热光移相器、热光移相器制造方法及热光移相器阵列与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及到一种热光移相器、热光移相器制造方法及热光移相器阵列。


背景技术：

2.激光雷达是一种实现自动驾驶很重要的传感器，它可以帮助汽车实现空间的感知，进而帮助汽车做出决策。如要实现整个空间的扫描，就必须控制输出光束指向。目前主要可以利用机械装置、mems以及光学相控阵来控制光束的指向，其中光学相控阵是一种全固态的光束扫描方式，可靠性更高。光学相控阵的一般结构包括分束器、移相器阵列以及发射光栅阵列。移相器阵列控制各个通道间的相位差，从而实现光束偏转的控制。可以利用硅的热光效应，通过加热电阻给波导加热，改变波导折射率实现相位的控制。大部分的光学相控阵采用每一个加热电阻单独控制的方式，此种方式随着通道数的增加控制难度逐渐增大。
3.目前所见报道的光学相控阵中也有采用将所有加热电阻都串联起来的方式，虽然此种移相器阵列只需要控制一个加热电阻，但是此种方式会导致大的串联电阻，难以实现大的角度偏转角。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种热光移相器、热光移相器制造方法及热光移相器阵列，旨在解决目前光学相控阵随着通道数增多，控制电路变得复杂以及仅通过串联加热电阻降低控制难度带来的加热电阻阻值过大的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种热光移相器，包括由下至上的硅衬底、第一氧化层、硅器件层、第二氧化层、加热电阻、第三氧化层、金属层和钝化层；其中，所述硅器件层配置为具有预设图形的硅波导，所述第三氧化层配置有对应于加热电阻两端的接触孔，所述接触孔填充用于连接加热电阻与金属层的金属，所述金属层包括金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线，所述钝化层配置有对应于金属电极的开口。
6.可选的，所述加热电阻采用金属制备获得。
7.可选的，所述接触孔包括第一接触孔和第二接触孔，第一接触孔填充的金属连接加热电阻的第一端和金属电极，第二接触孔填充的金属通过互连金属线连接加热电阻的第二端和同组中另一个加热电阻的第二端，以使所述加热电阻与同组另一个加热电阻串联。
8.可选的，所述钝化层包括si3n4层和sio2层。
9.此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种热光移相器制造方法，包括如下步骤：
10.s1：获取soi晶圆；其中，所述soi晶圆包括由下至上的硅衬底、第一氧化层和硅器件层；
11.s2：采用刻蚀工艺在硅器件层上刻蚀得到预设的硅波导图形；
12.s3：在硅器件层上沉积第二氧化层；
13.s4：在第二氧化层上溅射刻蚀得到加热电阻；
14.s5：在加热电阻上沉积第三氧化层；
15.s6：在第三氧化层上刻蚀对应于加热电阻的接触孔，在接触孔内填充用于连接加热电阻与金属层的金属；
16.s7：在第三氧化层上沉积金属层，利用金属层制造金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线；
17.s8：在金属层上沉积钝化层；
18.s9：在钝化层上刻蚀对应于金属电极的开口。
19.可选的，在沉积第二氧化层后，对第二氧化层进行化学机械抛光处理，得到预设厚度的第二氧化层和溅射加热电阻的表面。
20.可选的，在沉积第三氧化层后，对第三氧化层进行化学机械抛光处理，得到预设厚度的第三氧化层和平整的表面。
21.此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种热光移相器，包括由下至上的硅衬底、第一氧化层、硅器件层、第三氧化层、金属层和钝化层；其中，所述硅器件层配置为具有预设图形的脊形硅波导，所述脊形硅波导的平板配置有加热电阻，所述第三氧化层配置有对应于加热电阻的接触孔，所述接触孔填充用于连接加热电阻与金属层的金属，所述金属层包括金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线，所述钝化层配置有对应于金属电极的开口。
22.可选的，所述加热电阻采用掺杂离子注入制备获得。
23.可选的，所述加热电阻配置于脊形硅波导任意一侧的平板。
24.可选的，所述钝化层包括si3n4层和sio2层。
