KR20110112126A - 실리콘 기반 광변조기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 사상은 위상 변조부의 광도파로 측면으로 형성되는 슬랩(slab)의 두께의 두께를 용이하게 제어할 수 있고, 또한 슬랩으로 연결되는 메탈 콘택을 위한 비아 홀 형성이 용이한 실리콘 기반 광변조기 및 그 광변조기 제조방법을 제공한다. 그 광변조기는 기판; 상기 기판 상으로 형성되고, 제1 경로를 통과하는 광신호에 대해서는 위상을 변환시키고, 제2 경로를 통과하는 광신호에 대해서는 위상을 변환시키지 않는 위상 변환기; 상기 기판 상부의 양 끝단으로 각각 형성되고, 외부로부터 상기 광신호를 입력받거나, 외부로 광신호를 출력하는 그래이팅 커플러(grating coupler); 및 상기 그래이팅 커플러로부터 받은 광신호를 상기 제1 및 제2 경로로 분할시켜 입력하고, 상기 제1 및 제2 경로를 통과한 광신호를 결합시켜 상기 그래이팅 커플러로 보내는 간섭계;를 포함하고, 상기 위상 변환기는 상기 제1 경로를 구성하며 위상을 변환시키는 위상 변환부, 및 상기 제2 경로를 구성하는 경로 광도파로를 구비하고, 상기 위상 변환부에는 상기 기판 방향으로 돌출된 제1 광도파로가 형성되어 있다.
Description
본 발명은 실리콘 반도체 기반 광통신 소자에 관한 것으로, 특히 제작이 용이하고 광학적 특성 및 소비전력 특성이 우수한 실리콘 기반의 소형 실리콘 기반 광변조기에 관한 것이다.
광소자는 대부분 개별적인(discret) 형태로 제작되어 PCB 기판 상에서 조립되는데, 이러한 방식은 마치 집적회로 개발 이전의 전기소자와 마찬가지로 대량 생산에 의한 가격절감의 측면에서 매우 불리하다. 따라서, 최근에는 전기 집적회로와 비슷한 광 집적회로를 구현하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다.
광 집적회로는 전기 집적회로와 마찬가지로 다양한 기능의 광과 전기 소자를 단일 기판에 집적하여 소형화한 소자이다. 광 집적회로를 이루는 광 소자들은 크게 능동 소자와 수동 소자로 구분할 수 있다. 능동 소자는 전력이 공급되는 소자로서 광원, 변조기, 수신기 등이 있다. 수동 소자는 전력이 공급되지 않는 소자로서 도파로, 커플러, 필터, 다중화기 등이 있다. 수동 소자들은 실리콘 기판상에서 구현되어 뛰어난 성능을 얻을 수 있다는 것이 알려져 있다. 반면에 능동 소자들은 3-5족 반도체 기판상에서 주로 구현되어 왔으며, 실리콘 기판상에서 구현하기 위해서 많은 노력이 기울어지고 있다.
실리콘 기반의 능동 소자로 대표적인 것이 마하-젠더 간섭계((Mach-Zehnder Interferometer)를 이용한 광변조기, 즉, 마하-젠더 광변조기이다. 마하-젠더 광변조기의 원리를 간단히 설명하면, 다음과 같다.
마하-젠더 광변조기는 입력 간섭계에서 분기된 광신호가 각각 입력되는 2개의 광경로를 갖는다. 2개의 광경로 중 어느 하나의 경로로는 위상 변환 없이 광신호가 통과하며, 다른 하나의 경로로는 위상이 변환되면서 통과된다. 즉, 다른 하나의 경로 상에는 위상 변환부가 구비되어 입력된 광신호에 대한 위상을 변환하여 출력한다. 이러한 2개 광경로를 통과한 광신호들은 출력 간섭계에서 합쳐져 보강간섭(constructive interference) 또는 상쇄간섭(destructive interference)을 일으켜 광신호의 세기가 변조된다.
