전면 조사형 vs 후면 조사형 vs 적층형 이미지 센서: 구조·감도·속도 비교

CMOS 이미지 센서는 빛을 어느 면으로 들여보내는지, 회로를 어디에 두는지에 따라 세 가지 구조로 나뉩니다. 전면 조사형(FSI)은 배선층이 있는 앞면으로 빛을 들여보내므로 빛의 일부가 배선에 가려집니다. 후면 조사형(BSI)은 웨이퍼를 뒤집어 수 µm까지 얇게 만들고 배선이 없는 뒷면으로 빛을 들여보내므로, 작은 화소에서도 감도를 확보할 수 있습니다. 적층형은 BSI 화소 칩을 읽기와 이미지 처리 회로를 가진 로직 칩과 접합한 구조로, 칩을 작게 하고 읽기를 빠르게 할 수 있습니다.

비교 항목전면 조사형(FSI)후면 조사형(BSI)적층형
빛이 들어오는 면배선층이 있는 앞면. 마이크로렌즈, 컬러 필터, 여러 층의 배선 사이를 지나 포토다이오드에 도달합니다배선층의 반대쪽(뒷면). 배선을 거치지 않고 포토다이오드에 도달합니다뒷면. 화소 칩은 BSI 구조입니다
기본 구조한 장의 실리콘 기판에 화소와 주변 회로를 만듭니다앞면 공정 후 지지 웨이퍼에 접합하고, 원래 기판을 수 µm까지 얇게 만듭니다화소 웨이퍼와, 읽기·AD 변환·이미지 처리를 담당하는 로직 웨이퍼를 접합합니다. 지지 웨이퍼 대신 로직 웨이퍼를 사용합니다
개구율과 감도배선이 빛의 일부를 가려, 화소가 작을수록 감도가 떨어지기 쉽습니다화소 면적의 거의 전체로 빛을 받을 수 있어 감도가 높습니다BSI와 동등
비스듬히 들어오는 빛빛이 지나는 층이 두꺼워 비스듬한 빛을 잃기 쉽습니다광 경로가 짧아 비스듬한 빛에 강합니다BSI와 동등
배선의 자유도배선을 광 경로에서 비켜 놓아야 하므로 층수와 배치에 제약이 있습니다광학적 제약이 없어 배선층을 늘릴 수 있습니다회로의 상당 부분을 로직 칩으로 옮길 수 있습니다
주변 회로의 위치화소 어레이 주변에 화소와 같은 공정으로 만듭니다화소 어레이 주변에 화소와 같은 공정으로 만듭니다화소 아래의 로직 칩에 두며, 로직에 적합한 미세 공정으로 만들 수 있습니다. 메모리 칩을 더한 3층 구조의 예도 있습니다
칩 면적주변 회로만큼 화소 영역보다 큽니다주변 회로만큼 화소 영역보다 큽니다회로가 화소 아래에 들어가므로 작게 만들 수 있습니다
읽기 속도와 기능표준적표준적회로를 늘리기 쉬워 고속 읽기, 높은 프레임 레이트, HDR 등의 처리를 탑재하기 쉽습니다
제조 난이도가장 간단하고 저렴합니다접합, 박화, 뒷면 표면 처리(패시베이션)가 필요합니다BSI 공정에 더해 웨이퍼 간 접합과 전기적 연결(TSV나 Cu-Cu 하이브리드 본딩)이 필요해 가장 복잡합니다
주요 과제화소 미세화에 한계가 있습니다뒷면 결함에 의한 암전류, 얇은 실리콘에서 인접 화소로의 크로스토크(DTI로 억제), 적색과 근적외선 감도 저하BSI의 과제에 더해 접합 수율, 로직의 발열이 암전류와 노이즈에 주는 영향
주요 용도화소가 큰 산업용이나 저비용 센서스마트폰이나 디지털카메라 등 작은 화소로 감도가 필요한 센서고성능 스마트폰, 고속 촬영 카메라, 차량용 등 속도와 소형화가 필요한 센서

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

전면 조사형(FSI)
화소가 크고 배선에 의한 빛 손실이 작을 때, 또는 비용을 가장 낮추고 싶을 때.
후면 조사형(BSI)
화소가 약 1 µm 안팎까지 작아도 감도를 확보하고 싶을 때. 스마트폰 카메라의 표준 구조입니다.
적층형
칩을 작게 하고 싶을 때, 또는 고속 읽기나 이미지 처리 기능을 센서에 탑재하고 싶을 때.
세 구조의 관계
세 가지는 차례로 발전해 온 구조입니다. BSI는 접합을 위해 지지 웨이퍼가 필요하므로, 그 지지 웨이퍼를 회로가 들어간 로직 칩으로 바꾼 것이 적층형입니다.

자주 묻는 질문

후면 조사형은 왜 감도가 높은가요?

전면 조사형에서는 빛이 포토다이오드에 도달하기까지 여러 층의 배선 사이를 지나므로 일부가 가려지거나 반사됩니다. 후면 조사형은 배선이 없는 뒷면으로 빛을 들여보내므로 화소 면적의 거의 전체로 빛을 받을 수 있고, 비스듬한 빛도 잘 잃지 않습니다.

