DTI 구조를 이용한 고감도 픽셀

Ⅰ. 서 론

최근 스마트폰 기기 시장이 계속해서 성장하면서 고해상도 카메라가 빠질 수 없는 요구사항 중 하나가 되었다. 이미지 센서의 칩 면적은 카메라 모듈 사이즈에 의해 한정되어 있기 때문에 픽셀 사이즈는 계속해서 감소하는 추세다. 픽셀 사이즈는 계속해서 감소하지만 마이크로 렌즈, 컬러필터, 포토다이오드 등으로 이루어져 있는 픽셀의 두께는 감소시키기 어렵다. 마이크로 렌즈는 광학 특성에 최적화되어 있으며 컬러 필터는 물질들의 이유로, 포토다이오드는 가시광선을 충분히 흡수시키기 위해 실리콘의 두께가 충분히 보장되어야 하기 때문이다. 이에 따라, 픽셀 사이즈의 감소는 픽셀의 aspect ratio의 열화를 야기시켜, 감도(Sensitivity)의 열화와 크로스톡(Crosstalk)의 증가와 같은 이미지 센서의 광학 성능을 저하시키는 결과를 초래한다[1].

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 작은 사이즈의 픽셀 구조에서도 광학 성능을 열화시키지 않기 위한 구조들에 대한 연구가 다수 이루어졌다. 그 중 aspect ratio 문제를 해결하기 위하여 컬러필터나 마이크로 렌즈의 두께를 줄이는 연구가 진행되었다. 그 예로 플라즈모닉(Plasmonic) CF[2], Lensed CF[3]등이 있다. 플라즈모닉 CF는 나노 크기의 구멍 배열을 가진 금속 막에 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 정해진 파장만을 선택적으로 투과시킨다. 주기적인 나노 패턴에서 발생하는 빛의 산란현상과 유전체와 금속막의 계면에서 빛과 전자가 공명을 일으키는 표면 플라즈몬 현상을 응용한 소자로써 픽셀의 높이 낮출 수 있는 효과가 있다. 하지만 이는 나노 홀을 통해서 빛이 투과되기 때문에 총 광량이 감소하여 색 재현성이 떨어지는 한계를 가진다.

Lensed CF는 마이크로 렌즈와 CF를 결합시킨 구조로써 CF의 소재를 변경하지 않고 렌즈의 높이를 줄여 크로스톡을 줄였으나, 공정의 난이도가 높아지는 문제가 있다[4]. 뿐만 아니라 크로스토크 문제를 해결하기 위한 WG(Tungsten Grid), DTI(Deep Trench Isolation)[5] 등이 개발되었다. WG는 실리콘 외의 부분에서 크로스톡을 막아주며, DTI는 실리콘 영역에 얇은 벽을 형성해 각각의 픽셀을 격리시킴으로써 크로스토크 문제를 개선해 주는 방안으로 사용되고 있다[6]. DTI는 현재까지 다양하게 개발되어 픽셀의 전면부터 공정하는 FDTI(Frontside-DTI), 픽셀의 후면부터 공정하는 BDTI(Backside-DTI)가 이용되고 있다[7]-[9]. FDTI는 픽셀의 전면부터 실리콘의 끝까지 파서 픽셀들을 확실하게 나눠주는 full depth DTI를 많이 사용하고 있다. BDTI는 현 공정상의 문제로 인하여 full depth DTI를 만들 수 없다는 한계를 가지고 있어 partial depth DTI를 사용할 때에만 사용되고 있는 구조이다.

이처럼 DTI는 크로스토크 문제 해결에 꼭 필요한 광학 요소이지만, 픽셀 사이즈가 작아짐에 따라 무조건 DTI를 넣게 되면 수광부의 면적이 작아지면서 오히려 감도의 열화가 초래될 수 있다. 그러므로 1.0µm 이하의 소형 픽셀의 DTI 광학 구조에 대해 다양한 구조 검토와 연구가 필요하다. 이에 본 연구는 0.8µm 픽셀에 다양한 DTI 구조를 이용하여 고감도 픽셀 광학 구조를 검토하고 최적화하였다. 픽셀 공정에 범용적으로 사용되고 있는 물질들을 사용한 DTI와 DTI의 구조들에 다양성을 두고 결과를 비교하여 검토하였다. 광학 시뮬레이터를 이용하여 분석하고 최적화를 통해 초소형 픽셀에 적합한 최적화된 DTI 구조를 도출할 수 있었다.