본 발명의 사상이 해결하고자 하는 과제는 위상 변조부의 광도파로 측면으로 형성되는 슬랩(slab)의 두께의 두께를 용이하게 제어할 수 있고, 또한 슬랩으로 연결되는 메탈 콘택을 위한 비아 홀 형성이 용이한 실리콘 기반 광변조기 및 그 광변조기 제조방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 사상이 해결하고자 하는 과제는 광도파로에 형성되는 슬랩의 위치를 조절하여 광도파로 내의 위상 변환 특성을 최적화함으로써, 낮은 소비전력 특성을 구현할 수 있는 실리콘 기반 광변조기 및 그 광변조기 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 사상은 기판; 상기 기판 상으로 형성되고, 제1 경로를 통과하는 광신호에 대해서는 위상을 변환시키고, 제2 경로를 통과하는 광신호에 대해서는 위상을 변환시키지 않는 위상 변환기; 상기 기판 상부의 양 끝단으로 각각 형성되고, 외부로부터 상기 광신호를 입력받거나, 외부로 광신호를 출력하는 그래이팅 커플러(grating coupler); 및 상기 그래이팅 커플러로부터 받은 광신호를 상기 제1 및 제2 경로로 분할시켜 입력하고, 상기 제1 및 제2 경로를 통과한 광신호를 결합시켜 상기 그래이팅 커플러로 보내는 간섭계;를 포함하고, 상기 위상 변환기는 상기 제1 경로를 구성하며 위상을 변환시키는 위상 변환부, 및 상기 제2 경로를 구성하는 경로 광도파로를 구비하고, 상기 위상 변환부에는 상기 기판 방향으로 돌출된 제1 광도파로가 형성되어 있는 실리콘 기반 광변조기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 위상 변환부는, 상기 기판 상에 형성된 하부 클래드; 상기 하부 클래드 상에 형성된 상기 제1 광도파로; 상기 제1 광도파로 양 측면으로 형성된 슬랩(slab); 상기 하부 클래드, 제1 광도파로 및 슬랩 상부에 형성된 상부 클래드; 및 상기 상부 클래드 상에 형성되고, 상기 슬랩에 전기적으로 연결되는 전극 패드;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극 패드는 상기 상부 클래드를 관통하여 상기 슬랩에 콘택하는 메탈 콘택에 의해 상기 슬랩에 연결될 수 있는데, 이러한 상기 메탈 콘택은, 상기 전극 패드의 폭에 대응하여 라인 형태의 일체형 구조를 가지거나, 상기 전극 패드의 폭에 대응하여 소정 형태의 단위 메탈 콘택이 복수 개 형성되는 구조를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 슬랩은 상기 제1 광도파로의 상부에 형성되거나, 또는 상기 제1 광도파로의 중간 부분에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 기판 상에 광신호 입출력을 위한 그래이팅 커플러를 형성하는 단계; 상기 기판 상에 상기 그래이팅 커플러와 연결되고, 2개의 경로를 구비한 광도파로를 형성하는 단계; 상기 2개의 경로 중 어느 하나에 해당하는 제1 광도파로의 측면으로 슬랩을 형성하되, 상기 슬랩을 기준으로 상기 제1 광도파로가 상기 기판 방향으로 돌출되도록 상기 슬랩을 형성하는 단계; 상기 슬랩이 형성된 기판 전면에 상부 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 상부 절연층에 상기 슬랩에 전기적으로 연결되는 전극 패드를 형성하는 단계;를 포함하는 광변조기 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 기판은, 하부 실리콘층, 절연층 및 상부 실리콘층을 구비한 SOI(Silicon On Insulator) 기판이고, 상기 그래이팅 커플러는 상기 상부 실리콘층을 격자 구조로 식각하여 형성하며, 상기 광도파로를 형성하는 단계는, 상기 상부 실리콘층의 소정 부분을 상기 절연층이 노출되도록 식각하여 2개의 광도파로를 형성하는 단계; 2개의 상기 광도파로가 형성된 상기 SOI 기판 결과물 전면에 2개의 상기 광도파로를 덮도록 절연 물질을 도포하여 중간 절연층을 형성하는 단계; 및 2개의 상기 광도파로 및 상기 그래이팅 커플러의 상면이 노출되도록 상기 중간 절연층을 CMP를 통해 평탄화시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬랩을 형성하는 단계는, 노출된 상기 제1 광도파로 및 중간 절연층 상에 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘을 증착하는 단계; 상기 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘을 SPE(Solid Phase Epitaxial) 성장 공정이나 LEG(Laser Epitaxial Growth) 공정을 통해 단결정화하여 단결정 실리콘으로 형성하는 단계; 상기 제1 광도파로 양 측면으로 상기 슬랩을 형성하기 위하여 상기 단결정 실리콘을 패터닝하는 단계; 및 상기 슬랩의 소정 부분에 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 단결정 실리콘을 패터닝하는 단계에서, 상기 단결정 실리콘을 동일 두께로 패터닝하거나 또는 중심 부분이 상부로 돌출되도록 패터닝할 수 있다. 또한, 상기 전극 패드를 형성하는 단계는, 상기 상부 절연층을 관통하여 상기 슬랩의 상면을 노출시키는 비아 홀을 형성하는 단계; 상기 비아 홀을 메탈 물질로 매립하여 메탈 콘택을 형성하는 단계; 상기 상부 절연층 전면에 메탈 물질을 도포하고 상기 전극 패드를 형성하기 위하여 패터닝하는 단계;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 메탈 콘택을 형성하는 단계에서, 상기 비아 홀이 라인 형태로 하나의 비아 홀로 형성된 경우에, 상기 메탈 콘택은 라인 형태의 일체형 구조를 가지도록 형성되며, 상기 비아 홀이 복수 개의 비아 홀들을 형성된 경우에, 복수 개의 단위 메탈 콘택들이 형성될 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 실리콘 기반 광변조기 및 그 광변조기 제조방법은 슬랩이 광도파로 상부에 형성됨으로써, 전극 패드가 슬랩으로부터 가깝게 형성될 수 있고, 그에 따라, 슬랩의 두께 조절이 용이하여, 슬랩의 두께 조절에 의해 광변조기의 광학적 특성, 즉 광신호의 위상 변환 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전극 패드가 슬랩으로부터 가깝게 형성될 수 있다는 점에 기인하여 비아 홀 공정 마진을 충분히 확보할 수 있고, 그에 따라, 슬랩에 연결되는 메탈 콘택을 다양한 구조로 균일하게 형성하여 메탈 콘택에서의 콘택 저항을 줄임으로써, 광변조기의 소비 전력을 낮출 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 사상에 따른 실리콘 기반 광변조기 및 그 광변조기 제조방법은 광도파로가 슬랩을 기준으로 대칭적인 구조를 가지도록 슬랩이 광도파로의 중간 위치에 형성됨으로써, 광도파로의 광학적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기에 대한 개략도이다.
