Ge异质SPiN二极管频率可重构套筒偶极子天线制备方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种Ge异质SPiN二极管频率可重构套筒偶极子天线制备方法。

背景技术：

在天线技术发展迅猛的今天，传统的套筒单极子天线以其宽频带、高增益、结构简单、馈电容易且纵向尺寸、方位面全向等诸多优点广泛应用于车载、舰载和遥感等通信系统中。但是普遍使用的套筒单极子天线的电特征不仅依赖于套筒结构，且与地面有很大的关系，这就很难满足舰载通信工程中架高天线对宽频带和小型化的需求。

套筒偶极子天线是天线辐射体外加上了一个与之同轴的金属套筒而形成的振子天线。套筒天线在加粗振子的同时，引入不对称馈电，起到了类似电路中参差调谐的作用，进而更有效地展宽了阻抗带宽。同时，为突破传统天线固定不变的工作性能难以满足多样的系统需求和复杂多变的应用环境，可重构天线的概念得到重视并获得发展。可重构微带天线因其体积小，剖面低等优点成为可重构天线研究的热点。基于此，可重构的套筒偶极子天线成为当前市场前景较好的产品之一。

随着微电子技术的发展，采用半导体材料制作可重构天线已经成为当前技术发展的趋势。因此，如何采用半导体工艺技术设计出结构简单，易于实现的频率可重构的套筒偶极子天线，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种SPiN二极管可重构等离子套筒偶极子天线。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的实施例提供了一种Ge异质SPiN二极管频率可重构套筒偶极子天线制备方法，其中，所述套筒偶极子天线包括GeOI衬底、天线臂、套筒、同轴馈线、直流偏置线；其中，所述制备方法包括：

在所述GeOI衬底上按照所述套筒偶极子天线的结构制作多个横向SPiN二极管，且所述横向SPiN二极管的P区采用Si材料、i区采用Ge材料及N区采用Si材料以形成异质Ge基SPiN二极管；

在多个所述横向SPiN二极管上光刻PAD实现多个所述横向SPiN二极管的串行连接以形成多个所述SPiN二极管串；

制作直流偏置线以连接所述SPiN二极管串与直流偏置电源；

利用多个所述SPiN二极管串制作所述天线臂和所述套筒；

制作所述同轴馈线以连接所述天线臂及所述套筒，最终形成所述套筒偶极子天线。

在本发明的一个实施例中，在所述GeOI衬底上按照所述套筒偶极子天线的结构制作多个横向SPiN二极管，包括：

(a)在所述GeOI衬底上按照所述套筒偶极子天线的结构设置隔离区；

(b)刻蚀所述GeOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽，所述P型沟槽和所述N型沟槽的深度小于所述GeOI衬底的顶层Ge的厚度；

(c)填充所述P型沟槽和所述N型沟槽，并采用离子注入工艺在所述P型沟槽和所述N型沟槽内形成P型有源区和N型有源区；以及

(d)在所述GeOI衬底上形成引线以形成所述横向SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，步骤(a)包括：

(a1)在所述GeOI衬底表面形成第一保护层；

(a2)利用光刻工艺在所述第一保护层上形成第一隔离区图形；

(a3)利用干法刻蚀工艺在所述第一隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第一保护层及所述GeOI衬底以形成隔离槽，且所述隔离槽的深度大于等于所述GeOI衬底的顶层Ge的厚度；

(a4)填充所述隔离槽以形成所述横向SPiN二极管的所述隔离区。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

(b1)在所述GeOI衬底表面形成第二保护层；

(b2)利用光刻工艺在所述第二保护层上形成第二隔离区图形；

(b3)利用干法刻蚀工艺在所述第二隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第二保护层及所述GeOI衬底以形成所述P型沟槽和所述N型沟槽。

在本发明的一个实施例中，在步骤(c)之前，还包括：

(x1)氧化所述P型沟槽和所述N型沟槽以使所述P型沟槽和所述N型沟槽的内壁形成氧化层；

(x2)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的氧化层以完成所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的平整化。

在本发明的一个实施例中，步骤(c)，包括：

(c1)利用多晶硅填充所述P型沟槽和所述N型沟槽；

(c2)平整化处理所述GeOI衬底后，在所述GeOI衬底上形成多晶硅层；

(c3)光刻所述多晶硅层，并采用带胶离子注入的方法对所述P型沟槽和所述N型沟槽所在位置分别注入P型杂质和N型杂质以形成P型有源区和N型有源区且同时形成P型接触区和N型接触区；

