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KR102116977B1 - 비열 광 변조기 및 그 제조 방법 - Google Patents

비열 광 변조기 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR102116977B1
KR102116977B1 KR1020130040028A KR20130040028A KR102116977B1 KR 102116977 B1 KR102116977 B1 KR 102116977B1 KR 1020130040028 A KR1020130040028 A KR 1020130040028A KR 20130040028 A KR20130040028 A KR 20130040028A KR 102116977 B1 KR102116977 B1 KR 102116977B1
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thermal
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양문승
조성호
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삼성전자 주식회사
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Abstract

비열 광 변조기 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 비열 광 변조기는 도파로로부터 입력되는 광을 받으며, 상기 도파로로 변조된 광을 출력하며 중앙에 리지부가 형성된 링 공진기와, 상기 링 공진기에서 상기 리지부 양측에 각각 연결되어 상기 링 공진기에 전계를 형성하는 전기를 주입하는 경로인 제1콘택 및 제2콘택과, 상기 리지부를 덮는 폴리머층을 포함한다. 상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택 사이에 형성되어 상기 리지부를 노출시키는 트렌치를 더 구비하며, 상기 폴리머층은 상기 트렌치를 폴리머를 채워서 형성된 층이다.

Description

비열 광 변조기 및 그 제조 방법{Athermal optical modulator and method of manufacturing the same}
비열 광학 변조기 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도변화에 의한 방출 파장의 변화가 적은 광학 변조기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광전(opto-photonic) 소자는 신호 전송을 광학 소자를 이용하며 신호의 입력 및 출력을 위해 전기를 사용한다. 광전 소자에 사용되는 광 변조기는 주로 반도체 기판을 소재로 하여 제작되며, 광신호를 전달하는 소자는 CMOS 공정과 호환가능한 실리콘(Si)이 사용될 수 있다.
실리콘 기판의 광 변조기는 마흐 젠더 형과 링 공진기 형이 있다. 마흐 젠더 형에 비해서 링 공진기 형 광변조기는 크기가 작고 고속으로 구동할 수 있으며, 소비 전력이 낮다.
그러나, 실리콘을 포함한 광 변조기는 온도가 상승함에 따라 굴절율이 달라지고 따라서 실리콘의 높은 열적-광학 계수(thermo-optic coefficient)로 이송(propagation) 파장이 달라지며, 결과적으로 원하는 광신호가 전달되지 않을 수 있다. 예컨대, 실리콘 기판의 광 변조기는 온도에 대한 파장 변화가 0.11 nm/K 일 수 있다.
온도에 따른 파장 변화를 최소화하며, 기존 CMOS 공정과 호환이 가능한 공정으로 제조되는 비열 광 변조기 및 그 제조 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 비열 광 변조기는:
도파로;
상기 도파로로부터 입력되는 광을 받으며, 상기 도파로로 변조된 광을 출력하며 중앙에 리지부가 형성된 링 공진기;
상기 링 공진기에서 상기 리지부 양측에 각각 연결되어 상기 링 공진기에 전계를 형성하는 전기를 주입하는 경로인 제1콘택 및 제2콘택; 및
상기 리지부를 덮는 폴리머층;을 구비한다.
상기 링 공진기는 절연층 상에서 상기 공진기의 일측으로부터 순차적으로 형성된 상대적으로 고농도로 도핑된 p+ 도핑부분과, 상대적으로 저농도로 도핑된 p 도핑부분과, 상대적으로 저농도로 도핑된 n 도핑부분과, 상대적으로 고농도로 도핑된 n+ 도핑부분을 포함할 수 있다.
상기 제1 콘택은 상기 p+ 도핑부분에 연결되며, 상기 제2 콘택은 상기 n+ 도핑부분에 연결될 수 있다.
상기 절연층 상에서 상기 링 공진기를 덮는 보호층이 형성되며, 상기 제1 콘택과 상기 제2 콘택은 상기 보호층에서 상기 p+ 도핑부분과 상기 n+ 도핑부분을 노출시키는 비아를 채운 금속메탈이다.
상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택은 각각 링 형상으로 형성되며, 상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택 중 상기 링 공진기에서 외측에 형성된 콘택에는 상기 도파로와 마주보는 측면에 개구부가 형성될 수 있다.
