用于可重構偶極子天線的異質Ge基SPiN二極管串的制備方法與流程

本發明屬于半導體器件制造技術領域，涉及天線技術領域，尤其涉及一種用于可重構偶極子天線的異質Ge基SPiN二極管串的制備方法。

背景技術：

隨著科學技術的進一步發展，無線通信技術在人們的生活中發揮著越來越重要的作用。無線通信利用無線電波進行工作，而無線電波的接收和發送靠天線完成，天線的性能直接影響整個無線通信系統。

隨著無線系統向大容量、多功能、多頻段/超寬帶方向的發展，不同通信系統相互融合，使得在同一平臺上搭載的信息子系統數量增加，天線數量也相應增加，但天線數量的增加對通信系統的電磁兼容性、成本、重量等方面有較大的負面影響。因此，無線通信系統要求天線能根據實際使用環境來改變其電特性，即實現天線特性的“可重構”。可重構天線具有多個天線的功能，減少了系統中天線的數量。其中，可重構微帶天線因其體積較小，剖面低等優點受到可重構天線研究領域的關注。

目前的頻率可重構微帶天線的各部分有互耦影響，頻率跳變慢，饋源結構復雜，隱身性能不佳，剖面高，集成加工的難度高。

技術實現要素：

為解決現有固態等離子天線的pin二極管串的技術缺陷和不足，本發明提出一種用于可重構偶極子天線的異質Ge基SPiN二極管串的制備方法。本發明要解決的技術問題通過以下技術方案實現：

本發明的實施例提供了一種用于可重構偶極子天線的異質Ge基SPiN二極管串的制備方法，其中，所述可重構偶極子天線包括第一天線臂和第二天線臂，所述第一天線臂和第二天線臂包括多個異質Ge基SPiN二極管串，所述異質Ge基SPiN二極管串的制造方法包括如下步驟：

(a)選取某一晶向的GeOI襯底并在其內設置隔離區；

(b)刻蝕所述GeOI襯底形成P型溝槽和N型溝槽，所述P型溝槽和所述N型溝槽的深度小于所述GeOI襯底的頂層Ge的厚度；

(c)利用多晶硅填充所述P型溝槽和所述N型溝槽；平整化處理所述GeOI襯底后，在所述GeOI襯底上形成多晶硅層；

(d)光刻所述多晶硅層，并采用帶膠離子注入的方法對所述P型溝槽和所述N型溝槽所在位置分別注入P型雜質和N型雜質以形成P型有源區和N型有源區且同時形成P型接觸區和N型接觸區；

(e))去除光刻膠；利用濕法刻蝕去除所述P型接觸區和所述N型接觸區以外的所述多晶硅層；

(f)在所述GeOI襯底上形成引線，形成異質Ge基SPiN二極管；

(g)在多個所述異質Ge基SPiN二極管上光刻PAD實現多個所述異質Ge基SPiN二極管的串行連接以形成多個所述SPiN二極管串。

在本發明的一個實施例中，所述可重構偶極子天線還包括同軸饋線和直流偏置線；所述第一天線臂和所述第二天線臂分別設置于所述同軸饋線的兩側；所述直流偏置線連接所述SPiN二極管串與直流偏置電源。

其中，所述第一天線臂和所述第二天線臂的長度為其接收或發送的電磁波波長的四分之一，在天線處于工作狀態時，所述第一天線臂和所述第二天線臂根據所述多個異質Ge基SPiN二極管串的導通與關斷實現天線臂長度的調節。

在本發明的一個實施例中，在所述GeOI襯底內設置隔離區，包括：

(a1)在所述GeOI襯底表面形成第一保護層；

(a2)利用光刻工藝在所述第一保護層上形成第一隔離區圖形；

(a3)利用干法刻蝕工藝在所述第一隔離區圖形的指定位置處刻蝕所述第一保護層及所述GeOI襯底以形成隔離槽，且所述隔離槽的深度大于等于所述GeOI襯底的頂層Ge的厚度；

