Une brève histoire du transistor MOS, partie 3 : Frank Wanlass

Il n'est pas surprenant que les sociétés de semi-conducteurs aient été réticentes à investir beaucoup d'énergie dans le développement de MOSFET au début des années 1960. Les premiers MOSFET étaient 100 fois plus lents que les transistors bipolaires, et ils étaient considérés comme instables, pour une bonne raison : leurs caractéristiques électriques dérivaient mal et de manière imprévisible avec le temps et la température. De nombreux travaux de recherche et développement seraient nécessaires pour transformer les MOSFET en composants électroniques fiables. Cependant, lorsque Fairchild Semiconductor a embauché Frank Wanlass, le MOSFET a trouvé son champion. Wanlass s'est engagé envers le MOSFET, et non envers n'importe quelle entreprise. Il est allé partout et a fait tout ce qu'il pouvait pour promouvoir le développement du MOSFET. Il est devenu le Johnny Appleseed de la technologie MOS (métal-oxyde-semi-conducteur), plantant librement des graines de MOSFET, n'importe quand et n'importe où.

Fairchild a embauché Wanlass en août 1962 après avoir obtenu son doctorat en physique de l'Université de l'Utah. Il s'est intéressé à la technologie MOS lorsqu'il a pris connaissance des travaux de RCA sur les FET à couche mince de sulfure de cadmium (CdS) alors qu'il étudiait pour son doctorat en physique du solide. La simplicité de la structure du dispositif FET l'a d'abord intrigué puis obsédé. Il s'est rendu compte que la structure simple du FET signifiait que de nombreux FET tiendraient sur une puce semi-conductrice, et il a conçu la construction de circuits intégrés (CI) complexes à l'aide de ces dispositifs. Mais les FET CdS à couches minces de RCA étaient beaucoup trop instables. Même lorsqu'ils sont laissés sur une étagère pendant quelques heures, leurs caractéristiques électriques dérivent considérablement. Wanlass pensait que la fabrication de FET avec du silicium au lieu de CdS résoudrait le problème de dérive paramétrique. Il avait tort, comme il s'avère. Les FET à semi-conducteurs ont souffert de dérive pendant plusieurs années jusqu'à ce que le processus de fabrication MOS puisse être suffisamment nettoyé pour éliminer les contaminants à l'origine de la dérive paramétrique des FET.

Lorsque Wanlass a rejoint le groupe de recherche et développement de Gordon Moore chez Fairchild, la société avait pour politique de laisser les nouveaux titulaires de doctorat travailler sur tout projet qu'ils souhaitaient entreprendre. Wanlass a décidé de se concentrer sur les MOSFET, même si le département de Moore n'était pas particulièrement intéressé par la fabrication des appareils. Cependant, le département de Moore était extrêmement intéressé par le traitement MOS, car c'était la structure de base et la nature du processus de fabrication planaire de Jean Hoerni, que Fairchild utilisait pour fabriquer des transistors bipolaires et des circuits intégrés. Toute meilleure compréhension du processus planaire et toute amélioration apportée à la technologie du processus renforceraient la capacité de Fairchild à fabriquer des transistors bipolaires et des circuits intégrés.

Wanlass n'était pas intéressé par l'étude ou l'analyse des caractéristiques du procédé MOS. Il voulait fabriquer des MOSFET discrets, construire des circuits intégrés avec des MOSFET et concevoir des circuits au niveau du système utilisant ces dispositifs pour répondre à la demande de composants. Au cours de l'année suivante, il a fait exactement cela. En moins de six mois, Wanlass a conçu et fabriqué des MOSFET individuels à canaux p et n en silicium en utilisant le procédé planaire. Tous les dispositifs à canal p présentaient une dérive paramétrique sévère, tandis qu'aucun des dispositifs à canal n ne fonctionnait du tout. Il a testé la dérive paramétrique des appareils à canal p en les plaçant dans un traceur de courbe et en les chauffant avec un allume-cigare. Il a ensuite conçu et fabriqué un circuit intégré à bascule utilisant des MOSFET et a obtenu un rendement de tranche incroyable supérieur à 80 %. Il a développé des circuits d'application pour les MOSFET, y compris un ampèremètre qui exploitait l'impédance d'entrée extrêmement élevée du MOSFET.

