制备全息天线的固态等离子二极管制造方法与流程

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种制备全息天线的固态等离子二极管制造方法。

背景技术：

传统金属天线由于其重量和体积都相对较大，设计制作不灵活，自重构性和适应性较差，严重制约了雷达与通信系统的发展和性能的进一步提高。因此，近年来，研究天线宽频带、小型化、以及重构与复用的理论日趋活跃。

在这种背景下，研究人员提出了一种新型天线概念-等离子体天线，该天线是一种将等离子体作为电磁辐射导向媒质的射频天线。等离子体天线的可利用改变等离子体密度来改变天线的瞬时带宽、且具有大的动态范围；还可以通过改变等离子体谐振、阻抗以及密度等，调整天线的频率、波束宽度、功率、增益和方向性动态参数；另外，等离子体天线在没有激发的状态下，雷达散射截面可以忽略不计，而天线仅在通信发送或接收的短时间内激发，提高了天线的隐蔽性，这些性质可广泛的应用于各种侦察、预警和对抗雷达，星载、机载和导弹天线，微波成像天线，高信噪比的微波通信天线等领域，极大地引起了国内外研究人员的关注，成为了天线研究领域的热点。

但是当前绝大多数的研究只限于气态等离子体天线，对固态等离子体天线的研究几乎还是空白。而固态等离子体一般存在于半导体器件中，无需像气态等离子那样用介质管包裹，具有更好的安全性和稳定性。经理论研究发现，固态等离子二极管在加直流偏压时，直流电流会在其表面形成自由载流子(电子和空穴)组成的固态等离子体，该等离子体具有类金属特性，即对电磁波具有反射作用，其反射特性与表面等离子体的微波传输特性、浓度及分布密切相关。

因此，如何制作一种固态等离子二极管来应用于全息天线就变得尤为重要。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种制备全息天线的固态等离子二极管制造方法。

具体地，本发明实施例提出的一种制备全息天线的固态等离子二极管制造方法，所述固态等离子二极管用于制作全息天线，所述全息天线包括：半导体基片(11)、天线模块(13)、第一全息圆环(15)及第二全息圆环(17)；所述天线模块(13)、所述第一全息圆环(15)及所述第二全息圆环(17)均采用半导体工艺制作于所述半导体基片(11)上；其中，所述天线模块(13)、所述第一全息圆环(15)及所述第二全息圆环(17)均包括依次串接的固态等离子二极管串。

所述制造方法包括步骤：

(a)选取SOI衬底；

(b)刻蚀SOI衬底形成有源区沟槽；

(c)在整个衬底表面淀积第二保护层；

(d)采用第二掩膜板，利用光刻工艺在所述第二保护层表面形成P区图形；

(e)利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的所述第二保护层；

(f)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积P型Si材料形成所述P区；

(g)在整个衬底表面淀积第三保护层；

(h)采用第三掩膜板，利用光刻工艺在所述第三保护层表面形成N区图形；

(i)利用湿法刻蚀工艺去除N区图形上的所述第三保护层；

(j)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积N型Si材料形成所述N区；

(k)光刻引线孔并金属化处理以形成所述固态等离子二极管。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

(b1)利用CVD工艺，在所述SOI衬底表面形成第一保护层；

(b2)采用第一掩膜版，利用光刻工艺在所述第一保护层上形成有源区图形；

(b3)利用干法刻蚀工艺，在所述有源区图形的指定位置处刻蚀所述第一保护层及所述SOI衬底的顶层Si层从而形成有所述有源区沟槽。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)之后，还包括：

