一种固态等离子体PiN二极管及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种固态等离子体PiN二极管及其制备方法。

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，固态等离子体PiN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体PiN二极管来应用于固态等离子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，本发明提出一种固态等离子体PiN二极管及其制备方法。

具体地，本发明实施例提出的一种固态等离子体PiN二极管的制备方法，所述固态等离子体PiN二极管用于制作固态等离子天线，所述制备方法包括步骤：

(a)选取SOI衬底；

(b)刻蚀所述SOI衬底形成隔离槽，填充所述隔离槽形成隔离区，所述隔离槽的深度大于等于所述SOI衬底的顶层硅的厚度；

(c)刻蚀所述SOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽；

(d)在所述P型沟槽和N型沟槽内采用离子注入形成P型有源区和N型有源区；以及

(e)在所述SOI衬底上形成引线，以完成所述固态等离子体PiN二极管的制备。

在上述实施例的基础上，刻蚀所述SOI衬底形成隔离槽，包括：

(b1)在所述SOI衬底表面形成第一保护层；

(b2)利用光刻工艺在所述第一保护层上形成第一隔离区图形；

(b3)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SOI衬底以形成所述隔离槽。

在上述实施例的基础上，所述第一保护层包括第一二氧化硅层和第一氮化硅层；相应地，步骤(b1)包括：

(b11)在所述SOI衬底表面生成二氧化硅以形成第一二氧化硅层；

(b12)在所述第一二氧化硅层表面生成氮化硅以形成第一氮化硅层。

在上述实施例的基础上，步骤(c)包括：

(c1)在所述SOI衬底表面形成第二保护层；

(c2)利用光刻工艺在所述第二保护层上形成第二隔离区图形；

(c3)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SOI衬底以形成所述P型沟槽和N型沟槽。

在上述实施例的基础上，所述第二保护层包括第二二氧化硅层和第二氮化硅层；相应地，步骤(c1)包括：

(c11)在所述SOI衬底表面生成二氧化硅以形成第二二氧化硅层；

(c12)在所述第二二氧化硅层表面生成氮化硅以形成第二氮化硅层。

在上述实施例的基础上，所述P型沟槽和N型沟槽的底部距所述SOI衬底的顶层硅底部的距离为0.5微米～30微米。

在上述实施例的基础上，步骤(d)包括：

(d1)平整化所述P型沟槽和N型沟槽；

(d2)对所述P型沟槽和N型沟槽进行离子注入以形成第一P型有源区和第一N型有源区，所述第一N型有源区为沿离子扩散方向距所述N型沟槽侧壁和底部深度小于1微米的区域，所述第一P型有源区为沿离子扩散方向距所述P型沟槽侧壁和底部深度小于1微米的区域；

(d3)填充所述P型沟槽和N型沟槽以形成P型接触和N型接触；

(d4)对所述P型接触和N型接触所在区域进行离子注入以在所述SOI衬底的顶层硅内形成第二P型有源区和第二N型有源区。

在上述实施例的基础上，步骤(d1)包括：

(d11)氧化所述P型沟槽和N型沟槽以使所述P型沟槽和N型沟槽的内壁形成氧化层；

(d12)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述P型沟槽和N型沟槽内壁的氧化层以完成所述P型沟槽和N型沟槽内壁的平整化。

在上述实施例的基础上，对所述P型沟槽和N型沟槽进行离子注入以形成第一P型有源区和第一N型有源区，包括：

(d21)光刻所述P型沟槽和N型沟槽；

(d22)采用带胶离子注入的方法分别对所述P型沟槽和N型沟槽注入P型杂质和N型杂质以形成第一P型有源区和第一N型有源区；

(d23)去除光刻胶。

在上述实施例的基础上，填充所述P型沟槽和N型沟槽的材料为多晶硅、金属、重掺杂多晶硅锗或重掺杂硅。

在上述实施例的基础上，步骤(d4)包括：

(d41)在所述SOI衬底上生成多晶硅；

(d42)光刻所述P型接触和N型接触；

(d43)采用带胶离子注入的方法分别对所述P型接触和N型接触所在区域注入P型杂质和N型杂质以在所述SOI衬底的顶层硅内形成第二P型有源区和第二N型有源区；

(d44)去除光刻胶；

(d45)利用湿法刻蚀去除所述P型电极和N型电极以外的所述多晶硅。

在上述实施例的基础上，步骤(e)包括：

(e1)在所述SOI衬底上生成二氧化硅；

(e2)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；

(e3)在P型接触区和N型接触区光刻引线孔以形成引线；

(e4)钝化处理并光刻PAD以形成所述固态等离子体PiN二极管。

此外，本发明另一实施例提出的一种固态等离子体PiN二极管，用于制作固态等离子天线，所述固态等离子体PiN二极管采用上述任意方法实施例制得。

由上可知，本发明实施例通过对SOI基固态等离子体PiN二极管的P区与N区采用了基于刻蚀的SOI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。并且，本发明制备的应用于固态等离子可重构天线的SOI基固态等离子体PiN二极管采用了一种基于刻蚀的SOI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，常规制作固态等离子体PiN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，影响固态等离子体PiN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。