(a4)填充所述隔離槽以形成所述異質Ge基SPiN二極管的所述隔離區。

在上述實施例的基礎上，所述第一保護層包括第一二氧化硅層和第一氮化硅層；相應地，步驟(a1)包括：

(a11)在所述GeOI襯底表面生成二氧化硅以形成第一二氧化硅層；

(a12)在所述第一二氧化硅層表面生成氮化硅以形成第一氮化硅層。

在本發明的一個實施例中，步驟(b)包括：

(b1)在所述GeOI襯底表面形成第二保護層；

(b2)利用光刻工藝在所述第二保護層上形成第二隔離區圖形；

(b3)利用干法刻蝕工藝在所述第二隔離區圖形的指定位置處刻蝕所述第二保護層及所述GeOI襯底以形成所述P型溝槽和所述N型溝槽。

在上述實施例的基礎上，所述第二保護層包括第二二氧化硅層和第二氮化硅層；相應地，步驟(b1)包括：

(b11)在所述GeOI襯底表面生成二氧化硅以形成第二二氧化硅層；

(b12)在所述第二二氧化硅層表面生成氮化硅以形成第二氮化硅層。

在上述實施例的基礎上，在步驟(c)之前，還包括：

(x1)氧化所述P型溝槽和所述N型溝槽以使所述P型溝槽和所述N型溝槽的內壁形成氧化層；

(x2)利用濕法刻蝕工藝刻蝕所述P型溝槽和所述N型溝槽內壁的氧化層以完成所述P型溝槽和所述N型溝槽內壁的平整化。

在本發明的一個實施例中，步驟(f)包括：

(f1)在所述GeOI襯底上生成二氧化硅；

(f2)利用退火工藝激活有源區中的雜質；

(f3)在所述P型接觸區和所述N型接觸區光刻引線孔以形成引線；

(f4)鈍化處理并光刻PAD以形成所述異質Ge基SPiN二極管。

本發明的提供的一種用于可重構偶極子天線的異質Ge基SPiN二極管串的制備方法的優點在于：

1、體積小、剖面低，結構簡單、易于加工。

2、采用同軸電纜作為饋源，無復雜饋源結構。

3、采用SPiN二極管作為天線的基本組成單元，只需通過控制其導通或斷開，即可實現頻率的可重構。

4、所有組成部分均在半導體基片一側，易于制版加工。

附圖說明

為了清楚說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發明提供的一種異質Ge基SPiN二極管可重構偶極子天線結構示意圖；

圖2為本發明實施例的一種異質Ge基SPiN二極管的制作方法流程圖；

圖3為本發明實施例的異質Ge基SPiN二極管的結構示意圖。

圖4a-圖4r為本發明實施例的一種異質Ge基SPiN二極管的制備方法示意圖；

圖5為本發明實施例提供的一種SPiN二極管串的結構示意圖。

具體實施方式

為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方案對本發明一種用于可重構偶極子天線的異質Ge基SPiN二極管串作進一步詳細描述。實例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的部件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的額部分和特征。本發明的實施方案的范圍包括權利要求書的整個范圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。

下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。

實施例一

本發明的實施例提供了一種用于可重構偶極子天線的異質Ge基SPiN二極管串的制備方法，其中，所述可重構偶極子天線包括第一天線臂和第二天線臂，所述第一天線臂和第二天線臂包括多個異質Ge基SPiN二極管串，請參見圖2，圖2為所述異質Ge基SPiN二極管串的制造方法包括如下步驟：

(a)選取某一晶向的GeOI襯底并在其內設置隔離區；

(b)刻蝕所述GeOI襯底形成P型溝槽和N型溝槽，所述P型溝槽和所述N型溝槽的深度小于所述GeOI襯底的頂層Ge的厚度；

(c)利用多晶硅填充所述P型溝槽和所述N型溝槽；平整化處理所述GeOI襯底后，在所述GeOI襯底上形成多晶硅層；

(d)光刻所述多晶硅層，并采用帶膠離子注入的方法對所述P型溝槽和所述N型溝槽所在位置分別注入P型雜質和N型雜質以形成P型有源區和N型有源區且同時形成P型接觸區和N型接觸區；

