偶极子天线中的具备SiO2保护层的SPiN二极管的制备方法与流程

本发明属于半导体器件制造技术领域，涉及天线技术领域，尤其涉及一种偶极子天线中的具备SiO2保护层的SPiN二极管的制备方法。

背景技术：

随着科学技术的进一步发展，无线通信技术在人们的生活中发挥着越来越重要的作用。无线通信利用无线电波进行工作，而无线电波的接收和发送靠天线完成，天线的性能直接影响整个无线通信系统。

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。

然而目前的频率可重构微带天线的各部分有互耦影响，频率跳变慢，馈源结构复杂，隐身性能不佳，剖面高，集成加工的难度高。

因此，用何种材料如何制作一种体积小、剖面低，结构简单、易于加工的可重构天线就变得尤为重要。

技术实现要素：

为解决现有技术的缺陷和不足，本发明提出一种可重构偶极子天线的具备SiO₂保护层的SPiN二极管的制备方法。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偶极子天线中的具备SiO2保护层的SPiN二极管的制备方法，其中，所述偶极子天线包括：SOI衬底(1)、第一天线臂(2)、第二天线臂(3)和同轴馈线(4)；所述第一天线臂(2)和第二天线臂(3)包括多个具备SiO₂保护层的SPiN二极管串，所述SiO₂保护层的SPiN二极管串由依次首尾相连的具备SiO₂保护层的SPiN二极管构成，所述SiO₂保护层的SPiN二极管的制造方法包括如下步骤：

(a)选取SOI衬底；刻蚀SOI衬底形成有源区沟槽；

(b)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；

(c)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；

(d)对所述有源区沟槽利用原位掺杂工艺分别淀积P型Si材料和N型Si材料形成P区和N区；

(e)光刻引线孔并金属化处理以形成所述SiO2保护层的SPiN二极管。

其中，对于步骤(a)，采用SOI衬底的原因在于，对于偶极子天线，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SPiN二极管的衬底。

在本发明的一个实施例中，所述偶极子天线还包括直流偏置线，所述直流偏置线采用化学气相淀积的方法固定于SOI衬底上；其中，所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)分别设置于所述同轴馈线(4)的两侧。

在本发明的一个实施例中，所述第一天线臂(2)包括依次串接的第一SPiN二极管串(w1)、第二SPiN二极管串(w2)及第三SPiN二极管串(w3)，所述第二天线臂(3)包括依次串接的第四SPiN二极管串(w4)、第五SPiN二极管串(w5)及第六SPiN二极管串(w6)；

其中，所述第一SPiN二极管串(w1)的长度等于所述第六SPiN二极管串(w6)的长度，所述第二SPiN二极管串(w2)的长度等于所述第五SPiN二极管串(w5)的长度，所述第三SPiN二极管串(w3)的长度等于所述第四SPiN二极管串(w4)的长度。

在本发明的一个实施例中，步骤(a)包括：

(a1)利用CVD工艺，在所述SOI衬底表面形成第一保护层；

(a2)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；

(a3)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。

进一步的，步骤(d)包括：

(d1)在整个衬底表面淀积第二保护层；

(d2)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；

(d3)利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的所述第二保护层；

(d4)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；

(d5)在整个衬底表面淀积第三保护层；

(d6)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；

(d7)利用湿法刻蚀工艺去除N区图形上的所述第三保护层；

(d8)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。

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。

进一步的，步骤(d4)包括：

(d41)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积P型Si材料；

(d42)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；

(d43)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。

进一步的，步骤(d8)包括：

(d81)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积N型Si材料；

(d82)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；

(d83)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(e)包括：

(e1)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；

(e2)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；

(e3)对所述引线孔溅射金属材料；

(e4)钝化处理并光刻PAD以形成所述SiO₂保护层的SPiN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，使得在有源区内可获得均匀的掺杂，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。原位掺杂同时也可以得到比较深的结深，可根据器件需要来制作相应的有源区，而离子注入工艺只能制作比较浅的有源区。相比于其他形式的二极管工艺，采用具有SiO₂保护层的制作工艺可很大程度上简化二极管的制作流程，使得这种二极管制作更加简单。该SiO₂保护层的SPiN二极管等离子可重构天线可以是由SOI基SiO₂保护层的SPiN二极管按阵列排列组合而成，利用外部控制阵列中的SiO₂保护层的SPiN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SiO₂保护层的SPiN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

为了清楚说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种偶极子天线结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种具备SiO₂保护层的SPiN二极管的制作方法流程图；

