一种毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料制备方法技术

本发明专利技术提供一种毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料制备方法,采用多次离子注入工艺手段，在本征硅层上利用数次磷、硼杂质的离子注入与RTA退火工艺，使得材料内部杂质元素净掺杂分布按照IMPATT管器件设计的P

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料制备方法
[0001]
：本专利技术涉及毫米波固态器件材料
，具体是一种毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料制备方法。
[0002]
技术介绍
：基于硅基材料的IMPATT管工作于高电场区的碰撞电离雪崩状态，在外部负载的作用下，可直接产生毫米波信号，用于毫米波振荡源；另外，硅材料高电场下载流子饱和漂移速率的差异， IMPATT管工作状态下碰撞噪声大，也可用于毫米波噪声源的研制。基于IMPATT管的振荡源、噪声源具有工艺制造简单、器件体积小、重量轻、可室温工作等优点，常用于毫米波高精度仪器仪表校准、无损检测、安全检查成像等领域。
[0003]但现有的毫米波高频段IMPATT管外延层结构采用双漂移区结构，漂移区薄（0.1～0.5）μm，多种杂质（磷、硼），掺杂浓度为10
17
cm
‑3数量级。常通过超薄多层外延的材料生长方式获得，使得其存在制备工艺复杂、制作周期较长、研发费用较高等缺点。
[0004]
技术实现思路
：本专利技术就是为克服现有技术中的不足，提供一种研制成本低、材料制备周期短、工艺兼容性好、设计参数调节灵活的毫米波IMPATT管超薄硅材料制备方法，从而替代现有通用的超薄多层外延材料生长制备方式，从而满足毫米波振荡源、噪声源的研制需求。
[0005]本申请提供以下技术方案：一种毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、取一片硅片作为N型低阻衬底层，在N型低阻衬底上表面上生成出本征硅层，在本征硅层设有氧化的保护层；S2、在N型低阻衬底一侧的本征硅内通过至少一次的磷元素离子注入与RTA退火制备出IMPATT器件的N区；S3、在N区一侧的本征硅外延层内通过至少一次的硼元素离子注入与RTA制备出IMPATT器件的P区；S4、P区和保护层之间的本征硅内通过至少一次硼元素离子注入与RTA退火制备出IMPATT器件的P
+
区；S5、在保护层表面再设置补偿层；S6、在P
+
区再次注入硼元素离子进行补偿，从而确保P
+
区与保护层界面处硼元素离子的浓度；S7、采用湿法腐蚀的方法去除保护层和补偿层从而得到毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料。
[0006]在上述技术方案的基础上，还可以有以下进一步：所述S1中的N型低阻衬底为N<111>砷掺杂，厚度625
±
10微米，电阻率0.002
‑
0.003Ω
·
cm；所述本征硅的外延层厚度为0.9～1.4μm，所述保护层为二氧化硅淀积厚度为300
Å
。
[0007]在所述S2中的磷元素离子注入时采用能量为600～750keV，注入剂量为2e13～3.5e13 Atoms/cm
2，
，RTA退火温度为1000℃，时间30～40s。
[0008]在所述S3中的注入硼元素离子，注入能量为250～280keV，注入剂量为2e13～3.5e13Atoms/cm2，而后进行RTA退火温度1000℃，时间30～40s。
[0009]在所述S4分两次注入硼元素离子，第一注入能量为80～120keV，剂量为1.5e14～2e14Atoms/cm2，第二次注入能量50～60keV，剂量为1e14～1.8e14Atoms/cm2而后进行RTA退火温度1000℃，时间30～40s。
[0010]在所述步骤S5中的补偿层二氧化硅为淀积厚度为1000
Å
。
