Paul van Gerven
9 September 2016

Het Philips Natuurkundig Laboratorium speelde geen rol van betekenis in de ontwikkeling van de moderne ic-technologie, maar het redde zijn eer met een klapper van een uitvinding die jarenlang in elke chip was te vinden.

In de prille jaren van de halfgeleiderindustrie moest Philips de ene inhaalslag na de andere maken. Na de uitvinding van de transistor in 1947 kon het kenniscentrum van het concern – het befaamde Philips Natuurkundig Laboratorium of Natlab – weinig meer doen dan het ding proberen na te maken. Met vallen en opstaan lukte dat, maar toen de kennis goed en wel in industriële productie was omgezet, diende zich in 1958 alweer de volgende elektronische revolutie aan: het geïntegreerde circuit.

De reactie van het Natlab was ronduit lauw. ‘Het was aardig wat Jack Kilby had gedaan maar niet geschikt voor massaproductie. We hadden een vergelijkbare schakeling in het Natlab binnen een mum van tijd nagemaakt. Dit tot grote vreugde van de raad van bestuur, die dacht de kip met de gouden eieren in handen te hebben. Maar zo handig was dat ding niet; je kon er hooguit wat mee doen als je genoeg had aan een paar transistoren’, aldus Natlab-groepsleider en later adjunct-directeur Leo Tummers.

Dat Robert Noyce van Fairchild, later medeoprichter van Intel, vrijwel tegelijkertijd een veel eleganter procedé had uitgedacht om een ic te maken, ging aan het Natlab voorbij. Pas in 1962 keerde Natlab-manager Piet Haaijman uit de Verenigde Staten terug met een chip die met deze planaire procestechnologie was gemaakt. Lijkbleek tuurden zijn onderzoekers ernaar door de microscoop. Meerdere elektronische componenten keurig gearrangeerd op een oppervlak en netjes onderling verbonden tot een circuit – dit was revolutionair! Tummers gaf zijn onderzoekers opdracht direct alles uit de handen te laten vallen en zich te storten op deze nieuwe technologie.

Met hangen en wurgen wist het Natlab zich de procestechnologie eigen te maken, maar een rol van betekenis in de ontwikkeling van de moderne chip speelde het niet. In de kinderjaren van de geïntegreerde elektronica fungeerde Philips hooguit als voetnoot.

Bits&Chips event sponsor registration

Dat is waarschijnlijk de belangrijkste reden waarom het Natlab de uitvinding van Else Kooi eind jaren zestig zo koesterde. Na een moeilijke periode in de achterhoede liet het wereldwijd gerespecteerde onderzoekslaboratorium ermee zien dat het nog altijd relevant was het in het nieuwe elektronische tijdperk. Het redde er zijn eer mee.

Er is ook alle reden voor trots. Financieel heeft Koois Local Oxidation of Silicon (Locos) het concern goud opgeleverd: het patent is een van de meest succesvolle uit de geschiedenis van Philips. Jarenlang had bijna elke chip die van de band rolde de Locos-technologie aan boord, en voor elk exemplaar had Philips recht op een licentieafdracht. Met het Locos-patent hebben de Eindhovenaren in de jaren tachtig zelfs Intel klemgezet, waardoor ze de Amerikaanse 8048- en 8051-processoren mochten gebruiken voor consumententoepassingen.

Elektronenvallen

Om Locos technologisch op waarde te schatten, moeten we terug naar de tweede helft van de jaren vijftig, toen een aantal cruciale ontwikkelingen samensmolt tot de chip zoals we die tot op de dag vandaag kennen.

Ten eerste de transitie naar silicium als substraat. Hoewel de eerste transistor was gemaakt op germanium, realiseerden halfgeleiderpioniers zich al snel dat silicium op veel punten aantrekkelijker was. Zo heeft silicium een grotere bandovergang, waardoor silicium chips minder last hebben van reverse current en de warmte die ze zelf genereren. De metallurgische kennis om silicium voldoende te zuiveren, kwam echter pas beschikbaar in de jaren vijftig.

Ook het ontwerp van wat de meest gebruikte transistor zou worden – de metal-oxide-semiconductor field-effect transistor of mosfet – dateert van eind jaren vijftig. Het principe werd al in de jaren twintig bedacht maar pas in 1959 gerealiseerd bij Bell Labs. Het eerste commerciële ic van dit type werd geïntroduceerd in 1964 en tot de eeuwwisseling is er nauwelijks gesleuteld aan het ontwerp. Zelfs na de reeks incrementele veranderingen die de mos-transistor de afgelopen vijftien jaar heeft ondergaan, staat het basisprincipe nog fier overeind. Waarschijnlijk kan hij nog twee, misschien drie chipgeneraties mee.