Ⅱ. 고감도 픽셀을 위한 DTI 구조

본 연구에서는 DTI를 가지는 픽셀 광학 구조를 검토하기 위해 FDTD(Finite Difference Time Domain) 방법을 이용한 Sentaurus TCAD 3D 광학 시뮬레이터를 사용하였다[10][11]. 이러한 광학 해석법은 CMOS 이미지 센서의 광학 구조 개발에 많이 사용되고 있는 방법 중에 하나이다.

시뮬레이션에 사용된 픽셀의 크기는 0.8μm이며, 실리콘(포토 다이오드)의 두께는 3.0μm이다. 이는 가시광선 파장 대역까지 흡수시킬 수 있는 두께이다. 마이크로 렌즈의 ROC(Radius of Curvature)와 높이는 각각 0.6μm, 0.7μm로 최적화된 구조를 사용하였다. 입사광은 빨강, 초록, 파란색을 위한 650nm, 540nm, 450nm의 파장을 사용하고, 입사각은 0°, 10°, 20°를 사용하였다. 픽셀의 광학 특성으로 흡수 광자 밀도(Absorbed photon density)를 사용하였으며, 이는 픽셀의 포토 다이오드에 흡수되어 들어오는 광자의 밀도를 감도 특성으로써 사용하였다.

본 논문에서 픽셀 광학 구조 검토에 사용된 DTI 구조들의 예를 그림 1에 나타내었다. 그림 1(a)는 시뮬레이션에 사용된 3D 픽셀 광학 구조이다. BSI(Back-Side Illuminated CMOS image sensor)의 2x2 배열을 사용하였다. 그림 1(b)~(f)는 DTI가 들어간 픽셀 구조의 단면을 보여준다. 그림 1(b)는 DTI가 들어간 픽셀의 기본 구조로써 위아래의 DTI 폭이 일정하며 1종 물질(HfO₂)이 사용되었다. 그림 1(c)는 DTI의 상하부 폭을 변화시킨 구조 중의 하나로, 하부 DTI의 폭이 상부 DTI의 폭보다 더 넓은 구조로써, 상부 DTI의 폭이 85nm, 하부 DTI의 폭이 115nm 그리고 하부 DTI 높이가 2.0μm이다. 그림 1(d) 는 그림 1(c) 와 반대로 위쪽은 두껍고, 아래쪽은 얇은 DTI의 구조의 예이다. 이 때, 그림 1(d)의 상부 DTI 폭은 85nm, 하부 DTI 폭은 30nm, 하부 DTI 높이가 2.0μm이다. 그림 1(e)는 그림 1(c)의 구조에 DTI의 물질에 변화를 준 구조의 예이다. 상부 DTI의 폭 50/35nm(내/외부), 하부 DTI의 폭 80/35nm, 하부 DTI 높이 1.9μm이며 내부의 물질로는 SiN, 외부의 물질로는 HfO₂이 사용되었다. 그림 1(f)는 DTI 구조를 설명할 때 사용하는 용어들을 나타낸 참고 그림이다.

Fig. 1.

Simulated pixel structures, (a) Simulated 3D pixel structure, (b) Typical DTI pixel structure, (c) Thicker width of down DTI part, (d) Thinner width of down DTI part, (e) Two materials(HfO2-SiN) for DTI, (f) Partial terms of DTI structure

표 1은 DTI 구조로써, 본 논문에서 검토된 구조의 조건들을 정리한 것이다. 첫 번째로 DTI 물질 별 변화에 대해서 검토하였다. DTI 물질(Material)로는 HfO₂, SiN, HfO₂-SiN(내부-외부), W(Tungsten)-HfO₂, W-SiN로 1종 물질과 2종 물질로 나누어 검토하였다. 이는 픽셀에 주로 사용되는 물질로써[12], 다양한 물질들을 교차하여 사용하기 위해 구성되었다. 두 번째로 DTI의 상/하부 폭을 변화시키면서 시뮬레이션 하였다. 총 폭(Total width)은 시뮬레이션에 사용된 DTI 구조의 총 폭이며, DTI의 위쪽이 상부 DTI, 아래쪽이 하부 DTI를 의미한다.

Table 1.

