KR101645256B1 - 벌크 실리콘 웨이퍼를 이용한 광도파로 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

벌크 실리콘 웨이퍼를 이용한 광도파로 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

광도파로 소자를 제공한다. 광도파로 소자는 벌크 실리콘 웨이퍼와, 벌크 실리콘 웨이퍼의 일부분에 형성된 트랜치 영역과, 트랜치 영역 내에 형성된 하부 클래드층과, 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 하부 클래드층 상에 형성된 광도파로 코아층과, 광도파로 코아층을 덮도록 형성된 상부 클래드층을 포함한다. 하부 클래드층은 트랜치 영역에 완전히 매립되어 구성된다. 광도파로 코아층은 광 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 다음 식을 만족하도록 상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 형성된다. 식은 0.15㎛<d1<TW-W-0.15㎛이고, d1은 상기 광도파로 코아층이 상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어진 거리이고, TW는 상기 하부 클래드층의 폭이고, W는 상기 광도파로 코아층의 폭이다.

Description

벌크 실리콘 웨이퍼를 이용한 광도파로 소자 및 그 제조방법{Optical waveguide device using bulk silicon wafer and fabrication method thereof}
본 발명은 광도파로 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 벌크 실리콘 웨이퍼를 이용한 광도파로 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 광도파로 소자는 SOI(Silicon on insulator) 기판을 이용하여 형성한다. SOI 기판은 실리콘 지지층, 실리콘 산화층 및 단결정 실리콘층으로 구성되어 있다. SOI 기판은 단결정 실리콘층 아래에 하부 클래드층으로 사용될 실리콘 산화층이 이미 형성되어 있다. 따라서, SOI 기판은 포토레지스트 패턴을 이용하여 단결정 실리콘층을 식각하여 코아층을 형성하고, 코아층 상에 상부 클래드층을 형성함으로써 광도파로를 구현할 수 있다.
그런데, SOI 기판은 벌크 실리콘 웨이퍼(bulk silicon wafer)에 비하여 매우 비싸기 때문에 상용화에 한계가 있다. 또한, SOI 기판에 구현되는 광도파로 소자를 구현할 경우, SOI 기판에 구현되는 광도파로 소자와 벌크 실리콘 웨이퍼에 구현되는 DRAM과 같은 전자 소자를 하나의 단일 기판에서 집적이 어렵다. 따라서, 광도파로 소자와 전자 소자를 집적할 경우 패키지 기판에 별도로 패키지하여 광전 집적 회로 소자를 제작하여야 하므로 경제적으로나 기술적으로 어렵다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 벌크 실리콘 웨이퍼를 이용한 광도파로 소자를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 벌크 실리콘 웨이퍼를 이용한 광도파로 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예에 의한 광도파로 소자는 벌크 실리콘 웨이퍼와, 벌크 실리콘 웨이퍼의 일부분에 형성된 트랜치 영역과, 트랜치 영역 내에 형성된 하부 클래드층과, 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 하부 클래드층 상에 형성된 광도파로 코아층과, 광도파로 코아층을 덮도록 형성된 상부 클래드층을 포함한다. 하부 클래드층은 트랜치 영역에 완전히 매립되어 구성된다. 상기 광도파로 코아층은 광 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 다음 식 1을 만족하도록 상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 형성된다.
식 1
0.15㎛<d1<TW-W-0.15㎛, d1은 상기 광도파로 코아층이 상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어진 거리이고, TW는 상기 하부 클래드층의 폭이고, W는 상기 광도파로 코아층의 폭이다.
광도파로 코아층은 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면과 동일 평면상의 하부 클래드층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 의한 광도파로 소자는 벌크 실리콘 웨이퍼와, 상기 벌크 실리콘 웨이퍼의 일부분에 형성된 트랜치 영역과, 상기 트랜치 영역 내에 형성된 하부 클래드층과, 상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 상기 하부 클래드층 상에 형성된 광도파로 코아층과, 및 상기 광도파로 코아층을 덮도록 형성된 상부 클래드층을 포함하되, 상기 하부 클래드층은 상기 트랜치 영역의 일부에 매립되어 상기 벌크 실리콘 웨이퍼보다 낮게 형성된 리세스 하부 클래드층으로 구성된다. 광도파로 코아층은 리세스된 하부 클래드층 상에 형성되어 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면보다 낮게 형성될 수 있다.
삭제
광도파로 코아층은 단결정 실리콘층으로 구성하고, 하부 클래드층 및 상부 클래드층은 광도파로 코아층을 구성하는 단결정 실리콘층보다 굴절률이 낮은 실리콘 산화층, 실리콘 산질화층 또는 실리콘 질화층으로 구성할 수 있다. 광도파로 코아층으로부터 떨어져 벌크 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 주변 코아층을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 예에 의한 광도파로 소자는 벌크 실리콘 웨이퍼와, 벌크 실리콘 웨이퍼의 일부분에 형성된 트랜치 영역과, 트랜치 영역의 일부를 채워 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면 보다 낮게 형성된 리세스 하부 클래드층과, 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 리세스 하부 클래드층 상에 형성된 광도파로 코아층과, 광도파로 코아층으로부터 떨어져 벌크 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 주변 코아층과, 광도파로 코아층을 덮도록 형성된 상부 클래드층을 포함하여 이루어진다. 광도파로 코아층은 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면보다 낮게 형성될 수 있다.
