home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Unsorted BBS Collection / thegreatunsorted.tar / thegreatunsorted / texts / term_papers / silicons.esy < prev    next >
Text File  |  1995-03-31  |  9KB  |  137 lines

  1.                 SEMICONDUCTORS : THE SILICON CHIP
  2.  
  3.  
  4.  
  5.      Silicon is the raw material most often used in integrated circuit (IC)
  6. fabrication.  It is the second most abundant substance on the earth.  It is
  7. extracted from rocks and common beach sand and put through an exhaustive
  8. purification process.  In this form, silicon is the purist industrial
  9. substance that man produces, with impurities comprising less than one part in
  10. a billion.  That is the equivalent of one tennis ball in a string of golf
  11. balls stretching from the earth to the moon.
  12.      Semiconductors are usually materials which have energy-band gaps smaller
  13. than 2eV.  An important property of semiconductors is the ability to change
  14. their resistivity over several orders of magnitude by doping.  Semiconductors
  15. have electrical resistivities between 10-5 and 107 ohms.
  16. Semiconductors can be crystalline or amorphous.  Elemental semiconductors
  17. are simple-element semiconductor materials such as silicon or germanium.  
  18.      Silicon is the most common semiconductor material used today.  It is
  19. used for diodes, transistors, integrated circuits, memories, infrared
  20. detection and lenses, light-emitting diodes (LED), photosensors, strain
  21. gages, solar cells, charge transfer devices, radiation detectors and a
  22. variety of other devices.  Silicon belongs to the group IV in the periodic
  23. table.  It is a grey brittle material with a diamond cubic structure. 
  24. Silicon is conventionally doped with Phosphorus, Arsenic and Antimony and
  25. Boron, Aluminum, and Gallium acceptors.  The energy gap of silicon is 1.1
  26. eV.  This value permits the operation of silicon semiconductors devices at
  27. higher temperatures than germanium. 
  28.      Now I will give you some brief history of the evolution of electronics
  29. which will help you understand more about semiconductors and the silicon
  30. chip.  In the early 1900's before integrated circuits and silicon chips
  31. were invented, computers and radios were made with vacuum tubes.  The
  32. vacuum tube was invented in 1906 by Dr.Lee DeForest.  Throughout the first
  33. half of the 20th century, vacuum tubes were used to conduct, modulate and
  34. amplify electrical signals.  They made possible a variety of new products
  35. including the radio and the computer.  However vacuum tubes had some
  36. inherent problems.  They were bulky, delicate and expensive, consumed a
  37. great deal of power, took time to warm up, got very hot, and eventually
  38. burned out.  The first digital computer contained 18,000 vacuum tubes,
  39. weighed 50 tins, and required  140 kilowatts of power.
  40.      By the 1930's, researchers at the Bell Telephone Laboratories were
  41. looking for a replacement for the vacuum tube.  They began studying the
  42. electrical properties of semiconductors which are non-metallic substances,
  43. such as silicon, that are neither conductors of electricity, like metal,
  44. nor insulators like wood, but whose electrical properties lie between these
  45. extremes.  By 1947 the transistor was invented.  The Bell Labs research
  46. team sought a way of directly altering the electrical properties of
  47. semiconductor material.  They learned they could change and control these
  48. properties by "doping" the semiconductor, or infusing it with selected
  49. elements, heated to a gaseous phase.  When the semiconductor was also
  50. heated, atoms from the gases would seep into it and modify its pure,
  51. crystal structure by displacing some atoms.  Because these dopant atoms had
  52. different amount of electrons than the semiconductor atoms, they formed
  53. conductive paths.  If the dopant atoms had more electrons than the
  54. semiconductor atoms, the doped regions were called n-type to signify and
  55. excess of negative charge.  Less electrons, or an excess of positive
  56. charge, created p-type regions.  By allowing this dopant to take place in
  57. carefully delineated areas on the surface of the semiconductor, p-type
  58. regions could be created within n-type regions, and vice-versa.  The
  59. transistor was much smaller than the vacuum tube, did not get very hot, and
  60. did not require a headed filament that would eventually burn out.
  61.      Finally in 1958, integrated circuits were invented.  By the mid
  62. 1950's, the first commercial transistors were being shipped.  However
  63. research continued.  The scientist began to think that if one transistor
  64. could be built within one solid piece of semiconductor material, why not
  65. multiple transistors or even an entire circuit.  With in a few years this
  66. speculation became one solid piece of material.  These integrated
  67. circuits(ICs) reduced the number of electrical interconnections required in
  68. a piece of electronic equipment, thus increasing reliability and speed.  In
  69. contrast, the first digital electronic computer built with 18,000 vacuum
  70. tubes and weighed 50 tons, cost about 1 million, required 140 kilowatts of
  71. power, and occupied an entire room.  Today, a complete computer, fabricated
  72. within a single piece of silicon the size of a child's fingernail, cost
  73. only about $10.00.
