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Nov 09, 2023

Eine kurze Geschichte des MOS-Transistors, Teil 2: Fairchild

Kein Unternehmen war besser gerüstet und besser positioniert, um von der Entwicklung des ersten MOSFET zu profitieren als Fairchild Semiconductor. Jean Hoerni wurde 1957 gegründet, um an Siliziumtransistoren zu arbeiten

Kein Unternehmen war besser gerüstet und besser positioniert, um von der Entwicklung des ersten MOSFET zu profitieren als Fairchild Semiconductor. Jean Hoerni wurde 1957 gegründet, um an Siliziumtransistoren zu arbeiten. Er entwickelte den Planarprozess und Robert Noyce entwickelte die Ideen für den ersten praktischen integrierten Schaltkreis (IC), der auf Hoernis Planarprozess basierte, nur wenige Monate bevor Atalla und Kahng den ersten MOSFET bei Bell Labs zum Laufen brachten . Wie die beiden Schlüssel, die zum Öffnen eines Schließfachs in einem Banktresor benötigt werden, waren die planare Halbleiterprozesstechnologie und der planare IC die beiden Schlüssel, die benötigt wurden, um das volle Potenzial des MOSFET freizusetzen.

Fairchild verfügte über diese Schlüssel, und obwohl Fairchild-Forscher erheblich zur Entwicklung und Verbesserung des MOSFET beitrugen, gelang es dem Unternehmen nicht, eine erfolgreiche MOS-IC-Produktlinie zu entwickeln. Infolgedessen musste das Unternehmen mit ansehen, wie sein früher Vorsprung bei ICs – bipolaren ICs – schwand, als das Mooresche Gesetz die IC-Gerätedichten über die Reichweite der Bipolartransistortechnologie hinaus in den verlockenden MOSFET-Bereich trieb.

William Shockley verließ Bell Labs im Jahr 1953, weil er sich bei Beförderungen und Anerkennung übergangen fühlte. Er zog zurück nach Kalifornien, nahm eine Stelle am Caltech an, schloss einen Vertrag mit dem Caltech-Professor und High-Tech-Unternehmer Arnold Beckman ab und gründete 1955 das Shockley Transistor Laboratory. Anfangs dachte Shockley, er könnte Bell Labs nach Personal plündern, aber niemand war da sein früherer Arbeitgeber wollte mit ihm zusammenarbeiten. Er war gezwungen, sich woanders umzusehen, und es gelang ihm, ein erstklassiges Team aus jungen, frisch graduierten Wissenschaftlern und Ingenieuren zusammenzustellen und sie in das erstklassige Wetter Kaliforniens zu locken. Er versprach auch, dass sie den Heiligen Gral des Tages entwickeln würden, den Siliziumtransistor.

Im folgenden Jahr erhielt Shockley gemeinsam mit John Bardeen und Walter Brattain den Nobelpreis für Physik für die Erfindung des Punktkontakttransistors. Zu dieser Zeit begann sich Shockley intensiv für die 4-Schicht-Diode zu interessieren, einen Halbleiterschalter, der für das Bell-System von großem Interesse gewesen wäre. Allerdings war es nicht das Gerät, das er seinen Forschern versprochen hatte, und sie waren nicht erfreut. Shockleys autokratischer Führungsstil und sein Ego spalteten sein Team und führten am 29. Mai 1957 zu einem Showdown. Die Forderung des Forschungsteams bestand darin, das „Shockley-Problem“ zu lösen. Das war nicht der Fall, und acht Mitglieder von Shockleys Forschungsteam – das als „Verräterische Acht“ bekannt wurde – verließen das Unternehmen im September 1957. Diese Kerngruppe schloss einen Deal mit Sherman Fairchild ab und gründete am 1. Oktober 1957 Fairchild Semiconductor. Fairchild Semiconductor sollte schnell daraus werden das wichtigste Halbleiterunternehmen der Welt und das Unternehmen, das den MOS-Transistor am wahrscheinlichsten zu seinem vollen Potenzial heben wird.

