基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管及其制備方法與流程

本發明涉及半導體器件制造技術領域，特別涉及一種基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管及其制備方法。

背景技術：

傳統金屬天線由于其重量和體積都相對較大，設計制作不靈活，自重構性和適應性較差，嚴重制約了雷達與通信系統的發展和性能的進一步提高。因此，近年來，研究天線寬頻帶、小型化、以及重構與復用的理論日趨活躍。

在這種背景下，研究人員提出了一種新型天線概念-等離子體天線，該天線是一種將等離子體作為電磁輻射導向媒質的射頻天線。等離子體天線的可利用改變等離子體密度來改變天線的瞬時帶寬、且具有大的動態范圍；還可以通過改變等離子體諧振、阻抗以及密度等，調整天線的頻率、波束寬度、功率、增益和方向性動態參數；另外，等離子體天線在沒有激發的狀態下，雷達散射截面可以忽略不計，而天線僅在通信發送或接收的短時間內激發，提高了天線的隱蔽性，這些性質可廣泛的應用于各種偵察、預警和對抗雷達，星載、機載和導彈天線，微波成像天線，高信噪比的微波通信天線等領域，極大地引起了國內外研究人員的關注，成為了天線研究領域的熱點。

但是當前絕大多數的研究只限于氣態等離子體天線，對固態等離子體天線的研究幾乎還是空白。而固態等離子體一般存在于半導體器件中，無需像氣態等離子那樣用介質管包裹，具有更好的安全性和穩定性。經理論研究發現，固態等離子體PiN二極管在加直流偏壓時，直流電流會在其表面形成自由載流子(電子和空穴)組成的固態等離子體，該等離子體具有類金屬特性，即對電磁波具有反射作用，其反射特性 與表面等離子體的微波傳輸特性、濃度及分布密切相關。

因此，如何制作一種固態等離子體PiN二極管來應用于固態等離子天線就變得尤為重要。

技術實現要素：

因此，為解決現有技術存在的技術缺陷和不足，本發明提出一種基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管及其制備方法。

具體地，本發明實施例提出的一種基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管及其制備方法，所述固態等離子體PiN二極管用于制作固態等離子天線，所述制備方法包括步驟：

