基于异质Ge材料形成的频率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，具体涉及一种基于异质Ge材料形成的频率可重构全息天线的制备方法。

背景技术：

可重构天线的概念提出于20世纪60年代。可重构是指多天线阵列中各阵元之间的关系是可以根据实际情况灵活可变的，而非固定的。它主要是通过调整状态可变器件，实现天线性能的可重构。可重构天线按功能可分为频率可重构天线(包括实现宽频带和实现多频带)、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、波瓣图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构，因其具有体积小、功能多、易于实现分集应用的优点，已经成为研究热点。

全息天线由源天线和全息结构组成。结合实际需求，选择适当的天线作为源天线，通过加载全息结构来改变馈源的辐射，以获得所需的目标天线的辐射特性，通过给定的电磁波辐射的干涉图进而推算天线结构。与传统的反射面天线相比，全息结构具有灵活的构建形式，便于和应用环境一体设计，应用范围很广泛。

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异质Ge材料形成的频率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异质Ge材料形成的频率可重构全息天线的制备方法，其中，所述全息天线包括GeOI材料、第一天线臂、第二天线臂、同轴馈线、直流偏置线及全息圆环；其中，所述制备方法包括：

在所述GeOI衬底上按照所述全息天线的结构制作多个异质Ge基SPiN二极管，且所述异质Ge基SPiN二极管的P区采用SiGe材料、i区采用Ge材料及N区采用SiGe材料；

将多个所述异质Ge基SPiN二极管依次互连PAD以形成多个异质Ge基SPiN二极管串；

在所述异质Ge基SPiN二极管串与直流偏置电源之间采用半导体工艺制作直流偏置线以实现所述异质Ge基SPiN二极管串与直流偏置电源的连接；

制作所述同轴馈线以连接所述第一天线臂及所述第二天线臂，最终形成所述全息天线。

在本发明的一个实施例中，在所述GeOI衬底上按照所述全息天线的结构制作多个异质Ge基SPiN二极管，包括：

(a)在所述GeOI衬底上按照所述第一天线臂、所述第二天线臂、所述全息圆环的结构确定所述异质Ge基的有源区位置，并在所述有源区位置处设置隔离区；

(b)在所述有源区位置处刻蚀所述GeOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽；

(c)填充所述P型沟槽和所述N型沟槽，并采用离子注入工艺在所述P型沟槽和所述N型沟槽位置处形成P型有源区和N型有源区；以及

(d)在所述GeOI衬底上制作引线以形成多个所述异质Ge基SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，步骤(a)中，在所述有源区位置处设置隔离区，包括：

(a1)在所述GeOI衬底表面形成第一保护层；

(a2)利用光刻工艺在所述第一保护层上形成第一隔离区图形；

(a3)利用干法刻蚀工艺在所述第一隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第一保护层及所述GeOI衬底以形成隔离槽，且所述隔离槽的深度大于等于所述GeOI衬底的顶层Ge的厚度；

(a4)填充所述隔离槽以形成所述隔离区。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

(b1)在所述GeOI衬底表面形成第二保护层；

(b2)利用光刻工艺在所述第二保护层上形成第二隔离区图形；

(b3)利用干法刻蚀工艺在所述第二隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第二保护层及所述GeOI衬底以形成所述P型沟槽和所述N型沟槽。

在本发明的一个实施例中，在步骤(c)之前，还包括：

(x1)氧化所述P型沟槽和所述N型沟槽以使所述P型沟槽和所述N型沟槽的内壁形成氧化层；

(x2)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的氧化层以完成所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的平整化。

在本发明的一个实施例中，步骤(c)，包括：

(c1)利用多晶SiGe填充所述P型沟槽和所述N型沟槽；

(c2)平整化处理所述GeOI衬底后，在所述GeOI衬底上形成多晶SiGe层；

(c3)光刻所述多晶SiGe层，并采用带胶离子注入的方法对所述P型沟槽和所述N型沟槽所在位置分别注入P型杂质和N型杂质以形成所述P型有源区和所述N型有源区且同时形成P型接触区和N型接触区；

