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芯片的根本,MOSFET的前世今生

芯片的根本,MOSFET的前世今生

科技


编者按



在过去的多年里,芯片的繁荣吸引了大家对半导体行业的关注。其中,晶体管和MOSFET作为芯片的基本构成,我们也从很多文章中看了很多报道。在本文中,我们详细探索一下MOSFET的起源和前世今生。


FET的早期探索


第一波半导体公司开始于1952年4月,当时贝尔实验室为其晶体管专利许可举行了第二次晶体管研讨会,约有40家公司的代表参加。研讨会后,这些公司中的大多数在短短几个月或几年内就开始制造双极点接触晶体管,许多公司成为成功的商业半导体供应商。当中包括英飞凌(原西门子)、恩智浦(原飞利浦)和德州仪器-,他们至今仍在制造半导体。相比之下,金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管(FET)的开发花了几十年时间,从20世纪20年代的构想到50年代末的最初工作装置,再到60年代的商业产品。经过多年的科学研究、工程设计、分析和相当程度的宣传,才将这个几乎无人问津的器件转变为今天半导体和电子工业的骨干。


Julius Edgar Lilienfeld 是第一个为FET的想法申请专利的人。Lilienfeld于1882年出生在利沃夫市,现在位于乌克兰的西部地区。那时,它是奥匈帝国的一部分。1905年2月18日,他在柏林的弗里德里希-威廉姆斯大学(现称洪堡大学)获得博士学位,然后在那里的物理研究所成为一名无任期的教授。他的研究重点是电场和通过场诱导的电子发射,他的早期工作集中在当时的神奇装置:X射线管。他还对电子在高电场中的行为做了一些早期工作,这些工作最终被物理学家Ralph H. Fowler和Lothar Wolfgang Nordheim彻底分析。


Lilienfeld于1921年首次前往美国,为他的X射线专利辩护,反对其在1919年被外国人财产保管人扣押。他于1926年永久移居美国,以逃避欧洲日益严重的反犹太主义。1926年10月,他根据自己在半导体领域的实验,提交了三项专利申请中的第一项。这些专利基本上描述了FET操作的概念基础,并在1928年至1933年期间颁发。Lilienfeld 在马萨诸塞州马尔顿山庄的无线电零件制造商Amrad(美国无线电与研究公司)担任研发职位。在那里,他研究了阳极氧化铝薄膜的电化学和行为,他对这些薄膜的详细分析构成了几十年来制造电解电容器的基础。尽管Lilienfeld的三项专利描述了场效应晶体管的概念操作,但当时的半导体加工技术水平所生产的材料的纯度远远达不到制造这种设备所需的程度。


Oskar Heil是第二个独立构思FET的人。他于1908年出生于德国朗威顿,并在哥廷根的乔治-奥古斯特大学获得博士学位。在这所大学期间,他遇到了正在攻读博士学位的俄罗斯物理学家Agnesa Arsenjewa。两人于1934年在苏联结婚,并搬到剑桥的英国卡文迪许实验室。他们一起共同写了一篇关于产生微波的开创性论文。他们继续在列宁格勒的物理化学研究所从事这项工作。Heil随后返回英国,没有带上Arsenjewa。1934年在剑桥大学工作时,Heil申请了一项关于通过电极上的电容耦合控制半导体中的电流的专利,这是定义FET的基本要素。该专利名为 "Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices",于1935年底被授予。然而,当时可用的半导体纯度很低,而且完全没有必要的制造工艺技术,这将再次阻碍这种装置的实际实现,而且没有迹象表Heil曾试图制造场效应晶体管。


当德国的入侵引发了第二次世界大战时,Heil回到了德国,开始为位于柏林-坦佩尔霍夫的C.洛伦茨公司开发微波发生器。有一个神话一直存在,即Heil不仅成功地制造了场效应晶体管,而且在二战期间用场效应晶体管制造了一台秘密收音机,但没有证据表明海尔曾试图制造场效应晶体管。要使这一神话成为现实,Heil就必须弄清楚如何制造工作中的场效应晶体管,然后需要在管式收音机的时代为基于场效应晶体管的收音机设计电路。如果你想在20世纪40年代建造一个秘密的AM收音机,使用一个可变电感、一个电容器、一坨方铅矿和一根钢制猫须来制造音频探测器,要简单得多,而且同样有效。此外,Heil在德国的一个微波实验室工作。他可以随心所欲地接触到许多真空管。他极不可能想制造场效应管,以便他能够制造一台无线电。


尽管Lilienfeld和Heil都构思了FET,但说他们发明了FET并不比说Leonardo DaVinci发明了动力飞行更准确。根据史密森学会国家航空航天博物馆的资料,DaVinci创作了超过35,000个关于飞行器的文字和500幅草图。然而,我们认为莱特兄弟发明了第一架动力飞机,因为他们制造并驾驶了第一架此类飞机。


