끊임없이 진화하는 CMOS 이미지 센서

얼마 전 출시된 삼성전자의 갤럭시 S5에 1600만 화소의 CIS(CMOS Image Sensor)가 적용됐다. 1979년 히타치(Hitachi)에서 18만 화소 MOS형 이미지 센서를 출시한 이후, 35년만에 화소수가 거의 1000배에 달하게 된 것. 이와 관련, 본지에서는 성능과 사양 면에서 끝없는 경쟁을 벌이고 있는 CMOS 이미지 센서에 대해 알아본다.


이미지 센서의 분류

이미지 센서는 구조에 따라 크게 CCD(전하결합소자, Charge Coupled Device)형과 CMOS (상보성 금속산화물반도체, Complementary Metal Oxide Semiconductor)형으로 나눌 수 있다.
4개의 화소를 가진 CCD형 이미지 센서는 그림 1과 같이 신호가 전달된다. 광학 렌즈에 의해 이미지 센서의 표면에 영상이 맺히면, 각 화소는 정해진 시간(1field) 동안 그 위치에 들어온 빛의 세기에 비례하는 수의 신호 전자 그룹을 만든다.
이 전자 그룹은 ФF 펄스에 의해 수직 전송단으로 옮겨지고, 또 다른 펄스 ФV에 의해 수평 전송단까지 서로 섞이지 않게 옮겨진다. 수평 전송단에서는 수직 전송단에서 전달된 전자 그룹이 서로 섞이지 않도록 ФH로 출력부까지 전송한다. 출력부에서는 각 화소에서 출발한 전자 그룹이 넘어오는 순서대로 전자 수에 비례하는 아날로그 전압으로 변환, 핀을 통해 차례대로 외부로 출력한다.
CCD형의 가장 큰 특징은 빛에 의해 각 화소에서 발생한 신호 전자 그룹을, CCD 구조의 게이트에 인가된 펄스에 의해 출력부로 이동시켜 출력부에서 전압으로 변환시킨 후 차례대로 내보내는 것이다. 즉, 각 화소에서 발생한 전자의 수는 출력부에 이르기까지 빛에 관한 정보가 된다.
전자를 직접 전송하는 CCD 이미지 센서와 달리, CMOS형 이미지 센서(CIS ; CMOS Image Sensor)는 마치 DRAM 셀처럼 화소에서 바로 전압으로 신호 전자가 변환된다.
화소에 들어 있는 트랜지스터 또는 수직 신호선마다 연결된 회로의 불균일성으로 인한 화면 결함을 방지하기 위한 기술이 필요해진다. 또한 신호가 전압 형태로 전달되므로, 전압을 전달하는 과정에서 발생하거나 외부에서 유입되는 잡음이 신호에 섞여 들어갈 가능성이 크다. 따라서 이러한 랜덤 잡음을 감소시키기 위한 여러 가지 기술도 필요하다.[1]


CDS(Correlated Double Sampling), AGC(Auto Gain Control), A/D 변환기(Analog to Digital Converter) 등과 같이 CCD형 이미지 센서의 외부에 있던 기능들이, CMOS형 이미지 센서에서는 칩 내부로 집적될 수 있다.
또한 칩 구동 신호를 만들어 주는 TG(Timing Generator)도 칩 내부에 집적될 뿐만 아니라 구동 전압이 낮기 때문에 모든 기능을 원칩화 할 수 있다는 점이 CMOS형 이미지 센서의 가장 큰 장점이다.


