이미지 센서 기술의 동향

1979년에 Hitachi에서 출시된 최초의 상업적 이미지 센서 제품은 수동형 화소를 가지는 NMOS 방식이었다.
트랜지스터(transistor) 한 개와 포토다이오드(photo diode) 한 개로 구성된 화소는 지금처럼 잡음 제거를 하는 기능이 없었기 때문에, 바탕에 깔리는 고정 패턴 잡음(Fixed Pattern Noise)과 시변 잡음(random noise)이 매우 커서 화질은 매우 열악했다. 그러나 이 제품을 시작으로 일반인도 동영상을 찍을 수 있게 됐고, 관련 기술이 급격히 발전하게 됐다. 이 제품은 포토다이오드에 미리 충전된 전하가 빛에 의해 방전된 만큼 재충전하는 전류를 축적해서 신호로 만드는 방식으로서, 광전류가 극히 약해서 S/N 비가 나빴던 것이다. 이 제품은 그 뒤에 출시된 CCD(Charge Coupled Device) 방식 이미지 센서에 의해 곧 시장에서 사라졌다.

CCD 방식 이미지 센서 <그림 2>는 포토다이오드에서 빛에 의해 발생한 전자를 CCD의 동작을 이용해서 출력부로 이동시켜, 커패시터(capacitor)에서 아날로그 전압으로 바꾸는 방식이다. 전자를 이동시키는 과정에서 전자 수에만 변화가 생기지 않는다면 잡음을 탈 이유가 없고, 출력부에서 CDS(Correlated Double Sampling) 방식으로 잡음을 걸러내기 때문에 화질이 우수해서, 지금까지도 일부 카메라 제품에 사용되고 있다. 현재에는 100㎠의 면적에 250M개의 화소를 가지는 초고해상도 제품이 Dalsa에서 발표되고 있다.

CCD 이미지 센서는 화질이 우수하지만, 몇 가지 불리한 점이 있었다. CCD 공정은 일반적인 CMOS 공정과는 꽤 큰 차이가 있어서 CMOS 회로와 단일 칩으로 만드는 것이 힘들다. 따라서 CCD 이미지 센서만으로는 카메라를 구성할 수 없고 반드시 2~3 개의 다른 IC와 같이 카메라를 만들어야 한다. 이런 경우 카메라의 크기와 전력 소모가 늘어나서 모바일 기기에 적용하기 어렵게 된다. 또한 CCD는 읽고 있지 않은 행까지 포함해서 모든 행을 무조건 계속 구동해야 하기 때문에 전력 소모가 CMOS 형에 비해 수십 배 크다. 이러한 점은 소형, 경량, 저전력을 추구하는 모바일 기기에 매우 불리한 특성이기 때문에, 2000년대 들어서 급격히 성장한 핸드폰 카메라 시장에서 곧바로 CMOS형에게 시장을 내주고 말았다.

CMOS 이미지 센서 (CIS) 는 모든 화소에 회로를 만들어 포토 다이오드에서 빛에 의해 발생한 전자를 화소 내의 회로에서 아날로그 전압으로 바꾼다.
<그림 4>의 아날로그 전압은 NMOS 스위치에 의해 공통 수직 신호선에 연결되고, 각 신호선의 A/D 컨버터가 이 아날로그 신호를 디지털로 바꾸게 된다. CIS에서는 CMOS 회로에 의해 구동 펄스 공급, 잡음 제거, ADC 및 신호 처리까지 한 칩 내에서 가능하기 때문에 원칙적으로 1-칩화가 가능하다. 이 점은 CIS 카메라 모듈의 소형화에 크게 유리하게 작용한다. 또한, 모든 화소를 언제나 구동하고 있어야 하는 CCD와는 달리, CIS 에서는 읽어내는 행의 화소만 구동을 시키고, 나머지 행은 구동을 시키지 않기 때문에 전력 소모 면에서 CCD보다 훨씬 유리하다. 이는 모바일 기기를 위한 응용에 절대적으로 유리한 면이다. 이러한 이유로 CIS는 휴대전화 시장에서 CCD와는 비교할 수 없는 우수한 성능을 자랑할 수 있게 됐다.

더 선명한 영상을 요구하는 소비자의 목소리에 따라 화소 수를 늘려 공간 해상도를 높이는 노력이 계속됐고, 이는 필연적으로 화소 크기의 감소를 불러왔다.
단순히 화소 면적만 줄일 경우, 빛을 받는 면적이 줄어들어서, 광량 감소에 따른 신호 감소로 S/N 비가 낮아진다. 따라서 화소 면적의 감소와 함께 잡음의 감소에도 더욱 큰 노력이 필요했다. 1.75㎛²이상의 화소 크기가 주로 쓰인 2010년 이전에는 전면 조사형 (Front Side Illumination)이 쓰였는데, 이는 가장 기본적인 구조로서 오랜 동안 사용된 구조였다.