晶体管的面世


William Shockley1910年出生于英国伦敦,父母是美国人,在麻省理工学院上学,1936年获得博士学位,专攻固体物理学。同年,贝尔实验室聘请他进行研究,探讨利用晶体半导体制造固态放大器的可能性。1939年,肖克利写道:"今天我想到,使用半导体而不是真空的放大器原则上是可能的。"肖克利似乎没有意识到早先授予Lilienfeld和Heil的专利。


Shockley和Walter Brattain 在第二次世界大战开始前开发一个FET,但没有成功。战争使这项工作暂时停止,但在战争结束后,Shockley把John Bardeen加入了这个团队。通过一系列的物理实验,Brattain和Bardeen 终于在1947年12月16日创造了一个工作的点接触晶体管,通过音频频段的增益约为100。然而,碰巧的是,这第一个晶体管并不是一个场效应管。它是一个双极晶体管,并不基于电场而运作。


贝尔实验室于1948年6月30日宣布了晶体管的发明。6个月的延迟使贝尔实验室的专利律师有时间把专利申请做好。在Brattain和Bardeen取得突破之前,Shockley已经脱离了日常工作,更多的是充当顾问和经理的角色,但现在这一壮举已经完成,他准备再次成为团队的一员,并坚持在拍摄任何公关照片时,他都要站在前面和中间。他还决定致力于自己的专利申请,坚持认为已经创造的晶体管是一个FET。贝尔实验室的专利律师拒绝为肖克利的专利申请工作,因为它与 Lilienfeld在20世纪20年代末和30年代初的专利过于相似,而且他们出于同样的原因将他的名字从贝尔实验室的原始晶体管专利中删除。


在1948年6月的晶体管演示之后,肖克利疯狂地对其运行机制进行了一个月的理论分析。他确定,点接触装置的晶体管作用来自P-N半导体结。基于这一见解,肖克利迅速构思了夹层晶体管(sandwich transistor),这是一种被称为结点晶体管的新品种装置的第一种。如果你看到一个双极晶体管的简化图,它通常描绘的是一个夹层晶体管,基极作为夹层填充物,位于晶体管的发射器和集电极之间。


当贝尔实验室在1951年宣布推出结型晶体管(junction transistor)时,它迅速成为业界的主导晶体管,因为它在各方面都优于最初的点接触装置。然而,它仍然是一个双极晶体管,而不是一个MOSFET。1950年,肖克利将他的分析倾注在第一本关于半导体晶体管的重要书籍中,书名为《Electrons and Holes in Semiconductors: With Applications to Transistor Electronics》。这本书多年来一直是半导体行业的圣经。Shockley, Bardeen和Brattain 因其半导体研究和发现晶体管效应而分享了1956年诺贝尔物理学奖。


由于在贝尔实验室得不到晋升而感到沮丧,肖克利搬到了他的家乡加利福尼亚州的帕洛阿尔托,并于1955年成立了自己的公司--肖克利晶体管实验室。他在那里并没有从事MOSFET的开发工作。他已经转向双极,并对贝尔实验室的一个项目--4层二极管产生了浓厚的兴趣。肖克利晶体管实验室获得了贝尔实验室晶体管专利的授权,肖克利本人继续与贝尔实验室的研究人员保持密切联系,将许多半导体工艺创新带到了旧金山湾区,它们将迅速推动硅谷的建立。


贝尔实验室的Mohamed Atalla和Dawon Kahng成为第一个建造工作MOSFET的人。Atalla出生在埃及的塞得港。他在埃及开罗大学学习,并在美国普渡大学获得硕士和博士学位。Atalla于1949年加入贝尔实验室。Dawon Kahng于1931年出生于韩国首尔,那时候韩国还没有被称为南韩。他在韩国首尔国立大学学习物理学,1955年移民美国,1959年在俄亥俄州立大学获得博士学位。同年他加入贝尔实验室。


Atalla和Kahng对第一个工作的MOSFET的开发是基于Carl Frosch和Lincoln (Link) Derick在贝尔实验室进行的早期研究,他们在1955年意外地发现了一种在硅上面生长一层二氧化硅的方法。到1957年,Frosch和Derick完善了这一想法,并增加了使用二氧化硅层作为硅掺杂的扩散掩膜的概念,他们在1957年9月出版的《电化学学会杂志》上发表了一篇题为 "Surface Protection and Selective Masking During Diffusion in Silicon "的文章,讨论了这一问题。


重要的是,贝尔实验室的做法是在扩散后去除二氧化硅层,因为它被认为是 "脏的",就像 "带着污染物"。在Frosch和Derick的文章发表两个月后,Fairchild半导体公司的Jean Hoerni意识到二氧化硅层的重要性,有几个原因,它应该被留在原处。纯净的二氧化硅层成为Hoerni的平面制造工艺的一个组成部分,并将成为集成电路制造的一个关键因素。


