具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备方法及其器件

技术领域

本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及具有台面结构的异质 GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备方法及其器件。

背景技术

在现代无线通讯系统中，天线作为系统与外界传播媒介的接口，是所有无线电系统不可或缺的组成部件。天线作为辐射和接收电磁波的装置，实现了电磁波与传输线上导波之间的切换：当天线作为发射装置时，把传输线上具有特定频率的电流转换为自由空间的电磁波；当天线作为接收装置时，把外界电磁波转换为传输线上的高频电流。随着现代通讯的快速进步以及通信与其他技术结合的越来越密切，人们所需要的天线功能以及系统复杂度也会越来越高。基于固态等离子体PiN二极管的硅基高集成可重构天线具有灵活重构的技术、高集成特性以及隐身性能良好等优势，使其可广泛的应用于雷达通信、直升机以及高信噪比的微波通信天线等领域。

因此，如何制作一种高性能固态等离子体横向表面PiN二极管来应用于硅基高集成可重构天线就变得尤为重要。

发明内容

本发明提供具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备方法及其器件，可以解决现有技术中的上述问题。

本发明提供了具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

(a)选取半导体GeOI衬底，并在GeOI衬底内掺杂形成顶层GeSn区；

(b)在GeSn区表面，形成台面的有源区；

(c)在台面的有源区，利用原位掺杂形成P区和N区；

(d)在所述衬底上形成GeSn合金引线并进行连接，形成具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列。

上述步骤(a)在GeOI衬底内掺杂形成顶层GeSn区的具体方法包括以下步骤：

(a1)光刻所述GeOI衬底；

(a2)对所述GeOI衬底进行Sn组分掺杂，形成顶层GeSn区，通过动态控制顶层Ge中Sn组分的含量以实现载流子最大注入比；

(a3)去除光刻胶。

上述步骤(b)形成台面的有源区，具体方法包括以下步骤：

(b1)在所述GeSn区表面利用化学气相沉积CVD淀积一层氮化硅；

(b2)利用光刻工艺在所述氮化硅层上形成台面有源区图形；

(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保护层及顶层GeSn区从而形成台面有源区。

上述步骤(c)利用原位掺杂形成P区和N区的具体方法包括以下步骤：

(c1)台面的有源区四周平坦化处理；

(c2)在衬底表面的P区图形上，利用原位掺杂淀积p型AlAs形成P区；

(c3)在衬底表面的N区图形上，利用原位掺杂淀积n型AlAs形成N区；

上述步骤(c1)对台面的有源区四周进行平坦化处理的具体方法包括以下步骤：

(c11)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；

(c12)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。

上述步骤(c2)利用原位掺杂淀积p型AlAs形成P区的具体方法包括以下步骤：

(c21)利用化学气相沉积CVD在所述衬底表面淀积一层二氧化硅；

(c22)利用光刻工艺在所述二氧化硅层上形成P区图形；

(c23)利用湿法刻蚀工艺去除P区上的二氧化硅；

(c24)利用原位掺杂淀积p型AlAs形成P区；

(c25)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二氧化硅。

上述步骤(c3)利用原位掺杂淀积n型AlAs形成N区的具体方法包括以下步骤：

(c31)利用化学气相沉积CVD在所述衬底表面淀积一层二氧化硅；

(c32)利用光刻工艺在所述二氧化硅层上形成N区图形；

(c33)利用湿法刻蚀工艺去除N区上的二氧化硅；

(c34)利用原位掺杂淀积n型AlAs形成N区；

(c35)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二氧化硅。

上述步骤(d)形成具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的具体方法包括以下步骤：

(d1)在所述衬底上生成二氧化硅；

(d2)利用退火工艺激活所述P区和N区中的杂质，形成二极管；

(d3)在P区和N区光刻引线孔并采用离子体化学气相沉积RPCVD形成 GeSn合金引线；

(d4)钝化处理并光刻PAD；

(d5)将所述二极管进行相互串联以形成具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列。

一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列，其特征在于，采用上述的制备方法制成。

一种硅基可重构单极子天线，包括半导体衬底GeOI、天线臂、第一直流偏置线、第二直流偏置线、第三直流偏置线、第四直流偏置线以及同轴馈线；所述天线臂和同轴馈线连接，所述天线臂由多个具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列构成，二极管阵列通过第一直流偏置线、第二直流偏置线、第三直流偏置线、第四直流偏置线连接至直流偏置电源，通过直流馈线动态控制所述不同PiN二极管阵列的导通与截止，实现天线性能的动态重构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列用于形成硅基可重构单极子天线，通过动态控制所述PiN二极管阵列的导通与截止，实现天线性能的动态重构。

