아이소셀 Dual VTG 기술, 초고해상도 성능을 한번 더 끌어올린 삼성전자 이미지센서만의 새로운 픽셀 구조

삼성전자는 지난 1월 차세대 프리미엄 스마트폰으로 디테일이 살아있는 초고해상도 사진을 촬영할 수 있는 2억 화소 이미지센서인 아이소셀 HP2를 공개했습니다. 그리고 2023년 2월에는 갤럭시 언팩(Unpacked) 행사에서 아이소셀 HP2가 탑재된 갤럭시 S23 울트라를 공개하며 고화소와 고감도 사진을 담고 싶어하는 전문가 및 일반 프리미엄 스마트폰 사용자를 위한 새로운 가능성을 열었습니다.

어떤 환경에서도 가능한 최상의 픽셀 성능을 구현하여 디테일하고 선명한 사진을 촬영할 수 있도록, 삼성전자는 다양한 최신 기술을 접목하고 픽셀 구조를 개선하여 빛 흡수율을 높이고 있습니다. 새롭게 설계된 픽셀 구조인 D-VTG(Dual Vertical Transfer Gate)는 매우 밝은 환경에서도 각 픽셀의 색상과 디테일을 보다 선명하게 표현할 수 있는 아이소셀 HP2의 핵심 요소입니다.

아이소셀 이미지센서의 성능을 끌어올리는 주요 기술, D-VTG 기술에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

픽셀 구조와 트랜스퍼 게이트 이해하기

픽셀에 들어온 빛은 수광부의 마이크로렌즈와 컬러 필터를 통과한 뒤, 포토다이오드에서 음전하를 띤 전자로 변환됩니다. 이후 전자는 트랜스퍼 게이트를 통해 플로팅 디퓨전(floating diffusion)에 저장됩니다. 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 저장된 전하량에 비례하는 전압을 생성한 뒤 이를 디지털 신호로 변환합니다.

트랜스퍼 게이트는 전자가 포토다이오드에서 플로팅 디퓨전으로 이동하는 것을 스위치처럼 제어할 수 있습니다. 트랜스퍼 게이트가 통과시킬 수 있는 최대 전자의 수는 이미지센서의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 트랜스퍼 게이트가 더 많은 전자를 통과시킬 수 있게 되면 픽셀 내부 포토다이오드의 크기를 키울 수 있게 됩니다. 결과적으로 트랜스퍼 게이트의 최대 전송 용량은 다이나믹 레인지와 같은 여러 이미지 품질 성능 지표에 영향을 미칩니다.

이미지센서가 점점 더 작아지고 픽셀 밀도가 높아짐에 따라 포토다이오드와 접촉하는 트랜스퍼 게이트의 크기도 작아져야 합니다. 하지만 트랜스퍼 게이트가 작아질수록 전달할 수 있는 전자의 수가 줄어들고, 노이즈가 더 많이 발생하게 됩니다. 특히 삼성전자 반도체의 아이소셀 기술은 픽셀 사이에 물리적 장벽 ‘FDTI(Front Deep Trench Isolation)’을 형성하여 픽셀 간 간섭을 줄였는데, 픽셀 사이에 벽이 생기면서 자연스레 포토다이오드의 공간이 줄어들어 포착할 수 있는 빛의 양이 줄어들게 되었습니다.

이를 극복하기 위해 트랜스퍼 게이트의 구조를 수직으로 변경하는 VTG(Vertical Transfer Gate) 기술이 사용되었습니다. 트랜스퍼 게이트는 포토다이오드 아래에 위치하는데, 트랜스퍼 게이트의 구조를 수평에서 수직으로 변경하면 포토다이오드를 픽셀 내부에 더 깊게 형성할 수 있어 작은 면적에서도 충분한 전자를 캡처할 수 있습니다. 트랜스퍼 게이트를 통해 더 많은 전자가 플로팅 디퓨전으로 전달되어 더 많은 빛 정보를 담을 수 있습니다.

