▲

Z2 – 차고에서 리소그래피로 제작된 IC

 (sam.zeloof.xyz)
5P by GN⁺ 3일전 | ★ favorite | 댓글 1개
  • 고등학교 3학년때 집의 차고에서 Z1 칩을 만들어서 유명해진 Sam Zeloof가 대학교 3학년이 되어 Z2를 공개
  • Z2 칩은 약 100개의 트랜지스터를 포함한 자가 제작 폴리실리콘 게이트 기반 집적회로로, 가정용 장비로 구현된 고성능 실리콘
  • 이전 세대인 Z1 칩(6 트랜지스터, 금속 게이트) 대비, 10µm 폴리실리콘 게이트 공정을 적용해 임계 전압(Vth) 을 1.1V로 낮추고 2.5V~3.3V 로직 호환성을 확보함
  • NMOS 트랜지스터 특성은 상승/하강 시간 10ns 미만, 누설 전류 932pA, 온/오프 비율 4.3×10⁶ 등으로, 불순한 화학물과 비청정 환경에서도 우수한 성능을 달성함
  • 포토레지스트를 절연층으로 활용하고, 공장 출하 웨이퍼의 폴리실리콘층을 가공하는 방식으로 고가·위험 공정을 회피하며, 최소한의 장비와 화학물로 제작 가능함
  • 이 프로젝트는 DIY 반도체 제조의 실현 가능성을 입증하며, 향후 복잡한 디지털·아날로그 회로 설계로 확장될 기반을 마련함

Z2 칩 개요

  • Z2는 10×10 트랜지스터 배열로 구성된 실험용 집적회로로, 공정 특성 측정과 최적화를 위한 테스트 구조임
    • 동일한 실리콘 웨이퍼 위에 약 1,200개의 트랜지스터를 제작
    • Intel 4004(2,200 트랜지스터) 와 동일한 10µm 폴리실리콘 게이트 기술 기반
  • Z1(6 트랜지스터, 금속 게이트) 대비 트랜지스터 수와 성능이 대폭 향상
    • Z1은 고임계 전압(>10V)으로 9V 배터리 2개가 필요했으나, Z2는 저전압 구동 가능

폴리실리콘 게이트 공정의 전환

  • 기존 알루미늄 게이트 공정의 한계를 극복하기 위해 폴리실리콘 게이트로 전환
    • 자가 정렬 게이트(self-aligned gate) 구조로 중첩 커패시턴스 감소
    • 임계 전압 1.1V, Vgs 최대 8V, Cgs <0.9pF, 상승/하강 시간 <10ns
  • 누설 전류 932pA(Vds=2.5V) 로 매우 낮은 수준이며, 조명 환경에서 약 100배 증가
  • 불순 화학물과 비청정 환경에서도 양호한 트랜지스터 특성 확보

칩 설계 및 구조

  • 칩 크기는 2.4mm², 이전 IC의 1/4 수준
  • 포토샵으로 레이아웃 설계, 단순한 구조로 제작 용이
    • 열 개의 트랜지스터가 공통 게이트를 공유
    • 각 행은 직렬 연결되어 NAND 플래시 유사 구조 형성
  • 프로빙을 용이하게 하기 위한 대형 패드 설계
  • 제작된 15개 칩 중 최소 1개 완전 동작, 2개는 약 80% 동작
    • 주요 결함은 드레인/소스의 벌크 단락, 게이트 누설은 드묾

수정된 DIY 폴리실리콘 공정

  • 실란(SiH₄) 가스 없이 고온 확산 도핑 방식으로 대체
    • 공장에서 폴리실리콘이 증착된 웨이퍼를 구매해 직접 패터닝
    • 레이저 어닐링을 통한 아모퍼스 실리콘 증착도 대안으로 언급
  • 사용 화학물: 물, 알코올, 아세톤, 인산, 포토레지스트, KOH 현상액, N형 도펀트(P509), HF(1%) 또는 CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ 또는 SF₆ RIE
  • 사용 장비: 핫플레이트, 튜브 퍼니스, 리소그래피 장치, 현미경, 금속 증착용 진공 챔버