Atalla将这一发现进一步完善为更正式的二氧化硅钝化(silicon dioxide passivation)技术,该技术与新开发的光刻和蚀刻技术相结合,允许在特定位置更精确地掺入硅。利用这项技术,Atalla和Kahng在1960年初成功地制造了一个工作的MOSFET,这是在Lilienfeld首次构思该装置的三十年后。尽管该装置在某种程度上可以工作,但这第一个MOSFET有几个问题。值得注意的是,它比当代双极晶体管慢100倍,主要是因为它的通道长度相对较大,为20微米。


由于这种最初的MOSFET的速度非常慢,贝尔实验室对它没有兴趣,Atalla和Kahng 在开发中几乎没有得到什么荣誉。尽管缺乏荣誉和兴趣,Atalla和Kahng还是继续研究半导体,并开发了p通道和n通道MOSFET,第一个工作的肖特基二极管,以及第一个纳米层门双极晶体管,它在半导体基极和发射极之间夹了一个薄金属门--只有几纳米厚。薄底座结构使这种晶体管能够在比当时的双极晶体管高得多的频率下工作。


由于厌倦了自己的工作一直得不到认可,Atalla于1962年离开贝尔实验室,加入惠普公司。他帮助公司建立了自己的半导体实验室--HP Associates,并成为半导体研究部主任。然后,他在1966年帮助创建了惠普实验室,并成为指导其固态部门的第一人。1969年,Atalla离开惠普,成为飞兆半导体公司微波和光电子部门的副总裁兼总经理,此前他在惠普带头进行砷化镓材料研究。


Kahng在贝尔实验室又待了很多年。他在1960年申请了MOSFET的专利,并于1963年获得了专利。与同事Simon Min Sze一起,Kahng在1967年开发了浮栅MOSFET。这项发明是EPROM和EEPROM中使用的核心存储元件。Kahng于1988年从贝尔实验室退休,成为NEC研究所的创始主席,该研究所现在被称为NEC美国实验室,是NEC公司全球企业研究实验室网络的美国中心。


Kahng在贝尔实验室又待了很多年。他在1960年申请了MOSFET的专利,并于1963年获得了专利。与同事Simon Min Sze一起,Kahng在1967年开发了浮动门MOSFET。这项发明是EPROM和EEPROM中使用的核心存储元件。Kahng于1988年从贝尔实验室退休,成为NEC研究所的创始主席,该研究所现在被称为NEC美国实验室,是NEC公司全球企业研究实验室网络的美国中心。


Atalla和Kahng因其发明的MOSFET而获得了1975年富兰克林研究所奖的Stuart Ballantine奖。经过几十年只存在于理论上的研究,他们证明了制造一个MOSFET是可能的。然而,最初的设备是有问题的。它们很慢,其特性随温度和时间的变化而变化,而且不可靠。没有任何应用需要一个缓慢、不可靠的晶体管。对更好的MOSFET和合适的应用的探索被几家公司的MOSFET传道者所接受。一路走来,MOSFET变得更快、更可靠。当几年后尘埃落定时,许多人都为MOSFET的最终成功做出了贡献,但这并不是一个轻松的旅程。有许多技术问题需要克服,有公司政治需要规避,有商业障碍需要打败。


仙童半导体的起落


没有哪家公司比仙童半导体更有条件、更有资格利用第一个MOSFET的发展。公司成立于1957年,从事硅晶体管的研究,Jean Hoerni开发了平面工艺,Robert Noyce在Atalla和Kahng在贝尔实验室得到第一个MOSFET的工作之前几个月,就提出了基于Hoerni平面工艺的第一个实用集成电路(IC)的想法。就像打开银行金库的保险箱所需的两把钥匙一样,平面半导体工艺技术和平面集成电路是开启MOSFET全部潜力所需的两把钥匙。


仙童半导体拥有这些关键,尽管仙童半导体的研究人员对MOS的开发和改进作出了重大贡献,但该公司未能创造出成功的MOS集成电路产品系列。结果,随着摩尔定律推动集成电路器件密度超出双极晶体管技术的范围,进入诱人的MOSFET领域,该公司目睹了其早期在集成电路领域的领先地位--双极集成电路的消失。


威廉-肖克利于1953年离开贝尔实验室,因为他觉得在晋升和认可方面被忽视了。他搬回加利福尼亚,在加州理工学院任职,与加州理工学院教授和高科技企业家Arnold Beckman达成协议,并于1955年成立了肖克利晶体管实验室。起初,肖克利认为他可以突袭贝尔实验室的人员,但他的前雇主没有人愿意与他合作。他被迫到其他地方去寻找,他设法组建了一个由年轻的、刚毕业的科学家和工程师组成的超级团队,把他们引到加利福尼亚的超级天气中。他还承诺,他们将开发当今的圣杯,即硅晶体管。


