一种SiGe基固态等离子体PiN二极管及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种SiGe基固态等离子体PiN二极管及其制备方法。

背景技术：

目前，国内外应用于等离子可重构天线的PiN二极管采用的材料均为体硅材料，此材料存在本征区载流子迁移率较低问题，影响PiN二极管本征区载流子浓度，进而影响其固态等离子体浓度；并且该结构的P区与N区大多采用注入工艺形成，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。

因此，选择何种材料及工艺来制作一种固态等离子体PiN二极管以应用于固态等离子天线就变得尤为重要。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种SiGe基固态等离子体PiN二极管及其制备方法。

具体地，本发明实施例提出的一种SiGe基固态等离子体PiN二极管的制备方法，所述固态等离子体PiN二极管用于制作固态等离子天线，所述制备方法包括步骤：

(a)选取某一晶向的SiGeOI衬底，在SiGeOI衬底上设置隔离区；

(b)刻蚀所述衬底形成P型沟槽和N型沟槽，所述P型沟槽和所述N型沟槽的深度小于所述衬底的顶层SiGe的厚度；

(c)在所述P型沟槽和所述N型沟槽内采用离子注入形成第一P型有源区和第一N型有源区；

(d)填充所述P型沟槽和所述N型沟槽，并采用离子注入在所述衬底的顶层SiGe内形成第二P型有源区和第二N型有源区；以及

(e)在所述衬底上形成引线，以完成所述SiGe基固态等离子体PiN二极管的制备。

在上述实施例的基础上，在所述衬底内设置隔离区，包括：

(a1)在所述SiGe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衬底以形成隔离槽，且所述隔离槽的深度大于等于所述衬底的顶层SiGe的厚度；

(a4)填充所述隔离槽以形成所述固态等离子体PiN二极管的所述隔离区。

在上述实施例的基础上，所述第一保护层包括第一二氧化硅层和第一氮化硅层；相应地，步骤(a2)包括：

(a21)在所述SiGe表面生成二氧化硅以形成第一二氧化硅层；

(a22)在所述第一二氧化硅层表面生成氮化硅以形成第一氮化硅层。

在上述实施例的基础上，步骤(b)包括：

(b1)在所述SiGe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衬底以形成所述P型沟槽和所述N型沟槽。

在上述实施例的基础上，所述第二保护层包括第二二氧化硅层和第二氮化硅层；相应地，步骤(b1)包括：

(b11)在所述SiGe表面生成二氧化硅以形成第二二氧化硅层；

(b12)在所述第二二氧化硅层表面生成氮化硅以形成第二氮化硅层。

在上述实施例的基础上，步骤(c)包括：

(c1)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；

(c2)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；

(c3)对所述P型沟槽和所述N型沟槽进行离子注入以形成所述第一P型有源区和所述第一N型有源区，所述第一N型有源区为沿离子扩散方向距所述N型沟槽侧壁和底部深度小于1微米的区域，所述第一P型有源区为沿离子扩散方向距所述P型沟槽侧壁和底部深度小于1微米的区域。

在上述实施例的基础上，步骤(c3)包括：

(c31)光刻所述P型沟槽和所述N型沟槽；

(c32)采用带胶离子注入的方法对所述P型沟槽和所述N型沟槽分别注入P型杂质和N型杂质以形成第一P型有源区和第一N型有源区；

(c33)去除光刻胶。

在上述实施例的基础上，步骤(d)包括：

(d1)利用多晶硅填充所述P型沟槽和所述N型沟槽；

(d2)平整化处理所述衬底后，在所述衬底上形成多晶硅层；

(d3)光刻所述多晶硅层，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型杂质以形成第二P型有源区和第二N型有源区且同时形成P型接触区和N型接触区；

(d4)去除光刻胶；

(d5)利用湿法刻蚀去除所述P型接触区和所述N型接触区以外的所述多晶硅层。

在上述实施例的基础上，步骤(e)包括：

(e1)在所述衬底上生成二氧化硅；

(e2)利用退火工艺激活有源区中的杂质；

(e3)在所述P型接触区和所述N型接触区光刻引线孔以形成引线；

(e4)钝化处理并光刻PAD以形成所述固态等离子体PiN二极管。

此外，本发明另一实施例提出的一种SiGe基固态等离子体PiN二极管，用于制作固态等离子天线，所述SiGe基固态等离子体PiN二极管采用上述任意方法实施例制得。

由上可知，本发明实施例通过对SiGe基固态等离子体PiN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。并且，由于SiGe材料具有高的载流子迁移率，故在I区可形成高的载流子浓度从而提高二极管的性能。另外，常规制作固态等离子体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，影响固态等离子体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。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例的一种SiGe基固态等离子体PiN二极管的制作方法流程图。

图2a-图2s为本发明实施例的一种SiGe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SiGe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

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

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SiGe基固态等离子体PiN二极管的制备方法及器件。该SiGe基固态等离子体PiN二极管是基于绝缘衬底上的SiGe形成横向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。