(c4))去除光刻胶；

(c5)利用湿法刻蚀去除所述P型接触区和所述N型接触区以外的所述多晶硅层。

在本发明的一个实施例中，步骤(d)包括：

(d1)在所述GeOI衬底上生成二氧化硅；

(d2)利用退火工艺激活所述P型有源区和N型有源区中的杂质；

(d3)在所述P型有源区和所述N型有源区表面光刻引线孔以形成引线。

在本发明的一个实施例中，制备直流偏置线，包括：

利用CVD工艺采用铜、铝或者高掺杂的多晶硅制备形成所述直流偏置线。

在本发明的一个实施例中，利用多个所述SPiN二极管串制作所述天线臂和所述套筒，包括：

划分多个所述SPiN二极管串形成SPiN二极管天线臂、第一SPiN二极管套筒及第二SPiN二极管套筒，其中所述SPiN二极管天线臂、所述第一SPiN二极管套筒及所述第二SPiN二极管套筒均包括串行连接的相同个数的所述SPiN二极管串，且对应位置的所述SPiN二极管串包括相同个数的横向SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，制作所述同轴馈线，包括：

将所述同轴馈线的内芯线连接至所述SPiN二极管天线臂且将所述同轴馈线的外导体连接至所述第一SPiN二极管套筒与所述第二SPiN二极管套筒。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明实施例通过对SPiN二极管采用了异质结结构，从而提高了载流子的注入效率和电流，故使异质Ge基SPiN二极管的性能优于同质SPiN二极管。异质Ge基SPiN二极管采用了一种基于刻蚀的GeOI深槽介质隔离工艺，有效地提高了器件的击穿电压，抑制了漏电流对器件性能的影响。另外，常规制作SPiN二极管的P区与N区的制备工艺中，均采用注入工艺形成，此方法要求注入剂量和能量较大，对设备要求高，且与现有工艺不兼容；而采用扩散工艺，虽结深较深，但同时P区与N区的面积较大，集成度低，掺杂浓度不均匀，影响SPiN二极管的电学性能，导致固态等离子体浓度和分布的可控性差。并且，本发明制备的基于异质Ge的频率可重构套筒偶极子天线，体积小、剖面低，结构简单、易于加工、无复杂馈源结构、频率可快速跳变，且天线关闭时将处于电磁波隐身状态，可用于各种跳频电台或设备；由于其所有组成部分均在半导体基片一侧，为平面结构，易于组阵，可用作相控阵天线的基本组成单元。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种Ge异质SPiN二极管频率可重构套筒偶极子天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种Ge异质SPiN二极管频率可重构套筒偶极子天线制备方法示意图；

图3为本发明实施例提供的一种横向SPiN二极管的制备方法示意图；

图4为本发明实施例提供的一种横向SPiN二极管的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种SPiN二极管串的结构示意图；以及

图6a-图6r为本发明实施例的一种横向SPiN二极管的制备方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种Ge异质SPiN二极管频率可重构套筒偶极子天线的结构示意图。该天线包括GeOI衬底1、SPiN二极管天线臂2、第一SPiN二极管套筒3、第二SPiN二极管套筒4、同轴馈线5、直流偏置线9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19；其中，

所述SPiN二极管天线臂2、所述第一SPiN二极管套筒3、所述第二SPiN二极管套筒4及所述直流偏置线9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19均制作于所述GeOI衬底1上；所述SPiN二极管天线臂2与所述第一SPiN二极管套筒3及所述第二SPiN二极管套筒4通过所述同轴馈线5连接，所述同轴馈线5的内芯线7连接所述SPiN二极管天线臂2且所述同轴馈线5的外导体8连接所述第一SPiN二极管套筒3及所述第二SPiN二极管套筒4；

其中，所述SPiN二极管天线臂2包括串行连接的SPiN二极管w1、w2、w3，所述第一SPiN二极管套筒3包括串行连接的SPiN二极管w4、w5、w6，所述第二SPiN二极管套筒4包括串行连接的SPiN二极管w7、w8、w9，每个所述SPiN二极管串w1、w2、w3、w4、w5、w6、w7、w8、w9通过对应的所述直流偏置线9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19连接至直流偏置电源。

