RAM zu Hause herstellen [Video]

• DRAM-Zellen wurden mit Heimgeräten und einem direkt aufgebauten Prozess gefertigt, um die Funktion der grundlegenden RAM-Struktur aus Transistor und Kondensator zu bestätigen
• Halbleiterprozesse wurden Schritt für Schritt durchgeführt: Schneiden des Siliziumwafers, Bildung der Oxidschicht, Photolithografie, Trockenätzen, Phosphor-Dotierung, Wachstum des Gate-Oxids, Contact Cuts bis hin zur Aluminium-Abscheidung
• Bei Messungen am fertigen Bauteil wurden Schalteigenschaften bestätigt, bei denen sich der Strom je nach Gate-Spannung verändert, sowie eine maximale Kapazität von 12,3 pF
• Beim Betrieb einzelner DRAM-Zellen wurde der Speicherkondensator innerhalb von wenigen hundert Nanosekunden auf 3 V geladen; die Ladung blieb etwas mehr als 2 ms erhalten und musste dann erneut aufgefrischt werden
• Die Haltezeit erreicht zwar nicht die über 64 ms kommerzieller DRAMs und zeigt Miniaturisierungsgrenzen wie Punch-Through, doch wurde ein Ausgangspunkt für die Erweiterung zu einem kleinen RAM-Array aus Eigenbau geschaffen

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DRAM-Struktur und Fertigungsziel

• Eine DRAM-Zelle ist so aufgebaut, dass an jedem Kreuzungspunkt eines aus Zeilen und Spalten bestehenden Arrays ein Transistor und ein ladungsspeichernder Kondensator angeordnet sind
  • Der Transistor fungiert als Schalter
  • Der Kondensator speichert wie eine Batterie elektrische Ladung und hält damit 1 Bit Information
  • Wird der Transistor eingeschaltet, lädt sich der Kondensator auf; beim späteren Auslesen kann die Ladung durch erneutes Einschalten in Gegenrichtung fließen und detektiert werden
  • Da beim Lesen die Ladung des Kondensators verloren geht, ist ein periodisches Refresh erforderlich
• Gefertigt wurde eine kleine Struktur auf Basis eines 5x4-Array-Layouts, das später erweitert und aneinandergesetzt werden kann
  • An jedem Kreuzungspunkt befinden sich Transistor und Kondensator
  • Die endgültige Gate-Länge des Transistors sollte etwas unter 1 Mikrometer liegen
• In der Zeichnung steht jede Farbe für eine andere Schicht; das Bauteil wird durch einen sandwichartigen Schichtaufbau gebildet, bei dem die Ebenen nacheinander aufgebracht werden