(x1)利用氧化工艺，对所述有源区沟槽侧壁进行氧化以在所述有源区沟槽侧壁形成氧化层；

(x2)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述氧化层以完成对所述有源区沟槽侧壁的平整化。

在本发明的一个实施例中，步骤(f)包括：

(f1)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积P型Si材料；

(f2)采用第四掩膜版，利用干法刻蚀工艺刻蚀所述P型Si材料以在所述有源区沟槽的侧壁形成所述P区；

(f3)利用选择性刻蚀工艺去除整个衬底表面的所述第二保护层。

在本发明的一个实施例中，步骤(g)包括：

(g1)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积N型Si材料；

(g2)采用第五掩膜版，利用干法刻蚀工艺刻蚀所述N型Si材料以在所述有源区沟槽的另一侧壁形成所述N区；

(g3)利用选择性刻蚀工艺去除整个衬底表面的所述第三保护层。

在本发明的一个实施例中，步骤(k)之前，还包括：

(y1)在整个衬底表面淀积第四保护层并将所述有源区沟槽填满；

(y2)利用退火工艺激活所述P区和所述N区中的杂质。

在本发明的一个实施例中，步骤(k)包括：

(k1)采用第六掩膜版，利用光刻工艺在所述第四保护层表面形成引线孔图形；

(k2)利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述第四保护层形成所述引线孔；

(k3)对所述引线孔溅射金属材料；

(k4)钝化处理并光刻PAD以形成所述固态等离子二极管串。

在本发明的一个实施例中，所述天线模块(13)包括第一固态等离子二极管天线臂(1301)、第二固态等离子二极管天线臂(1302)、同轴馈线(1303)、第一直流偏置线(1304)、第二直流偏置线(1305)、第三直流偏置线(1306)、第四直流偏置线(1307)、第五直流偏置线(1308)、第六直流偏置线(1309)、第七直流偏置线(1310)、第八直流偏置线(1311)。

在本发明的一个实施例中，所述第一固态等离子二极管天线臂(1301)包括依次串接的第一固态等离子二极管串(w1)、第二固态等离子二极管串(w2)及所述第三固态等离子二极管串(w3)，所述第二固态等离子二极管天线臂(1302)包括依次串接的第四固态等离子二极管串(w4)、第五固态等离子二极管串(w5)及所述第六固态等离子二极管串(w6)且所述第一固态等离子二极管串(w1)与所述第六固态等离子二极管串(w6)、所述第二固态等离子二极管串(w2)与所述第五固态等离子二极管串(w5)、所述第三固态等离子二极管串(w3)与所述第四固态等离子二极管串(w4)分别包括同等数量的固态等离子二极管。

由上可知，本发明实施例通过采用原位掺杂能够避免离子注入等方式带来的不利影响，且能够通过控制气体流量来控制材料的掺杂浓度，更有利于获得陡峭的掺杂界面，从而获得更好的器件性能。该固态等离子二极管等离子可重构天线可以是由SOI基固态等离子二极管按阵列排列组合而成，利用外部控制阵列中的固态等离子二极管选择性导通，使该阵列形成动态固态等离子体条纹、具备天线的功能，对特定电磁波具有发射和接收功能，并且该天线可通过阵列中固态等离子二极管的选择性导通，改变固态等离子体条纹形状及分布，从而实现天线的重构，在国防通讯与雷达技术方面具有重要的应用前景。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例的一种全息天线的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种全息天线模块的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种制备全息天线的固态等离子二极管制作方法流程图；

图4a-图4r为本发明实施例的另一种制备全息天线的固态等离子二极管的制造方法示意图；

图5为本发明实施例的另一种制备全息天线的固态等离子二极管的器件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提出了一种适用于形成全息天线的固态等离子二极管及其制造方法。该固态等离子二极管可以是基于绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，简称SOI)形成横向固态等离子二极管，其在加直流偏压时，直流电流会在其表面形成自由载流子(电子和空穴)组成的固态等离子体，该等离子体具有类金属特性，即对电磁波具有反射作用，其反射特性与表面等离子体的微波传输特性、浓度及分布密切相关。

以下，将对本发明制备的全息天线的固态等离子二极管的工艺流程作进一步详细描述。在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。

