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。

1963 年後半までに、ワンラスは、フェアチャイルドが MOS デバイスを商業的に製造するのではなく、研究と分析だけを望んでいることを確信しており、デバイスを研究することよりもデバイスを作ることを好みました。ワンラス氏は、入社からわずか 1 年 4 か月後の 1963 年 12 月にフェアチャイルドを退職しました。彼は、半導体会社を設立することを決意した元フェアチャイルド従業員の小グループによって設立されたゼネラルマイクロエレクトロニクス (GME) に入社しました。 GME は、フェアチャイルドセミコンダクターの初期のスピンオフ企業の 1 つであり、総称してフェアチャイルドとして知られています。 GME の目標と方向性は明らかに Wanlass の行きたいところへ連れて行き、Wanlass は即座に MOS トランジスタと IC の作成と製造を担当しました。

Wanlass は、培った MOS 設計スキルを GME にもたらしました。彼はフェアチャイルドで MOSFET と小型 MOS IC の構築に成功していたので、それらの機能をもたらしましたが、もう 1 つ重要なことももたらしました。フェアチャイルドで働いている間、ワンラス氏は、熱蒸着の代わりに電子ビーム蒸着を使用して半導体ウェーハ上にアルミニウム配線を蒸着すれば、MOS 特性の時間と温度ドリフトを大幅に削減できることを発見しました。フェアチャイルドはその地下室で電子ビーム蒸発器を製造していた。同社は、このタイプの蒸発器を最初に用意した半導体会社の 1 つです。

ワンラスさんはインタビューで、「ある日、日曜日に高速道路101号線を運転していて、衝撃を受けた。ナトリウムに違いない。分光分析してもらうためにアルミ線を送ったのだ。私はそれを知っていた」と語った。大学の仕事、卒業論文の仕事、あのナトリウム… ナトリウムは、温度と電圧のほんの少しの助けで石英を通って拡散するということは事実として知っていました。非常に高い拡散係数を持っていました。それは知っていました。それはわかっていました。大学での実験から。」

熱蒸着プロセスによって何らかの形で半導体ウェーハ上に汚染されたアルミニウムが堆積し、この汚染されたアルミニウムがデバイスのドリフトを引き起こしているのではないかと考え、Wanlass 氏はアルミニウムの代わりに白金をウェーハ上に蒸着しようとしました。プラチナには化学エッチングがないため、尖ったタングステンプローブを使用して手作業でプラチナ層にゲート電極を刻む必要がありました。結果として得られた MOSFET は、それほどドリフトしませんでした。その後、金や他の金属も試しましたが、プラチナの方が優れていました。次に、完全を期すために、Wanlass 氏は電子ビーム蒸着装置を使用して、ウェーハ上にアルミニウムを配置しました。また、ドリフトもほとんどなく、アルミニウムの電子ビーム蒸着はすぐに MOS プロセスレシピの一部になりました。これはすべて、Wanlass がまだ Fairchild に在籍していた間に起こり、彼はこの重要な知識を GME にもたらしました。

最終的には、業界は、ナトリウムイオンの汚染がドリフトを引き起こし、時間の経過とともに p チャネル MOSFET を破壊し、動作する n チャネル MOSFET を構築できなくなることを理解するでしょう。蒸着の原料となるアルミニウムワイヤーを製造するためにワイヤーダイスを通してアルミニウムを引き抜く際、アルミニウムはナトリウムで汚染されていました。ワイヤーダイスはナトリウムで潤滑されました。電子ビーム蒸発では、アルミニウムが蒸発温度に達するまで、溶融アルミニウムのるつぼからウェハを保護するシャッター機構が採用されています。ナトリウムはアルミニウムよりも沸点がはるかに低いため、蒸発チャンバーのシャッターが開いてウェーハがアルミニウム蒸気にさらされる前に、ナトリウムは沸騰して消失します。

ワンラス氏は GME で電子ビーム蒸着器を使用してウェハーを金属化し、1964 年 5 月までに動作するディスクリート MOS トランジスタを製造しました。同社は、Fairchild が同様のことを行う数か月前に、このデバイスを商業的に導入しました。その後、Wanlass はモノリシック MOS IC として 20 ビットのシフトレジスタを構築しました。これは、顧客が要求したからではなく、単にそれが可能だったからです。 20 ビットシフトレジスタは、素晴らしい MOS IC デモ車両を作りました。当時、シフトレジスタはピン数が少なく、最大 12 ピンの TO-5 メタル缶トランジスタパッケージにデバイスを実装できるため、小型デジタルメモリデバイスとして業界で好まれていました。