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固态等离子体PiN二极管的制作方法流程图。

图2a-图2s为本发明实施例的一种固态等离子体PiN二极管的制备方法示意图。

图3为本发明实施例的固态等离子体PiN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固态等离子体可重构天线的固态等离子体PiN二极管及其制备方法。该固态等离子体PiN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pin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。

SOI横向固态等离子体PiN二极管等离子可重构天线可以是由SOI横向固态等离子体PiN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体PiN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体PiN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。

以下，将对本发明制备的SOI基固态等离子体PiN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1，图1为本发明实施例的一种固态等离子体PiN二极管的制作方法流程图，该方法适用于制备基于SOI横向固态等离子体PiN二极管，且该SOI横向固态等离子体PiN二极管主要用于制作固态等离子天线。该方法包括如下步骤：

(a)选取SOI衬底。

(b)刻蚀SOI衬底形成隔离槽，填充隔离槽形成隔离区，隔离槽的深度大于等于SOI衬底的顶层硅的厚度。

(c)刻蚀SOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽；

(d)在P型沟槽和N型沟槽内采用离子注入形成P型有源区和N型有源区；以及

(e)在SOI衬底上形成引线，以完成固态等离子体PiN二极管的制备。

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，而固态等离子体PiN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SOI衬底由于其具有能够与隔离槽方便的形成pin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硅中，所以优选采用SOI作为固态等离子体PiN二极管的衬底。

另外，对于步骤(b)，刻蚀SOI衬底形成隔离槽，可以包括步骤：

(b1)在SOI衬底表面形成第一保护层。

具体地，第一保护层包括第一二氧化硅(SiO₂)层和第一氮化硅(SiN)层；则第一保护层的形成包括：在SOI衬底表面生成二氧化硅(SiO₂)以形成第一二氧化硅(SiO₂)层；在第一二氧化硅(SiO₂)层表面生成氮化硅(SiN)以形成第一氮化硅(SiN)层。这样做的好处在于，利用二氧化硅(SiO₂)的疏松特性，将氮化硅(SiN)的应力隔离，使其不能传导进顶层Si，保证了顶层Si性能的稳定；基于氮化硅(SiN)与Si在干法刻蚀时的高选择比，利用氮化硅(SiN)作为干法刻蚀的掩蔽膜，易于工艺实现。当然，可以理解的是，保护层的层数以及保护层的材料此处不做限制，只要能够形成保护层即可。

(b2)利用光刻工艺在第一保护层上形成第一隔离区图形。

(b3)利用干法刻蚀工艺在第一隔离区图形的指定位置处刻蚀第一保护层及SOI衬底以形成隔离槽。

其中，隔离槽的深度大于等于顶层硅的厚度，保证了后续槽中二氧化硅(SiO₂)与衬底二氧化硅(SiO₂)的连接，形成完整的绝缘隔离。

再者，对于步骤(c)，具体可以包括如下步骤：

(c1)在SOI衬底表面形成第二保护层。

具体地，第二保护层包括第二二氧化硅(SiO₂)层和第二氮化硅(SiN)层；则第二保护层的形成包括：在SOI衬底表面生成二氧化硅(SiO₂)以形成第二二氧化硅(SiO₂)层；在第二二氧化硅(SiO₂)层表面生成氮化硅(SiN)以形成第二氮化硅(SiN)层。这样做的好处类似于第一保护层的作用，此处不再赘述。

(c2)利用光刻工艺在第二保护层上形成第二隔离区图形。

(c3)利用干法刻蚀工艺在第二隔离区图形的指定位置处刻蚀第二保护层及SOI衬底以形成P型沟槽和N型沟槽。

其中，P型沟槽和N型沟槽的深度大于第二保护层厚度且小于第二保护层与SOI衬底顶层硅厚度之和。优选地，该P型沟槽和N型沟槽的底部距SOI衬底的顶层硅底部的距离为0.5微米～30微米，形成一般认为的深槽，这样在形成P型和N型有源区时可以形成杂质分布均匀、且高掺杂浓度的P、N区和和陡峭的Pi与Ni结，以利于提高i区等离子体浓度。