상술한 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예에 의한 광도파로 소자의 제조방법은 벌크 실리콘 웨이퍼를 준비하고, 벌크 실리콘 웨이퍼를 식각하여 벌크 실리콘 웨이퍼의 일부분에 트랜치 영역을 형성하는 것을 포함한다. 적어도 트랜치 영역의 일부를 채우도록 하부 클래드층을 형성한다. 하부 클래드층 및 벌크 실리콘 웨이퍼 상에 코아층을 형성한다. 코아층을 선택적으로 식각하여 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 하부 클래드층 상에 광도파로 코아층을 형성한다. 광도파로 코아층을 덮도록 상부 클래드층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 코아층을 형성하는 것은, 하부 클래드층 및 벌크 실리콘 웨이퍼 상에 비정질 실리콘층을 형성하고, 비정질 실리콘층을 결정화하여 단결정 실리콘층으로 코아층을 형성하는 것을 포함한다.
삭제
광도파로 코아층을 형성하는 것은, 코아층 상에 마스크 패턴을 형성하고,
마스크 패턴을 식각 마스크로 코아층을 선택적으로 식각하여 광도파로 코아층을 형성하고, 마스크 패턴을 제거하는 것을 포함하여 이루어질 수 있다. 코아층을 선택적으로 식각할 때, 광도파로 코아층으로부터 떨어져 벌크 실리콘 웨이퍼 상에 주변 코아층을 더 형성할 수 있다.
광도파로 코아층은 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면과 동일 평면상에 형성하거나, 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면 보다 낮게 형성할 수 있다.
본 발명은 고가의 SOI 기판 대신에 벌크 실리콘 웨이퍼를 이용하여 광도파로 소자를 구현하기 때문에 적은 비용으로 광도파로 소자나 광 집적 회로 소자를 구현할 수 있다.
본 발명은 모스 공정을 이용하여 벌크 실리콘 웨이퍼를 사용하는 전자 소자와 단일 기판 위에서 용이하게 집적이 가능하기 때문에 광전 집적 회로 소자를 낮은 비용으로 구현할 수 있다.
본 발명은 광전 집적 회로 소자에서 전기적 접속(electrical interconnection)을 대신 광 접속 기술(optical interconnection)을 이용할 수 있어 신호 전송을 보다 고속화, 저전력화, 대용량화 및 소형화 할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하의 본 발명의 광도파로 소자, 즉 광 집적 회로 소자는 벌크 실리콘 웨이퍼를 이용하여 구현하는 일 예를 설명한다. 벌크 실리콘 웨이퍼는 벌크 실리콘 기판으로 명명될 수 도 있다. 본 발명의 광도파로 소자는 벌크 실리콘 웨이퍼에 모스 공정을 구현한다. 이하에서 설명하는 모스 공정은 다양하게 변경할 수 있다. 모스 공정은 전자 소자를 제조할 때 이용하기 때문에, 벌크 실리콘 웨이퍼에 전자 소자 및 광도파로 소자를 동시에 집적할 수 있으나, 아래에서는 광도파로 소자의 구성 및 그 제조방법에 대해서만 설명한다.
실시예 1
먼저, 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자를 설명한다.
구체적으로, 광도파로 소자(100)는 표면(10a) 및 배면(10b)을 갖는 벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 포함한다. 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 일부분에 트랜치 영역(12)이 형성되어 있다. 트랜치 영역(12)은 벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 선택적으로 식각하여 벌크 실리콘 웨이퍼(10) 내에 형성된 것이다. 트랜치 영역(12)은 측벽(12a, 12b)이 형성되어 있다.
트랜치 영역(12) 내에는 하부 클래드층(14)이 형성되어 있다. 하부 클래드층(14)은 트랜치 영역(12)을 완전히 매립하도록 형성되어 있다. 하부 클래드층(14)의 폭은 TW로 표기되어 있다. 하부 클래드층(14) 상에는 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 떨어져 광도파로 코아층(22a)이 형성되어 있다. 광도파로 코아층(22a)은 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 표면과 동일 평면상의 하부 클래드층(14) 상에 형성되어 있다. 광도파로 코아층(22a)의 폭은 W로 표기되어 있다. 광도파로 코아층(22a)은 하부 클래드층(14) 및 상부 클래드층(24)보다 굴절률이 높은 단결정 실리콘층으로 구성한다. 광도파로 코아층(22a)은 광이 전송되는 곳으로 트랜치 영역(12)의 측벽(12a, 12b)으로부터 d1이나 d2만큼 떨어져 위치한다.
