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 항목 | 전면 조사형(FSI) | 후면 조사형(BSI) | 적층형 |
|---|---|---|---|
| 빛이 들어오는 면 | 배선층이 있는 앞면. 마이크로렌즈, 컬러 필터, 여러 층의 배선 사이를 지나 포토다이오드에 도달합니다 | 배선층의 반대쪽(뒷면). 배선을 거치지 않고 포토다이오드에 도달합니다 | 뒷면. 화소 칩은 BSI 구조입니다 |
| 기본 구조 | 한 장의 실리콘 기판에 화소와 주변 회로를 만듭니다 | 앞면 공정 후 지지 웨이퍼에 접합하고, 원래 기판을 수 µm까지 얇게 만듭니다 | 화소 웨이퍼와, 읽기·AD 변환·이미지 처리를 담당하는 로직 웨이퍼를 접합합니다. 지지 웨이퍼 대신 로직 웨이퍼를 사용합니다 |
| 개구율과 감도 | 배선이 빛의 일부를 가려, 화소가 작을수록 감도가 떨어지기 쉽습니다 | 화소 면적의 거의 전체로 빛을 받을 수 있어 감도가 높습니다 | BSI와 동등 |
| 비스듬히 들어오는 빛 | 빛이 지나는 층이 두꺼워 비스듬한 빛을 잃기 쉽습니다 | 광 경로가 짧아 비스듬한 빛에 강합니다 | BSI와 동등 |
| 배선의 자유도 | 배선을 광 경로에서 비켜 놓아야 하므로 층수와 배치에 제약이 있습니다 | 광학적 제약이 없어 배선층을 늘릴 수 있습니다 | 회로의 상당 부분을 로직 칩으로 옮길 수 있습니다 |
| 주변 회로의 위치 | 화소 어레이 주변에 화소와 같은 공정으로 만듭니다 | 화소 어레이 주변에 화소와 같은 공정으로 만듭니다 | 화소 아래의 로직 칩에 두며, 로직에 적합한 미세 공정으로 만들 수 있습니다. 메모리 칩을 더한 3층 구조의 예도 있습니다 |
| 칩 면적 | 주변 회로만큼 화소 영역보다 큽니다 | 주변 회로만큼 화소 영역보다 큽니다 | 회로가 화소 아래에 들어가므로 작게 만들 수 있습니다 |
| 읽기 속도와 기능 | 표준적 | 표준적 | 회로를 늘리기 쉬워 고속 읽기, 높은 프레임 레이트, HDR 등의 처리를 탑재하기 쉽습니다 |
| 제조 난이도 | 가장 간단하고 저렴합니다 | 접합, 박화, 뒷면 표면 처리(패시베이션)가 필요합니다 | BSI 공정에 더해 웨이퍼 간 접합과 전기적 연결(TSV나 Cu-Cu 하이브리드 본딩)이 필요해 가장 복잡합니다 |
| 주요 과제 | 화소 미세화에 한계가 있습니다 | 뒷면 결함에 의한 암전류, 얇은 실리콘에서 인접 화소로의 크로스토크(DTI로 억제), 적색과 근적외선 감도 저하 | BSI의 과제에 더해 접합 수율, 로직의 발열이 암전류와 노이즈에 주는 영향 |
| 주요 용도 | 화소가 큰 산업용이나 저비용 센서 | 스마트폰이나 디지털카메라 등 작은 화소로 감도가 필요한 센서 | 고성능 스마트폰, 고속 촬영 카메라, 차량용 등 속도와 소형화가 필요한 센서 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.