- 高校3年生のとき自宅のガレージでZ1チップを作って注目を集めたSam Zeloofが、大学3年生としてZ2を公開した
- Z2チップは約100個のトランジスターを含む自作ポリシリコンゲート方式の集積回路で、家庭用設備で実現した高性能シリコン
- 前世代の**Z1チップ（6トランジスター、メタルゲート）に比べ、10µmポリシリコンゲート工程を採用して閾値電圧（Vth）**を1.1Vまで低下させ、2.5V～3.3Vロジック互換性を実現
- NMOSトランジスタ特性は立上り/立下り時間10ns未満、リーク電流932pA、オン/オフ比4.3×10⁶などで、不純物を含む化学薬品と非クリーン環境下でも優れた性能を達成
- フォトレジストを絶縁層として活用し、工場出荷済みウェーハのポリシリコン層を加工する方式で、高価で危険な工程を回避し、最小限の装置と薬品で製作可能
- このプロジェクトはDIY半導体製造の実現可能性を示し、将来的なより複雑なデジタル・アナログ回路設計への拡張基盤を築いた
Z2チップの概要
- Z2は10×10トランジスター配列で構成された実験用集積回路で、工程特性の測定と最適化のためのテスト構造
- 同じシリコンウェーハ上に約1,200個のトランジスターを製作
- **インテル4004（2,200トランジスター）**と同等の10µmポリシリコンゲート技術ベース
- Z1（6トランジスター、メタルゲート）と比較してトランジスター数と性能が大幅に向上
- Z1は高い閾値電圧（>10V）により9V電池2本が必要だったが、Z2は低電圧駆動が可能
ポリシリコンゲート工程への移行
- 既存のアルミニウムゲート工程の限界を克服するためポリシリコンゲートへ移行
- 自己整列ゲート（self-aligned gate）構造で重なり容量を低減
- 閾値電圧1.1V、Vgs最大8V、Cgs < 0.9pF、立上り/立下り時間 < 10ns
- **リーク電流932pA（Vds=2.5V）**は非常に低い値で、照明環境では約100倍増加
- 不純物のある化学薬品と非清浄な環境でも良好なトランジスター特性を確保
チップ設計と構造
- チップサイズは2.4mm²で、以前のICの1/4程度
- フォトショップでレイアウト設計、シンプルな構造で製作しやすい
- 10個のトランジスターが共通ゲートを共有
- 各行が直列に接続され、NANDフラッシュに似た構造を形成
- プロービングを容易にするための大型パッド設計
- 製作された15個のチップのうち、少なくとも1個が完全に動作し、2個は約80%動作
- 主な不具合はドレイン/ソースのバルク短絡で、ゲートリークは少ない
改良されたDIYポリシリコン工程
- シラン（SiH₄）ガスなしで高温拡散ドーピング方式に置き換え
- 工場でポリシリコンが堆積されたウェーハを購入して直接パターニング
- レーザーアニーリングによるアモルファスシリコン堆積も代替案として言及
- 使用化学薬品：水、アルコール、アセトン、リン酸、フォトレジスト、KOH現像液、N型ドーパント（P509）、HF（1%）またはCF₄/CHF₃ RIE、HNO₃またはSF₆ RIE
- 使用装置：ホットプレート、チューブ炉、フォトリソグラフィ装置、顕微鏡、金属蒸着用真空チャンバー
工程詳細と断面構造
- **ゲート酸化膜（10nm）とポリシリコン層（300nm）**を含むウェーハを使用
- eBayで200mmウェーハを25枚、45米ドルで購入
- 高品質酸化膜により硫酸など強酸洗浄工程を除去可能
- **場酸化膜を代替するフォトレジスト絶縁層（1µm）**を使用
- 250°C焼き付けで永久絶縁層を形成し、CVD SiO₂を代替可能
- **スピンオンガラス（sol-gel）**も代替材料として言及
- 酸化膜エッチングは洗剤ベースのHF溶液またはRIEで実施
製作結果と今後の計画
- SEM断面画像でNMOS構造を確認
- ポリシリコンをドーピングマスクとして使用し、ハードベイクフォトレジストをフィールド絶縁体として活用
- これにより階段状構造が形成
- 工程はCMOS互換性が不十分だが、最小限の装置と安全性の確保には有利