듀얼 VTG 개발

초고해상도 모바일 이미지센서에 대한 수요가 증가하면서 삼성전자 반도체는 1억 8백만 화소를 넘어 2억 화소로 해상도를 높였습니다. 광학 모듈의 구조와 스마트폰 이미지센서 포맷의 한계로 인해 화소가 높아지면 픽셀 크기는 작아져야 하고, 픽셀 피치가 작아질수록 포토다이오드 면적도 작아집니다. 이를 해결하기 위해 삼성전자는 FDTI 구조 기반의 아이소셀 픽셀 기술을 0.64㎛ 픽셀까지 지속적으로 개선해 왔으며, DTI 크기를 축소하고 플라즈마 도핑(PLAD, Plasma-assisted doping)을 최적화하여 약 6,000e- 수준의 전하저장용량(FWC, Full Well Capacity)을 유지했습니다.

삼성전자는 픽셀 사이즈를 줄이면서도 초고화소 이미지센서의 성능을 향상시킬 수 있도록 하나의 픽셀에 두 개의 VTG를 집적하는 D-VTG(Dual Vertical Transfer Gate) 기술을 개발하여 아이소셀 HP2 이미지센서에 적용했습니다. 삼성전자는 듀얼 VTG를 구현함으로써 개별 트랜스퍼 게이트 전압의 제어 능력을 높여 단일 VTG 대비 전송 성능을 향상시켰을 뿐만 아니라 VTG 간 간격, 깊이, 테이퍼 경사 등을 최적화해 전자 전송을 극대화했습니다.

그림 1에서 볼 수 있듯이 VTG를 따라 이동하는 전자의 수, 즉 전위값을 보면 영역 1과 2 모두에서 D-VTG가 S-VTG(단일 VTG)보다 전위값이 더 높다는 것을 알 수 있습니다.

아래 그림과 같이 두 VTG 사이의 거리를 130nm에서 20nm로 줄이고 VTG의 크기도 줄인 시뮬레이션을 수행한 결과 영역 1에서는 VTG 크기가 커질수록 전위값이 증가했고, 영역 2에서는 VTG 사이의 간격이 줄어들수록 전위값이 증가했습니다.

성능 향상

그림 3은 동일한 전하저장용량(FWC)에서 측정한 S-VTG 및 D-VTG의 이미지 지연 결과입니다. 이미지 지연은 이전 프레임에서 트랜스퍼 게이트를 통과하지 못한 전자가 남아있다가 다음 프레임에서 회로를 통과함으로써 색 재현에 영향을 주는 것을 말합니다. 1.5V에서 D-VTG는 이미지 지연이 없었지만 S-VTG는 약 13 LSB의 이미지 지연이 있었습니다.

즉, 그림 4와 같이 동일한 전압에서 D-VTG가 S-VTG보다 전송 효율이 높습니다. 따라서 픽셀의 포토다이오드를 더 깊게 형성하여 더 많은 빛을 수용할 수 있습니다.

그 결과 D-VTG는 랜덤 노이즈(RN, Random Noise) 및 RTS(Random Telegraph Signal)와 같은 노이즈 및 화이트 스팟(결함으로 인해 누설 전류가 발생하는 픽셀) 특성은 비슷하게 유지하면서 S-VTG에 비해 최대 약 66% 더 높은 전하저장용량(FWC)을 제공합니다.

아이소셀 HP2의 경우 각 픽셀은 전작 2억 화소 이미지센서보다 33% 더 많은 전자를 흡수합니다. 이를 통해 각 픽셀이 더 많은 전자를 활용할 수 있게 되어 밝은 환경에서 색 재현력이 크게 향상되었습니다. 아이소셀 HP2는 작은 픽셀 크기로도 충분한 전하저장용량을 구현하는 D-VTG 기술이 적용된 삼성전자 반도체의 첫 번째 이미지센서입니다. 삼성전자 반도체는 이 혁신적인 기술을 다양한 이미지센서 라인업에 적용해 소비자들이 보다 나은 화질로 사진을 촬영할 수 있도록 지원할 예정입니다.

출처: J. Yun et al., “A 0.6 ㎛ Small Pixel for High Resolution CMOS Image Sensor with Full Well Capacity of 10,000e- by Dual Vertical Transfer Gate Technology,” 2022 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits (VLSI Technology and Circuits), Honolulu, HI, USA, 2022, pp. 351-352, doi: 10.1109/VLSITechnologyandCir46769.2022.9830254. (Link)