KR20120137840A - 매립형 광 입출력 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

매립형 광 입출력 소자 및 그의 제조 방법 Download PDF

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강필규
배대록
최길현
박병률
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Abstract

광 입출력 소자를 제공한다. 상기 광 입출력 소자는 기판, 상기 기판의 일측에 위치하는 커플러(coupler), 상기 기판의 타측에 위치하는 광전 변환기(photo detector) 및 상기 커플러와 상기 광전 변환기를 광학적으로 연결하는 도파로를 포함한다. 상기 기판은 트랜치를 포함한다. 상기 광전 변환기, 상기 커플러 및 상기 도파로는 상기 트랜치 내에 위치한다.

Description

매립형 광 입출력 소자 및 그의 제조 방법{buried type optical input/output device and method of manufacturing the same}
본 발명은 도파로, 커플러 및 광전 변환기를 포함하는 광 입출력 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
광 입출력 소자는 광을 이용하여 데이터를 송수신하는 소자이다. 상기 광 입출력 소자는 광 섬유(optical fiber)와 광학적으로 연결되는 커플러(coupler), 광 신호와 전기 신호를 서로 변환하는 광전 변환기(photo detector) 및 상기 커플러와 상기 광전 변환기를 광학적으로 연결하는 도파로(waveguide)를 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 신뢰성을 향상시킬 수 있는 광 입출력 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 상기 광 입출력 소자를 포함하는 반도체 소자, 메모리 모듈 및 전자 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 앞서 언급한 과제들로 한정되지 않는다. 여기서 언급되지 않은 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 것이다.
상기 해결하려는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자는 트랜치를 포함하는 기판; 상기 기판의 상기 트랜치 내에 위치하는 도파로; 및 상기 트랜치 내에 위치하며, 상기 도파로와 광학적으로 연결되는 광전 변환기를 포함한다. 상기 광전 변환기의 상면은 상기 도파로의 상면과 동일 레벨을 가진다.
상기 도파로는 상면, 제 1 측면, 제 2 측면, 및 종단면을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환기는 상기 도파로의 제 1 측면과 직접 접촉할 수 있다.
상기 광전 변환기는 상기 도파로의 제 2 측면과 직접적으로 접촉할 수 있다.
상기 광전 변환기의 수평 폭은 상기 도파로의 수평 폭보다 넓을 수 있다.
상기 트랜치의 수평 폭은 상기 광전 변환기의 수평 폭과 상기 도파로의 수평 폭을 합한 값보다 큰 값을 가질 수 있다.
상기 광전 변환기의 두께는 상기 도파로의 두께와 동일할 수 있다.
상기 도파로는 실리콘을 포함하고, 상기 광전 변환기는 게르마늄을 포함할 수 있다.
상기 광 입출력 소자는 상기 트랜치의 바닥면과 상기 광전 변환기의 하면 사이에 위치하는 제 1 클래드 절연막 및 상기 트랜치의 측면과 상기 광전 변환기의 측면 사이에 위치하는 제 2 클래드 절연막을 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 클래드 절연막은 상기 제 1 클래드 절연막과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
상기 해결하려는 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자는 일측 및 타측을 갖는 트랜치를 포함하는 기판; 상기 기판의 상기 트랜치의 일측에 위치하는 커플러; 상기 기판의 상기 트랜치의 타측에 위치하는 광전 변환기; 및 상기 커플러와 상기 광전 변환기 사이를 광학적으로 연결하는 도파로를 포함한다. 상기 커플러, 상기 광전 변환기 및 상기 도파로는 상기 트랜치 내에 위치한다.
상기 광전 변환기는 상기 도파로의 일 단부의 일 측면과 직접적으로 접촉할 수 있다.
상기 광전 변환기는 상기 도파로의 일 단부의 일 측면 및 종단면(縱斷面, end surface)과 직접적으로 접촉할 수 있다.
상기 광전 변환기는 상기 도파로의 일 단부를 감쌀 수 있다.
상기 광전 변환기의 상면은 상기 커플러의 상면 및 상기 도파로의 상면과 동일 레벨을 가질 수 있다.
상기 광전 변환기는 제 1 도핑 영역, 제 2 도핑 영역 및 진성 영역을 포함할 수 있다. 상기 진성 영역은 상기 제 1 도핑 영역과 상기 제 2 도핑 영역 사이에 위치할 수 있다. 상기 제 2 도핑 영역은 상기 제 1 도핑 영역과 다른 도전형의 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자는 기판에 형성된 트랜치 내에 도파로, 커플러 및 광전 변환기가 위치할 수 있다. 즉, 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자는 도파로, 커플러 및 광전 변환기가 상기 기판에 매립될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자는 상기 기판의 다른 영역에 형성되는 메모리 셀과 같은 전자 소자의 제조 공정에 의해 상기 도파로, 커플러 및 광전 변환기가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자는 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자를 나타낸 사시도이다.
도 2a는 도 1의 I-I', II-II' 및 III-III'을 따라 절단한 단면도이다.
도 2b는 도 1의 IV-IV'을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 영역을 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 영역을 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 영역을 나타낸 평면도이다.
도 6 내지 26은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 1 제조 방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다.
도 27 내지 30은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다.
도 31은 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 반도체 소자를 나타낸 구성도이다.
도 32는 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 메모리 모듈을 나타낸 구성도이다.
