MOS トランジスタの簡単な歴史、パート 3: Frank Wanlass

1960 年代初頭に半導体企業が MOSFET の開発に多くのエネルギーを投資することに消極的だったことは驚くべきことではありません。 初期の MOSFET はバイポーラ トランジスタよりも 100 倍遅く、不安定であると考えられていました。これには正当な理由があります。その電気特性は、時間と温度によって大きく予測不可能にドリフトします。 MOSFET を信頼性の高い電子部品に変えるには、多くの研究開発作業が必要になります。 しかし、Fairchild Semiconductor が Frank Wanlass を雇用したとき、MOSFET はそのチャンピオンを見つけました。 Wanlass はどの企業にも関与するのではなく、MOSFET に専念していました。 彼は MOSFET の開発を促進するためにどこにでも行き、できる限りのことを行いました。 彼は MOS (金属酸化物半導体) 技術のジョニー・アップルシードとなり、いつでもどこでも自由に MOSFET の種を蒔きました。

フェアチャイルドは、ワンラスがユタ大学で物理学の博士号を取得した後、1962 年 8 月に彼を雇用しました。 彼が MOS テクノロジーに興味を持ったのは、固体物理学の博士号取得に向けて勉強しているときに、薄膜硫化カドミウム (CdS) FET に関する RCA の研究について読んだときでした。 彼は最初に FET デバイス構造の単純さに興味をそそられ、その後夢中になりました。 彼は、FET の構造が単純であるため、多くの FET が半導体ダイに適合することを意味していることに気づき、これらのデバイスを使用して複雑な集積回路 (IC) を構築することを思いつきました。 しかし、RCA の薄膜 CdS FET はあまりにも不安定でした。 棚に数時間放置した場合でも、電気的特性は劇的に変動しました。 Wanlass は、CdS の代わりにシリコンを使用して FET を作成すると、パラメトリック ドリフトの問題が解決されると考えました。 結局のところ、彼は間違っていました。 半導体 FET は、MOS 製造プロセスが十分に洗浄されて FET パラメトリック ドリフトの原因となる汚染物質が除去されるまで、数年間ドリフトに悩まされました。

ワンラス氏がフェアチャイルド社のゴードン・ムーア氏の研究開発グループに加わったとき、同社には博士課程の新入社員に彼らが取り組みたいプロジェクトに従事させるという方針があった。 ムーア氏の部門は特にデバイスの製造に興味を持っていなかったにもかかわらず、ワンラス氏は MOSFET に焦点を当てることに決めた。 しかし、ムーア氏の部門は MOS プロセスに強い関心を持っていました。それが、フェアチャイルド社がバイポーラ トランジスタや IC を製造するために使用したジーン ヘルニのプレーナ製造プロセスの基本構造と性質だったからです。 プレーナプロセスに対する理解が深まり、プロセス技術が改善されれば、バイポーラトランジスタと集積回路を製造するフェアチャイルドの能力がさらに高まるだろう。

ワンラス氏は、MOS プロセスの特性の研究や分析には興味がありませんでした。 彼は、ディスクリート MOSFET を製造し、MOSFET を使用して IC を構築し、それらのデバイスを使用してシステム レベルの回路を設計してコンポーネントの需要を開拓したいと考えていました。 翌年、彼はまさにそれを実行しました。 Wanlass は、プレーナ プロセスを使用して、シリコン内に個別の p チャネルおよび n チャネル MOSFET を 6 か月以内に設計および製造しました。 すべての p チャネル デバイスは深刻なパラメトリック ドリフトを示しましたが、n チャネル デバイスはどれもまったく動作しませんでした。 彼は、p チャネル デバイスをカーブ トレーサに置き、シガー ライターで加熱することによって、そのパラメトリック ドリフトをテストしました。 その後、MOSFET を使用してフリップフロップ IC を設計および製造し、80% を超える驚異的なウェハ歩留まりを達成しました。 彼は、MOSFET の非常に高い入力インピーダンスを利用した電流計など、MOSFET 用のアプリケーション回路を開発しました。

その過程で、Wanlass と彼のマネージャー CT Sah は、1 つのシリコン ダイ上に p チャネル MOSFET と n チャネル MOSFET を組み合わせた CMOS 回路のアイデアの特許を取得しました。 CMOS は、現在製造されているほぼすべての IC の基本的なトランジスタ技術です。 (注: Sah は CMOS の唯一の発明者として記載されることがよくありますが、特許に彼の名前が記載されているのは、彼が Wanlass のマネージャーであり、特許出願には発明者とともにマネージャーも記載するのが慣例でした。)

1963 年初頭、ゴードン ムーアは、MOS プロセス テクノロジをより徹底的に分析するために、より多くの人員を雇用し始めました。 しかし、彼は MOSFET の研究には興味がありませんでした。 彼は単に、フェアチャイルド社がより優れたバイポーラ トランジスタと IC を製造できるように、金属酸化物半導体プレーナ プロセスをより深く理解したいと考えていました。 分析チームはブルース・ディール、アンドリュー・グローブ、エド・スノーとなった。 彼らは正式なチームに所属していませんでしたが、オフィスでのカジュアルな交流を通じてすぐにお互いのことや、補完的な任務を発見しました。 ディールは酸化と表面状態に取り組みました。 Snow は MOS の過渡不安定性を分析しました。 グローブ氏は分析をモデル化するプログラムを作成しました。