Configuration of simulated DTI structure

우선, 상부 DTI의 폭(Total width up)을 85nm로 고정시킨 후, 하부 DTI의 폭(Total width down)을 10nm~155nm로 변화시키며 시뮬레이션 했다. 세 번째로 DTI의 높이에 따른 변화를 시뮬레이션 하였는데 이때 높이(Height)는 DTI를 상하부로 나눌 때 각 DTI의 높이를 말하며, DTI의 상하부 높이를 합하면 실리콘의 높이와 동일한 3.0μm가 된다. 네 번째로 DTI 내/외부(Width In/Out) 폭을 변화시켜 검토하였다. 이때 DTI의 물질을 2종으로 사용하였을 때 내/외부의 폭을 가리키며, 상/하부 중 외부 폭을 고정시킨 뒤 내부 폭을 변경하면서 시뮬레이션을 하였다.

Ⅲ. 시뮬레이션 결과

표 1에 나타낸 구조들의 광학 시뮬레이션 결과를 다음과 같이 나타내었다. 우선 DTI의 모양의 최적화를 위해서 다음과 같은 시뮬레이션을 진행하였다. DTI의 폭이 상하부 같은 폭을 가지는 구조와 서로 다른 폭을 가지는 구조들 중에서 어떤 타입이 더 적합한가를 검토하기 위함이다. 우선 1종 물질로만 이루어진 DTI의 구조의 하부 폭을 다르게 했을 때의 검토 결과를 그림 2에 나타내었다. 이때 DTI에 사용된 물질은 가장 범용적으로 많이 사용되고 있는 HfO₂이다. 시뮬레이션은 상부 DTI 폭을 85nm로 고정 시, 하부 DTI 폭을 10nm에서 155nm까지 변화시킨 결과이다.

Fig. 2.

Simulation results of one material DTI(HfO2) from changes in a down DTI width when the up DTI’s width is fixed(85nm)

이때, 85nm로 고정한 이유는 상하부 폭이 같은 경우, DTI의 폭이 85nm일 때 가장 감도가 높았기 때문이다. 시뮬레이션의 결과 값은 입사광의 모든 각도(0°~20°)와 RGB 각 파장의 감도를 더한 값을 사용하였다. 시뮬레이션 결과 하부 폭이 90nm일 때 가장 감도가 열화되었고, 115nm~ 135nm에서 같은 감도를 가지면서 가장 우수하였다.

이 결과를 좀 더 자세히 검토하기 위하여 폭이 넓었던 하부 DTI의 높이도 변화시켰다. 이때, 그림 2에서 보였던 최적의 구조인, 상부 DTI 폭 85nm, 하부 DTI 폭 115nm인 DTI 구조에서 하부 DTI 높이를 변화시켜 시뮬레이션하였다. 하부 DTI의 높이를 포토다이오드 바닥에서(0.0μm)부터 끝(3.0μm)까지 0.5μm씩 늘려가며 시뮬레이션 한 결과를 그림 3에 나타냈다. 하부 DTI 높이가 0.0μm 또는 3.0μm이라는 것은 상하부 폭이 동일한 구조를 말한다. 시뮬레이션 결과 하부 DTI의 높이가 2.0μm일 때, 하부 DTI의 높이가 없는 기본 DTI 구조보다 감도가 7.94% 증가하여 가장 우수한 것으로 알 수 있었다. 그림 2와 그림 3의 결과를 통해 DTI 구조는 위아래 폭이 일정한 것보다 서로 다른 것이 더 좋으며 특히 아래 폭이 큰 것이 감도가 더 좋아진다는 것을 알 수 있었다. 이는 특히 장파장에서 영향을 받는 것으로, 빛이 포토다이오드 아래로 투과되지 않고 DTI에 의해 굴절되어 포토다이오드 내로 흡수되기 때문으로 생각된다.

Fig. 3.