도 33은 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 전자 시스템을 나타낸 구성도이다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 이에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 실시 예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 것이다. 여기서, 본 발명의 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이므로, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않도록 다른 형태로 구체화될 수 있다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호로 표시된 부분들은 동일한 구성 요소들을 의미하며, 도면들에 있어서 층 또는 영역의 길이와 두께는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 덧붙여, 제 1 구성 요소가 제 2 구성 요소 "상" 에 있다고 기재되는 경우, 상기 제 1 구성 요소가 상기 제 2 구성 요소와 직접 접촉하는 상측에 위치하는 것뿐만 아니라, 상기 제 1 구성 요소와 상기 제 2 구성 요소 사이에 제 3 구성 요소가 위치하는 경우도 포함한다.
여기서, 상기 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소를 설명하기 위한 것으로, 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 다만, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서는 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소는 당업자의 편의에 따라 임의로 명명될 수 있다.
본 발명의 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예를 들어, 단수로 표현된 구성 요소는 문맥상 명백하게 단수만을 의미하지 않는다면 복수의 구성 요소를 포함한다. 또한, 본 발명의 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
덧붙여, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
　
(제 1 실시 예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자를 나타낸 사시도이다. 도 2a는 도 1의 I-I'선, II-II'선 및 III-III'선을 따라 절단한 단면도이다. 도 2b는 도 1의 IV-IV'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 1, 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자는 제 1 영역(CA), 제 2 영역(DA) 및 제 3 영역(GA)을 포함하는 기판(100), 상기 기판(100)의 상기 제 1 영역(CA)에 위치하는 커플러(coupler, 300), 상기 기판(100)의 상기 제 2 영역(DA)에 위치하는 광전 변환기(photo detector, 400) 및 상기 커플러(300)와 상기 광전 변환기(400) 사이를 광학적으로 연결하는 도파로(waveguide, 200)를 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 벌크 실리콘 웨이퍼(bulk silicon wafer)일 수 있다. 상기 제 3 영역(GA)은 상기 제 1 영역(CA)과 상기 제 2 영역(DA) 사이에 위치할 수 있다. 상기 기판(100)은 상기 제 1 영역(CA), 상기 제 2 영역(DA) 및 상기 제 3 영역(GA)을 가로지르는 트랜치(101)를 포함할 수 있다. 상기 트랜치(101)는 제 1 방향(X)으로 제 1 수평 폭(w1)을 가질 수 있다. 상기 트랜치(101)는 상기 제 1 방향(X)과 수직한 제 2 방향(Y)으로 연장될 수 있다.
상기 기판(100)의 표면에는 제 1 절연막(110)이 위치할 수 있다. 상기 제 1 절연막(110)은 상기 기판(100)보다 높은 식각비를 가지는 물질일 수 있다. 상기 제 1 절연막(110)은 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(SiN), 실리콘 산질화막(SiON) 또는 이들의 적층 구조일 수 있다. 상기 제 1 절연막(110)은 상기 트랜치(101)에 의하여 관통될 수 있다.
상기 도파로(200)는 상기 커플러(300) 및 상기 광전 변환기(400)를 광학적으로 연결할 수 있다. 상기 도파로(200)는 상기 제 1 방향(X)으로 상기 제 1 수평 폭(w1)보다 작은 제 2 수평 폭(w2)을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 도파로(200)는 상기 트랜치(101) 내에 위치할 수 있다. 상기 도파로(200)는 상기 제 1 방향(X) 및 상기 제 2 방향(Y)이 이루는 면에 수직한 제 3 방향(Z)으로 일정 두께(t)를 가질 수 있다. 상기 도파로(200)는 상기 제 2 영역(DA) 및 상기 제 3 영역(GA)의 상기 트랜치(101) 내에 위치할 수 있다. 즉, 상기 도파로(200)는 상기 제 2 영역(DA) 및 상기 제 3 영역(GA)을 가로지를 수 있다. 상기 도파로(200)는 단결정 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 커플러(300)는 광 섬유(optical fiber, 미도시)를 이용하여 메모리 셀과 같은 전자 소자와 데이터를 광학적으로 통신(communicating)할 수 있다. 예를 들어, 상기 커플러(300)는 상기 광 섬유를 통해 수신되는 광 신호를 집광하여 상기 광전 변환기(400)로 전달할 수 있다. 상기 커플러(300)는 요철 형상의 그래이팅(grating, 310)을 포함할 수 있다. 상기 그래이팅(310)은 상기 광 섬유로부터 전달되는 광 신호를 집광할 수 있다.
상기 커플러(300)는 상기 제 1 방향(X)으로 상기 제 1 수평 폭(w1)보다 작은 제 3 수평 폭(w3)을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 커플러(300)는 상기 트랜치(101) 내에 위치할 수 있다. 상기 커플러(300)는 단결정 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 광전 변환기(400)는 광 신호와 전기 신호를 서로 변환할 수 있다. 예를 들어, 상기 광전 변환기(400)는 상기 커플러(300)로부터 상기 도파로(200)를 통해 전달된 광 신호를 흡수하여 전기 신호로 변환할 수 있다. 상기 광전 변환기(400)는 단결정 게르마늄(germanium; Ge)을 포함할 수 있다.
상기 광전 변환기(400)는 상기 제 1 방향(X)으로 상기 제 1 수평 폭(w1)보다 작은 제 4 수평 폭(w4)을 가질 수 있다. 상기 광전 변환기(400)는 상기 도파로(200)와 평행하게 배열될 수 있다. 상기 광전 변환기(400)는 상기 제 2 영역(DA)의 상기 도파로(200)의 양쪽 측면에 위치할 수 있다. 상기 제 4 수평 폭(w4)의 두 배와 상기 제 2 수평 폭(w2)을 합한 값은 상기 제 1 수평 폭(w1)보다 작은 값을 가질 수 있다. 즉, 상기 제 1 방향(X)으로 상기 광전 변환기(400)의 측면과 상기 트랜치(101)의 측면은 서로 이격될 수 있다. 이에 따라, 상기 광전 변환기(400)는 상기 트랜치(101) 내에 위치할 수 있다.