도 2는 도 1의 실리콘 기반 광변조기의 위상 변환기에서, 위상을 변환하는 위상 변환부 부분을 상세하게 보여주는 사시도이다.
도 3a 및 3b는 도 2의 위상 변환부에 대한 평면도들이다.
도 4a 및 4b는 도 3a 또는 3b의 I-I' 부분을 절단하여 보여주는 단면도들이다.
도 5a ~ 5k는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 6a ~ 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 7a ~ 7d는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 8a ~ 8c는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 2는 도 1의 실리콘 기반 광변조기의 위상 변환기에서, 위상을 변환하는 위상 변환부 부분을 상세하게 보여주는 사시도이다.
도 3a 및 3b는 도 2의 위상 변환부에 대한 평면도들이다.
도 4a 및 4b는 도 3a 또는 3b의 I-I' 부분을 절단하여 보여주는 단면도들이다.
도 5a ~ 5k는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 6a ~ 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 7a ~ 7d는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
도 8a ~ 8c는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기에 대한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 실리콘 기반 광변조기는 위상 변환기(1000), 간섭계(2000) 및 그래이팅 커플러(3000)를 포함한다. 이러한 위상 변환기(1000), 간섭계(2000) 및 그래이팅 커플러(3000)는 실리콘 기판(미도시) 상에 형성될 수 있다. 도면상 위의 구성요소들은 실리콘 기판 상의 절연층(120), 예컨대 실리콘 옥사이드(SiO2)층 상에 형성되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 절연층(120) 하부에 실리콘 기판이 존재한다.
위상 변환기(1000)는 위상 변환부(100) 및 경로 광도파로(200)를 포함한다. 위상 변환부(100)는 광신호에 대한 제1 경로를 구성하면서, 통과되는 광신호의 위상을 변화시키며, 경로 광도파로(200)는 광신호에 대한 제2 경로를 구성하며, 광신호의 위상을 변화시키지 않고 단순히 통과시키는 기능을 한다.
본 실시예의 위상 변환부(100)는 광신호의 위상을 변환시키기 위하여, 광도파로 및 광도파로 양 측면으로 슬랩이 형성되는 구조를 갖는다. 특히 광도파로는 슬랩을 기준으로 기판 방향으로 돌출되는 구조, 즉 광도파로의 상부에 슬랩이 형성되는 구조를 갖는다. 때에 따라, 슬랩은 광도파로 중간 높이에 형성될 수도 있다. 위상 변환부의 좀더 상세한 구조에 대해서는 도 4a 및 4b에 대한 설명부분에서 기술한다.
간섭계(2000)는 위상 변환기(1000)의 양 측면 부분으로 형성되며, 그래이팅 커플러(3000, grating coupler)로부터 입사된 광신호를 위상 변환기(1000)의 제1 및 제2 경로로 분기하여 출력하며, 또한, 제1 및 제2 경로를 통과한 광신호를 결합하여 그래이팅 커플러(3000)로 출력하는 기능을 한다.
그래이팅 커플러(3000)는 각 간섭계(2000)의 외곽 측면으로 형성되며, 외부로부터 상기 광신호를 입력받거나, 외부로 광신호를 출력하는 기능을 한다.
도 2는 도 1의 실리콘 기반 광변조기의 위상 변환기에서, 위상을 변환하는 위상 변환부 부분을 상세하게 보여주는 사시도로서, 이해의 편의를 위해 앞서 도 1의 그래이팅 커플러(3000)와 위상 변환부(100) 부분만 좀더 상세하게 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 실리콘 기반 광변조기는 실리콘 기판(110) 상으로 절연층(120), 예컨대 실리콘 옥사이드층이 형성되고, 그 상부로 위상 변환부(100) 및 그래이팅 커플러(3000)가 형성된다. 위상 변환부(100) 및 그래이팅 커플러(3000)는 일반적으로 SOI(Silicon On Insulator) 기판의 상부 실리콘층으로 형성될 수 있다. 그러나, 실리콘 기판 상에 절연층 및 단결정 실리콘층을 순차적으로 형성하고, 단결정 실리콘층에 위상 변환부(100) 및 그래이팅 커플러(3000)가 형성될 수도 있다.
한편, 절연층(120)은 위상 변환부(100) 및 그래이팅 커플러(3000) 내에 포함되는 광도파로(130)에 대하여 하부 클래드 기능을 한다. 또한, 실제의 완성된 광변조기의 경우, 위상 변환부(100), 그래이팅 커플러(3000), 간섭계, 제2 경로의 광도파로 등은 절연층으로 완전히 덮여지는 구조를 가지며, 광도파로를 기준으로 하부의 절연층을 하부 클래드라 하고 상부의 절연층을 상부 클래드라 한다. 일반적으로 광도파로는 단결정 실리콘으로 형성되며, 하부 및 상부 클래드를 구성하는 절연층은 실리콘 옥사이드로 형성되게 된다.
