具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管及制备方法

摘要

本发明公开了一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管及制备方法。该二极管及其制备方法包括选取GeOI衬底，并在GeOI衬底内掺杂形成顶层GeSn区；形成台面的有源区；利用原位掺杂形成P区和N区；以及在所述衬底上形成GeSn合金引线，以完成所述具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管的制备。本发明台面结构的引入将二极管有源区P区和N区做到了本征区底部，极大的缩减了载流子纵向扩散的距离，减弱了载流子在本征区内部的衰减，可极大的提高固态等离子体PiN二极管内部载流子浓度和分布均匀性，同时顶层GeSn区的引入使得本征区内部载流子的输运机制改善，通过动态控制顶层Ge中Sn组分的含量使得本征区禁带宽度可调。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件制造技术领域，具体涉及一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管及制备方法。

背景技术

现代通信系统对小型化集成化的要求越来越强烈，作为通信系统中电磁波辐射和接收装置的天线更在系统性能衡量标准中扮演了重要的角色，这就要求天线在实现多方向极化、多工作频段以及多应用功能的基础上，降低天线系统复杂度便于操作，减小天线系统重量和物理尺寸，与现代半导体制备工艺相结合，推动通信系统向小型化集成化方向发展。传统金属天线由于其体积大、重构性能差以及集成度低等缺点逐渐不能满足现代通信系统的需求。在这种背景下，一种新型固态等离子体天线由于其具有集成度高、重构性灵活以及隐身性能良好等优势，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。二极管作为硅基天线基本辐射单元，通过动态控制单元阵列的导通与截止实现天线性能重构，使其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，直升机天线，高信噪比的微波通信天线等领域。

目前现有的固态等离子体PiN二极管存在载流子纵向扩散的距离大，导致载流子在本征区内部的衰减严重，因此，本发明提供一种能应用于硅基高集成可重构天线的高性能固态等离子体横向表面PiN二极管及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管及制备方法，通过二极管台面结构的引入将二极管有源区P区和N区做到了本征区底部，极大的缩减了载流子纵向扩散的距离，减弱了载流子在本征区内部的衰减，可极大的提高固态等离子体PiN二极管内部载流子浓度和分布均匀性，同时顶层GeSn区的引入使得本征区内部载流子的输运机制改善，通过动态控制顶层Ge中Sn组分的含量使得本征区禁带宽度可调。

本发明的目的之一在于，提供了一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管的制备方法，制备方法包括步骤：

(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，具体步骤如下；

(c1)台面的有源区四周平坦化处理；

(c2)利用原位掺杂淀积p型硅形成P区；

(c3)利用原位掺杂淀积n型硅形成N区；

(d)在所述衬底上形成GeSn合金引线，以完成所述具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管的制备。

较佳地，步骤(a)包括：

(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。

较佳地，步骤(b)包括：

(b1)在所述GeSn区表面利用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。

较佳地，步骤(c1)包括：

(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。

较佳地，步骤(c2)包括：

(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型硅形成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。

较佳地，步骤(c3)包括：

(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型硅形成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。

较佳地，步骤(d)包括：

(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的技术形成GeSn合金引线；

(d4)钝化处理并光刻PAD以形成所述具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管。

本发明的目的之二是还提供了一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管，用于制作硅基高集成固态等离子体天线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用原位掺杂工艺能够制备并提供适用于形成硅基高集成可重构天线的高性能具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管，通过台面结构的引入将二极管有源区P区和N区做到了本征区底部，极大的缩减了载流子纵向扩散的距离，减弱了载流子在本征区内部的衰减，可极大的提高固态等离子体PiN二极管内部载流子浓度和分布均匀性。同时，顶层GeSn区的引入使得本征区内部载流子的输运机制得到改善，通过动态控制顶层Ge中Sn组分的含量使得本征区禁带宽度可调。

附图说明

图1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。

图2a-图2t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二极管的制备方法示意图。

图3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。

具体实施方式

下面结合附图1-3，对本发明的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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管及制备方法，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具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管及其制备方法。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。

固态等离子体可重构天线可以是由具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管按阵列排列组合而成，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，且该二极管主要用于制作硅基高集成可重构天线。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，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，从而进一步的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型硅形成P区；

(c3)利用原位掺杂淀积n型硅形成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型硅形成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型硅形成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型硅形成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型硅形成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，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的技术形成GeSn合金引线；

(d4)钝化处理并光刻PAD以形成所述具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管。

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。

实施例二

请参见图2a-图2t，图2a-图2t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微米的具有台面结构的异质GeSn基固态等离子体PiN二极管为例进行详细说明，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2a，该GeOI衬底101的晶向为(100)，另外，该GeOI衬底101的掺杂类型为p型，掺杂浓度为10

S20、在所述GeOI衬底内掺杂形成顶层GeSn区。

请参见图2b，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2c，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2d，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2e和2f，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2g，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2h，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2i，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型硅形成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2j，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2k，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2l，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2m，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型硅形成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2n，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、淀积多晶硅层。

请参见图2o，可以利用CVD的方法，在沟槽里淀积多晶硅层1401。

S150、在表面形成二氧化硅层。

请参照图2p，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2q，可以采用CMP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2r，在二氧化硅层上光刻引线孔1801。

S190、形成引线。

请参照图2s，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2t，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。

实施例三

请参见图3，图3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。

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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。