KR-20260061662-A - Pixel Array Structure Including A Plurality of Photo detecting Elements And Electronic Device Including The Same

Abstract

픽셀 어레이 구조체 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 기술이다. 픽셀 어레이 구조체는 광 검출 소자들을 포함하는 기판, 인터커넥션층 및 픽셀 분리막을 포함할 수 있다. 상기 픽셀 분리막은 상기 복수의 광 검출 소자들 사이가 분리되도록 상기 기판 및 상기 인터커넥션층을 파티셔닝한다. 임계 전압이 상기 픽셀 분리막에 인가되기 이전, 상기 픽셀 분리막은 제 1 상태를 나타내고, 상기 임계 전압이 상기 픽셀 분리막에 인가되면, 상기 픽셀 분리막은 상기 제 1 상태와 상이한 제 2 상태로 투명도 및 컬러가 변색된다.

Inventors

• 김종채

Assignees

• 에스케이하이닉스 주식회사

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (18)

1. 마주하는 제 1 면 및 제 2 면을 갖고, 상기 제 1 면과 인접하게 복수의 광 검출 소자들이 형성된 기판; 상기 기판의 제 1 면 상부에 형성되며, 상기 복수의 광 검출 소자들과 연결되는 복수의 배선들 및 상기 복수의 배선들을 절연하는 적어도 하나의 층간 절연막을 포함하는 인터커넥션층; 및 상기 복수의 광 검출 소자들 사이가 분리되도록 상기 기판 및 상기 인터커넥션층을 파티셔닝(partitioning)하는 복수의 픽셀 분리 영역들을 포함하는 픽셀 분리막을 포함하며, 임계 전압이 상기 픽셀 분리막에 인가되기 이전, 상기 픽셀 분리막은 제 1 상태를 나타내고, 상기 임계 전압이 상기 픽셀 분리막에 인가되면, 상기 픽셀 분리막은 상기 제 1 상태와 상이한 제 2 상태로 투명도 및 컬러가 변색되는 픽셀 어레이 구조체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 픽셀 분리막은 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 및 바나듐(V) 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물, 비올로겐(biologens) 또는 퀴논(quinone)을 포함하는 유기물, 또는 폴리티오펜(Polythiophene), 폴리아닐린(PANI) 및 폴리피롤(polypyrrole) 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 고분자를 포함하는 일렉트로크로믹 물질을 포함하는 픽셀 어레이 구조체.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인터커넥션층 상부에 상기 픽셀 분리막과 전기적으로 연결되도록 형성되는 그리드 패턴을 더 포함하고, 상기 그리드 패턴을 통해 상기 픽셀 분리막에 상기 임계 전압이 제공되는 픽셀 어레이 구조체.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광 검출 소자는 적어도 하나의 pn 접합을 포함하는 SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 또는 APD(avalanche photo diode)를 포함하는 픽셀 어레이 구조체.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 픽셀 분리막은, 상기 기판 내부를 관통하도록 형성되는 제 1 픽셀 분리막; 및 상기 제 1 픽셀 분리막으로부터 연장되며, 상기 인터커넥션층을 관통하도록 형성되는 제 2 픽셀 분리막을 포함하는 픽셀 어레이 구조체.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 픽셀 분리막은 상기 복수의 광 검출 소자들 중 적어도 2개의 광 검출 소자의 외주를 상기 임계 전압에 따라 선택적으로 상기 제 2 상태로 가변시키도록 구성된 비닝 픽셀 분리막, 및 상기 비닝 픽셀 분리막에 의해 구획된 상기 복수의 광 검출 소자들을 제외한 나머지 광 검출 소자들 각각을 개별적으로 상기 제 2 상태로 가변시키도록 구성되는 단위 픽셀 분리막을 포함하는 픽셀 어레이 구조체.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 비닝 픽셀 분리막으로 둘러싸인 공간내에 위치되는 내부 픽셀 분리 영역들과 상기 비닝 픽셀 분리막의 교점에 각각 형성되어, 상기 비닝 픽셀 분리막과 상기 내부 픽셀 분리 영역을 전기적으로 플로팅(floating)시키는 복수의 절연 관통부를 더 포함하는 픽셀 어레이 구조체.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 비닝 픽셀 분리막, 상기 절연 관통부 및 상기 내부 픽셀 분리 영역은 동일한 높이를 갖는 픽셀 어레이 구조체.