实施例一

请参见图3，图3为本发明实施例的一种制备全息天线的固态等离子二极管制作方法流程图，该方法适用于制备基于SOI横向固态等离子二极管，且该固态等离子二极管主要用于制作全息天线。该方法包括如下步骤：

(a)选取SOI衬底；

其中，对于步骤(a)，采用SOI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，而固态等离子二极管为了满足这个需求，需要具备良好的载流子即固态等离子体的限定能力，而二氧化硅(SiO₂)能够将载流子即固态等离子体限定在顶层硅中，所以优选采用SOI作为固态等离子二极管的衬底。

(b)刻蚀SOI衬底形成有源区沟槽；

(c)在整个衬底表面淀积第二保护层；

(d)采用第二掩膜板，利用光刻工艺在所述第二保护层表面形成P区图形；

(e)利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的所述第二保护层；

(f)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积P型Si材料形成所述P区；

(g)在整个衬底表面淀积第三保护层；

(h)采用第三掩膜板，利用光刻工艺在所述第三保护层表面形成N区图形；

(i)利用湿法刻蚀工艺去除N区图形上的所述第三保护层；

(j)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积N型Si材料形成所述N区。

需要说明的是：常规制作固态等离子二极管的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，影响固态等离子二极管的电学性能，导致固态等离子体浓度和分布的可控性差。

采用原位掺杂能够避免离子注入等方式带来的不利影响，且能够通过控制气体流量来控制材料的掺杂浓度，更有利于获得陡峭的掺杂界面，从而获得更好的器件性能。

(k)光刻引线孔并金属化处理以形成所述固态等离子二极管。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

(b1)利用CVD工艺，在所述SOI衬底表面形成第一保护层；

(b2)采用第一掩膜版，利用光刻工艺在所述第一保护层上形成有源区图形；

(b3)利用干法刻蚀工艺，在所述有源区图形的指定位置处刻蚀所述第一保护层及所述SOI衬底的顶层Si层从而形成有所述有源区沟槽。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)之后，还包括：

(x1)利用氧化工艺，对所述有源区沟槽侧壁进行氧化以在所述有源区沟槽侧壁形成氧化层；

(x2)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述氧化层以完成对所述有源区沟槽侧壁的平整化。

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。

在本发明的一个实施例中，步骤(f)包括：

(f1)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积P型Si材料；

(f2)采用第四掩膜版，利用干法刻蚀工艺刻蚀所述P型Si材料以在所述有源区沟槽的侧壁形成所述P区；

(f3)利用选择性刻蚀工艺去除整个衬底表面的所述第二保护层。

在本发明的一个实施例中，步骤(g)包括：

(g1)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积N型Si材料；

(g2)采用第五掩膜版，利用干法刻蚀工艺刻蚀所述N型Si材料以在所述有源区沟槽的另一侧壁形成所述N区；

(g3)利用选择性刻蚀工艺去除整个衬底表面的所述第三保护层。

在本发明的一个实施例中，步骤(k)之前，还包括：

(y1)在整个衬底表面淀积第四保护层并将所述有源区沟槽填满；

(y2)利用退火工艺激活所述P区和所述N区中的杂质。

在本发明的一个实施例中，步骤(k)包括：

(k1)采用第六掩膜版，利用光刻工艺在所述第四保护层表面形成引线孔图形；

(k2)利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述第四保护层形成所述引线孔；

(k3)对所述引线孔溅射金属材料；

(k4)钝化处理并光刻PAD以形成所述固态等离子二极管串。

本发明实施例利用原位掺杂工艺能够制备并提供适用于形成多层全息天线的固态等离子二极管。

实施例二

请参见图4a-图4r，图4a-图4r为本发明实施例的另一种制备全息天线的固态等离子二极管的制造方法示意图；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)的具有SiO₂保护作用的固态等离子二极管为例进行详细说明，具体步骤如下：