25.此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种热光移相器制造方法，包括如下步骤：
26.s1：获取soi晶圆；其中，所述soi晶圆包括由下至上的硅衬底、第一氧化层和硅器件层；
27.s2：采用刻蚀工艺在硅器件层上刻蚀得到预设的脊形硅波导图形；
28.s3：在脊形硅波导的平板上掺杂离子注入，形成加热电阻；
29.s4：在硅器件层上沉积第三氧化层；
30.s5：在第三氧化层上刻蚀对应于加热电阻的接触孔，在接触孔内填充用于连接加热电阻与金属层的金属；
31.s6：在第三氧化层上沉积金属层，利用金属层制造金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线；
32.s7：在金属层上沉积钝化层；
33.s8：在钝化层上刻蚀对应于金属电极的开口。
34.可选的，所述加热电阻边缘距离脊形硅波导边缘的距离为200nm-5000nm。
35.可选的，在沉积第三氧化层后，对第三氧化层进行化学机械抛光处理，得到预设厚度的第三氧化层和平整的表面。
36.此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种热光移相器阵列，包括若干个如上所
述的热光移相器构成的阵列通道；其中，相邻通道间对应热光移相器的加热电阻具有预设阻值差，两个对应热光移相器的加热电阻通过互连金属线串联，以使串联的每一组加热电阻的阻值和相等，每一组加热电阻通过金属电极并联。
37.可选的，相邻通道间对应热光移相器的加热电阻通过配置为具有预设长度差实现预设阻值差。
38.本发明提出了一种热光移相器、热光移相器制造方法及热光移相器阵列，该热光移相器阵列包括若干个热光移相器构成的阵列通道；其中，相邻通道间对应热光移相器的加热电阻具有预设阻值差，两个对应热光移相器的加热电阻通过互连金属线串联，以使串联的每一组加热电阻的阻值和相等，每一组加热电阻通过金属电极并联。本发明通过采用两两加热电阻串联的方式，使每一组加热电阻的阻值和相等，组与组之间采用并联的方式互连，只需要控制一个输入电压即可实现移相器阵列相邻通道间的相位差的控制，且避免了特大电阻的出现。
附图说明
39.图1为本发明实施例基于金属加热电阻的热光移相器的截面示意图。
40.图2为本发明实施例基于金属加热电阻的热光移相器制造方法的示意图。
41.图3为本发明实施例基于掺杂加热电阻的热光移相器的截面示意图。
42.图4为本发明实施例基于掺杂加热电阻的热光移相器制造方法的示意图。
43.图5为本发明实施例热光移相器阵列的示意图。
44.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
45.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。
46.下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
47.需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
48.另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。
49.目前，在相关技术领域中，现有光学相控阵随着通道数增多，控制电路变得复杂以及仅通过串联加热电阻降低控制难度带来的加热电阻阻值过大。
50.为了解决这一问题，提出本发明的热光移相器、热光移相器制造方法及热光移相器阵列的各个实施例。本发明提供的热光移相器、热光移相器制造方法及热光移相器阵列，通过采用两两加热电阻串联的方式，使每一组加热电阻的阻值和相等，组与组之间采用并联的方式互连，只需要控制一个输入电压即可实现移相器阵列相邻通道间的相位差的控
制，且避免了特大电阻的出现。
51.参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的基于金属加热电阻的热光移相器的示意图。
52.本实施例提供一种热光移相器，包括由下至上的硅衬底、第一氧化层、硅器件层、第二氧化层、加热电阻、第三氧化层、金属层和钝化层。
53.具体而言，所述硅器件层配置为具有预设图形的硅波导，所述第三氧化层配置有对应于加热电阻两端的接触孔，所述接触孔填充用于连接加热电阻与金属层的金属，所述金属层包括金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线，所述钝化层配置有对应于金属电极的开口。