본 실시예에서 위상 변환부(100)는 광도파로(130) 및 슬랩(140)을 포함한다. 슬랩(140)은 도시된 바와 같이 광도파로(130)로 상부에 형성되는데, 경우에 따라, 광도파로 중간 높이에 형성될 수도 있다. 도면상 슬랩(140)이 절연층(120)으로부터 떨어져 있는 것처럼 도시되어 있지만, 전술한 바와 같이 절연층(120)이 위상 변환부를 전체를 덮게 되므로 실제로는 슬랩(140)은 절연층(120) 상으로 형성되게 된다.
이러한 슬랩(140)의 일부 영역으로는 P형 이온 및 N형 이온이 도핑된 P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144)이 형성될 수 있다. 이러한 P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144)은 전극으로 기능을 한다. 그에 따라, P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144)은 메탈 콘택(미도시)을 통해 전원에 연결되는 전극 패드(미도시)에 연결될 수 있다. P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144)을 통해 광도파로(130)로 전류가 인가되면, 광도파로(130)의 굴절율이 변화하게 되고, 이러한 굴절율 변화는 통과하는 광신호의 위상을 변화시키는 작용을 하게 된다.
도 3a 및 3b는 도 2의 위상 변환부에 대한 평면도들로서, 슬랩 상부로 메탈 콘택 및 전극 패드가 형성된 구조를 도시하고 있다.
도 3a를 참조하면, 본 실시예에서 위상 변환부(100)의 광도파로(130) 및 슬랩(140) 상부로는 슬랩(140)의 P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144)에 연결되는 메탈 콘택(150) 형성되고, 이러한 메탈 콘택(150) 상부로 전극 패드(160)가 형성되게 된다. 본 실시예에서 메탈 콘택(150)은 전극 패드(160)의 폭에 대응하여 소정 개수, 예컨대 4개씩 형성될 수 있다. 이러한 메탈 콘택(150)은 슬랩(140)이 광도파로(130) 상부에 형성되기 때문에 충분한 공정 마진을 가지고 형성될 수 있다. 이에 대한 좀더 상세한 설명은 도 4a 또는 4b에서 기술한다.
도 3b를 참조하면, 본 실시예의 위상 변환부(100a)는 도 3a의 위상 변환부(100)과 유사하나, 메탈 콘택에서만 다르다. 즉, 본 실시예에서 메탈 콘택(150a)은 전극 패드(160)의 폭에 대응하여 라인 형태의 일체형 구조로 형성될 수 있다. 이러한 라인 구조의 메탈 콘택(150a)이 형성될 수 있는 이유는 슬랩(140)이 광도파로(130) 상부로 형성되기 때문으로, 역시 상세한 설명은 도 4a 또는 4b에서 기술한다.
도 4a 및 4b는 도 3a 또는 3b의 I-I' 부분을 절단하여 보여주는 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 본 실시예의 위상 변환부(100)는 실리콘 기판(110), 하부 클래드(120), 광도파로(130), 슬랩(140), 메탈 콘택(150), 전극 패드(160) 및 상부 클래드(180)를 포함한다.
하부 클래드(120) 및 상부 클래드(180)는 절연층으로서, 예컨대 실리콘 옥사이드로 형성될 수 있다. 하부 클래드(120)의 두께는 제한이 없으나, 상부 클래드(180)의 두께(D2)는 소정 규칙에 의해 제한된다. 본 실시예에서, 상부 클래드(180)는 1 ㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있다.
광도파로(130)는 단결정 실리콘으로 형성되며, 슬랩(140)을 기준으로 실리콘 기판(110) 방향으로 돌출된 구조를 갖는다. 다시 말해서, 슬랩(140)이 광도파로(130) 상부에 형성된다. 이러한 광도파로(130)는 SOI 기판을 이용하는 경우에 상부 실리콘층을 이용하여 형성하게 되며, 만약 실리콘 벌크(bulk) 기판을 이용하는 경우에는 기판 상으로 실리콘 옥사이드와 같은 절연층을 형성한 후, 다시 비정질(amorphous) 실리콘이나 폴리 실리콘을 절연층 상에 증착한 후, SPE(Solid Phase Epitaxial) 성장 공정이나 LEG(Laser Epitaxial Growth) 공정을 통해 단결정화된 단결정 실리콘을 이용하여 형성될 수 있다.
슬랩(140)은 전술한 바와 같이 광도파로(130) 상부로 형성되며 소정 두께(D1), 예컨대, 10 ~ 100㎚을 가질 수 있다. 이와 같이 슬랩(140)을 광도파로(130) 상부에 형성함으로써, 슬랩(140)의 두께 조절이 용이하다. 즉, 슬랩(140)은 광도파로(130) 및 하부 클래드(120) 상으로 소정 두께로 비정질 실리콘이나 폴리 실리콘을 절연층 상에 증착한 후, SPE 성장 공정이나 LEG 공정을 통해 단결정화된 단결정 실리콘층을 패터닝하여 형성되므로, 그 두께 조절이 용이하다.