<그림 6>에 2.8㎛²의 화소 크기를 가지는 CIS의 화소 부분의 사진과 칩 상단 및 단면의 전자현미경 사진을 보여준다. 화소 부분의 사진<그림 6(a)>에서 실제로 보이는 것은 화소 위에 형성된 유기물질 컬러 필터(color filter)와 마이크로 렌즈(micro lens)가 보이는 것이고, 실리콘 수광부는 그 아래에 형성돼 있다. <그림 6(b)>의 상단부 사진은 마이크로 렌즈를 보여주는데, 역시 유기물질로 한 화소 당 하나씩 형성된다. <그림 6(c)>의 단면에 위에서부터 마이크로 렌즈, 컬러 필터, 절연층과 그 안의 금속 배선층, 그리고 가장 아래의 실리콘 수광부를 볼 수 있다. 이 경우는 크기가 2.8㎛²로 비교적 넓은 경우에 해당하기 때문에 입사된 빛이 실리콘 수광부에 도달하는데 별 어려움이 없다.

그러나 화소 크기가 줄어들어서 1.75㎛²정도로 작아지면 <그림 7>처럼 입사광이 실리콘 수광부로 가는 경로에 장애물이 많아져서 광 경로 확보가 어렵게 된다. 또한 입사광이 다른 화소로 침투해가는 이른바 혼색 현상(crosstalk)이 나타나게 된다.
이를 해결하기 위해 <그림 8>처럼 라이트 가이드(light guide)를 형성해서 빛이 자기 화소의 실리콘 수광부로 잘 갈 수 있는 구조를 형성한다. 절연층 내의 금속 배선층을 최대한 가늘게 해서 한 곳으로 몰아서 형성하고, 광 경로 부분의 절연층을 제거하고 그보다 굴절률이 높은 물질로 채우는 경우, 그 경계면에서 반사가 일어나서 빛은 자기 화소의 수광부로 가게 만드는 것이다. 이러한 구조를 형성해서 빛의 집광 효율을 10~15% 향상시키는 것이 가능하다.
화소 크기가 1.4㎛²정도로 작아지면 라이트 가이드를 형성하는 방법을 써도 광 경로 확보가 어렵게 된다. 금속 배선층의 크기를 한 없이 줄일 수도 없고, 그 높이를 줄이는데도 한계가 있기 때문이다. 특히 화소 크기가 줄어들면 광전 변환 효율을 높이기 위해 실리콘 수광부를 깊게 형성시키는데, 기울어진 빛이 들어올 경우 인접 화소로 빛이 넘어가는 비율이 높아져서 혼색 현상 특성이 급격히 나빠지게 된다. 따라서 화소 크기가 1.4㎛²이하로 작아지면 FSI 방식을 더 이상 쓸 수 없게 된다. 그래서 <그림 9>와 같은 BSI(Back Side Illumination) 방식이 도입됐다.
BSI 방식은 디바이스 웨이퍼(device wafer) 표면에 포토다이오드, 읽어내기 회로, 금속 배선층 등을 형성하고, 그 위에 보호막을 형성한다. 그 다음에 또 다른 웨이퍼(handling wafer)를 원래의 디바이스 웨이퍼위에 본딩(bonding)으로 붙인다. 그 다음에 원래의 디바이스 웨이퍼를 기계적, 화학적 방법으로 갈아내서 2㎛ 정도로 얇게 만든다. 웨이퍼가 두께우면 뒤에서 들어온 빛이 통과하지 못하기 때문에 얇게 만드는 것이다. 얇게 만든 표면에 보호층을 만들고, 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 형성한다. 디바이스 웨이퍼를 갈아 얇게 만들어 빛이 웨이퍼의 뒤에서 들어오게 하기 때문에 ‘Back Side Illumination’ 이라는 명칭이 붙게 됐다. 이 방식을 이용하면 빛이 마이크로 렌즈에 의해 집광돼 컬러 필터에서 걸러지기 때문에, 실리콘 포토다이오드에 이르는 광 경로에 장애물이 없어져 광 효율이 훨씬 높아진다. 금속 배선층은 포토다이오드의 뒤쪽에 존재하기 때문에 전혀 장애물이 되지 않고, 오히려, 금속 배선층 설계에 제한이 없어지게 된다. 또한 마이크로렌즈와 컬러 필터의 광학적 구조물과 포토다이오드 사이에 있던 절연층도 광 경로 뒤로 가게 돼서 광학적 구조물과 수광부가 훨씬 가깝게 된다. 이런 경우 빛이 어느 정도 기울어져도 다른 화소로 가게 되는 비율이 낮아져서 혼색 현상이 개선된다.
이와 같이, BSI 방식에 의해 광 효율이 개선돼서 감도가 40% 정도 개선이 되고, 동시에 혼색 현상도 30% 정도 개선이 가능하다. 이 방식을 적용하는 데는, 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 기술, 웨이퍼를 갈아내는 기술, 두께의 균일도 확보와 표면 처리 기술 등이 필요하다. 특히 갈아낸 후의 웨이퍼 표면 처리를 불충분하게 하면 다크 레벨(dark level)에 의한 잡음이 심해지고, 두께의 균일도에 문제가 생기면 감도의 편차가 발생한다. 현재 이 기술은 삼성전자에서 100% 채택하는 등, 가장 보편적인 기술이 돼 있다.
<그림 9>의 BSI 방식에서 포토다이오드는 통상 p+ implant로 배리어(barrier)를 형성해서 화소와 화소 사이를 분리한다. 즉 각 화소에서 발생한 전자가 배리어에 의해 분리돼서 자기 화소의 신호 전자로 기여하게 된다. 그러나 화소가 깊어지고 면적이 작아짐에 따라 배리어를 형성하는데 많은 공간을 필요로 해서 실제 수광 영역의 손실이 발생하고, 또 배리어 기능도 완전하지 않게 돼서 신호 전자가 인접 화소로 넘어가 버리는 혼색 현상을 완벽하게 막을 수 없다.