(a)選取SOI襯底；

(b)刻蝕SOI襯底形成臺狀有源區；

(c)對所述臺狀有源區四周利用原位摻雜工藝分別淀積P型Si材料和N型Si材料形成P區和N區；

(d)在所述臺狀有源區四周淀積多晶Si材料；

(e)在所述多晶Si材料表面制作引線并光刻PAD以形成所述固態等離子體PiN二極管。

在本發明的一個實施例中，步驟(b)包括：

(b1)利用CVD工藝，在所述SOI襯底表面形成第一保護層；

(b2)采用第一掩膜版，利用光刻工藝在所述第一保護層上形成有源區圖形；

(b3)利用干法刻蝕工藝，對所述有源區圖形的指定位置四周刻蝕所述第一保護層及所述SOI襯底的頂層Si層從而形成有所述臺狀有源區。

在本發明的一個實施例中，步驟(b)之后，還包括：

(x1)利用氧化工藝，對所述臺狀有源區的側壁進行氧化以在所述臺狀有源區側壁 形成氧化層；

(x2)利用濕法刻蝕工藝刻蝕所述氧化層以完成對所述臺狀有源區側壁的平整化處理。

在本發明的一個實施例中，步驟(c)包括：

(c1)在整個襯底表面淀積第二保護層；

(c2)采用第二掩膜板，利用光刻工藝在所述第二保護層表面形成P區圖形；

(c3)利用濕法刻蝕工藝去除P區圖形上的所述第二保護層；

(c4)利用原位摻雜工藝，在所述臺狀有源區側壁淀積P型Si材料形成所述P區；

(c5)在整個襯底表面淀積第三保護層；

(c6)采用第三掩膜板，利用光刻工藝在所述第三保護層表面形成N區圖形；

(c7)利用濕法刻蝕工藝去除N區圖形上的所述第三保護層；

(c8)利用原位摻雜工藝，在所述臺狀有源區側壁淀積N型Si材料形成所述N區。

在本發明的一個實施例中，步驟(c4)包括：

(c41)利用原位摻雜工藝，在所述臺狀有源區側壁淀積P型Si材料；

(c42)采用第四掩膜版，利用干法刻蝕工藝刻蝕所述P型Si材料以在所述臺狀有源區的側壁形成所述P區；

(c43)利用選擇性刻蝕工藝去除整個襯底表面的所述第二保護層。

在本發明的一個實施例中，步驟(c8)包括：

(c81)利用原位摻雜工藝，在所述臺狀有源區側壁淀積N型Si材料；

(c82)采用第五掩膜版，利用干法刻蝕工藝刻蝕所述N型Si材料以在所述臺狀有源區的另一側壁形成所述N區；

(c83)利用選擇性刻蝕工藝去除整個襯底表面的所述第三保護層。

在本發明的一個實施例中，步驟(d)包括：

(d1)利用CVD工藝，在所述臺狀有源區四周淀積所述多晶Si材料；

(d2)利用CVD工藝，在整個襯底表面淀積第四保護層；

(d3)利用退火工藝激活所述P區和所述N區中的雜質。

在本發明的一個實施例中，步驟(e)包括：

(e1)采用第六掩膜版，利用光刻工藝在所述第四保護層表面形成引線孔圖形；

(e2)利用各向異性刻蝕工藝刻蝕所述第四保護層漏出部分所述多晶Si材料以形成所述引線孔；

(e3)對所述引線孔濺射金屬材料以形成金屬硅化物；

(e4)鈍化處理并光刻PAD以形成所述固態等離子體PiN二極管。

此外，本發明另一實施例提出的一種基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管，用于制作固態等離子天線，所述基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管采用上述任意方法實施例制得。

由上可知，本發明實施例通過采用原位摻雜能夠避免離子注入等方式帶來的不利影響，使得在有源區內可獲得均勻的摻雜，且能夠通過控制氣體流量來控制材料的摻雜濃度，更有利于獲得陡峭的摻雜界面，從而獲得更好的器件性能。原位摻雜同時也可以得到比較深的結深，可根據器件需要來制作相應的有源區，而離子注入工藝只能制作比較淺的有源區。相比于其他形式的二極管工藝，采用基于臺狀有源區的制作工藝可很大程度上簡化二極管的制作流程，使得這種二極管制作更加簡單。該固態等離子體PiN二極管等離子可重構天線可以是由SOI基固態等離子體PiN二極管按陣列排列組合而成，利用外部控制陣列中的固態等離子體PiN二極管選擇性導通，使該陣列形成動態固態等離子體條紋、具備天線的功能，對特定電磁波具有發射和接收功能，并且該天線可通過陣列中固態等離子體PiN二極管的選擇性導通，改變固態等離子體條紋形狀及分布，從而實現天線的重構，在國防通訊與雷達技術 方面具有重要的應用前景。

通過以下參考附圖的詳細說明，本發明的其它方面和特征變得明顯。但是應當知道，該附圖僅僅為解釋的目的設計，而不是作為本發明的范圍的限定，這是因為其應當參考附加的權利要求。還應當知道，除非另外指出，不必要依比例繪制附圖，它們僅僅力圖概念地說明此處描述的結構和流程。

附圖說明

下面將結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細的說明。

圖1為本發明實施例的一種基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管的制作方法流程圖；

圖2a-圖2s為本發明實施例的一種基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管的制備方法示意圖；

圖3為本發明實施例的一種基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管的器件結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

本發明提出了一種適用于形成固態等離子體可重構天線的固態等離子體PiN二極管及其制備方法。該固態等離子體PiN二極管可以是基于絕緣襯底上的硅(Silicon-On-Insulator，簡稱SOI)形成橫向PiN二極管，其在加直流偏壓時，直流電流會在其表面形成自由載流子(電子和空穴)組成的固態等離子體，該等離子體具有類金屬特性，即對電磁波具有反射作用，其反射特性與表面等離子體的微波傳輸特性、濃度及分布密切相關。

以下，將對本發明制備的基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管的工藝流程作進一步詳細描述。在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區域的厚度，所示大小并不代表實際尺寸。

實施例一

請參見圖1，圖1為本發明實施例的一種基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管的制作方法流程圖，該方法適用于制備基于SOI橫向固態等離子體PiN二極管，且該具有SiO₂保護作用的固態等離子體PiN二極管主要用于制作固態等離子天線。該方法包括如下步驟：

(a)選取SOI襯底；

(b)刻蝕SOI襯底形成臺狀有源區；

(c)對所述臺狀有源區四周利用原位摻雜工藝分別淀積P型Si材料和N型Si材料形成P區和N區；

(d)在所述臺狀有源區四周淀積多晶Si材料；

(e)在所述多晶Si材料表面制作引線并光刻PAD以形成所述固態等離子體PiN二極管。

其中，對于步驟(a)，采用SOI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，而固態等離子體PiN二極管為了滿足這個需求，需要具備良好的載流子即固態等離子體的限定能力，而二氧化硅(SiO₂)能夠將載流子即固態等離子體限定在頂層硅中，所以優選采用SOI作為固態等離子體PiN二極管的襯底。