(c4)去除光刻胶。

在本发明的一个实施例中，步骤(d)包括：

(d1)在所述GeOI衬底上生成二氧化硅；

(d2)利用退火工艺激活所述P型有源区和N型有源区中的杂质；

(d3)在所述P型有源区和所述N型有源区表面光刻引线孔以形成引线；

(d4)钝化处理并光刻PAD以形成多个所述异质Ge基SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，在所述异质Ge基SPiN二极管串与直流偏置电源之间采用半导体工艺制作直流偏置线，包括：

利用CVD工艺，在所述异质Ge基SPiN二极管串与直流偏置电源之间制备形成所述直流偏置线，所述直流偏置线采用铜、铝或者高掺杂的多晶硅制备。

在本发明的一个实施例中，制作所述同轴馈线，包括：

将所述同轴馈线的内芯线连接至所述第一天线臂的金属触片且将所述同轴馈线的外导体连接至所述第二天线臂的金属触片。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、采用异质Ge基SPiN二极管作为基本单元能够有效提高二极管的注入效率和电流，从而提高天线的频率特性。

2、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。

3、采用同轴电缆作为馈源，无复杂馈源结构。

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异质Ge材料形成的频率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异质Ge材料形成的频率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异质Ge基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异质Ge基SPiN二极管的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种异质Ge基SPiN二极管串的结构示意图；以及

图6a-图6r为本发明实施例的一种异质Ge基SPiN二极管的制备方法示意图。

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异质Ge材料形成的频率可重构全息天线的结构示意图。该天线包括GeOI衬底1、第一天线臂2、第二天线臂3、同轴馈线4、直流偏置线5、6、7、8、9、10、11、12、全息圆环14；其中，第一天线臂2和第二天线臂3包括分布在同轴馈线4两侧且等长的异质Ge基SPiN二极管串，全息圆环14包括多个异质Ge基SPiN二极管串w7。

其中，全息圆环14为由八段等长的异质Ge基SPiN二极管串排列形成正八边形结构，其中，正八边形的边长与第一天线臂2和第二天线臂3长度之和相同。或者全息圆环(14)为由多个等长的异质Ge基SPiN二极管串构成并形成正多边形结构，正多边形的外接圆的半径为天线接收或发送的电磁波波长的四分之三。

第一天线臂2包括的异质Ge基SPiN二极管串个数和第二天线臂3包括的异质Ge基SPiN二极管串个数相同，第一天线臂2的二极管串和第二天线臂3的二极管串以同轴馈线4为对称轴进行对称分布，第一天线臂2的任一异质Ge基SPiN二极管串和与该异质Ge基SPiN二极管串对称的第二天线臂3的对应异质Ge基SPiN二极管串长度相等。

其中，直流偏置线5、6、7、8、9、10、11、12间隔性的电连接至异质Ge基SPiN二极管串w1、w2、w3、w4、w5、w6两端。第一天线臂2的任意两段异质Ge基SPiN二极管串之间的结合处及最外侧SPiN二极管串的末端处分别与直流偏置线7、8、9的一端相连，直流偏置线7、8、9的另一端均可在与正电压相连状态或者悬空状态之间切换；第一天线臂2最内侧异质Ge基SPiN二极管串靠近同轴馈线4的一端与直流偏置线5的一端相连，该直流偏置线5的另一端与负电压相连；第二天线臂3的任意两段异质Ge基SPiN二极管串之间的结合处及最外侧异质Ge基SPiN二极管串的末端处分别与直流偏置线10、11、12的一端相连，直流偏置线10、11、12的另一端均可在与正电压相连状态或者悬空状态之间切换；第二天线臂3最内侧异质Ge基SPiN二极管串靠近同轴馈线4的一端与直流偏置线6的一端相连，该直流偏置线6的另一端与负电压相连；构成全息圆环14的多个异质Ge基SPiN二极管串w7的两端均分别通过直流偏置线与正电压和负电压相连。