[0011]在所述步骤S6中再次注入硼元素离子，注入能量为20～40keV，剂量为1e14～1.2e14Atoms/cm2；而后再次进行RTA退火激活，退火温度1000℃，时间30～40s。
[0012]所述步骤S7中湿法腐蚀采用的是HF酸溶液进行腐蚀。
[0013]本专利技术就是在本征硅层在利用数次磷、硼杂质的离子注入与RTA退火工艺，使得材料内部杂质元素净掺杂分布按照IMPATT管器件设计的P
+
、P、N与N
+
区4个区域，形成不同的分布较为均匀的浓度分布台阶，其中P
+
与N
+
区为重掺杂区域，净掺杂浓度在5
×
10
18
～1
×
10
19
cm
‑3；P与N区为轻掺杂区域净掺杂浓度数值根据器件设计在2
×
10
17
～8
×
10
17
cm
‑3。
[0014]制备时参数的计算：如图7所示，在N型低阻衬底（电阻率≤0.005Ω
·
cm）上外延厚度为D
T
的本征硅外延层，淀积厚度为D0值的二氧化硅保护层。
[0015]1、N区参数计算根据IMPATT管器件材料设计的参数，进行n次（n=0、1、2
……
n）磷元素离子注入与RTA退火激活制备出IMPATT器件的N区。
[0016]如图8所示，N区；采用Silvaco软件计算RTA退火后磷注入的各项参数，设定第i次(i＝1、2、3
……
n)N区注入磷的平均投影射程Rp
ni
、投影射程偏差ΔRp
ni
，与注入峰值浓度N
nimax
，使得各个参数满足如下关系式4
‑
1～4
‑
4，其中D
n
为N区厚度设计值，α
i
为比例系数，α
i
ΔRp
ni
为峰值浓度达到λ1N
nimax
时，深度坐标D
λ1
与平均投影射程Rp
ni
的距离绝对值，λ1为峰值比例系数，依据设计需求取0～1之间的值。
[0017]Rpn1+α1ΔRpn1＝D
T
+D0(4
‑
1)Rpn
n
‑
α
n
ΔRpn
n
＝D
T
‑
D
n
+D0(4
‑
2)Rpn
i
‑1+α
i
‑1ΔRpn
i
‑1＝Rpn
i
‑
α
i
ΔRpn
i
2≤i≤n(4
‑
3)Nn
1max
＝Nn
2max
＝...＝Nn
nmax
(4
‑
4)2、P区参数计算根据IMPATT管器件材料设计的参数，进行m次(n＝0、1、2
……
m)硼元素离子注入与RTA退火激活制备出IMPATT器件的P区。
[0018]如图9所示，P区采用Silvaco软件Pearson模型计算RTA退火本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、取一片硅片作为N型低阻衬底层（2），在N型低阻衬底（2）上表面上生成出本征硅层（10），在本征硅层（10）设有氧化的保护层（1）；S2、在N型低阻衬底（2）一侧的本征硅（10）内通过至少一次的磷元素离子注入与RTA退火制备出IMPATT器件的N区（3）；S3、在N区（3）一侧的本征硅外延层（10）内通过至少一次的硼元素离子注入与RTA制备出IMPATT器件的P区（4）；S4、 P区（4）和保护层（1）之间的本征硅（10）内通过至少一次硼元素离子注入与RTA退火制备出IMPATT器件的P
+
区（5）；S5、在保护层（1）表面再设置补偿层（6）；S6、在P
+
区（5）再次注入硼元素离子进行补偿，从而确保P
+
区（5）与保护层（1）界面处硼元素离子的浓度；S7、采用湿法腐蚀的方法去除保护层（1）和补偿层（6）从而得到毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料。2.根据权利要求1中所述的一种毫米波宽带IMPATT管超薄硅材料制备方法，其特征在于：所述S1中的N型低阻衬底（2）为N<111>砷掺杂，厚度625
±
10微米，电阻率0.002
‑
0.003Ω
·
cm；所述本征硅（10）的外延层厚度为0.9～1.4μm，所述保护层（1）为二氧化硅淀积厚度为300
Å
。3.根据权利要求1中所述的一种毫米波宽带IMPAT...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文翰，廖启超，潘结斌，陈婧瑶，史一明，李泽瑞，王文婧，郁兆华，
申请(专利权)人：华东光电集成器件研究所，
类型：发明
国别省市：