상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택 사이에 형성되어 상기 리지부를 노출시키는 트렌치를 더 구비하며, 상기 폴리머층은 상기 트렌치를 채워서 형성된다.
상기 트렌치는 링 형상일 수 있다.
상기 트렌치의 폭은 상기 리지부의 폭 보다 넓을 수 있다.
상기 리지부는 상기 p 도핑부분 및 상기 n 도핑부분을 포함할 수 있다.
상기 도파로 및 상기 링 공진기는 단결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.
다른 실시예에 따른 비열 광 변조기의 제조방법은:
소이 기판의 상부 실리콘층을 식각하여 도파로 및 링 공진기를 형성하는 단계;
상기 링 공진기를 도핑하여 일측으로부터 순차적으로 상대적으로 고농도로 도핑된 p+ 도핑부분, 상대적으로 저농도로 도핑된 p 도핑부분, 상대적으로 저농도로 도핑된 n 도핑부분, 및 상대적으로 고농도로 도핑된 n+ 도핑부분을 형성하는 단계;
상기 링 공진기 상으로 보호층을 형성하는 단계;
상기 보호층의 상면으로부터 상기 p+ 도핑부분 및 상기 n+ 도핑부분을 노출시키는 비아를 형성하고 상기 비아를 메탈로 채워 제1 콘택 및 제2 콘택을 형성하는 단계;
상기 보호층을 식각하여 상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택 사이에서 상기 p 도핑부분 및 상기 n 도핑부분을 노출시키는 트렌치를 형성하는 단계; 및
상기 트렌치에 폴리머층을 채우는 단계;를 포함한다.
일 실시예에 따른 비열 광 변조기에 따르면, 상대적으로 비열 특성을 가진 폴리머가 리지부를 감싸므로 비열 광 변조기로부터 출력되는 광은 안정된 파장을 가진다.
또한, 제1 콘택 및 제2 콘택이 링 공진기의 링 형상으로 서로 마주보게 형성되므로 링 공진기의 전계 형성이 빠르고, 안정되며, 결과적으로 출력 광의 파장이 일정하게 된다.
또한, 고온 공정인 전극 공정 이후에 폴리머층을 트렌치에 형성하므로, 폴리머층의 폴리머가 고온 전극공정에 의해 녹아서 소자를 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 비열 광 변조기의 구조를 개략적으로 보여주는 평면도다.
도 2는 상기 도 1의 II-II' 선단면도다.
도 3a 내지 도 3d는 다른 실시예에 따른 비열 광 변조기의 제조방법을 단계별로 설명하는 단면도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 비열 광 변조기(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 평면도이며, 도 2는 상기 도 1의 II-II' 선단면도다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 실리콘 기판(110) 상에 절연층(112)이 형성되어 있으며, 절연층(112) 상에는 도파로(120)와 링 공진기(ring resonator)(130)가 형성된다. 도파로(120)와 링 공진기(130)는 단결정 실리콘으로 형성될 수 있다. 도파로(120)와 링 공진기(130)는 소이(SOI: silicon on insulation) 기판의 상부 실리콘층(114)에 형성될 수 있다. 링 공진기(130)는 원형 링 형상일 수 있다. 또한, 링 공진기(130)는 링 형상뿐만 아니라 타원 링 형상을 포함한 다양한 형상의 띠 형상으로 형성될 수 있다.
링 공진기(130)는 외측으로부터 순차적으로 상대적으로 고농도로 도핑된 p+ 도핑부분(131), 상대적으로 저농도로 도핑된 p 도핑부분(132), 상대적으로 저농도로 도핑된 n 도핑부분(133), 및 상대적으로 고농도로 도핑된 n+ 도핑부분(134)을 포함한다. 링 공진기(130)의 구성은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 그 외측으로부터 순차적으로 상대적으로 고농도로 도핑된 n+ 도핑부분(134), 상대적으로 저농도로 도핑된 n 도핑부분(133), 상대적으로 저농도로 도핑된 p 도핑부분(132), 및 상대적으로 고농도로 도핑된 p+ 도핑부분(131)을 포함할 수도 있다.