필요에 따라 광도파로 코아층(22a)으로부터 떨어져 벌크 실리콘 웨이퍼(10) 상에 주변 코아층(22b)이 형성되어 있을 수 있다. 주변 코아층(22b)은 광도파로 코아층(22a)과 동일하게 단결정 실리콘층으로 구성한다. 주변 코아층(22b)은 광도파로 코아층(22a)과 d3나 d4 만큼 떨어져 위치한다.
광도파로 코아층(22a)을 덮는 상부 클래드층(24)이 형성되어 있다. 상부 클래드층(24)은 주변 코아층(22b) 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 덮도록 형성되어 있다. 하부 클래드층(14) 및 상부 클래드층(24)은 광도파로 코아층을 구성하는 단결정 실리콘층보다 굴절률이 낮은 실리콘 산화층, 실리콘 산질화층 또는 실리콘 질화층으로 구성한다. 상부 클래드층(24)은 필요에 따라 광도파로 코아층(22a)을 구성하는 단결정 실리콘층보다 굴절률이 낮은 공기층으로 구성할 수도 있다.
광도파로 코아층(22a)은 광이 전송되는 곳으로, 다른 구성 요소와 광 간섭을 받지 않아야 한다. 광도파로 코아층(22a)의 결정성(crystallinity)에 따라 광도파로 코아층(22a)의 형성 위치가 결정된다. 도 7에서는, 트랜치 영역(12)의 측벽(12a, 12b)으로부터 떨어진 거리 d1 및 d2가 동일하여 하부 클래드층(14) 상의 중간 부분에 광도파로 코아층(22a)이 형성되는 것으로 도시하였으나, 필요에 따라 광도파로 코아층(22a)이 하부 클래드층(14) 상부의 일측으로 치우쳐 형성될 수 있다.
벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 통한 광의 누설을 방지하기 위해 광도파로 코아층(22a)은 트랜치 영역(12)의 측벽(12a, 12b)으로부터 적당 거리, 즉 d1이나 d2 만큼 떨어져 위치하여야 한다. 또한, 인접 코아층(22b)을 통한 광의 누설을 방지하기 위해 광도파로 코아층은 인접 코아층(22b)과 적당 거리, 즉, d3나 d4만큼 떨어져 위치하여야 한다. 광도파로 코아층(22a) 및 주변 코아층(22b)의 형성 위치는 후에 보다 자세하게 설명한다.
다음에는, 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자의 제조방법을 설명한다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 준비한다. 벌크 실리콘 웨이퍼(10)는 표면(10a) 및 배면(10b)을 갖는다. 벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 선택적으로 식각하여 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 일부분에 트랜치 영역(12)을 형성한다. 트랜치 영역(12)은 측벽(12a, 12b)을 가진다. 트랜치 영역(12)의 깊이는 후에 형성되는 하 부 클래드층의 두께와 관계되는 것으로, 광 신호가 잘 가이드될 수 있는 깊이로 형성한다.
도 2를 참조하면, 트랜치 영역(12)을 채우도록 하부 클래드층(14)을 형성한다. 하부 클래드층(14)은 후에 형성되는 광도파로 코아층을 구성하는 단결정 실리콘층보다 굴절률이 낮은 실리콘 산화층(SiO), 실리콘 산질화층(SiON) 또는 실리콘 질화층(SiN)으로 형성한다. 하부 클래드층(14)은 트랜치 영역(12)을 채우면서 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 전면에 하부 클래드용 물질층을 형성한 후 화학기계적연마하여 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 하부 클래드층(14) 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 전면에 비정질 실리콘층(16)을 형성한다. 비정질 실리콘층(16)은 하부 클래드층(14) 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10) 상에 형성한다. 비정질 실리콘층(16)은 후에 결정질 실리콘층으로 변경시켜 코아층으로 이용된다.
도 4를 참조하면, 비정질 실리콘층(16)을 결정화하여 단결정 실리콘층으로 코아층(18)을 형성한다. 비정질 실리콘층(16)의 결정화는 LEG(laser epitaxial growth), SPE(solid phase epitaxy), ELO(epitaxial lateral overgrowth), SEG(selective epitaxial growth), 또는 SPC(solid phase crystallization)방법으로 수행한다. 위에 설명한 비정질 실리콘층(16)의 결정화 방법은, 비정질 실리콘층(16)에 에너지, 예컨대 열에너지나 레이저 에너지를 가하여 비정질 실리콘층(16)을 단결정 실리콘층으로 결정화한다. 코아층(18)은 하부 클래드층(14) 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10) 상에 형성된다. 코아층(18)은 후에 선택적 식각을 통해 광도파로 코아층이 된다.