종래에는 슬랩을 형성하기 위하여, 광도파로를 구성하는 두꺼운 실리콘층의 양 측면을 식각하는 방법을 이용하였는데, 스탑퍼(stopper) 없이 식각을 진행함으로써, 슬랩의 두께 조절이 쉽지 않았다. 그러나, 본 실시예에서는 증착 방법 및 단결정화 방법을 이용함으로써, 매우 용이하게 슬랩(140)의 두께를 조절할 수 있다.
한편, 슬랩(140)의 양 외곽 측면으로는 전극 역할을 하는 P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144)이 이온 도핑을 통해 형성될 수 있다.
슬랩(140)의 P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144) 상부로는 메탈 콘택(150)이 형성되는데, 이러한 메탈 콘택(150)은 상부 클래드(180)에 비아 홀을 형성하여 메탈 물질을 채워 형성하게 된다. 예컨대, 비아 홀 형성 후, 배리어 메탈을 비아 홀 내로 증착한 후, 텅스텐(W)을 채워 메탈 콘택(150)을 형성할 수 있다.
메탈 콘택(150)은 도 3a 및 3b에서 보듯이 상부에 형성되는 전극 패드(160)의 폭에 대응하여 소정 개수로 형성되거나, 라인 형태로 일체형으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상부 클래드(180)는 전술한 바와 같이 1 ㎛ 이하의 두께로 얇게 형성될 수 있다. 그에 따라, 얇은 상부 클래드(180)에 비아 홀을 형성하는 공정을 용이하게 수행할 수 있고 비아 홀의 구조도 다양하게 형성할 수 있으며, 또한 메탈 콘택(150)에서의 콘택 저항도 낮출 수 있다.
좀더 상세히 설명하면, 상부 클래드(180)의 두께가 얇으면, 식각하는 두께가 작기 때문에 식각 프로파일이 비교적 수직에 가까운 형태로 나타날 수 있다. 또한,식각 공정을 위한 공정 마진도 충분히 확보할 수 있다. 수직 프로파일에 기초하여 비아 홀 내로 메탈을 균일하게 채울 수 있으며, 충분한 공정 마진 확보로 비아 홀의 구조도 다양하게 형성할 수 있다. 비아 홀 내로 채워진 메탈 물질의 균일성과 비아 홀의 다양한 구조, 예컨대 라인 형태의 하나의 홀 구조는 메탈 콘택(150)에서의 콘택 저항 감소에 기여하고, 결국 위상 변환에 이용되는 소비 전력의 감소로 이어질 수 있다. 더 나아가, 상부 클래드(180)의 두께가 얇으면, 식각하는 두께가 작기 때문에 식각량이, 적고 식각량의 감소는 식각에 의한 하부의 슬랩(140)의 손상을 줄일 수 있게 한다. 슬랩(140)의 손상 방지는 광도파로 내의 광학적 특성, 즉 위상 변환 능력을 향상시키는 결과를 가져올 있다.
본 실시예에서, 상부 클래드(180)를 얇게 형성할 수 이유는 다음과 같다. 광도파로(130)에서 양호한 위상 변환의 특성을 구현하기 위한 조건으로서, 광도파로로부터 메탈 콘택(150)과 전극 패드(160)가 어느 정도 거리를 두고 형성되어야 한다. 예컨대, 최소 1㎛의 거리가 확보되어야 메탈 콘택(150)과 전극 패드(160)의 광도파로에 대한 전자기적 영향력이 작아져 광도파로 내에서 광학적 특성이 양호하게 유지될 수 있다. 본 실시예에서는 광도파로(130)가 실리콘 기판(110) 방향으로 돌출되도록 형성되므로, 얇은 상부 클래드(180)의 두께에도 불구하고 메탈 콘택(150)과 전극 패드(160)는 광도파로(130)로부터 요구되는 최소 거리를 충분히 확보하며 형성될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 도 4a의 위상 변환부(100)와 유사하나, 광도파로(130a)의 구조 및 슬랩(140)의 위치가 도 4a의 위상 변환부(100)와 다르다.
본 실시예에서 위상 변환부(100b)는 슬랩(140)을 기준으로 광도파로(130a)가 상하 대칭적인 구조로 형성된다. 즉, 슬랩(140)이 광도파로(130a)의 중간 높이에 형성되게 된다. 경우에 따라, 슬랩(140)은 정확히 중간 높이가 아닌 광도파로(130a)의 상부로 약간 치우치거나 하부로 약간 치우치는 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 슬랩(140)이 광도파로(130a)의 중심 부분으로 형성됨으로써, 슬랩(140)에 의한 전류가 광도파로(130a)에 대하여 대칭적으로 인가될 수 있고, 그에 따라, 광도파로(130a)에서의 광학적 특성, 즉 위상 변환 특성을 향상시킬 수 있다. 다만, 도 4a에서 전술한 바와 같이, 메탈 콘택(150) 및 광학 패드(160)가 광도파로(130a)에서 소정 최소 거리, 예컨대 1㎛를 확보해야 하므로, 그러한 최소 거리를 고려하여 상부 클래드(180)가 적절한 두께를 가지고 형성되어야 한다. 본 도면에서, 고려되는 메탈 콘택까지의 거리(l1, l4) 및 전극 패드까지의 거리(l2, l3)가 표시되어 있다.