在工作时，仅直流偏置线7、12与电源正极相连，或者，仅直流偏置线8、11与电源正极相连，或者，仅直流偏置线9、10与电源正极相连，以实现第一天线臂2和第二天线臂3的天线臂的导通长度一致。

进一步地，在本发明实施例提供的天线中，第一天线臂2、第二天线臂3、全息圆环14和直流偏置线5、6、7、8、9、10、11、12采用半导体工艺制作于半导体基片1上，直流偏置线5、6、7、8、9、10、11、12用于对异质Ge基SPiN二极管串施加直流偏置，同轴馈线4的内芯线和外导体(屏蔽层)分别焊接于天线臂的金属触片上且两处焊接点分别接有直流偏置线5、6作为公共负极；SPiN二极管依次首尾相连构成SPiN二极管串，在本实施例中，SPiN二极管第一天线臂2、第二天线臂3均由三段SPiN二极管串组成，每一个SPiN二极管串都有直流偏置线外接电压正极，其中天线臂可由多段二极管串组成，本实施例中的天线臂由三段二极管串组成只是一种示例，具体所需二极管的段数应由实际所需的工作频段决定。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于异质Ge材料形成的频率可重构全息天线的制备方法示意图。该天线的制备方法可以包括：

在所述GeOI衬底上按照所述全息天线的结构制作多个异质Ge基SPiN二极管，且所述异质Ge基SPiN二极管的P区采用SiGe材料、i区采用Ge材料及N区采用SiGe材料；

将多个所述异质Ge基SPiN二极管依次互连PAD以形成多个异质Ge基SPiN二极管串；

在所述异质Ge基SPiN二极管串与直流偏置电源之间采用半导体工艺制作直流偏置线以实现所述异质Ge基SPiN二极管串与直流偏置电源的连接；

制作所述同轴馈线以连接所述第一天线臂及所述第二天线臂，最终形成所述全息天线。

其中，采用GeOI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，需要具备良好的隔离特性和载流子即固态等离子体的限定能力，而GeOI衬底由于其具有能够与隔离槽方便的形成pin隔离区域、二氧化硅(SiO₂)也能够将载流子即固态等离子体限定在顶层Ge中，所以优选采用GeOI作为固态等离子pin二极管的衬底。

其中，在所述异质Ge基SPiN二极管串与直流偏置电源之间采用半导体工艺制作直流偏置线，可以包括：

利用CVD工艺，在所述异质Ge基SPiN二极管串与直流偏置电源之间制备形成所述直流偏置线，所述直流偏置线采用铜、铝或者高掺杂的多晶硅制备。

可选地，制作所述同轴馈线，可以包括：

将所述同轴馈线的内芯线连接至所述第一天线臂的金属触片且将所述同轴馈线的外导体连接至所述第二天线臂的金属触片。

需要说明的是，上述步骤并非具有特定的制作顺序，在实际制备中可以根据实际情况进行调整，此处不做限制。

本实施例中，所述第一天线臂2例如包括三段SPiN二极管串w1、w2、w3。所述第二天线臂3例如包括三段SPiN二极管串w4、w5、w6。且所述SPiN二极管串w1和所述SPiN二极管串w6的长度相等，所述SPiN二极管串w2和所述SPiN二极管串w5的长度相等，所述SPiN二极管串w3和所述SPiN二极管串w4的长度相等。每一个SPiN二极管串亦有直流偏置线外接电压正极。

采用本实施方式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3，图3为本发明实施例提供的一种异质Ge基SPiN二极管的制备方法示意图。该制备方法可以包括如下步骤：