(e))去除光刻膠；利用濕法刻蝕去除所述P型接觸區和所述N型接觸區以外的所述多晶硅層；

(f)在所述GeOI襯底上形成引線，形成異質Ge基SPiN二極管；

(g)在多個所述異質Ge基SPiN二極管上光刻PAD實現多個所述異質Ge基SPiN二極管的串行連接以形成多個所述SPiN二極管串。

請參見圖1，圖1為可重構偶極子天線結構示意圖，包括：

所述可重構偶極子天線還包括同軸饋線和直流偏置線；所述第一天線臂和所述第二天線臂分別設置于所述同軸饋線的兩側；所述直流偏置線連接所述SPiN二極管串與直流偏置電源。

其中，所述第一天線臂和所述第二天線臂的長度為其接收或發送的電磁波波長的四分之一，在天線處于工作狀態時，所述第一天線臂和所述第二天線臂根據所述多個異質Ge基SPiN二極管串的導通與關斷實現天線臂長度的調節。

在本發明的一個實施例中，在所述GeOI襯底內設置隔離區，包括：

(a1)在所述GeOI襯底表面形成第一保護層；

具體地，第一保護層包括第一二氧化硅(SiO2)層和第一氮化硅(SiN)層；則第一保護層的形成包括：在GeOI襯底表面生成二氧化硅(SiO2)以形成第一二氧化硅(SiO2)層；在第一二氧化硅(SiO2)層表面生成氮化硅(SiN)以形成第一氮化硅(SiN)層。這樣做的好處在于，利用二氧化硅(SiO2)的疏松特性，將氮化硅(SiN)的應力隔離，使其不能傳導進頂層Ge，保證了頂層Ge性能的穩定；基于氮化硅(SiN)與Ge在干法刻蝕時的高選擇比，利用氮化硅(SiN)作為干法刻蝕的掩蔽膜，易于工藝實現。當然，可以理解的是，保護層的層數以及保護層的材料此處不做限制，只要能夠形成保護層即可。

(a2)利用光刻工藝在所述第一保護層上形成第一隔離區圖形；

(a3)利用干法刻蝕工藝在所述第一隔離區圖形的指定位置處刻蝕所述第一保護層及所述GeOI襯底以形成隔離槽，且所述隔離槽的深度大于等于所述GeOI襯底的頂層Ge的厚度；

(a4)填充所述隔離槽以形成所述異質Ge基SPiN二極管的所述隔離區。

在上述實施例的基礎上，所述第一保護層包括第一二氧化硅層和第一氮化硅層；相應地，步驟(a1)包括：

(a11)在所述GeOI襯底表面生成二氧化硅以形成第一二氧化硅層；

(a12)在所述第一二氧化硅層表面生成氮化硅以形成第一氮化硅層。

其中，對于步驟(a)，采用GeOI襯底的原因在于，對于固態等離子天線由于其需要良好的微波特性，而固態等離子pin二極管為了滿足這個需求，需要具備良好的隔離特性和載流子即固態等離子體的限定能力，而GeOI襯底由于其具有能夠與隔離槽方便的形成pin隔離區域、二氧化硅(SiO2)也能夠將載流子即固態等離子體限定在頂層Ge中，所以優選采用GeOI作為固態等離子pin二極管的襯底。并且，由于Ge材料具有高的載流子遷移率，故使器件性能提高。

在本發明的一個實施例中，步驟(b)包括：

(b1)在所述GeOI襯底表面形成第二保護層；

具體地，第二保護層包括第二二氧化硅(SiO2)層和第二氮化硅(SiN)層；則第二保護層的形成包括：在GeOI襯底表面生成二氧化硅(SiO2)以形成第二二氧化硅(SiO2)層；在第二二氧化硅(SiO2)層表面生成氮化硅(SiN)以形成第二氮化硅(SiN)層。這樣做的好處類似于第一保護層的作用，此處不再贅述。

(b2)利用光刻工藝在所述第二保護層上形成第二隔離區圖形；

(b3)利用干法刻蝕工藝在所述第二隔離區圖形的指定位置處刻蝕所述第二保護層及所述GeOI襯底以形成所述P型溝槽和所述N型溝槽。

其中，P型溝槽和N型溝槽的深度大于第二保護層厚度且小于第二保護層與GeOI襯底頂層Ge厚度之和。優選地，該P型溝槽和N型溝槽的底部距GeOI襯底的頂層Ge底部的距離為0.5微米～30微米，形成一般認為的深槽，這樣在形成P型和N型有源區時可以形成雜質分布均勻、且高摻雜濃度的P、N區和和陡峭的Pi與Ni結，以利于提高i區等離子體濃度。

