AF Cross Point 정렬을 위한 PDAF Pixel 광학 구조

Ⅰ. 서 론

스마트폰 카메라의 핵심 부품인 CMOS image sensor는 기존에 요구되었던 고감도, 고해상도 그리고 HDR(High Dynamic Range)과 같은 고성능 센서 뿐만 아니라, 자동 초점(AF, Auto Focusing)과 같은 다양한 기능까지 요구되고 있다[1]-[6]. 이에 따라, 고성능 픽셀 광학 구조 개발은 활발히 이루어지고 있지만, AF과 같은 다기능성을 위한 픽셀의 광학적 성능을 개선시키기 위한 연구 개발은 아직 부족한 실정이다.

현재 CMOS 이미지 센서의 AF에 사용되고 있는 방법은 주로 PDAF(Phase Detection Auto Focusing)이다[7]. PDAF는 위상 차이를 인접한 두 개의 픽셀의 값으로부터 비교해 두 위상이 같아지는 지점을 추적하는 방식이다. 따라서 위상 차이를 비교할 각 쌍의 픽셀이 이미지 센서에 부분적 또는 전체적으로 사용된다. PDAF는 크게 1-PD(1-photodiode) PDAF 방식과 2-PD PDAF 방식으로 나눌 수 있다. 1-PD PDAF 방식의 경우, AF 기능을 수행하기 위한 인접한 한 쌍의 픽셀들이 metal shield에 의해 서로 다른 방향으로 각 픽셀 상단에 덮여있다[8]. 하지만 픽셀 사이즈가 작아질수록 metal shield에 의해 수광부 면적의 감소하고 이로 인해 AF 성능 저하되며 또한 공정 난이도가 상승해 sub-micron 픽셀에 적합하지 않다. 2-PD PDAF 방식의 경우, 하나의 픽셀이 두 개의 photodiode를 가지고 있는 구조이며 좌, 우 픽셀의 감도를 비교하여 위상차를 추적하고 초점을 맞춘다[9][10]. 따라서 metal shield를 사용하지 않으므로 photodiode로 입사될 때 손실되는 빛의 양이 줄어든다. 또한 2-PD PDAF 방식은 모든 픽셀이 AF 기능이 가능하여 AF의 정확도를 더 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한, 2-PD PDAF 방식을 사용한 CMOS 이미지 센서의 감도를 향상시키기 위한 픽셀 광학 구조에 대한 연구가 이루어지고 있다. 대표적인 구조 중 하나로 HV(Horizontal-Vertical) 듀얼 픽셀이 있다[11]. HV 듀얼 픽셀은 하나의 픽셀에 기울어진 방향으로 photodiode가 나누어져 있어 수평과 수직 방향 모두 AF 기능이 가능하다. 하지만 기울어진 수광부를 만들기 위한 추가 공정이 필요한 단점이 있다. 또한, 이에 현재 가장 많이 사용되는 구조로 PDAF 픽셀 어레이에 QCFA(Quad Color Filter Array)와 2x2 OCL(2x2 on chip lens)을 함께 사용한 픽셀 구조가 있다[4][12]. QCFA는 하나의 동일한 색상의 CF가 인접한 4개의 픽셀을 공유하는 구조이며 2x2 OCL은 하나의 커다란 마이크로 렌즈가 4개의 픽셀을 덮고 있는 구조이다. 2x2 OCL과 QCFA는 보다 2-PD PDAF 방식에 적합한 마이크로 렌즈와 컬러필터의 구조로써 동일한 색상의 CF 아래의 인접한 4개의 픽셀을 사용하여 상하좌우 AF 기능 수행이 가능하다.