(a)在所述GeOI衬底上按照所述第一天线臂、所述第二天线臂、所述全息圆环的结构确定所述异质Ge基的有源区位置，并在所述有源区位置处设置隔离区；

(b)在所述有源区位置处刻蚀所述GeOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽；

(c)填充所述P型沟槽和所述N型沟槽，并采用离子注入工艺在所述P型沟槽和所述N型沟槽位置处形成P型有源区和N型有源区；以及

(d)在所述GeOI衬底上制作引线以形成多个所述异质Ge基SPiN二极管。

其中，步骤(a)中，在所述有源区位置处设置隔离区，包括：

(a1)在所述GeOI衬底表面形成第一保护层；

(a2)利用光刻工艺在所述第一保护层上形成第一隔离区图形；

(a3)利用干法刻蚀工艺在所述第一隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第一保护层及所述GeOI衬底以形成隔离槽，且所述隔离槽的深度大于等于所述GeOI衬底的顶层Ge的厚度；

(a4)填充所述隔离槽以形成所述隔离区。

其中，步骤(b)可以包括：

(b1)在所述GeOI衬底表面形成第二保护层；

(b2)利用光刻工艺在所述第二保护层上形成第二隔离区图形；

(b3)利用干法刻蚀工艺在所述第二隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第二保护层及所述GeOI衬底以形成所述P型沟槽和所述N型沟槽。

可选地，在步骤(c)之前，还包括：

(x1)氧化所述P型沟槽和所述N型沟槽以使所述P型沟槽和所述N型沟槽的内壁形成氧化层；

(x2)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的氧化层以完成所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的平整化。具体地，平整化处理可以采用如下步骤：氧化P型沟槽和N型沟槽以使P型沟槽和N型沟槽的内壁形成氧化层；利用湿法刻蚀工艺刻蚀P型沟槽和N型沟槽内壁的氧化层以完成P型沟槽和N型沟槽内壁的平整化。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。

可选地，步骤(c)可以包括：

(c1)利用多晶SiGe填充所述P型沟槽和所述N型沟槽；

(c2)平整化处理所述GeOI衬底后，在所述GeOI衬底上形成多晶SiGe层；

(c3)光刻所述多晶SiGe层，并采用带胶离子注入的方法对所述P型沟槽和所述N型沟槽所在位置分别注入P型杂质和N型杂质以形成所述P型有源区和所述N型有源区且同时形成P型接触区和N型接触区；

(c4)去除光刻胶。

其中，步骤(d)可以包括：

(d1)在所述GeOI衬底上生成二氧化硅；

(d2)利用退火工艺激活所述P型有源区和N型有源区中的杂质；

(d3)在所述P型有源区和所述N型有源区表面光刻引线孔以形成引线；

(d4)钝化处理并光刻PAD以形成多个所述异质Ge基SPiN二极管。

请一并参见图4及图5，图4为本发明实施例提供的一种异质Ge基SPiN二极管的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种异质Ge基SPiN二极管串的结构示意图。每个SPiN二极管串中包括多个异质Ge基SPiN二极管，且这些SPiN二极管串行连接。所述异质Ge基SPiN二极管串中的异质Ge基SPiN二极管由P+区27、N+区26和本征区22组成，金属接触区23位于P+区27处，金属接触区24位于N+区26处，处于异质Ge基SPiN二极管串的一端的异质Ge基SPiN二极管的金属接触区23连接至直流偏置的正极，处于异质Ge基SPiN二极管串的另一端的横向异质Ge基SPiN二极管的金属接触区24连接至直流偏置的负极，通过施加直流电压可使整个异质Ge基SPiN二极管串中所有异质Ge基SPiN二极管处于正向导通状态。

实施例三

请参见图6a-图6r，图6a-图6r为本发明实施例的一种异质Ge基SPiN二极管的制备方法示意图。本实施例在上述实施例的基础上，在上述实施例的基础上，以制备沟道长度为22nm(固态等离子区域长度为100微米)的异质Ge基SPiN二极管为例进行详细说明，具体步骤如下：

步骤1，衬底材料制备步骤：

(1a)如图6a所示，选取(100)晶向，掺杂类型为p型，掺杂浓度为10¹⁴cm^-3的GeOI衬底片101，顶层Ge的厚度为50μm；；

(1b)如图6b所示，采用化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)的方法，在GeOI衬底上淀积一层40nm厚度的第一SiO₂层201；