상기 광전 변환기(400)는 상기 도파로(200)의 양쪽 측면에 직접적으로 접촉할 수 있다. 상기 광전 변환기(400)와 상기 도파로(200) 사이의 접촉 면적은 상기 광전 변환기(400)의 광전 변환 효율과 비례할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자는 종래와 비교하여 상기 광전 변환기(400)와 상기 도파로(200) 사이의 접촉 면적을 증가시켜 상기 광전 변환기(400)의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 광전 변환기(400)는 상기 도파로(200)의 측면으로부터 성장된 결정 형태를 포함할 수 있다. 상기 광전 변환기(400)는 상기 도파로(200)와 동일하게 상기 제 3 방향(Z)으로 일정 두께(t)를 가질 수 있다.
상기 광전 변환기(400)는 제 1 도핑 영역(400P), 제 2 도핑 영역(400N) 및 진성 영역(400I)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 도핑 영역(400P)은 상기 제 2 도핑 영역(400N)과 이격될 수 있다. 상기 진성 영역(400I)은 상기 제 1 도핑 영역(400P)과 상기 제 2 도핑 영역(400N) 사이에 위치할 수 있다. 상기 제 2 도핑 영역(400N)은 상기 제 1 도핑 영역(400P)와 다른 도전형의 불순물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 도핑 영역(400P)은 P형 불순물을 포함하고, 상기 제 2 도핑 영역(400N)은 N형 불순물을 포함할 수 있다.
상기 도파로(200), 상기 커플러(300) 및 상기 광전 변환기(400)는 상기 기판(100)의 상기 트랜치(101) 내에 위치할 수 있다. 상기 광전 변환기(400)의 상면은 상기 도파로(200)의 상면과 동일 레벨을 가질 수 있다. 상기 광전 변환기(400)의 상면은 상기 커플러(300)의 그래이팅(310)의 상면과 동일 레벨을 가질 수 있다. 즉, 상기 도파로(200)의 상면, 상기 커플러(300)의 상면 및 상기 광전 변환기(400)의 상면은 동일 레벨을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 도파로(200), 상기 커플러(300) 및 상기 광전 변환기(400)는 상기 기판(100)의 상기 트랜치(101) 내에 완전히 매립될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자는 상기 트랜치(101)의 바닥면과 상기 도파로(200)의 하면, 상기 커플러(300)의 하면 및 상기 광전 변환기(400)의 하면 사이에 위치하는 제 1 클래드 절연막(first clad insulating layer, 125)을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자는 상기 트랜치(101)의 측면과 상기 도파로(200)의 측면, 상기 커플러(300)의 측면 및 상기 광전 변환기(400)의 측면을 감싸는 제 2 클래드 절연막(133)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 트랜치(101)는 상기 제 1 클래드 절연막(125)에 의하여 부분적으로 매립될 수 있다. 즉, 상기 제 1 클래드 절연막(125)의 상면은 상기 제 1 절연막(110)의 상면보다 낮은 레벨을 가질 수 있다. 상기 도파로(200), 상기 커플러(300) 및 상기 광전 변환기(400)는 상기 제 1 클래드 절연막(125) 상에 위치할 수 있다. 상기 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 제 1 클래드 절연막(125) 상에 위치할 수 있다. 상기 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 도파로(200), 상기 커플러(300) 및 상기 광전 변환기(400)와 동일한 두께를 가질 수 있다. 상기 도파로(200)의 상면, 상기 커플러(300)의 상면 및 상기 광전 변환기(400)의 상면은 상기 제 1 절연막(110)의 상면과 동일 레벨일 수 있다. 이에 따라, 상기 제 2 클래드 절연막(133)의 상면, 상기 도파로(200)의 상면, 상기 커플러(300)의 상면 및 상기 광전 변환기(400)의 상면은 상기 기판(100)의 동일 평면 상에 노출될 수 있다.
상기 제 1 클래드 절연막(125)은 상기 제 1 절연막(110)과 식각 선택비를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 절연막(110)은 실리콘 질화막이고, 상기 제 1 클래드 절연막(125)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 상기 제 1 클래드 절연막(125)은 상기 도파로(200)보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다.
상기 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 제 1 절연막(110)과 식각 선택비를 가질 수 있다. 상기 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 제 1 클래드 절연막(125)과 동일 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 클래드 절연막(125) 및 상기 제 2 클래드 절연막(133)은 동일 종류의 산화막을 포함할 수 있다. 상기 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 커플러(300)의 상면 일부를 덮을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 커플러(300)의 상기 그래이팅(310)의 측면과 접촉할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자는 기판(100)의 트랜치(101) 내에 매립된 도파로(200), 커플러(300) 및 광전 변환기(400)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자는 후속 공정을 통해 상기 기판(100) 상에 형성되는 메모리 셀과 같은 전자 소자의 제조 공정에 의해 상기 도파로(200), 상기 커플러(300) 및 상기 광전 변환기(400)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
(제 2 실시 예)
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 영역을 나타낸 평면도이다.
이하에서는 도 3을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자와 다른 점을 중심으로 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광 입출력 소자를 설명한다. 이에 따라, 본 발명의 제 1 실시 에에 따른 광 입출력 소자와 동일 또는 유사한 구성 요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광 입출력 소자는 광전 변환기(400)가 도파로(200)의 좌측 측면(200L)과 직접적으로 접촉할 수 있다. 즉, 상기 광전 변환기(400)는 상기 도파로(200)의 일측 종단부의 좌측 측면(200L)과 직접적으로 접촉할 수 있다. 이에 따라, 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 광전 변환기(400)와 트랜치(101) 사이, 상기 도파로(200)의 종단면(ending surface, 200E)와 상기 트랜치(101)의 종단면 사이 및 상기 도파로(200)의 우측 측면(200R)과 상기 트랜치(101)의 측면 사이에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 제 2 영역(DA)에서 상기 도파로(200)의 종단면(200E) 및 우측 측면(200R)에 접촉할 수 있다.