54.在优选的实施例中，热光移相器采用金属加热电阻移相器，所述加热电阻采用金属制备获得，其金属加热电阻移相器截面图如图1所示。
55.在优选的实施例中，所述接触孔包括第一接触孔和第二接触孔，第一接触孔填充的金属连接加热电阻的第一端和金属电极，第二接触孔填充的金属通过互连金属线连接加热电阻的第二端和同组中另一个加热电阻的第二端，以使所述加热电阻与同组另一个加热电阻串联。
56.在优选的实施例中，所述钝化层包括si3n4层和sio2层。
57.在优选的实施例中，本技术还提供了一种热光移相器制造方法，包括如下步骤：
58.s1：获取soi晶圆；其中，所述soi晶圆包括由下至上的硅衬底、第一氧化层和硅器件层；
59.s2：采用刻蚀工艺在硅器件层上刻蚀得到预设的硅波导图形；
60.s3：在硅器件层上沉积第二氧化层；
61.s4：在第二氧化层上溅射刻蚀得到加热电阻；
62.s5：在加热电阻上沉积第三氧化层；
63.s6：在第三氧化层上刻蚀对应于加热电阻的接触孔，在接触孔内填充用于连接加热电阻与金属层的金属；
64.s7：在第三氧化层上沉积金属层，利用金属层制造金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线；
65.s8：在金属层上沉积钝化层；
66.s9：在钝化层上刻蚀对应于金属电极的开口。
67.在优选的实施例中，在沉积第二氧化层后，对第二氧化层进行化学机械抛光处理，得到预设厚度的第二氧化层和溅射加热电阻的表面。
68.在优选的实施例中，在沉积第三氧化层后，对第三氧化层进行化学机械抛光处理，得到预设厚度的第三氧化层和平整的表面。
69.在实际应用中，在制造金属加热电阻移相器时，采用soi晶圆，基于波导及金属加热电阻的制作工艺。具体而言，如图2所示，包括如下步骤：
70.步骤一：此结构基于soi晶圆，首先通过光刻、刻蚀等工艺过程得到需要的硅波导图形。
71.步骤二：采用pecvd沉积一层sio2，然后使用cmp得到需要的sio2厚度(优选值为1μm，厚度范围可为500nm-5000nm)及溅射tin加热电阻(加热电阻也可以采用pt，ti，w，cr，
tin，tan等)的表面。
72.步骤三：溅射一定厚度的tin，并进行刻蚀得到加热电阻。
73.步骤四：采用pecvd沉积一层sio2，然后使用cmp得到1μm厚度的sio2和平整的表面。
74.步骤五：在加热电阻两端利用光刻、刻蚀等工艺打开接触孔。
75.步骤六：沉积金属用于连接加热电阻和上层的互连金属线和金属电极。
76.步骤七：沉积用于制作互连线和金属电极的金属层，并制作互连金属线和金属电极。
77.步骤八：沉积100nm si3n4和200nm sio2作为钝化层，利用光刻和刻蚀工艺去掉金属电极上的si3n4和sio2薄层。
78.本发明热光移相器制造方法的其他实施例或具体实现方式可参照上述各热光移相器实施例，此处不再赘述。
79.由此，本实施例在soi晶圆的基础上，通过刻蚀硅波导图形，溅射刻蚀得到加热电阻，再利用接触孔连接加热电阻与金属电极，制备获得金属加热电阻移相器。
80.参照图3，图3为本发明实施例方案涉及的基于掺杂加热电阻的热光移相器的示意图。
81.本实施例提供一种热光移相器，包括由下至上的硅衬底、第一氧化层、硅器件层、第三氧化层、金属层和钝化层。
82.具体而言，所述硅器件层配置为具有预设图形的脊形硅波导，所述脊形硅波导的平板配置有加热电阻，所述第三氧化层配置有对应于加热电阻的接触孔，所述接触孔填充用于连接加热电阻与金属层的金属，所述金属层包括金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线，所述钝化层配置有对应于金属电极的开口。
83.在优选的实施例中，热光移相器采用掺杂加热电阻移相器，所述加热电阻采用掺杂离子注入制备获得，其掺杂加热电阻移相器截面图如图3所示。
84.在优选的实施例中，所述加热电阻配置于脊形硅波导任意一侧的平板。
85.在优选的实施例中，所述钝化层包括si3n4层和sio2层。
86.在优选的实施例中，本技术还提供了一种热光移相器制造方法，包括如下步骤：
87.s1：获取soi晶圆；其中，所述soi晶圆包括由下至上的硅衬底、第一氧化层和硅器件层；
88.s2：采用刻蚀工艺在硅器件层上刻蚀得到预设的脊形硅波导图形；
89.s3：在脊形硅波导的平板上掺杂离子注入，形成加热电阻；