낮은 구동 전압을 사용하므로 전력 소모 또한 낮아 건전지의 사용 시간을 연장시킬 수 있다. 그 외에도 영상 신호 처리 등 논리 회로의 집적화로 COC(Camera On a Chip)가 가능하다는 점이 매력적인 요소이다. 이러한 이유 때문에 현재 이미지 센서 시장의 95%를 CIS가 차지하고 있다. 그림 3은 CMOS 이미지 센서의 레이아웃과 기능을 나타낸 것이다.
타이밍 회로에서 구동 펄스를 만들어 화소 부분을 구동시켜 얻은 신호를 샘플링하고, CDS를 통해 잡음을 제거하며 게인을 조정한 후 불균일성을 제거하고 디지털 신호로 바꾸게 된다. 뒤에 있는 ISP(Image Signal Process) 회로에서는 여러 가지 신호 처리가 가능하다. CCD처럼 무조건 한 줄로 신호를 뽑아내지는 않으므로, 센서 화소들 중 원하는 지역의 신호만 선별적으로 연결, 출력하는 랜덤 액세스 기능도 CMOS형 이미지 센서의 장점이라고 할 수 있다.[2]

이미지 센서의 동작

그림 4는 4-Tr 화소를 쓰는 이미지 센서의 구조이다. 즉 빛을 받아 신호 전자를 만드는 포토다이오드와 트랜지스터 회로가 전달 트랜지스터에 의해 분리되고, 전달 트랜지스터가 OFF되었을 때에는 트랜지스터 회로의 동작이 신호 전자에 영향을 주지 않는다.
일정 시간 동안 신호 전자가 포토다이오드에 쌓이면, 선택 트랜지스터(ФSL)가 ON 상태로 된 후에 먼저 리셋 트랜지스터(ФRS)가 ON-OFF되어 증폭 트랜지스터 게이트의 기생 커패시터(FD) 전압이 리셋된다. 이 때 먼저 신호를 한번 읽어낸다(리셋 전압). 그 직후에 전달 트랜지스터(ФTG)가 ON-OFF되어 포토다이오드의 전자가 FD로 옮겨진다. 그리고 곧바로 또 한번 읽어내, 앞에서 읽은 리셋 전압과의 차이를 그 화소의 영상신호로 저장하는 방식이다.
이 구조에서도 리셋 동작이 있으므로 리셋 트랜지스터의 OFF 동작 시 FD에 불규칙적인 전압(리셋 잡음)이 형성된다. 그러나 이 불규칙적인 전압을 먼저 측정하고 그 상태에서 FD에 신호 전자를 넘긴 후, 다시 FD의 전압을 읽어내 앞에서 측정한 리셋 전압을 빼므로, 불규칙적인 전압은 정확히 제거된다. 이 동작은 CCD의 출력부와 동일한 동작이며, CIS의 잡음 제거에 큰 도움을 준다.
3-Tr 구조에서 신호를 크게 하기 위해 포토다이오드의 면적을 키울 경우, 포토다이오드의 커패시턴스(CPD)도 같이 커져 S/N 비를 높일 수 없다. 4-Tr 구조에서는 전압이 포토다이오드에서 측정되는 것이 아니며, CPD보다 훨씬 작은 커패시턴스(CFD)를 가진 FD에서 측정되므로 CPD는 읽어내는 전압과 아무 관련이 없다. 즉 출력 전압은 ΔV＝ΔQ/CFD의 식으로 나타낼 수 있다. 한 화소에 트랜지스터의 개수가 늘어나 개구율이 작아지기는 하지만, 이렇게 하면 포토다이오드의 면적을 넓히는 만큼 전자 수가 늘어나 S/N 비가 높아지고 화질이 우수해진다.
4-Tr 구조에서는 포토다이오드의 n형이 전달 트랜지스터의 소스를 형성하므로 포토다이오드의 전압을 별도로 연결할 필요가 없어 콘택트가 필요 없다. 즉 포토다이오드가 실리콘 표면에 노출되지 않아도 되므로, 실리콘 표면에 의한 누설 전류가 없어 화질이 깨끗해진다.
CIS가 CCD보다 화질이 떨어지는 이유 중 하나가, 각 수직 열마다 존재하는 S/H 회로와 CDS 회로 및 ADC 회로의 불균일성에 의해 나타나는 수직 FPN 때문이다. OB 화소에 의한 보정을 실시한다고 해도 완벽하지는 못하므로, 특히 저조도에서의 화면에 수직 선이 보이게 된다.
따라서 이러한 동작들을 CCD와 같이 하나의 회로에서 수행하면 불균일성에 의한 화질 악화를 줄일 수 있다. 3-Tr이나 4-Tr CIS에서 하나의 회로로 수행하기 어려운 이유는, 한 라인에서 TG가 동시에 일어나 각 화소의 TG 전후 신호를 연속적으로 만들 수 없기 때문이다. 즉, 한 행의 화소에서 동시에 TG 동작이 일어나 각 수직 신호선에 한 행의 신호를 한꺼번에 내보내기 때문에, 하나의 출력 회로로는 이들 신호를 한꺼번에 처리할 수 없는 것이다. CCD에서는 신호 전자가 순차적으로 출력되므로, 하나의 출력 회로로 처리할 수 있다. CIS에서는 5개의 트랜지스터를 사용하여 한 행의 신호를 순차적으로 TG 동작되도록 할 수 있다.
그림 5는 5개의 트랜지스터를 사용하여 순차적으로 신호가 나오는 회로를 나타낸 것이다.[7] 이 회로가 4-Tr 구조와 다른 점은, TG 신호가 한 라인이 아닌 각 화소별로 인가된다는 점이다. 즉, 선택된 수평 라인의 화소에 대해 차례대로 TG 펄스가 인가되는 것이다. 따라서 한 화소 단위로 리셋 전후의 신호를 확보할 수 있다. 즉, 각 화소의 리셋 레벨과 신호 레벨이 연속으로 출력되는 것이다. 그러므로 하나의 출력 회로에서 모든 화소의 신호를 순차적으로 처리할 수 있어 균일도가 좋아진다. 이러한 동작을 실행하기 위해서는 출력 회로, 특히 ADC의 동작 속도가 빨라야 한다.