GME は 1964 年にロサンゼルスで開催された WESCON (Western Electronic Show and Convention) の展示会場にブースを出展しましたが、Wanlass のシフトレジスタ IC を展示するためだけにホテルの部屋も借りていました。 GME の MOS シフトレジスタ IC デモは見込み顧客に感銘を与え、MOS IC における GME のリーダーシップを確固たるものにし、Wanlass を MOS IC 開発における業界の主導的権威としての地位を確立しました。

GME の MOS シフトレジスタ IC デモ、MOSFET ベンダーとしての同社の評判の高まり、GME 創設者の 1 人である退役米国海兵隊大佐アートローウェルのセールスマンシップと人脈により、米国政府から顧客が集まりました。同社の最初の MOS 設計契約は、メリーランド州グリーンベルトの NASA ゴダード宇宙飛行センターが管理するプログラムである惑星間監視プラットフォーム宇宙船用に 6 個または 7 個の MOSFET を備えた IC を設計するという NASA との契約でした。宇宙船には厳しい電力制限があるため、低電力 MOS IC はプロジェクト用にオーダーメイドされたようです。超秘密国家安全保障局 (NSA) も初期の GME 顧客になりました。 NSAは、復号回路を備えた無線通信を兵士のヘルメットに組み込むという野心的な計画を持っていたとワンラス氏は振り返る。

デバイス密度により、GME は MOS IC の初期の運命である計算機への道を歩むことになりました。 GME は Victor Comptometer と契約を締結し、少なくとも 20 個の IC で構成される MOS 計算機チップセットを構築しました。各 IC には MOSFET を含む数百の回路コンポーネントが含まれています。これは Wanlass にとって夢のようなプロジェクトだったはずですが、GME がこの挑戦に耐えられないことは彼にはわかっていました。ワンラス氏は、電卓プロジェクトが始まったばかりの 1964 年 12 月に GME を退職しました。彼の予想通り、GME の電卓プロジェクトは遅れに悩まされました。同社は資金面で問題を抱え始め、1966 年にフィルコフォードに買収されました。それは Philco-Ford のマイクロエレクトロニクス部門となり、General Microelectronics ブランドは存在しなくなりました。 Philco-Ford は 1968 年についに Victor 電卓プロジェクトを放棄し、数年後にフォードが売却を決定したときに会社自体が消滅しました。「GMEが倒産したのは、十分な資金がなく、あまりにも早く、あまりにも早く進めたためだ」とワンラス氏はインタビューで語った。

彼が GME を退職したとき、ワンラス氏と同僚 4 人はまず自分たちの半導体会社を立ち上げようとしたが、取引は失敗に終わった。代わりに、チームは半導体製造、特に IC 製造を自社のポートフォリオに追加したいと考えていた東海岸のエレクトロニクス複合企業である General Instrument (GI) に加わりました。 GIはすでにフィルコやIBMなど他の半導体メーカーからマネージャーを雇用していた。 Wanlass と彼のチームの追加により、新しい半導体部門の方向性、つまり MOS が決まりました。

Wanlass が GI で最初に行ったことは、GME のデバイスよりも 1 ビット大きい 21 ビットのシフトレジスタ IC を設計して製造することで、GI が最大のものを主張できるようにすることでした。間もなく、GI は 50 ビットおよび 90 ビットの MOS シフトレジスタ IC を導入しました。その後、Wanlass 氏が GME 在職中に行ったことが、投資の見返りとして彼に戻ってきました。 1964 年の WESCON で、ワンラス氏がホテルのスイートルームで GME の 20 ビットシフトレジスタをデモしていたとき、ロックウェルオートネティクス社で働いていたボブブーハーというエンジニアに会いました。ロックウェルオートネティクス社は、特に米国の潜水艦や大陸間弾道ミサイルの慣性誘導システムの開発で知られるアビオニクス請負業者です。 Wanlass 氏は、その会議中に MOS IC に対する熱意を Booher 氏に伝染させたようです。