再者，对于步骤(d)，具体可以包括如下步骤：

(d1)平整化P型沟槽和N型沟槽。

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。

(d2)对所述P型沟槽和N型沟槽进行离子注入以形成第一P型有源区和第一N型有源区，所述第一N型有源区为沿离子扩散方向距所述N型沟槽侧壁和底部深度小于1微米的区域，所述第一P型有源区为沿离子扩散方向距所述P型沟槽侧壁和底部深度小于1微米的区域。

具体地，离子注入过程可以为：光刻P型沟槽和N型沟槽；采用带胶离子注入的方法分别对P型沟槽和N型沟槽注入P型杂质和N型杂质以形成第一P型有源区和第一N型有源区；去除光刻胶。

其中，形成第一有源区的目的在于：在沟槽的侧壁形成一层均匀的重掺杂区域，该区域即为Pi和Ni结中的重掺杂区，而第一有源区的形成具有如下几个好处，以槽中填入多晶硅作为电极为例说明，第一、避免了多晶硅与Si之间的异质结与Pi和Ni结重合，导致的性能的不确定性；第二、可以利用多晶硅中杂质的扩散速度比Si中快的特性，进一步向P和N区扩散，进一步提高P和N区的掺杂浓度；第三、这样做防止了在多晶硅工艺过程中，多晶硅生长的不均性造成的多晶硅与槽壁之间形成空洞，该空洞会造成多晶硅与侧壁的接触不好，影响器件性能。

(d3)填充P型沟槽和N型沟槽以形成P型接触和N型接触。

其中，填充沟槽的材料可以为金属、重掺杂多晶硅锗或重掺杂硅，此处可优选为多晶硅。

(d4)对P型接触和N型接触所在区域进行离子注入以在SOI衬底的顶层硅内形成第二P型有源区和第二N型有源区。

具体地，形成第二P型有源区和第二N型有源区的过程可以为：在SOI衬底上生成多晶硅；光刻P型接触和N型接触；采用带胶离子注入的方法分别对P型接触和N型接触所在区域注入P型杂质和N型杂质以在SOI衬底的顶层硅内形成第二P型有源区和第二N型有源区；去除光刻胶；利用湿法刻蚀去除所述P型电极和N型电极以外的多晶硅。

再者，对于步骤(e)，具体可以包括如下步骤：

(e1)在SOI衬底上生成二氧化硅；

(e2)利用退火工艺激活P型有源区和N型有源区中的杂质；

(e3)在P型接触区和N型接触区光刻引线孔以形成引线；

(e4)钝化处理并光刻PAD以形成固态等离子体PiN二极管。

本发明制备的应用于固态等离子可重构天线的SOI基固态等离子体PiN二极管的P区与N区采用了基于刻蚀的SOI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。另外，本发明制备的应用于固态等离子可重构天线的SOI基固态等离子体PiN二极管采用了一种基于刻蚀的SOI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，常规制作固态等离子体PiN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，影响固态等离子体PiN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。

实施例二

请参见图2a-图2s，图2a-图2s为本发明实施例的一种固态等离子体PiN二极管的制备方法示意图，在上述实施例一的基础上，以制备固态等离子区域长度为100微米的SOI基固态等离子体PiN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2a，该SOI衬底101的晶向可以是(100)或者(110)或者(111)，此处不做任何限制，另外，该SOI衬底101的掺杂类型可以为n型，也可以是为p型，掺杂浓度例如为10¹⁴～10¹⁵cm^-3的，即电阻率为40～1000Ω·cm，顶层Si的厚度例如为0.5～80μm。

S20、在该SOI衬底上形成第一保护层。

请参见图2b，可以利用化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)的方法，在SOI衬底101上连续生长两层材料，第一层可以是厚度在300～500nm的二氧化硅(SiO₂)层201，第二层可以是厚度在1～3μm的氮化硅(SiN)层202。

S30、光刻隔离区。

请参见图2c，通过光刻工艺在上述保护层上形成隔离区。采用湿法刻蚀工艺刻蚀该氮化硅(SiN)层，形成隔离区图形，再采用干法刻蚀，形成例如宽为2～10μm，深1～81μm的隔离区301；本步骤中，优选隔离区为深槽隔离，这样做的好处在于，槽的深度大于等于顶层硅，保证了后续槽中二氧化硅(SiO₂)与衬底二氧化硅(SiO₂)的连接，形成完整的绝缘隔离。

S40、衬底氧化。

请参见图2d，光刻隔离区之后，利用CVD方法淀积二氧化硅(SiO₂)材料401将深槽填满。可以理解的是，该二氧化硅(SiO₂)材料401主要用于进行隔离，其可以由多晶硅等其他材料替代，此处不做任何限制。