(2)具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列通过动态控制顶层Ge中Sn组分的含量，从而实现二极管本征区GeSn禁带宽度的可调。由于其大注入比和高迁移率的特性，可有效提高PiN二极管的固态等离子体浓度和分布均匀性。

(3)具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列通过采用 RPCVD的技术形成GeSn合金引线，取代传统pin二极管中的金属电极，极大地提高了硅基天线系统集成度和隐身性能。

(4)具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的P区与N区采用了基于刻蚀的深槽刻蚀的多晶硅镶嵌工艺，该工艺能够提供突变结 Pi和Ni结，并且能够有效地提高结深，使固态等离子体的浓度和分布得到改善。

(5)具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列采用了深槽介质隔离工艺，有效地提高了二极管的击穿电压，抑制了漏电流对器件性能的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的硅基可重构单极子天线结构示意图。

图2为本发明实施例的一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体 PiN二极管阵列的制作方法流程图。

图3a-图3u为本发明实施例的一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备方法示意图。

图4为本发明实施例的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管的器件结构示意图。

图5为本发明实施例的一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体 PiN二极管阵列的结构示意图。

图1的附图标记说明：

1-半导体衬底GeOI，2-天线臂，3-第一直流偏置线，4-第二直流偏置线， 5-第三直流偏置线，6-第四直流偏置线，7-同轴馈线。

图3的附图标记说明：

101-GeOI衬底，201-GeSn区，401-有源区深槽，501-氧化层，601-二氧化硅，801-P区，1001-二氧化硅层，1201-N区，1401-多晶AlAs层，1501-二氧化硅层，1801-引线孔，1901-GeSn合金，2001-钝化层。

图4的附图标记说明：

301-氮化硅层，302-顶层GeSn区，303-P区，304-N区。

具体实施方式

下面结合附图1-6，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明提出了一种适用于形成硅基可重构单极子天线的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备方法。该PiN二极管可以是基于绝缘衬底上的锗(Germanium-On-Insulator，简称GeOI)通过掺杂Sn组分形成横向异质GeSn基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。

硅基可重构单极子天线可以是由具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列排列组合而成，利用外部控制阵列中的二极管选择性导通，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，在直升机、国防通讯与雷达技术方面具有重要的应用前景。

以下，将对本发明制备的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN 二极管阵列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硅基可重构单极子天线结构示意图。所述硅基可重构单极子天线包括：半导体衬底GeOI1、天线臂2、第一直流偏置线3、第二直流偏置线4、第三直流偏置线5、第四直流偏置线6以及同轴馈线7；所述天线臂2由多个具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN 二极管阵列构成。

所述天线臂包括多个具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列，通过控制不同PiN二极管阵列的导通与截止实现天线性能的重构；其他相似系统中二极管阵列的数目可依据天线性能所需进行增减。

所述天线臂、直流偏直线以及同轴馈线采用半导体工艺制备于所述半导体衬底上，所述二极管天线臂2和同轴馈线14连接。其中，所述天线臂2包括串行连接的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列L1、L2 和L3，不同的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列通过直流偏置线3、4、5、6连接至直流偏置电源。

请参见图2，图2为本发明实施例的一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管的制作方法流程图，该方法适用于制备硅基固态等离子体PiN二极管阵列，且该二极管阵列主要用于制作硅基可重构单极子天线。该方法包括如下步骤：

(a)选取GeOI衬底，并在GeOI衬底内掺杂形成顶层GeSn区；

(b)形成台面的有源区；

(c)利用原位掺杂形成P区和N区；

(d)在所述衬底上形成GeSn合金引线并进行连接，以完成所述硅基可重构单极子天线中的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备。

其中，对于步骤(a)，在GeOI衬底内掺杂形成顶层GeSn区的原因在于，对于硅基固态等离子天线由于其需要良好的微波特性，其辐射单元二极管需要具备高浓度的固态等离子体。而异质GeSn基固态等离子体PiN二极管通过在顶层Ge中掺杂Sn组分动态控制顶层Ge中Sn组分的含量得到禁带宽度比硅材料要窄的GeSn合金，从而进一步地提高载流子从源区到本征区的注入比，使得二极管内部固态等离子体浓度以及分布均匀性得到极大的提高。此外，埋氧层以及深槽隔离技术的引入进一步提高载流子的限定能力，所以在GeOI衬底内掺杂Sn以便形成顶层GeSn区。

