проектор
Время воздействия рассчитывается путем интегрирования общей дозы УФ-
излучения, измеренной на разных длинах волн с помощью радиометра. Чтобы рас-
считать время воздействия резиста AZ4210, например, обратитесь к таблице дан-
ных (приложение), чтобы увидеть рекомендуемую дозу около 135 мДж/см2 для тол-
щины пленки 3,5 мкм. При экспонировании с объективом 5х в моей системе время
экспозиции при 410 нм составляет (135 мДж/см2) / (4,05 мВт/см2) « 33 секунды.
Это немного дольше, чем хотелось бы, но учитывая то, что это положительный
резист, этого и следовало ожидать.

Mark III
Был использован субмикронный шаговый двигатель от проектора для смартфона
(по технологии LCoS). Добавлен красный лазер для наводки и фокусировки. До-
бавлен блок ручного управления проекцией.
Проектор LCoS
Модуль светового узла
УФ-светодиод и красный лазер
Щ
Управление температурным режимом
Проектор в сборе

Выравнивание/фокусировка
Экспозиция
Ручное управление
Проектор в корпусе
Установка в сборе
1 мкм линии проекции
Учитывая числовую апертуру объектива микроскопа 0,98 и длину волны экспони-
рования 365 нм, простое вычисленное разрешение составляет 0,227 мкм, однако
фактическое разрешение, вероятно, составляет около 0,5 мкм из-за дифракцион-
ных ограничений, присущих этой проекционной системе. Глубина резкости @NA =

0,98 по расчетам составляет примерно 1,8 мкм, но, вероятно, хуже.
Mark IV
Использован УФ проектор. Был добавлен автоматизированный субмикронный степ-
пер DLP для пластин размером 2 дюйма (50 мм) с контролем LabView, компьютер-
ным выравниванием и вакуумным зажимом для пластин.
Вакуумный зажим
Управление ХУ степпером (шаговый двигатель с редуктором 1:100)
1080р DLP
Ртутная УФ лампа

Зеркало с пропусканием УФ
Крепление для проектора
Проектор на месте
Веб-камера для компьютера
Оптика XYZ для фокусировки на наводки проекции.
1

Изображения выше состоят из 4 точно выровненных экспозиций, которые обеспе-
чивают субмикронное разрешение на больших площадях. Эта «настоящая» шаговая
операция использует систему обратной связи и компьютерное визуальное выравни-
вание .
365 нм УФ-фильтр
Установка в сборе.

Приложение
254nm-no After Эббпт-no After 410пт • no After Эбблт- U-340 410пт- U-340 Эвбпт-
мг 410пт - Later
в tea*
Shop lights on
Shop lights off
Sale light в 1 foot
Direct aunftght
CHANZON 10W
386nm8.B5v
Qanerle LED СОв
100W2fl4Jv
T<X46405nfn&7V
SMD 406nm 3J**
Srnnt cental 40Gnm
9v30ma
CHANZON 100W
«НМЛНП cW
InFocua LP425Z
WHITE -stock
InFocua LP425Z
RED-stock
InFocua LP425Z
BLUE - «took
InFocua LP425Z
WHITE - reduction
InFocua LP425Z
RED - reduction
InFocua LP425Z
BLUE - reduction
InFocua LP42SZ
WHITE - Sat obj
InFocua LP42SZ
RED-Sxob|
InFocua LP425Z
BLUE-Sxobj
InFocua LP425Z
WHITE - 40x Obj
InFocua LP425Z
RED-40xobj
InFocua LP42SZ
BLUE -40* Obj
0uW..'cmA2
0uW.'cttv'2
0uW/crn-2
O.00SmW,'CinA2
0uW.'cttv%2
O.0OSmW.'CinA2
0uW.'crTV'-2
0uW.'cttv'2
0uW.'crn%2
0uW.'cttv'-2
OuW/crrv'2
0ciW.'crn'2
0uWcmA2
0uVWcmA2
0uW.'cm'2
0uW/cmA2
0uW.'cttv%2
0uW.'crirv%-2
0uW.'crrv*2
0uVWcrnA2
0uW.'cm'2
0uWVcmA2
0.35uW.'Cfn'-2
0.0auW.'Crtt'2
0.02uW.'cm-2
1.594mW.'cmA2
13 3nlW/cnv'2
0.023mW.'cmA2
0.5mW/cm*2
61.SmW/ci>v'2
4.5SrYftV/cm-'*2
66.9rTftV/cnv'*2
0.0239»nW.,om%-2
0.0a394mW/cmA2
0.01375mW/cmA2
0.0721 inW.'omA2
0.01021 mW/cnV-2
о.огаотю.'от-'г
о.о^бтуу.'стп'-г
0.00253mW/cmA2
0.0Ga27mW/CrtV%2
0.00233rnW/cnY'2
o.oaa53mw/c?iv*2
O^X313inWVom-*2
14uW/cnv42
0.003uW/cnv%2
0.035uW/crr>*2
5.24rrtvV/ciiv'*2
в2.атМ/сн1-л2
12.30iiiW.'CinA2
2.56rrtW/Ciiv'-2
>100mW.'CinA2
33 .7rYftV/cm/,2
»100mW/Cirv'2
13.4lmW.'cmA2
0.024mW,'cmA2
9.03rrtvV/Ciiv',2
ia.7rrftV/ciiv'-2
0.564mW.'cmA2
19.57itiW/cmA2
7.1lmW/cnv'-2
0.0921 inW.'Crn%-2
4.0SmW/CitvA2
0.42SiYiW,'cmA2
0.004MmW/cmA2
O-2S0mW,'CinA2
0.07S5inW.'cm%'2 0.06amW.'cmA2 0.0aa75rnW/CttY'2 0.020mW.'CinA2
0.7mW/cm*2
0.0e6iiiW.'CinA2
0.544mW.'CinA2
0.00039mW/CrtV2
O.Q002emW/CrtV*2
0.0a419mW/cnv*2 0.547mW.'cmA2
0.01Q64mW/cnY*'2