En cours de route, Wanlass et son directeur CT Sah ont breveté l'idée des circuits CMOS, qui combinent des MOSFET à canaux p et n sur une seule puce en silicium. CMOS est la technologie de base des transistors pour presque tous les circuits intégrés actuellement fabriqués. (Remarque : Sah est souvent répertorié comme le seul inventeur de CMOS, mais son nom figure sur le brevet car il était le directeur de Wanlass, et il était d'usage d'inscrire le directeur avec l'inventeur sur la demande de brevet.)

Au début de 1963, Gordon Moore a commencé à embaucher plus de personnes pour analyser plus en profondeur la technologie des procédés MOS. Cependant, il n'était pas intéressé par l'étude des MOSFET. Il voulait simplement mieux comprendre le processus planaire métal-oxyde-semi-conducteur afin que Fairchild puisse fabriquer de meilleurs transistors et circuits intégrés bipolaires. L'équipe d'analyse est devenue Bruce Deal, Andrew Grove et Ed Snow. Ils n'ont pas été intégrés à une équipe formelle, mais ils se sont rapidement découverts et ont découvert leurs missions complémentaires grâce à des interactions informelles au bureau. Deal a travaillé sur l'oxydation et les états de surface. Snow a analysé les instabilités transitoires MOS. Grove a écrit des programmes pour modéliser les analyses.

À la fin de 1963, Wanlass était certain que Fairchild voulait seulement étudier et analyser les dispositifs MOS, pas les construire commercialement, et il préférait de loin fabriquer des dispositifs, pas les étudier. Wanlass a quitté Fairchild en décembre 1963, un an et quatre mois seulement après avoir rejoint l'entreprise. Il a pris un poste chez General Microelectronics (GME), qui avait été lancé par un petit groupe d'anciens employés de Fairchild qui avaient décidé de créer une société de semi-conducteurs. GME a été l'une des premières spin-offs de Fairchild Semiconductor, connues collectivement sous le nom de Fairchildren. Les objectifs et la direction de GME amèneraient clairement Wanlass là où il voulait aller, et Wanlass a immédiatement pris en charge la création et la fabrication de transistors MOS et de circuits intégrés.

Wanlass a apporté ses compétences de conception MOS bien développées à GME. Il avait construit avec succès des MOSFET et de petits circuits intégrés MOS chez Fairchild, il a donc apporté ces capacités, mais il a également apporté une autre chose importante. Alors qu'il travaillait chez Fairchild, Wanlass a découvert qu'il pouvait réduire considérablement la dérive temporelle et thermique des caractéristiques MOS s'il évaporait l'interconnexion en aluminium sur la tranche de semi-conducteur en utilisant la vaporisation par faisceau d'électrons au lieu de l'évaporation thermique. Fairchild avait construit des évaporateurs à faisceaux d'électrons dans son sous-sol. C'était l'une des premières entreprises de semi-conducteurs à disposer de ce type d'évaporateur.

Dans une interview, Wanlass a déclaré: "Je conduisais sur l'autoroute 101 un jour, un dimanche, et ça m'a frappé. Ça devait être du sodium, et j'avais envoyé du fil d'aluminium pour être analysé par spectroscopie. Je savais de mon travail universitaire, certains de mes travaux de thèse, ce sodium… Je savais pertinemment que le sodium, avec juste un peu d'aide de la température et de la tension, se diffuserait à travers le quartz. Il avait un quotient de diffusion très élevé. Je le savais. C'était grâce à des expériences à l'université. "