P+ 도핑부분(131)과 n+ 도핑부분(134)은 각각 1018 ~ 1019 /cm3 농도로 불순물이 도핑된 영역일 수 있으며, p 도핑부분(132)과 n 도핑부분(133)은 각각 1015 ~ 1017 /cm3 농도로 불순물이 도핑된 영역일 수 있다.
링 공진기(130)에서 중앙에 형성된 n 도핑부분(133)과 p 도핑부분(132)은 연속적으로 형성되며, 양측의 p+ 도핑부분(131)과 n+ 도핑부분(134) 보다 돌출된 리지부(R)를 구성한다. 링 공진기(130)에서 광은 주로 리지부(R)를 통해서 이동된다. 링 공진기(130)의 직경은 대략 1~50㎛일 수 있다. 리지부(R)의 높이는 대략 90~150nm 일 수 있으며, 도파로(120)의 높이와 실질적으로 동일 할 수 있다. 리지부(R)의 단면 폭은 대략 200nm ~ 1000nm 일 수 있다. 도파로(120) 및 리지부(R) 사이의 폭은 대략 200nm ~ 1000nm 일 수 있다.
절연층(112) 상에서 도파로(120) 및 링 공진기(130)는 보호층(140)으로 덮여 있다. 보호층(140)은 실리콘 옥사이드 또는 실리콘 나이트라이드로 형성될 수 있다. 보호층(140)은 절연층(112)과 함께 광 이송경로의 클래딩으로 작용할 수 있다.
링 공진기(130)의 p+ 도핑부분(131)에는 제1 콘택(161)이 접촉되며, n+ 도핑부분(134)에는 제2 콘택(162)이 접촉되게 형성되어 있다. 보호층(140)에는 p+ 도핑부분(131)과 n+ 도핑부분(134)를 각각 노출시키는 비아홀(142)이 형성되어 있다. 이 비아홀에는 비아 메탈이 채워져 있다. 이 비아 메탈이 제1 콘택(161) 및 제2 콘택(162)이다. 제1 콘택(161)과 제2 콘택(162)도 도 1에서 보듯이 링 공진기(130)의 형상을 가질 수 있다. 제1 콘택(161)이 링 형상인 경우, 도 1에서처럼 도파로(120)에 인접한 영역에는 개구부(161a)가 형성된다. 개구부(161a)는 제1 콘택(161)이 도파로(120) 및 링 공진기(130) 사이의 광의 이동을 간섭하는 것을 방지하기 위한 것이다.
상부 실리콘층(114) 상에서 제1 콘택(161) 및 제2 콘택(162) 사이에 트렌치(T)가 형성되어 있다. 트렌치(T)는 리지부(R)를 내포하도록 형성된다. 트렌치(T)의 폭(W1)은 리지부(R)의 폭(W2) 보다 크다. 트렌치(T)는 링 공진기(130)와 동일한 형상으로 이루어 질 수 있다.
트렌치(T) 내에는 폴리머가 채워져 있다. 폴리머가 채워져서 형성된 폴리머층(150)은 예컨대 Poly(methyl methacrylate) (PMMA)로 형성될 수 있다. 폴리머층(150)은 대략 100nm ~ 5㎛ 두께로 형성될 수 있다. 폴리머층(150)은 도 2에서 보면 그 상부가 노출되어 있지만, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 폴리머층(150) 상으로 보호층(140)이 연장되어 형성될 수 있다. 상세한 구조는 도 3D를 참조한다.
보호층(140) 상에서 제1 콘택(161) 및 제2 콘택(162)과 각각 연결된 제1 전극패드(171) 및 제2 전극패드(172)가 형성되어 있다.
도파로(120)로 입력된 광은 도파로(120)를 지나면서 개구부(161a)를 통해서 링 공진기(130)로 전이된다. 전이된 광은 링 공진기(130)를 순환한 뒤, 개구부(161a)를 통해서 도파로(120)로 다시 전이되어서 출력된다. 이 때, 제1 전극패드(171) 및 제2 전극패드(172)를 통해서 소정의 전압을 인가하면, 링 공진기(130)를 통해서 도파로(120)로 이송된 광의 주파수가 변조된다. 도파로(120)로부터 출력된 광을 검출시 검출된 주파수에 따라서 광신호가 정해진다.
