一种毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料制备方法与流程

一种毫米波宽带impatt管超薄硅材料制备方法
1.技术领域：本发明涉及毫米波固态器件材料技术领域，具体是一种毫米波宽带impatt管超薄硅材料制备方法。
2.

背景技术：
基于硅基材料的impatt管工作于高电场区的碰撞电离雪崩状态，在外部负载的作用下，可直接产生毫米波信号，用于毫米波振荡源；另外，硅材料高电场下载流子饱和漂移速率的差异， impatt管工作状态下碰撞噪声大，也可用于毫米波噪声源的研制。基于impatt管的振荡源、噪声源具有工艺制造简单、器件体积小、重量轻、可室温工作等优点，常用于毫米波高精度仪器仪表校准、无损检测、安全检查成像等领域。
3.但现有的毫米波高频段impatt管外延层结构采用双漂移区结构，漂移区薄（0.1～0.5）μm，多种杂质（磷、硼），掺杂浓度为10
17
cm-3
数量级。常通过超薄多层外延的材料生长方式获得，使得其存在制备工艺复杂、制作周期较长、研发费用较高等缺点。
4.

技术实现要素：
本发明就是为克服现有技术中的不足，提供一种研制成本低、材料制备周期短、工艺兼容性好、设计参数调节灵活的毫米波impatt管超薄硅材料制备方法，从而替代现有通用的超薄多层外延材料生长制备方式，从而满足毫米波振荡源、噪声源的研制需求。
5.本技术提供以下技术方案：一种毫米波宽带impatt管超薄硅材料制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：s1、取一片硅片作为n型低阻衬底层，在n型低阻衬底上表面上生成出本征硅层，在本征硅层设有氧化的保护层；s2、在n型低阻衬底一侧的本征硅内通过至少一次的磷元素离子注入与rta退火制备出impatt器件的n区；s3、在n区一侧的本征硅外延层内通过至少一次的硼元素离子注入与rta制备出impatt器件的p区；s4、p区和保护层之间的本征硅内通过至少一次硼元素离子注入与rta退火制备出impatt器件的p
+
区；s5、在保护层表面再设置补偿层；s6、在p
+
区再次注入硼元素离子进行补偿，从而确保p
+
区与保护层界面处硼元素离子的浓度；s7、采用湿法腐蚀的方法去除保护层和补偿层从而得到毫米波宽带impatt管超薄硅材料。
6.在上述技术方案的基础上，还可以有以下进一步：所述s1中的n型低阻衬底为n《111》砷掺杂，厚度625
±
10微米，电阻率0.002-0.003ω
·
cm；所述本征硅的外延层厚度为0.9～1.4μm，所述保护层为二氧化硅淀积厚度为300
å
。
7.在所述s2中的磷元素离子注入时采用能量为600～750kev，注入剂量为2e13～3.5e13 atoms/cm
2，
，rta退火温度为1000℃，时间30～40s。
8.在所述s3中的注入硼元素离子，注入能量为250～280kev，注入剂量为2e13～3.5e13atoms/cm2，而后进行rta退火温度1000℃，时间30～40s。
9.在所述s4分两次注入硼元素离子，第一注入能量为80～120kev，剂量为1.5e14～2e14atoms/cm2，第二次注入能量50～60kev，剂量为1e14～1.8e14atoms/cm2而后进行rta退火温度1000℃，时间30～40s。
10.在所述步骤s5中的补偿层二氧化硅为淀积厚度为1000
å
。
11.在所述步骤s6中再次注入硼元素离子，注入能量为20～40kev，剂量为1e14～1.2e14atoms/cm2；而后再次进行rta退火激活，退火温度1000℃，时间30～40s。
12.所述步骤s7中湿法腐蚀采用的是hf酸溶液进行腐蚀。
13.本发明就是在本征硅层在利用数次磷、硼杂质的离子注入与rta退火工艺，使得材料内部杂质元素净掺杂分布按照impatt管器件设计的p
+
、p、n与n
+
区4个区域，形成不同的分布较为均匀的浓度分布台阶，其中p
+
与n
+
区为重掺杂区域，净掺杂浓度在5
×
10
18
～1
×
10
19
cm-3
；p与n区为轻掺杂区域净掺杂浓度数值根据器件设计在2
×
10
17
～8
×
10
17
cm-3
。
14.制备时参数的计算：如图7所示，在n型低阻衬底（电阻率≤0.005ω
·
cm）上外延厚度为d
t
的本征硅外延层，淀积厚度为d0值的二氧化硅保护层。
15.1、n区参数计算根据impatt管器件材料设计的参数，进行n次（n=0、1、2