(제 3 실시 예)
도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 영역을 나타낸 평면도이다.
이하에서는 도 4를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자와 다른 점을 중심으로 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광 입출력 소자를 설명한다. 이에 따라, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자와 동일 또는 유사한 구성 요소에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광 입출력 소자는 광전 변환기(400)가 도파로(200)의 좌측 측면(200L), 우측 측면(200R) 및 종단면(200E)과 직접적으로 접촉할 수 있다. 즉, 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 광전 변환기(400)와 트랜치(101) 사이에 위치할 수 있다.
(제 4 실시 예)
도 5는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 영역을 나타낸 평면도이다.
이하에서는 도 5를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자와 다른 점을 중심으로 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광 입출력 소자를 설명한다. 이에 따라, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자와 동일 또는 유사한 구성 요소에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 광 입출력 소자는 광전 변환기(400)가 도파로(200)의 좌측 측면(200L) 및 종단면(200E)과 직접적으로 접촉할 수 있다. 이에 따라, 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 광전 변환기(400)와 트랜치(101) 사이 및 상기 도파로(200)의 우측 측면(200R)과 상기 트랜치(101)의 측면 사이에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제 2 클래드 절연막(133)은 상기 제 2 영역(DA)에서 상기 도파로(200)의 우측 측면(200R)에 접촉할 수 있다.
(제 5 실시 예)
도 6 내지 26은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 1 제조 방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다.
도 1, 2a 및 6 내지 26을 참조하여 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 1 제조 방법을 설명한다. 먼저, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 1 제조 방법은 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 영역(CA), 제 2 영역(DA) 및 제 3 영역(GA)을 포함하는 기판(100)을 준비하는 단계를 포함할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 1 제조 방법은 상기 기판(100) 상에 제 1 절연막(110)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 절연막(110)을 형성하는 공정은 열 산화(thermal oxidation) 공정 또는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 공정을 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 1 제조 방법은 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)에 제 1 수평 폭(w1) 및 제 1 깊이(d1)를 갖는 트랜치(101)를 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
계속해서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 상기 트랜치(101)의 내부를 채우는 제 2 절연막(120)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 절연막(120)을 형성하는 공정은 화학 기상 증착(CVD) 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 절연막(120)은 상기 제 1 절연막(110)과 식각 선택비를 가지는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 절연막(110)은 실리콘 질화막을 포함할 수 있고, 상기 제 2 절연막(120)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 상기 제 2 절연막(120)은 후속 공정에 의해 형성될 도파로(200)보다 낮은 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 트랜치(101)의 내부를 채우는 제 1 절연 패턴(121)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 1 절연 패턴(121)을 형성하는 공정은 상기 제 1 절연막(110)의 상면이 노출되도록 상기 제 2 절연막(120)을 평탄화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 절연막(120)을 평탄화하는 공정은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 절연막(110)은 연마 정지막(polishing stopper)으로 이용될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 절연 패턴(121)을 이용하여 제 1 클래드 절연막(125)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 1 클래드 절연막(125)을 형성하는 공정은 상기 제 1 절연 패턴(121)을 제 2 깊이(d2)만큼 리세스(recess)하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 깊이(d2)는 상기 제 1 깊이(d1)보다 작은 값일 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 클래드 절연막(125)은 상기 트랜치(101)의 일부를 채울 수 있다.
계속해서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 상기 트랜치(101)의 내부를 채우는 제 1 실리콘층(210)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 1 실리콘층(210)을 형성하는 공정은 화학 기상 증착(CVD) 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 실리콘층(210)을 형성하는 공정은 상기 트랜치(101)의 내부를 채우는 비정질 실리콘(amorphous silicon; a-Si)층을 증착하는 공정을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 실리콘층(210)은 비정질 실리콘층을 포함할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실리콘층(210)을 결정화하여 제 2 실리콘층(220)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 실리콘층(220)을 형성하는 공정은 상기 제 1 실리콘층(210)을 결정화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 실리콘층(220)을 형성하는 공정은 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing; RTA) 공정 및 레이저 결정화 공정을 포함할 수 있다. 상기 레이저 결정화 공정은 레이저 측면 선택 성장(Laser-induced lateral Epitaxial Growth; LEG) 공정을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 트랜치(101)의 측면은 결정화 시드(seed) 역할을 할 수 있다.
즉, 상기 제 2 실리콘층(220)을 형성하는 공정은 상기 트랜치(101)의 측면을 결정화 시드(seed)로 상기 제 1 실리콘층(120)의 일부를 결정화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)의 상기 제 1 절연막(110) 상에 위치하는 상기 제 1 실리콘층(120)은 시드(seed)없이 결정화될 수 있다. 이에 따라 상기 제 2 실리콘층(220)은 단결정 실리콘 영역(220a) 및 다결정 실리콘 영역(220b)을 포함할 수 있다. 상기 단결정 실리콘 영역(220a)은 상기 트랜치(101)의 내부 및 상기 트랜치(101)의 상부에 위치할 수 있다. 상기 다결정 실리콘 영역(220b)은 상기 제 1 절연막(110) 상에 위치할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 트랜치(101)의 내부를 채우는 제 1 실리콘 패턴(230)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 1 실리콘 패턴(230)을 형성하는 공정은 상기 제 2 실리콘층(220)을 평탄화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 실리콘층(220)을 평탄화하는 공정은 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 제 1 실리콘 패턴(230)은 단결정 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 실리콘 패턴(230)은 상기 제 2 깊이(d2)와 동일한 값의 두께를 가질 수 있다.