第二年,肖克利与约翰-巴丁(John Bardeen)和沃尔特-布拉坦(Walter Brattain)因发明点接触晶体管而分享了诺贝尔物理学奖。大约在那个时候,肖克利对4层二极管产生了浓厚的兴趣,这种半导体开关本来对贝尔系统有巨大的兴趣。然而,这并不是他向他的研究人员承诺的设备,他们并不高兴。肖克利的专制管理风格和自负使他的团队分裂,导致1957年5月29日的摊牌。研究小组的要求是解决 "肖克利问题"。它没有得到解决,肖克利研究小组的八名成员--后来被称为 "叛徒八人组"--于1957年9月离开。这个核心小组与Sherman Fairchild 公司达成协议,于1957年10月1日成立了仙童半导体。仙童半导体公司将迅速成为世界上最重要的半导体公司,也是最有可能将MOS晶体管提升到其全部潜力的公司。


实现仙童公司命运的第一个重要步骤是发明了平面半导体工艺。1957年12月1日,就在仙童公司成立的两个月后,Hoerni 突然获得了灵感。他知道贝尔实验室正在进行的关于二氧化硅钝化、光刻和蚀刻的工作,因为肖克利在那年早些时候,在 "叛逆八人帮 "离开之前,曾与他的研究团队讨论过这个问题。Hoerni 在他的实验室笔记本上只用了两页纸来描述平面工艺。他的创新是在扩散后将热生长的二氧化硅留在半导体晶圆上,以保护下面的电路。贝尔实验室认为这种氧化物太脏,不能留在原处,但胡尔尼意识到,一个足够干净的绝缘层可以防止灰尘、污垢和水的污染。在几乎没有改动的情况下,Hoerni 于1959年1月14日申请了平面工艺的专利。


实现半导体突破的第二个重要步骤发生在1959年1月23日,这是让MOSFETs实现其命运的必要条件。那一天,仙童半导体公司的创始人罗伯特-诺伊斯在他的实验室笔记本上写下了关于单片集成电路的想法。他一直在思考如何利用Hoerni的平面工艺来制造更多的分立晶体管。他意识到,二氧化硅层是一个完美的绝缘体,允许在上面沉积金属互连,以完成集成电路上多个器件之间的连接。凭借这一闪光的洞察力,诺伊斯永远改变了电子行业,并将焊接和布线转变为高科技的印刷工艺。


这两个想法,即Hoerni的平面工艺和Noyce的集成电路概念,点燃了仙童的导火线。首先,仙童公司利用平面工艺制造出比任何竞争对手更好、更稳定的晶体管。仙童半导体的晶体管很快成为黄金标准。在两年内,仙童半导体宣布了世界上第一个集成电路产品系列,被称为Micrologic。这是一个双极逻辑集成电路系列。在Micrologic系列推出后的6个月里,仙童半导体横扫整个领域。仙童半导体的竞争对手没有任何东西能像仙童半导体的IC一样提供给他们的客户。即使是正式成为该集成电路共同发明人的德州仪器,也不得不为了竞争而许可仙童的集成电路专利。


在Mohamed Atalla和Dawon Kahng于1960年使他们的第一个器件工作后不久,戈登-摩尔就了解到贝尔实验室成功开发了第一个MOS晶体管。1959年,在罗伯特-诺伊斯成为公司总经理之后,摩尔接任了仙童半导体的研发部门主任,当时受聘担任该职务的Edward Baldwin与其他五名仙童半导体员工突然离职,创办了 Rheem Semiconductor。


在Baldwin离开后的一周,仙童公司测试了用Hoern的平面工艺制造的第一个双极晶体管。该晶体管运行良好。有一种说法是,Hoern在测试中向晶体管吐口水,以证明平面工艺使晶体管不受污染。也许实际进行的测试没有那么夸张,没有使用Hoern的唾液样本,但平面工艺确实达到了预期的效果。仙童公司的联合创始人Jay Last回忆说:"哎呀,Baldwin上周不得不离开,这太糟糕了。"仙童公司一直在生产mesa晶体管,并在几个月内将生产转移到远比它优越和更稳定的平面晶体管设计。


有了新的平面双极晶体管和Micrologic集成电路,仙童公司的工作就变得非常充实,它要使平面工艺可靠和稳定,学习实施制造集成电路所需的精密光刻技术,并开发新型双极晶体管和Micrologic芯片。没有仙童的客户要求或甚至询问MOS晶体管,所以没有人在开发。戈登-摩尔的研究和开发部门的重点是长期项目,其中不包括MOS晶体管。