Frühe Prozessschritte: Siliziumvorbereitung und Dotierung

• Als Ausgangsmaterial wurde ein Siliziumwafer verwendet und mit einem Diamantschreiber in kleine Chips geschnitten
  • Dabei wurde die Eigenschaft ausgenutzt, dass Silizium entlang bestimmter Kristallebenen gut bricht
• Nach dem Schneiden erfolgte eine Reinigung mit Aceton und Isopropanol, um Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen
  • Ziel war das Entfernen von Partikeln und das Lösen organischer Rückstände
  • Da die Oberfläche anschließend ohnehin von Silizium zu Glas umgewandelt wird, war keine perfekte Endreinigung erforderlich
• Die Chips wurden in einen Ofen gelegt und bei 1.100 °C erhitzt, wodurch eine 3.300 Å dicke Oxidschicht auf der Oberfläche entstand
  • Dabei wird das Silizium oxidiert, um eine Glasschicht wachsen zu lassen
  • Diese Oxidschicht dient später als Maske und Schutzschicht
• Auf die Oberfläche mit der Glasschicht wurde zunächst Lift-off-Resist als Haftschicht aufgetragen
  • Das Material ist eigentlich für Metal-Lift-off gedacht, funktioniert aber auch gut als Haftschicht
  • Anschließend wurde es 5 Minuten bei 170 °C gebacken
• Darauf wurde Fotolack per Spin-Coating aufgebracht und 2 Minuten bei 100 °C gebacken
  • So entstand ein gleichmäßiger dünner Film, etwas dicker als 1 Mikrometer
• Mit UV-Licht und einer Maske wurde die erste Pattern-Ebene erzeugt
  • Licht, das durch die Öffnungen der Maske fällt, belichtet den Fotolack
  • Im Entwickler werden die belichteten Bereiche entfernt und das Muster entsteht
  • Ein mikroskopisches Stepper-System projiziert das Muster verkleinert, während benutzerdefinierte Software Fokus und Belichtung steuert
  • Für gleichmäßigere Entwicklung wurde eine Roboteranlage verwendet
• Mit dem strukturierten Fotolack als Maske wurde anschließend trocken geätzt
  • Dabei wurde die Glasschicht selektiv entfernt, um die Siliziumoberfläche freizulegen
• Nach dem Ätzen wurde der Fotolack mit erhitztem DMSO entfernt
  • Das Ergebnis war eine 3.300 Å starke Oxidschicht mit geöffneten Fenstern
• Über diese Oxidfenster wurden Source und Drain des Transistors gebildet
  • Source und Drain dienen als Ein- und Ausgangsanschlüsse des Schalters
  • Das Gate wird später im mittleren Bereich gebildet
• Durch Einbringen von Phosphor in das Silizium wurde die Leitfähigkeit dieser Bereiche erhöht
  • In der Industrie wird dafür auch Ionenimplantation verwendet, hier wurde sie aus Kosten- und Größen­gründen jedoch nicht eingesetzt
• Statt eines kommerziellen Produkts wurde selbst hergestelltes phosphorus doped spin-on glass verwendet
  • Bei Testproben war vor der Behandlung mit einem Multimeter kaum Durchgang feststellbar
  • Nach der Behandlung zeigte sich eine sehr hohe Leitfähigkeit
  • Das Ergebnis lag nahe an einer sehr starken Dotierung
• Dieselbe Lösung wurde auch auf den eigentlichen Chip aufgetragen und mit langsam ansteigender Temperatur gebacken
  • Dies diente dem Entfernen des Lösungsmittels sowie der Vermeidung von Rissen und Spannungen
• Beim Syntheseprozess entstanden einige wenige Glasablagerungen
  • Sie wurden als überwiegend optisches Phänomen ohne großen Einfluss beschrieben
  • Für den nächsten Versuch wurde Filtration als bessere Lösung genannt
• Zur Vorhersage der Dotierungstiefe wurde ein Rechner erstellt, um das Dotierungsprofil zu modellieren
  • Ziel war ein flacheres Profil
• Dafür folgte ein Annealing bei 1.100 °C für 5 Minuten; danach wurde das Spin-on-Glass mit HF entfernt
  • Anschließend wurde ein Drive-in-Annealing bei 1.000 °C für 10 Minuten durchgeführt