도 5를 참조하면, 코아층(18) 상에 마스크 패턴(20)을 형성한다. 마스크 패턴(20)은 하부 클래드층(14)의 상부 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 상부 일부분에 형성한다. 마스크 패턴(20)은 포토레지스트 패턴과 같은 소프트 마스크 패턴이나, 실리콘 산화층이나 실리콘 질화층과 같은 하드 마스크 패턴으로 형성한다. 마스크 패턴(20)으로 인해 코아층(18)의 일부 표면이 노출된다.
도 6을 참조하면, 마스크 패턴(20)을 식각 마스크로 코아층(18)을 선택적으로 식각하여 광도파로 코아층(22a) 및 주변 코아층(22b)을 형성한다. 코아층(18)의 선택적 식각에 따라 광도파로 코아층(22a) 및 주변 코아층(22b)은 마스크 패턴(20)의 하부에만 남게 된다. 주변 코아층(22b)은 마스크 패턴(20)의 형성 위치를 조절할 경우, 필요에 따라 형성하지 않을 수도 있다.
도 7을 참조하면, 마스크 패턴(20)을 제거한다. 이렇게 되면, 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로 떨어져 하부 클래드층(14) 상에 광도파로 코아층(22a)이 형성되고, 광도파로 코아층(22 a)으로부터 떨어져 벌크 실리콘 웨이퍼(10) 상에 주변 코아층(22b)이 형성된다. 광도파로 코아층(22a) 및 주변 코아층(22b)을 덮도록 상부 클래드층(24)을 형성한다.
상부 클래드층(24)은 광도파로 코아층(22a)을 구성하는 단결정 실리콘층보다 굴절률이 낮은 실리콘 산화층, 실리콘 산질화층 또는 실리콘 질화층으로 형성할 수 있다. 상부 클래드층(24)은 필요에 따라 광도파로 코아층(22a)을 구성하는 단결정 실리콘층보다 굴절률이 낮은 공기층으로 구성할 수 있다.
실시예 2
먼저, 도 13을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자를 설명한다.
구체적으로, 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자(200)는 제1 실시예와 비교하여 리세스 하부 클래드층(44)을 형성하고, 리세스 하부 클래드층(44) 상에 광도파로 코아층(52a)을 형성하는 것을 제외하고는 동일하다. 하부 클래드층(44)은 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 표면(10a)보다 낮게 리세스 되어 있으므로, 리세스 하부 클래드층(44)이라 명명한다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자(200)는 제1 실시예와 같이 표면(10a) 및 배면(10b)을 갖는 벌크 실리콘 웨이퍼(10), 및 트랜치 영역(12)이 형성되어 있다. 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자(200)의 리세스 하부 클래드층(44)은 트랜치 영역(12)을 완전히 채우지 않고 일부만 채워 형성하거나, 트랜치 영역(12)을 완전히 채우도록 하부 클래드층을 형성한 후 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면보다 낮게 식각하여 형성할 수 있다. 리세스 하부 클래드층(44)의 폭은 TW로 표기되어 있다.
리세스 하부 클래드층(44) 상에는 트랜치 영역(12)의 측벽(12a, 12b), 예컨대 일측벽(12a)으로부터 떨어져 광도파로 코아층(52a)이 형성되어 있다. 광도파로 코아층(52a)은 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 표면보다 낮게 리세스 하부 클래드층(44) 상에 형성되어 있어 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 표면(10a)보다 낮게 형성된다. 광도파로 코아층(52a)의 폭은 W로 표기되어 있다. 광도파로 코아층(52a)은 단결정 실리 콘층으로 구성한다. 광도파로 코아층(52a)은 광이 전송되는 곳으로 트랜치 영역(12)의 측벽(12a, 12b)으로부터 d5나 d6 만큼 떨어져 위치한다.
필요에 따라 광도파로 코아층(52a)으로부터 떨어져 벌크 실리콘 웨이퍼(10) 상에 주변 코아층(52b)이 형성되어 있을 수 있다. 주변 코아층(52b)은 광도파로 코아층(52a)과 동일하게 단결정 실리콘층으로 구성한다.
광도파로 코아층(52a)을 덮는 상부 클래드층(54)이 형성되어 있다. 상부 클래드층(54)은 주변 코아층(52b) 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 덮도록 형성되어 있다. 하부 클래드층(44) 및 상부 클래드층(54)은 제1 실시예의 하부 클래드층(14) 및 상부 클래드층(24)과 동일 물질로 구성하며, 광도파로 코아층(52a)보다 굴절률이 낮은 물질로 형성한다. 상부 클래드층(54)은 필요에 따라 광도파로 코아층(52a)을 구성하는 단결정 실리콘층보다 굴절률이 낮은 공기층으로 구성할 수도 있다.
광도파로 코아층(52a)은 광이 전송되는 곳으로, 다른 구성 요소와 광 간섭을 받지 않아야 한다. 광도파로 코아층(52a)의 결정성(crystallinity)에 따라 광도파로 코아층(52a)의 형성 위치가 결정된다. 도 13에서는, 트랜치 영역(12)의 측벽(12a, 12b)으로부터 떨어진 거리 d5 및 d6이 동일하여 리세스 하부 클래드층(44) 상의 중간 부분에 광도파로 코아층(52a)이 형성되는 것으로 도시하였으나, 필요에 따라 광도파로 코아층(52a)이 리세스 하부 클래드층(44) 상부의 일측으로 치우쳐 형성될 수 있다.
벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 통한 광의 누설을 방지하기 위해 광도파로 코아층(52a)은 트랜치 영역(12)의 측벽(12a, 12b)으로부터 적당 거리, 즉 d5이나 d6 만 큼 떨어져 위치하여야 한다. 광도파로 코아층(52a) 및 주변 코아층(52b)의 형성 위치는 후에 보다 자세하게 설명한다.
다음에는, 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자의 제조방법을 설명한다.
도 8 내지 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8을 참조하면, 제1 실시예와 같이 표면(10a) 및 배면(10b)을 갖는 벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 준비한다. 벌크 실리콘 웨이퍼(10)를 선택적으로 식각하여 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 일부분에 트랜치 영역(12)을 형성한다. 트랜치 영역(12)은 측벽(12a, 12b)을 가진다. 트랜치 영역(12)의 일부를 채우도록 리세스 하부 클래드층(44)을 형성한다.
리세스 하부 클래드층(44)은 제1 실시예의 하부 클래드층(14)과 동일한 물질로 형성한다. 리세스 하부 클래드층(44)은 트랜치 영역(12)의 일부를 채우도록 리세스 하부 클래드용 물질층을 형성하여 마련할 수 있다. 또한, 리세스 하부 클래드층(44)은 트랜치 영역(12)을 완전히 채우도록 리세스 하부 클래드용 물질층을 형성한 후, 트랜치 영역(12)에 형성된 리세스 하부 클래드용 물질층을 일부 식각하여 형성할 수 도 있다.
도 9를 참조하면, 리세스 하부 클래드층(44) 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 전면에 비정질 실리콘층(46)을 형성한다. 비정질 실리콘층(46)은 리세스 하부 클래드층(44) 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10) 상에 형성한다. 비정질 실리콘층(46)은 후에 결정질 실리콘층으로 변경시켜 코아층으로 이용된다.
도 10을 참조하면, 비정질 실리콘층(46)을 결정화하여 단결정 실리콘층으로 코아층(48)을 형성한다. 비정질 실리콘층(46)의 결정화는 앞서 제1 실시예와 동일한 방법으로 수행한다. 코아층(48)은 리세스 하부 클래드층(44) 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10) 상에 형성된다. 코아층(48)은 후에 선택적 식각을 통해 광도파로 코아층이 된다.
도 11을 참조하면, 코아층(48) 상에 마스크 패턴(50)을 형성한다. 마스크 패턴(50)은 리세스 하부 클래드층(44)의 상부 및 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 상부 일부분에 형성한다. 마스크 패턴(50)은 제1 실시예와 동일한 물질로 형성한다. 마스크 패턴(50)으로 인해 코아층(48)의 일부 표면이 노출된다.
도 12를 참조하면, 마스크 패턴(50)을 식각 마스크로 코아층(48)을 선택적으로 식각하여 광도파로 코아층(52a) 및 주변 코아층(52b)을 형성한다. 코아층(48)의 선택적 식각에 따라 광도파로 코아층(52a) 및 주변 코아층(52b)은 마스크 패턴(50)의 하부에만 남게 된다. 주변 코아층(52b)은 마스크 패턴(50)의 형성 위치를 조절할 경우, 필요에 따라 형성하지 않을 수도 있다.
도 13을 참조하면, 마스크 패턴(50)을 제거한다. 이렇게 되면, 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로 떨어져 리세스 하부 클래드층(44) 상에 광도파로 코아층(52a)이 형성되고, 광도파로 코아층(52a)으로부터 떨어져 벌크 실리콘 웨이퍼(10) 상에 주변 코아층(52b)이 형성된다. 광도파로 코아층(52a) 및 주변 코아층(52b)을 덮도록 상부 클래드층(54)을 형성한다.
상부 클래드층(54)은 제1 실시예의 상부 클래드층(24)과 동일한 물질로 형성한다. 상부 클래드층(54)은 필요에 따라 광도파로 코아층(52a)을 구성하는 단결정 실리콘층보다 굴절률이 낮은 공기층으로 구성할 수 있다.
광도파로 코아층 및 주변 코아층의 형성 위치
이하에서는 제1 및 제2 실시예의 광도파로 소자의 광도파로 코아층 및 주변 코아층의 형성 위치를 구체적으로 설명한다.
도 14는 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자의 광도파로 코아층의 형성 위치를 설명하기 위하여 도시한 단면도이고, 도 15는 도 14의 광도파로 코아층의 형성 위치에 따른 광 누설 손실을 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 도 14는 앞서 제1 실시예의 도 7에 해당하는 것이고, 광도파로 코아층(22a)만을 주로 표시한 것이다. 표면(10a) 및 배면(10b)을 갖는 벌크 실리콘 웨이퍼(10)와, 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 일부분에 트랜치 영역(12)이 형성되어 있다. 트랜치 영역(12)에는 하부 클래드층(14)이 매몰되어 있다. 하부 클래드층(14)의 폭은 TW로 표기되어 있다.