该天线是通过金属直流偏置线控制SPiN二极管导通时形成的等离子天线臂及套筒长度实现天线工作频率的可重构，本发明的天线具有易集成、可隐身、频率可快速跳变的特点。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种Ge异质SPiN二极管频率可重构套筒偶极子天线制备方法示意图。该天线的制备方法可以包括：

在所述GeOI衬底上按照所述套筒偶极子天线的结构制作多个横向SPiN二极管，且所述横向SPiN二极管的P区采用Si材料、i区采用Ge材料及N区采用Si材料以形成异质Ge基SPiN二极管；

在多个所述横向SPiN二极管上光刻PAD实现多个所述横向SPiN二极管的串行连接以形成多个所述SPiN二极管串；

制作直流偏置线以连接所述SPiN二极管串与直流偏置电源；

利用多个所述SPiN二极管串制作所述天线臂和所述套筒；

制作所述同轴馈线以连接所述天线臂及所述套筒，最终形成所述套筒偶极子天线。

其中，采用GeOI衬底的原因在于，对于固态等离子天线由于其需要良好的微波特性，而SPiN二极管为了满足这个需求，需要具备良好的隔离特性和载流子即固态等离子体的限定能力，而GeOI衬底由于其具有能够与隔离槽方便的形成SPiN隔离区域、二氧化硅(SiO2)也能够将载流子即固态等离子体限定在顶层Ge中，所以优选采用GeOI作为固态等离子pin二极管的衬底。并且，由于Ge材料具有高的载流子迁移率，故使器件性能提高。

其中，制备直流偏置线，可以包括：

利用CVD工艺采用铜、铝或者高掺杂的多晶硅制备形成所述直流偏置线。

可选地，利用多个所述SPiN二极管串制作所述天线臂和所述套筒，包括：

划分多个所述SPiN二极管串形成SPiN二极管天线臂、第一SPiN二极管套筒及第二SPiN二极管套筒，其中所述SPiN二极管天线臂、所述第一SPiN二极管套筒及所述第二SPiN二极管套筒均包括串行连接的相同个数的所述SPiN二极管串，且对应位置的所述SPiN二极管串包括相同个数的横向SPiN二极管。

优选地，制作所述同轴馈线，可以包括：

将所述同轴馈线的内芯线连接至所述SPiN二极管天线臂且将所述同轴馈线的外导体连接至所述第一SPiN二极管套筒与所述第二SPiN二极管套筒。

需要说明的是，上述步骤并非具有特定的制作顺序，在实际制备中可以根据实际情况进行调整，此处不做限制。

本实施例中，SPiN二极管天线臂和SPiN二极管套筒均包括N段SPiN二极管串，N的取值范围为N≥2。且每段SPiN二极管串中的SPiN二极管的个数可根据实际需要选取，此处不做任何限制。

优选地，N＝3。即所述SPiN二极管天线臂2包括三段SPiN二极管串w1、w2、w3。所述第一SPiN二极管套筒3和所述第二SPiN二极管套筒4分别包括三段SPiN二极管串，其中，所述第一SPiN二极管套筒3包括三段SPiN二极管串w4、w5、w6，所述第二SPiN二极管套筒4包括三段SPiN二极管串w7、w8、w9。且所述SPiN二极管串w1和所述SPiN二极管串w6、所述SPiN二极管串w9的长度相等，所述SPiN二极管串w2和所述SPiN二极管串w5、所述SPiN二极管串w8的长度相等，所述SPiN二极管串w3和所述SPiN二极管串w4、所述SPiN二极管串w7的长度相等。每一个SPiN二极管串亦有直流偏置线外接电压正极。

本实施例制备的天线，其频率可重构偶极子天线体积小、剖面低，结构简单、易于加工、无复杂馈源结构、频率可快速跳变，且天线关闭时将处于电磁波隐身状态，可用于各种跳频电台或设备；由于其所有组成部分均在半导体基片一侧，为平面结构，易于组阵，可用作相控阵天线的基本组成单元。

实施例二

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种横向SPiN二极管的制备方法示意图。该制备方法可以包括如下步骤：