Mittlere Prozessschritte: Gate-Oxid und Kontakte

• Nach der Bildung von Source und Drain wurden der Gate-Bereich des Transistors und der Kondensatorbereich bearbeitet
  • Da die Glasschicht noch vorhanden war, wurden erneut Lift-off-Resist und Fotolack nacheinander aufgetragen
• Der Kanalbereich wurde zwischen den bestehenden Source- und Drain-Regionen ausgerichtet
  • Gleichzeitig wurde auch der Bereich des ladungsspeichernden Kondensators oberhalb des Transistors mit ausgerichtet und belichtet
• Nach der Entwicklung wurde mit HF das mittlere Oxid zwischen Source und Drain sowie das angrenzende Oxid des Kondensators entfernt
  • Dort war das Oxid zu dick, daher wurden ein Gate-Oxid und ein Kondensatoroxid mit passender Dicke benötigt
• Für die besonders wichtige Reinigung des Kanalbereichs wurde ein Piranha Clean durchgeführt
  • Diese Reinigung entfernt organische Stoffe und den Großteil metallischer Verunreinigungen sehr aggressiv
• Danach kamen die Chips wieder in den Ofen, um Gate- und Kondensatoroxid wachsen zu lassen
  • Ziel war ein dünnes Oxid für höhere Kapazität und bessere Gate-Kontrolle
  • Bei 950 °C wurde in 38 Minuten ein 200 Å beziehungsweise 20 nm dickes Oxid erzeugt
  • Außerhalb der Bauteilbereiche blieb das Oxid dicker
• Danach folgte ein Contact-Cut-Prozess, bei dem das Oxid selektiv geöffnet wurde, um elektrische Verbindungen herzustellen
  • LOR und Fotolack wurden aufgetragen und gebacken
  • Nach Ausrichtung und Belichtung der Contact-Cut-Maske entstanden kleine Öffnungen
  • Durch diese Öffnungen entfernte HF die Glasschicht auf der Siliziumoberfläche und schuf so elektrische Kontaktpfade

Abschließende Prozessschritte: Metallabscheidung und Fertigstellung des Bauteils

• In der letzten Ebene wurde Metall abgeschieden, um das Gate des Transistors, elektrische Kontakte und die Kondensatorelektrode zu erzeugen
  • Erneut wurden LOR und Fotolack aufgetragen und gebacken, danach die finale Maske ausgerichtet und belichtet
• Während die früheren Schritte vor allem auf Materialabtrag beruhten, wird in dieser Phase die Öffnung im Fotolack wie eine Schablone verwendet
  • Das Prinzip ist vergleichbar mit einer Farbschablone, bei der Material nur an den gewünschten Stellen gebildet wird
• Als Metall wurde Aluminium verwendet
  • In einem Sputter-System schlägt Argon auf das Metalltarget und lagert Metallatome auf der Probenoberfläche ab
  • Mit Ausnahme einiger Bereiche am Rand, an denen Klebeband angebracht war, entstand eine gleichmäßige Beschichtung
• Anschließend wurde der Fotolack mit erhitztem DMSO entfernt und so der Lift-off durchgeführt
  • Dabei löste sich das Metall mit ab, sodass nur das gewünschte Muster übrig blieb
• Unter dem Mikroskop wurde die vollständige DRAM-Array-Struktur mit Transistor, Kondensator und Verbindungen bestätigt
  • Auch die Querschnittsstruktur entsprach dem ursprünglichen Konzeptbild
  • Der Transistor steuert den Stromfluss und lädt den Speicherkondensator, sodass ein Datenbit gespeichert werden kann