계속해서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 제 1 홀(610h)을 포함하는 제 1 포토 레지스트 패턴(610)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 홀(610h)은 상기 제 1 영역(CA)의 상기 제 1 실리콘 패턴(230)의 상면을 노출시킬 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 실리콘 패턴(230)을 이용하여 상기 제 1 영역(CA)에 제 2 실리콘 패턴(240)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 실리콘 패턴(240)을 형성하는 공정은 상기 제 1 포토 레지스트 패턴(610)을 이용하여 상기 제 1 영역(CA)의 상기 제 1 실리콘 패턴(230)을 제 3 깊이(d3)만큼 식각하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 포토 레지스트 패턴(610)은 상기 제 1 실리콘 패턴(230)을 식각하는 공정의 종료 후 제거될 수 있다. 상기 제 1 실리콘 패턴(230)을 식각하는 공정은 건식 식각(dry etch) 공정 및 습식 식각(wet etch) 공정을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 2 실리콘 패턴(240)은 상기 제 1 영역(CA)의 상기 트랜치(101)의 일부를 채울 수 있다. 상기 제 2 실리콘 패턴(240)은 후속 공정에 의해 형성되는 커플러(300)의 돌출부(grating)를 정의할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 제 2 홀(621h), 제 3 홀(622h) 및 제 4 홀(623h)을 포함하는 제 2 포토 레지스트 패턴(620)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 홀(621h) 및 상기 제 3 홀(622h)은 제 5 수평 폭(w5)을 가질 수 있다. 상기 제 4 홀(623h)은 제 6 수평 폭(w6)을 가질 수 있다. 상기 제 5 수평 폭(w5) 및 상기 제 6 수평 폭(w6)은 상기 트랜치(101)의 상기 제 1 수평 폭(w1)의 반보다 작은 값을 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 제 2 영역(DA)의 상기 제 2 포토 레지스트 패턴(620) 및 상기 제 3 영역(GA)의 상기 제 2 포토 레지스트 패턴(620)은 제 2 수평 폭(w2)을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1 영역(CA)의 상기 제 2 포토 레지스트 패턴(620)은 제 3 수평 폭(w3)을 가질 수 있다.
계속해서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 트랜치(101) 내에 도파로(200) 및 커플러(300)를 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 도파로(200) 및 상기 커플러(300)을 형성하는 공정은 상기 제 2 포토 레지스트 패턴(620)을 이용하여 상기 제 1 실리콘 패턴(230) 및 상기 제 2 실리콘 패턴(240)을 패터닝(patterning)하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 포토 레지스트 패턴(620)은 상기 도파로(200) 및 상기 커플러(300)를 형성하는 공정의 종료 후 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 도파로(200)는 상기 제 2 수평 폭(w2)을 가질 수 있다. 상기 커플러(300)는 상기 제 3 수평 폭(w3)을 가질 수 있다. 또한, 상기 도파로(200)는 상기 제 2 깊이(d2)와 동일한 값의 두께를 가질 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 18에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 상기 도파로(200) 및 상기 커플러(300)를 덮는 제 3 절연막(130)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 3 절연막(130)을 형성하는 공정은 화학 기상 증착(CVD) 공정을 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 19에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 상기 트랜치(101)를 채우는 제 2 절연 패턴(131)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 절연 패턴(131)을 형성하는 공정은 상기 제 1 절연막(110)의 상면이 노출되도록 상기 제 3 절연막(130)을 평탄화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 3 절연막(130)을 평탄화하는 공정은 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 절연 패턴(131)은 상기 도파로(200) 및 상기 커플러(300)의 측면을 감쌀 수 있다. 상기 제 2 절연 패턴(131)은 커플러(300)의 상면 일부를 덮을 수 있다.
계속해서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 20에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 제 5 홀(630h)을 포함하는 제 3 포토 레지스트 패턴(630)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 5 홀(630h)은 상기 제 2 영역(DA)의 상기 도파로(200)에 인접하게 위치할 수 있다. 상기 제 5 홀(630h)은 제 4 수평 폭(w4)을 가질 수 있다. 상기 제 4 수평 폭(w4)의 두 배와 상기 제 2 수평 폭(w2)의 합은 상기 제 1 수평 폭(w1)보다 작은 값을 가질 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 21에 도시된 바와 같이, 상기 제 3 포토 레지스트 패턴(630)을 이용하여 상기 트랜치(101) 내에 홈(133h)을 포함하는 제 2 클래드 절연막(133)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 클래드 절연막(133)을 형성하는 공정은 상기 제 3 포토 레지스트 패턴(630)을 이용하여 상기 제 2 영역(DA)의 상기 제 2 절연 패턴(131)을 패터닝하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 절연 패턴(131)을 패터닝하는 공정은 건식 및 습식 식각 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 3 포토 레지스트 패턴(630)은 상기 제 2 클래드 절연막(133)을 형성하는 공정의 종료 후 제거될 수 있다. 상기 홈(133h)은 상기 제 2 영역(DA)의 상기 제 1 클래드 절연막(125)의 상면 일부를 노출시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 22에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 상기 홈(133h)을 채우는 제 1 광전 변환층(410)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제1 광전 변환층(410)을 형성하는 공정은 화학 기상 증착(CVD) 공정을 포함할 수 있다. 상기 제1 광전 변환층(410)은 게르마늄(germanium; Ge) 을 포함할 수 있다. 상기 제1 광전 변환층(410)은 상기 제 2 영역(DA)의 상기 도파로(200)의 측면 및 상면을 덮을 수 있다.
