Joachim Burghartz is directeur van het Instituut voor Micro-elektronica Stuttgart (IMS Chips) en oud-directeur Dimes (nu EKL) bij de TU Delft.
In de nieuwsbrief van vaktijdschrift IEEE Electron Device Society (EDS) verschijnt over enige tijd een kleine serie getiteld ‘Marvels of microelectronic engineering’. De artikelen behandelen de onverwachte briljante uitvindingen die in vijftig jaar device-miniaturisatie niet expliciet op de verlanglijstjes stonden van de halfgeleiderfabrikanten. De toevallige ontdekkingen en ideeën van dwarsdenkende ingenieurs, dus. Het harde werk en het uithoudingsvermogen om de ITRS en zijn opvolgers elke keer voort te zetten, waardeer ik zeer, maar het zijn deze onverwachte briljantjes die me in het bijzonder fascineren.
Boven aan mijn lijst staat de sidewall spacer, die zijn oorsprong vindt in een ongewenst effect uit de kinderjaren van de chiptechnologie. Als je laagjes van diëlektrica of metaal deponeert op een wafer met een topografisch oppervlak en vervolgens deels weer weghaalt door anisotroop te etsen, blijven er resten materiaal achter aan de zijkanten van opstaande structuren. In het geval van de eerste generatie interconnecties, geëtste aluminium banen, resulteerde dat in kortsluitingen, die je met een extra isotrope etsstap moest verhelpen.
In het geval van diëlektrica hebben chipingenieurs knap gebruik weten te maken van dit effect: de gatestacks van mos-transistoren worden ermee geïsoleerd aan de zijkant. De spacers voorkomen bovendien dat de delen van source en drain direct naast het kanaal te zwaar worden gedoteerd tijdens ionimplantatie. En tot het 65-nanometerknooppunt waren deze zelfuitlijnende isolatorstructuren een cruciaal element voor silicide-depositie op de drie contacten van de transistor.
Ook bij de bipolaire technologie waren er juweeltjes die de gang erin hielden. Zonder de polysilicium emitter was er aan het einde van de jaren zeventig geen nieuwe generatie bipolaire chips gekomen. Het emittermetaal zat te dicht bij de basis van de transistor en dus was de basisstroom te hoog en de versterking te laag voor praktisch gebruik. Glasl en Murrmann van Siemens kwamen toen op het idee om een geleidende polysilicium laag tussen het metaal en de emitter te plaatsen, zodat de afstand tussen metaal en basis groter werd en de versterking zou verbeteren.
De gemeten versterking was veel hoger dan verwacht. Dit was welkom, maar niemand die het begreep. Twee modellen proberen dit effect te verklaren: er zit een barrière voor minority carriers aan het grensvlak van polysilicium en silicium, óf de verlaagde mobiliteit van deze minority carriers in het polysilicium is verantwoordelijk. De theoretici zijn het daarover nog steeds niet eens, maar van het effect is dankbaar gebruikgemaakt.
Ten slotte mag het geniale concept van locos-isolatie van Philips-pionier Else Kooi niet ontbreken. Ik leerde Else persoonlijk kennen toen ik in 1998 naar Nederland kwam. Hij kwam erachter dat de diffusie van zuurstof in nitride veel lager is dan in oxide en maakte daar briljant gebruik van om transistoren met een dikke laag oxide van elkaar te isoleren en toch het waferoppervlak bijna vlak te houden.
Dit zijn maar drie voorbeelden. Denk verder aan AlCu, soi, mems, dram, nvram, gespannen silicium, stepperlithografie en nog vele andere dingen. Het ophalen van dit soort ontdekkingen en ideeën heeft de bedoeling om de jonge ingenieurs te laten zien dat er in de geschiedenis van de micro-elektronica ook in hopeloze situaties oplossingen kwamen als er ruimte was voor creatief onderzoek. Dit was het principe van de ITRS: vooruitkijken, technologische obstakels identificeren en wetenschappers en ingenieurs hun gang laten gaan.