반면, 이미지 센서의 center를 제외한 모든 픽셀 어레이의 경우, 카메라 모듈의 렌즈를 통해 입사되는 빛은 모두 사광으로 입사되게 된다[13]. 이때, 입사되는 빛의 손실을 최소화하기 위해 optical stacks, 즉 마이크로 렌즈, CF와 같은 광학적 요소들을 입사각에 맞추어 정렬시킨다[8]. 이때, 2x2 OCL과 QCFA를 사용하고 있는 픽셀은 4개의 픽셀에 하나의 마이크로 렌즈와 컬러필터를 공유하고 있기 때문에, 사광으로 입사된 빛이 픽셀 간에 균일하게 흡수되지 못하는 문제점이 발생하여 픽셀 간의 감도 차이가 발생한다[12]. 이를 해결하기 위하여, 각 픽셀 사이에 DTI(Deep Trench Isolation)를 추가하는 In-pixel DTI가 제안되었다[12][15]. 이는 픽셀로 입사되는 빛을 물리적으로 일정하게 분리시켜 픽셀 간의 감도 불균형을 해소하여 AF 성능을 향상시켰다. 하지만 In-pixel DTI를 사용함에도 불구하고, 특히 이미지 센서의 edge에 위치한 픽셀들의 감도 불균형이 각 픽셀의 CFA의 컬러에 따라 발생한다. 즉, 픽셀 어레이의 광학적 요소들을 정렬시킬 때 green 픽셀을 기준으로 맞추고 있기 때문에 red 픽셀과 blue 픽셀에서 특히 감도 불균형이 나타난다. 또한 AF cross point가 CF 색상에 따라 동일한 각도에 정렬되지 않아 AF 기능 저하를 초래한다[15]. 이때 AF cross point는 좌, 우 픽셀의 감도가 같아지는 각도이다. 이는 PDAF 방식에서 초점이 맞추어진 각도임을 나타낸다. 따라서 AF cross point가 CF 색상별로 동일한 각도에 정렬되지 않으면 AF 기능의 정확성이 떨어지는 문제가 발생한다.

즉, In-pixel DTI가 감도 불균형을 해소해 AF cross point를 정렬하기 위해 제안되었으나 red, green, blue 모든 픽셀의 감도 불균형을 해소하기에는 부족하다[12][15].

본 논문에서는 기존의 2x2 OCL과 QCFA를 탑재한 픽셀 구조에서 In-pixel DTI 구조의 변화 및 최적화를 통해 AF cross point를 정렬시키는 구조를 제안한다. 특히 green 픽셀을 기준으로 optical stacks를 정렬함에 따라 발생하는 red 픽셀 좌, 우 감도의 불균형이 제거된다. Ⅱ장에서는 제안된 픽셀의 구조와 감도 불균형을 제거하는 원리를 설명한다. Ⅲ장에서는 광학 시뮬레이터를 통해 제안된 픽셀을 시뮬레이션한 결과와 효용성을 보여준다. 마지막으로 Ⅳ장에서는 결론을 다룬다.

Ⅱ. 제안된 픽셀 구조의 원리

픽셀에는 빛이 모듈 렌즈를 통해 여러 각도에서 입사되는데 이 중, 픽셀의 중앙으로 들어오는 빛의 각도를 CRA(Chief Ray Angle)라고 한다. 그림 1(a)는 모듈 렌즈로부터 이미지 센서 edge로 들어오는 입사광의 개략도를 보여준다. 이미지 센서의 edge는 모듈 렌즈와 이미지 센서의 사이즈에 따라 각도가 정해지는데, 본 논문에서 이미지 센서의 center는 CRA 0°, 이미지 센서의 edge를 CRA 35°로 정하고 10° 간격으로 시뮬레이션하였다. 이미지 센서의 edge를 의미하는 CRA 35°는 현재 모바일용 이미지 센서에 범용적으로 사용되고 있는 각도이다[16].

Fig. 1.