9. 복수의 광 검출 소자가 형성된 기판, 상기 기판의 전면에 위치되고 상기 복수의 광 검출 소자와 전기적으로 연결되는 복수의 배선층들을 포함하는 인터커넥션층, 및 상기 복수의 광 검출 소자들을 개별적으로 분리하기 위해 상기 기판의 후면으로부터 상기 인터커넥션층의 전면까지 연장되는 복수의 분리 영역들을 포함하는 픽셀 분리막을 포함하는 픽셀 어레이 구조체; 및 상기 인터커넥션층 내부의 상기 복수의 배선층에 복수의 동작 전압을 제공하는 복수의 제어 로직 회로들을 포함하는 로직 회로 구조체를 포함하며, 상기 픽셀 분리막의 투명도 및 컬러는 임계 전압에 기초하여, 제 1 상태에서 제 2 상태로 가변되는 전자 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 픽셀 분리막에 상기 임계 전압 이하, 또는 어떠한 전압이 인가되지 않으면, 상기 픽셀 분리막은 상기 제 1 상태를 나타내고, 상기 픽셀 분리막에 상기 임계 전압 이상이 인가되면, 상기 픽셀 분리막은 상기 제 2 상태를 나타내며, 상기 제 2 상태는 상기 제 1 상태보다 더 낮은 투명도를 갖거나, 상기 제 1 상태보다 더 짙은 컬러를 갖는 전자 장치.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 픽셀 분리막은 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 및 바나듐(V) 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물, 비올로겐(biologens) 또는 퀴논(quinone)을 포함하는 유기물, 또는 폴리티오펜(Polythiophene), 폴리아닐린(PANI) 및 폴리피롤(polypyrrole) 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 고분자를 포함하는 일렉트로크로믹 물질을 포함하는 전자 장치.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 픽셀 어레이 구조체의 상기 인터커넥션층 상부에 형성되며, 상기 인터커넥션층 내부의 상기 복수의 배선들과 전기적으로 연결되는 복수의 제 1 본딩 패드, 및 상기 복수의 제 1 본딩 패드 사이를 절연시키는 제 1 본딩 절연막을 포함하는 제 1 본딩층; 및 상기 로직 회로 구조체의 상부 표면에 형성되며, 상기 복수의 로직 회로들과 전기적으로 연결되는 복수의 제 2 본딩 패드, 및 상기 복수의 제 2 본딩 패드들을 절연시키는 제 2 본딩 절연막을 포함하는 제 2 본딩층을 더 포함하는 전자 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 픽셀 어레이 구조체의 상기 제 1 본딩층 및 상기 로직 회로 구조체의 상기 제 2 본딩층이 하이브리드 본딩되어, 상기 로직 회로 구조체 상에 상기 픽셀 어레이 구조체가 적층되는 전자 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 픽셀 어레이 구조체의 상기 후면에 위치되며, 상기 픽셀 분리막과 전기적으로 연결되도록 배열되는 도전성을 갖는 그리드 패턴; 상기 그리드 패턴 상부에 배열되는 컬러 필터 어레이층; 및 상기 컬러 필터 어레이층 상부에 배열되는 복수의 마이크로 렌즈를 더 포함하는 전자 장치.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 픽셀 분리막은 상기 제 1 본딩 패드 및 상기 도전성 그리드 패턴을 통해 상기 임계 전압을 제공받는 전자 장치.
16. 제 9 항에 있어서, 상기 픽셀 분리막은 인접하는 복수의 상기 광 검출 소자들의 외주에 위치하는 상기 분리 영역들을 포함하여, 비닝 픽셀을 한정하는 비닝 픽셀 분리막; 상기 비닝 픽셀 분리막 외부의 상기 광 검출 소자들 외주에 각각 위치되어 단위 픽셀들을 한정하는 단위 픽셀 분리막; 및 상기 비닝 픽셀 분리막으로 둘러싸인 상기 광 검출 소자들 사이의 상기 분리 영역의 단부들과 상기 비닝 픽셀 분리막간의 교점 사이에 각각 위치되는 복수의 절연 관통부를 더 포함하고, 상기 복수의 절연 관통부에 의해, 상기 비닝 픽셀 내부에, 전기적으로 플로팅되는 적어도 하나의 플로팅 분리 영역이 한정되는 전자 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 플로팅 분리 영역 및 임계 전압 터미널 사이에 연결되어, 상기 적어도 하나의 플로팅 분리 영역에 선택적으로 임계 전압을 제공하여, 상기 비닝 픽셀의 크기를 조절하는 적어도 하나의 스위치를 더 포함하는 전자 장치.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 비닝 픽셀 분리막, 상기 절연 관통부 및 상기 내부 픽셀 분리 영역은 동일한 높이를 갖는 전자 장치.