Messergebnisse und Grenzen

• Die elektrischen Eigenschaften wurden mit Laborgeräten und einem Halbleiter-Parameteranalysator untersucht
  • Da es sich um nanoskalige Bauteile handelt, wurden statt normaler Leitungen Mikromanipulatoren mit feinen Sondenspitzen verwendet
• Bei der Transistormessung zeigten sich unterschiedliche Stromkurven in Abhängigkeit von der Gate-Spannung
  • Damit wurde ein Schaltverhalten bestätigt, bei dem je nach Gate-Spannung nahezu kein Strom oder ein größerer Strom fließt
  • Für den Einsatz als RAM reicht ein grundlegendes Ein-Aus-Verhalten aus
• Allerdings trat keine Stromsättigung wie bei gewöhnlichen Transistoren auf; bei hohen Spannungen stieg der Strom weiter an
  • Es trat Punch-Through als Form des Short-Channel-Effekts auf
  • Da der Abstand zwischen Source und Drain unter 1 Mikrometer liegt, sind beide Bereiche bei steigender Spannung praktisch verbunden
  • Das führt zu höherem Strom und schwächerer Gate-Kontrolle
  • Bei niedrigen Spannungen ist der Betrieb möglich, zugleich zeigt sich aber auch die Schwierigkeit der Miniaturisierung
• Der Kondensator wurde mit einem CV plotter vermessen
  • Dabei wurde die Kapazität bei variierender Spannung gemessen
  • Die maximale Kapazität betrug 12,3 pF
  • Damit lag sie nahe am theoretisch entworfenen Idealwert von etwas über 10 pF
• Beim gemeinsamen Betrieb als einzelne DRAM-Zelle lud der Transistor den Speicherkondensator innerhalb weniger hundert Nanosekunden auf 3 V auf
  • Danach sank die Spannung mit der Zeit allmählich ab
  • Die Ladung blieb nur etwas mehr als 2 ms erhalten
  • Danach war erneutes Aufladen erforderlich
• Kommerzielle DRAMs halten die Ladung länger als 64 ms
  • Dieses Design benötigt daher häufigeres Refresh
• Es wird angegeben, dass dies die erste RAM-Fertigung zu Hause sei
  • Derzeit ist erst die Funktionsfähigkeit einiger weniger Zellen nachgewiesen
  • Von einem Niveau, auf dem sich darauf Doom auf einem PC ausführen ließe, ist man noch weit entfernt
• Der nächste Schritt ist, die Zellen zu verbinden und zu einem größeren Array zu erweitern
  • Danach ist eine Anbindung an einen PC geplant

[cgl00]

Die RAM-Preise sind so stark gestiegen, dass man sie wohl zu Hause selbst herstellen und benutzen muss ^^

[cronex]

Die Kommentare sind wohl voller Wortspiele mit lamb. Freilaufendes D-RAM, Schafweide, grasgefüttert, Frischfleisch und so weiter....

[yangeok]