在上述實施例的基礎上，所述第二保護層包括第二二氧化硅層和第二氮化硅層；相應地，步驟(b1)包括：

(b11)在所述GeOI襯底表面生成二氧化硅以形成第二二氧化硅層；

(b12)在所述第二二氧化硅層表面生成氮化硅以形成第二氮化硅層。

在上述實施例的基礎上，在步驟(c)之前，還包括：

(x1)氧化所述P型溝槽和所述N型溝槽以使所述P型溝槽和所述N型溝槽的內壁形成氧化層；

(x2)利用濕法刻蝕工藝刻蝕所述P型溝槽和所述N型溝槽內壁的氧化層以完成所述P型溝槽和所述N型溝槽內壁的平整化。

具體地，平整化處理可以采用如下步驟：氧化P型溝槽和N型溝槽以使P型溝槽和N型溝槽的內壁形成氧化層；利用濕法刻蝕工藝刻蝕P型溝槽和N型溝槽內壁的氧化層以完成P型溝槽和N型溝槽內壁的平整化。這樣做的好處在于：可以防止溝槽側壁的突起形成電場集中區域，造成Pi和Ni結擊穿。

在本發明的一個實施例中，步驟(f)包括：

(f1)在所述GeOI襯底上生成二氧化硅；

(f2)利用退火工藝激活有源區中的雜質；

(f3)在所述P型接觸區和所述N型接觸區光刻引線孔以形成引線；

(f4)鈍化處理并光刻PAD以形成所述異質Ge基SPiN二極管。

本發明提供的異質Ge基SPiN二極管的制備方法具備如下優點：

(1)pin二極管所使用的鍺材料，由于其高遷移率和大載流子壽命的特性，能有效提高了pin二極管的固態等離子體濃度；

(2)pin二極管采用異質結結構，由于I區為鍺，其載流子遷移率高且禁帶寬度比較窄，在P、N區填充多晶硅從而形成異質結結構，硅材料的禁帶寬度大于鍺，故可產生高的注入比，提高器件性能；

(3)pin二極管所使用的鍺材料由于其氧化物GeO熱穩定性差的特性，P區和N區深槽側壁平整化的處理可在高溫環境自動完成，簡化了材料的制備方法。

實施例二

請參見圖4a-圖4r，圖4a-圖4r為本發明實施例的一種異質Ge基等離子pin二極管的制備方法示意圖，在上述實施例一的基礎上，以制備溝道長度為22nm(固態等離子區域長度為100微米)的異質Ge基固態等離子pin二極管為例進行詳細說明，具體步驟如下：

步驟1，襯底材料制備步驟：

(1a)如圖4a所示，選取(100)晶向，摻雜類型為p型，摻雜濃度為1014cm-3的GeOI襯底片101，頂層Ge的厚度為50μm；

(1b)如圖4b所示，采用化學氣相沉積(Chemical vapor deposition，簡稱CVD)的方法，在GeOI襯底上淀積一層40nm厚度的第一SiO2層201；

(1c)采用化學氣相淀積的方法，在襯底上淀積一層2μm厚度的第一Si3N4/SiN層202；

步驟2，隔離制備步驟：

(2a)如圖4c所示，通過光刻工藝在上述保護層上形成隔離區，濕法刻蝕隔離區第一Si3N4/SiN層202，形成隔離區圖形；采用干法刻蝕，在隔離區形成寬5μm，深為50μm的深隔離槽301；

(2b)如圖4d所示，采用CVD的方法，淀積SiO2 401將該深隔離槽填滿；

(2c)如圖4e所示，采用化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP)方法，去除表面第一Si3N4/SiN層202和第一SiO2層201，使GeOI襯底表面平整；