……
n）磷元素离子注入与rta退火激活制备出impatt器件的n区。
16.如图8所示，n区；采用silvaco软件计算rta退火后磷注入的各项参数，设定第i次(i＝1、2、3
……
n)n区注入磷的平均投影射程rp
ni
、投影射程偏差δrp
ni
，与注入峰值浓度n
nimax
，使得各个参数满足如下关系式4-1～4-4，其中dn为n区厚度设计值，αi为比例系数，αiδrp
ni
为峰值浓度达到λ1n
nimax
时，深度坐标d
λ1
与平均投影射程rp
ni
的距离绝对值，λ1为峰值比例系数，依据设计需求取0～1之间的值。
17.rpn1+α1δrpn1＝d
t
+d0(4-1)rpn
n-αnδrpnn＝d
t-dn+d0(4-2)rpn
i-1
+α
i-1
δrpn
i-1
＝rpn
i-αiδrpni2≤i≤n(4-3)nn
1max
＝nn
2max
＝...＝nn
nmax
(4-4)2、p区参数计算根据impatt管器件材料设计的参数，进行m次(n＝0、1、2
……
m)硼元素离子注入与rta退火激活制备出impatt器件的p区。
18.如图9所示，p区采用silvaco软件pearson模型计算rta退火后硼注入的各项参数，设定第i次(i＝1、2、3
……
i)p区注入硼的平均投影射程rppi、投影射程偏差δrppi，与注入峰值浓度np
imax
，使得各个参数满足如下关系式4-5～4-8。其中dp为p区厚度设计值，βi为比例系数，βiδrppi为峰值浓度达到λ2n
pimax
时，深度坐标d
λ2
与平均投影射程rppi的距离绝对值，λ2为峰值比例系数，依据设计需求取0～1之间的值。
19.rpp1+β1δrpp1＝d
t-dn+d0(4-5)rpp
m-βmδr
ppm
＝d
t-d
n-d
p
+d0(4-6)rpp
i-1
+β
i-1
δrpp
i-1
＝rpp
i-βiδrppi2≤i≤m(4-7)
np
1max
＝np
2max
＝...＝np
mmax
(4-8)3、p+层参数计算根据impatt管器件材料设计的参数，进行l次(n＝0、1、2
……
l)硼元素离子注入与rta退火激活制备出impatt器件的p+区。
20.p+区采用silvaco软件pearson模型计算rta退火后硼注入的各项参数，考虑到p+注入浓度与p层注入浓度的巨大差值与器件表面欧姆接触性能，需要设计使第一次p+区硼注入与最后一次p区硼注入峰交接处浓度相当。
21.设定第i次(i＝1、2、3
……
i)p+区注入硼的平均投影射程投影射程偏差注入峰值浓度与p漂移区厚度设计值使得各个参数满足如下关系式4-9～4-12。
22.其中，γi为比例系数，为峰值浓度达到时，深度坐标d
λ3
与平均投影射程的距离绝对值，λ3为峰值比例系数，依据设计需求取0～1之间的值；γ1'为考虑p+与p区浓度差之后的比例系数，为峰值浓度达到时，深度坐标与平均投影射程的距离绝对值，λ3'为峰值比例系数，依据设计需求取0～1之间的值，如图10所示。
23.rpp
i-1
+β
i-1
δrpp
i-1
＝rpp
i-βiδrppi2≤i≤l(4-10)10)4、补偿层参数计算如图11所示，考虑到p+区硼元素注入时材料表面存在浓度较低的分布区域，影响器件p+电极欧姆接触性能，所以在器件表面淀积厚度为d1值的二氧化硅补偿层，淀积温度控制在700℃以下，保证不影响杂质分布。而后之后再次进行最后一次p+区硼注入。在注入条件设置上使得硅-二氧化硅界面处浓度，接近该次注入峰值浓度如图12所示。
24.发明优点：本发明采用单面晶圆注入工艺，降低了impatt管超薄硅材料的工艺制备难度，具有操作步骤简单、实施方式简便，生产成本低廉，制备周期短的优点。特别是淀积二氧化硅补偿层，设计p
+
欧姆接触注入补偿条件，保证材料p
+
电极欧姆接触性能；通过rta快速退火，可有效减少退火过程中杂质扩散导致的性能劣化，兼顾了工艺难度与材料性能；采用数次杂质注入拟合impatt管材料每层的“台阶”状杂质分布，保证了impatt管器件性能。
25.附图说明：图1是本发明提供的s1制备步骤完成后的结构示意图；图2是本发明提供的s2制备步骤完成后的结构示意图；图3是本发明提供的s3制备步骤完成后的结构示意图；图4是本发明提供的s4制备步骤完成后的结构示意图；图5是本发明提供的s5制备步骤完成后的结构示意图；图6是本发明提供的s7制备步骤完成后的结构示意图；