  74.      Now I will tell you the method of how the integrated circuits and the
  75. silicon chip is formed.  Before the IC is actually created a large scale
  76. drawing, about 400 times larger than the actual size is created.  It takes
  77. approximately one year to create an integrated circuit.  Then they have to
  78. make a mask.  Depending on the level of complexity, an IC will require from
  79. 5 to 18 different glass masks, or "work plates" to create the layers of
  80. circuit patterns that must be transferred to the surface of a silicon
  81. wafer.  Mask-making begins with an electron-beam exposure system called
  82. MEBES.  MEBES translates the digitized data from the pattern generating
  83. tape into physical form by shooting an intense beam of electrons at a
  84. chemically coated glass plate.  The result is a precise rendering, in its
  85. exact size, of a single circuit layer, often less than one-quarter inch
  86. square.  Working with incredible precision , it can produce a line one-
  87. sixtieth the width of a human hair.   
  88.      After purification, molten  silicon is doped, to give it a specific
  89. electrical characteristic.  Then it is grown as a crystal into a
  90. cylindrical ingot.  A diamond saw is used to slice the ingot into thin,
  91. circular wafers which are then polished to a perfect mirror finish
  92. mechanically and chemically.  At this point IC fabrication is ready to
  93. begin. 
  94.      To begin the fabrication process, a silicon wafer (p-type, in this
  95. case) is loaded into a 1200 C furnace through which pure oxygen flows.  The
  96. end result is an added layer of silicon dioxide (SiO2), "grown" on the
  97. surface of the wafer.  The oxidized wafer is then coated with photoresist,
  98. a light-sensitive, honey-like emulsion.  In this case we use a negative
  99. resist that hardens when exposed to ultra-violet light.  To transfer the
  100. first layer of circuit patterns, the appropriate glass mask is placed
  101. directly over the wafer.  In a machine much like a very precise
  102. photographic enlarger, an ultraviolet light is projected through the mask. 
  103. The dark pattern on the mask conceals the wafer beneath it, allowing the
  104. photoresist to stay soft; but in all other areas, where light passes
  105. through the clear glass, the photoresist hardens.  The wafer is then washed
  106. in a solvent that removes the soft photoresist, but leaves the hardened
  107. photoresist on the wafer.  Where the photoresist was removed, the oxide
  108. layer is exposed.  An etching bath removes this exposed oxide, as well as
  109. the remaining photoresist.  What remains is a stencil of the mask pattern,
  110. in the form of minute channels of oxide and silicon.  The wafer is placed
  111. in a diffusion furnace which will be filled with gaseous compounds (all n-
  112. type dopants), for a process known as impurity doping.  In the hot furnace,
  113. the dopant atoms enter the areas of exposed silicon, forming a pattern of
  114. n-type material.  An etching bath removes the remaining oxide, and a new
  115. layer of silicon (n-) is deposited onto the wafer.  The first layer of the
  116. chip is now complete, and the masking process begins again: a new layer of
  117. oxide is grown, the wafer is coated with photoresist, the second mask
  118. pattern is exposed to the wafer, and the oxide is etched away to reveal new
  119. diffusion areas.  The process is repeated for every mask - as many as 18 -
  120. needed to create a particular IC.  Of critical importance here is the
  121. precise alignment of each mask over the wafer surface.  It is out of
  122. alignment more than a fraction of a micrometer (one-millionth of a meter),
  123. the entire wafer is useless.  During the last diffusion a layer of oxide is
  124. again grown over the water.  Most of this oxide layer is left on the wafer
  125. to serve as an electrical insulator, and only small openings are etched
  126. through the oxide to expose circuit contact areas.  To interconnect these
  127. areas, a thin layer of metal (usually aluminum) is deposited over the
  128. entire surface.  The metal dips down into the circuit contact areas,
  129. touching the silicon.  Most of the surface metal is then etched away,
  130. leaving an interconnection pattern between the circuit elements.  The final
  131. layer is "vapox", or vapour-deposited-oxide, a glass-like material that
  132. protects the IC from contamination and damage.  It, too, is etched away,
  133. but only above the "bonding pads", the square aluminum areas to which wires
  134. will later be attached.
  135.  
  136. ------------------------------------------------------------------------------
  137.