(1c)采用化学气相淀积的方法，在衬底上淀积一层2μm厚度的第一Si₃N₄/SiN层202；

步骤2，隔离制备步骤：

(2a)如图6c所示，通过光刻工艺在上述保护层上形成隔离区，湿法刻蚀隔离区第一Si₃N₄/SiN层202，形成隔离区图形；采用干法刻蚀，在隔离区形成宽5μm，深为50μm的深隔离槽301；

(2b)如图6d所示，采用CVD的方法，淀积SiO₂ 401将该深隔离槽填满；

(2c)如图6e所示，采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)方法，去除表面第一Si₃N₄/SiN层202和第一SiO₂层201，使所述衬底表面平整；

步骤3，P、N区深槽制备步骤：

(3a)如图6f所示，采用CVD方法，在衬底上连续淀积延二层材料，第一层为300nm厚度的第二SiO₂层601，第二层为500nm厚度的第二Si₃N₄/SiN层602；

(3b)如图6g所示，光刻P、N区深槽，湿法刻蚀P、N区第二Si₃N₄/SiN层602和第二SiO₂层601，形成P、N区图形；采用干法刻蚀，在P、N区形成宽4μm，深5μm的深槽701，P、N区槽的长度根据在所制备的天线中的应用情况而确定；

(3c)如图6h所示，在850℃下，高温处理10分钟，氧化槽内壁形成氧化层801，以使P、N区槽内壁平整；

(3d)如图6i所示，利用湿法刻蚀工艺去除P、N区槽内壁的氧化层801。

步骤4，P、N接触区制备步骤：

(4a)如图6j所示，采用CVD的方法，在P、N区槽中淀积多晶SiGe1001，并将沟槽填满；

(4b)如图6k所示，采用CMP，去除表面多晶硅1001与第二Si₃N₄/SiN层602，使表面平整；

(4c)如图6l所示，采用CVD的方法，在表面淀积一层多晶SiGe1201，厚度为200～500nm；

(4d)如图6m所示，光刻P区有源区，采用带胶离子注入方法进行p⁺注入，使P区有源区掺杂浓度达到0.5×10²⁰cm^-3，去除光刻胶，形成P接触1301；

(4e)光刻N区有源区，采用带胶离子注入方法进行n⁺注入，使N区有源区掺杂浓度为0.5×10²⁰cm^-3，去除光刻胶，形成N接触1302；

(4f)如图6n所示，采用湿法刻蚀，刻蚀掉P、N接触区以外的多晶SiGe1201，形成P、N接触区；

(4g)如图6o所示，采用CVD的方法，在表面淀积SiO₂ 1501，厚度为800nm；

(4h)在1000℃，退火1分钟，使离子注入的杂质激活、并且推进多晶SiGe中杂质；

步骤5，构成PIN二极管步骤：

(5a)如图6p所示，在P、N接触区光刻引线孔1601；

(5b)如图6q所示，衬底表面溅射金属，在750℃合金形成金属硅化物1701，并刻蚀掉表面的金属；

(5c)衬底表面溅射金属，光刻引线；

(5d)如图6r所示，淀积Si₃N₄/SiN形成钝化层1801，光刻PAD，形成异质Ge基SPiN二极管，作为制备全息天线的材料。

本发明制备的异质Ge基SPiN二极管，所使用的Ge材料，由于其高迁移率和大载流子寿命的特性，提高了pin二极管的固态等离子体浓度；另外，异质Ge基SPiN二极管的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与ni结，并且能够有效地提高pi结、ni结的结深，使固态等离子体的浓度和分布的可控性增强，有利于制备出高性能的等离子天线；并且本发明制备的应用于全息天线的SPiN二极管采用了一种基于刻蚀的深槽介质隔离工艺，有效地提高了器件的击穿电压，抑制了漏电流对器件性能的影响。

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。