(a)在所述GeOI衬底上按照所述套筒偶极子天线的结构设置隔离区；

(b)刻蚀所述GeOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽，所述P型沟槽和所述N型沟槽的深度小于所述GeOI衬底的顶层Ge的厚度；

(c)填充所述P型沟槽和所述N型沟槽，并采用离子注入工艺在所述P型沟槽和所述N型沟槽内形成P型有源区和N型有源区；以及

(d)在所述GeOI衬底上形成引线以形成所述横向SPiN二极管。

其中，步骤(a)可以包括：

(a1)在所述GeOI衬底表面形成第一保护层；

(a2)利用光刻工艺在所述第一保护层上形成第一隔离区图形；

(a3)利用干法刻蚀工艺在所述第一隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第一保护层及所述GeOI衬底以形成隔离槽，且所述隔离槽的深度大于等于所述GeOI衬底的顶层Ge的厚度；

(a4)填充所述隔离槽以形成所述横向SPiN二极管的所述隔离区。

其中，步骤(b)可以包括：

(b1)在所述GeOI衬底表面形成第二保护层；

(b2)利用光刻工艺在所述第二保护层上形成第二隔离区图形；

(b3)利用干法刻蚀工艺在所述第二隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第二保护层及所述GeOI衬底以形成所述P型沟槽和所述N型沟槽。

可选地，在步骤(c)之前，还包括：

(x1)氧化所述P型沟槽和所述N型沟槽以使所述P型沟槽和所述N型沟槽的内壁形成氧化层；

(x2)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的氧化层以完成所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的平整化。具体地，平整化处理可以采用如下步骤：氧化P型沟槽和N型沟槽以使P型沟槽和N型沟槽的内壁形成氧化层；利用湿法刻蚀工艺刻蚀P型沟槽和N型沟槽内壁的氧化层以完成P型沟槽和N型沟槽内壁的平整化。这样做的好处在于：可以防止沟槽侧壁的突起形成电场集中区域，造成Pi和Ni结击穿。

可选地，步骤(c)可以包括：

(c1)利用多晶硅填充所述P型沟槽和所述N型沟槽；

(c2)平整化处理所述GeOI衬底后，在所述GeOI衬底上形成多晶硅层；

(c3)光刻所述多晶硅层，并采用带胶离子注入的方法对所述P型沟槽和所述N型沟槽所在位置分别注入P型杂质和N型杂质以形成P型有源区和N型有源区且同时形成P型接触区和N型接触区；

(c4))去除光刻胶；

(c5)利用湿法刻蚀去除所述P型接触区和所述N型接触区以外的所述多晶硅层。

其中，步骤(d)可以包括：

(d1)在所述GeOI衬底上生成二氧化硅；

(d2)利用退火工艺激活所述P型有源区和N型有源区中的杂质；

(d3)在所述P型有源区和所述N型有源区表面光刻引线孔以形成引线。

请一并参见图4及图5，图4为本发明实施例提供的一种横向SPiN二极管的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种SPiN二极管串的结构示意图。每个SPiN二极管串中包括多个横向SPiN二极管，且这些SPiN二极管串行连接。所述SPiN二极管串中的横向SPiN二极管由P+区27、N+区26和本征区22组成，金属接触区23位于P+区27处，金属接触区24位于N+区26处，处于SPiN二极管串的一端的横向SPiN二极管的金属接触区23连接至直流偏置的正极，处于SPiN二极管串的另一端的横向SPiN二极管的金属接触区24连接至直流偏置的负极，通过施加直流电压可使整个SPiN二极管串中所有横向SPiN二极管处于正向导通状态。

实施例三

请参见图6a-图6r，图6a-图6r为本发明实施例的一种横向SPiN二极管的制备方法示意图。本实施例在上述实施例的基础上，以制备等离子区域长度为100μm的基于GaAs的SPiN二极管(固态等离子PiN二极管)为例对SPiN二极管的制备进行详细说明，具体步骤如下：

在上述实施例一的基础上，以制备沟道长度为22nm(固态等离子区域长度为100微米)的异质Ge基固态等离子pin二极管为例进行详细说明，具体步骤如下：

步骤1，衬底材料制备步骤：

(1a)如图6a所示，选取(100)晶向，掺杂类型为p型，掺杂浓度为1014cm-3的GeOI衬底片101，顶层Ge的厚度为50μm；

(1b)如图6b所示，采用化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)的方法，在GeOI衬底上淀积一层40nm厚度的第一SiO2层201；