Het grote voordeel van de mosfet ten opzichte van zijn voorganger, de bipolaire transistor, is dat hij de stroom in de schakelaar reguleert met een elektrisch veld in plaats van met een stroompje. Dat is veel zuiniger.

Noyce’ planaire procestechnologie ten slotte maakte chipfabricage aanzienlijk eenvoudiger door haar te reduceren tot twee dimensies: een serie fotolithografische projecties op en fysisch-chemische behandelingen van een halfgeleideroppervlak. Deze reeks processtappen zijn betrekkelijk eenvoudig (semi)geautomatiseerd uit te voeren.

Hoewel min of meer onafhankelijke ontwikkelingen, stapelen zij vrijwel naadloos op elkaar. De structuur van de mosfet leent zich uitstekend voor planaire fabricage, en gebruik van silicium vereenvoudigt dat procedé zelfs nog meer.

Dat heeft alles te maken met het natuurlijke oxide van silicium. In de mosfet reguleert een metalen gate een stroom in een kanaal daaronder. Om kortsluiting te voorkomen, moet er een isolator tussen gate en kanaal worden geplaatst, maar wel eentje die kan worden gepolariseerd met een elektrisch veld: een diëlektricum.

Het is uitermate praktisch als het natuurlijke oxide van de halfgeleider kan worden gebruikt als gatediëlektricum. Dan kan immers een depositiestap worden ingeruild voor een naar verhouding veel simpelere oxidatie van het oppervlak. Veel oxides vormen echter op het grensvlak tussen oxide en moedermateriaal zogeheten elektronenvallen, die de werking van de mosfet verstoren. Bij de silicium-siliciumoxide-combinatie speelt hetzelfde probleem, maar daar is het eenvoudig op te lossen met een behandeling van waterstofgas.

Tuinhekjes

Ook Kooi maakte handig gebruik van de eigenschappen van silicium en siliciumoxide. Niet om een functie in een transistor te realiseren maar om een isolerende laag tussen transistoren te leggen. Zonder deze barrière kunnen elektronen van de ene naar de andere schakelaar ontsnappen, met desastreuze gevolgen voor de werking van de chip.

Kooi – een van de onderzoekers die van Tummers opdracht had gekregen zich te storten op het ic – kwam zijn isolatietechniek op het spoor toen hij in een artikel las over de zegeningen van siliciumnitride als gatediëlektricum. Veel vertrouwen had hij er niet in, want hij wist wat een zegen siliciumoxide was, maar hij wilde wel eens stoeien met het nitride.

Al spelende bedekte Kooi op een goede dag eens één kant van een silicium wafer met siliciumnitride op een bufferlaagje van siliciumoxide en liet hij de andere kant ongemoeid. Na een behandeling met hete stoom zag hij dat de naakte zijde volledig was geoxideerd, terwijl de nitridezijde onaangetast was. Siliciumnitride, concludeerde Kooi, beschermt tegen oxidatie.

Dit was de doorbraak. Kooi realiseerde zich dat je siliciumnitride kunt gebruiken als masker om te kiezen waar op de wafer silicium oxideert en waar niet. Dit buitte hij uit om een soort tuinhekjes tussen mosfets aan te brengen: het Locos-proces.

In het Locos-proces wordt een nitridelaag samen met de bufferlaag oxide weggeëtst op plaatsen waar later géén transistoren worden geplaatst (Figuur 1a en 1b). Daar vreet zuurstof of stoom zich een weg de onbeschermde wafer in, een oxide half onder en half boven het oppervlak achterlatend (Figuur 1c). Het eet zich echter ook een beetje in horizontale richting onder het nitride, waardoor dit materiaal een beetje omhoog wordt gedrukt. Koois assistent Jo Appels doopte deze structuur een vogelbek.

Vervolgens wordt het nitride verwijderd (Figuur 1d) en kan de fabricage van de transistoren starten. Kleine bonus: het gateoxide ligt er al, want dat was de bufferlaag tussen silicium en siliciumnitride.

Natlab transisitor
Figuur 1: Het Locos-proces. Bron: Natlab – Kraamkamer van ASML, NXP en de cd

Cruciaal voor het succes van Locos is dat het siliciumoxide zich de wafer in vreet, waardoor het grensvlak tussen silicium en oxide terechtkomt onder het waferoppervlak. Een dergelijke verdiepte structuur is op andere manieren niet eenvoudig te verkrijgen. Nadeel van de Locos is dat de oxidatiestap moeilijk is te controleren. Daardoor vallen de isolatiebarrières naar verhouding groot uit en nemen ze cumulatief veel kostbaar waferoppervlak in beslag. Uiteindelijk is Locos dan ook ingeruild voor nauwkeurigere technieken, zoals shallow trench isolation. Het Locos-patent was toen echter al verlopen.