Simulation results of one material DTI(HfO2) from changes in a down DTI height

또한, DTI 모양뿐만 아니라 물질에도 변화를 주어 검토하였다. 물질은 1종과 2종으로 나누어 검토하였는데, 우선 2종인 물질을 사용할 때 각각의 물질의 폭을 최적화하는 시뮬레이션을 먼저 진행하였다. 우선 그림 3의 결과를 토대로 가장 높은 감도를 가지는 DTI 구조인 상부 DTI 폭 85nm, 하부 DTI 폭 115nm, 하부 DTI 높이 2.0μm로 고정시키고, DTI 물질과 내/외부의 폭에 변화를 주었다. 그림 4는 2종 물질을 사용하여 외부 DTI의 폭을 변화시켜 시뮬레이션한 결과이다. 상하부의 외부 DTI 폭을 35nm, 55nm, 75nm로 변화시켰으며, 이에 따라 상부 DTI의 내부 DTI 폭은 10nm, 30nm, 50nm로, 하부 DTI의 내부 DTI 폭은 80nm, 60nm, 40nm로 결정되었다. 그림 4의 그래프 x축에 상부 DTI의 내/외부 폭을 나타냈다. DTI 2종 물질 정보는 HfO₂-SiN(사각형/실선), W-HfO₂(삼각형/점선), W-SiN(원/점선)이다. 모든 2종 물질 DTI 구조에서는 상부 DTI 내/외부 폭이 50/35nm일 때 높은 감도가 나타냈으며, 이중 HfO₂-SiN가 시뮬레이션한 구조 중 가장 높은 감도를 가진 것을 확인하였다. 이는 W(Tungsten)은 메탈 계열로써, 흡수 계수가 0이 아니기 때문에 많은 빛의 흡수로 인한 감도 감소가 나타났음을 확인할 수 있다.

Fig. 4.

Simulation results of DTI(two materials) from changes in a inner DTI width

그림 5는 1종 물질과 2종 물질 모두 비교한 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 우선 1종 물질의 경우, 가장 최적화된 구조였던 DTI의 높이 2.0μm, 상/하부 폭 85nm/115nm을 가지는 구조이다. 그리고 2종 물질의 경우, DTI의 높이 2.0μm, 상/하부 폭이 85nm/115nm, 상부 내/외부의 폭 50/35nm, 하부 내/외부의 폭이 80/35nm인 구조를 사용하였다. 감도 비교 결과, 2종 물질인 W-SiN와 W-HfO₂가 들어간 구조에서 가장 낮은 감도를 나타났으며, HfO₂-SiN가 들어간 구조에서 가장 높은 감도가 나타났다. 이는 W에서 일어나는 빛의 흡수로 인해 감도의 감소가 나타났고, 또한 2종 물질 중 HfO₂-SiN의 감도가 가장 큰 이유는 외부에 있는 SiN의 굴절률이 가장 커 빛의 굴절로 인해 감도가 증가가 일어났음을 알 수 있었다.

Fig. 5.

Simulation results from changes in DTI materials

본 논문에서 시뮬레이션 한 결과를 그림들로 나타내었으나, 보다 더 시각적인 지표로 보기위해 표 2에 시뮬레이션 결과들 중 최적의 결과들만 정리하여 나타내었다. 첫 번째는 1종 물질을 사용한 DTI에서 하부 DTI 높이를 2.0μm로 고정하고 상하부 폭을 최적화 하였는데, 그 결과 상부 DTI 폭은 85nm, 하부 DTI의 폭은 115nm이면서 DTI의 물질이 HfO₂일 때 가장 높은 감도를 가지는 것으로 나왔다. 두 번째로, 첫 번째 결과를 이용하여 상/하부의 폭을 85nm/115nm로 고정하였을 때 하부 DTI 높이가 2.0μm일 때 가장 좋은 결과가 나타났다. 세 번째는 2종 물질을 사용한 DTI 구조에서 내부 DTI 폭을 최적화하는 시뮬레이션을 하였고, 그 결과 상부 DTI의 내/외부 폭이 50/35nm, 하부 DTI의 내/외부 폭이 80/35nm일 때 가장 좋은 감도가 나타났다. 마지막으로 시뮬레이션한 모든 종류의 물질을 가진 DTI를 비교하였을 때, 1종일 경우 HfO₂, 2종 일 경우 HfO₂-SiN이 최적의 구조로 나타났다.

Table 2.

Final result of simulation

최적의 구조와 기존 구조를 비교하여 파장과 각도에 따라 감도의 변화를 검토하기 위해서 그림 6에 시뮬레이션한 모든 구조들 중 최적의 구조인 2종 물질(HfO₂-SiN) DTI와 기본 DTI 구조(DTI 폭 일정, HfO₂)를 입사광의 각도 별, 파장 별 감도를 비교한 결과를 나타냈다. 점선으로 기존 DTI 구조의 감도를 나타내었고, 실선으로 2종 물질의 감도를 나타내었다. 기존 DTI에서 2종 물질로 된 시뮬레이션 구조를 이용하였을 때, 모든 파장에서 감도의 증가가 나타났다. 각 파장별로는 650nm(빨강)이 10°로 입사되었을 때 17.7%, 540nm(초록)가 20°로 입사했을 때 3.9%, 450nm(파랑)가 0°로 입사했을 때 11.8%로 최대 증가 폭을 나타냈다.