계속해서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 23에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 광전 변환층(410)을 결정화하여 제 2 광전 변환층(420)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 광전 변환층(420)을 형성하는 공정은 상기 제 1 광전 변환층(410)을 용융시켜 결정화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 영역(DA)의 상기 도파로(200)의 측면은 상기 제 2 광전 변환층(420)의 결정화 시드(seed) 역할을 할 수 있다.
즉, 상기 제 2 광전 변환층(420)을 형성하는 공정은 상기 도파로(200)의 측면을 이용하여 상기 제 1 광전 변환층(410)을 결정화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)의 상기 제 1 절연막(110) 상에 위치하는 상기 제 1 광전 변환층(410)은 결정화 시드(seed)가 없이 결정화될 수 있다. 이에 따라 상기 제 2 광전 변환층(420)은 단결정 실리콘 영역(420a) 및 다결정 실리콘 영역(420b)을 포함할 수 있다. 상기 단결정 실리콘 영역(420a)은 상기 트랜치(101)의 내부 및 상기 트랜치(101)의 상부에 위치할 수 있다. 상기 다결정 실리콘 영역(420b)은 상기 제 1 절연막(110) 상에 위치할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 광전 변환층(420)을 형성하는 공정은 결정화가 빠르게 진행될 수 있는 공정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 광전 변환층(420)을 형성하는 공정은 급속 열처리(RTA) 공정 및 레이저 결정화 공정을 포함할 수 있다. 상기 레이저 결정화 공정은 레이저 측면 선택 성장(LEG) 공정을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 2 광전 변환층(420)은 상기 도파로(200)와의 계면에서 발생할 수 있는 결정 결함(defect)을 최소화할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 24에 도시된 바와 같이, 상기 홈(133h)을 채우는 광전 변환기(photo detector, 400)를 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 광전 변환기(400)를 형성하는 공정은 상기 제 1 절연막(110)의 상면이 노출되도록 상기 제 2 광전 변환층(420)을 평탄화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 광전 변환층(420)을 평탄화하는 공정은 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 광전 변환기(400)의 상면은 상기 도파로(200)의 상면과 동일 레벨을 가질 수 있다. 또한, 상기 광전 변환기(400)의 상면은 상기 커플러(300)의 상면과 동일 레벨을 가질 수 있다.
상기 광전 변환기(400)는 상기 제 2 영역(DA)의 상기 도파로(200)의 측면으로부터 성장된 단결정 게르마늄(Ge)을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환기(400)는 상기 제 2 영역(DA)의 상기 도파로(200)의 양쪽 측면에 직접적으로 접촉할 수 있다.
또한, 상기 광전 변환기(400)는 상기 홈(133h)의 상기 제 2 깊이(d2)와 동일한 값의 두께를 가질 수 있다. 즉, 상기 광전 변환기(400)는 상기 도파로(200)와 동일한 두께를 가질 수 있다. 상기 광전 변환기(400)는 상기 홈(133h)과 동일한 제 4 수평 폭(w4)을 가질 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 25에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 제 6 홀(640h)을 포함하는 제 4 포토 레지스트 패턴(640)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 6 홀(640h)은 상기 제 2 영역(DA) 상에 위치할 수 있다. 상기 제 6 홀(640h)은 상기 제 4 수평 폭(w4)보다 작은 제 7 수평 폭(w7)을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제 6 홀(640h)은 상기 제 2 영역(DA)의 상기 광전 변환기(400)의 상면 일부를 노출시킬 수 있다.
계속해서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 26에 도시된 바와 같이, 상기 광전 변환기(400)에 제 1 도핑 영역(400P)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 1 도핑 영역(400P)을 형성하는 공정은 상기 제 4 포토 레지스트 패턴(640)을 이용하여 제 1 불순물을 도핑하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 4 포토 레지스트 패턴(640)은 상기 제 1 도핑 영역(400P)을 형성하는 공정의 종료 후 제거될 수 있다. 상기 제 1 불순물은 N형 또는 P형 불순물일 수 있다. 상기 제 1 도핑 영역(400P)을 형성하는 공정은 이온 주입(ion implantation) 공정을 포함할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학 소자의 제 1 제조 방법은 도 1 및 2b에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 도핑 영역(400P)과 이격된 제 2 도핑 영역(400N)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 도핑 영역(400N)을 형성하는 공정은 상기 광전 변환기(400)에 상기 제 1 불순물과 다른 도전형의 제 2 불순물을 도핑하는 공정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 불순물은 P형 불순물이고, 상기 제 2 불순물은 N형 불순물일 수 있다. 상기 제 1 도핑 영역(400P)과 상기 제 2 도핑 영역(400N) 사이는 불순물이 도핑되지 않은 진성 영역(400I)일 수 있다.
(제 6 실시 예)
도 27 내지 30은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다.