数年後、Booher 氏は GI で Wanlass 氏を見つけ、彼が設計したチップを GI で製造できるかどうか尋ねました。それはデジタルディファレンシャルアナライザー (DDA) で、当時としては非常に野心的なデバイスでした。 Booher の DDA は、デジタル電子コンピューターの出現前に微分方程式を数値的に解くために広く使用されていた機械式アナログコンピューターである Vannevar Bush の微分アナライザーをデジタルで実装したものでした。最終的に、ロックウェル・オートネティクスは独自の半導体製造グループを立ち上げることになりますが、それは将来のことであり、当時ロックウェルはこれほど大きなチップを製造することができませんでした。このチップ設計には数千個のトランジスタが必要で、Wanlass がこれまでに見た中で最も複雑な IC 設計でした。さらに、Booher 氏は、シリコンの不動産を節約しながら高速ダイナミックロジックゲートを生成する新しい 4 フェーズクロッキングスキームを開発しました。ワンラス氏はブーハー氏のためにチップを製造することに同意し、デバイスは機能した。 GI は 1966 年 8 月までにこの装置のデモンストレーションを行っており、ブーハー氏は大喜びしました。

1967 年までに、ワンラスの悪名高い忍耐力の欠如が再び明らかになりました。彼は気に入らない取引をしたことがあるが、今回はその場所が彼を悩ませた。 GI の半導体施設はニューヨーク州ロングアイランドのヒックスビルにありました。ワンラスは西洋人として育ったので、東海岸の気候も労働組合の組織も好きではありませんでした。彼は、GI の半導体事業全体を自分が育ったユタ州に移転することを提案しました。彼を満足させるために、GI はワンラスがユタ州ソルトレイクシティに研究開発研究所を設立することを許可し、そこで博士号を取得しました。 MOS IC に対するナトリウムの影響を考えると、おそらくソルトレークシティという名前の町は MOS 半導体研究所にとって理想的な場所ではなかったかもしれませんが、この契約により、Wanlass は少なくともあと数年間は GI で働き続けることができました。この研究所は 1967 年 8 月に開設されました。この期間中、GI は MOS IC の設計と製造のリーダーとなりました。 Wanlass は 1970 年に GI を去り、その後、IC 業界における同社の地位は急速に悪化しました。

精力的な MOS エバンジェリストとして、Wanlass はいくつかの企業が MOS IC ビジネスに直接的または間接的に参入するのを支援しました。フェアチャイルドの研究者は、そこで働いていた彼の研究から恩恵を受け続けました。ワンラスは 1965 年 3 月に IBM Research の人々と会い、MOS IC 設計に関する知識を彼らと共有しました。 IBM Research はすぐに MOS 研究の中心となりました。 Fairchild は 1966 年に IBM から Lee Boysel を採用しました。彼は IBM で働いていましたが、本質的には GI で Wanlass の見習いをしていたので、Fairchild に入社したとき、Booher の 4 相クロック方式を含む MOS IC テクノロジーのあらゆる側面に精通していました。 1969 年、ボイセルは自身のコンピューターと MOS 半導体会社、フォーフェーズシステムズを設立しました。フェアチャイルドはまた、GME の MOS 製造事業で主任エンジニアとしてワンラスと働いていたボブ・コールを GME から雇用しました。テキサス・インスツルメンツの最初の MOS IC は、Wanlass が設計した GI チップのリバースエンジニアリングされたコピーであったと伝えられています。

ゴードン・ムーアが 1968 年に MOS メモリ IC を製造するためにインテルを共同設立したとき、ワンラスを雇おうとしたが、ワンラスは GI と 7 年契約で結ばれており、その申し出を断った。それにも関わらず、Intel の主任 MOS エンジニアは、Wanlass 氏が GI の MOS の取り組みについて詳しく説明した GI セミナーに出席しました。 Wanlass 氏は、業界における MOS IC の使用を促進することが主な目標であったため、可能な限り熱心に情報を共有しました。ワンラスが秘密を守れなかったわけではない。博士号を取得する前、彼は米国陸軍特殊部隊で核兵器の秘密を扱う数年間を過ごし、秘密を守ることにうんざりしていました。