통상의 4개의 트랜지스터를 쓰는 방식이 <그림 11(a)>에 나타나있다. 이 중에서 ΦSEL 은 공통 수직 신호선에 달려있는 수많은 화소들 중 읽어내는 화소를 선택하는 기능을 한다. 즉 ΦSEL=0 인 화소는 분리되고 단 하나의 화소만 ΦSEL=1 을 인가해서 신호선과 연결한다. 만일 이 선택 트랜지스터(selection transistor)를 생략할 수 있다면 화소의 면적 감소에 도움이 될 것이다. 더구나, ΦSEL 을 인가하는 신호선도 없어져서 면적 및 금속 배선층 감소에도 유리하게 된다.
<그림 11(b)>는 선택 트랜지스터를 생략한 구조를 보인다. 원래 이 트랜지스터가 있던 자리는 영구적으로 연결되어 있고, 그 대신 리셋 드레인(reset drain) 전원이 클록(clock)으로 바뀌었다. 이 화소를 공통 수직 신호선에서 분리하고자 할 때는 ΦDD=0인 상태에서 ΦRS를 ON-OFF 동작을 시키게 된다. 이 경우, ΦRS가 ON 상태로 되었을 때 ΦDD=0 때문에 플로팅확산 커패시터(floating diffusion capacitor)에는 0이 저장된다. ΦRS가 OFF 상태로 돌아가면 저장된 0은 방전될 길이 없다. 따라서 amp 트랜지스터는 OFF 상태가 지속되고, 다시 이 화소의 순서가 올 때까지 이 화소는 공통 수직 신호선에서 분리된 상태로 있게 된다. 이 화소를 읽어내는 순서가 돌아오면 ΦDD=1인 상태에서 ΦRS를 ON-OFF 동작을 시키게 된다. 이 때는 플로팅 확산이 1의 상태가 돼서 리셋 동작이 진행되고, 그 순간 amp 트랜지스터는 ON 상태가 돼서 이 화소는 수직 신호선에 연결이 된다. 읽어내기 동작이 완성된 후에는 다시 ΦDD=0인 상태에서 ΦRS를 ON-OFF 동작을 시켜서 화소를 신호선에서 분리해 준다. 이렇게 해서 트랜지스터 하나와 신호선 하나를 줄이는 것이 가능해지기 때문에 이 방법이 많이 쓰이게 됐다.

CIS에서는 한 행의 화소를 읽고 있을 때, 나머지 행은 신호선에서 분리돼 있고, 트랜스퍼 게이트(transfer gate)가 포토다이오드의 축적 신호를 보존하고 있는 것 외에는 다른 트랜지스터들은 하는 일이 없다. 따라서 2개 또는 4개의 화소가 안 쓰이는 트랜지스터를 공유하게 되면 면적상으로 이익이 된다. <그림 12>는 4개의 화소가 7개의 transistor를 공유하는 구조를 보여준다.
각각의 화소는 트랜스퍼 게이트를 별도로 가지고 있고, 리셋, 선택 및 amp 트랜지스터는 공유 한다. 리셋과 트랜스퍼를 차례로 행하면 되기 때문에 읽는데도 아무 지장이 없다. 원래 16개의 트랜지스터를 사용해야 하지만, 공유를 통해 화소 하나 당 1.75개의 트랜지스터를 쓰는 구조가 돼 면적 효율에 유리하다. 회사에 따라 2개 혹은 4개의 화소를 묶어서 공유 구조로 사용하기도 한다. 레이아웃(Layout)을 하면 4개의 화소에 대칭성이 확보가 안 되는데, 같은 컬러의 화소는 같은 상황으로 주어지기 때문에 균일도 문제는 발생하지 않는다.