横向固态等离子体PiN二极管等离子可重构天线可以是由横向固态等离子体PiN二极管按阵列排列组合而成，利用外部控制阵列中的固态等离子体PiN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固态等离子体PiN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SiGe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SiGe基固态等离子体PiN二极管的制作方法流程图，该方法适用于制备横向固态等离子体PiN二极管，且该横向固态等离子体PiN二极管主要用于制作固态等离子天线。该方法包括如下步骤：

(a)选取某一晶向的SiGeOI衬底，在SiGeOI衬底上设置隔离区；

(b)刻蚀所述衬底形成P型沟槽和N型沟槽，所述P型沟槽和所述N型沟槽的深度小于所述衬底的顶层SiGe的厚度；

(c)在所述P型沟槽和所述N型沟槽内采用离子注入形成第一P型有源区和第一N型有源区；

(d)填充所述P型沟槽和所述N型沟槽，并采用离子注入在所述衬底的顶层SiGe内形成第二P型有源区和第二N型有源区；以及

(e)在所述衬底上形成引线，以完成所述SiGe基固态等离子体PiN二极管的制备。

其中，对于步骤(a)，采用SiGeOI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，而固态等离子体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SiGeOI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硅中，所以优选采用SiGeOI作为固态等离子体PiN二极管的衬底。且SiGe材料的载流子迁移率比较大，故可提高器件性能。

另外，对于步骤(a)，在SiGeOI衬底上设置隔离区，包括步骤：

(a1)在SiGeOI衬底表面的SiGe层上形成第一保护层；

具体地，第一保护层包括第一二氧化硅(SiO₂)层和第一氮化硅(SiN)层；则第一保护层的形成包括：在SiGe表面生成二氧化硅(SiO₂)以形成第一二氧化硅(SiO₂)层；在第一二氧化硅(SiO₂)层表面生成氮化硅(SiN)以形成第一氮化硅(SiN)层。这样做的好处在于，利用二氧化硅(SiO₂)的疏松特性，将氮化硅(SiN)的应力隔离，使其不能传导进顶层SiGe，保证了顶层SiGe性能的稳定；基于氮化硅(SiN)与SiGe在干法刻蚀时的高选择比，利用氮化硅(SiN)作为干法刻蚀的掩蔽膜，易于工艺实现。当然，可以理解的是，保护层的层数以及保护层的材料此处不做限制，只要能够形成保护层即可。

(a2)利用光刻工艺在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第一隔离区图形的指定位置处刻蚀第一保护层及衬底以形成隔离槽，且隔离槽的深度大于等于衬底的顶层SiGe的厚度；其中，隔离槽的深度大于等于顶层SiGe的厚度，保证了后续槽中二氧化硅(SiO₂)与衬底的氧化层的连接，形成完整的绝缘隔离。

(a4)填充隔离槽以形成固态等离子体PiN二极管的隔离区。其中，填充隔离槽的材料可以是二氧化硅(SiO₂)。

再者，对于步骤(b)，具体可以包括如下步骤：

(b1)在衬底表面形成第二保护层；

具体地，第二保护层包括第二二氧化硅(SiO₂)层和第二氮化硅(SiN)层；则第二保护层的形成包括：在衬底表面生成二氧化硅(SiO₂)以形成第二二氧化硅(SiO₂)层；在第二二氧化硅(SiO₂)层表面生成氮化硅(SiN)以形成第二氮化硅(SiN)层。这样做的好处类似于第一保护层的作用，此处不再赘述。

(b2)利用光刻工艺在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第二隔离区图形的指定位置处刻蚀第二保护层及衬底以形成P型沟槽和N型沟槽。

其中，P型沟槽和N型沟槽的深度大于第二保护层厚度且小于第二保护层与衬底顶层SiGe厚度之和。优选地，该P型沟槽和N型沟槽的底部距衬底的顶层SiGe底部的距离为0.5微米～30微米，形成一般认为的深槽，这样在形成P型和N型有源区时可以形成杂质分布均匀、且高掺杂浓度的P、N区和和陡峭的Pi与Ni结，以利于提高i区等离子体浓度。

再者，对于步骤(c)，具体可以包括如下步骤：

(c1)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。

(c2)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。

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。

(c3)对P型沟槽和N型沟槽进行离子注入以形成第一P型有源区和第一N型有源区，第一N型有源区为沿离子扩散方向距N型沟槽侧壁和底部深度小于1微米的区域，第一P型有源区为沿离子扩散方向距P型沟槽侧壁和底部深度小于1微米的区域。

具体地，离子注入过程可以为：光刻P型沟槽和N型沟槽；采用带胶离子注入的方法对P型沟槽和N型沟槽分别注入P型杂质和N型杂质以形成第一P型有源区和第一N型有源区；去除光刻胶。

