[광학 특집] 자율주행을 위한 이미지 센서의 기술 동향

2023.04.24 11:06:07

박상식 교수

[#강추 웨비나] 3D 공정 시뮬레이션 소프트웨어 “Autodesk FlexSim” 소개와 적용 사례 (7/24)

 

삼성전자는 갤럭시 S23 울트라에 0.6 μm 크기의 픽셀 2억 개를 집적한 이미지 센서 “아이소셀 HP2”를 탑재했다. 삼성전자는 또한 이보다 화소 크기를 더 줄인 0.56 μm 크기의 2억 화소 이미지 센서 “아이소셀 HP3”도 공개한 바 있다. 화소를 최대한 작게 만들어서 더 많은 화소를 형성함으로써 더 높은 공간 해상도, 즉 선명한 영상을 얻기 위해 지금도 많은 회사들이 치열하게 경쟁하고 있다.

 

샤오미에서는 1인치 크기의 소니의 5000만 화소 이미지센서 “IMX989” 를 채택했다. 화소가 크면 빛을 받는 면적이 늘어나서 신호가 증가하므로, 이미지 센서의 중요한 특성인 신호 대 잡음 비가 증가해서 더 품질이 우수한 영상을 얻을 수 있다. 화소의 축소에 의한 해상도 향상과, 화소의 크기를 적절히 유지함으로써 얻는 화질 향상이, 같은 기술의 서로 다른 양상을 보여준다.

 

반도체 기술의 발전에 따른 화소 크기의 단순한 감소는 쉽지만, 이미지 센서의 여러 가지 성능을 좋게 하면서 동시에 크기를 줄이는 것은 어려운 일이다. 해상도를 높이는 것은 당연한 방향이고, 감도, 잡음, 색상, 다이나믹 레인지(dynamic range), 속도 등 이미지 센서의 화질에 영향을 미치는 요소는 매우 다양하다.

 

 

모바일 폰과 더불어 크게 성장한 이미지 센서의 산업 규모는 차량용 블랙박스 카메라 시장의 전개에 따라 더욱 증가할 것으로 보인다. 지금까지의 이미지 센서 기술의 개발 경과를 짚어보고, 향후의 기술 방향을 예측해본다.

 

이미지 센서 방식의 진화 과정

 

최초의 상업적 이미지 센서는 1979년에 히타치(Hitachi)에서 출시된, 수동형 화소를 가지는 NMOS 방식이었다. 트랜지스터(Transistor) 한 개와 포토다이오드(photodiode) 한 개로 구성된 화소는 회로에서 발생하는 각종 잡음을 제거하는 기능이 없어서 화질은 좋지 않았다. 당시의 반도체 미세 공정으로는 이 이상의 기능을 집적하는 것이 어려웠기 때문이다.

 

그 뒤에 출시된, 훨씬 우수한 화질을 가지는 CCD(Charge Coupled Device) 방식 이미지 센서가 시장을 NMOS 방식 시장을 대체했다. CCD는 그림 2와 같이 화소 특성 불균일의 영향을 적게 받는 화소 구조로 돼 있어서 잡음 면에서 훨씬 우수한 특성을 보였고, 출력부에서 CDS(Correlated Double Sampling) 방식으로 잡음을 한번 더 제거해서 매우 깨끗한 영상을 얻을 수 있었기 때문에, 지금까지도 일부 카메라에 적용되고 있다.

 

CCD 이미지 센서는 화질이 우수하지만, 현재 모바일 폰 시장을 장악하고 있는 CMOS형 이미지 센서와 비교할 때 몇 가지 불리한 점이 있다. CCD 단일 칩만으로는 카메라를 구성하기 어렵기 때문에 여러 개의 칩으로 카메라를 구성해야 한다는 점과 이에 따른 전력 소비의 증가는 이동기기에의 적용에 불리하게 된다. 또한, 화소 구조가 전력 소모가 크게 돼 있고, 카메라에 필요한 각종 기능을 구현하는데 한계가 있다. 따라서 2000년대 들어서 급격히 성장한 핸드폰 카메라 시장에서는 CMOS형이 훨씬 유리한 위치를 차지했다.

