(5) BSI, 그리고 ISOCELL
"이미지센서와 소재기술" 포스팅 시리즈
BSI 구조, Wafer를 Flip하여
CF 바로 아래에 PD가 위치
지난 번 포스팅에서, Conventional Image Sensor 구조가 가질 수 밖에 없는 광 손실에 대해 말씀을 드렸습니다. 반도체 공정 Flow 상으로 Photo Diode 상부에 Metal 이 위치할 수 밖에 없고, 이로 인한 빛의 흡수/굴절 때문에 Signal이 감소된다는 내용이었는데요.
이를 해소하기 위해 Sony, 삼성전자 등의 Major 제조사들은 Wafer를 뒤집어버립니다.
자료 : http://www.androidauthority.com/isocell-how-it-works-344628/기존의 빛의 입사경로가 CF → [ Metal → Transistor → PD ] 구조에서, Wafer를 Flip한 후 CF를 진행함으로써 CF → [ PD → Transistor → Metal ] 가 되도록 한 것입니다.
복잡한 공정, 비용은 올라가지만...
SNR을 위해서라면,
Wafer를 뒤집은 후 CMP (Chemical Mechanical Polishing)을 통해 CF 에서 입사한 빛이 PD에 바로 닿도록 거리를 좁혀주고, 또 CMP 공정 후 얇아진 Wafer를 Mechanical 하게 돕기 위해 Carrier Wafer가 필요해 Bonding 공정이 들어가는 등 부수적인 공정이 추가됩니다.
그럼에도 불구하고, SNR을 위해 이 공정을 택했고, 최초의 Wafer 방향을 기준으로 후면(Back-side)에서 빛이 입사된다고 하여 BSI(Back-Side Illumination)이라는 이름이 붙여졌으며, 기존의 Conventioanl 공정은 자연스럽게 FSI(Front-Side Illumination)이라고 불리게 되었습니다.
https://www.pcmag.com/how-to/whats-the-difference-between-cmos-bsi-cmos-and-stacked-cmos현재 전 세계적으로 제조되는 대부분의 이미지센서는 BSI 공정을 기반으로 하고 있지만, 여전히 Cost가 중시되는(성능의 중요도가 떨어지는) 제품, 산업용으로는 일부 FSI 공정이 남아있습니다. 우리가 사용하는 모바일 기기는 모두 BSI 공정 기반의 이미지센서를 사용합니다.
Electrical Crosstalk 줄이기 :
DTI (Deep Trench Isolation)
2010년 대, 마찬가지로 Pixel이 계속 미세화되면서 BSI로 개선했던 SNR 특성 역시 다시 한계에 봉착합니다.
픽셀 간의 간격이 가까워지면서 Crosstalk이 심해진 것입니다. Crosstalk 중 현존하는 물질의 한계로 발생되는 Spectral Crosstalk을 제외하면, Electrical과 Optical Crosstalk은 구조적으로 감소시킬 수 있기에 이를 위한 새로운 공정들이 도입됩니다.
먼저 Electrical Crosstlak 을 감소시키기 위해 각 Photo Diode를 Isolation 시켜버립니다. Photo Diode는 Silicon Wafer 표면 아래로 수 um 깊이로 Ion Implant 되어있는데, Lithography와 Etch 공정을 통해 Pixel과 Pixel 사이를 가르는 Deep Trench 구조를 만들어버립니다.
그리고, 그 Trench 구조를 Low k 물질인 SiO2 등으로 채워넣어 Pixel과 Pixel 사이를 절연시킴으로써, 전기적으로 Isolation 시켜버림으로써 Electrical Crosstalk, 어떻게 보면 Leakage라고도 볼 수 있는 현상을 제어합니다.
삼성전자에서는 Isolation의 ISO를 따와서 ISOCELL 이라는 이름을 붙여 브랜드화 하였고, 차세대의 기술을 접목하면서 ISOCELL에도 여러가지 Version이 생기게 됩니다.
위 자료에서 VTG(Vertical Transfer Gate) 개념이 소개되어있어 부연 설명을 드리면, DTI 구조로 인해 Photo Diode의 면적이 감소하게 되는데, 이를 보상하기 위해 Horizontal 하게 구획되어있던 Photo Diode와 Transistor의 영역구분을, Vertical로 바꾸어서 Photo Diode를 넓혀 이에 비례하는 특성인 Full Well Capacity를 높였다는 내용입니다.
Optical Crosstalk 줄이기 :
Color Filter 사이 Grid 구조
Optical Crosstalk은 빛의 입사각 또는 CF 모듈 내에서의 회절, 굴절로 인해 인접 Pixel로 빛이 새어나가는 것 입니다.
이를 제어하기 위해 최초에는 Color Filter 사이에 Fence 형태의 Grid를 형성함으로서, 경로가 잘못된 빛을 흡광시켜버림으로써 Noise를 줄였습니다.
그렇지만, Pixel 미세화에 따라 수광면적이 좁아지고 Signal이 줄어듬에 따라 Grid에 흡수되는 빛 마저 살려서 활용하려는 실험들이 시도됩니다. 그 결과, 삼성전자에는 기존의 Metal Grid 대신, 저굴절율을 가지는 물질로 대체하여 흡수가 아닌 반사 작용을 이용한 Grid 기술을 개발하는데 성공합니다.
이 신소재/신기술이 적용된 이미지센서를 ISOCELL Plus이라고 명명하고, 계속해서 양산해오고 있습니다.
BSI, DTI, CF Grid...
궁극적인 목표는 SNR 개선
이번 포스팅에서는 BSI 와 FSI 의 비교, 그리고 삼성전자에서 런칭한 ISOCELL 브랜드에 적용된 DTI (Deep Trench Isolation) 기술과 Grid 기술까지 다루어 보았는데요.
이 모든 기술들은 모두 SNR을 개선하기 위해 적용이 되었다는 점을 꼭 기억해야할 것 같습니다. 그 점을 이해하고 있다면, 이미지센서 기술 Trend의 큰 줄기는 물론, 앞으로 말씀드릴 이미지센서의 소재 기술의 Trend 또한 길을 잃지 않고 이해하실 수 있을 것이라고 생각합니다.
다음 포스팅에서는 Color Filter 소재에 대해서 소개하겠습니다.
[함께 읽으면 좋은 글]
https://www.androidauthority.com/isocell-how-it-works-344628/