S50、平整表面。

请参见图2e，利用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)，去除表面二氧化硅(SiO₂)层和氮化硅(SiN)层，使表面平整。

S60、在该SOI衬底上形成第二保护层。

请参见图2f，具体做法可以是：利用CVD的方法，在衬底上连续长两层材料，第一层为厚度在300～500nm的二氧化硅(SiO₂)层601，第二层为厚度在400～600nm的氮化硅(SiN)层602。这样做的好处在于，利用二氧化硅(SiO₂)的疏松特性，将氮化硅(SiN)的应力隔离，使其不能传导进顶层Si，保证了顶层Si性能的稳定；基于氮化硅(SiN)与Si在干法刻蚀时的高选择比，利用氮化硅(SiN)作为干法刻蚀的掩蔽膜，易于工艺实现。

S70、光刻P、N区沟槽。

请参见图2g，具体做法可以是：光刻P、N区深槽，湿法刻蚀P、N区氮化硅(SiN)层，形成P、N区图形，干法刻蚀，形成宽2～8μm，深0.4～10μm的深槽701。刻蚀深槽的目的在于：形成杂质分布均匀、且高掺杂浓度的P、N区和和陡峭的Pi与Ni结，以利于提高i区等离子体浓度。

S80、沟槽平整化处理。

请参见图2h和图2i，具体做法可以是：衬底氧化，使深槽内壁形成10～50nm厚度的氧化层801，湿法刻蚀深槽内氧化层801，使槽内壁光滑。沟槽内壁光滑的目的在于：防止侧壁的突起形成电场集中区域，造成Pi和Ni结击穿。

S90、形成第一有源区。

请参见图2j，具体做法可以是：光刻P区深槽，采用带胶离子注入的方法对P区槽侧壁进行p⁺注入，使侧壁上形成薄的p⁺有源区1001，浓度达到0.5～5×10²⁰cm^-3，除掉光刻胶；光刻N区深槽，采用带胶离子注入的方法对N区槽侧壁进行n⁺注入，使侧壁上形成薄的n⁺有源区1002，浓度达到0.5～5×10²⁰cm^-3，除掉光刻胶。

S100、填充多晶硅。

请参见图2k，可以利用CVD的方法，在P、N区槽中淀积多晶硅1101，并将沟槽填满。采用多晶硅填充沟槽的目的在于：作为接触电极。当然，也可以采用金属、重掺杂多晶硅锗、重掺杂硅等材料来替换。

S110、平整表面。

请参见图2l，可以采用CMP方法去除表面多晶硅与氮化硅(SiN)层，使表面平整。

S120、生长多晶硅层。

请参见图2m，可以利用CVD的方法，在表面淀积一多晶硅层1301，厚度为200～500nm；

S130、形成第二有源区。

请参见图2n，可以通过光刻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0.5～5×10²⁰cm^-3，去除光刻胶，形成P接触1401；光刻N区有源区，采用带胶离子注入进行n⁺注入，使N区有源区掺杂浓度为0.5～5×10²⁰cm^-3，去除光刻胶，并形成N接触1402。

S140、形成P/N接触区。

请参见图2o，可以采用湿法刻蚀，刻蚀掉P、N接触区以外的多晶硅，形成P、N接触区。

S150、在表面形成二氧化硅(SiO₂)。

请参见图2p，可以利用CVD的方法，在表面淀积二氧化硅(SiO₂)层1601，厚度为500～1000nm。

S160、杂质激活。

在950-1150℃，退火0.5～2分钟，使离子注入的杂质激活、并且推进多晶硅中杂质。

S170、在P、N接触区光刻引线孔。

具体，请参照图2q，在二氧化硅(SiO₂)层上光刻引线孔1701。

S180、形成引线。

请参照图2r，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1801，光刻引线；

S190、钝化处理，光刻PAD。

请参照图2s，可以通过淀积氮化硅(SiN)形成钝化层1901，光刻PAD。最终形成固态等离子体PiN二极管，作为制备固态等离子天线材料。

实施例三

请参照图3，图3为本发明实施例的固态等离子体PiN二极管的器件结构示意图。该固态等离子体PiN二极管采用上述如图1所示的制备方法制成。具体地，该固态等离子体PiN二极管在SOI衬底301上制备形成，且pin二极管的P区305、N区306以及横向位于该P区305和该N区306之间的I区均位于该SOI衬底的顶层硅302内。其中，该pin二极管可以采用STI深槽隔离，即该P区305和该N区306外侧各设置有一隔离槽303，且该隔离槽303的深度至少大于等于该顶层硅302的厚度。另外，该P区305和该N区306在沿衬底方向可以分别对应包括一薄层P型有源区307和一薄层N型有源区304。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明固态等离子体PiN二极管及其制备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。