실리콘은 온도가 상승함에 따라 굴절률이 달라지고 따라서 실리콘의 높은 열적-광학 계수(thermo-optic coefficient)로 이송되는 광의 파장이 달라질 수 있으며, 결과적으로 원하는 광신호가 전달되지 않을 수 있다. 그러나, 폴리머층(150)은 실리콘 보다 상대적으로 열적-광학 계수가 낮다. 폴리머층(150)을 포함하는 비열 광 변조기는 온도에 대한 파장 변화가 0.5 pm/K 일 수 있다. 따라서, 비열 광 변조기는 안정적으로 거의 동일한 광신호를 전송할 수 있다.
또한, 제1 콘택(161) 및 제2 콘택(162)은 링 공진기(130)와 같은 형상으로 형성되므로, 제1 전극패드(171) 및 제2 전극패드(172)로부터 입력된 전원을 링 공진기(130)에 안정적으로 공급하며, 링 공진기(130)에 일정한 전계를 형성되므로, 비열 광 변조기는 안정된 광신호를 발생시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 다른 실시예에 따른 비열 광 변조기의 제조방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 실리콘 기판(210) 상에 절연층(212) 및 상부 실리콘층(214)이 순차적으로 형성된 소이(SOI: silicon on insulator) 기판을 준비한다. 상부 실리콘층(214)을 패터닝하여 도 1에 도시된 바와 같이 도파로(도 1의 120 참조)와 링 공진기(230)를 형성한다. 도 3a 내지 도 3d에서는 편의상 도파로를 생략하였다.
링 공진기(230)는 돌출된 리지부(R)를 포함한다. 반도체 공정에서 잘 알려진 임플랜트 공정으로 순차적으로 도핑하여 링 공진기(230)의 일측으로부터 순차적으로 상대적으로 고농도로 도핑된 p+ 도핑부분(231), 상대적으로 저농도로 도핑된 p 도핑부분(232), 상대적으로 저농도로 도핑된 n 도핑부분(233), 및 상대적으로 고농도로 도핑된 n+ 도핑부분(234)을 형성한다. p 도핑부분(232) 및 n 도핑부분(233)은 리지부(R)에 해당된다. 편의상 p+ 도핑부분(231)이 도파로(220)와 마주보는 외측에 형성된 예를 도시하였다.
P+ 도핑부분(231)과 n+ 도핑부분(234)은 각각 1018 ~ 1019 /cm3 농도로 불순물이 도핑된 영역일 수 있으며, p 도핑부분(232)과 n 도핑부분(233)은 각각 1015 ~ 1017 /cm3 농도로 불순물이 도핑된 영역일 수 있다.
상부 실리콘층(214) 상으로 제1 보호층(240)을 형성한다. 제1 보호층(240)은 실리콘 옥사이드 또는 실리콘 나이트라이드로 형성될 수 있다. 제1 보호층(240)의 상면으로부터 p+ 도핑부분(231) 및 n+ 도핑부분(234)을 각각 노출시키는 비아(240a)를 형성하고 비아(240a)를 메탈로 채워 제1 콘택(241) 및 제2 콘택(242)을 형성한다. 제1 콘택(241) 및 제2 콘택(242)은 링 형상으로 형성되며, 제1 콘택(241)은 리지부(R)에서 외곽에, 제2 콘택(242)은 리지부(R)의 내측에 형성된다.
제1 콘택(241)에서 도파로(220)와 마주보는 부분에는 광 경로를 위해 개구부(도 1의 161a 참조)가 형성된다. 개구부는 도 1로부터 잘 알 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
제1 보호층(240) 위에는 전극층(미도시)을 도포한 후, 전극층을 패터닝하여 제1 콘택(241) 및 제2 콘택(242)과 각각 연결된 제1 전극패드(251) 및 제2 전극패드(272)를 형성한다.
제1 보호층(240) 상으로 제1 전극패드(251) 및 제2 전극패드(252)를 덮는 제2 보호층(260)을 형성한다. 제2 보호층(260)은 제1 보호층(240)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 제2 보호층(260)은 후속의 폴리머층 형성공정에서 폴리머가 제1 전극패드(251) 및 제2 전극패드(252)에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제1 콘택(241) 및 제2 콘택(242) 사이에서 리지부(R)를 노출시키는 트렌치(T)를 형성한다. 트렌치(T)의 폭(W1)은 리지부(R)의 폭(W2) 보다 크게 형성한다.