Soupçonnant que le processus de vaporisation thermique déposait d'une manière ou d'une autre de l'aluminium contaminé sur la tranche de semi-conducteur et que cet aluminium contaminé faisait dériver les appareils, Wanlass a essayé d'évaporer du platine sur les tranches au lieu de l'aluminium. Il n'y a pas de gravure chimique pour le platine, il a donc dû tracer à la main les électrodes de grille dans la couche de platine à l'aide d'une sonde pointue en tungstène. Le MOSFET résultant n'a pas autant dérivé. Il a ensuite essayé d'utiliser de l'or et d'autres métaux, mais le platine était supérieur. Ensuite, pour être complet, Wanlass a utilisé les évaporateurs à faisceau d'électrons pour mettre de l'aluminium sur une plaquette. Ils ne dérivaient pas non plus autant et l'évaporation de l'aluminium par faisceau d'électrons est rapidement devenue une partie intégrante de la recette du procédé MOS. Tout cela a eu lieu alors que Wanlass était encore à Fairchild, et il a apporté cette connaissance importante à GME.

Finalement, l'industrie comprendrait que la contamination par les ions sodium provoque une dérive et tue les MOSFET à canal p au fil du temps, tout en rendant impossible la construction de MOSFET à canal n fonctionnels. L'aluminium était contaminé par du sodium lorsqu'il a été étiré à travers des filières pour fabriquer le fil d'aluminium qui a servi de matière première pour le dépôt en phase vapeur. Les matrices de fil ont été lubrifiées avec du sodium. La vaporisation par faisceau d'électrons utilise un mécanisme d'obturation qui protège les tranches du creuset d'aluminium fondu jusqu'à ce que l'aluminium atteigne sa température d'évaporation. Le sodium a un point d'ébullition beaucoup plus bas que l'aluminium, de sorte que le sodium s'est évaporé et s'est dissipé avant que l'obturateur de la chambre d'évaporation ne s'ouvre et n'expose la plaquette à la vapeur d'aluminium.

Wanlass a utilisé des évaporateurs à faisceaux d'électrons pour métalliser des tranches chez GME et, en mai 1964, il avait produit un transistor MOS discret fonctionnel. La société a introduit cet appareil dans le commerce des mois avant que Fairchild ne puisse faire de même. Wanlass a ensuite construit un registre à décalage 20 bits en tant que circuit intégré MOS monolithique, non pas parce que les clients l'exigeaient, mais simplement parce qu'il le pouvait. Un registre à décalage de 20 bits a fait un formidable véhicule de démonstration MOS IC. À l'époque, les registres à décalage étaient la forme préférée de l'industrie pour les petits dispositifs de mémoire numérique en raison de leur faible nombre de broches, tout en permettant aux dispositifs d'être montés dans un boîtier de transistor à boîtier métallique TO-5, avec jusqu'à 12 broches.

Bien que GME ait eu un stand sur le sol du salon au WESCON (Western Electronic Show and Convention) de 1964 qui s'est tenu à Los Angeles, la société a également loué une chambre d'hôtel juste pour montrer le circuit intégré de registre à décalage de Wanlass. La démonstration de circuits intégrés à registre à décalage MOS de GME a impressionné les clients potentiels, a fermement établi le leadership de GME dans les circuits intégrés MOS et a positionné Wanlass comme la principale autorité du secteur en matière de développement de circuits intégrés MOS.

La démonstration de circuits intégrés à registre à décalage MOS de GME, la réputation croissante de l'entreprise en tant que fournisseur de MOSFET, ainsi que le savoir-faire commercial et les relations du colonel de la marine américaine à la retraite Art Lowell, l'un des fondateurs de GME, ont attiré des clients du gouvernement américain. Le premier contrat de conception MOS de la société était avec la NASA, pour concevoir un circuit intégré avec six ou sept MOSFET pour le vaisseau spatial de la plate-forme de surveillance interplanétaire, un programme géré par le NASA Goddard Space Flight Center à Greenbelt, Maryland. Les engins spatiaux ont de sévères restrictions de puissance, de sorte que les circuits intégrés MOS de faible puissance semblaient fabriqués sur commande pour le projet. La National Security Agency (NSA) super-secrète est également devenue l'un des premiers clients de GME. La NSA avait un plan ambitieux pour mettre des communications sans fil avec des circuits de décryptage dans les casques des soldats, se souvient Wanlass.