공정 세부 및 단면 구조

  • 게이트 산화막(10nm) 과 폴리실리콘층(300nm) 이 포함된 웨이퍼 사용
    • eBay에서 200mm 웨이퍼 25장을 $45에 구매
    • 고품질 산화막 덕분에 황산 등 강산 세정 공정 제거 가능
  • 필드 산화막을 대체하는 포토레지스트 절연층(1µm) 사용
    • 250°C 경화로 영구 절연층 형성, CVD SiO₂ 대체 가능
    • 스핀온글래스(sol-gel) 도 대체재로 언급
  • 산화막 식각은 녹제거제 기반 HF 용액 또는 RIE로 수행

제작 결과 및 향후 계획

  • SEM 단면 이미지를 통해 NMOS 구조 확인
    • 폴리실리콘을 도핑 마스크로 사용, 하드베이크 포토레지스트를 필드 절연체로 활용
    • 이로 인해 계단형 구조 형성
  • 공정은 CMOS 호환성 부족하지만, 도구 최소화와 안전성 확보에 유리
  • 향후 자동화된 테스트 시스템 구축 및 복잡한 회로 설계로 확장 예정

커뮤니티 반응

  • 댓글 다수에서 “놀라운 성취”, “DIY 반도체의 가능성” 으로 평가
  • 일부는 SOI 웨이퍼 사용, DVD-R 기반 포토리소그래피 등 개선 아이디어 제시
  • Z3 개발 기대, 오디오용 트랜지스터 응용 등 후속 제안 다수
  • 전반적으로 개인 수준에서의 반도체 제조 혁신 사례로 높은 관심과 찬사를 받음
▲
GN⁺ 3일전  [-]
Hacker News 의견

  • 1980년대 후반 8MHz Mac Plus로 프로그래밍을 시작했음
    이후 1990년대 후반 컴퓨터공학 학위를 받았는데, 그동안 단일 스레드 성능은 거의 정체된 반면 트랜지스터 수만 폭증한 ‘역 무어의 법칙’을 체감했음
    이제는 칩당 1천억 개 이상의 트랜지스터가 들어가면서 새로운 접근법을 시도할 기회가 생겼다고 봄
    특히 CMOS 호환성과 오픈소스 기반의 홈 리소그래피가 가능해진다면, MIPS나 Pentium급 성능의 코어를 직접 실험할 수 있을 것이라 생각함
    예를 들어, Raspberry Pi RP2040(266 MIPS, 2코어, 32비트, 264kB RAM)은 단돈 1달러에 초기 Pentium보다 5배 빠름
    이런 저가 코어 256개를 배열해 자동 병렬화 언어를 만들면, 유전 알고리즘이나 인공 생명 시뮬레이션 같은 실험을 자유롭게 할 수 있을 것이라 상상함

  • 최근 집에서 포토리소그래피를 해볼 수 있는 가이드나 키트를 찾고 있었는데, 마침 이 프로젝트를 보게 되어 놀라움
    아이들에게 현대 기술을 직접 보여주고 싶었는데, 아직은 너무 복잡하지만 나중에 함께 시도해보고 싶음

    • Carnegie Mellon의 Hacker Fab 프로젝트 에서는 포토리소그래피와 스퍼터링 시스템 같은 간단한 장비 제작 가이드를 공개 중임
      좀 더 복잡한 장비는 InchFab 창업자들의 자료도 참고할 만함
      가장 쉬운 방법은 드라이 필름 포토레지스트를 사용하는 것임. eBay나 Amazon에서 약 20달러면 구입 가능함
    • Ben Krasnow의 Applied Science 채널 영상(링크)에서 리소그래피 마스크 제작 과정을 쉽게 볼 수 있음
    • 아이들에게는 실크스크린 인쇄로 개념을 소개하는 게 가장 쉬움. 메이커 스페이스나 예술 단체에서 관련 수업을 찾을 수 있음
    • Cyanotype Paper로 태양 인쇄를 하거나, 소금 결정 키우기, 정전기 완드 장난감, 야광 페인트와 스트로브 조명 같은 실험도 흥미로움
      아이들마다 흥미가 다르지만, 이런 체험은 스크린보다 훨씬 생생한 경험이 될 것임