이하에서는 도 27 및 30을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 1 제조 방법과 다른 점을 중심으로 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법을 설명한다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 도 27에 도시된 바와 같이, 제 1 영역(CA), 제 2 영역(DA) 및 제 3 영역(GA)을 포함하는 기판(100)에 트랜치(101)를 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 상기 트랜치(101)의 일부를 채우는 제 1 클래드 절연막(125)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 상기 트랜치(101)를 채우는 제 1 실리콘층(210)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
계속해서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 상기 기판(100) 상에 상면이 평탄한 제 3 실리콘층(210a)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 3 실리콘층(210a)을 형성하는 공정은 상기 제 1 실리콘층(210)의 상면을 평탄화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 실리콘층(210)의 상면을 평탄화하는 공정은 부분 화학적 기계적 연마(partial CMP) 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 3 실리콘층(210a)의 평탄한 상면은 후속되는 레이저 결정화 공정 시, 조사되는 레이저의 산란을 방지할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 도 28에 도시된 바와 같이, 상기 제 3 실리콘층(210a)을 결정화하여 제 2 실리콘층(220)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 실리콘층(220)을 형성하는 공정은 상기 제 3 실리콘층(210a)을 용융시켜 결정화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 2 실리콘층(220)을 형성하는 공정은 레이저 결정화 공정을 포함할 수 있다. 상기 레이저 결정화 공정은 레이저 측면 선택 성장(LEG) 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 실리콘층(220)은 단결정 실리콘 영역(220a) 및 다결정 실리콘 영역(220b)을 포함할 수 있다. 상기 단결정 실리콘 영역(220a)은 상기 트랜치(101)의 내부 및 상기 트랜치(101)의 상부에 위치할 수 있다. 상기 다결정 실리콘 영역(220b)은 상기 제 1 절연막(110) 상에 위치할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 도 29에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 실리콘층(220)을 상기 트랜치(101) 내에 도파로(200) 및 커플러(300)를 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
계속해서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 상기 트랜치(101) 내에 홈(133h)을 포함하는 제 2 클래드 절연막(133)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 상기 제 2 클래드 절연막(133)의 상기 홈(133h)을 채우는 제 1 광전 변환층(410)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 상기 홈(133h)을 채우는 제 3 광전 변환층(410a)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 3 광전 변환층(410a)을 형성하는 공정은 상기 제 1 광전 변환층(410)의 상면을 평탄화하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 1 광전 변환층(410)의 상면을 평탄화하는 공정은 부분 화학적 기계적 연마(partial CMP) 공정을 포함할 수 있다. 상기 제 3 광전 변환층(410a)의 평탄한 상면은 후속되는 레이저 결정화 공정 시, 조사되는 레이저의 산란을 방지할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광 입출력 소자의 제 2 제조 방법은 도 30에 도시된 바와 같이, 상기 제 3 광전 변환층(410a)을 결정화하여 제 2 광전 변환층(420)을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제 2 광전 변환층(420)은 단결정 실리콘 영역(420a) 및 다결정 실리콘 영역(420b)을 포함할 수 있다. 상기 단결정 실리콘 영역(420a)은 상기 홈(133h)의 내부 및 상기 홈(133h)의 상부에 위치할 수 있다. 상기 다결정 실리콘 영역(420b)은 상기 제 1 절연막(110) 상에 위치할 수 있다.
상기 제 2 광전 변환층(420)을 형성하는 레이저 결정화 공정을 포함할 수 있다. 상기 레이저 결정화 공정은 레이저 측면 선택 성장(LEG) 공정을 포함할 수 있다.
(제 7 실시 예)
도 31은 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 메모리 소자를 나타낸 구성도이다.
도 31을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 메모리 소자(1000)는 메모리 기판(1100), 다수의 메모리 셀들(1200) 및 입출력 모듈(1300)을 포함할 수 있다. 상기 메모리 기판(1100)은 벌크 실리콘 웨이퍼(bulk silicon wafer)일 수 있다.
상기 다수의 메모리 셀들(1200)은 디램(dynamic random access memory; DRAM), 에스램(static random access memory; SRAM), 플래시 메모리(flash memory), 상변화 메모리(phase change memory), 엠램(magnetic random access memory; MRAM) 또는 알램(resistive random access memory; RRAM)일 수 있다.
상기 입출력 모듈(1300)은 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 입출력 모듈(1300)은 상기 메모리 기판(1100)에 매립된 도파로, 커플러 및 광전 변환기를 포함하는 광 입출력 소자를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 입출력 모듈(1300)은 종래와 비교하여 우수한 신뢰성을 보일 수 있다.
상기 메모리 소자(1000)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 상기 입출력 모듈(1300)에 의해 인접한 전자 소자 또는 메모리 소자(1000)와 광학적으로 데이터를 송수신할 수 있다. 이에 따라, 상기 메모리 소자(1000)는 안정적이고 빠르게 데이터를 송수신할 수 있다.
(제 8 실시 예)
도 32는 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 반도체 모듈을 나타낸 구성도이다.
도 32을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 반도체 모듈(2000)은 모듈 기판(2100), 다수의 반도체 패키지들(2200), 제어 칩 패키지(2300) 및 다수의 입출력 모듈들(2400)을 포함할 수 있다. 상기 다수의 반도체 패키지들(2200) 및 상기 제어 칩 패키지(2300)는 상기 입출력 모듈들(2400)에 전기적으로 접속될 수 있다.
상기 다수의 반도체 패키지들(2200)은 휘발성 메모리 칩, 비휘발성 메모리 칩 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 휘발성 메모리 칩은 디램(DRAM) 및 에스램(SRAM)을 포함할 수 있다. 상기 비휘발성 메모리 칩은 플래시 메모리(flash memory), 상변화 메모리(phase change memory), 엠램(MRAM) 및 알램(RRAM)을 포함할 수 있다. 상기 반도체 모듈(2000)은 상기 제어 칩 패키지(2200)를 포함하지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 반도체 모듈(2000)은 메모리 모듈(memory module)일 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체 모듈(2000)은 메모리 카드(memory card)일 수 있다
상기 다수의 입출력 모듈들(2400)은 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다수의 입출력 모듈들(2400)은 상기 모듈 기판(2100)에 매립된 도파로, 커플러 및 광전 변환기를 포함하는 광 입출력 소자를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 다수의 입출력 모듈들(2400)은 종래와 비교하여 우수한 신뢰성을 보일 수 있다.
상기 반도체 모듈(2000)은 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 상기 다수의 입출력 모듈들(2400)에 의해 외부 전자 기기와 광학적으로 데이터를 송수신할 수 있다. 이에 따라, 상기 반도체 모듈(2000)은 안정적이고 빠르게 데이터를 송수신할 수 있다.