La densité des appareils a conduit GME à emprunter la voie menant au premier destin du circuit intégré MOS : les calculatrices. GME a signé un accord avec Victor Comptometer pour construire un chipset de calculateur MOS composé d'au moins 20 circuits intégrés, chacun contenant des centaines de composants de circuit, y compris des MOSFET. Cela aurait dû être un projet de rêve pour Wanlass, mais il pouvait voir que GME ne serait pas à la hauteur de ce défi. Wanlass a quitté GME en décembre 1964 avec le projet de calculatrice qui ne faisait que commencer. Comme il s'y attendait, le projet de calculatrice de GME a été en proie à des retards. L'entreprise a commencé à avoir des problèmes d'argent et a été rachetée en 1966 par Philco-Ford. Elle est devenue la division Microelectronics de Philco-Ford et la marque General Microelectronics a cessé d'exister. Philco-Ford a finalement abandonné le projet de calculatrice Victor en 1968, et la société elle-même a cessé d'exister quelques années plus tard lorsque Ford a décidé de la vendre. "GME a fait faillite parce qu'ils n'avaient pas assez d'argent et qu'ils poussaient trop vite, trop tôt", a déclaré Wanlass lors d'une interview.

Lorsqu'il a quitté GME, Wanlass et quatre de ses collègues ont d'abord tenté de créer leur propre entreprise de semi-conducteurs, mais l'accord a échoué. Au lieu de cela, l'équipe a rejoint General Instrument (GI), un conglomérat électronique de la côte est qui souhaitait ajouter la fabrication de semi-conducteurs, en particulier la fabrication de circuits intégrés, à son portefeuille. GI avait déjà embauché des managers d'autres fabricants de semi-conducteurs, dont Philco et IBM. L'ajout de Wanlass et de son équipe a défini la direction de la nouvelle division des semi-conducteurs : MOS.

La première chose que Wanlass a faite chez GI a été de concevoir et de fabriquer un circuit intégré de registre à décalage 21 bits, un peu plus grand que l'appareil de GME, afin que GI puisse prétendre avoir le plus grand. Bientôt, GI a introduit des circuits intégrés de registre à décalage MOS 50 et 90 bits. Ensuite, quelque chose que Wanlass a fait pendant son mandat chez GME lui est revenu avec un retour sur son investissement. Alors que Wanlass faisait la démonstration du registre à décalage 20 bits de GME dans cette suite d'hôtel à WESCON en 1964, il rencontra un ingénieur du nom de Bob Booher qui travaillait pour Rockwell Autonetics, un sous-traitant en avionique connu notamment pour le développement de systèmes de guidage inertiel pour les sous-marins américains et les ICBM. Wanlass semble avoir infecté Booher avec son zèle pour les circuits intégrés MOS lors de cette réunion.

Quelques années plus tard, Booher a trouvé Wanlass chez GI et a demandé si GI pouvait fabriquer une puce qu'il avait conçue. C'était un analyseur différentiel numérique (DDA), et c'était un appareil très ambitieux pour l'époque. Le DDA de Booher était une implémentation numérique de l' analyseur différentiel de Vannevar Bush , un ordinateur analogique mécanique largement utilisé pour résoudre numériquement les équations différentielles avant l'avènement des ordinateurs électroniques numériques. Finalement, Rockwell Autonetics créerait son propre groupe de fabrication de semi-conducteurs, mais c'était dans le futur, et Rockwell n'était pas en mesure de fabriquer une puce aussi grande à ce moment-là. La conception de la puce nécessitait quelques milliers de transistors et était de loin la conception de circuit intégré la plus complexe que Wanlass ait vue à ce jour. De plus, Booher avait développé un nouveau schéma d'horloge à 4 phases qui produisait des portes logiques dynamiques rapides tout en préservant l'immobilier en silicium. Wanlass a accepté de construire la puce pour Booher, et l'appareil a fonctionné. GI faisait la démonstration de l'appareil en août 1966 et Booher était fou de joie.

