Кремниевые технологии

Отличие планарной технологии Эрни (справа) от меза-технологии (слева). Высоты слоёв показаны схематично.

Транзисторы ранних серий строились исключительно из германия. Относительно низкая температура плавления и относительно низкая химическая активность делали германий удобным, технологичным материалом. Неустранимым недостатком германиевых транзисторов был узкий диапазон рабочих температур, поэтому уже в середине 1950-х годов инженеры вернулись к «неудобному», но высокотемпературному, кремнию. Летом 1954 года Гордон Тил^[en] вырастил на Texas Instruments (TI) первую кремниевую транзисторную структуру, а в 1955 кремниевые транзисторы пошли в серию^[22]. Тогда же, в 1954 году, Фуллер^[en] и Дитценбергер опубликовали результаты фундаментального исследования процесса диффузии в кремнии, а Шокли предложил использовать диффузию по Фуллеру для формирования p-n-переходов с заданным профилем концентрации примесей^[23].

В начале 1955 года Карл Фрош^[en] из Bell Labs открыл явление мокрого окисления кремния, а в следующие два года Фрош, Молл^[en], Фуллер и Холоньяк довели его до внедрения в серийное производство^[24][25]. Открытие, состоявшееся благодаря случайной вспышке водорода в диффузионной печи, выявило второе фундаментальное преимущество кремния над германием^[24]. В отличие от оксидов германия, «мокрый» диоксид кремния является физически прочным и химически инертным электрическим изолятором (Роберт Нойс назвал мокрый оксид «одним из лучших изоляторов, известных человеку»^[26]). В 1957 году Фрош предложил использовать оксидный слой как литографскую маску при селективном легировании кремния тяжёлыми легирующими элементами, но пришёл к ошибочному выводу о том, что оксид не препятствует диффузии фосфора. В 1959 году Аттала описал явление пассивации p-n-переходов оксидным слоем. Оксид, выращенный над переходом, надёжно защищает его от внешних воздействий (пассивирует) — как при производстве, так и в эксплуатации. Соединений германия с подобными свойствами просто не существует.

1 декабря 1957 года Жан Эрни^[en] впервые предложил планарную технологию производства биполярных транзисторов. В планарном процессе Эрни все p-n-переходы транзистора выходили на верхнюю поверхность кристалла под защитным слоем оксида, что должно было существенно повысить надёжность. Однако в 1957 году предложение Эрни считалось технически невозможным^[27]. Чтобы создать эмиттер NPN-транзистора, следовало проводить диффузию фосфора — но, согласно работам Фроша, фосфор и оксидная маска были несовместимы^[27]. В начале марта 1959 Чи-Тан Са^[en] (бывший коллега Эрни по работе у Шокли, не участвовавший в «вероломной восьмёрке») указал Эрни и Нойсу на ошибку в выводах Фроша^[27]. Фрош использовал слишком тонкие оксидные слои, и сделал общее заключение из частного случая^[27]. Эксперименты Са на рубеже 1957—1958 годов показали, что достаточно толстый слой оксида способен задерживать и атомы фосфора^{[прим. 11]}. Вооружённый этим знанием, к 12 марта 1959 года Эрни изготовил первый опытный планарный транзистор^[28], а 1 мая 1959 года подал патентную заявку на изобретение планарного процесса^[27]. В апреле 1960 года Fairchild начала выпуск первых серийных планарных транзисторов (2N1613)^[29], а в октябре 1960 года анонсировала полный отказ от меза-транзисторов^[30]. К середине 1960-х годов планарный процесс стал основным способом производства транзисторов и единственным способом производства монолитных интегральных схем^[31].