(4) 이미지센서의 기본 구조

"이미지센서와 소재기술" 포스팅 시리즈

이미지센서, SNR과의 싸움

앞선 포스팅에서 이미지 센서는 SNR과의 치열한 싸움을 벌여오고 있다는 말씀을 드렸습니다. SNR은 Signal-to-Noise Ratio의 약자로, 다양한 산업분야에서 두루 통용되는 용어입니다.

SNR을 개선한다는 말은, Signal을 높이고 Noise를 낮추는 엔지니어링 활동이 되겠지요. 그리고, Noise의 관점에서 반드시 제어해야 할 요소가 Crosstalk 현상이라고 말씀을 드렸는데, ① 이미지센서의 기본적인 구조 ② 어떻게 구조/공정적으로 SNR을 개선해오고 있는가? 에 대해서 계속 얘기해보겠습니다.

자료제공 : SK Hynix

기본 구조/작동 원리

이미지 센서는 색의 정보를 분리하는 Color Filter, 분리된 색 정보를 처리하는 Photo Diode로 크게 2가지로 구성되어 있습니다. 

Color Filter + Photo Diode

Color Filter (이하 CF) 모듈은 빛의 정보를 최대한으로 읽어내기 위한 Microlens 구조와, 색을 분리해내는 Color Filter로 구성됩니다. CF를 통과한 빛은 아래에 위치한 Photo Diode에서 광전효과(Photoelectric Effect)를 통해 Photon이 Electron으로 전환됩니다. 

생성된 Electron은 Transistor를 통과하여 다시 Metal 배선을 흐르는 전류가 되어 ADC (Analogue to Digital Conversion)이 완료되어, AP(Application Processor) 에서 처리되거나 메모리 반도체에 저장될 수 있는 정보로 최종 변환됩니다. 

Conventional 구조(FSI), 

PD와 CF사이 Metal이 존재

CF를 통과한 빛이 Photo Diode에서 Electron으로 전환되어 전자신호로서 활용되기 위해서는, 최소 3단계의 구조(Photo Diode → Transistor → Metal)가 필요합니다.

Transistor와 Metal은 일반적인 Memory, Logic 반도체 공정에 반드시 포함되는 구조이며, Photo Diode 형성 또한 Ion Implant를 통해 형성되는 Source/Drain 공정과 기본 원리는 같습니다.

일반적인 반도체 공정을 거쳐 제작된 이미지센서 https://www.coventor.com/blog/cmos-image-sensors-cis-past-present-future

그런데, 일반적인 반도체 공정에서는 Transistor / Photo Diode 가 Metal 배선 아래에 위치하게 됩니다. 반도체 공정에 사용되는 Metal 물질(Cu, Al 등)들의 Melting Point를 상회하는 Diffusion, Annealing 등의 공정들이 FEOL (Front-End of Line) 단에 포진되어 있기 때문입니다.

Pixel 미세화에 따라, 

Metal 배선이 Signal 저해

위와 같은 이유로 일반적인 반도체 공정을 진행한 후 최종 Process로서 CF를 형성했던 Conventional 이미지센서 구조에서 입사된 빛은 Metal 배선이 있는 층을 지나고 Transistor를 지나고 나서야 Photo Diode에 도달하게 됩니다.

이 구조의 이미지센서는 CIS 초기부터 비교적 최근(~약 2010대 초반)까지 문제없이 사용되었으나, Pixel Size가 1.5um 이하로 미세화되면서 Photo Diode와 CF 사이에 존재하는 Metal 배선 등의 물리적인 거리도 점차 가까워지게 되면서, 그 동안은 문제가 되고 있지 않던 Metal 배선들에 의한 빛의 흡수와 반사 작용들이 제품 특성에도 심각한 영향을 끼치게 됩니다.

어떻게 이 문제를 해결했을까요?

다음 포스팅에서 이어가겠습니다.