90.s4：在硅器件层上沉积第三氧化层；
91.s5：在第三氧化层上刻蚀对应于加热电阻的接触孔，在接触孔内填充用于连接加热电阻与金属层的金属；
92.s6：在第三氧化层上沉积金属层，利用金属层制造金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线；
93.s7：在金属层上沉积钝化层；
94.s8：在钝化层上刻蚀对应于金属电极的开口。
95.在优选的实施例中，所述加热电阻边缘距离脊形硅波导边缘的距离为200nm-5000nm。
96.在优选的实施例中，在沉积第三氧化层后，对第三氧化层进行化学机械抛光处理，得到预设厚度的第三氧化层和平整的表面。
97.在实际应用中，在制造掺杂加热电阻移相器时，采用soi晶圆，基于波导及离子注入的制作工艺。具体而言，如图4所示，包括如下步骤：
98.步骤一：此结构基于soi晶圆，首先通过光刻、刻蚀等工艺过程得到需要的脊形硅波导图形。
99.步骤二：在脊形硅波导平板上，利用离子注入，形成高掺杂加热电阻，掺杂电阻边缘距离脊波导边缘的距离(优选值为1μm，距离范围可为200nm-5000nm)。
100.步骤三：采用pecvd沉积一层sio2，用作上包层，然后使用cmp得到2μm厚度的sio2和平整的表面。
101.步骤四：在加热电阻两端利用光刻、刻蚀等工艺打开接触孔。
102.步骤五：沉积金属用于连接加热电阻和上层的互连金属线和金属电极。
103.步骤六：沉积用于制作互连线和金属电极的金属层，并制作互连金属线和金属电极。
104.步骤七：沉积100nm si3n4和200nm sio2作为钝化层，利用光刻和刻蚀工艺去掉金属电极上的si3n4和sio2薄层。
105.本发明热光移相器制造方法的其他实施例或具体实现方式可参照上述各热光移相器实施例，此处不再赘述。
106.由此，本实施例在soi晶圆的基础上，通过刻蚀脊形硅波导图形，掺杂离子注入得到加热电阻，再利用接触孔连接加热电阻与金属电极，制备获得掺杂加热电阻移相器。
107.参照图5，图5为本发明实施例方案涉及的热光移相器阵列的示意图。
108.本实施例提供一种热光移相器阵列，包括若干个上述实施例的热光移相器构成的阵列通道。
109.具体而言，相邻通道间对应热光移相器的加热电阻具有预设阻值差，两个对应热光移相器的加热电阻通过互连金属线串联，以使串联的每一组加热电阻的阻值和相等，每一组加热电阻通过金属电极并联。
110.在优选的实施例中，相邻通道间对应热光移相器的加热电阻通过配置为具有预设长度差实现预设阻值差。
111.容易理解的，本实施例预先按照需要的相位差，设计移相器阵列相邻通道间的加热电阻的长度差，按照最短和最长的加热电阻串联，次最短和次最长的加热电阻串联，按照此规则两两串联，即n个加热电阻，分成n/2组，每一组中两个加热电阻的阻值和相等，每一组之间采用并联的方式连接，只需要控制一个输入电压即可实现移相器阵列相邻通道间的相位差的控制。
112.由此，本实施例通过采用两两加热电阻串联的方式，使每一组加热电阻的阻值和相等，组与组之间采用并联的方式互连，只需要控制一个输入电压即可实现移相器阵列相邻通道间的相位差的控制，且避免了特大电阻的出现。
113.本发明热光移相器阵列的其他实施例或具体实现方式可参照上述各热光移相器实施例，此处不再赘述。
114.以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明
书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种热光移相器，其特征在于，包括由下至上的硅衬底、第一氧化层、硅器件层、第二氧化层、加热电阻、第三氧化层、金属层和钝化层；其中，所述硅器件层配置为具有预设图形的硅波导，所述第三氧化层配置有对应于加热电阻两端的接触孔，所述接触孔填充用于连接加热电阻与金属层的金属，所述金属层包括金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线，所述钝化层配置有对应于金属电极的开口。2.如权利要求1所述的热光移相器，其特征在于，所述加热电阻采用金属制备获得。3.如权利要求1所述的热光移相器，其特征在于，所述接触孔包括第一接触孔和第二接触孔，第一接触孔填充的金属连接加热电阻的第一端和金属电极，第二接触孔填充的金属通过互连金属线连接加热电阻的第二端和同组中另一个加热电阻的第二端，以使所述加热电阻与同组另一个加热电阻串联。