基于具备台状有源区SPiN二极管可重构全息天线的制备方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于具备台状有源区SPiN二极管可重构全息天线的制备方法。

背景技术：

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。

随着等离子体天线的进一步发展，在实际情况中，无线通信系统经常要求天线能根据实际使用环境来改变其电特性，即实现天线特性的“可重构”，进而减少系统中天线的数量。

因此，如何制作高性能的频率可重构全息天线，尤其是利用半导体工艺来进行制作，就变得非常有意义。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于具备台状有源区SPiN二极管可重构全息天线的制备方法。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基于具备台状有源区SPiN二极管可重构全息天线的制备方法，其中，所述全息天线包括SOI衬底(1)、第一天线臂(2)、第二天线臂(3)、同轴馈线(4)及全息圆环(14)；其中，所述制备方法包括：

在所述SOI衬底(1)上制作多个基于台状有源区的SPiN二极管；

将多个所述基于台状有源区的SPiN二极管依次互连PAD以形成多个SPiN二极管串；

由多个等长的SPiN二极管串形成所述第一天线臂(2)和第二天线臂(3)；

制作所述同轴馈线(4)以连接所述第一天线臂(2)及所述第二天线臂(3)以形成所述全息天线。

在本发明的一个实施例中，在所述SOI材料(1)上制作多个基于台状有源区的SPiN二极管，包括：

(a)选取SOI衬底；刻蚀SOI衬底形成台状有源区；

(b)利用氧化工艺，对所述台状有源区的侧壁进行氧化以在所述台状有源区侧壁形成氧化层；

(c)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述氧化层以完成对所述台状有源区侧壁的平整化处理；

(d)对所述台状有源区四周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)利用CVD工艺，在所述台状有源区四周淀积所述多晶Si材料；在整个衬底表面淀积第四保护层；

(f)利用退火工艺激活所述P区和所述N区中的杂质；

(g)在所述多晶Si材料表面制作引线并光刻PAD以形成所述SPiN二极管。

进一步的，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，对所述有源区图形的指定位置四周刻蚀所述第一保护层及所述SOI衬底的顶层Si层从而形成有所述台状有源区。

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，在所述台状有源区侧壁淀积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，在所述台状有源区侧壁淀积N型Si材料形成所述N区。

在上述实施例的基础上，步骤(d4)包括：

(d41)利用原位掺杂工艺，在所述台状有源区侧壁淀积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材料以在所述台状有源区的侧壁形成所述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。

在上述实施例的基础上，步骤(d8)包括：

(d81)利用原位掺杂工艺，在所述台状有源区侧壁淀积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材料以在所述台状有源区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(g)包括：

(g1)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；

(g2)利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述第四保护层漏出部分所述多晶Si材料以形成所述引线孔；

(g3)对所述引线孔溅射金属材料以形成金属硅化物；

(g4)钝化处理并光刻PAD以形成所述SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，所述全息圆环(14)为由八段等长的SPiN二极管串排列形成正八边形结构，其中，所述正八边形的边长与所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)长度之和相同；所述正八边形的外接圆的半径为所述天线接收或发送的电磁波波长的四分之三。

在本发明的一个实施例中，还包括制作于所述Si基SOI半导体基片(1)的直流偏置线(5、6、7、8、9、10、11、12)；所述直流偏置线(5、6、7、8、9、10、11、12)间隔性的电连接至所述SPiN二极管串(w1、w2、w3、w4、w5、w6)两端。

在本发明的一个实施例中，所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)的导通长度根据预接收或发送的电磁波波长所确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、体积小、剖面低，结构简单、易于加工；

2、采用同轴电缆作为馈源，无复杂馈源结构；

3、采用SPiN二极管作为天线的基本组成单元，只需通过控制其导通或断开，即可实现频率的可重构；

4、所有组成部分均在半导体基片一侧，易于制版加工。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于台状有源区的SPiN二极管的可重构全息天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于具备台状有源区SPiN二极管可重构全息天线的制备方法示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于台状有源区的SPiN二极管的制备方法示意图；

图4a-图4s为本发明实施例的一种基于台状有源区的SPiN二极管的制备方法示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于台状有源区的SPiN二极管的结构示意图。

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基于具备台状有源区SPiN二极管可重构全息天线的制备方法，其中，所述全息天线包括SOI衬底(1)、第一天线臂(2)、第二天线臂(3)、同轴馈线(4)及全息圆环(14)；其中，请参见图2，图2为所述制备方法流程图：