对于步骤(a)，在GeOI衬底内掺杂形成顶层GeSn区，可以包括步骤：

(a1)光刻所述GeOI衬底；

(a2)对所述GeOI衬底进行Sn组分掺杂，形成顶层GeSn区，通过动态的控制顶层Ge中Sn组分的含量以实现载流子最大注入比；

(a3)去除光刻胶。

另外，对于步骤(b)，形成台面的有源区，可以包括步骤：

(b1)在所述GeSn区表面利用CVD淀积一层氮化硅；

淀积氮化硅层的目的在于：光刻台面有源区后，可以利用氮化硅作为顶层 GeSn的掩膜，从而刻蚀掉台面有源区里面的GeSn材料。

(b2)利用光刻工艺在所述氮化硅层上形成台面有源区图形；

(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保护层及顶层GeSn从而形成台面有源区。

再者，对于步骤(c)，利用原位掺杂形成P区和N区，具体可以包括如下步骤：

(c1)台面的有源区四周平坦化处理；

(c2)利用原位掺杂淀积p型AlAs形成P区；

(c3)利用原位掺杂淀积n型AlAs形成N区。

对于步骤(c1)，台面的有源区四周平坦化处理，具体可以包括如下步骤：

(c11)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；

(c12)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。

再者，对于步骤(c2)，利用原位掺杂淀积p型AlAs形成P区，具体可以包括如下步骤：

(c21)利用CVD在所述衬底表面淀积一层二氧化硅；

(c22)利用光刻工艺在所述二氧化硅层上形成P区图形；

(c23)利用湿法刻蚀工艺去除P区上的二氧化硅；

(c24)利用原位掺杂淀积p型AlAs形成P区；

(c25)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二氧化硅。

对于步骤(c3)，利用原位掺杂淀积n型AlAs形成N区，具体可以包括如下步骤：

(c31)利用CVD在所述衬底表面淀积一层二氧化硅；

(c32)利用光刻工艺在所述二氧化硅层上形成N区图形；

(c33)利用湿法刻蚀工艺去除N区上的二氧化硅；

(c34)利用原位掺杂淀积n型AlAs形成N区；

(c35)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二氧化硅。

对于步骤(d)，在所述衬底上形成GeSn合金引线并进行连接，以完成所述具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备，具体可以包括如下步骤：

(d1)在所述衬底上生成二氧化硅；

(d2)利用退火工艺激活所述P区和N区中的杂质；

(d3)在P区和N区光刻引线孔并采用RPCVD(离子体化学气相沉积)的技术形成GeSn合金引线；

(d4)钝化处理并光刻PAD；

(d5)将所述二极管进行相互串联以形成所述硅基可重构单极子天线中的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列。

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。

本发明提供的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备方法具备如下优点：

具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列用于形成硅基可重构单极子天线，通过动态控制所述PiN二极管阵列的导通与截止，实现天线性能的动态重构。

具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列通过动态控制顶层Ge中Sn组分的含量，从而实现二极管本征区GeSn禁带宽度的可调。由于其大注入比和高迁移率的特性，可有效提高PiN二极管的固态等离子体浓度和分布均匀性。

具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列通过采用 RPCVD的技术形成GeSn合金引线，取代传统pin二极管中的金属电极，极大的提高了硅基天线系统集成度和隐身性能。

具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的P区与N区采用了基于刻蚀的深槽刻蚀的多晶硅镶嵌工艺，该工艺能够提供突变结Pi和 Ni结，并且能够有效地提高结深，使固态等离子体的浓度和分布得到改善。

具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列采用了深槽介质隔离工艺，有效地提高了二极管的击穿电压，抑制了漏电流对器件性能的影响。

实施例二

请参见图3a-图3u，图3a-图3u为本发明实施例的一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的制备方法示意图，在上述实施例一的基础上，以制备固态等离子区域长度为150微米的具有台面结构的异质GeSn 基固态等离子体PiN二极管阵列为例进行详细说明，本征区长度可以在50微米～150微米之间，具体步骤如下：