4.如权利要求1所述的热光移相器，其特征在于，所述钝化层包括si3n4层和sio2层。5.一种热光移相器制造方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：获取soi晶圆；其中，所述soi晶圆包括由下至上的硅衬底、第一氧化层和硅器件层；s2：采用刻蚀工艺在硅器件层上刻蚀得到预设的硅波导图形；s3：在硅器件层上沉积第二氧化层；s4：在第二氧化层上溅射刻蚀得到加热电阻；s5：在加热电阻上沉积第三氧化层；s6：在第三氧化层上刻蚀对应于加热电阻的接触孔，在接触孔内填充用于连接加热电阻与金属层的金属；s7：在第三氧化层上沉积金属层，利用金属层制造金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线；s8：在金属层上沉积钝化层；s9：在钝化层上刻蚀对应于金属电极的开口。6.如权利要求5所述的热光移相器制造方法，其特征在于，在沉积第二氧化层后，对第二氧化层进行化学机械抛光处理，得到预设厚度的第二氧化层和溅射加热电阻的表面。7.如权利要求5所述的热光移相器制造方法，其特征在于，在沉积第三氧化层后，对第三氧化层进行化学机械抛光处理，得到预设厚度的第三氧化层和平整的表面。8.一种热光移相器，其特征在于，包括由下至上的硅衬底、第一氧化层、硅器件层、第三氧化层、金属层和钝化层；其中，所述硅器件层配置为具有预设图形的脊形硅波导，所述脊形硅波导的平板配置有加热电阻，所述第三氧化层配置有对应于加热电阻的接触孔，所述接触孔填充用于连接加热电阻与金属层的金属，所述金属层包括金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线，所述钝化层配置有对应于金属电极的开口。9.如权利要求8所述的热光移相器，其特征在于，所述加热电阻采用掺杂离子注入制备获得。10.如权利要求8所述的热光移相器，其特征在于，所述加热电阻配置于脊形硅波导任意一侧的平板。11.如权利要求8所述的热光移相器，其特征在于，所述钝化层包括si3n4层和sio2层。12.一种热光移相器制造方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：获取soi晶圆；其中，所述soi晶圆包括由下至上的硅衬底、第一氧化层和硅器件层；
s2：采用刻蚀工艺在硅器件层上刻蚀得到预设的脊形硅波导图形；s3：在脊形硅波导的平板上掺杂离子注入，形成加热电阻；s4：在硅器件层上沉积第三氧化层；s5：在第三氧化层上刻蚀对应于加热电阻的接触孔，在接触孔内填充用于连接加热电阻与金属层的金属；s6：在第三氧化层上沉积金属层，利用金属层制造金属电极和连接对应加热电阻的互连金属线；s7：在金属层上沉积钝化层；s8：在钝化层上刻蚀对应于金属电极的开口。13.如权利要求12所述的热光移相器制造方法，其特征在于，所述加热电阻边缘距离脊形硅波导边缘的距离为200nm-5000nm。14.如权利要求12所述的热光移相器制造方法，其特征在于，在沉积第三氧化层后，对第三氧化层进行化学机械抛光处理，得到预设厚度的第三氧化层和平整的表面。15.一种热光移相器阵列，其特征在于，包括若干个如权利要求1-4或8-11任意一项所述的热光移相器构成的阵列通道；其中，相邻通道间对应热光移相器的加热电阻具有预设阻值差，两个对应热光移相器的加热电阻通过互连金属线串联，以使串联的每一组加热电阻的阻值和相等，每一组加热电阻通过金属电极并联。16.如权利要求15所述的热光移相器阵列，其特征在于，相邻通道间对应热光移相器的加热电阻通过配置为具有预设长度差实现预设阻值差。

技术总结
本发明公开了一种热光移相器、热光移相器制造方法及热光移相器阵列，该热光移相器阵列包括若干个热光移相器构成的阵列通道；其中，相邻通道间对应热光移相器的加热电阻具有预设阻值差，两个对应热光移相器的加热电阻通过互连金属线串联，以使串联的每一组加热电阻的阻值和相等，每一组加热电阻通过金属电极并联。本发明通过采用两两加热电阻串联的方式，使每一组加热电阻的阻值和相等，组与组之间采用并联的方式互连，只需要控制一个输入电压即可实现移相器阵列相邻通道间的相位差的控制，且避免了特大电阻的出现。且避免了特大电阻的出现。且避免了特大电阻的出现。


技术研发人员：王庆 杨荣 余明斌
受保护的技术使用者：上海铭锟半导体有限公司
技术研发日：2023.01.12
技术公布日：2023/8/9