도 5a ~ 5k는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들로서, 도 4a의 위상 변환부(100)를 포함하는 광변조기의 제조방법을 보여준다.
도 5a를 참조하면, 먼저, SOI 기판 상에 그래이팅 커플러 형성을 위한 PR 패턴(310)을 형성한다. 여기서, SOI 기판은 하부 실리콘층(110), 절연층(122) 및 상부 실리콘(132)층을 포함한다. 하부 실리콘층(110) 및 상부 실리콘층(132)은 단결정 실리콘층일 수 있고, 절연층(122)은 실리콘 옥사이드층일 수 있다.
도 5b를 참조하면, PR 패턴(310)을 마스크로 하여 식각을 통해 상부 실리콘층(133)에 그래이팅 커플러(3000)를 형성한다.
도 5c를 참조하면, 광변조기 내에 포함되는 광도파로를 형성하기 위하여 상부 실리콘층(133) 상에 PR 패턴(320)을 형성한다.
도 5d를 참조하면, PR 패턴(320)을 마스크로 하여 식각을 통해 절연층(122) 상에 광도파로(130)를 형성한다. 광도파로(130)는 광변조기 내에 포함된 모든 광도파로, 즉 그래이팅 커플러, 간섭계, 위상 변환기 등에 포함되는 광도파로를 포함할 수 있다. 즉, 본 단계에서 광변조기 내에 형성되어야 할 모든 광도파로를 적절한 PR 패턴을 이용하여 한꺼번에 형성한다.
도 5e를 참조하면, 절연층(122) 상으로 절연층(122)과 동일한 절연물질, 예컨대 실리콘 옥사이드를 소정 두께로 증착하여 광도파로(130)를 덮는다. 여기서, 124는 절연물질 증착 후, 전체 절연층을 지칭한다.
도 5f를 참조하면, 전체 절연층(124)을 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 통해 평탄화하여 광도파로(130) 상부 표면을 노출시킨다. CMP 이후 남은 절연층은 하부 클래드(120)가 된다.
도 5g를 참조하면, 광도파로(130) 및 하부 클래드(120) 상으로 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(145)을 전면적으로, 또는 위상 변조부(100)의 부분의 광도파로(130) 및 하부 클래드(120) 상으로 형성한다. 이러한 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(142)은 차후 형성될 슬랩의 두께를 고려하여 적절한 두께로 형성할 수 있다. 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(142)은 증착을 통해 형성되므로, 그 두께 조절이 용이하고, 따라서 슬랩의 두께 조절이 용이 해진다.
도 5h를 참조하면, SPE 성장 공정이나 LEG 공정을 수행하여 도포된 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(145)을 단결정화하여 단결정 실리콘층(145a)을 형성한다.
도 5i를 참조하면, PR 패턴(미도시)을 이용하여 단결정 실리콘층(145a)을 식각하여 요구되는 형태의 슬랩(140)을 형성된다. 단결정 실리콘층(145a)의 식각에 의해 슬랩(144)이 형성되므로 슬랩 또한 단결정 실리콘으로 형성됨은 물론이다.
도 5j 및 5k를 참조하면, PR 패턴(미도시)을 이용하여, 슬랩(140)의 양 측면소정 영역에 이온 도핑을 하여 P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144)을 순차적으로 형성한다. P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144)의 형성 순서나 위치는 서로 바뀌어도 상관없음은 물론이다. 다만, 위치가 바뀐 경우에는 연결되는 전극의 극성을 고려하여 전극 패드에 적절한 전원의 극성이 연결되어야 함은 물론이다.
도 5l을 참조하면, 하부 클래드(120), 광도파로(130) 및 슬랩(140) 전면으로 상부 클래드(180)를 형성한다. 전술한 바와 같이 광도파로(130)이 기판 방향으로 돌출되게 형성되므로, 상부 클래드(180)는 얇은 두께, 예컨대, 1㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있다.
도 5m을 참조하면, 상부 클래드(180) 형성 후, 슬랩(140)의 P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144)에 연결되는 메탈 콘택(150) 형성하고, 그 후 메탈 콘택(150)에 연결되는 전극 패드(160)를 형성함으로써, 광 변조기를 완성한다.
메탈 콘택(150)은 전술한 바와 같이 상부 클래드(180)에 소정 형태, 예컨대 전극 패드(160)의 폭에 대응되는 다수 개의 비아 홀 또는 라인 형태의 하나의 비아 홀을 P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144) 각각에 형성한 후, 배리어 메탈을 먼저 증착하고, 다음 텅스텐과 같은 메탈 물질을 채워 넣어 형성되게 된다. 메탈 물질을 채우는 공정 후에 평탄화를 위한 CMP 공정이 수행될 수 있음은 물론이다. 또한, 비아 홀의 형태에 따라, 메탈 콘택(150)은 소정 형태의 다수개의 단위 메탈 콘택이 형성되거나 하나의 라인 형태의 일체형 구조로 형성될 수 있다.
이러한 메탈 콘택(150) 형성 후에, 상부 클래드(180) 상면 전체로 도전 물질, 예컨대 알루미늄(Al)을 도포하고, 소정 형태로 패터닝하여 전극 패드(160)를 형성한다.