Concept of the incident light that enters the edge of the image sensor (a) Oblique incident light from the lens of the camera module to pixel, (b) Conventional red pixel structure having sensitivity difference at the edge of the image sensor and separated incident light, (c) Suggested red pixel structure with in-pixel DTI having changed the top of in-pixel DTI width and separated incident light

현재 이미지 센서 center를 제외한 모든 픽셀은 green 픽셀을 기준으로 optical stacks를 비스듬히 정렬시키고 있다. 주로 Bayer CF array를 사용하고 있는 이미지 센서에서는 green 픽셀이 항상 2개로 가장 감도에 큰 영향을 미치기 때문이다. 하지만 red CF를 투과한 장파장의 빛은 green 픽셀과 다른 굴절률에 따라 굴절각이 바뀐다[17]. 따라서 입사광의 진행 경로가 달라 감도에 영향을 미친다. 그림 1(b)는 이미지 센서의 edge에 위치한 red 픽셀을 보여준다. 마이크로 렌즈와 CF와 같은 optical stacks는 모듈 렌즈로부터 비스듬하게 입사되는 입사광의 손실을 최소한으로 줄이기 위하여 입사광의 각도에 맞게 shift 되어있다.

하지만 이러한 경우 앞서 언급하였듯이 컬러별로 차이를 두지 않고 모두 동일하게 shift 시킨다. 따라서 green이 아닌 다른 색상의 CF를 가진 픽셀의 photodiode가 흡수하는 빛의 양에 픽셀별 불균형이 나타난다. 파장의 길이에 따라 물질은 다른 굴절률을 가지게 되고 입사광의 진행 방향이 바뀌기 때문이다.

그림 1(c)는 In-pixel DTI의 상부 폭을 넓혀준 제안된 구조를 보여준다. In-pixel DTI는 QCFA 아래의 인접 픽셀들에 입사광이 균등하게 분배시키기 위해 삽입된 DTI이다. 하지만 green 픽셀을 기준으로 optical stacks를 정렬시킨 경우, red 픽셀의 In-pixel DTI는 입사광을 균등하게 분배하는 역할을 충분히 하지 못한다. 따라서 In-pixel DTI에 상부 폭을 변경해 CF 아래의 평탄층에서 photodiode로 입사되는 입사광의 경로를 바꾸어 해결이 가능하다. 제안된 구조는 이미지 센서의 위치와 관계없이 QCFA 아래의 픽셀 감도를 동일하게 유지해 AF cross point를 정렬시킨다.

Ⅲ. 광학 시뮬레이션 결과

본 논문에서 FDTD(Finite Difference Time Domain)방법을 사용한 Sentaurus TCAD 광학 시뮬레이터를 사용하여 픽셀의 광학 성능을 확인했다[18]. 표 1은 실험에 사용된 픽셀의 구조와 감도 불균형을 해결하기 위하여 증가시킨 최적화된 In-pixel DTI의 상부 폭(Top of In-pixel DTI width)을 보여준다.

Table 1.

Parameters of simulated pixel structure and the top of In-pixel DTI width

시뮬레이션에 사용된 픽셀 구조의 마이크로 렌즈와 CFA는 2x2 OCL과 QCFA를 사용하였다. 본 논문에서는 그림 1(a)와 같이 이미지 센서 center의 좌측에 위치한 픽셀들을 기준으로 optical stacks를 이동시켰다. 이미지 센서의 픽셀 위치에 따라, 즉 CRA 35°, 25°, 15°, 5°에서 제안하고 있는 In-pixel DTI의 상부 폭을 최적화하였다. 그림 1(b), (c)와 같이 입사각이 CRA와 일치하는 각도에서 green 픽셀을 기준으로 빛이 픽셀 center에 입사될 수 있도록 optical stacks가 정렬된 픽셀 구조를 사용하였다.