 

CMOS 이미지 센서(CIS)는 각 화소에 회로를 만들어서, 포토다이오드에서 빛에 의해 발생한 전자를 화소에서 아날로그 전압으로 즉시 변환한다. 이것은 CMOS 회로가 있기 때문에 가능한 것이다. (참고로 CCD에서는 각 화소에서 전압으로 바꾸지 않고, 전자의 형태로 칩의 출력부까지 가서 전압으로 바뀐다.)

 

이 아날로그 전압은 그림과 같이 칩 내의 A/D 컨버터에 의해 디지털 신호로 바뀌게 된다. CIS에서는 CMOS 회로에 의해 구동 펄스 생성, 잡음 제거, A/D 변환 및 다양한 신호 처리까지 한 칩 내에서 가능하기 때문에 원칙적으로 원칩(One Chip)화가 가능해서, 카메라 모듈의 소형화에 큰 도움이 된다.

 

 

CIS는 초기에는 3개의 트랜지스터를 사용하는 구조로 개발됐다. 이 구조는 포토다이오드의 기생 용량에 충전된 전하가 빛에 의해 방전된 전압을 샘플링해서 각 화소에 들어오는 빛의 강약에 관한 신호전압으로 전달한다. 이 구조에서는 포토다이오드의 경계면에 드러난 pn 접합에서의 누설 전류가 존재하고, CDS(Correlated Double Sampling) 방식의 적용에 의한 잡음 제거가 불가능하고, 또한 고감도화가 어렵기 때문에, 신호 대 잡음 비가 낮다는 단점이 있었다.

 

초기에는 반도체 기술에 맞춰서 3-Tr 구조를 적용했지만, 세월이 흘러서 반도체 기술이 발전하면서 소자의 크기가 감소함에 따라 소자를 더 넣는 것이 가능하게 됐다.

 

3-Tr 구조의 단점은 4개의 트랜지스터로 구성되는 4-Tr 구조로 해결할 수 있었고, 현재까지도 이 구조를 기본으로 하고 있다. 이 구조의 가장 큰 장점은 신호 전자를 넘기기 전에 샘플링하고, 넘긴 후에 또 샘플링해서 두 신호를 뺌으로써 CDS(Correlated Double Sampling) 방식에 의한 순수한 신호 전자의 전달에 의한 전압 차를 얻어낼 수 있다는 점이다. 이에 따라 잡음이 획기적으로 감소하게 돼서 현재 최신인 2억 화소 이미지센서에도 이 구조가 적용되고 있다.

 

더 선명한 영상을 원하는 소비자의 목소리에 의해, 각 회사는 공간 해상도를 높이기 위해 화소 크기를 줄여서 더 많은 화소를 집적하는 노력을 계속했고, 이에 따라 화소 수가 점점 증가한 것이다.

 

1.75X1.75μm2 이상의 화소 크기가 주로 쓰인 2010년 이전에는 구조의 전면 조사형(Front Side Illumination)이 쓰였는데, 마이크로 렌즈와 칼라 필터를 통과한 빛이 금속 배선 사이를 지나서 포토다이오드에 이르는 구조로 돼 있다. 화소의 크기가 계속 줄어들면서, 빛이 금속 배선을 통과하기 위한 광 경로의 확보가 점점 어렵게 됐고, 이에 따라 적정 감도를 유지하기가 어렵게 됐다.

 

이 문제를 해결하기 위해 아래 그림 중 첫 번째 이미지 같은 라이트 글라이드(light guide)를 형성하게 됐다. 절연층 내의 금속 배선을 최대한 가늘게 해서 한 곳으로 몰아서 형성하고, 빛이 지나갈 부분의 절연층을 제거하고 그보다 굴절률이 높은 유기물질로 채우는 경우, 그 경계면에서 굴절률 차이로 인한 반사가 일어나게 되고, 빛이 인접 화소로 가거나 금속층에 의해 산란되는 현상을 막아서, 빛이 자기 화소의 수광부로 집광되게 만드는 것이다.

 

 

이러한 구조를 형성해서 빛의 집광 효율이 10~15% 정도 향상됐다. 화소 크기가 계속 줄어들어서 1.4X1.4 μm2 정도로 작아지면, 화소가 너무 좁아져서 라이트 글라이드를 형성해도 광 경로 확보가 어렵게 된다. 따라서 화소 크기가 1.4X1.4 μm2 이하로 작아지면서 새로운 구조가 필요하게 됐고, FSI 방식을 대신한 위 그림 중 두 번째 이미지와 같은 BSI(Back Side Illumination) 방식이 도입됐다.