  • 이건 단순히 멋진 수준이 아니라 세상을 바꿀 일임
    집에서 직접 하드웨어를 만드는 건, 집에서 자유 소프트웨어를 만드는 것과 같은 의미를 가짐
    장기적으로 컴퓨팅 자유를 지키는 길이라 생각함

    • 나도 동의하지만, 세상은 아직 그렇게 움직이지 않는 듯함
      Sam Zeloof의 첫 IC 프로젝트가 2018년에 나왔지만, DIY 생태계가 크게 발전하지는 않았음
      그래도 개인적으로 실험해볼 생각이며, 실제 변화가 나타나길 기대함
    • 정말 놀라운 작업임. 진행 상황을 계속 공유해주면 좋겠음

  • 1970년대 후반 수준의 칩 공정을 부모님 차고에서 재현했다니 믿기 어려움
    마이크로프로세서는 인류가 만든 가장 복잡한 발명품 중 하나인데, 이런 시도가 가능하다는 게 경이로움

  • 이런 취미 규모 반도체 프로젝트를 볼 때마다, 대형 연구소 밖에서도 혁신이 계속된다는 걸 느낌
    이 접근이 얼마나 확장될 수 있을지 궁금함

    • 1950~70년대 초반까지만 해도 반도체 업계는 정보 공유가 활발했음
      연구 논문에는 화학물질의 양, 온도, 시간까지 모두 공개되어 누구나 재현할 수 있었음
      이런 개방성이 빠른 기술 발전을 이끌었지만, 이후 IP 보호 중심의 경영이 확산되며 정보가 제한되었음
      중국에서는 여전히 이런 개방적 공유 문화가 남아 있고, 그것이 빠른 발전의 원동력이라 함

  • 처음엔 “이 정도면 작은 기계로 자동화할 수 있지 않을까?” 생각했는데, 실제로 Atomic Semi가 그런 방향으로 진행 중인 듯함

  • 예전에 JLCPCB가 등장해 취미 전자공학계를 완전히 바꿨던 것처럼, 몇 년 안에 반도체 분야에서도 그런 변화가 오면 좋겠음
    지금은 수백만 달러 규모의 기업만 칩을 만들 수 있는데, 이런 DIY 시도가 그 벽을 허물 수 있을지도 모름

    • 현실적으로는 플렉서블 IC(플라스틱 기반 칩) 이 대중화되지 않으면 어렵다고 봄
    • Google Silicon 개발자 페이지도 참고할 만함
    • 이런 흐름은 컴퓨팅 자유를 위해 필수적임
      대형 산업 팹은 규제나 시장 논리에 휘둘릴 수 있으므로, 개인이 직접 하드웨어를 만들 수 있는 능력이 중요함

  • 차고에서도 IC를 만들 수 있다니 놀라움
    물론 지식과 노력이 많이 필요하지만, 수십억 달러짜리 클린룸 없이도 가능하다는 게 인상적임

    • 차고에서도 아날로그 회로(예: 오디오 앰프, 연산 증폭기, 저주파 RF 회로)는 제작 가능함
      하지만 디지털 회로는 현실적으로 어렵고, FPGA를 활용하는 편이 낫다고 봄
      직접 만든 디지털 IC로는 대형 디지털 시계 정도가 한계일 것임

  • (2021년에 진행된 프로젝트였음)

    • 그때 소식을 듣고 업데이트가 있길 기대했는데, 지금은 제작자가 대학에 진학했다고 들음
      졸업 후 다시 반도체 실험을 이어가길 바람
답변달기