1962年,仙童半导体公司雇用了一位来自犹他大学的新晋物理学博士Frank Wanlass,改变了对MOS的漠不关心。当他加入公司时,Wanlass已经迷上了MOS晶体管,他知道仙童的平面工艺是制造MOS晶体管的方法。


Wanlass被录用到仙童公司的研发部门,他的任务给了他足够的余地来研究MOSFET,即使仙童公司当时并不生产MOS,因为无论是用于制造双极还是MOS晶体管,MOS--金属氧化物--半导体--结构都是平面工艺的一个组成部分。他的自由度很大程度上来自于他几乎自己做所有事情的能力。作为一名物理学家,Wanlass了解MOS结构的物理学,因此可以自己设计MOSFET。他了解电子学,所以他不仅设计了晶体管,还设计了进入MOS集成电路的电路。他最早的设计之一是一个集成的MOS触发器,其流量率超过80%。1963年2月,Wanlass和他的经理C.T.Sah在ISSCC上发表了一篇论文,揭示了Wanlass已经构思出在同一集成电路上结合p通道和n通道MOSFET的电路。他发明了CMOS,这仅仅是他工作的一个副产品。


在这一过程中,Wanlass处理了MOSFET固有的稳定性问题和仙童公司对MOSFET的普遍漠视。该公司在制造双极半导体产品方面做得太好,以至于对缓慢的MOSFET投入了很多精力。尽管戈登-摩尔的研发部门在分析和模拟MOS物理方面投入了大量精力,作为改进平面工艺的一种方式,但这些改进的目标是双极晶体管的制造。到1963年12月,Wanlass感到沮丧并跳槽了。他加入了通用微电子公司(GME),该公司于1963年夏天由仙童半导体的Micrologic小组成员创办,具体目的是开发MOS集成电路。


随着Micrologic集团和Wanlass公司几个关键成员的流失,仙童公司的风头一去不复返,该公司从未开发过MOS集成电路产品系列。最终,摩尔本人也意识到仙童公司并没有完全实现MOSFET的潜力。当他在1968年与罗伯特-诺伊斯一起离开仙童公司创立英特尔公司时,将创建一个专门生产MOS集成电路的半导体公司--具体来说是存储器集成电路--但这一事件已经过去了近五年。


MOSFET的诞生


在20世纪60年代初,半导体公司不愿意在MOSFET的开发上投入大量精力,这一点并不令人惊讶。早期的MOSFET比双极型晶体管慢100倍,而且它们被认为是不稳定的,这是有原因的:它们的电气特性随着时间和温度的变化而发生严重的、不可预测的漂移。要将MOSFET转变为可靠的电子元件,需要进行大量的研究和开发工作。


然而,当仙童半导体公司雇用Frank Wanlass时,MOSFET找到了它的支持者。Wanlass致力于MOSFET的研究,而不是任何公司。他去了任何地方,做了任何事情,以促进MOSFET的发展。他成为MOS(金属氧化物半导体)技术的Johnny Appleseed,随时随地自由地播撒MOSFET的种子。


仙童公司在1962年8月雇用了Wanlass,当时他从犹他大学获得物理学博士学位。他在攻读固体物理学博士学位时,读到了RCA在薄膜硫化镉(CdS)场效应管方面的工作,从而对MOS技术产生了兴趣。FET器件结构的简单性首先引起了他的兴趣,然后使他着迷。他意识到,场效应晶体管的简单结构意味着许多场效应晶体管可以装在一个半导体芯片上,他设想用这些器件构建复杂的集成电路(IC)。但RCA的薄膜CdS FET太不稳定了。即使在架子上放置几个小时,它们的电气特性也会发生剧烈的漂移。Wanlass认为,用硅代替CdS制造FET将解决参数漂移的问题。事实证明,他错了。半导体场效应晶体管遭受了几年的漂移,直到MOS制造工艺能够充分清洁以消除导致场效应晶体管参数漂移的污染物。


当Wanlass加入Gordon Moore在仙童公司的研究和开发小组时,该公司有一项政策,即让新聘的博士在他们愿意承担的任何项目上工作。Wanlass决定专注于MOSFETs,尽管摩尔的部门对制造这种器件并不特别感兴趣。然而,摩尔的部门对MOS加工非常感兴趣,因为这是Jean Hoerni的平面制造工艺的基本结构和性质,仙童公司用它来制造双极晶体管和集成电路。对平面工艺的任何进一步了解以及对工艺技术的任何改进都将进一步提高仙童半导体制造双极晶体管和集成电路的能力。


