Ge基频率可重构套筒偶极子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Ge基频率可重构套筒偶极子天线的制备方法。

背景技术：

在天线技术发展迅猛的今天，传统的套筒单极子天线以其宽频带、高增益、结构简单、馈电容易且纵向尺寸、方位面全向等诸多优点广泛应用于车载、舰载和遥感等通信系统中。但是普遍使用的套筒单极子天线的电特征不仅依赖于套筒结构，且与地面有很大的关系，这就很难满足舰载通信工程中架高天线对宽频带和小型化的需求。

套筒偶极子天线是天线辐射体外加上了一个与之同轴的金属套筒而形成的振子天线。套筒天线在加粗振子的同时，引入不对称馈电，起到了类似电路中参差调谐的作用，进而更有效地展宽了阻抗带宽。同时，为突破传统天线固定不变的工作性能难以满足多样的系统需求和复杂多变的应用环境，可重构天线的概念得到重视并获得发展。可重构微带天线因其体积小，剖面低等优点成为可重构天线研究的热点。基于此，可重构的套筒偶极子天线成为当前市场前景较好的产品之一。

因此，如何设计出结构简单，易于实现的频率可重构的套筒偶极子天线，是本领域技术人员亟需解决的问题。

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SPiN二极管可重构等离子套筒偶极子天线。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Ge基频率可重构套筒偶极子天线的制备方法，其中，所述天线包括半导体基片1、SPiN二极管天线臂2、第一SPiN二极管套筒3、第二SPiN二极管套筒4、同轴馈线5、直流偏置线9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19；其中，所述制备方法包括：

选取GeOI衬底；

在所述GeOI衬底上制作多个相同的横向SPiN二极管；

光刻PAD以形成多个所述横向SPiN二极管的串行连接；

制作直流偏置线以连接所述横向SPiN二极管与直流偏置电源，并将多个所述横向SPiN二极管分割形成多个SPiN二极管串；

划分所述SPiN二极管串形成所述SPiN二极管天线臂、所述第一SPiN二极管套筒及所述第二SPiN二极管套筒；

制作所述同轴馈线以连接所述SPiN二极管天线臂、所述第一SPiN二极管套筒及所述第二SPiN二极管套筒，最终形成所述套筒偶极子天线。

在本发明的一个实施例中，在所述GeOI衬底上制作多个相同的横向SPiN二极管，包括：

在所述GeOI衬底上按照所述天线的结构确定多个所述横向SPiN二极管在所述GeOI衬底上的位置；

在确定的位置制备所述横向SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，在确定的位置制备所述横向SPiN二极管，包括：

(a)在所述GeOI衬底内设置隔离区；

(b)刻蚀所述GeOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽；

(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GeOI衬底的顶层Ge内形成第二P型有源区和第二N型有源区；以及

(e)在所述GeOI衬底上形成引线以形成所述横向SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，步骤(d)，包括：

(d1)利用多晶硅填充所述P型沟槽和N型沟槽以形成P+区(27)和N+区(26)；

(d2)平整化处理所述GeOI衬底后，在所述GeOI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+区(27)和所述N+区(26)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型电极和N型电极以外的所述多晶硅。

在本发明的一个实施例中，步骤(e)包括：

(e1)在所述GeOI衬底上生成二氧化硅；

(e2)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；

(e3)在所述P+区(27)和所述N+区(26)光刻引线孔以形成引线。

在本发明的一个实施例中，制备直流偏置线，包括：

利用CVD工艺采用铜、铝或者高掺杂的多晶硅制备形成所述直流偏置线。

在本发明的一个实施例中，所述SPiN二极管天线臂、所述第一SPiN二极管套筒及所述第二SPiN二极管套筒均包括串行连接的相同个数的所述SPiN二极管串，且对应位置的所述SPiN二极管串包括相同个数的所述横向SPiN二极管。

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SPiN二极管天线臂且将所述同轴馈线的外导体连接至所述第一SPiN二极管套筒与所述第二SPiN二极管套筒。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明制备的基于Ge基SPiN二极管的频率可重构套筒偶极子天线，体积小、剖面低，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。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种Ge基频率可重构套筒偶极子天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种Ge基频率可重构套筒偶极子天线的制备方法示意图；

图3为本发明实施例提供的一种横向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横向SPiN二极管的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种SPiN二极管串的结构示意图；以及

图6a-图6s为本发明实施例的一种横向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Ge基频率可重构套筒偶极子天线的结构示意图。该天线包括半导体基片1、SPiN二极管天线臂2、第一SPiN二极管套筒3、第二SPiN二极管套筒4、同轴馈线5、直流偏置线9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19；

所述SPiN二极管天线臂2、所述第一SPiN二极管套筒3、所述第二SPiN二极管套筒4及所述直流偏置线9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19均制作于所述半导体基片1上；所述SPiN二极管天线臂2与所述第一SPiN二极管套筒3及所述第二SPiN二极管套筒4通过所述同轴馈线5连接，所述同轴馈线5的内芯线7连接所述SPiN二极管天线臂2且所述同轴馈线5的外导体8连接所述第一SPiN二极管套筒3及所述第二SPiN二极管套筒4；

其中，所述SPiN二极管天线臂2包括串行连接的SPiN二极管w1、w2、w3，所述第一SPiN二极管套筒3包括串行连接的SPiN二极管w4、w5、w6，所述第二SPiN二极管套筒4包括串行连接的SPiN二极管w7、w8、w9，每个所述SPiN二极管串w1、w2、w3、w4、w5、w6、w7、w8、w9通过对应的所述直流偏置线9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19连接至直流偏置电源。