S10、选取GeOI衬底。

请参见图3a，该GeOI衬底101的晶向为111，另外，该GeOI衬底101 的掺杂类型为n型，掺杂浓度为1×10

S20、在所述GeOI衬底内掺杂形成顶层GeSn区。

请参见图3b，具体做法可以是：光刻所述GeOI衬底，对所述GeOI衬底进行Sn组分掺杂，使衬底上形成顶层GeSn区201，GeSn区中的Sn组分例如为1％～30％，去除光刻胶。

S30、在所述顶层GeSn区表面淀积一层氮化硅。

请参见图3c，采用化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)的方法，在顶层GeSn区201上淀积氮化硅层301。

S40、刻蚀衬底顶层GeSn区形成有源区深槽。

请参见图3d，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GeSn区从而形成有源区深槽401。

S50、台面的有源区四周平坦化处理。

请参见图3e和3f，具体做法可以是：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5～60nm厚度的氧化层501，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。

S60、在所述衬底表面淀积一层二氧化硅。

请参见图3g，利用CVD方法在所述衬底上淀积一层二氧化硅601。

S70、光刻所述二氧化硅层。

请参见图3h，利用光刻工艺在所述二氧化硅层上形成P区图形，利用湿法刻蚀工艺去除P区图形上的二氧化硅层。

S80、形成P区。

请参见图3i，具体做法可以是：利用原位掺杂的方法，在所述衬底表面的P区图形上淀积p型AlAs形成P区801，通过控制气体流量来控制P区的掺杂浓度。

S90、平整化衬底表面。

请参见图3j，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二氧化硅层。

S100、在所述衬底表面淀积一层二氧化硅。

请参见图3k，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。

S110、光刻所述二氧化硅层。

请参见图3l，利用光刻工艺在所述二氧化硅层上形成N区图形；利用湿法刻蚀工艺去除N区上的二氧化硅层。

S120、形成N区。

请参见图3m，利用原位掺杂的方法，在所述衬底表面的N区图形上淀积 n型AlAs形成N区1201，通过控制气体流量来控制N区的掺杂浓度。

S130、平整化衬底表面。

请参见图3n，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二氧化硅层。

S140、淀积多晶AlAs层。

请参见图3o，可以利用CVD的方法，在沟槽里淀积多晶AlAs层1401。

S150、在表面形成二氧化硅层。

请参照图3p，可以利用CVD的方法，在表面淀积二氧化硅层1501，厚度为500nm。

S160、平整表面。

请参照图3q，可以采用CMP(Common Middle Point)方法去除表面二氧化硅与氮化硅层，使表面平整。

S170、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。

S180、光刻引线孔。

请参照图3r，在二氧化硅层上光刻引线孔1801。

S190、形成引线。

请参照图3s，可以在引线孔中采用RPCVD的技术形成GeSn合金，并刻蚀掉表面的合金；再在衬底表面采用RPCVD的技术形成GeSn合金1901，形成引线，GeSn合金中的Sn组分例如为1％～30％。

S200、钝化处理，光刻PAD。

请参照图3t，可以通过淀积氮化硅形成钝化层2001，光刻PAD。最终形成具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管，作为制备硅基高集成可重构天线基本单元。

S210、形成二极管阵列。

请参照图3u，通过将所述具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN 二极管依次首尾相连构成所述具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN 二极管阵列，用于形成硅基可重构单极子天线。

本实施例中，上述各种工艺参数均为举例说明，依据本领域技术人员的常规手段所做的变换均为本申请之保护范围。

实施例三

请参见图4，图4为本发明实施例的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管的器件结构示意图。该PiN二极管采用上述如图1所示的制备方法制成。具体地，该具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管在GeOI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之间的本征区均位于该衬底的顶层GeSn区302 内。

请参照图5，图5为本发明实施例的一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的结构示意图。所述具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列由硅基可重构单极子天线基本辐射单元PiN二极管依次首尾相连构成，相邻二极管之间的P区和N区相互连接从而形成二极管之间的相互串联，最终形成硅基可重构单极子天线中的具有台面结构的异质 GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列。

请参照图1，图1为本发明实施例的一种基于具有台面结构的异质GeSn 基固态等离子体PiN二极管阵列的硅基可重构单极子天线结构示意图。所述硅基可重构单极子天线包括：半导体衬底GeOI1、天线臂2、第一直流偏置线3、第二直流偏置线4、第三直流偏置线5、第四直流偏置线6以及同轴馈线7；所述天线臂由多个具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列构成，通过控制不同PiN二极管阵列的导通与截止实现天线性能的重构。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管阵列的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。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。