[논문]광학 박막을 채용한 CMOS 이미지 센서 픽셀의 수광 효율

강명훈; 고은미; 이제원; 조관식

doi:10.3807/hkh.2009.20.1.057

[국내논문] 광학 박막을 채용한 CMOS 이미지 센서 픽셀의 수광 효율
Enhancement of Light Guiding Efficiency in CMOS Image Sensor by Introducing an Optical Thin Film 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.20 no.1, 2009년, pp.57 - 60

강명훈 (인제대학교 대학원 나노시스템공학과) , 고은미 (인제대학교 대학원 나노시스템공학과) , 이제원 (인제대학교 대학원 나노시스템공학과) , 조관식 (인제대학교 대학원 나노시스템공학과)

초록
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CMOS 이미지 센서의 수광 효율을 높이기 위해서 픽셀의 광 통로 벽에 광학 박막의 도입을 제안하고자 한다. Essential Macleod를 이용하여 시뮬레이션해 본 결과, 전반사가 일어나는 범위가 현저히 증가하였다. 특히 공기 박막을 도입할 경우에, 그 효과가 가장 현저하여, 광 통로 벽에서의 전반사 임계각이 50도로까지 확대되었다.

We consider introducing an optical thin film to the light guiding wall of a pixel in order to enhance the light guiding efficiency of a CMOS image sensor. Simulating the reflectance as a function of the incidence angle using the Essential Macleod program, we find that the range of total internal reflection is greatly increased for several materials. Particularly when air is chosen as the thin film material, the critical angle of total internal reflection could be shifted to about 50 degrees.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는, 픽셀 크기와 간격의 축소에 따른 수광 효율 저하 현상을 최소화 하기 위한 방안으로서, 광통로 벽에 광학 박막이 채용된 픽셀 구조를 제안한다. 광통로 벽에 위치한 광학 박막에서의 다중간섭 현상에 의하여, 화소 분리막을 투과하는 빛을 현저하게 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
광학 박막은 두께 혹은 박막의 층수에 따라 반사율, 투과율 등을 조절할 수 있다. 여기서는 광통로 벽에 광학 박막을 형성하여 반사율을 높임으로써, 인접 픽셀로의 투과를 최소화하려고 한다.

제안 방법

55) 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 기존의 Light Guide 픽셀 구조의 경계면에서의 반사율과 광학 박막이 채용된 픽셀에서의 반사율을 계산하였다. 기준 파장은 633 nm로 하였다.
그 결과로, 인접한 픽셀로 투과하여 들어가 혼선을 일으키는 효과를 줄이게 된다. 이를 확인하기 위해 광학 박막 설계 프로그램인 Essential Macleod를 이용하여 시뮬레이션 하여, 공기와 몇 가지 반도체 공정에서 고려할만한 물질에 대한 결과를 얻어내었다. 특히 공기 박막을 이용할 경우에, 전반사가 일어나는 입사각 범위가, 80~90도로부터, 50~90도로 넓혀질 수 있음을 확인하였다.

대상 데이터

^[2] 광학적인 손실은 초기 CMOS 이미지 센서에서도 발생하였으나 전기적인 손실에 의한 문제가 더 심각하여 크게 부각되지는 않았었다.^[1-3] 회로 공정이 어느 정도 안정화된 2000년도 이후 컬러 영상 출력을 위한 컬러 필터가 채용된 CMOS 이미지 센서가 제작되었다.^[2-3] 컬러 필터는 각 픽셀마다 다른 파장의 빛이 들어가게 하는 역할을 하는데, 픽셀 크기가 점점 작게 설계됨에 따라서, 인접 픽셀 사이에서 빛이 서로 투과하여 색 섞임 현상도 문제가 되고 있다.
그림 2는 Light Guide 픽셀 구조에서의 반사율을 계산한 결과를 나타낸다. 광통로는 PE-Oxide(PECVD Oxide, n=1.46), 화소 분리막은 FSG-Oxide(Fluorinated silica glass oxide, n=1.435)이다.^[7] 결과에서 알 수 있듯이 임계각(79.
이러한 점들을 고려하여, 공기(Air), MgF₂, TiO₂ 등을 선택하여 시뮬레이션해 보았다. 선택 된 매질의 광학 특성은 표 1과 같다.