Wanlass对研究或分析MOS工艺的特点不感兴趣。他想制造分立的MOSFET,用MOSFET制造IC,并利用这些器件设计系统级电路,以培养对这些元件的需求。在接下来的一年里,他正是这样做的。在不到六个月的时间里,Wanlass使用平面工艺在硅中设计并制造了单个p通道和n通道MOSFET。所有的p沟道器件都表现出严重的参数漂移,而n沟道器件根本没有工作。他通过将p沟道器件放在一个曲线跟踪器中并用打火机加热来测试其参数漂移。然后,他设计并制造了一个使用MOSFET的触发器IC,并取得了令人难以置信的超过80%的晶圆良率。他开发了MOSFET的应用电路,包括一个利用MOSFET极高的输入阻抗的电流表。


在此过程中,Wanlass和他的经理C.T. Sah为CMOS电路的想法申请了专利,该电路在一个硅片上结合了p通道和n通道的MOSFET。CMOS是现在制造的几乎所有集成电路的基础晶体管技术。(注:Sah经常被列为CMOS的唯一发明者,但他的名字出现在专利上是因为他是Wanlass的经理,而按照惯例,在专利申请中要把经理和发明人一起列出。)


1963年初,戈登-摩尔开始雇用更多的人,对MOS工艺技术进行更彻底的分析。然而,他对研究MOSFET并不感兴趣。他只是想更好地了解金属氧化物-半导体平面工艺,以便仙童公司能够制造更好的双极晶体管和集成电路。分析小组成为Bruce Deal、Andrew Grove和Ed Snow。他们并没有被安排在一个正式的团队中,但他们很快就通过办公室的偶然互动发现了对方和他们互补的任务。. Deal从事氧化和表面状态的研究。Snow分析了MOS的瞬态不稳定性。Grove编写程序来模拟分析。


到1963年底,Wanlass确信仙童公司只想研究和分析MOS器件,而不是在商业上制造它们,他更喜欢制造器件而不是研究它们。Wanlass于1963年12月离开仙童半导体,这距离他加入该公司仅一年零四个月。他在通用微电子公司(GME)任职,该公司是由一小群决定成立半导体公司的前仙童雇员创办的。GME是仙童半导体最早的分拆公司之一,被统称为 "仙童"。GME的目标和方向显然会把Wanlass带到他想去的地方,Wanlass立即负责创造和制造MOS晶体管和IC。


Wanlass把他精湛的MOS设计技能带到了GME。他在仙童公司成功地制造了MOSFET和小型MOS集成电路,所以他带来了这些能力,但他还带来了另一件重要的事情。在仙童公司工作时,Wanlass发现,如果他用电子束汽化法而不是热蒸发法来蒸发半导体晶片上的铝互连,他可以大大减少MOS特性的时间和温度漂移。仙童公司一直在其地下室建造电子束蒸发器。它是最早拥有这种类型的蒸发器的半导体公司之一。


在一次采访中,Wanlass说:"有一天,我在101高速公路上开车,在一个星期天,它击中了我。这一定是钠,我把一些铝线送去做光谱分析。我从我的大学工作中知道,我的一些论文工作,钠......我知道一个事实,钠,只要有一点温度和电压的帮助,就会直接扩散通过石英。它有一个非常高的扩散商。我知道这一点。那是在大学里做的实验。"


由于怀疑热汽化过程在某种程度上将受污染的铝沉积在半导体晶片上,而这种受污染的铝导致器件漂移,Wanlass尝试将铂金蒸发到晶片上,而不是铝。铂金没有化学蚀刻,所以他不得不用尖头钨探针手工在铂金层上划出栅极。由此产生的MOSFET几乎没有漂移。然后他尝试使用黄金和其他金属,但铂金更胜一筹。然后,为了完整起见,Wanlass使用电子束蒸发器将铝放在晶圆上。他们也没有漂移得那么厉害,铝的电子束蒸发很快成为MOS工艺配方的一部分。这一切都发生在Wanlass还在仙童公司的时候,他把这些重要的知识带到了GME。


最终,业界会明白,钠离子污染会导致漂移,并随着时间的推移杀死p沟道MOSFET,同时使其无法建立工作的n沟道MOSFET。当铝被拉过线模以制造作为气相沉积原料的铝线时,就被钠污染了。线模是用钠来润滑的。电子束汽化采用了一个快门机制,将硅片从熔化铝的坩埚中遮挡起来,直到铝达到其蒸发温度。钠的沸点比铝低得多,因此在蒸发室的快门打开并将晶圆暴露在铝蒸汽中之前,钠就已经沸腾并消散了。


Wanlass在GME使用电子束蒸发器对晶圆进行金属化处理,到1964年5月,他已经生产出一个可以工作的、分立的MOS晶体管。该公司在仙童公司能够做到这一点之前几个月就将这一器件推向了商业化。然后,Wanlass制造了一个20位移位寄存器的单片MOS集成电路,这不是因为客户的要求,而仅仅是因为他能做到。20位移位寄存器是一个非常好的MOS IC示范载体。当时,移位寄存器是业界首选的小型数字存储器件的形式,因为其引脚数少,同时允许器件安装在TO-5金属罐晶体管封装中,引脚数多达12个。