En 1967, le tristement célèbre manque de patience de Wanlass s'affirme une fois de plus. Il avait fait un marché qu'il n'aimait pas, mais cette fois, c'était le lieu qui le gênait. L'usine de semi-conducteurs de GI était située à Hicksville sur Long Island à New York. Wanlass a grandi en tant qu'occidental et il n'aimait pas le climat de la côte est ni la main-d'œuvre syndiquée. Il a proposé de déplacer l'ensemble des activités de semi-conducteurs de GI dans l'Utah, où il avait grandi. Pour le garder heureux, GI a permis à Wanlass d'établir un laboratoire de R&D à Salt Lake City, Utah, où il avait obtenu son doctorat. Compte tenu de l'effet du sodium sur les circuits intégrés MOS, une ville nommée Salt Lake City n'était peut-être pas un lieu idéal pour un laboratoire de semi-conducteurs MOS, mais l'accord a permis à Wanlass de travailler pour GI, au moins pendant quelques années de plus. Le laboratoire a été inauguré en août 1967. Au cours de cette période, GI est devenu le leader de la conception et de la fabrication de circuits intégrés MOS. Wanlass a quitté GI en 1970 et la position de l'entreprise dans l'industrie des circuits intégrés s'est rapidement détériorée par la suite.

En tant qu'évangéliste MOS énergique, Wanlass a aidé plusieurs entreprises à entrer dans le secteur des circuits intégrés MOS, directement ou indirectement. Les chercheurs de Fairchild ont continué à bénéficier du travail qu'il a fait pendant qu'il travaillait là-bas. Wanlass a rencontré des personnes d'IBM Research en mars 1965 et a partagé avec eux ses connaissances sur la conception de circuits intégrés MOS. IBM Research est rapidement devenu un point focal pour la recherche MOS. Fairchild a embauché Lee Boysel d'IBM en 1966. Il avait essentiellement fait son apprentissage chez Wanlass chez GI même s'il travaillait pour IBM, donc quand il a rejoint Fairchild, il connaissait bien tous les aspects de la technologie MOS IC, y compris le schéma d'horloge à 4 phases de Booher. En 1969, Boysel a lancé sa propre entreprise d'ordinateurs et de semi-conducteurs MOS, Four-Phase Systems. Fairchild a également embauché Bob Cole de GME, où il avait travaillé avec Wanlass en tant qu'ingénieur principal à l'opération de fabrication MOS de GME. Le premier circuit intégré MOS de Texas Instruments aurait été une copie rétro-conçue d'une puce GI conçue par Wanlass.

Lorsque Gordon Moore a cofondé Intel en 1968 pour fabriquer des circuits intégrés de mémoire MOS, il a essayé d'embaucher Wanlass, mais Wanlass était lié à GI par un contrat de 7 ans et a décliné l'offre. Néanmoins, l'ingénieur MOS principal d'Intel a assisté à un séminaire GI où Wanlass a décrit en détail le travail MOS de GI. Wanlass a partagé des informations avec empressement chaque fois qu'il le pouvait, car son objectif principal était de faire prospérer l'utilisation des circuits intégrés MOS par l'industrie. Ce n'est pas que Wanlass ne pouvait pas garder de secrets. Avant d'obtenir son doctorat, il a passé quelques années dans les services spéciaux de l'armée américaine à s'occuper des secrets des armes atomiques, et il en avait assez de garder des secrets.

Les histoires de semi-conducteurs caractérisent souvent Wanlass comme "impatient", pour une bonne raison. Il quittait un employeur pour des pâturages plus verts chaque fois qu'il estimait que cela profiterait au développement du MOSFET. L'industrie des semi-conducteurs a en effet de la chance qu'il ait été si impatient. Son obsession l'a poussé à aller là où il avait les meilleures chances d'aider les MOSFET à réaliser le destin qu'il avait envisagé en tant que doctorant à l'Université de l'Utah, que cela nécessite de changer d'employeur, de donner des présentations techniques détaillées aux chercheurs d'autres fabricants de semi-conducteurs, de fournir de nombreux conseils gratuits sur demande, ou même d'embaucher des apprentis de fournisseurs de semi-conducteurs concurrents.

