PIN二极管设计报告姓名： 吴鹏远学号： 1300404126专业：微电子科学与工程 中国计量学院2016年3月2日一、 器件工作原理① 半导体的载流子输运特性，P型半导体载流子为空穴，每个空穴带一个正电荷，N型半导体载流子为自由电子，每一个自由电子带一个负电荷② PN结的单向导电性，PN结为P型半导体和N型半导体接触而成，接触面因为扩散和漂移的作用形成一个耗尽层，内部动态平衡，当接正向电压时，耗尽层缩小，当外部电场大于耗尽层电场，漂移大于内部扩散作用时，PN结导通，当接反向电压时，耗尽层扩大，PN结截止 ③ PN结的击穿特性，雪崩击穿，耗尽层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时，其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对，新产生的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产生新的自由电子—空穴对，如此连锁反应，使阻挡层中的载流子数量急剧增加，最终击穿耗尽层，形成极大的电流④在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的N型半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管，这样阴极N型半导体侧具有高浓度的掺杂，与欧姆接触端连接，当电压瞬时变换时流经的电流具有更好的导通性。
二、 器件设计2.1 工艺设计SiO2薄膜采用热氧化生长（制膜工艺）；光刻胶：正性Polyimide 匀胶机；去胶机；DWL 2000光刻机：最大基板尺寸: 200 ×200 mm2最小描绘尺寸: 0.5 μm最小描绘网格: 5 nm ；光刻掩模版：6" ；热扩散工艺；CMP以及清洗工艺；检测工艺2.2 版图设计L-Edit软件编辑，设置每个单元格1um；NSD薄膜电阻版图线宽为5um，电阻体结深为3um，衬底电极结深1um；引线孔的版图线宽为3um，反刻版线宽为5um，对版精度为1um三、 器件版图3.1 版图说明版图全貌（尺寸50um×50um）L1 版为扩硼版L2 版为扩磷版（衬底电极）L3 版为可调最大电阻的引线孔版L4 版为可调最小电阻的引线孔版L5 版为可调电阻为中值的引线孔版L6 版为可调电阻为3/4总阻值的引线孔版L7 版为可调最大电阻的反刻版L8 版为可调最小电阻的反刻版L9 版为可调电阻为中值的反刻版L10 版为可调电阻为3/4总阻值的反刻版以上10 块版各另需翻制一块，总计20 块版3.1 制版说明L1版为扩硼版（50um×50um）L2版为扩磷版（由一个5um×5um的方块组成）L3 版为可调最大电阻的引线孔版版图尺寸：18um×33um（由3个3um×3um的方格组成）L7 版为可调最大电阻的反刻版版图尺寸：20um×35um（由3个5um×5um的方格组成） L4 版为可调最小电阻的引线孔版版图尺寸：33um×33um（由3个3um×3um的方格组成）L5 版为可调最小电阻的反刻版版图尺寸：35um×35um（由3个5um×5um的方格组成）L5 版为可调电阻为中值的引线孔版版图尺寸：48um×33um（由3个3um×3um的方格组成）L9 版为可调电阻为中值的反刻版版图尺寸：50um×35um（由3个5um×5um的方格组成）L6 版为可调电阻为3/4总阻值的引线孔版版图尺寸：33um×48um（由3个3um×3um的方格组成）L10 版为可调电阻为3/4总阻值的反刻版版图尺寸：35um×50um（由3个5um×5um的方格组成）四、 器件工艺4.1工艺流程图取重掺杂的N型硅CMP工艺磨平，外延生长一层轻掺杂的N型硅热氧化生长一层，背面保护 光刻L1，背面保护，刻蚀注硼孔扩散热氧化生长一层，背面保护光刻，L2，形成接触孔真空电镀一层金属光刻，L3，反刻刻蚀形成接触孔，洗去光刻胶磨角在斜面端形成一层保护层 4.2工艺计算 取一块浓度为的N型衬底，外延生长一层浓度为的轻掺杂N型硅1. Wp=61um电阻率480欧姆~cmdH附图： 4.3工艺流程表①取本体浓度的N型硅进行热氧化生成SiO2。
②用L1版进行第一次光刻：打开硼扩散窗口 ③采用恒定源扩散进行预扩散，表面浓度为，在1000℃下进行8.26min的硼扩散，得到结深=0.15μm ④撤去恒定扩散源，在1200℃下进行90min的再扩散，得到结深=3μm可得电阻率ρ=0.015Ω㎝，薄层电阻=50Ω/□ ⑤用L2版光刻得磷扩散窗口 ⑥采用恒定源扩散进行预扩散，表面浓度为在1000℃下进行10min的磷扩散，得到结深=0.2μm ⑦撤去恒定扩散源，在1000℃下进行35min的再扩散，得到结深=1μm ⑧用L3版光刻得引线孔 ⑨用L7版反刻得金属电极再分别用版图和4版图8做最大电阻接触孔，用版图5和版图9做中值电阻的接触孔，用版图6和版图10做3/4阻值的接触孔）五、 阻值计算电路折角处方块约为1.5个方块值，引线采用铝铜合金=5Ω/□电阻计算公式：R=×L/w+0.5×N+ （N为折角数，为接触电阻）最小值电阻 R1=×8.8+0.5×2+×2=500Ω最大值电阻R2=×34.8+0.5×8+×2=2000Ω中值电阻 R3=×17.8+0.5×4+×2=1000Ω3/4总电阻值电阻 R4=×26.8+0.5×6+×2=1500Ω六、 总结与体会 在设计的时候忘记考虑接触电阻 最开始衬底电极位置如图所示，但经过计算后发现如此做在具体计算的时候并不方便总结：1.根据器件需求，最直接的需求——2.根据已有的工艺技术条件（如光刻工艺和掺杂工艺）——3.定好合适的参数——4.设计版图，计算相应的阻值——5.检查与验算体会：1.光是设计一个简单的电阻过程就如此繁琐，所以搞设计的话不仅需要严谨的科学态度更需要有良好的耐心（不能急切与浮躁）。
2.半导体的设计涉及到很多方方面面的东西（比如光刻三要素，显影液等材料或工艺，尤其是扩散方式步骤深度温度等计算，以及设计要考虑的距离尺寸等等），和数学物理、化学、材料等都有密切的联系，所以学习半导体器件的设计需要有良好的基础（物理数学）以及其他一些学科的相关和必要掌握的东西（最好是和以后想从事的工作有关），需要雄厚的积累 3.不要忽略实际过程中的具体操作会遇到的问题，比如给不同版层的命名和对版标记，备版（就和编程里的注释一样），要珍惜并善于运用前人的经验（比如查图）4.工业化流程设计应最优最简，同时也要有创新意识。