半導体の歴史ではしばしばワンラス氏が「せっかち」であると特徴付けられていますが、それには十分な理由があります。彼は、MOSFET の開発に利益をもたらすと感じるときはいつでも、雇用主を辞めて、より緑豊かな牧草地を目指しました。彼がそこまでせっかちだったことは、半導体業界にとって実に幸運だった。彼の執着心は、雇用主を変える必要があるかどうか、他の半導体メーカーの研究者に詳細な技術プレゼンテーションをする必要があるかどうかにかかわらず、ユタ大学の博士課程の学生として思い描いた運命を達成するために MOSFET を支援できる最善の機会があればどこへでも彼を駆り立てました。リクエストに応じて十分な無料アドバイスを提供したり、競合する半導体ベンダーから実習生を受け入れたりすることさえあります。

ワンラスの歴史的記録は、1970 年に GI を去った後すぐに途絶えてしまいました。彼はカリフォルニアとシリコンバレーに移住したようです。 GI を退職した後、Wanlass は以下を含むいくつかの新興半導体会社で働き、設立し、または関与しました。

· Varadyne 社は、カリフォルニア州サンタモニカに拠点を置く電子部品メーカーで、1966 年に Philco-Ford が同社を買収した後、GME からスピンアウトした MOS デザイン会社 Integrated Systems Technology を買収しました。

· カリフォルニア州サニーベールの CMOS 時計チップ製造会社 LSI Systems は、1976 年に John Marshall によって買収され、Integrated Technology Corporation に改名され、Wanlass が設計コンサルタントとして留まりました。

· カリフォルニア州クパチーノのコンピュータおよびメモリチップメーカー Four-Phase Systems

· Ultra Logic、Wanlass の CMOS プロセスコンサルティング会社。CMOS ロジックとバイポーラ出力トランジスタを組み合わせた UltraCMOS と呼ばれる初期の BiCMOS プロセスを開発し、特許を取得しました。

· カリフォルニア州サニーベールの Zytrex は、1981 年に Wanlass の Ultra Logic を買収し、彼を CTO に据えました。

· ニューヨーク州ホーポージの Standard Microsystems。2012 年に Microchip によって買収されました。

Robert Plachno は、Wanlass が CTO だったときに Zytrex のエンジニアリング担当副社長でした。 Plachno 氏は、Wanlass 氏が座って鉛筆と紙を使って新しい CMOS プロセスを設計し、ツールの流れと各プロセスステップに必要な時間と温度を紙の整然とした列に書き留めることができたと回想しています。また、ワンラス氏はガレージに設置した卓球台を作業机として使用し、E サイズのマイラーシートに手作業で新しい IC を設計していたことも思い出します。

1991 年に、ワンラスは IEEE ソリッドステート回路賞 (現在はソリッドステート回路部門の IEEE ドナルド O. ペダーソン賞と呼ばれています) の 3 番目の受賞者になりました。 2009 年の MOSFET と集積回路の両方の 50 周年記念に、フランクワンラスは CMOS 回路の発明により全米発明家の殿堂入りを果たしました。彼は 1994 年までに退職しましたが、電子機器やコンピューターをいじり続けました。

最終的に、Wanlass の MOS IC に対するビジョンは現実となりました。彼は 2010 年に亡くなったため、MOSFET と CMOS が今日のほぼすべての IC の基本的な回路要素になるのを見る機会が十分にありました。彼のパーソナライズされたカリフォルニアのナンバープレートには「I LUV CMOS」と書かれており、業界初の MOS エバンジェリストにふさわしいメッセージでした。

参考文献

ロス・ノックス・バセットによるフランク・ワンラスへのインタビュー、1994年10月18日、バセットの個人コレクションより。

Steve Leibson による、Zytrex の元エンジニアリング担当副社長 Robert Plachno へのインタビュー、2023 年 2 月 25 日。

デジタル時代へ: 研究所、新興企業、および MOS テクノロジーの台頭、ロスノックスバセット、2002 年

ムーアの法則: シリコンバレーの静かな革命家ゴードン・ムーアの生涯、アーノルド・サックレー、デイビッド・C・ブロック、レイチェル・ジョーンズ、2015 年

半導体工学の歴史、Bo Lojek、2007 年

Ross Knox Bassett、「MOS Technology, 1963-1974: A Dozen Crucial Years」、The Electrochemical Society Interface、2007 年秋、46-50 ページ

Michael J. Riezenman、「Wanlass の CMOS 回路」、IEEE Spectrum、1991 年 5 月、p 41。