Hahaha, das sind echt lustige Leute.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Da kommt einem sofort der Witz in den Sinn, dass man nur freilaufenden handwerklichen DRAM kauft
  • Wenn man darüber nachdenkt, war core memory tatsächlich wirklich gewebter Speicher. Da kamen sogar Strick- und Perlenmethoden zum Einsatz, und mehr dazu findet sich in diesem Paper
  • Ehrlich gesagt steckt in uns allen doch ein kleiner Engineering-Gremlin, der selbst einen Halbleiter-Cleanroom bauen will
  • Wirklich ein großartiges Zeitalter, um am Leben zu sein
  • Ich mochte das Wortspiel lieber, dass man statt grasgefüttertem RAM nur raw RAM akzeptiert
  • Der Witz, dass mein DRAM von einer RAM ranch kommt, war auch ziemlich gut
    • Ich habe noch ergänzt, dass ich meins direkt von den örtlichen Amish kaufe
• Soweit ich das sehe, hat dieser Macher wohl ein vom Open-Source-Chipfertigungs-Toolkit HackerFab inspiriertes Set gebaut. Ein wirklich großartiges Projekt, deshalb lohnt sich auch ein Blick auf docs.hackerfab.org/home
• Ich habe dieses Video gestern gesehen und überlegt, es zu posten, war mir aber nicht sicher, ob es zu HN passt In einem anderen Video zeigt er, wie er in einem ganz normalen Schuppen im Hinterhof ein Cleanroom-Labor baut, und das war wirklich erstaunlich. Zu sehen, wie er im Hinterhof mit Überdruck die Partikelzahl senkt, wirkte fast wie Magie
  • Schon der Gedanke, ob eine Geschichte über den Bau eines RAM-Cleanrooms in einem Schuppen nicht zu Hacker News als „news for nerds“ passen könnte, war eher komisch
  • Falls du es noch nicht gesehen hast: Indistinguishable From Magic: Manufacturing Modern Computer Chips ist eine starke Empfehlung Das Video ist zwar schon etwas älter, aber ich glaube, ich habe noch keine moderne Entsprechung gesehen, die es wirklich ersetzt. Ich habe es früher ein paarmal auf HN gepostet, und auch wenn die Resonanz nicht riesig war, finde ich es immer noch vollkommen überwältigend faszinierend
  • Ich finde, wenn man selbst etwas interessant findet, ist es einen Post wert. Den Rest kann man dann dem Voting-System überlassen
  • Ehrlich gesagt ist genau das die Art von Inhalt, die ich hier sehen will
  • Kürzlich gab es auf der Startseite sogar einen Beitrag über Bonsai trees; da wirkt eine Geschichte über selbstgebautes RAM deutlich HN-näher
• Meine Zukunftszeitleiste im Kopf sieht so aus: 1999 habe ich von flying cars geträumt, 2024 reden wir wegen LLMs über Roboter, und 2026 schauen wir uns dann eben an, wie man zu Hause RAM baut
  • Dann kommt der Witz, dass man 2027 ein LLM mit selbstgebautem RAM aufrüstet und es dann das fliegende Auto entwerfen lässt
  • Man kann sich auch vorstellen, dass es 2027 just-in-time erzeugte Software und Hardware zusammen geben wird
  • Und 2030 werden flying cars vielleicht faktisch bewaffnete Drohnen sein und homefab womöglich verboten
• Ich fand es lustig, dass das wohl nicht ganz das war, was die Leute mit der Rückkehr der US-Fertigung gemeint hatten
  • Spaß beiseite: Wenn jemand sich einen eigenen Cleanroom in den Schuppen baut und sogar RAM herstellt, fragt man sich schon, was Unternehmen eigentlich noch vom Markteintritt abhält Selbst mit etwas weniger formaler Zertifizierung würde ich günstigeres RAM kaufen wollen, solange es in der Praxis funktioniert
  • Jetzt kommt wohl noch der politisch-satirische Witz, dass bald jeder Hinterhof einen semiconductor furnace haben wird
• Ich verstehe, dass man einen Kondensator auflädt und dass die Ladung ausläuft, sodass man sie regelmäßig wieder auffüllen muss Was ich aber nicht ganz verstehe, ist, wie der Wert gelesen wird und wie das Refresh funktioniert. Auch bei Transistoren habe ich noch kein vollkommen sicheres Gefühl, aber dieses Video war trotzdem wirklich großartig
  • Meinem Verständnis nach misst man die Ladungsmenge, bevor sie vollständig verschwunden ist Da die Messung selbst einen Teil der Ladung wegnimmt, enthält ein DRAM-Chip auch Schaltungen, die den Wert wieder zurückschreiben. Wenn es eine 1 sein soll, wird erneut geladen, und wenn es eine 0 sein soll, wird entladen. Refresh und normales Lesen sind fast dasselbe; beim normalen Lesen wird der Wert zusätzlich an die Ausgangspins ausgegeben Im Video sieht man bislang offenbar nur das Grundarray aus Kondensatoren und Transistoren, daher vermute ich, dass die Lese- und Rückschreibschaltung erst im nächsten Video kommt