그림 2는 CRA 35°에서 In-pixel DTI의 상부의 폭에 변화를 줄 때 각 픽셀의 감도 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 증가된 In-pixel DTI 상부의 폭이 0 μm에서 0.04 μm로 커질수록 좌측 픽셀의 감도가 증가하고 우측 픽셀의 감도가 감소하는 경향성을 보여준다. 반면에 In-pixel DTI 상부의 폭을 0.04 μm로 과도하게 늘리게 되면 좌측 픽셀의 감도가 더 커지는 현상이 나타난다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 CRA 35°에 위치하는 픽셀은 In-pixel DTI 상부의 폭이 0.03μm에 가깝게 넓혀줄수록 좌, 우 픽셀 간의 감도 불균형을 해결할 수 있음을 확인하였다. 이와 같이 모든 CRA에서 감도 불균형을 가장 줄일 수 있는 In-pixel DTI 상부의 폭을 시뮬레이션을 통해 도출하였다.

Fig. 2.

Left and right sensitivity of red pixels depending on Increased the top of In-pixel DTI at a CRA 35°

그림 3은 CRA 35°, 25°, 15°, 5°의 In-pixel DTI 상부의 폭을 넓혀 감도 불균형을 해결하기 이전의 감도를 나타낸다.

Fig. 3.

Optical simulation results with left and right sensitivity of the previous structure of red pixels at each CRA

CRA가 클수록 핵심이 되는 빛이 픽셀로 더욱 기울어져 입사된다. 따라서 CRA가 커질수록 굴절각에 더 큰 영향을 미치게 되어 좌, 우 픽셀 간의 감도 차이가 더욱 크게 나타나는 경향성을 가진다. CRA 35°, 25°, 15°, 5°에서는 좌, 우 픽셀의 감도 차이가 각각 23.95%, 4.99%, 4.52% 그리고 1.75%로 나타난다. 따라서 시뮬레이션 결과를 통해 CRA가 클수록 감도 불균형이 악화됨을 확인하였다.

그림 4는 CRA 35°, 25°, 15°, 5°의 In-pixel DTI 상부의 폭을 넓힌 제안된 구조의 감도를 나타낸다. 모든 CRA에서 감도 불균형이 개선된 것을 확인할 수 있다. 그림 2에서 나타내는 In-pixel DTI 상부의 폭을 넓힐수록 좌, 우 픽셀의 감도 변화율을 높일 수 있는 경향성을 함께 고려했을 때, CRA가 클수록 증가되는 In-pixel DTI 상부 폭이 커짐을 확인할 수 있다. 증가된 In-pixel DTI 상부의 폭은 CRA 35°, 25°, 15°, 5°에서 각각 0.031 μm, 0.013 μm, 0.010 μm, 0.010 μm이며 CRA가 감소할수록 In-pixel DTI 상부의 증가 폭이 감소했다. 그림 3의 그래프와 비교하였을 때 In-pixel DTI 상부의 폭을 증가시킴으로써 CRA에 상관없이 모두 감도 불균형이 개선되었다. 이는 모든 구간에서 감도 불균형을 해결하고 AF cross point를 일치시킬 수 있음을 나타낸다. 특히, CRA 35°에서는 23.95%에서 0.29%로 감소하여 CRA가 클수록 개선 폭이 커짐을 확인하였다. 따라서 제안된 구조는 이미지 센서 모든 위치의 픽셀에 적용이 가능하며 특히 이미지 센서의 edge에 위치한 픽셀의 auto focusing 성능이 개선될 것으로 예상된다.

Fig. 4.

Optical simulation results with left and right sensitivity of the suggested structure of red pixels at each CRA