另外，步驟(b)可以包括如下步驟：

(b1)利用CVD工藝，在所述SOI襯底表面形成第一保護層；

(b2)采用第一掩膜版，利用光刻工藝在所述第一保護層上形成有源區圖形；

(b3)利用干法刻蝕工藝，對所述有源區圖形的指定位置四周刻蝕所述第一保護層 及所述SOI襯底的頂層Si層從而形成有所述臺狀有源區。

再者，對于步驟(b)之后，具體可以包括如下步驟：

(x1)利用氧化工藝，對所述臺狀有源區的側壁進行氧化以在所述臺狀有源區側壁形成氧化層；

(x2)利用濕法刻蝕工藝刻蝕所述氧化層以完成對所述臺狀有源區側壁的平整化處理。

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。

再者，步驟(c)還可以包括：

(c1)在整個襯底表面淀積第二保護層；

(c2)采用第二掩膜板，利用光刻工藝在所述第二保護層表面形成P區圖形；

(c3)利用濕法刻蝕工藝去除P區圖形上的所述第二保護層；

(c4)利用原位摻雜工藝，在所述臺狀有源區側壁淀積P型Si材料形成所述P區；

(c5)在整個襯底表面淀積第三保護層；

(c6)采用第三掩膜板，利用光刻工藝在所述第三保護層表面形成N區圖形；

(c7)利用濕法刻蝕工藝去除N區圖形上的所述第三保護層；

(c8)利用原位摻雜工藝，在所述臺狀有源區側壁淀積N型Si材料形成所述N區。

需要說明的是：常規制作固態等離子體PiN二極管的P區與N區的制備工藝中，均采用注入工藝形成，此方法要求注入劑量和能量較大，對設備要求高，且與現有工藝不兼容；而采用擴散工藝，雖結深較深，但同時P區與N區的面積較大，集成度低，摻雜濃度不均勻，影響固態等離子體PiN二極管的電學性能，導致固態等離子體濃度和分布的可控性差。

采用原位摻雜能夠避免離子注入等方式帶來的不利影響，且能夠通過控制氣體 流量來控制材料的摻雜濃度，更有利于獲得陡峭的摻雜界面，從而獲得更好的器件性能。

其中，對于步驟(c4)，具體可以包括如下步驟：

(c41)利用原位摻雜工藝，在所述臺狀有源區側壁淀積P型Si材料；

(c42)采用第四掩膜版，利用干法刻蝕工藝刻蝕所述P型Si材料以在所述臺狀有源區的側壁形成所述P區；

(c43)利用選擇性刻蝕工藝去除整個襯底表面的所述第二保護層。

再者，步驟(c8)還可以包括：

(c81)利用原位摻雜工藝，在所述臺狀有源區側壁淀積N型Si材料；

(c82)采用第五掩膜版，利用干法刻蝕工藝刻蝕所述N型Si材料以在所述臺狀有源區的另一側壁形成所述N區；

(c83)利用選擇性刻蝕工藝去除整個襯底表面的所述第三保護層。

再者，對于步驟(d)，具體可以包括如下步驟：

(d1)利用CVD工藝，在所述臺狀有源區四周淀積所述多晶Si材料；

(d2)利用CVD工藝，在整個襯底表面淀積第四保護層；

(d3)利用退火工藝激活所述P區和所述N區中的雜質。

另外，步驟(d)之前，還可以包括：

(y1)在整個襯底表面淀積第四保護層并將所述有源區溝槽填滿；

(y2)利用退火工藝激活所述P區和N區中的雜質。

進一步地，步驟(e)可以包括：

(e1)采用第六掩膜版，利用光刻工藝在所述第四保護層表面形成引線孔圖形；

(e2)利用各向異性刻蝕工藝刻蝕所述第四保護層漏出部分所述多晶Si材料以形成所述引線孔；

(e3)對所述引線孔濺射金屬材料以形成金屬硅化物；

(e4)鈍化處理并光刻PAD以形成所述固態等離子體PiN二極管。

本發明實施例利用原位摻雜工藝能夠制備并提供適用于形成固態等離子天線的高性能基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管。

實施例二

請參見圖2a-圖2r，圖2a-圖2r為本發明實施例的一種基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管的制備方法示意圖，在上述實施例一的基礎上，以制備固態等離子區域長度為100微米的基于臺狀有源區的固態等離子體PiN二極管為例進行詳細說明，具體步驟如下：