컬러 필터의 배열은 <그림 13(a)>처럼 4개 단위로 녹색 2개가 대각선 방향으로 배치되고, 적색과 청색이 각각 하나씩 배치된다. 사람의 눈은 555㎚의 연두색 빛에 가장 많은 영향을 받기 때문에 그와 가까운 녹색 화소를 2배가 되도록 배치한 것이다. 최근에는 R, G, B를 같은 해상도로 하고 S/N비를 향상시키는 방법을 찾게 됐다. 즉 녹색도 한 화소만 배치하고, 다른 하나는 백색 화소(또는 투명 화소)로 배치해서 <그림 13(b)>와 같이 배치한다. <그림 13(c)>처럼 주변의 R, G, B화소 신호의 비율대로 백색 화소로부터의 신호를 배분해, 또 한 세트의 R, G, B 신호를 얻어내는 것이다. 이렇게 되면 R, B 신호는 종래에 비해 2배가 되서 S/N비가 증가하고, 또한 G 신호는 종래에 비해 변함이 없는데, 실은 백색 화소로부터 얻은 G 신호가 녹색 화소에서 얻은 G 신호보다 많기 때문에 G 신호의 S/N비도 약간 증가한다.
이 방식에서 나타날 수 있는 문제는, R, G, B화소보다 백색 화소의 수광 능력이 훨씬 높기 때문에 종래에 비해 백색 화소가 훨씬 빨리 포화된다는 점이다. 따라서 이 RGBW 방식을 이용하기 위해서는, 화소의 포화에 대응할 수 있는 HDR(high dynamic range) 기술의 적용이 반드시 필요하다.
최근에는 사람의 눈에는 안 보이는 매우 어두운 영상을 촬상하고자 하는 시도가 많아졌다.

가시광선의 양이 절대적으로 부족한 환경에서는 적외선이라도 추가적으로 이용하는 것이 하나의 방법인데, 실리콘의 흡수 파장 영역이 1100㎚까지이므로 근적외선은 깊은 실리콘 포토다이오드를 이용해서 수광이 가능하다.
기존의 가시광선은 실리콘 표면에 형성된 통상의 수광부에서 수광하고, 근적외선은 실리콘 깊은 곳에 두껍게 위치한 수광부에서 수광한다. 이렇게 해서 가시광선이 충분할 때에는 가시광선만, 부족한 경우에는 근적외선 영상을 함께 수광하므로써, 어두운 영상을 보다 선명하게 얻을 수 있는 것이다.
어두운 영상을 선명하게 얻는 또 하나의 방법은 작은 신호 전자를 증폭하는 것이다. 이 방법에서는 잡음을 같이 증폭시키지 않는 것이 핵심인데, CCD에서 신호 전자가 출력부에 도달하기 전에는 아직 잡음이 섞이기 전이므로 이때 증폭하는 것이 효과적이다.

현재의 이미지 센서 방식에서 느끼는 문제점을 보면 향후의 제품 방향을 예측할 수 있다. 지금까지의 흐름을 보면, 감도, 혼색 현상 의 문제를 해결하기 위해 FSI 방식에서 BSI 방식, ISOcell 구조 등이 나오게 됐다. 근본적으로 이러한 문제를 벗어나는 것은 수광부가 실리콘에서 벗어나 전혀 다른 박막으로 형성되는 것이다.
실리콘 웨이퍼에 읽어내기 회로를 형성하고 전극을 만들어서 그 위에 광 도전성 유기물질을 적층한다. 특정 파장을 수광하는 유기물질이나 전체 가시광선을 모두 수광하는 유기물질이 많이 알려져 있다. 이 방식에서는 컬러 필터 바로 밑에 수광층을 만들게 되고, 광 경로 상에 장애물이 전혀 없어서 자유로운 설계가 가능하다. 또한 유기물질의 조성을 조절해서 수광 파장이나 감도 등을 마음대로 조절할 수 있다는 장점이 있다. 유기 물질의 신뢰도, 공정 재현성, 균일도 및 결함 제거에 관한 기술이 날로 발전하고 있기 때문에 조만간 보편화될 가능성이 높다.
반도체 기술의 발전 속도로 보면, 화소의 크기는 계속해서 줄어들 것은 자명하다. 먼 훗날에는 크기가 0.1㎛이하로 줄어들 날도 오게 될 텐데, 이 때에는 한 화소에 한 프레임에 광자 한 개가 들어오거나 안 들어오는 정도의 상황이 된다. 따라서 화소의 신호는 지금처럼 한 프레임에 전자 몇 개가 아니고, 한 프레임에 광자를 받았는지 안 받았는지의 디지털 출력이 될 것이다.