Description

복수의 광 검출 소자를 포함하는 픽셀 어레이 구조체 및 이를 포함하는 전자 장치{Pixel Array Structure Including A Plurality of Photo detecting Elements And Electronic Device Including The Same} 본 개시는 전자 장치에 관한 기술로, 보다 구체적으로는, 복수의 광 검출 소자를 포함하는 픽셀 어레이 구조체 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 광 검출 소자를 이용하는 LiDAR(Light Detection and Ranging)와 같은 전자 장치는 빛을 통해 반사체의 위치 좌표를 측정하는 리모트(remote) 센서이다. 이와 같은 LiDAR 장치로는 단일 광자(Single photon)를 이용하는 SPAD(single photon avalanche diode)가 주로 이용되고 있다. SPAD는 입사된 단일 광자가 아발란치 현상을 트리거(trigger)하며, 적은 입사광으로도 매우 큰 전류를 발생시킬 수 있다. 상기 SPAD는 픽셀 분리막에 의해 구획된 기판의 픽셀 영역에 각각 집적될 수 있다. 그런데, 상기 픽셀 분리막을 형성하는 과정에서 상기 기판 내부에 디펙트들(defects)이 발생될 수 있고, 상기 디펙트들은 SPAD의 노이즈를 유발하여, 화질 특성을 저하시킬 수 있다. 또한, 적외선과 같이 긴 파장을 갖는 광이 SPAD의 수광면에 조사되면, 상기 적외선은 기판 상부에 위치하는 층간 절연막까지 침투될 수 있다. 층간 절연막 내부에는 상기 픽셀 영역간의 경계부가 존재하지 않기 때문에, 인접하는 픽셀들 사이에 광학적 크로스토크(crosstalk)가 유발될 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 픽셀 어레이 구조체의 사시도이다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 픽셀의 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자의 평면도이다. 도 4는 도 3의 a-a'선을 따라 절단한 단면도이다. 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 분리막의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 분리막의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 분리막의 동작을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 분리막을 포함하는 전자 장치의 단면도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 크기의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이 구조체의 사시도이다. 도 10은 도 9의 b-b'선을 따라 절단한 단면도이다. 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 크기 조절이 가능한 전자 장치의 픽셀 어레이 구조체를 보여주는 사시도들이다. 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비닝 픽셀의 크기 변경이 가능한 전자 장치의 픽셀 어레이 구조체를 보여주는 사시도들이다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 실시예의 전자 장치는 복수의 광 검출 소자 사이의 크로스토크를 방지할 수 있는 픽셀 어레이 구조체의 픽셀 분리막을 제안할 것이다. 본 실시예의 픽셀 분리막은 기판 내부는 물론 층간 절연막을 포함하는 인터커넥션층까지 연장되어 픽셀 어레이 구조체를 관통할 수 있다. 또한, 본 실시예의 픽셀 분리막은 선택된 조건, 예컨대, 임계 전압 이상의 전압(또는 전류)가 수신되면 선택적으로 불투명하게 변색된다. 이에 따라, 장파장의 광이 입사되더라도, 인터커넥션층까지 연장된 픽셀 분리막에 의해 인접하는 픽셀들 사이의 크로스토크가 차단될 수 있다. 또한, 본 실시예의 픽셀 분리막은 도전성을 가질 수 있다. 이에 따라, 비선택 픽셀에 잔류하는 광자를 포획하여, 이상 동작을 방지할 수 있다. 본 실시예에서 제 1 면 또는 제 1 표면은 전면(front side)로 해석될 수 있고, 제 2 면 또는 제 2 표면은 후면(back side)로 해석될 수 있다. 측면 또는 측벽은 도면의 좌측면 혹은 우측면에 위치하는 표면을 의미할 것이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 픽셀 어레이 구조체의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 전자 장치의 픽셀 어레이 구조체(10)는 픽셀 분리막(150)에 의해 구획된 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 단위 픽셀들(PX)은 예를 들어, 제 1 방향(D1) 및 상기 제 1 방향(D1)과 수직인 제 2 방향(D2)을 따라 매트릭스(matrix) 형태를 이루며 배열될 수 있다. 일 예로서, 각각의 단위 픽셀(PX)은 예를 들어, 입사광을 수신하여 픽셀 신호로 변환하는 광 검출 소자를 포함할 수 있다. 다른 일 예로서, 각각의 단위 픽셀(PX)은 물체(object: 도시되지 않음)로부터 반사되는 광을 수신하여, 픽셀 신호를 생성하는 광 검출 소자를 포함할 수 있다. 