- 将来的に自動化されたテストシステム構築とより複雑な回路設計へ拡張予定
コミュニティの反応
- 多数のコメントで**「驚異的な成果」「DIY半導体の可能性」**として評価
- 一部はSOIウェーハ使用、DVD-Rベースのフォトリソグラフィなどの改善アイデアを提案
- Z3開発への期待、音声向けトランジスタ応用などの後続提案が多数
- 全体として個人レベルの半導体製造イノベーション事例として高い関心と称賛を集めている
1件のコメント
Hacker Newsの意見
1980年代後半、8MHzのMac Plusでプログラミングを始めた
その後1990年代後半にコンピュータ工学の学位を取ったが、その間シングルスレッド性能はほとんど停滞していた一方で、トランジスタ数だけが爆発的に増えたという「逆ムーアの法則」を実感した
今ではチップ1個あたり1000億個を超えるトランジスタが載るようになり、新しいアプローチを試す機会が生まれていると思う
特にCMOS互換性とオープンソースベースのホームリソグラフィが可能になれば、MIPSやPentium級の性能を持つコアを自分で実験できるはずだと考えている
たとえばRaspberry Pi RP2040（266 MIPS、2コア、32ビット、264kB RAM）は、わずか1ドルで初期のPentiumより5倍高速だ
こうした低価格コアを256個並べて自動並列化言語を作れば、遺伝的アルゴリズムや人工生命シミュレーションのような実験を自由に行えるのではないかと想像している
最近、自宅でフォトリソグラフィを試せるガイドやキットを探していたところで、ちょうどこのプロジェクトを見つけて驚いた
子どもたちに現代技術を実際に見せたいと思っていたが、まだ少し複雑すぎるので、いずれ一緒に試してみたい
もう少し複雑な装置については、InchFab創業者たちの資料も参考になる
いちばん簡単な方法はドライフィルムフォトレジストを使うことだ。eBayやAmazonで20ドルほどで買える
子どもによって興味は違うが、こうした体験はスクリーン越しよりずっと鮮明な経験になるはずだ
これは単にすごいというレベルではなく、世界を変えることだ
家でハードウェアを自作することには、家で自由ソフトウェアを作るのと同じ意味がある
長期的にはコンピューティングの自由を守る道だと思う
Sam Zeloofの最初のICプロジェクトが2018年に出たが、DIYのエコシステムは大きく発展していない
それでも個人的には実験してみるつもりで、実際の変化が現れることを期待している
1970年代後半レベルのチッププロセスを親のガレージで再現したなんて信じがたい
マイクロプロセッサは人類が作った最も複雑な発明のひとつであり、こうした試みが可能だということ自体が驚異的だ
こうしたホビー規模の半導体プロジェクトを見るたびに、大規模研究所の外でもイノベーションが続いていることを感じる
このアプローチがどこまで拡張できるのか気になる
研究論文には化学物質の量、温度、時間まで全部公開されていて、誰でも再現できた
こうした開放性が急速な技術発展を導いたが、その後IP保護中心の経営が広がるにつれて情報は制限されるようになった
中国では今でもこうした開かれた共有文化が残っており、それが急速な発展の原動力になっているという
最初は「この程度なら小さな機械で自動化できるのでは？」と思ったが、実際にAtomic Semiがその方向で進めているようだ
以前JLCPCBが登場してホビー電子工作の世界を完全に変えたように、数年以内に半導体分野でも同じような変化が起きてほしい
今は数百万ドル規模の企業しかチップを作れないが、こうしたDIYの試みがその壁を壊せるかもしれない
大規模な産業ファブは規制や市場原理に左右されうるため、個人が自分でハードウェアを作れる能力が重要になる
ガレージでもICを作れるなんて驚きだ
もちろん多くの知識と努力は必要だが、何十億ドルもするクリーンルームなしでも可能だという点が印象的だ
だがデジタル回路は現実的には難しく、FPGAを活用したほうがよいと思う
自作のデジタルICでは、大きなデジタル時計程度が限界だろう
（2021年に進められたプロジェクトだった）
卒業後にまた半導体実験を続けてくれることを願う