도 6a ~ 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들로서, 도 4b의 위상 변환부를 포함하는 광변조기의 제조방법을 보여준다. 한편, 도 5a ~ 5m의 공정 중 본 실시예와 동일한 공정들은 도시하지 않는다.
도 6a를 참조하면, 본 공정은 도 5g에 대응되는 공정으로서, 광도파로(130) 및 하부 클래드(120) 상으로 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(147)을 전면적으로, 또는 위상 변조부(100c)의 부분의 광도파로(130) 및 하부 클래드(120) 상으로 형성한다. 그러나 도 5g와 달리 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(147)은 두껍게 형성된다. 즉, 본 도면의 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(147)의 두께(D4)가 도 5g의 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(145)의 두께보다 두껍다. 이는 차후 광도파로(130a)를 슬랩(140)의 상부 방향으로도 돌출되도록 하기 위함이다. 즉, 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(147)은 차후 형성될 슬랩의 두께 및 상부로 돌출되는 광도파로(130a)의 두께를 고려하여 적절한 두께로 형성할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 본 공정은 도 5h에 대응되는 공정으로서, SPE 성장 공정이나 LEG 공정을 수행하여 형성된 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(147)을 단결정화하여 단결정 실리콘층(147a)을 형성한다.
도 6c를 참조하면, 본 공정은 도 5i에 대응되는 공정으로서, PR 패턴(미도시)을 이용하여 단결정 실리콘층(147a)을 식각하여 요구되는 형태의 슬랩(140)을 형성된다. 본 실시예에서는 단결정 실리콘층(147a)이 모자 형태 비슷하게 형성되고, 그에 따라, 상부로 단결정 실리콘층은 광도파로(130a)를 구성하며, 측면으로 형성된 얇은 단결정 실리콘층은 슬랩(140)을 구성한다. 이와 같이 슬랩이 광도파로(130a)의 중간 높이에 형성됨으로써, 슬랩(140)으로부터 전류를 광도파로(130a)에 대칭적으로 인가함으로써, 광도파로(130a)의 광학적 특성을 향상시킬 수 있음은 전술한 바와 같다.
도 6a 이전의 공정은 도 5a ~ 5f와 동일하며, 도 6c 이후에 공정은 도 5j ~ 5m의 공정과 동일하다.
도 7a ~ 7d는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도로서, 메탈 콘택(150) 및 전극 패드(160) 형성 과정을 좀더 상세하게 보여준다.
도 7a를 참조하면, P형 도핑 영역(142) 및 N형 도핑 영역(144) 어느 한쪽, 예컨대 P형 도핑 영역(142)으로 메탈 콘택을 위한 비아 홀(H1)을 형성하고, 비아 홀 형성(H1) 중에 하부의 슬랩(140)의 P형 도핑 영역(142)의 손상을 치유하기 위하여 클리닝 및 P형 이온(P+) 이온을 주입하는 과정을 수행한다. 그에 따라, 비아 홀(H1) 형성 중에 P형 도핑 영역(142)의 P형 이온 감소 등을 보충한다.
도 7b를 참조하면, 나머지 N형 도핑 영역(142)으로 비아 홀(H2)을 형성하고 N형 도핑 영역(144)의 손상을 치유하기 위하여 클리닝 및 N형 이온(N+) 이온을 주입하는 과정을 수행한다. 한편, 이때에는 비아 홀(H2) 형성에 이용되는 PR 패턴(330)을 제거하기 않고, N형 이온(N+) 이온 주입의 마스크로 이용하여 P형 도핑 영역(142)으로는 N형 이온이 주입되지 않도록 한다.
도 7c를 참조하면, 클리링 및 이온 도핑 공정이 끝나면, PR 패턴(330)을 제거하고, 비아 홀로 메탈 물질을 매립하여 메탈 콘택(150)을 형성한다.
도 7d를 참조하면, 상부 클래드(180) 상부 전면으로 메탈 물질, 예컨대 알루미늄을 도포하여 알루미늄층(162)을 형성한다. 도포된 알루미늄층(162)은 차후에 패터닝을 통해 전극 패드(160)가 된다.
도 8a ~ 8c는 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 기반 광변조기의 제조방법을 보여주는 단면도들로서, 광변조기 제조시 SOI를 이용하지 않고 실리콘 벌크 기판을 이용하는 경우의 광변조기의 제조방법을 보여준다.
도 8a를 참조하면, 먼저 실리콘 기판(110) 상에 절연층(122)을 형성한다. 절연층은 예컨대 실리콘 옥사이드층일 수 있다. 이러한 절연층(122)은 실리콘 기판(100) 전면으로 형성될 수도 있지만, 그와 달리 광도파로가 형성되는 부분으로만 형성될 수도 있다.