尽管GME在1964年在洛杉矶举行的WESCON(西部电子展和会议)上有一个展位,但该公司还租了一个酒店房间,只是为了展示Wanlass的移位寄存器集成电路。GME的MOS移位寄存器集成电路演示给潜在客户留下了深刻印象,牢固确立了GME在MOS集成电路方面的领导地位,并将Wanlass定位为MOS集成电路开发方面的行业权威。


GME的MOS移位寄存器集成电路演示,公司作为MOSFET供应商的声誉不断提高,以及GME创始人之一、退役的美国海军陆战队上校Art Lowell的销售技巧和关系,吸引了来自美国政府的客户。该公司的第一份MOS设计合同是与美国国家航空航天局(NASA)签订的,为行星际监测平台航天器设计一个带有六或七个MOSFET的集成电路,该项目由位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德空间飞行中心管理。航天器有严格的功率限制,因此低功率MOS集成电路似乎是为该项目量身定做的。超级机密的国家安全局(NSA)也成为GME的早期客户。Wanlass回忆说,国家安全局有一个雄心勃勃的计划,要把带有解密电路的无线通信放到士兵的头盔里。


器件密度使GME走上了通向MOS集成电路早期命运的道路:计算器。GME与Victor Comptometer签署了一项协议,建立一个由至少20个IC组成的MOS计算器芯片组,每个IC包含数百个电路元件,包括MOSFET。这本应是Wanlass的一个梦想项目,但他可以看到,GME将无法应对这一挑战。Wanlass于1964年12月离开GME,当时计算器项目刚刚开始。正如他所料,GME的计算器项目被拖延所困扰。该公司开始出现资金问题,并于1966年被 Philco-Ford公司收购。它成为 Philco-Ford公司的微电子部,通用微电子的品牌也不复存在。Philco-Ford公司最终在1968年放弃了Victor计算器项目,几年后福特公司决定将其出售,公司本身也不复存在。"GME倒闭了,因为他们没有足够的钱,而且他们推得太快,太急了,"Wanlass在接受采访时说。


当他离开GME时,Wanlass和他的四个同事首先试图创办自己的半导体公司,但交易失败了。相反,该团队加入了通用仪器(GI:General Instrument),这是一家东海岸的电子集团,希望将半导体制造,特别是集成电路制造,加入其投资组合。GI已经从其他半导体制造商那里聘请了经理,包括Philco和IBM。加入Wanlass和他的团队确定了新的半导体部门的方向:MOS。


Wanlass在GI做的第一件事是设计和制造了一个21位的移位寄存器IC,比GME的设备大一个位,这样GI就可以声称拥有最大的设备。很快,GI推出了50位和90位MOS移位寄存器IC。然后,Wanlass在GME任职期间所做的事情又给他带来了投资回报。1964年,当Wanlass在WESCON的酒店套房里演示GME的20位移位寄存器时,他遇到了一位名叫Bob Booher的工程师,他当时在Rockwell Autonetics工作,这是一家航空电子承包商,尤其以开发美国潜艇和ICBM的惯性制导系统而闻名。在那次会面中,Wanlass似乎把他对MOS集成电路的热情感染了Booher。


几年后,Booher在GI找到了Wanlass,问GI是否可以制造他设计的一个芯片。这是一个数字差分分析仪(DDA:Digital Differential Analyzer),在那个时代是一个非常雄心勃勃的设备。Booher的DDA是Vannevar Bush的微分分析仪的数字实现,在数字电子计算机出现之前,这种机械模拟计算机被广泛用于数值解微分方程。最终,罗克韦尔自控公司将成立自己的半导体制造小组,但那是在未来,而且罗克韦尔当时无法制造如此大的芯片。该芯片设计需要几千个晶体管,是迄今为止Wanlass见过的最复杂的集成电路设计。此外,Booher还开发了一种新颖的4相时钟方案,可以产生快速的动态逻辑门,同时节省了硅的空间。Wanlass同意为Booher制造该芯片,并且该器件已经成功。1966年8月,GI展示了这个装置,布赫欣喜若狂。


到了1967年,Wanlass臭名昭著的缺乏耐心的特点再次显现出来。他做了一个他不喜欢的交易,但这一次,困扰他的是地点问题。GI的半导体设施位于纽约长岛的希克斯维尔。Wanlass作为一个西部人成长起来,他不喜欢东海岸的天气,也不喜欢工会的劳动力。他建议将GI的整个半导体业务转移到他长大的地方犹他州。为了让他高兴,GI允许Wanlass在犹他州的盐湖城建立一个研发实验室,他在那里获得了博士学位。考虑到钠对MOS集成电路的影响,也许一个名为盐湖城的小镇并不是MOS半导体实验室的理想场所,但这笔交易使Wanlass继续为GI工作,至少多工作了几年。该实验室于1967年8月落成。在此期间,GI公司成为MOS集成电路设计和制造的领导者。1970年,Wanlass离开了GI,此后该公司在集成电路行业的地位迅速恶化。


