電子デバイス／半導体集積回路

４．半導体集積回路の発明（その２．ノイス特許）

　前項でも触れましたが、テキサス・インスツルメンツ社のキルビー氏と相前後してフェアチャイルド社（当時はまだフェアチャイルド・カメラ・エンド・インスツルメント社）のノイス（Robert Noyce）氏によるバイポーラトランジスタの集積回路に関する特許が出願されています(1)。日本特許はアメリカ特許の一部という感じで内容がかなり絞られています。

　この特許の特徴はプレーナ型のトランジスタを用いた点です。図４－１（平面図）と図４－２（断面図）がその構造の一例です（見やすくするため特許図面を簡略化しました）。これは図４－３の回路を集積化したものですが、図４－１には左側のダイオードＤ１、コンデンサＣ１とｎｐｎトランジスタＴｒが配列されています。配線図上の部品の記号と集積回路上の対応する要素に同じ記号を付けましたので、比べて見ることができるでしょう。

　キルビー特許では抵抗器は半導体で作ると書かれていましたが、ノイス特許では配線用金属を細くして抵抗器にするとしています。抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は緑色の線で図４－１には示されています。

　右側のｎｐｎトランジスタはｐ型基板に、ｎ、ｐ、ｎの順で不純物を３回拡散して作られています。バイポーラトランジスタのところで説明したプレーナトランジスタは、ｎ型基板にｐ、ｎの順番で２回、不純物を拡散して作製されています。ここでのトランジスタがなぜわざわざ１回多く不純物拡散をしているのかには理由があります。

　もし２回の拡散でトランジスタを同じ基板上に複数作ると、基板がコレクタ層ですから複数のトランジスタを作ってもすべてはじめからコレクタが繋がったものになってしまいます。これでは設計した回路をうまく作り込むことはできません。集積回路では各トランジスタなど各素子を分離して作る必要があります。

　集積回路ではこの素子間をどのようにして分離するかが重要になります。この特許では基板をｐ型にし、そのなかにｎｐｎトランジスタを作っています。基板をマイナスの電位になるようにすればｐ型基板とコレクタのｎ型層の間は逆バイアスになり電流が流れ込みません。後にｐｎ接合を利用して素子間を分離する方法が確立しましたが、この特許にはその方法がすでに示されています。

　左側の素子はダイオードＤ１ですが、図４－２を見ると、トランジスタと同じ層構造になっていて基板側のｎ層は使われず無駄になっています。しかしトランジスタと同じ構造なら同時に作ることができ、工程が簡単になります。集積回路を作る場合はできた層が多少無駄になっても、工程が簡単になる方を優先する場合が結構あります。

　真ん中の部分はコンデンサＣ１です。これはｎ層１層をｐ型基板に拡散して作っています。トランジスタの分離がｐ型基板とコレクタのｎ層の間で行われているので、同じようにこの部分もｐｎ接合が逆バイアスされ、その結果、前項でも触れたようにコンデンサができます。ここもトランジスタと同じ構造にして一部だけを使ってもよいのですが、さすがに場所を取りすぎるからでしょうか、コンデンサ部分は１回の拡散のみにしています。

　さてこのプレーナ型の特徴はバイポーラトランジスタのところでも説明したように半導体表面に絶縁膜（図４－２にピンク色で示す）を作り、その上に金属の配線（青色で示す）を作る点にあります。各素子との接続は絶縁膜の必要な位置に穴を開けて行います。

　図４－１にＲ３及びＧＮＤと示されている部分は図４－２の断面からは離れた位置にあるため図４－２には描かれていませんが、トランジスタのエミッタから抵抗器Ｒ３を経て接地される点です。具体的にはｐ型基板が接地電極になっていて、コンデンサＣ１の一端と繋がります。ここではｐｎ接合のない部分に絶縁膜に穴を開け、基板と直接繋がるようにしています。

　ところで前項の図３－２を見ると、各素子の間を細いワイヤ（電線）で繋いだ様子が示されています。髪の毛ほどの細い金線で半導体チップ上の電極とプリント基板やパッケージの端子と接続することはワイヤボンディングと言われ、よく用いられている技術です（発光ダイオードの37項参照）。しかし半導体チップ上でこれを用いていると、チップを小さくできません。ワイヤの接続点だけでトランジスタよりずっと大きな面積が必要になるからです。

　ノイス特許ではこれを問題点とし、チップ上に金属膜を着けてパターンを作り、これを使って配線することを提案しています。ところがＴＩ社は、キルビー特許にもチップ上で配線してもよいと文章では書かれているからノイス特許は無効であると訴えました。

　この争いはアメリカの最高裁にまで行って争われ、決着までに10年もかかりました。結論を先に書きますと、ノイス特許は有効と認められました。その理由はキルビー特許では配線は基板上に置いてもよいと書かれていたのに対し、ノイス特許では基板上に配線を付着させるとはっきり書かれており、これは同じではないと判断できるということでした。使われていた英語でいうと「置く」は"laid down”、「付着する」は"adhere to"で僅かこの２語の意味の違いが判決を分けました。

　裁判についてはこのように象徴的に言われていますが、現時点で技術的な視点でみるとどうでしょうか。やはりノイス特許のプレーナ型の方式は、配線方法だけでなく素子分離の方法についても、基本的には現在でも変わっていない半導体集積回路の基本技術を完成された形で示しているのではないでしょうか。キルビー特許は技術的完成度では今一歩ですが、世界でもっとも早く半導体集積回路の概念を提案したのは事実です。つまり両方の特許を認めた裁判結果はこの意味でも正しかったと言えるかと思います。

(1)米国特許2981877号（1959年７月出願）、（特公昭41-9936号）