 

BSI 방식에서는 디바이스 웨이퍼(device wafer) 표면에 포토다이오드를 포함한 화소 구조를 형성하고, 그 위에 보호막을 형성하고, 그 위에 또 다른 웨이퍼(handling wafer)를 본딩(bonding)으로 붙인다. 원래의 디바이스 웨이퍼를 기계적, 화학적 방법으로 갈아내서 2~2.5μm 정도로 얇게 만들어서, 빛이 뒤에서 들어올 수 있도록 한다(웨이퍼가 두꺼우면 빛이 포토다이오드에 이르기 전에 흡수되고 만다).

 

디바이스 웨이퍼의 갈아낸 표면에 컬러 필터(color filter) 및 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성해서, 빛이 디바이스 웨이퍼의 뒤에서 들어오게 하기 때문에 블랙 슬라이드 일루미네이션(Back Side Illumination, BSI)이라는 명칭이 붙게 됐다. 이 방식을 이용하면, 마이크로 렌즈에 의해 집광돼서 컬러 필터에서 걸러진 빛이 실리콘 포토다이오드에 이르는 데에 장애물이 없어져서 광 효율이 훨씬 높아진다.

 

금속 배선층을 비롯한 회로는 포토다이오드의 뒤쪽에 존재해서 빛에 전혀 장애물이 되지 않기 때문에, 금속 배선층을 비롯한 회로 구조 설계에 자유도가 높아져서 효율이 높아진다.

 

또한 포토다이오드가 마이크로렌즈와 컬러 필터의 광학적 구조물 바로 아래에 가까이 배치되기 때문에 광학적 구조물과 수광부가 훨씬 가깝게 된다. 이런 경우 빛이 어느 정도 기울어져도 다른 화소로 가는 비율이 낮아져서, 카메라 렌즈를 더 이미지센서에 가깝게 배치할 수 있게 되고, 따라서 카메라의 높이를 낮출 수 있어서, 핸드폰을 더 얇게 만들 수 있게 된다.

 

이 방식을 적용하기 위해서는, 웨이퍼를 균일하게, 흠 없이 잘 갈아내야 한다. 웨이퍼의 두께가 일정하지 않으면 두께에 따라 감도가 달라지고, 화면에는 얼룩으로 나타난다. 흠이 있으면 빛에 의하지 않은 전자가 발생해서 신호와 섞여서 화면에 흰 점이 발생하게 된다. 현재 이 BSI 기술은 많은 회사에서 채택하는 일반적인 기술이다.

 

BSI 방식에서는 화소 간의 경계면에 p+ 임플란트(implant)로 배리어(barrier)를 형성해서 신호 전자가 넘어가지 못하도록 함으로써 화소 분리를 한다. 그러나, 배리어에 의한 전위 장벽은 높이가 유한하기 때문에 신호 전자가 인접 화소로 넘어가서 혼색이 발생할 수 있다.

 

그리고 전위 장벽은 빛과 무관하기 때문에 빛이 인접 화소로 넘어가는 것을 막을 수 없다. 이러한 혼색 현상을 막고, 전자를 저장할 수 있는 용량을 늘리기 위해, 화소 사이를 완벽하게 분리하는 방법을 찾게 됐다. 아이솔레이션 픽셀(isolation pixel, ISOcell)은 화소와 화소 사이의 실리콘을 아주 좁게 에칭(etching)해서 틈을 만들고, 그 틈에 절연층을 채워서 화소 사이를 전기적으로 완전하게 분리한다.

 

절연층은 전자가 통과하지 못하기 때문에, 완전한 분리 기능을 할 수 있고, 또한 빛도 실리콘과 절연층의 굴절률 차이 때문에 반사가 일어나서 화소 사이를 쉽게 넘나들지 못한다. 이 방식을 채택하면, 감도 향상, 혼색 방지, 신호 저장 용량 향상의 이익뿐만 아니라, 빛이 기울어지는 것에 대한 감도 저하가 덜 일어나서, 렌즈를 이미지센서 가까이에 배치할 수 있어서, 카메라 모듈 높이가 낮아지게 된다.