또한, 상기 다수의 반도체 패키지들(2200)은 각각 본 발명의 제 7 실시 예에 도시된 바와 같이, 메모리 소자를 포함할 수 있다. 즉, 상기 다수의 반도체 패키지들(2200)은 각각 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 다수의 반도체 패키지들(2200)은 광학적으로 상호 연결될 수 있다. 즉, 상기 반도체 모듈(2000)은 상기 다수의 반도체 패키지들(2200) 사이에서 데이터가 안정적이고 빠르게 송수신되도록 할 수 있다.
(제 9 실시 예)
도 33은 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 전자 장치를 나타낸 구성도이다.
도 33을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 전자 장치(4000)는 인터페이스(4100), 컨트롤러(4200), 메모리(4300) 및 외부 입력/출력 장치(4400)를 포함할 수 있다. 상기 인터페이스(4100)는 버스(4500)를 통해서 상기 컨트롤러(4200), 상기 메모리(4300) 및 상기 외부 입력/출력 장치(4400)와 전기적으로 접속할 수 있다.
상기 전자 장치(4000)는 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant; PDA), 휴대용 컴퓨터(Portable computer), 웹 타블렛(web tablet), 무선 폰(Wireless Phone), 모바일 폰(Mobile Phone) 및 디지털 뮤직 플레이어(Digital Music Player)를 포함할 수 있다.
상기 인터페이스(4100)는 외부 시스템(External System)과 데이터를 통신(communicating)할 수 있다. 즉, 상기 인터페이스(4100)는 데이터를 통신 네트워크(network)로 송출하거나, 통신 네트워크로부터 데이터를 받는 역할을 할 수 있다. 상기 인터페이스(4100)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함할 수 있다. 상기 인터페이스(4100)는 광 신호를 이용하여 상기 외부 시스템과 데이터를 통신할 수 있다. 이에 따라, 상기 인터페이스(4100)는 종래와 비교하여 우수한 신뢰성을 보일 수 있다.
상기 컨트롤러(4200)는 마이크로 프러세서(Microprocessor), 디지털 프로세서(Digital Processor), 마이크로 컨트롤러(Microcontroller) 또는 이와 유사한 다른 프로세스 장치들을 포함할 수 있다. 상기 외부 입력/출력 장치(4400)는 키패드(key pad), 키보드(key board) 및 표시 장치(display)일 수 있다.
상기 메모리(4300)는 상기 컨트롤러(4200)에 의해 수행된 명령(command)을 저장하는 데 사용될 수 있다. 상기 메모리(4300)는 상기 인터페이스(4100)와 광학적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 메모리(4300)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 메모리 소자일 수 있다. 예를 들어, 상기 메모리(4300)는 상기 메모리 기판(미도시)에 도파로, 커플러 및 광전 변환기가 매립된 광 입출력 소자를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 메모리(4300)와 상기 인터페이스(4100) 사이의 데이터 통신은 종래와 비교하여 우수한 신뢰성을 보일 수 있다.
상기 전자 장치(4000)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 광 입출력 소자를 포함하는 상기 인터페이스(4100)에 의해 외부 시스템과 광학적으로 데이터를 송수신할 수 있다. 이에 따라, 상기 전자 장치(4000)는 안정적이고 빠르게 데이터를 송수신할 수 있다.
100 : 기판 125 : 제 1 클래드 절연막
200 : 도파로 300 : 커플러
400 : 광전 변환기

Claims (10)

  1. 트랜치를 포함하는 기판;
    상기 기판의 상기 트랜치 내에 위치하는 도파로; 및
    상기 트랜치 내에 위치하며, 상기 도파로와 광학적으로 연결되는 광전 변환기를 포함하되,
    상기 광전 변환기의 상면은 상기 도파로의 상면과 동일 레벨을 갖는 광 입출력 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로는 상면, 제 1 측면, 제 2 측면, 및 종단면을 포함하고,
    상기 광전 변환기는 상기 도파로의 제 1 측면과 직접 접촉하는 광 입출력 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광전 변환기는 상기 도파로의 제 2 측면과 직접적으로 접촉하는 광 입출력 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환기의 수평 폭은 상기 도파로의 수평 폭보다 넓은 광 입출력 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜치의 수평 폭은 상기 광전 변환기의 수평 폭과 상기 도파로의 수평 폭을 합한 값보다 큰 값을 갖는 광 입출력 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환기의 두께는 상기 도파로의 두께와 동일한 광 입출력 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로는 실리콘을 포함하고, 상기 광전 변환기는 게르마늄을 포함하는 광 입출력 소자.
  8. 일측 및 타측을 갖는 트랜치를 포함하는 기판;
    상기 기판의 상기 트랜치의 일측에 위치하는 커플러;
    상기 기판의 상기 트랜치의 타측에 위치하는 광전 변환기; 및
    상기 커플러와 상기 광전 변환기 사이를 광학적으로 연결하는 도파로를 포함하되,
    상기 커플러, 상기 광전 변환기 및 상기 도파로는 상기 트랜치 내에 위치하는 광 입출력 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광전 변환기의 상면은 상기 커플러의 상면 및 상기 도파로의 상면과 동일 레벨을 갖는 광 입출력 소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 광전 변환기는 제 1 도핑 영역, 제 2 도핑 영역 및 진성 영역을 포함하되, 상기 진성 영역은 상기 제 1 도핑 영역과 상기 제 2 도핑 영역 사이에 위치하고, 상기 제 2 도핑 영역은 상기 제 1 도핑 영역과 다른 도전형의 불순물을 포함하는 광 입출력 소자.
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