차세대 이미지 센서의 흐름

이미지 센서 기술은 1970년경 CCD와 MOS 스위치를 이용한 반도체 촬상의 개념이 나타난 이후, CCD형과 CIS형 모두 각각의 장점을 살리면서 발전을 거듭해왔다. 이러한 성장은 주로 CIS의 성장에 기인하지만, CCD형은 그 나름대로 우수한 저조도 화질을 바탕으로 하여 앞으로도 시장의 일부를 계속 점할 수 있을 것으로 예상된다.
이러한 이미지 센서의 특성을 획기적으로 개선시키거나 특별한 용도에 보다 적합한 이미지 센서를 개발하기 위한 노력은 지금도 계속되고 있다.[3]

1. 광 도전막 구조
현재 시판되고 있는 이미지 센서는 수광부에 실리콘 단결정의 pn 구조를 사용한다. 빛을 받는 수광부 이외의 화소 부분은 차광막으로 덮여 있다. 따라서 차광막으로 덮인 부분에 입사하는 빛을 마이크로 렌즈 등으로 수광부에 집광하여 광 효율을 높이지만, 공정이 번거로울 뿐만 아니라 효율도 완전하지 않다.
그림 6의 구조는 이러한 마이크로 렌즈 없이 화소의 전체 면적이 수광부가 되도록 하는 방법 중 하나이다.[4] DRAM 셀과 비슷한 구조의 상부에 광도전막이 적층되어 있고, 그 표면에 ITO 등의 투명 전극이 있다.
광 도전막은 빛이 들어오면 빛에 비례하는 전자-정공 쌍이 발생하여 전류가 흐르고, 빛이 없으면 전류가 흐르지 않는 특성이 있다.
리셋은 신호선을 통해 VDD 전압을 가하여 광 도전막 아래의 금속 전극을 VDD로 충전하는 것이다. 한 필드를 기다리는 동안 빛이 들어오지 않는 화소는 전극의 전압이 그대로 유지된다. 또한 빛이 들어오는 화소에는 광 도전막에 전자-정공 쌍이 발생하여 전자는 높은 전압인 전극으로, 정공은 0V가 인가된 표면의 도전층으로 이동한다. 즉, 빛이 전극을 방전시켜 전극의 전압을 감소시킨다.
따라서, 한 필드 후의 전극 전압을 신호선으로 읽으면, 이 전압이 곧 광 정보가 되는 것이다.
이 구조의 장점은, 전체 화소 면적이 빛을 받는 수광부가 되므로 개구율이 100%가 되고 마이크로 렌즈가 필요 없다는 것이다. 그러나, 광 도전막의 균일도가 좋고 누설 전류가 적어야 깨끗한 화질을 얻을 수 있다.
현재 많이 연구되고 있는 아몰퍼스 실리콘이나 아몰퍼스 셀레늄은 균일도와 누설 전류 면에서 아직 개선할 점이 많다. 따라서 우선 비슷한 원리인 후면 조사형이 사용되고 있다.