 

절연층 자체는 감도에 기여하지 못하기 때문에, 화소 사이의 실리콘을 가능한 한 얇게, 또 균일하게 흠 없이 에칭해 내는 것이 이 기술의 핵심이다. 이 방식은 기술이 앞선 회사에서 이미 채택하고 있고, 현재로서는 가장 앞선 기술에 해당한다.

 

카메라의 크기는 핸드폰의 두께에 미치는 영향이 크기 때문에 가능하면 작아야 한다. 그러면서도 화소에 빛이 들어와야 하기 때문에 이미지 센서가 렌즈 뒤에 위치해야 한다. 렌즈 뒤에 있어야 하는 것은 빛을 직접 받아들이는 수광부뿐이다. 면적을 작게 하기 위해, 수광부 이외의 메모리, 신호처리 부분은 별도의 칩에 형성해서 화소 어레이(array) 아래에 놓고, 실리콘 관통전극(Through Silicon Via)을 형성해서 신호를 주고받는 스택 구조가 이용되고 있다.

 

이 구조에서 삼성전자의 경우 화소 어레이 칩 아래 3G DRAM을 배치해서 여러 프레임의 화소 신호를 일단 DRAM에 저장하고, 이 신호를 차례로 맨 밑의 로직 칩(logic chip)으로 전달해서 처리하는 방법을 쓴다. 이렇게 해서 960 f/s의 슬로우 모션 기능을 구현하고 있다.


향후의 이미지 센서의 발전

 

 

현재의 이미지 센서 방식에서는 어느 제품이나 실리콘 pn 접합으로 빛을 받아들인다. 실리콘 pn 접합은 그 기술이 오랜 기간에 걸쳐 발달돼 왔고, 매우 적은 역방향 누설 전류 특성을 가지고 있기 때문에 아직 널리 쓰이는 것이다.

 

그러나, pn 접합의 집광 효율이 80%를 넘어서기 어렵고, 색 구현을 위해 칼라 필터에 의해 소중한 신호인 입사광의 평균 70%를 버리게 된다. 이러한 손실을 막기 위해 새로운 수광부를 연구하는 그룹이 있다. 특히 최근에는 실리콘 pn 접합보다 훨씬 우수한 빛 흡수 특성을 가지는 그림 12와 같은 유기물질 수광부의 연구가 활발하다.

 

유기물질은 특정 파장 범위에서만 광 도전성을 보이게 할 수 있기 때문에 칼라 필터가 필요 없어져서 빛의 효율은 더욱 우수하게 된다. 유기물질 수광부의 경우, 감도가 높은 대신에 잡음 제거, 신뢰성 및 암전류 특성의 확보가 이미지센서에의 적용에 중요한 기술적 요소가 되고 있다.

 

DB하이텍은 자동차, 로봇 및 다양한 산업 분야에서 각광받는 글로벌 셔터와 SPAD(단일광자 포토다이오드)에 특화된 파운드리 공정 기술을 확보해, 부가가치가 높은 이미지센서 사업 확대에 나선다고 2023년 초에 밝혔다.

 

SPAD(single photon avalanche detector)는 광자(photon) 하나하나에 신호를 내주기 때문에 극히 어두운 조명에서도 정확한 광신호를 감지할 수 있다. 특정 구조를 응용하면, 카메라에서 빛을 보내서 물체에 반사돼서 돌아오는 시간을 측정해서 거리로 환산하는 것이 가능하게 되고, 3D 영상의 촬영도 가능하게 된다. 자동차의 카메라에는 거리 측정이 매우 중요하기 때문에 차량용 LiDAR 카메라에의 응용이 앞으로 더욱 커질 것으로 기대된다.

 

사람의 눈의 망막은 곡면으로 돼 있어서 수정체라는 하나의 렌즈로 초점 형성이 가능한 반면에, 현재의 이미지센서는 평면의 실리콘 표면에 형성하기 때문에 여러 개의 렌즈가 필요하다. 이런 점을 개선하기 위해 곡면의 이미지 센서를 연구하는 그룹이 있다. 이 경우는 사람의 눈처럼 광학계가 간단해지기 때문에 여러 가지 장점이 생긴다. 이러한 구조도 향후에 나타나게 될 중요한 기술로 기대된다.

 

세종대학교 박상식 교수 |

 

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