Der erste wichtige Schritt auf dem Weg zu Fairchilds Schicksal war die Erfindung des planaren Halbleiterprozesses. Am 1. Dezember 1957, nur zwei Monate nach der Gründung von Fairchild, wurde Hoerni von einem Geistesblitz getroffen. Er wusste von den Arbeiten zur Siliziumdioxid-Passivierung, Fotolithographie und Ätzung in den Bell Labs, weil Shockley sie Anfang des Jahres, vor der Abreise der Verräterischen Acht, mit seinem Forschungsteam besprochen hatte. Hoerni brauchte nur zwei Seiten in seinem Labornotizbuch, um den planaren Prozess zu beschreiben. Seine Innovation bestand darin, das thermisch gewachsene Siliziumdioxid nach der Diffusion auf dem Halbleiterwafer zu belassen, um die darunter liegenden Schaltkreise zu schützen. Bell Labs dachte, dieses Oxid sei zu schmutzig, um es an Ort und Stelle zu belassen, aber Hoerni erkannte, dass eine ausreichend saubere Isolierschicht eine Kontamination durch Staub, Schmutz und Wasser verhindern würde. Mit wenigen Änderungen meldete Hoerni am 14. Januar 1959 ein Patent für das Planarverfahren an.

Der zweite wichtige Schritt in Richtung des Halbleiterdurchbruchs, der nötig war, damit MOSFETs ihre Bestimmung erfüllen konnten, erfolgte am 23. Januar 1959. An diesem Tag schrieb der Gründer von Fairchild Semiconductor, Robert Noyce, die Ideen für einen monolithischen integrierten Schaltkreis in seinem Labornotizbuch nieder. Er wurde dazu angespornt, über Möglichkeiten nachzudenken, Hoernis planares Verfahren zu nutzen, um mehr als nur diskrete Transistoren herzustellen. Er erkannte, dass die Siliziumdioxidschicht ein perfekter Isolator war und es ermöglichte, darauf Metallverbindungen abzuscheiden, um die Verbindungen zwischen mehreren Geräten auf dem IC zu vervollständigen. Mit dieser Einsicht veränderte Noyce die Elektronikindustrie für immer und verwandelte das Löten und Verdrahten in ein High-Tech-Druckverfahren.

Diese beiden Ideen, Hoernis planarer Prozess und Noyces IC-Konzept, entzündeten Fairchilds Zündschnur. Erstens nutzte Fairchild das Planarverfahren, um bessere und stabilere Transistoren herzustellen als alle seine Konkurrenten. Die Transistoren von Fairchild wurden schnell zum Goldstandard. Innerhalb von zwei Jahren kündigte Fairchild die weltweit erste IC-Produktfamilie mit dem Namen Micrologic an. Es handelte sich um eine Familie bipolarer Logik-ICs. Sechs Monate lang war Fairchild nach der Einführung der Micrologic-Familie führend. Keiner der Konkurrenten von Fairchild hatte seinen Kunden etwas Vergleichbares wie den IC von Fairchild anzubieten. Sogar Texas Instruments, offizieller Miterfinder des IC, war gezwungen, die IC-Patente von Fairchild zu lizenzieren, nur um mithalten zu können.

Gordon Moore erfuhr von der erfolgreichen Entwicklung des ersten MOS-Transistors durch Bell Labs, kurz nachdem Mohamed Atalla und Dawon Kahng 1960 ihr erstes Gerät in Betrieb genommen hatten. Moore übernahm 1959 die Leitung der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Fairchild, nachdem Robert Noyce General Manager des Unternehmens geworden war Nachdem der Mann, der für diese Position eingestellt wurde, Edward Baldwin, plötzlich mit fünf anderen Mitarbeitern von Fairchild abreiste, um Rheem Semiconductor zu gründen.

In der Woche nach Baldwins Weggang testete Fairchild den ersten Bipolartransistor, der mit Hoernis Planarprozess hergestellt wurde. Der Transistor hat gut funktioniert. Es gibt einen Mythos, der besagt, dass Hoerni während des Tests auf den Transistor gespuckt habe, um zu beweisen, dass der Planarprozess Transistoren unempfindlich gegen Verunreinigungen mache. Vielleicht war der tatsächlich durchgeführte Test nicht so dramatisch, dass eine Probe von Hoernis Speichel verwendet wurde, aber der planare Prozess lieferte tatsächlich die gewünschten Ergebnisse. Jay Last, Mitbegründer von Fairchild, erinnert sich: „Mensch, es ist schade, dass Baldwin letzte Woche gehen musste.“ Fairchild hatte Mesa-Transistoren hergestellt und innerhalb weniger Monate die Produktion auf das weit überlegene und weitaus stabilere Planartransistordesign umgestellt.