在所述SOI衬底(1)上制作多个基于台状有源区的SPiN二极管；

将多个所述基于台状有源区的SPiN二极管依次互连PAD以形成多个SPiN二极管串；

由多个等长的SPiN二极管串形成所述第一天线臂(2)和第二天线臂(3)；

制作所述同轴馈线(4)以连接所述第一天线臂(2)及所述第二天线臂(3)以形成所述全息天线。

请参见图3，图3为所述SOI材料(1)上制作多个基于台状有源区的SPiN二极管制备流程图，包括：

(a)选取SOI衬底；刻蚀SOI衬底形成台状有源区；

(b)利用氧化工艺，对所述台状有源区的侧壁进行氧化以在所述台状有源区侧壁形成氧化层；

(c)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述氧化层以完成对所述台状有源区侧壁的平整化处理；

(d)对所述台状有源区四周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)利用CVD工艺，在所述台状有源区四周淀积所述多晶Si材料；在整个衬底表面淀积第四保护层；

(f)利用退火工艺激活所述P区和所述N区中的杂质；

(g)在所述多晶Si材料表面制作引线并光刻PAD以形成所述SPiN二极管。

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pin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pin二极管的衬底。

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。

进一步的，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，对所述有源区图形的指定位置四周刻蚀所述第一保护层及所述SOI衬底的顶层Si层从而形成有所述台状有源区。

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，在所述台状有源区侧壁淀积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，在所述台状有源区侧壁淀积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。

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。

在上述实施例的基础上，步骤(d4)包括：

(d41)利用原位掺杂工艺，在所述台状有源区侧壁淀积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材料以在所述台状有源区的侧壁形成所述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。

在上述实施例的基础上，步骤(d8)包括：

(d81)利用原位掺杂工艺，在所述台状有源区侧壁淀积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材料以在所述台状有源区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(g)包括：

(g1)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；

(g2)利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述第四保护层漏出部分所述多晶Si材料以形成所述引线孔；

(g3)对所述引线孔溅射金属材料以形成金属硅化物；

(g4)钝化处理并光刻PAD以形成所述SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，所述全息圆环(14)为由八段等长的SPiN二极管串排列形成正八边形结构，其中，所述正八边形的边长与所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)长度之和相同；所述正八边形的外接圆的半径为所述天线接收或发送的电磁波波长的四分之三。

在本发明的一个实施例中，还包括制作于所述Si基SOI半导体基片(1)的直流偏置线(5、6、7、8、9、10、11、12)；所述直流偏置线(5、6、7、8、9、10、11、12)间隔性的电连接至所述SPiN二极管串(w1、w2、w3、w4、w5、w6)两端。

在本发明的一个实施例中，所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)的导通长度根据预接收或发送的电磁波波长所确定。

本发明实施例提供适用于形成固态等离子天线的高性能基于台状有源区的SPiN二极管，基于台状有源区的SPiN二极管的频率可重构等离子全息天线体积小、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4a-图4r，图4a-图4r为本发明实施例的一种基于台状有源区的固态等离子pin二极管的制备方法示意图，在上述实施例一的基础上，以制备固态等离子区域长度为100微米的基于台状有源区的固态等离子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台面有源区图形，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台面有源区301，俯视图请参见图4c-2。

S40、台面的有源区四周平坦化处理。

请参见图4d-1，氧化所述台面有源区的四周侧壁以使所述台面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台面有源区的四周侧壁氧化层以完成所述台面有源区的四周侧壁平坦化，俯视图请参见图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、淀积多晶硅层。

请参见图4n，可以利用CVD的方法，在沟槽里溅射金属层1401。

S140、在表面形成二氧化硅(SiO₂)层。

请参照图4o，可以利用CVD的方法，在表面淀积二氧化硅(SiO₂)层1501，厚度为500nm。

S150、平整表面。

请参照图4p，可以采用CMP方法去除表面二氧化硅与氮化硅(SiN)层，使表面平整。

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、并且推进有源区中杂质。

S170、光刻引线孔。

请参照图4q，在二氧化硅(SiO₂)层上光刻引线孔1701。

S180、形成引线。

请参照图4r，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4s，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5，图5为本发明实施例的固态等离子pin二极管的器件结构示意图。该固态等离子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pin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衬底的顶层硅302内。

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。