상기 물체로부터 반사되는 광을 이용하는 광 검출 소자는 직접 ToF(direct Time of flight) 방식에 따른 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)를 포함할 수 있다. 상기 직접 ToF 방식의 SPAD는 조사된 펄스 레이저 신호가 상기 물체로부터 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하여, 상기 물체와 전자 장치간의 거리를 검출할 수 있다. 상기 픽셀들(PX)을 분리하는 픽셀 분리막(150)은 픽셀 어레이 구조체(10)의 후면으로부터 전면까지 연장될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 픽셀 분리막(150)의 두께는 상기 픽셀 어레이 구조체(10)의 두께(d)와 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있다. 예시적인 실시예로서, 상기 픽셀 어레이 구조체(10)는 광 검출 소자들(도시되지 않음)을 포함하는 기판(도시되지 않음) 및 상기 기판의 일면에 형성되는 인터커넥션층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 픽셀 분리막(150)은 상기 기판 내부에 형성되는 제 1 픽셀 분리막(150a) 및 상기 인터커넥션층에 형성되는 제 2 픽셀 분리막(150b)을 포함할 수 있다. 상기 제 2 픽셀 분리막(150b)은 상기 제 1 픽셀 분리막(150a)의 일면으로부터 연장될 수 있다. 또한, 본 실시예의 픽셀 분리막(150)은 인가 전압의 크기 및 전계 방향에 따라 가역적으로 투명도 또는 색상이 가변되는 일렉트로크로믹 물질(electrochromic material)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일렉트로크로믹 물질은 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 및 바나듐(V) 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 일렉트로크로믹 물질은 비올로겐(biologens) 또는 퀴논(quinone)과 같은 유기물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 일렉트로크로믹 물질은 폴리티오펜(Polythiophene), 폴리아닐린(PANI) 및 폴리피롤(polypyrrole)과 같은 도전성 고분자를 포함할 수 있다. 특히, 도전성 고분자 물질은 낮은 전압 인가에 의해 분자 구조가 변화될 수 있어, 다양한 컬러로 변색될 수 있다. 그러므로, 도전성 고분자 형태의 일렉트로크로믹 물질로 픽셀 분리막(150)이 형성되면, 저전압 구동을 실현할 수 있다. 이와 같은 픽셀 분리막(150)에 임계 전압보다 낮은 전압이 인가되거나, 혹은 어떠한 전압도 인가되지 않을 때, 상기 픽셀 분리막(150)은 제 1 상태의 투명도를 가질 수 있다. 경우에 따라, 상기 제 1 상태는 컬러를 가질 수도 있다. 한편, 상기 픽셀 분리막(150)에 상기 임계 전압 또는 그 이상의 전압이 인가되면, 상기 픽셀 분리막(150)은 상기 제 1 상태와 다른 제 2 상태의 투명도 및/또는 컬러를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 상태의 픽셀 분리막(150)은 상기 제 1 상태보다 더 낮은 투명도를 가질 수 있고, 상기 제 2 상태와 다른 컬러, 예컨대, 더 짙은 컬러를 가질 수 있다. 예시적인 실시예로서, 상기 제 1 상태는 투명한 상태일 수 있고, 상기 제 2 상태는 블랙을 포함하는 컬러를 갖는 상태일 수 있다. 이에 따라, 상기 기판 내부에 형성되는 상기 광 검출 소자들 사이의 광학적 크로스토크는 물론, 상기 인터커넥션층 사이의 광학적 크로스토크까지 효과적으로 차단할 수 있다. 상기 일렉트로크로믹 물질을 포함하는 픽셀 분리막(150)은 선택적으로 도전성을 가질 수 있다. 이에 따라, 픽셀 분리막(150)은 비선택 픽셀내에 잔류하는 광자를 포획하여, 비정상적인 전류 발생을 방지할 수 있다. 또한, 상기 픽셀 어레이 구조체(10)는 복수의 마이크로 렌즈(ML)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈(ML)는 적어도 하나의 픽셀(PX) 상부를 오버랩하도록 형성될 수 있다. 예시적인 실시예로서, 상기 마이크로 렌즈(ML)은 상기 기판의 후면에 배치될 수 있지만, 여기에 한정되는 것만은 아니다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 픽셀의 사시도이다. 도 2a를 참조하면, 단위 픽셀(PX)은 기판(100), 광 검출 소자(120), 인터커넥션층(130) 및 분리막(150)을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)은 예를 들어, Si, Ge 또는 SiGe과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 기판(100)은 예를 들어, 제 1 도전형의 불순물 또는 제 1 도전형의 불순물과 반대 타입인 제 2 도전형 불순물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전형 불순물은 p형 불순물일 수 있고, 제 2 도전형 불순물은 n형 불순물일 수 있다. 또한, 기판(1