(1c)采用化学气相淀积的方法，在衬底上淀积一层2μm厚度的第一Si3N4/SiN层202；

步骤2，隔离制备步骤：

(2a)如图6c所示，通过光刻工艺在上述保护层上形成隔离区，湿法刻蚀隔离区第一Si3N4/SiN层202，形成隔离区图形；采用干法刻蚀，在隔离区形成宽5μm，深为50μm的深隔离槽301；

(2b)如图6d所示，采用CVD的方法，淀积SiO2 401将该深隔离槽填满；

(2c)如图6e所示，采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)方法，去除表面第一Si3N4/SiN层202和第一SiO2层201，使GeOI衬底表面平整；

步骤3，P、N区深槽制备步骤：

(3a)如图6f所示，采用CVD方法，在衬底上连续淀积延二层材料，第一层为300nm厚度的第二SiO2层601，第二层为500nm厚度的第二Si3N4/SiN层602；

(3b)如图6g所示，光刻P、N区深槽，湿法刻蚀P、N区第二Si3N4/SiN层602和第二SiO2层601，形成P、N区图形；采用干法刻蚀，在P、N区形成宽4μm，深5μm的深槽701，P、N区槽的长度根据在所制备的天线中的应用情况而确定；

(3c)如图6h所示，在850℃下，高温处理10分钟，氧化槽内壁形成氧化层801，以使P、N区槽内壁平整；

(3d)如图6i所示，利用湿法刻蚀工艺去除P、N区槽内壁的氧化层801。

步骤4，P、N接触区制备步骤：

(4a)如图6j所示，采用CVD的方法，在P、N区槽中淀积多晶硅1001，并将沟槽填满；

(4b)如图6k所示，采用CMP，去除表面多晶硅1001与第二Si3N4/SiN层602，使表面平整；

(4c)如图6l所示，采用CVD的方法，在表面淀积一层多晶硅1201，厚度为200～500nm；

(4d)如图6m所示，光刻P区有源区，采用带胶离子注入方法进行p+注入，使P区有源区掺杂浓度达到0.5×1020cm-3，去除光刻胶，形成P接触1301；

(4e)光刻N区有源区，采用带胶离子注入方法进行n+注入，使N区有源区掺杂浓度为0.5×1020cm-3，去除光刻胶，形成N接触1302；

(4f)如图6n所示，采用湿法刻蚀，刻蚀掉P、N接触区以外的多晶硅1201，形成P、N接触区；

(4g)如图6o所示，采用CVD的方法，在表面淀积SiO2 1501，厚度为800nm；

(4h)在1000℃，退火1分钟，使离子注入的杂质激活、并且推进多晶硅中杂质；

步骤5，构成PIN二极管步骤：

(5a)如图6p所示，在P、N接触区光刻引线孔1601；

(5b)如图6q所示，衬底表面溅射金属，在750℃合金形成金属硅化物1701，并刻蚀掉表面的金属；

(5c)衬底表面溅射金属，光刻引线；

(5d)如图6r所示，淀积Si3N4/SiN形成钝化层1801，光刻PAD，形成PIN二极管，作为制备固态等离子天线材料。

本发明制备的横向SPiN二极管，首先，所使用的锗材料，由于其高迁移率和大载流子寿命的特性，提高了SPiN二极管的固态等离子体浓度；另外，异质Ge基SPiN二极管的P区与N区采用了基于刻蚀的深槽刻蚀的多晶硅镶嵌工艺，该工艺能够提供突变结pi与ni结，并且能够有效地提高pi结、ni结的结深，使固态等离子体的浓度和分布的可控性增强，有利于制备出高性能的等离子天线；其次，锗材料由于其氧化物GeO热稳定性差的特性，P区和N区深槽侧壁平整化的处理可在高温环境自动完成，简化了材料的制备方法；再次，本发明制备的应用于固态等离子可重构天线的异质Ge基SPiN二极管采用了一种基于刻蚀的深槽介质隔离工艺，有效地提高了器件的击穿电压，抑制了漏电流对器件性能的影响。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。