데이터처리

반사율을 이론적으로 계산하기 위해 Essential Macleod (ver. 8.9.55) 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 기존의 Light Guide 픽셀 구조의 경계면에서의 반사율과 광학 박막이 채용된 픽셀에서의 반사율을 계산하였다.

이론/모형

그리고, 두 매질의 경계면에 얇은 막이 형성된 구조에 대해서는 광학이론이 아주 잘 정립되어 있고,^[11] 시뮬레이션 소프트웨어도 발달되어 있어서, 어렵지 않게 그 효과를 예측해 볼 수 있다. 우리는 Essential Macleod(Thin Film Center)를 이용하여 시뮬레이션하였다.

성능/효과

^[1-5] 최근에 제작되고 있는 CMOS 이미지 센서의 경우, 입사 광량이 충분한 환경에서는 CCD 이미지 센서에 필적하는 영상을 출력하기도 한다.^[2] 광학적인 손실은 초기 CMOS 이미지 센서에서도 발생하였으나 전기적인 손실에 의한 문제가 더 심각하여 크게 부각되지는 않았었다.^[1-3] 회로 공정이 어느 정도 안정화된 2000년도 이후 컬러 영상 출력을 위한 컬러 필터가 채용된 CMOS 이미지 센서가 제작되었다.
근래의 0.18 μm 공정을 고려할 때 의미 있는 두께인 1/3~1/4 파장 두께의 공기 박막에 의하여, 전반사 임계각이 50 도 부근으로까지 낮아지는 효과를 확인할 수 있다.
광학 박막을 채용한 시뮬레이션 모델에서는, 광학 박막의 면적이 무한히 넓다는 가정이 사용되는 점을 고려하여야 한다. 따라서, 본 논문의 결과는 실제보다 지나치게 좋은 성능 예측이 될 수 있다. 시판되고 있는 CMOS 이미지센서의 픽셀 구조에서는 광통로 벽의 깊이와 폭이 수 마이크로 미터 정도로서, 박막 두께로서 현실적인 값인 수 백 나노 미터에 비하여, 열 배 정도에 지나지 않는다.
이를 확인하기 위해 광학 박막 설계 프로그램인 Essential Macleod를 이용하여 시뮬레이션 하여, 공기와 몇 가지 반도체 공정에서 고려할만한 물질에 대한 결과를 얻어내었다. 특히 공기 박막을 이용할 경우에, 전반사가 일어나는 입사각 범위가, 80~90도로부터, 50~90도로 넓혀질 수 있음을 확인하였다.

후속연구

이러한 실험을 통하여 얻는 결과로부터 이론적 모델의 수정을 위한 힌트를 얻게 될 것이다. 한편, 가시광에 비하여 파장이 훨씬 긴 적외선을 이용하는 군사용 적외선 감지 센서에서는 픽셀을 보다 크게 설계할 수 있으므로, 본 논문의 결과가 더 잘 응용될 수 있다고 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가시광선 대역의 광 신호를 전기적 신호로 전환하는 이미지 센서로 흔히 어떤 센서가 사용되는가?	가시광선 대역의 광 신호를 전기적 신호로 전환하는 이미지 센서로는 흔히 CCD 이미지 센서와 CMOS 이미지 센서가 사용된다. CCD 이미지 센서는 우수한 영상 품질을 제공하지만 제조단가가 높은 편이다.
	CCD 이미지 센서의 장단점은?	가시광선 대역의 광 신호를 전기적 신호로 전환하는 이미지 센서로는 흔히 CCD 이미지 센서와 CMOS 이미지 센서가 사용된다. CCD 이미지 센서는 우수한 영상 품질을 제공하지만 제조단가가 높은 편이다. 이에 비하여 CMOS 이미지 센서는 다양한 노이즈가 발생하여 영상 품질이 떨어진다.
	CMOS 이미지 센서의 영상 품질 저하의 원인은 무엇인가?	CMOS 이미지 센서의 영상 품질 저하의 원인은 대체로 두가지로 분류할 수 있다. 픽셀 내부 구조에서의 광학적인 손실과 내부 회로에서의 전기적인 손실이 그것이다.[1-6] 전기적인 손실은 CMOS 이미지 센서의 동작원리에 의해 발생하는 손실로서 꾸준히 그 해결책이 제안되고 있다.

참고문헌 (13)

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