  • Ich finde, man bekommt ein Gefühl für Transistoren, wenn man sie grob wie ein AND gate versteht Wenn die Bedingungen an Source und Gate stimmen, kann Ladung zum Drain fließen, sodass man die Ladung eines Kondensators mit einem anderen Transistor verbinden und prüfen kann, ob noch etwas vorhanden ist. Mit dem Signal am Drain lässt sich Logik antreiben und auch der Kondensator, den man gerade ausgelesen und dabei geschwächt hat, wieder aufladen Streng genommen ist es allerdings präziser, das eher über Spannung relativ zu einer Bezugsmasse als über Ladungsbewegung zu erklären
  • Das Funktionsprinzip von DRAM ist in Wikipedia unter Principles of operation ziemlich gut erklärt Entscheidend ist, dass man dem Speicherkondensator bewusst etwas Ladung entnimmt, sie verstärkt und einen Teil der verstärkten Ladung wieder in den Speicher zurückführt
  • Um Transistoren zu verstehen, reicht es, ein paar Kerngedanken zu erfassen Zwei nahe beieinanderliegende Leiter mit einem Isolator dazwischen bilden einen Kondensator, und die geladene Energie wird im elektrischen Feld gespeichert. Genau dieses elektrische Feld ist der Kern der Funktionsweise eines field effect transistor Wenn die Isolationsschicht dünn genug ist, entsteht Leckstrom, und im Nanometerbereich kann man sogar das Tunneln einzelner Elektronen beobachten, was ziemlich faszinierend ist
  • Ein echtes DRAM besteht aus einem großen Array winziger Kondensatoren und Schaltern, die jeweils eine Zeile gleichzeitig mit den Spaltenleitungen verbinden Da die Eigenkapazität der Leitungen größer ist als die der Speicherkondensatoren, werden die Leitungen zunächst auf eine Referenzspannung vorgeladen. Wenn dann die ausgewählte Zeile verbunden wird, verteilt sich die Kondensatorladung auf die Leitung und verändert deren Spannung ganz leicht. Ein sense amplifier verstärkt diese winzige Veränderung stark zu 0 oder 1, und genau dieser Vorgang stellt zugleich auch die Spannung des verbundenen Kondensators wieder her und übernimmt damit das Refresh Das 4x5-Array im Video verwendet vermutlich Kondensatoren, die mehrere hundert Mal größer sind als in einem echten 64-Kbit-DRAM, wohl damit man in einer späteren Folge die Leseschaltung außerhalb des Chips aufbauen kann
• Ich fand den Satz „Jetzt gibt es kein DownloadMoreRAM mehr, sondern nur noch irgendeinen Typen in einem Schuppen im Hinterhof“ extrem passend downloadmoreram.com
  • Wenn man Google Drive mountet und die swap file dorthin verschiebt, funktioniert ein ähnlicher Witz zumindest mit etwas gutem Willen
  • Wenn man hier noch eine pricing page anhängen würde, gäbe es vermutlich tatsächlich Käufer. Gerade wegen embedded LLMs ist die Nachfrage nach RAM und CPU im Moment schließlich enorm
  • Bei den heutigen Speicherpreisen könnte vielleicht sogar wieder eine Geschäftschance wie bei SoftRAM 95 entstehen
• Diese Person wirkte wie ein Beleg dafür, dass selbst YouTube-Neulinge noch erfolgreich sein können, wenn sie die richtige Nische finden
  • Vorausgesetzt natürlich, dass man tatsächlich etwas so Gewaltiges durchzieht wie den Bau eines Cleanrooms im Schuppen
  • Am Ende war das Wesen von Content-Erstellung wohl schon immer der Content selbst. Wenn man etwas Besonderes und Fesselndes macht, kommen die Zuschauer von allein
  • Allerdings sieht es so aus, als wäre dieses Video hinter einer Patreon-Mitgliedschaft für $10/month versteckt, und trotzdem kommt es auf rund 329.611 Aufrufe. Da fragt man sich schon, ob das wirklich ein Modell ist, mit dem er 3 Millionen Dollar im Monat verdient, oder ob es in Wirklichkeit doch nicht so einfach ist
• Halbleiterproduktion im Hinterhof sah einem Grillabend im Hinterhof erstaunlich ähnlich Das Bild passt ziemlich gut: erhitzen, eine rauchartige Diffusion, dotieren und dann Schichten aufbauen
• Das führt direkt zu dem Witz, dass diese Information bloß nicht bei OpenAI landen sollte, weil sie sonst den gesamten Bestand dieses Typen aufkaufen würden
  • Dann würden sie vermutlich gleich noch die Schuppen in ganz Amerika im Voraus pachten