Le record historique de Wanlass s'épuise rapidement après son départ de GI en 1970. Il semble avoir déménagé en Californie et dans la Silicon Valley. Après avoir quitté GI, Wanlass a travaillé pour, fondé ou été impliqué dans plusieurs startups de semi-conducteurs, notamment :

· Varadyne, un fabricant de composants électroniques basé à Santa Monica, en Californie, qui a acheté la société de conception MOS Integrated Systems Technology, qui s'est séparée de GME après que Philco-Ford a acheté cette société en 1966

· Le fabricant de puces de montre CMOS LSI Systems à Sunnyvale, en Californie, qui a été acheté par John Marshall en 1976 et renommé Integrated Technology Corporation, gardant Wanlass comme consultant en conception

· Fabricant d'ordinateurs et de puces mémoire Four-Phase Systems à Cupertino, Californie

· Ultra Logic, la société de conseil en processus CMOS de Wanlass, qui a développé et breveté un premier processus BiCMOS appelé UltraCMOS qui combinait la logique CMOS avec des transistors de sortie bipolaires

· Zytrex à Sunnyvale, Californie, qui a acheté l'Ultra Logic de Wanlass en 1981 et l'a nommé CTO

· Standard Microsystems à Hauppauge, New York, qui a été acquis par Microchip en 2012.

Robert Plachno était vice-président de l'ingénierie chez Zytrex lorsque Wanlass était directeur technique. Plachno rappelle que Wanlass pouvait s'asseoir et concevoir un nouveau processus CMOS avec un crayon et une feuille de papier, en notant le flux d'outils et les temps et températures nécessaires pour chaque étape du processus dans une colonne ordonnée sur le papier. Il se souvient également que Wanlass concevait un nouveau circuit intégré à la main sur une feuille de Mylar de taille E en utilisant une table de ping-pong installée dans son garage comme bureau de travail.

En 1991, Wanlass est devenu le troisième récipiendaire du prix IEEE Solid-State Circuits Award, maintenant appelé IEEE Donald O. Pederson Award in Solid-State Circuits. À l'occasion du 50e anniversaire du MOSFET et du circuit intégré en 2009, Frank Wanlass a été intronisé au National Inventors Hall of Fame pour son invention des circuits CMOS. Il avait pris sa retraite en 1994 mais continuait à bricoler avec l'électronique et les ordinateurs.

En fin de compte, la vision de Wanlass pour les circuits intégrés MOS est devenue réalité. Il est décédé en 2010, il a donc eu amplement l'occasion de voir les MOSFET et les CMOS devenir les éléments de circuit fondamentaux de presque tous les circuits intégrés d'aujourd'hui. Sa plaque d'immatriculation californienne personnalisée lisait "I LUV CMOS", un message approprié pour le premier évangéliste MOS de l'industrie.

Les références

Entretien avec Frank Wanlass par Ross Knox Bassett, 18 octobre 1994, de la collection personnelle de Bassett.

Entretien avec Robert Plachno, ancien vice-président de l'ingénierie chez Zytrex, par Steve Leibson, 25 février 2023.

À l'ère numérique : les laboratoires de recherche, les entreprises en démarrage et l'essor de la technologie MOS, Ross Knox Bassett, 2002

Loi de Moore : La vie de Gordon Moore, le révolutionnaire silencieux de la Silicon Valley, Arnold Thackray, David C. Brock et Rachel Jones, 2015

Histoire de l'ingénierie des semi-conducteurs, Bo Lojek, 2007

Ross Knox Bassett, « Technologie MOS, 1963-1974 : une douzaine d'années cruciales », The Electrochemical Society Interface, automne 2007, pp 46-50

Michael J. Riezenman, "Circuit CMOS de Wanlass", IEEE Spectrum, mai 1991, p 41.