도 3c를 참조하면, 스핀코팅 방법으로 트렌치(T)에 폴리머를 채운다. 결과물을 폴리머층(270)이라 칭한다. 폴리머로는 Poly(methyl methacrylate) (PMMA)를 사용할 수 있다. 트렌치(T)를 채운 폴리머는 제2 보호층(260) 위로도 형성될 수 있다.
이어서, 폴리머층(270) 위로 마스크층(280)을 형성한다. 마스크층(280)은 오염 방지를 위한 것으로 대략 100nm ~ 1㎛ 두께로 형성될 수 있다. 마스크층(280)은 실리콘 옥사이드 또는 실리콘 나이트라이드로 형성될 수 있다.
도 3d를 참조하면, 마스크층(280)을 패터닝하여 제1 전극패드(251) 및 제2 전극패드(252) 상방으로 홀(282)을 형성한다. 홀(282)에 노출된 폴리머층(270) 및 제2 보호층(260)을 순차적으로 식각하여 제1 전극패드(251) 및 제2 전극패드(252)를 노출시킨다. 제2 보호층(260) 및 마스크층(280)은 건식 식각 또는 습식 식각 방법을 사용할 수 있다. 폴리머층(270)은 산소 플라즈마 식각방법을 사용하여 식각할 수 있다.
상기 실시예에 따르면, 고온 공정인 전극 공정 이후에 폴리머층을 트렌치에 형성하므로, 폴리머층의 폴리머가 고온 전극공정에 의해 녹아서 소자를 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
또한, 폴리머층 상으로 마스크층을 형성하므로, 실리콘 기판 상에서 다른 소자와의 집적 공정이 가능하다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 비열 광 변조기 110: 실리콘 기판
112: 절연층 114: 상부 실리콘층
120: 도파로 130: 링 공진기
140: 보호층 150: 폴리머층
161, 162: 콘택 171, 172: 전극 패드
R: 리지부 T: 트렌치

Claims (14)

  1. 도파로;
    상기 도파로로부터 입력되는 광을 받으며, 상기 도파로로 변조된 광을 출력하며 중앙에 리지부가 형성된 링 공진기;
    상기 링 공진기에서 상기 리지부 양측에 각각 연결되어 상기 링 공진기에 전계를 형성하는 전기를 주입하는 경로인 제1콘택 및 제2콘택;
    상기 리지부를 덮는 폴리머층; 및
    상기 폴리머층의 주위를 감싸는 보호층을 구비하되,
    상기 링 공진기는:
    절연층 상에서 상기 공진기의 일측으로부터 순차적으로 형성된 상대적으로 고농도로 도핑된 p+ 도핑부분과, 상대적으로 저농도로 도핑된 p 도핑부분과, 상대적으로 저농도로 도핑된 n 도핑부분과, 상대적으로 고농도로 도핑된 n+ 도핑부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 비열 광 변조기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 콘택은 상기 p+ 도핑부분에 연결되며, 상기 제2 콘택은 상기 n+ 도핑부분에 연결된 비열 광 변조기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 콘택과 상기 제2 콘택은 상기 보호층에서 상기 p+ 도핑부분과 상기 n+ 도핑부분을 노출시키는 비아를 채운 금속메탈인 비열 광 변조기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택은 각각 링 형상으로 형성되며, 상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택 중 상기 링 공진기에서 외측에 형성된 콘택에는 상기 도파로와 마주보는 측면에 개구부가 형성된 비열 광 변조기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 콘택 및 상기 제2 콘택 사이에 형성되어 상기 리지부를 노출시키는 트렌치를 더 구비하며,
    상기 폴리머층은 상기 트렌치를 채운 비열 광 변조기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 트렌치는 링 형상인 비열 광 변조기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 트렌치의 폭은 상기 리지부의 폭 보다 넓은 비열 광 변조기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 리지부는 상기 p 도핑부분 및 상기 n 도핑부분을 포함하는 비열 광 변조기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파로 및 상기 링 공진기는 단결정 실리콘으로 이루어진 비열 광 변조기.
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