图7是s1制备步骤完成后杂质分布示意图；图8是s2制备步骤完成后杂质分布示意图；图9是s3制备步骤完成后杂质分布示意图；图10是s4制备步骤完成后杂质分布示意图；图11是s5制备步骤完成后杂质分布示意图；图12是s6制备步骤完成后杂质分布示意图。
26.具体实施方式：实施例1：如图1-6所示，一种毫米波宽带impatt管超薄硅材料制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：s1、取一片硅片作为n型低阻衬底层2，在n型低阻衬底2上表面上生成出本征硅层10，在本征硅层10设有氧化的保护层1。
27.n型低阻衬底2为n《111》砷掺杂，厚度625微米，电阻率0.002ω
·
cm；所述本征硅10的外延层厚度为0.9μm，所述保护层1为二氧化硅淀积厚度为300
å
。
28.s2、在n型低阻衬底2一侧的本征硅10内通过至少一次磷元素离子注入与rta退火制备出impatt器件的n区3。磷元素离子注入时采用的注入能量为600kev，注入剂量为2e13 atoms/cm
2，
，rta退火温度为1000℃，退火温度时间30s。
29.s3、在n区3一侧的本征硅外延层10内通过至少一次硼元素离子注入与rta制备出impatt器件的p区4。在注入硼元素离子注入时的能量为250kev，注入剂量为2e13 atoms/cm2，而后进行rta退火温度1000℃，退火温度时间30s。
30.s4、在p区4和保护层1之间的本征硅10内通过两次硼元素离子注入与rta退火制备出impatt器件的p
+
区5。第一注入能量为80～120kev，剂量为1.5e14 atoms/cm2，第二次注入能量50kev，剂量为1e1414 atoms/cm2而后进行rta退火温度1000℃，时间30s。
31.s5、在保护层1表面再设置补偿层6，补偿层6为二氧化硅为淀积厚度为1000
å
。
32.s6、在p
+
区5再次注入硼元素离子进行补偿，硼元素离子注入能量为20v，剂量为1e14～1.2e14 atoms/cm2；而后再次进行rta退火激活，退火温度1000℃，时间30s。 从而确保p
+
区5与保护层1界面处硼元素离子的浓度。
33.s7、采用湿法腐蚀的方法去除保护层1和补偿层6从而得到毫米波宽带impatt管超薄硅材料。湿法腐蚀采用的是hf酸溶液进行腐蚀。
34.实施例2：如图1-6所示，一种毫米波宽带impatt管超薄硅材料制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：s1、取一片硅片作为n型低阻衬底层2，在n型低阻衬底2上表面上生成出本征硅层10，在本征硅层10设有氧化的保护层1。
35.n型低阻衬底2为n《111》砷掺杂，厚度635微米，电阻率0.003ω
·
cm；所述本征硅10的外延层厚度为1.4μm，所述保护层1为二氧化硅淀积厚度为300
å
。
36.s2、在n型低阻衬底2一侧的本征硅10内通过至少一次磷元素离子注入与rta退火制备出impatt器件的n区3。磷元素离子注入时采用的注入能量为750kev，注入剂量为3.5e13 atoms/cm
2，
，rta退火温度为1000℃，退火温度时间40s。
37.s3、在n区3一侧的本征硅外延层10内通过至少一次硼元素离子注入与rta制备出impatt器件的p区4。在注入硼元素离子注入时的能量为280kev，注入剂量为3.5e13 atoms/
cm2，而后进行rta退火温度1000℃，退火温度时间40s。
38.s4、在p区4和保护层1之间的本征硅10内通过两次硼元素离子注入与rta退火制备出impatt器件的p
+
区5。第一注入能量为120kev，剂量为12e14 atoms/cm2，第二次注入能量60kev，剂量为1.8e14 atoms/cm2而后进行rta退火温度1000℃，时间40s。
39.s5、在保护层1表面再设置补偿层6，补偿层6为二氧化硅为淀积厚度为1000
å
。
40.s6、在p
+
区5再次注入硼元素离子进行补偿，硼元素离子注入能量为40kev，剂量为1.2e14 atoms/cm2；而后再次进行rta退火激活，退火温度1000℃，时间40s。 从而确保p
+
区5与保护层1界面处硼元素离子的浓度。
41.s7、采用湿法腐蚀的方法去除保护层1和补偿层6从而得到毫米波宽带impatt管超薄硅材料。湿法腐蚀采用的是hf酸溶液进行腐蚀。