步驟3，P、N區深槽制備步驟：

(3a)如圖4f所示，采用CVD方法，在襯底上連續淀積延二層材料，第一層為300nm厚度的第二SiO2層601，第二層為500nm厚度的第二Si3N4/SiN層602；

(3b)如圖4g所示，光刻P、N區深槽，濕法刻蝕P、N區第二Si3N4/SiN層602和第二SiO2層601，形成P、N區圖形；采用干法刻蝕，在P、N區形成寬4μm，深5μm的深槽701，P、N區槽的長度根據在所制備的天線中的應用情況而確定；

(3c)如圖4h所示，在850℃下，高溫處理10分鐘，氧化槽內壁形成氧化層801，以使P、N區槽內壁平整；

(3d)如圖4i所示，利用濕法刻蝕工藝去除P、N區槽內壁的氧化層801。

步驟4，P、N接觸區制備步驟：

(4a)如圖4j所示，采用CVD的方法，在P、N區槽中淀積多晶硅1001，并將溝槽填滿；

(4b)如圖4k所示，采用CMP，去除表面多晶硅1001與第二Si3N4/SiN層602，使表面平整；

(4c)如圖4l所示，采用CVD的方法，在表面淀積一層多晶硅1201，厚度為200～500nm；

(4d)如圖4m所示，光刻P區有源區，采用帶膠離子注入方法進行p+注入，使P區有源區摻雜濃度達到0.5×1020cm-3，去除光刻膠，形成P接觸1301；

(4e)光刻N區有源區，采用帶膠離子注入方法進行n+注入，使N區有源區摻雜濃度為0.5×1020cm-3，去除光刻膠，形成N接觸1302；

(4f)如圖4n所示，采用濕法刻蝕，刻蝕掉P、N接觸區以外的多晶硅1201，形成P、N接觸區；

(4g)如圖4o所示，采用CVD的方法，在表面淀積SiO2 1501，厚度為800nm；

(4h)在1000℃，退火1分鐘，使離子注入的雜質激活、并且推進多晶硅中雜質；

步驟5，構成PIN二極管步驟：

(5a)如圖4p所示，在P、N接觸區光刻引線孔1601；

(5b)如圖4q所示，襯底表面濺射金屬，在750℃合金形成金屬硅化物1701，并刻蝕掉表面的金屬；

(5c)襯底表面濺射金屬，光刻引線；

(5d)如圖4r所示，淀積Si3N4/SiN形成鈍化層1801，光刻PAD，形成pin二極管，作為制備固態等離子天線材料。

本發明制備的異質Ge基SPiN二極管串用于可重構偶極子天線，首先，所使用的鍺材料，由于其高遷移率和大載流子壽命的特性，提高了pin二極管的固態等離子體濃度；另外，Ge基pin二極管的P區與N區采用了基于刻蝕的深槽刻蝕的多晶硅鑲嵌工藝，該工藝能夠提供突變結pi與ni結，并且能夠有效地提高pi結、ni結的結深，使固態等離子體的濃度和分布的可控性增強，有利于制備出高性能的等離子天線；其次，鍺材料由于其氧化物GeO熱穩定性差的特性，P區和N區深槽側壁平整化的處理可在高溫環境自動完成，簡化了材料的制備方法；再次，本發明制備的應用于固態等離子可重構天線的異質Ge基pin二極管采用了一種基于刻蝕的深槽介質隔離工藝，有效地提高了器件的擊穿電壓，抑制了漏電流對器件性能的影響。

實施例三

請參照圖3，圖3為本發明實施例的異質Ge基SPiN二極管的器件結構示意圖。該異質Ge基SPiN二極管采用上述如圖1所示的制備方法制成，具體地，該異質Ge基SPiN二極管在GeOI襯底301上制備形成，且pin二極管的P區304、N區305以及橫向位于該P區304和該N區305之間的I區均位于該GeOI襯底的頂層Ge302內。其中，該pin二極管可以采用STI深槽隔離，即該P區304和該N區305外側各設置有一隔離槽303，且該隔離槽303的深度大于等于該頂層Ge302的厚度。

綜上所述，本文中應用了具體個例對本發明固態等離子pin二極管及其制備方法的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制，本發明的保護范圍應以所附的權利要求為準。