该天线是通过金属直流偏置线控制SPiN二极管导通时形成的等离子天线臂及套筒长度实现天线工作频率的可重构，本发明的天线具有易集成、可隐身、频率可快速跳变的特点。

请参见图2，图2本发明实施例提供的一种Ge基频率可重构套筒偶极子天线的制备方法示意图。该天线的制备方法可以包括：

选取GeOI衬底；

在所述GeOI衬底上制作多个相同的横向SPiN二极管；

光刻PAD以形成多个所述横向SPiN二极管的串行连接；

制作直流偏置线以连接所述横向SPiN二极管与直流偏置电源，并将多个所述横向SPiN二极管分割形成多个SPiN二极管串；

划分所述SPiN二极管串形成所述SPiN二极管天线臂、所述第一SPiN二极管套筒及所述第二SPiN二极管套筒；

制作所述同轴馈线以连接所述SPiN二极管天线臂、所述第一SPiN二极管套筒及所述第二SPiN二极管套筒，最终形成所述套筒偶极子天线。

其中，在所述GeOI衬底上制作多个相同的横向SPiN二极管，包括：

在所述GeOI衬底上按照所述天线的结构确定多个所述横向SPiN二极管在所述GeOI衬底上的位置；

在确定的位置制备所述横向SPiN二极管。

另外，制备直流偏置线，可以包括：

利用CVD工艺采用铜、铝或者高掺杂的多晶硅制备形成所述直流偏置线。

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SPiN二极管天线臂且将所述同轴馈线的外导体连接至所述第一SPiN二极管套筒与所述第二SPiN二极管套筒。

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，SPiN二极管天线臂和SPiN二极管套筒均包括N段SPiN二极管串，N的取值范围为N≥2。且每段SPiN二极管串中的SPiN二极管的个数可根据实际需要选取，此处不做任何限制。

优选地，N＝3。即所述SPiN二极管天线臂2包括三段SPiN二极管串w1、w2、w3。所述第一SPiN二极管套筒3和所述第二SPiN二极管套筒4分别包括三段SPiN二极管串，其中，所述第一SPiN二极管套筒3包括三段SPiN二极管串w4、w5、w6，所述第二SPiN二极管套筒4包括三段SPiN二极管串w7、w8、w9。且所述SPiN二极管串w1和所述SPiN二极管串w6、所述SPiN二极管串w9的长度相等，所述SPiN二极管串w2和所述SPiN二极管串w5、所述SPiN二极管串w8的长度相等，所述SPiN二极管串w3和所述SPiN二极管串w4、所述SPiN二极管串w7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。

本实施例制备的天线，其频率可重构偶极子天线体积小、剖面低，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横向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衬底内设置隔离区；

(b)刻蚀所述GeOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽；

(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GeOI衬底的顶层Ge内形成第二P型有源区和第二N型有源区；以及

(e)在所述GeOI衬底上形成引线以形成所述横向SPiN二极管。

其中，步骤(c)可以包括：

(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。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。

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Si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Si中快的特性，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。

其中，步骤(d)可以包括：

(d1)利用多晶硅填充所述P型沟槽和N型沟槽以形成P+区(27)和N+区(26)；

(d2)平整化处理所述GeOI衬底后，在所述GeOI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+区(27)和所述N+区(26)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型电极和N型电极以外的所述多晶硅。

其中，步骤(e)可以包括：

(e1)在所述GeOI衬底上生成二氧化硅；

(e2)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；

(e3)在所述P+区(27)和所述N+区(26)光刻引线孔以形成引线。

请一并参见图4及图5，图4为本发明实施例提供的一种横向SPiN二极管的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种SPiN二极管串的结构示意图。每个SPiN二极管串中包括多个横向SPiN二极管，且这些SPiN二极管串行连接。所述SPiN二极管串中的横向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SPiN二极管串的一端的横向SPiN二极管的金属接触区23连接至直流偏置的正极，处于SPiN二极管串的另一端的横向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SPiN二极管串中所有横向SPiN二极管处于正向导通状态。

实施例三

请参见图6a-图6s，图6a-图6s为本发明实施例的一种横向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，以制备等离子区域长度为100μm的GeOI基SPiN二极管(固态等离子PiN二极管)为例对SPiN二极管的制备进行详细说明，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；采用化学气相淀积的方法，在SiO₂层淀积一层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GeOI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，在衬底上连续淀积两层材料，第一层为300nm厚度的第二SiO₂层601，第二层为600nm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；

(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，以使P、N区槽内壁平整。

步骤4，P、N接触区制备步骤：

(4a)如图6j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6k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6l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6m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6n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6o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6p所示，采用CVD的方法，在表面淀积SiO₂ 1601，厚度为800nm；

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

步骤5，构成PIN二极管步骤：

(5a)如图6q所示，在P、N接触区光刻引线孔1701；

(5b)如图6r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6s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。

本发明制备的应用于可重构天线的SPiN二极管，首先，所使用的锗材料，由于其高迁移率和大载流子寿命的特性，提高了SPiN二极管的固态等离子体浓度；另外，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；其次，锗材料由于其氧化物GeO热稳定性差的特性，P区和N区深槽侧壁平整化的处理可在高温环境自动完成，简化了材料的制备方法；再次，本发明制备的应用于固态等离子可重构天线的GeOI基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。