S10、選取SOI襯底。

請參見圖2a，該SOI襯底101的晶向為(100)，另外，該SOI襯底101的摻雜類型為p型，摻雜濃度為10¹⁴cm^-3的，頂層Si的厚度例如為20μm。

S20、在所述SOI襯底表面淀積一層氮化硅。

請參見圖2b，采用化學氣相沉積(Chemical vapor deposition，簡稱CVD)的方法，在SOI襯底101上淀積氮化硅層201。

S30、刻蝕SOI襯底形成有源區溝槽。

請參見圖2c-1，利用光刻工藝在所述氮化硅層上形成臺面有源區圖形，利用干法刻蝕工藝在所述有源區圖形的指定位置處刻蝕所述保護層及頂層硅從而形成臺面有源區301，俯視圖請參見圖2c-2。

S40、臺面的有源區四周平坦化處理。

請參見圖2d-1，氧化所述臺面有源區的四周側壁以使所述臺面有源區的四周側壁形成氧化層401，俯視圖請參見圖2d-2；

請參見圖2e-1，利用濕法刻蝕工藝刻蝕所述臺面有源區的四周側壁氧化層以完 成所述臺面有源區的四周側壁平坦化，俯視圖請參見2e-2。

S50、在所述襯底表面淀積一層SiO₂。

請參見圖2f，利用CVD方法在所述襯底上淀積一層二氧化硅601。

S60、光刻所述SiO₂層。

請參見圖2g，利用光刻工藝在所述SiO₂層上形成P區圖形，利用濕法刻蝕工藝去除P區圖形上的SiO₂層。

S70、形成P區。

請參見圖2h，具體做法可以是：利用原位摻雜的方法，在所述SOI襯底表面的P區圖形上淀積p型硅形成P區801，通過控制氣體流量來控制P區的摻雜濃度。

S80、平整化襯底表面。

請參見圖2i，具體做法可以是：先利用干法刻蝕工藝使P區表面平整化，再利用濕法刻蝕工藝去除襯底表面的SiO₂層。

S90、在所述襯底表面淀積一層SiO₂。

請參見圖2j，具體做法可以是：利用CVD方法在所述襯底表面淀積二氧化硅層1001。

S100、光刻所述SiO₂層。

請參見圖2k，利用光刻工藝在所述SiO₂層上形成N區圖形；利用濕法刻蝕工藝去除N區上的SiO₂層。

S110、形成N區。

請參見圖2l，利用原位摻雜的方法，在所述SOI襯底表面的N區圖形上淀積n型硅形成N區1201，通過控制氣體流量來控制N區的摻雜濃度。

S120、平整化襯底表面。

請參見圖2m，先利用干法刻蝕工藝使N區表面平整化，再利用濕法刻蝕工藝去 除襯底表面的SiO₂層。

S130、淀積多晶硅層。

請參見圖2n，可以利用CVD的方法，在溝槽里濺射金屬層1401。

S140、在表面形成二氧化硅(SiO₂)層。

請參照圖2o，可以利用CVD的方法，在表面淀積二氧化硅(SiO₂)層1501，厚度為500nm。

S150、平整表面。

請參照圖2p，可以采用CMP方法去除表面二氧化硅與氮化硅(SiN)層，使表面平整。

S160、雜質激活。

在950-1150℃，退火0.5～2分鐘，使離子注入的雜質激活、并且推進有源區中雜質。

S170、光刻引線孔。

請參照圖2q，在二氧化硅(SiO₂)層上光刻引線孔1701。

S180、形成引線。

請參照圖2r，可以在襯底表面濺射金屬，合金化形成金屬硅化物，并刻蝕掉表面的金屬；再在襯底表面濺射金屬1801，光刻引線。

S190、鈍化處理，光刻PAD。

請參照圖2s，可以通過淀積氮化硅(SiN)形成鈍化層1901，光刻PAD。最終形成固態等離子體PiN二極管，作為制備固態等離子天線材料。

實施例三

請參照圖3，圖3為本發明實施例的固態等離子體PiN二極管的器件結構示意圖。該固態等離子體PiN二極管采用上述如圖1所示的制備方法制成。具體地，該固態 等離子體PiN二極管在SOI襯底301上制備形成，且PiN二極管的P區303、N區304以及橫向位于該P區303和該N區304之間的I區均位于該SOI襯底的頂層硅302內。

綜上所述，本文中應用了具體個例對本發明固態等離子體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。