트랜치 영역(12)의 표면(10a)의 하부 클래드층(14) 상에 광도파로 코아층(22a)이 형성되어 있다. 광도파로 코아층(22a)은 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 d1만큼 떨어져 형성되어 있다. 광도파로 코아층(22a)의 폭은 W로 표기되어 있다. 광도파로 코아층(22a)은 트랜치 영역의 타측벽으로부터 d2만큼 떨어져 형성되어 있다. 도 14에서는 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 거리인 d1과 트랜치 영역(12)의 타측벽(12b)으로부터 거리 d2를 다르게 구성한다.
도 15를 참조하면, 도 15는 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 거리인 d1에 따라 광도파로 코아층(22a)의 광 누설 손실을 도시한다. 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 거리인 d1이 0.1㎛일 경우. 벌크 실리콘 웨이퍼(10)와 광도파로 코아층(22a)이 광간섭하기 때문에 광 누설 손실은 약 -24dB/mm로 매우 크다.
광 누설 손실이 1dB/mm일 경우, 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(12a)의 떨어진 거리는 0.27㎛이다. 광 누설 손실이 10dB/mm일 경우, 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(12a)의 떨어진 거리는 0.15㎛이다. 광 누설 손실의 기준값은 10dB/mm일수 있고, 보다 바람직하게 광 누설 손실의 기준값은 1dB/mm일 수 있다.
위에 근거하여, 광 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(12a)의 떨어진 거리인 d1은 다음 식 1을 만족한다.
식 1
0.15㎛<d1<TW-W-0.15㎛
여기서, d1은 광도파로 코아층(22a)이 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어진 거리이고, TW는 하부 클래드층(14)의 폭이고, W는 광도파로 코아층(22a)의 폭이다.
위 식 1을 볼 때, 광 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(22a)이 떨어진 거리는 0.15㎛ 보다 크게 한다. 그리고, 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 타측벽(12b)으로부터 광도파로 코아층(22a)이 떨어진 거리도 0.15㎛ 보다 크게 한다. 두 조건을 만족하면서 하부 클래드층(14) 상에 광도파로 코아층(22a)을 위치시키면 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자(100)를 완성할 수 있다.
또한, 바람직하게는 광 누설 손실이 1dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(22a)이 떨어진 거리는 0.27㎛ 보다 크게 한다. 그리고, 누설 손실이 1dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 타측벽(12b)으로부터 광도파로 코아층(22a)이 떨어진 거리도 0.27㎛ 보다 크게 한다. 두 조건을 만족하면서 하부 클래드층(14) 상에 광도파로 코아층(22a)을 위치시키면 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자(100)를 완성할 수도 있다.
도 16은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자의 광도파로 코아층 및 주변 코아층의 형성 위치를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 16을 참조하면, 도 16은 앞서 제1 실시예의 도 7에 해당하는 것이고, 광도파로 코아층(22a) 및 주변 코아층(22b)만을 주로 표시한 것이다. 도 14에서 설명한 바와 같이 표면(10a) 및 배면(10b)을 갖는 벌크 실리콘 웨이퍼(10)와, 측벽(12a, 12b)을 갖는 트랜치 영역(12)과, 하부 클래드층(14), 광도파로 코아층(22a), 및 주변 코아층(22b)이 도시되어 있다.
하부 클래드층(14)의 폭은 TW로 표기되어 있다. 광도파로 코아층(22a)의 폭은 W로 표기되어 있다. 광도파로 코아층(22a)의 일측으로부터 주변 코아층(22b)이 d3으로 떨어져 형성되어 있다. 그리고, 광도파로 코아층(22a)의 타측으로부터 주변 코아층(22b)이 d4로 떨어져 형성되어 있다. 도 16에서는 광도파로 코아층(22a)의 일측으로부터 주변 코아층(22b)의 떨어진 거리 d3과 광도파로 코아층(22a)의 타측으로부터 주변 코아층(22b)의 떨어진 거리 d4를 다르게 구성한다.
본 발명자들이 확인한 결과, 광도파로 코아층(22a)과 주변 코아층(22b)은 광 간섭을 하기 때문에, 광 누설 손실이 1dB/mm일 경우, d3나 d4는 적어도 0.35㎛ 보다 크게 한다. 이렇게 해면, 광도파로 코아층(22a)과 주변 코아층(22b)간의 광간섭을 배제하면서 본 발명의 광도파로 소자를 완성할 수 있다.