그림 5는 CRA를 기준으로 ±20°의 입사각에 대한 픽셀 감도를 도출한 angular response 그래프이다. 이때 그래프에 나타낸 AF cross point는 좌우 감도가 교차된 점으로 그래프 내의 수치는 CRA 각도에서 벗어난 각도의 양을 나타낸다. Angular response 그래프는 AF cross point의 감도, ±10°에서의 좌우 픽셀의 감도 비율(AF contrast) 등 AF 성능을 나타내는 가장 중요한 성능 지표이다. 그림 5(a)는 기존 픽셀 구조의 감도를 angular response 그래프로 나타내었다. Red 픽셀 좌, 우 감도의 교차점을 나타내는 AF cross point가 CRA 35°와 25°에서 각각 1.45°, 0.38° 벗어나 있다. CRA가 클수록 AF cross point는 정렬되어야 하는 각도에서 벗어나는 경향을 보인다. 이는 CRA가 클수록 AF 성능에 악영향을 끼치는 것을 의미한다. 반면에, 그림 5(b)는 제안된 픽셀 구조로 시뮬레이션한 angular response 결과이다. Red 픽셀의 AF cross point가 35°와 25°에서 각각 일치함을 확인할 수 있다. 이뿐만 아니라 제안된 픽셀 구조는 green 픽셀의 감도에 영향을 주지 않아 green 픽셀의 성능을 유지하면서 red 픽셀에서는 개선된 AF cross point가 도출되었음을 알 수 있다.

Fig. 5.

Simulation results of sensitivity for red, green and blue pixels

Ⅴ. 결론 및 향후 과제

본 논문에서는 AF cross point 정렬을 위한 In-pixel DTI 상부의 폭을 넓힌 구조를 제안하였다. 제안된 구조의 효용성을 확인하기 위해 TCAD simulation을 사용하여 CRA 35°, 25°, 15°, 5°를 기준으로 광학 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 그 결과, In-pixel DTI를 가진 픽셀임에도 green 픽셀을 기준으로 optical stacks를 정렬함에 따라 발생하는 red 픽셀 좌, 우 감도의 불균형을 해결할 수 있음을 입증하였다. 이는 In-pixel DTI의 상부의 폭을 넓혀주면 우측 픽셀의 감도가 감소하고 좌측 픽셀의 감도가 증가하였기 때문이다. 또한 CRA가 클수록 좌, 우 픽셀 간의 감도 불균형이 심해지는 것을 In-pixel DTI 상부의 폭을 더욱 넓혀 감도 불균형이 해결 가능함을 알 수 있었다. 그 결과, 제안된 구조를 사용하여 좌, 우 픽셀 간의 감도 불균형이 최대 23.66% 감소함을 확인하였다. 이는 In-pixel DTI 상부의 폭을 넓힘으로 CF를 통과해서 photodiode로 입사되는 빛의 진행 경로에 변화를 주었기 때문이다.

제안된 구조는 상부에만 넓어진 폭을 가지는 In-pixel DTI 구조이다. 따라서 photodiode의 크기 손실을 최소화함과 동시에 좌, 우 픽셀 간의 감도 불균형 문제 해결로 AF 성능 또한 개선된다. 또한 제안된 구조는 모든 픽셀이 AF 기능을 수행할 수 있는 2-PD 구조의 모든 픽셀에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서 제안된 구조는 In-pixel DTI 상부 폭을 넓히기 위한 추가 공정이 필요하다는 단점이 존재하나 픽셀 어레이 전체의 감도 불균형을 해결하고, AF cross point를 정렬시켜 더욱 빠르고 정확한 auto focusing을 수행할 수 있는 장점을 가지고 있다.

향후 과제로써 sub-micron 픽셀을 추가 검토하여 본 논문에서 제안한 구조의 효용성 여부를 더 작은 사이즈를 가진 픽셀에서 연구할 예정이다. 또한 실제 제작을 위해 In-pixel DTI 폭의 섬세한 공정이 더욱 개선된 품질을 위한 핵심 요소가 될 것으로 예상된다. 지속적으로 향상되는 반도체 집적도로 작아지는 픽셀 사이즈에 맞추어 더욱 큰 종횡비의 DTI가 구현되어 왔다[19]. 그러므로 CIS 공정의 축적된 기술을 기반으로 상부에 두꺼운 In-pixel DTI의 폭을 가진 제안된 구조의 실현이 가능할 것으로 예상된다.

Acknowledgments

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구(No. NRF-2020R1F1A1073614)입니다

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