도 8b를 참조하면, 절연층(122) 상부로 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘을 증착하여, 비정질 실리콘층 또는 폴리 실리콘층(135)을 형성한다. 비정질 실리콘층 또는 폴리 실리콘층(135)은 차후에 광도파로를 구성하므로, 형성되어야 할 광도파로의 구조를 고려하여 적절한 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
도 8c를 참조하면, SPE 성장 공정이나 LEG 공정을 수행하여 형성된 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘층(135)을 단결정화하여 단결정 실리콘층(133)을 형성한다. 이후의 과정은 도 5a ~ 5g와 동일한 과정을 통해 실리콘 기반 광변조기를 형성한다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 위상 변환부 110: 기판, 또는 실리콘 기판
122: 절연층 132: 상부 실리콘층
120: 하부 클래드 130, 130a: 제1 광도파로
140: 슬랩 142: P형 도핑 영역
135, 145, 147: 비정질 실리콘층 또는 폴리 실리콘층
145a, 147a: 단결정 실리콘층 144: N형 도핑 영역
150: 메탈 콘택 160: 알루미늄층
162: 전극 패드 180: 상부 클래드
200: 경로 광도파로
310, 320, 330: 포토 레지스트(PR)
1000: 위상 변환기 2000: 간섭계
3000: 그래이팅 커플러
122: 절연층 132: 상부 실리콘층
120: 하부 클래드 130, 130a: 제1 광도파로
140: 슬랩 142: P형 도핑 영역
135, 145, 147: 비정질 실리콘층 또는 폴리 실리콘층
145a, 147a: 단결정 실리콘층 144: N형 도핑 영역
150: 메탈 콘택 160: 알루미늄층
162: 전극 패드 180: 상부 클래드
200: 경로 광도파로
310, 320, 330: 포토 레지스트(PR)
1000: 위상 변환기 2000: 간섭계
3000: 그래이팅 커플러
Claims (11)
- 기판;
상기 기판 상으로 형성되고, 제1 경로를 통과하는 광신호에 대해서는 위상을 변환시키고, 제2 경로를 통과하는 광신호에 대해서는 위상을 변환시키지 않는 위상 변환기;
상기 기판 상부의 양 끝단으로 각각 형성되고, 외부로부터 상기 광신호를 입력받거나, 외부로 광신호를 출력하는 그래이팅 커플러(grating coupler); 및
상기 그래이팅 커플러로부터 받은 광신호를 상기 제1 및 제2 경로로 분할시켜 입력하고, 상기 제1 및 제2 경로를 통과한 광신호를 결합시켜 상기 그래이팅 커플러로 보내는 간섭계;를 포함하고,
상기 위상 변환기는 상기 제1 경로를 구성하며 위상을 변환시키는 위상 변환부, 및 상기 제2 경로를 구성하는 경로 광도파로를 구비하고, 상기 위상 변환부에는 상기 기판 방향으로 돌출된 제1 광도파로가 형성되어 있는 실리콘 기반 광변조기. - 제1 항에 있어서,
상기 위상 변환부는,
상기 기판 상에 형성된 하부 클래드;
상기 하부 클래드 상에 형성된 상기 제1 광도파로;
상기 제1 광도파로 양 측면으로 형성된 슬랩(slab);
상기 하부 클래드, 제1 광도파로 및 슬랩 상부에 형성된 상부 클래드; 및
상기 상부 클래드 상에 형성되고, 상기 슬랩에 전기적으로 연결되는 전극 패드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기. - 제2 항에 있어서,
상기 상부 클래드를 관통하여 상기 슬랩에 콘택하는 메탈 콘택에 의해 상기 전극 패드가 상기 슬랩에 연결되고,
상기 슬랩은 상기 메탈 콘택이 콘택하는 부분에 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기. - 제3 항에 있어서,
상기 메탈 콘택은,
상기 전극 패드의 폭에 대응하여 라인 형태의 일체형 구조를 가지거나,
상기 전극 패드의 폭에 대응하여 소정 형태의 단위 메탈 콘택이 복수 개 형성되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기. - 제2 항에 있어서,
상기 슬랩의 두께는 10 ~ 100㎚이고,
상기 상부 클래드의 두께는 1 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기. - 제2 항에 있어서,
상기 슬랩은 상기 제1 광도파로의 상부에 형성되거나, 또는 돌출된 제1 광도파로의 중간 높이 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기. - 제6 항에 있어서,
상기 슬랩이 상기 제 광도파로의 중간 부분에 형성되는 경우에,
상기 제1 광도파로는 상기 슬랩을 기준으로 상하 양방향으로 돌출된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 광도파로 및 슬랩은 상기 하부 클래드 상으로 형성되는 비정질(amorphous) 실리콘 또는 폴리 실리콘이 단결정화된 단결정 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기. - 제1 항에 있어서,
상기 기판은,
하부 실리콘층, 절연층 및 상부 실리콘층을 구비한 SOI(Silicon On Insulator) 기판인 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기. - 제9 항에 있어서,
상기 위상 변환부는,
상기 절연층으로 형성된 하부 클래드;
상기 하부 클래드 상으로 형성되고 상기 상부 실리콘층으로 형성된 상기 제1 광도파로;
상기 제1 광도파로 양 측면으로 형성된 슬랩(slab);
상기 하부 클래드, 제1 광도파로 및 슬랩 상부에 형성된 상부 클래드; 및
상기 상부 클래드 상에 형성되고, 상기 슬랩에 전기적으로 연결되는 전극 패드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기. - 제10 항에 있어서,
상기 슬랩은 상기 하부 클래드 상으로 형성되는 비정질(amorphous) 실리콘 또는 폴리 실리콘이 단결정화된 단결정 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 기반 광변조기.
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