도 17은 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자의 광도파로 코아층의 형성 위치를 설명하기 위하여 도시한 단면도이고, 도 18은 도 17의 광도파로 코아층의 형성 위치에 따른 광 누설 손실을 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 도 17은 앞서 제2 실시예의 도 13에 해당하는 것이고, 광도파로 코아층(52a)만을 주로 표시한 것이다. 표면(10a) 및 배면(10b)을 갖는 벌크 실리콘 웨이퍼(10)와, 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 일부분에 트랜치 영역(12)이 형성되어 있다. 트랜치 영역(12)에는 리세스 하부 클래드층(44)이 매몰되어 있다. 리세스 하부 클래드층(44)의 폭은 TW로 표기되어 있다.
트랜치 영역(12)의 리세스 하부 클래드층(44) 상에 광도파로 코아층(52a)이 형성되어 있다. 광도파로 코아층(52a)은 벌크 실리콘 웨이퍼(10)의 표면(10a) 보다 낮게 형성되어 있다. 광도파로 코아층(52a)은 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 d5만큼 떨어져 형성되어 있다. 광도파로 코아층(52a)의 폭은 W로 표기되어 있다. 광도파로 코아층(52a)은 트랜치 영역의 타측벽으로부터 d6만큼 떨어져 형성되어 있다. 도 17에서는 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 거리인 d5와 트랜치 영역(12)의 타측벽(12b)으로부터 거리 d6을 다르게 구성한다.
도 18을 참조하면, 도 18은 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 거리인 d5에 따라 광도파로 코아층(52a)의 광 누설 손실을 도시한다. 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 거리인 d5가 0.15㎛일 경우. 벌크 실리콘 웨이퍼(10)와 광도파로 코아층(52a)이 광간섭하기 때문에 광 누설 손실은 약 -22dB/mm로 매우 크다.
광 누설 손실이 1dB/mm일 경우, 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(52a)의 떨어진 거리는 0.35㎛이다. 광 누설 손실이 10dB/mm일 경우, 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(52a)의 떨어진 거리는 0.2㎛이다. 광 누설 손실의 기준값은 10dB/mm일수 있고, 보다 바람직하게는 광 누설 손실의 기준값은 1dB/mm일 수 있다.
위에 근거하여, 광 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(52a)의 떨어진 거리인 d5는 다음 식 2를 만족한다.
식 2
0.2㎛<d5<TW-W-0.2㎛
여기서, d5은 광도파로 코아층(52a)이 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어진 거리이고, TW는 하부 클래드층(14)의 폭이고, W는 광도파로 코아층(52a)의 폭이다.
위 식 2를 볼 때, 광 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(52a)이 떨어진 거리는 0.2㎛ 보다 크게 한다. 그리고, 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 타측벽(12b)으로부터 광도파로 코아층(52a)이 떨어진 거리도 0.2㎛ 보다 크게 한다. 두 조건을 만족하면서 리세스 하부 클래드층(44) 상에 광도파로 코아층(52a)을 위치시키면 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자(200)를 완성할 수 있다.
또한, 바람직하게 광 누설 손실이 1dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 일측벽(12a)으로부터 광도파로 코아층(52a)이 떨어진 거리는 0.35㎛ 보다 크게 한다. 그리고, 바람직하게 누설 손실이 1dB/mm 기준일 때 트랜치 영역(12)의 타측벽(12b)으로부터 광도파로 코아층(52a)이 떨어진 거리도 0.35㎛ 보다 크게 한다. 두 조건을 만족하면서 리세스 하부 클래드층(44) 상에 광도파로 코아층(52a)을 위치시키면 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자(200)를 완성할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 광도파로 소자의 응용예를 설명한다. 본 발명의 광도파로 소자는 다양하게 응용될 수 있지만, 하나의 예로 벌크 실리콘 웨이퍼에 전자 소자 및 광도파로 소자가 집적된 광전 집적 회로 소자를 설명한다.
광전 집적 회로 소자
도 19는 본 발명의 광도파로 소자가 적용된 광전 집적 회로 소자를 설명하기 위한 블록도이다.
구체적으로, 광전 집적 회로 소자(300)는 앞서 설명한 광도파로 소자(100)와 전자 소자(64, 72)를 포함한다. 전자 소자(64, 72)는 디램과 같은 메모리 소자일 수 있다. 도 19에서는 편의상 광도파로 소자의 참조번호는 100으로 표시한다. 그리고, 도 19에서는 편의상 광도파로 소자(100)와 전자 소자(64, 72)를 두 개만 표시하였으나, 더 많이 포함할 수 도 있다.
광도파로 소자(100)로부터 전자 소자(64, 72)로의 통신은 광전 소자(62, 70)를 이용하여 수행한다. 광전 소자(62, 70)는 광 신호를 받아 전기 신호를 발생시키 는 것이다. 전자 소자(64, 72)로부터 광도파로 소자(100)의 통신은 전광 소자(66)를 이용하여 수행한다. 전광 소자(66)는 전기 신호를 받아 광신호를 발생시키는 것이다. 도 19에서, 광신호는 참조번호 74, 80, 82로 표시하고, 전기신호는 76, 78, 84로 표시한다.