作为一个精力充沛的MOS传道者,Wanlass直接或间接地帮助一些公司进入MOS集成电路业务。仙童半导体的研究人员继续从他在那里工作时的工作中受益。1965年3月,Wanlass会见了IBM研究院的人员,并与他们分享了他在MOS集成电路设计方面的知识。IBM研究院很快成为MOS研究的一个焦点。1966年,仙童公司从IBM聘请了Lee Boysel。尽管他为IBM工作,但他基本上是在GI做学徒,所以当他加入仙童半导体时,他对MOS IC技术的各个方面都很熟悉,包括Booher的4相时钟方案。1969年,Boysel成立了自己的计算机和MOS半导体公司--四相系统。仙童半导体还从GME聘请了Bob Cole,他曾在GME的MOS制造业务中作为首席工程师与Wanlass合作。据报道,德州仪器的第一个MOS集成电路是Wanlass设计的GI芯片的反向工程拷贝。


当戈登-摩尔在1968年共同创立英特尔公司以制造MOS存储器集成电路时,他试图雇用Wanlass,但Wanlass与GI签订了7年的合同,拒绝了这一提议。然而,英特尔的首席MOS工程师参加了GI的研讨会,Wanlass在会上详细介绍了GI的MOS工作。Wanlass在任何时候都热切地分享信息,因为他的主要目标是使业界对MOS集成电路的使用更加繁荣。这并不是说Wanlass不能保守秘密。在他获得博士学位之前,他曾在美国陆军特种部队呆过几年,处理原子武器的秘密,他已经厌倦了保守秘密。


半导体的历史常常将Wanlass描述为 "没有耐心",这是有道理的。只要他认为有利于MOSFET的发展,他就会离开雇主去寻找更广阔的天地。半导体行业确实很幸运,他是如此没有耐心。他的执着驱使他去任何最有机会帮助MOSFET实现他在犹他大学读博士时设想的命运的地方,无论这需要更换雇主,给其他半导体制造商的研究人员做详细的技术报告,应要求提供大量的免费建议,甚至从竞争的半导体供应商那里收徒。


Wanlass的历史记录在他1970年离开GI后很快就消失了。他似乎已经搬到了加州和硅谷。离开GI后,Wanlass曾为几个初创的半导体公司工作,创立或参与其中,其中包括:


  • Varadyne是一家位于加利福尼亚州圣莫尼卡的基础广泛的电子元件制造商,它收购了MOS设计公司Integrated Systems Technology,该公司在1966年被Philco-Ford收购后从GME分离出来。

  • 位于加州桑尼维尔的CMOS手表芯片制造商LSI系统公司,该公司于1976年被约翰-马歇尔收购,并更名为集成技术公司,保留Wanlass作为设计顾问。

  • 位于加州库比蒂诺的计算机和内存芯片制造商四相系统公司。

  • Ultra Logic,Wanlass的CMOS工艺咨询公司,该公司开发了早期的BiCMOS工艺并获得专利,称为UltraCMOS,该工艺将CMOS逻辑与双极输出晶体管相结合。

  • 加州桑尼维尔的Zytrex公司,该公司于1981年收购了Wanlass的Ultra Logic公司并任命他为首席技术官。

  • 位于纽约哈帕克的标准微系统公司,该公司于2012年被Microchip收购。


当Wanlass担任首席技术官时,Robert Plachno是Zytrex公司的工程副总裁。Plachno回忆说,Wanlass可以坐下来,用一支铅笔和一张纸设计一个新的CMOS工艺,在纸上有序地写下工具流程以及每个工艺步骤所需的时间和温度。他还回忆说,Wanlass会在一张E大小的Mylar纸上手工设计一个新的集成电路,用他车库里的一张乒乓球台作为工作桌。


1991年,Wanlass成为IEEE固态电路奖的第三位获奖者,现在称为IEEE Donald O. Pederson Award的固态电路奖。在2009年MOSFET和集成电路问世50周年之际,Frank Wanlass 因其发明的CMOS电路而入选国家发明家名人堂。1994年,他已经退休,但仍在继续捣鼓电子和计算机。


最终,Wanlass对MOS集成电路的设想成为现实。他于2010年去世,因此他有充分的机会看到MOSFET和CMOS成为今天几乎所有集成电路的基础电路元件。他的个性化加州车牌上写着 "I LUV CMOS",这对业界的第一位MOS传道者来说是一个合适的信息。


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