Bei den neuen planaren Bipolartransistoren und Micrologic-ICs hatte Fairchild alle Hände voll zu tun, den Planarprozess zuverlässig und stabil zu gestalten, die Implementierung der für die Herstellung von ICs erforderlichen Präzisionslithographie zu erlernen und neue Arten von Bipolartransistoren und Micrologic-Chips zu entwickeln. Kein Kunde von Fairchild forderte oder fragte auch nur nach MOS-Transistoren, daher befand sich keiner in der Entwicklung. Der Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Gordon Moore lag auf Langfristprojekten, die keine MOS-Transistoren beinhalteten. Fairchilds Gleichgültigkeit gegenüber MOSFETs änderte sich 1962, als das Unternehmen einen frischgebackenen Physik-Doktor der University of Utah namens Frank Wanlass einstellte. Als er in das Unternehmen eintrat, war Wanlass bereits von MOS-Transistoren besessen und wusste, dass Fairchilds Planarprozess der richtige Weg zu ihrer Herstellung war.

Wanlass wurde in die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Fairchild eingestellt, und sein Auftrag gab ihm ausreichend Spielraum, um an MOSFETs zu arbeiten, auch wenn Fairchild diese zu diesem Zeitpunkt nicht herstellte, da die MOS-Struktur (Metalloxid-Halbleiter) ein integraler Bestandteil davon war der Planarprozess, unabhängig davon, ob er zur Herstellung von Bipolar- oder MOS-Transistoren verwendet wurde. Einen großen Teil seiner Freiheit verdankte er seiner Fähigkeit, fast alles selbst zu machen. Als Physiker verstand Wanlass die Physik der MOS-Struktur und konnte daher selbst MOSFETs entwerfen. Er verstand sich auf Elektronik und entwarf daher nicht nur die Transistoren, sondern auch die Schaltkreise, die in einem MOS-IC verbaut wurden. Einer seiner ersten Entwürfe war ein integriertes MOS-Flip-Flop mit einer Ausbeute von über 80 %. Im Februar 1963 präsentierten Wanlass und sein Manager CT Sah auf der ISSCC einen Artikel, der enthüllte, dass Wanlass Schaltkreise konzipiert hatte, die p- und n-Kanal-MOSFETs auf demselben IC kombinierten. Er hatte CMOS als reines Nebenprodukt seiner Arbeit erfunden.

Dabei beschäftigte sich Wanlass mit den inhärenten Stabilitätsproblemen des MOSFET und mit Fairchilds Gleichgültigkeit gegenüber MOSFETs im Allgemeinen. Dem Unternehmen ging es bei der Herstellung bipolarer Halbleiterprodukte viel zu gut, als dass er viel Energie in den langsamen MOSFET gesteckt hätte. Obwohl die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Gordon Moore große Anstrengungen in die Analyse und Modellierung der MOS-Physik investierte, um den Planarprozess zu verbessern, zielten diese Verbesserungen auf die Herstellung von Bipolartransistoren ab. Im Dezember 1963 war Wanlass frustriert und verließ das Unternehmen. Er trat der Firma General Microelectronics (GME) bei, die im Sommer 1963 von Mitgliedern der Micrologic-Gruppe von Fairchild mit dem speziellen Ziel gegründet wurde, MOS-ICs zu entwickeln.

Mit dem Verlust mehrerer wichtiger Mitglieder der Micrologic-Gruppe und von Wanlass ging Fairchild der Wind aus den Segeln und das Unternehmen entwickelte nie eine MOS-IC-Produktlinie. Schließlich wurde Moore selbst klar, dass Fairchild das Potenzial des MOSFET nicht voll ausschöpfen würde. Als er Fairchild 1968 zusammen mit Robert Noyce verließ, um Intel zu gründen, wollte er ein Halbleiterunternehmen gründen, das sich der Herstellung von MOS-ICs – genauer gesagt Speicher-ICs – widmete, aber dieses Ereignis lag fast fünf Jahre in der Zukunft.

Verweise

Auf ins digitale Zeitalter: Forschungslabore, Start-up-Unternehmen und der Aufstieg der MOS-Technologie, Ross Knox Bassett, 2002

Moores Gesetz: Das Leben von Gordon Moore, dem stillen Revolutionär des Silicon Valley, Arnold Thackray, David C. Brock und Rachel Jones, 2015

Michael Riordan, „The Silicon Dioxide Solution“, IEEE Spectrum, Dezember 2007, S. 51-56

Michael Riordan, „From Bell Labs to Silicon Valley: A Saga of Semiconductor Technology Transfer, 1955-61“, The Electrochemical Society Interface, Herbst 2007, S. 36-41

Bruce E. Deal, „A Scientist's Perspective on the Early Days of MOS Technology“, The Electrochemical Society Interface, Herbst 2007, S. 42–45

Ross Knox Bassett, „MOS Technology, 1963-1974: A Dozen Crucial Years“, The Electrochemical Society Interface, Herbst 2007, S. 46-50