Краткая история МОП-транзистора, часть 3: Фрэнк Ванласс

Неудивительно, что полупроводниковые компании неохотно инвестировали много энергии в разработку МОП-транзисторов в начале 1960-х годов. Ранние МОП-транзисторы были в 100 раз медленнее биполярных транзисторов и не зря считались нестабильными: их электрические характеристики сильно и непредсказуемо менялись со временем и температурой. Чтобы превратить МОП-транзисторы в надежные электронные компоненты, потребуется много исследований и разработок. Однако когда компания Fairchild Semiconductor наняла Фрэнка Ванласа, MOSFET нашел своего чемпиона. Ванласс был приверженцем MOSFET, а не какой-либо компании. Он ходил куда угодно и делал все, что мог, чтобы способствовать развитию МОП-транзисторов. Он стал Джонни Яблочным семенем МОП-технологии (металл-оксид-полупроводник), свободно сажая семена МОП-транзисторов, когда и где угодно.

Фэйрчайлд нанял Ванласа в августе 1962 года, после того как он получил докторскую степень по физике в Университете Юты. Он заинтересовался технологией МОП, когда прочитал о работе RCA с тонкопленочными полевыми транзисторами на основе сульфида кадмия (CdS) во время подготовки к докторской диссертации по физике твердого тела. Простота конструкции устройства на полевых транзисторах сначала заинтриговала, а затем завладела им. Он понял, что простая структура полевых транзисторов означает, что многие полевые транзисторы могут поместиться на полупроводниковом кристалле, и задумал создавать сложные интегральные схемы (ИС) с использованием этих устройств. Но тонкопленочные CdS FET от RCA были слишком нестабильны. Даже если их оставить на полке на несколько часов, их электрические характеристики резко изменятся. Ванласс считал, что создание полевых транзисторов с кремнием вместо CdS решит проблему параметрического дрейфа. Как оказалось, он ошибался. Полупроводниковые полевые транзисторы страдали от дрейфа в течение нескольких лет, пока процесс производства МОП не был достаточно очищен для устранения загрязнений, вызывающих параметрический дрейф полевых транзисторов.

Когда Ванласс присоединился к группе исследований и разработок Гордона Мура в Fairchild, компания проводила политику, позволяющую новым кандидатам наук работать над любым проектом, который они хотели реализовать. Ванласс решил сосредоточиться на МОП-транзисторах, хотя отдел Мура не был особенно заинтересован в производстве этих устройств. Однако отдел Мура был жизненно заинтересован в МОП-обработке, поскольку это была базовая структура и характер планарного производственного процесса Джина Эрни, который Fairchild использовал для производства биполярных транзисторов и интегральных схем. Любое углубление понимания планарного процесса и любые улучшения технологии процесса будут способствовать расширению возможностей Fairchild в производстве биполярных транзисторов и интегральных схем.

Ванласс не был заинтересован в изучении или анализе характеристик процесса MOS. Он хотел изготавливать дискретные МОП-транзисторы, создавать микросхемы с МОП-транзисторами и разрабатывать схемы системного уровня с использованием этих устройств, чтобы стимулировать спрос на эти компоненты. В следующем году он сделал именно это. Менее чем за шесть месяцев Ванласс спроектировал и изготовил отдельные p- и n-канальные МОП-транзисторы из кремния, используя планарный процесс. Все устройства с p-каналом демонстрировали серьезный параметрический дрейф, в то время как ни одно из устройств с n-каналом вообще не работало. Он проверил параметрический дрейф устройств с p-каналом, поместив их в кривую трассировщика и нагрев зажигалкой. Затем он спроектировал и изготовил триггерную микросхему с использованием МОП-транзисторов и добился невероятного выхода пластин — более 80%. Он разработал прикладные схемы для МОП-транзисторов, включая измеритель тока, в котором использовался чрезвычайно высокий входной импеданс МОП-транзистора.

Попутно Ванласс и его менеджер CT Sah запатентовали идею КМОП-схем, которые объединяют p- и n-канальные МОП-транзисторы на одном кремниевом кристалле. КМОП является базовой транзисторной технологией почти для каждой производимой в настоящее время микросхемы. (Примечание: Сах часто упоминается как единственный изобретатель КМОП, но его имя указано в патенте, поскольку он был менеджером Ванласа, и было принято указывать менеджера вместе с изобретателем в заявке на патент.)

В начале 1963 года Гордон Мур начал нанимать больше людей для более тщательного анализа технологии МОП-процесса. Однако его не интересовало изучение МОП-транзисторов. Он просто хотел лучше понять планарный процесс металл-оксид-полупроводник, чтобы Fairchild могла создавать более качественные биполярные транзисторы и интегральные схемы. В состав аналитической группы вошли Брюс Дил, Эндрю Гроув и Эд Сноу. Их не включили в формальную команду, но вскоре они узнали друг друга и взаимодополняющие друг друга задания благодаря случайному общению в офисе. Дил работал над окислением и поверхностными состояниями. Сноу проанализировал переходные нестабильности МОП. Гроув написал программы для моделирования анализа.