2. 후면조사형
이미지 센서 한 화소의 크기는 현재 1.12㎛까지 출시되었다. 화소의 간격이 이렇게 줄어들면 마이크로 렌즈로 빛을 아무리 잘 집광한다고 해도 인접 화소로의 누설이 발생한다. 또 빛을 소자 표면에서 실리콘 pn 접합까지 이르게 하는 광 경로의 확보가 거의 불가능해진다.
이러한 문제는 소자 표면에서 수광부에 이르는 길에 두꺼운 절연층과 금속 배선층이 존재하기 때문에 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해, 광 경로에 방해물이 없는 또 다른 구조를 고안하게 됐다.
그림 7은 후면 조사형(Back Side Illumination) 이미지 센서의 단면을 나타낸 것이다.
디바이스 웨이퍼 가공이 끝난 후 소자 표면에 절연층을 형성하고, 그 위에 새로운 웨이퍼를 붙인다. 그리고 기계적, 화학적 방법으로 원래의 디바이스 웨이퍼를 3∼5㎛ 정도로 얇게 깎아낸다. 그 위에 컬러 필터 등을 형성하는 것이다. 빛이 디바이스 웨이퍼 뒷면으로 들어오기 때문에 후면 조사형이라고 부른다.
이 방법의 장점은, 빛이 수광부(pn 접합)로 들어오는 길에 장애물이 전혀 없고 모든 영역이 수광 기능을 할 수 있다는 점이다. 따라서 감도가 높아지고 혼색 현상(Cross Talk)이 대폭 줄어든다. 현재 삼성전자 등에서 생산하는 제품은 전부 이와 같은 방식을 채택하고 있다.

3. 공유형


CIS 동작 시 읽고 있는 한 행을 제외하면 나머지 행은 수광을 시행하고 있다. 이 때는 트랜스퍼 게이트가 수광부와 회로를 분리시키므로 나머지 3개의 트랜지스터는 놀고 있다. 이는 매우 비효율적인 일이므로, 트랜지스터의 공유 방법을 생각하게 됐다.


그림 8은 공유형 화소를 나타낸 것이다. 4개의 화소는 각각 트랜스퍼 게이트만 별도로 가지며, 나머지 3개의 트랜지스터는 공유하고 있다. 이렇게 하면 면적 면에서 매우 유리해진다.
다만, 4개 화소의 레이아웃에서 비대칭이 발생하는 문제가 있다. 그러나 컬러가 4개 단위로 반복되어 같은 컬러 화소 간의 차이는 없으므로, 균일성 문제는 발생하지 않는다.
또 하나의 문제는 4개의 화소가 읽어내기 노드(그림의 둥근 점)를 공유하므로 커패시턴스가 증가해서 감도가 떨어진다는 것이었다.
그러나, 현재의 공정(예를 들면 65nm)에서는 그 크기를 충분히 줄일 수 있어, 커패시턴스에 의한 감도 저하가 문제되지 않는다. 따라서 이 방식도 현재 보편화되어 있다.