-
作者
-
發佈日期
2026-04-23
-
閱讀時間
9分鐘
-
字體大小
AI 需求急升帶動記憶體價格高漲，而全球記憶體供應高度依賴 Micron、Samsung 及 SK hynix 三大廠商，短期內難以大幅增產。YouTuber Dr.Semiconductor 索性自行出手，將後花園小屋改建成潔淨室，並從零開始自製半導體製造裝置，成功造出全球首枚家製 DRAM 晶片。
潔淨室改裝
Dr.Semiconductor 將後花園木屋改造成達到 Class 100 標準潔淨室，即 ISO 5 等級，每立方米空氣中 0.5μm 以上微粒少於 3,520 個。潔淨室關鍵在於 HEPA 過濾系統配合正壓設計，持續將乾淨空氣泵入室內，同時防止外部污染空氣滲入；木屋內部亦分隔成更衣室和主潔淨室兩個區域，進入主室前必須先換上潔淨室裝備。室內更自製了乾式蝕刻機及真空爐等半導體製造裝置。
自製 RAM 十步曲：從矽晶圓到 DRAM 儲存格
步驟一：設計記憶體陣列
RAM 晶片由無數排列成矩陣的儲存格組成，每個交叉點各放置一個電晶體和一個電容器。電晶體負責控制開關，電容器則儲存電荷，開啟電晶體後電容器便可儲電，保存 1 位元資料；讀取時同樣需要開啟電晶體，但電荷會因此流失，所以需要定期刷新。Dr.Semiconductor 設計了一個 5×4 的微型記憶體陣列，目標閘極長度為 1μm 以下，每種顏色代表不同加工層，晶片正是透過逐層堆疊製造而成。
步驟二：切割及清洗矽晶圓
以鑽石刻劃刀將矽晶圓切割成合適的晶片尺寸。由於矽沿晶體方向較易裂開，切割後的邊緣相對整齊。切割後用丙酮和異丙醇清洗，去除碎屑和有機污染物。
步驟三：高溫氧化，生長保護氧化膜
將清洗後的矽晶圓放入爐中，以 1,100℃ 高溫氧化，在表面生長出約 3,300Å 厚的氧化膜。這層類似玻璃的薄膜在後續工序中用作保護層及加工遮罩，完成後的晶圓會呈現漂亮的綠色。
步驟四：塗佈光阻，進行光刻
先在氧化膜上塗佈離型光阻（LOR）並以 170℃ 烘烤，作為提升附著力的底層；再旋塗感光性光刻膠（Photoresist），以 100℃ 烘烤，形成超過 1μm 厚的均勻光阻膜。其後透過顯微步進機將設計圖案縮小投影至晶片上，以紫外線曝光，令受光部分在顯影液中溶解去除，只留下需要保護的區域。
步驟五：乾式蝕刻，開出「窗口」
以已圖案化的光刻膠為遮罩，利用乾式蝕刻選擇性去除不需要的氧化膜，露出下層矽的表面。完成後，以加熱的二甲基亞碸（DMSO）去除光刻膠，令氧化膜上出現「窗口」，方便後續僅針對指定區域進行加工。
步驟六：磷摻雜，製作源極與汲極
源極和汲極分別是電流的入口和出口，需要高導電性。Dr.Semiconductor 以旋塗磷矽玻璃取代昂貴的離子注入裝置，將磷元素透過氧化膜的窗口擴散進入矽中。他更自製了計算磷擴散深度的工具，確保導電層深淺適中。其後先以 1,100℃ 退火 5 分鐘令磷擴散，再用氫氟酸去除磷矽玻璃，最後以 1,000℃ 熱處理 10 分鐘，完成源極和汲極的製作。
步驟七：製作閘極氧化膜及電容器氧化膜
重新塗佈 LOR 及光刻膠，精確對準源極與汲極之間的通道區域曝光，同時將電容器區域一併納入曝光範圍。顯影後以氫氟酸蝕刻薄化兩個區域的氧化膜——通道區域的薄氧化膜有助提升閘極控制能力，電容器區域的薄氧化膜則有助增加儲電容量。完成後以強力皮拉尼亞溶液徹底清洗表面，去除有機物和金屬污染，再放入爐中以 950℃ 處理 38 分鐘，生長出約 200Å（20nm）的薄閘極氧化膜及電容器氧化膜。
步驟八：蝕刻接觸孔
晶片表面被氧化膜全面覆蓋，無法直接與金屬配線連接。因此再次塗佈 LOR 及光刻膠，用接觸孔遮罩曝光後，以氫氟酸在指定位置蝕刻去除氧化膜，形成細小開口，為後續金屬連接預留通道。
步驟九：濺射鋁膜及剝離工藝
塗佈 LOR 及光刻膠後進行最終曝光，以光刻膠圖案作為模板（而非遮罩），利用濺射裝置以氬離子轟擊鋁靶材，令鋁原子沉積在整個晶片表面。其後將晶片浸入加熱的 DMSO，光刻膠連同多餘的鋁膜一同剝離，只保留接觸孔及配線所需位置的鋁，完成金屬配線製作。
步驟十：測試驗證
以微操縱器將微細探針接觸各個元件進行量度。電晶體測試確認閘極電壓能有效控制電流通斷；電容器量度則顯示容量約達 12pF，接近設計理想值。將電晶體與電容器組合成完整 DRAM 儲存格後，測試確認電晶體可在數百 ns 內將電容器充電至 3V，電荷保持時間約 2ms，雖遠低於市售 DRAM 的 64ms 以上，但已成功驗證 DRAM 的基本動作原理，確立全球首個家製 RAM 儲存格。
測試結果：動作原理獲驗證
完成製作後，Dr.Semiconductor 以微操縱器將微細探針接觸晶片進行量度。電晶體測試顯示，閘極電壓能有效控制電流通斷，確認其開關功能正常運作；電容器量度則顯示容量約達 12pF，接近設計理想值。將電晶體與電容器組合成完整 DRAM 儲存格後，測試確認電晶體能在數百 ns 內將電容器充電至 3V，電荷保持時間約 2ms。雖然這遠低於市售 DRAM 的 64ms 以上，但已足以驗證基本動作原理。
Dr.Semiconductor 表示這是全球首次有人在家中製造 DRAM，惟目前只有數個儲存格，尚未達到實用水平。他的下一步目標是將儲存格擴展成更大陣列，最終實現可接駁電腦使用的記憶體模組。
資料來源：Dr.Semiconductor (YouTube)、Gizmodo