Fig. 6.

Simulation results between typical DTI structure and best DTI structure

감도가 증가한 것을 보다 직관적으로 보기 위해 그림 7에 빔 프로파일을 나타내었다. 650nm 파장을 입사시켰을 때의 결과로써, 흡수 광자 밀도(Absorbed power flux density)를 나타내고 있다. 이는 포토다이오드 내에 흡수 빛의 밀도를 나타낸 것으로, 붉은 색이 가장 큰 밀도를 가지는 것이다. 그림 7에 나타났듯이 최적의 구조가 전 각도에서 포토다이오드 끝까지 붉은 색으로 나타나 이는 투과된 빛의 감도가 큰 것을 알 수 있다. 또한 빛의 입사각이 10°, 20°로 커지더라도 DTI의 하부 폭이 두꺼워짐에 따라 빛의 굴절이 더 커져서 포토다이오드 내로 잘 흡수 될 수 있음을 알 수 있었다.

Fig. 7.

Absorbed power flux density between typical DTI structure and best DTI structure for degree

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 다양한 DTI 구조를 가지는 픽셀 구조의 광학 특성을 검토하였다. DTI의 물질 뿐만 아니라 크기(폭, 높이), 구조(1종, 2종), 상하부 두께 차이를 두는 등 다양한 DTI 구조를 검토하여 픽셀의 사이즈가 0.8μm일 때 가장 적합한 DTI 구조를 도출하였다. 그 결과, DTI 물질은 2종 물질을 가지면서 DTI의 하부가 더 폭이 넓은 구조의 감도가 가장 높게 나타난 것을 확인하였다. 특히 시뮬레이션한 구조들을 파장별로 분석하였을 때, 장파장(650nm)에서 기존 DTI의 구조와 새로운 DTI의 구조의 차이가 가장 크게 나타난 것을 볼 수 있었다. 이러한 이유는 DTI의 기능인 크로스토크를 방지하는 효과를 장파장에서 가장 크게 볼 수 있기 때문으로 생각된다.

단파장은 실리콘 표면에서 흡수되기 때문에 실리콘 영역에서 크로스토크가 일어나기 전에 흡수되지만 장파장으로 갈수록 크로스토크가 발생되기 쉽기 때문이다. 그러므로 장파장의 크로스토크를 줄이기 위해 하부 DTI의 폭을 더 두껍게 하였을 때, 효과를 볼 수 있었던 것으로 생각된다.

또한, DTI 물질은 금속 물질이 아닌 절연체 물질을 사용하기 때문에 완벽하게 크로스토크를 반사시키기는 어렵다. 그러므로 단일 물질로 채우는 것보다 굴절률이 다른 두 개의 물질을 사용함으로써 더욱 크로스토크를 방지할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 논문에서 제안된 DTI 구조는 작은 사이즈의 고감도 픽셀을 위한 광학 구조임이 확인되었다.

DTI가 상용 CMOS 이미지 센서에 탑재되어 양산되기 시작한지 9년이 지났다[13]. 당시 픽셀 사이즈는 1.12μm으로 픽셀 사이즈가 1.0μm 보다 작아지면 감도 문제로 더 이상 DTI를 탑재할 수 없다고 생각했다. 하지만 지금도 여전히 DTI는 크로스토크를 줄일 수 있는 가장 좋은 방법으로 사용되고 있다. 그럼에도 불구하고, DTI 구조를 광학적으로 분석한 논문은 거의 없고 DTI로 인해 발생하는 전기적, 물리적인 특성에 대한 논문이 대다수였다. 그러므로 본 논문은 1.0μm 보다 작은 픽셀 사이즈에 DTI를 적용시키기 위해 필요한 광학 특성을 분석한 것으로 광학 적으로 최적의 픽셀 구조를 도출하는데 큰 기여를 할 수 있다고 생각된다.

향후 과제로써 본 논문에서 제안한 최적 구조를 적용한 픽셀 구조를 실제 제작을 하고, 이를 통하여 우수한 광학 특성을 가지는 픽셀을 개발하는 것이 필요하다고 생각된다.

Acknowledgments

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구 (No. NRF-2020R1F1A1073614)이며, IDEC에서 EDA Tool을 지원받아 수행하였습니다.

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