图3a-图3r为本发明实施例提供的一种具备SiO₂保护层的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具备SiO₂保护层的SPiN二极管的器件结构示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方案对本发明一种偶极子天线中的具备SiO₂保护层的SPiN二极管的制备方法作进一步详细描述。实例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的额部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一

本发明的实施例提供了一种偶极子天线中的具备SiO₂保护层的SPiN二极管的制备方法，其中，所述偶极子天线包括：SOI衬底(1)、第一天线臂(2)、第二天线臂(3)和同轴馈线(4)；所述第一天线臂(2)和第二天线臂(3)包括多个具备SiO₂保护层的SPiN二极管串，所述SiO₂保护层的SPiN二极管串由依次首尾相连的具备SiO₂保护层的SPiN二极管构成，所述SiO₂保护层的SPiN二极管的制造方法包括如下步骤：

(f)选取SOI衬底；刻蚀SOI衬底形成有源区沟槽；

(g)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；

(h)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；

(i)对所述有源区沟槽利用原位掺杂工艺分别淀积P型Si材料和N型Si材料形成P区和N区；

(j)光刻引线孔并金属化处理以形成所述SiO2保护层的SPiN二极管。

其中，对于步骤(a)，采用SOI衬底的原因在于，对于偶极子天线，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SPiN二极管的衬底。

在本发明的一个实施例中，所述偶极子天线还包括直流偏置线，所述直流偏置线采用化学气相淀积的方法固定于SOI衬底上；其中，所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)分别设置于所述同轴馈线(4)的两侧。

在本发明的一个实施例中，所述第一天线臂(2)包括依次串接的第一SPiN二极管串(w1)、第二SPiN二极管串(w2)及第三SPiN二极管串(w3)，所述第二天线臂(3)包括依次串接的第四SPiN二极管串(w4)、第五SPiN二极管串(w5)及第六SPiN二极管串(w6)；

其中，所述第一SPiN二极管串(w1)的长度等于所述第六SPiN二极管串(w6)的长度，所述第二SPiN二极管串(w2)的长度等于所述第五SPiN二极管串(w5)的长度，所述第三SPiN二极管串(w3)的长度等于所述第四SPiN二极管串(w4)的长度。

在本发明的一个实施例中，步骤(a)包括：

(a1)利用CVD工艺，在所述SOI衬底表面形成第一保护层；

(a2)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；

(a3)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。

进一步的，步骤(d)包括：

(d1)在整个衬底表面淀积第二保护层；

(d2)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；

(d3)利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的所述第二保护层；

(d4)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；

(d5)在整个衬底表面淀积第三保护层；

(d6)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；

(d7)利用湿法刻蚀工艺去除N区图形上的所述第三保护层；

(d8)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。

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。

进一步的，步骤(d4)包括：

(d41)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积P型Si材料；

(d42)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；

(d43)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。

进一步的，步骤(d8)包括：

(d81)利用原位掺杂工艺，在所述有源区沟槽内淀积N型Si材料；

(d82)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；

(d83)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(e)包括：

(e1)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；

(e2)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；

(e3)对所述引线孔溅射金属材料；

(e4)钝化处理并光刻PAD以形成所述SiO₂保护层的SPiN二极管。

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固态等离子天线的高性能具有SiO₂保护层的SPiN二极管。

实施例二

请参见图3a-图3r，图3a-图3r为本发明实施例的一种具有SiO₂保护层的固态等离子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保护层的固态等离子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3a，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3b，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3c-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3c-2。

S40、有源区四周平坦化处理。

请参见图3d-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3d-2；

请参见图3e-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2e2。

S50、在所述衬底表面淀积一层SiO₂。

请参见图3f，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3g，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3h，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3i，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3j，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3k，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3l，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3m，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3n，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3o，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3p，在二氧化硅(SiO2)层上光刻引线孔1601。

S170、形成引线。

请参照图3q，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3r，可以通过淀积氮化硅(SiN)形成钝化层1801，光刻PAD。最终形成SiO₂保护层的SPiN二极管，作为制备固态等离子天线材料。

实施例三

请参照图4，图4为本发明实施例的SiO₂保护层的SPiN二极管的器件结构示意图。该SiO₂保护层的SPiN二极管采用上述如图1所示的制备方法制成。具体地，该SiO₂保护层的SPiN二极管在SOI衬底301上制备形成，且pin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SiO₂保护层的SPiN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。