적층형도 후면 조사형인가요?

네. 적층형의 화소 칩은 후면 조사형 구조이며, 그 아래에 읽기와 이미지 처리 회로를 가진 로직 칩을 접합합니다. '후면 조사형'은 빛을 들여보내는 방식을, '적층형'은 회로를 배치하는 방식을 나타내는 말입니다.

전면 조사형은 이제 쓰이지 않나요?

쓰이고 있습니다. 화소가 크면 배선에 의한 빛 손실이 작고 공정도 간단하고 저렴하므로, 화소가 큰 센서나 저비용 센서에서는 지금도 전면 조사형이 선택되기도 합니다.

이해도 확인

후면 조사형(BSI) CMOS 이미지 센서의 주된 이점으로 올바른 것은?

  1. A화소 수를 줄일 수 있다
  2. B배선층을 통과하지 않고 빛이 포토다이오드에 도달하므로 감도를 높이기 쉽다
  3. C컬러 필터가 필요 없어진다
정답과 해설 보기

정답: B. 배선층을 통과하지 않고 빛이 포토다이오드에 도달하므로 감도를 높이기 쉽다

전면 조사형에서는 빛이 포토다이오드 위에 있는 여러 층의 배선 틈을 지나야 하므로 배선에 가려지거나 반사되었습니다. 후면 조사형은 웨이퍼를 수 µm까지 얇게 깎아 배선층의 반대쪽에서 빛을 들여보내므로 빛을 효율적으로 받아들일 수 있고 비스듬한 빛에도 강합니다. 2009년에 소니가 제품화했으며, 1 µm 안팎의 미세한 화소에서도 감도를 확보할 수 있어 스마트폰 카메라의 표준이 되었습니다.

적층형 CMOS 이미지 센서에 대한 설명으로 올바른 것은?

  1. A렌즈를 여러 장 겹친 구조
  2. B포토다이오드를 사용하지 않는 구조
  3. C화소부와 신호 처리 회로를 별도의 칩으로 만들어 겹쳐 접합한 구조
정답과 해설 보기

정답: C. 화소부와 신호 처리 회로를 별도의 칩으로 만들어 겹쳐 접합한 구조

적층형에서는 화소부 칩과 AD 변환이나 이미지 처리를 하는 로직 회로 칩을 각각 최적의 공정으로 따로 만들고, 구리끼리의 직접 접합(Cu-Cu 접합) 등으로 겹쳐 접합합니다. 2012년에 소니가 제품화했으며, 칩 면적을 줄이면서 고속 읽기, HDR, 동영상의 높은 프레임 레이트화 등을 실현할 수 있습니다. 메모리를 끼운 3층 구조의 제품도 있습니다.

이미지 센서 화소의 '개구율(필 팩터)'의 의미로 올바른 것은 무엇입니까?

  1. A렌즈 조리개의 크기
  2. B화소 수에 대한 유효 화소 수의 비율
  3. C화소의 면적 중 빛을 받아 전하로 변환하는 부분이 차지하는 비율
정답과 해설 보기

정답: C. 화소의 면적 중 빛을 받아 전하로 변환하는 부분이 차지하는 비율

개구율은 하나의 화소 면적 중 포토다이오드로서 빛을 받을 수 있는 부분의 비율입니다. 트랜지스터나 배선이 많으면 개구율이 떨어져 감도가 낮아집니다. 초기의 CMOS 센서는 개구율이 30% 정도밖에 되지 않아 CCD에 비해 불리했습니다. 마이크로렌즈로 빛을 모아 실효 개구율을 높이고, 또한 후면 조사형에서는 배선이 광 경로에서 벗어나므로 실질적으로 100%에 가까운 수광이 가능해졌습니다.

  1. 이미지 센서의 각 화소 위에 설치하는 마이크로렌즈의 역할은?
  2. 미세한 화소 사이에 깊은 홈을 파고 절연물 등을 매립하는 구조(DTI)의 주된 목적은?
  3. 하이브리드 본딩에 대한 설명으로 올바른 것은?

이미지 센서와 광소자 문제 풀기

주요 용어 설명

후면 조사형(BSI)
배선층이 없는 기판 뒷면에서 빛을 받아들이는 구조의 이미지 센서. 배선에 빛이 가려지지 않아 작은 화소에서도 감도가 높다.
적층형 CMOS 이미지 센서(Stacked CIS)
화소부와 신호 처리 회로를 별도의 칩으로 만들어 겹쳐 접합한 이미지 센서. 각각에 적합한 공정을 쓸 수 있고, 칩을 작게, 처리를 빠르게 할 수 있다.
마이크로렌즈(Microlens)
이미지 센서의 각 화소 위에 놓이는 작은 렌즈. 빛을 모아 포토다이오드로 효율적으로 유도하여 감도를 높인다.
CMOS 이미지 센서
화소마다 증폭 회로를 가지며 CMOS 공정으로 만드는 이미지 센서. 저전력이고 주변 회로를 집적할 수 있어 스마트폰 카메라 등의 주류이다.
하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)
범프를 쓰지 않고 구리 전극과 절연막 면끼리 직접 접합하는 기술. 매우 좁은 피치로 많은 연결이 가능하다.

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