S10、选取SOI衬底。

请参见图4a，该SOI衬底101的晶向为(100)，另外，该SOI衬底101的掺杂类型为p型，掺杂浓度为10¹⁴cm^-3的，顶层Si的厚度例如为20μm。

S20、在所述SOI衬底表面淀积一层氮化硅。

请参见图4b，采用化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)的方法，在SOI衬底101上淀积氮化硅层201。

S30、刻蚀SOI衬底形成有源区沟槽。

请参见图4c-1，利用光刻工艺在所述氮化硅层上形成有源区图形，利用干法刻蚀工艺在所述有源区图形的指定位置处刻蚀所述保护层及顶层硅从而形成有源区301，俯视图请参见图4c-2。

S40、有源区四周平坦化处理。

请参见图4d-1，氧化所述有源区的四周侧壁以使所述有源区的四周侧壁形成氧化层401，俯视图请参见图4d-2；

请参见图4e-1，利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述有源区的四周侧壁氧化层以完成所述有源区的四周侧壁平坦化，俯视图请参见4e-2。

S50、在所述衬底表面淀积一层SiO₂。

请参见图4f，利用CVD方法在所述衬底上淀积一层二氧化硅601。

S60、光刻所述SiO₂层。

请参见图4g，利用光刻工艺在所述SiO₂层上形成P区图形，利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的SiO₂层。

S70、形成P区。

请参见图4h，具体做法可以是：利用原位掺杂的方法，在所述SOI衬底表面的P区图形上淀积p型硅形成P区801，通过控制气体流量来控制P区的掺杂浓度。

S80、平整化衬底表面。

请参见图4i，具体做法可以是：先利用干法刻蚀工艺使P区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO₂层。

S90、在所述衬底表面淀积一层SiO₂。

请参见图4j，具体做法可以是：利用CVD方法在所述衬底表面淀积二氧化硅层1001。

S100、光刻所述SiO₂层。

请参见图4k，利用光刻工艺在所述SiO₂层上形成N区图形；利用湿法刻蚀工艺去除N区上的SiO₂层。

S110、形成N区。

请参见图4l，利用原位掺杂的方法，在所述SOI衬底表面的N区图形上淀积n型硅形成N区1201，通过控制气体流量来控制N区的掺杂浓度。

S120、平整化衬底表面。

请参见图4m，先利用干法刻蚀工艺使N区表面平整化，再利用湿法刻蚀工艺去除衬底表面的SiO₂层。

S130、衬底表面平坦化。

请参见图4n，可以利用CMP的方法，去除所述衬底表面的氮化硅层和多晶硅，从而使衬底表面平整化。

S140、淀积二氧化硅。

请参见图4o，利用CVD方法在衬底表面淀积一层二氧化硅1501并将有源区沟槽填满。

S150、杂质激活。

在950-1150℃，退火0.5～2分钟，使离子注入的杂质激活、并且推进有源区中杂质。

S160、在P、N接触区光刻引线孔。

请参照图4p，在二氧化硅(SiO₂)层上光刻引线孔1601。

S170、形成引线。

请参照图4q，可以在衬底表面溅射金属，合金化形成金属硅化物，并刻蚀掉表面的金属；再在衬底表面溅射金属1701，光刻引线，并将引线连接。

S180、钝化处理，光刻PAD。

请参照图4r，可以通过淀积氮化硅(SiN)形成钝化层1801，光刻PAD。最终形成固态等离子二极管，作为制备固态等离子天线材料。

实施例三

请参照图5，图5为本发明实施例的另一种制备全息天线的固态等离子二极管的器件结构示意图。该固态等离子二极管采用上述如图3所示的制造方法制成。具体地，该固态等离子二极管在SOI衬底301上制备形成，且固态等离子二极管的P区303、N区304以及横向位于该P区303和该N区304之间的i区均位于该SOI衬底的顶层Si层302内。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明固态等离子二极管及其制造方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。