본 발명의 광전 집적 회로 소자(300)는 앞서 설명한 바와 같이 벌크 실리콘 웨이퍼(10)에 구현할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 광전 집적 회로 소자는 광도파로 소자(100)와 전자 소자간을 광신호를 이용하여 통신할 수 있기 때문에 신호 전송을 고속화, 소형화, 저전력화 및 대용량화 할 수 있으며, 보다 낮은 비용으로 구현할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8 내지 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 14는 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자의 광도파로 코아층의 형성 위치를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 15는 도 14의 광도파로 코아층의 형성 위치에 따른 광 누설 손실을 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 제1 실시예에 의한 광도파로 소자의 광도파로 코아층 및 주변 코아층의 형성 위치를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제2 실시예에 의한 광도파로 소자의 광도파로 코아층의 형성 위치를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 18은 도 17의 광도파로 코아층의 형성 위치에 따른 광 누설 손실을 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 광도파로 소자가 적용된 광전 집적 회로 소자를 설명하기 위한 블록도이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 벌크 실리콘 웨이퍼;
    상기 벌크 실리콘 웨이퍼의 일부분에 형성된 트랜치 영역;
    상기 트랜치 영역 내에 형성된 하부 클래드층;
    상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 상기 하부 클래드층 상에 형성된 광도파로 코아층; 및
    상기 광도파로 코아층을 덮도록 형성된 상부 클래드층을 포함하되,
    상기 하부 클래드층은 상기 트랜치 영역에 완전히 매립되어 구성되고, 상기 광도파로 코아층은 광 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 다음 식 1을 만족하도록 상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 형성된 것을 특징으로 하는 광도파로 소자.
    식 1
    0.15㎛<d1<TW-W-0.15㎛, d1은 상기 광도파로 코아층이 상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어진 거리이고, TW는 상기 하부 클래드층의 폭이고, W는 상기 광도파로 코아층의 폭이다.
  4. 벌크 실리콘 웨이퍼;
    상기 벌크 실리콘 웨이퍼의 일부분에 형성된 트랜치 영역;
    상기 트랜치 영역 내에 형성된 하부 클래드층;
    상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 상기 하부 클래드층 상에 형성된 광도파로 코아층; 및
    상기 광도파로 코아층을 덮도록 형성된 상부 클래드층을 포함하되,
    상기 하부 클래드층은 상기 트랜치 영역의 일부에 매립되어 상기 벌크 실리콘 웨이퍼보다 낮게 형성된 리세스 하부 클래드층으로 구성하는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광도파로 코아층은 광 누설 손실이 10dB/mm 기준일 때 다음 식 2를 만족하도록 상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 형성된 것을 특징으로 하는 광도파로 소자.
    식 2
    0.2㎛<d5<TW-W-0.2㎛, 여기서 d5는 상기 광도파로 코아층이 상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어진 거리이고, TW는 상기 하부 클래드층의 폭이고, W는 상기 광도파로 코아층의 폭이다.
  6. 제3항에 있어서, 상기 광도파로 코아층으로부터 떨어져 상기 벌크 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 주변 코아층을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자.
  7. 벌크 실리콘 웨이퍼;
    상기 벌크 실리콘 웨이퍼의 일부분에 형성된 트랜치 영역;
    상기 트랜치 영역의 일부를 채워 상기 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면 보다 낮게 형성된 리세스 하부 클래드층;
    상기 트랜치 영역의 일측벽으로부터 떨어져 상기 리세스 하부 클래드층 상에 형성된 광도파로 코아층;
    상기 광도파로 코아층으로부터 떨어져 상기 벌크 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 주변 코아층; 및
    상기 광도파로 코아층을 덮도록 형성된 상부 클래드층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자.
  8. 삭제
  9. 벌크 실리콘 웨이퍼를 준비하고;
    상기 벌크 실리콘 웨이퍼를 식각하여 상기 벌크 실리콘 웨이퍼의 일부분에 트랜치 영역을 형성하고;
    적어도 상기 트랜치 영역의 일부를 채우도록 하부 클래드층을 형성하고;
    상기 하부 클래드층 및 벌크 실리콘 웨이퍼 상에 코아층을 형성하고;
    상기 코아층을 선택적으로 식각하여 상기 트랜치 영역의 일측벽으로 떨어져 상기 하부 클래드층 상에 광도파로 코아층을 형성하고; 및
    상기 광도파로 코아층을 덮도록 상부 클래드층을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 코아층을 형성하는 것은,
    상기 하부 클래드층 및 벌크 실리콘 웨이퍼 상에 비정질 실리콘층을 형성하고,
    상기 비정질 실리콘층을 결정화하여 단결정 실리콘층으로 코아층을 형성하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 광도파로 코아층은 상기 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면과 동일 평면상에 형성하거나, 상기 벌크 실리콘 웨이퍼의 표면 보다 낮게 형성하는 것을 특징으로 하는 광도파로 소자의 제조방법.
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