1959年、Bell LabsのMohamed M. AtallaとDawon Kahngは、電界効果トランジスタを長く阻んでいたシリコン表面問題を克服し、金属–二酸化ケイ素–シリコンの絶縁ゲート構造で初の実用MOSFETを作った。
それ以前：表面状態という壁
FETの発想はLilienfeldやHeilの1920年代の提案まで遡り、Shockleyも関連構造を検討した。しかし実際のシリコン表面には欠陥やcharge trapがあり、surface stateがゲート電界をscreenして表面電位を不安定にした。
Atallaの研究は、熱酸化で成長させたSiO2がシリコン表面をpassivateし安定化できることを示した。Kahngはこの制御されたSi/SiO2界面を用いて1959年に動作するデバイスを作った。US 3,102,230は1960年5月31日に出願され、1963年に成立した。
構造と動作
MOSFETはsilicon substrate、source、drain、薄いSiO2、gateからなる。酸化膜はDC電流を遮断しつつ電界を結合する。面積当たり容量は概ね Cox = epsilon_ox/t_ox。VGSがthreshold VTを超えるとinversion channelが形成され、単純なlong-channelモデルでは Qinv ≈ -Cox(VGS-VT)、理想飽和領域で ID ≈ 1/2 mu Cox(W/L)(VGS-VT)^2 と表せる。
科学的deltaは界面物理とデバイス工学を結びつけたことにある。SiO2は保護膜から、シリコンの電子状態を制御するactive gate dielectricへ変わった。
なぜすぐ主流にならなかったか
初期MOSは遅く、Bell Labsの電話用途に緊急の価値がなかった。さらに酸化膜chargeやNaなどのmobile ionがthresholdを動かし、特性を不安定にした。RCA、FairchildなどでHofstein、Heiman、Sah、Deal、Grove、Snowら多くの研究者がprocess reliabilityを改善した。
集積回路への道
- 1959：初の動作MOSFET。
- 1960：公開demonstrationとKahngのpatent filing。
- 1963：Frank Wanlassがcomplementary MOS、CMOSを提案。
- 1964：General Microelectronicsが120個のp-channel transistorを使う20-bit shift registerを初の商用MOS ICとして投入。
- 1960年代後半：oxideとcontamination controlの改善で大規模集積が現実化。
なぜscaleできたか
絶縁gateは高いinput impedanceを持つ。CMOSでは安定論理状態で理想的には片側のtransistorがoffとなり、static currentを大きく抑えられる。動的switching energyはおおよそ E ≈ C V^2 で、capacitanceとvoltageの低減が高密度化に直結する。
1959年が未解決だったもの
長期oxide reliability、量産VT制御、微細lithography、short-channel effect、interconnect、high-k、FinFET、gate-all-aroundは後世の成果である。歴史的deltaはより根本的で、シリコン上の絶縁gateが実際に動くtransistorになったことだった。
遺産
MOSFETとCMOSはデジタル集積回路の中心となった。現代のmaterialや3D geometryは変化しても、絶縁gateがsemiconductor channelをelectrostaticに制御するという原理は続いている。
証拠状態：確立した歴史的milestone、一次patentと機関史が1959年のworking deviceおよび1960年のdemonstration/filingを整合して支持。
Sources: https://patents.google.com/patent/US3102230A/en ; https://www.computerhistory.org/siliconengine/metal-oxide-semiconductor-mos-transistor-demonstrated/ ; https://www.computerhistory.org/siliconengine/first-commercial-mos-ic-introduced/