其中，形成第一有源区的目的在于：在沟槽的侧壁形成一层均匀的重掺杂区域，该区域即为Pi和Ni结中的重掺杂区，而第一有源区的形成具有如下几个好处，以槽中填入多晶硅作为电极为例说明，第一、避免了多晶硅与SiGe之间的异质结与Pi和Ni结重合，导致的性能的不确定性；第二、可以利用多晶硅中杂质的扩散速度比较快的特性，进一步向P和N区扩散，进一步提高P和N区的掺杂浓度；第三、这样做防止了在多晶硅工艺过程中，多晶硅生长的不均性造成的多晶硅与槽壁之间形成空洞，该空洞会造成多晶硅与侧壁的接触不好，影响器件性能。

再者，对于步骤(d)，具体可以包括如下步骤：

(d1)利用多晶硅填充P型沟槽和N型沟槽；

其中，填充沟槽的材料也可以为金属、重掺杂多晶硅锗或重掺杂硅，此处优选为多晶硅。

(d2)平整化处理衬底后，在衬底上形成多晶硅层；

(d3)光刻多晶硅层，并采用带胶离子注入的方法对P型沟槽和N型沟槽所在位置分别注入P型杂质和N型杂质以形成第二P型有源区和第二N型有源区且同时形成P型接触区和N型接触区；

(d4)去除光刻胶；

(d5)利用湿法刻蚀去除P型接触区和N型接触区以外的多晶硅层。

再者，对于步骤(e)，具体可以包括如下步骤：

(e1)在衬底上生成二氧化硅；

(e2)利用退火工艺激活P型有源区和N型有源区中的杂质；

(e3)在P型接触区和N型接触区光刻引线孔以形成引线；

(e4)钝化处理并光刻PAD以形成固态等离子体PiN二极管。

本发明提供的SiGe基固态等离子体PiN二极管的制备方法具备如下优点：

(1)PiN二极管所使用的SiGe材料，由于其高迁移率和大载流子寿命的特性，能有效提高了PiN二极管的固态等离子体浓度；

(2)PiN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实现很好的可控性；

(3)PiN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。

实施例二

请参见图2a-图2s，图2a-图2s为本发明实施例的一种SiGe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，以制备沟道长度为22nm(固态等离子区域长度为100微米)的SiGe基固态等离子体PiN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2a所示，选取(100)晶向的SiGeOI衬底片101，掺杂类型为p型，掺杂浓度为10¹⁴cm^-3，顶层SiGe的厚度为50μm；

(1b)如图2b所示，采用化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)的方法，在SiGe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2c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2d所示，光刻隔离区之后，采用CVD的方法，淀积SiO₂ 401将该深隔离槽填满；

(2c)如图2e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，使衬底表面平整；

步骤3，P、N区深槽制备步骤：

(3a)如图2f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2g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2h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2i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2j所示，光刻P区深槽，采用带胶离子注入的方法对P区槽侧壁进行p⁺注入，使侧壁上形成薄的p⁺有源区1001，浓度达到0.5×10²⁰cm^-3，除掉光刻胶；

(4b)光刻N区深槽，采用带胶离子注入的方法对N区槽侧壁进行n⁺注入，使侧壁上形成薄的n⁺有源区1002，浓度达到0.5×10²⁰cm^-3，除掉光刻胶；

(4c)如图2k所示，采用CVD的方法，在P、N区槽中淀积多晶硅1101，并将沟槽填满；

(4d)如图2l所示，采用CMP，去除表面多晶硅1101与第二Si₃N₄/SiN层602，使表面平整；

(4e)如图2m所示，采用CVD的方法，在表面淀积一层多晶硅1301，厚度为200～500nm；

(4f)如图2n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1401；

(4g)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1402；

(4h)如图2o所示，采用湿法刻蚀，刻蚀掉P、N接触区以外的多晶硅1301，形成P、N接触区；

(4i)如图2p所示，采用CVD的方法，在表面淀积SiO₂1601，厚度为800nm；

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

步骤5，构成PIN二极管步骤：

(5a)如图2q所示，在P、N接触区光刻引线孔1701；

(5b)如图2r所示，衬底表面溅射金属，在750℃合金形成金属硅化物1801，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2s所示，淀积Si₃N₄/SiN形成钝化层1901，光刻PAD，形成PIN二极管，作为制备固态等离子天线材料。

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。

本发明制备的应用于固态等离子可重构天线的PiN二极管，首先，所使用的SiGe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，PiN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；再次，本发明制备的应用于固态等离子可重构天线的PiN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。

实施例三

请参照图3，图3为本发明实施例的SiGe基固态等离子体PiN二极管的器件结构示意图。该固态等离子体PiN二极管采用上述如图1所示的制备方法制成，具体地，该固态等离子体PiN二极管在SiGeOI衬底301上制备形成，且PiN二极管的P区305、N区306以及横向位于该P区305和该N区306之间的I区均位于衬底的顶层SiGe302内。其中，该PiN二极管可以采用STI深槽隔离，即该P区305和该N区306外侧各设置有一隔离槽303，且该隔离槽303的深度大于等于顶层SiGe的厚度。另外，该P区305和该N区306在沿衬底方向可以分别对应包括一薄层P型有源区307和一薄层N型有源区304。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明固态等离子体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。