논문 리뷰 - Dual conversion gain pixel

2022년에 네이버 블로그에 포스팅한 글입니다.

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source : IEDM, 16.2.1~16.2.4, 2019, Samsung

오늘 주제는 그동안 어렴풋이 개념을 알고있었으나 설명해 보라하면 정확히 대답하지 못했던 convertion gain과 Quad pixel binning.

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본 논문은 크게 3가지 카테고리로 구성된다.

1) DTI

2) ISOCELL Plus (low n-material for CF isolation)

3) Dual conversion gain

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First of all, DTI​

It goes without saying that Samsung electronics is one of the best company about VLSI in the world. And, The DTI that isolate each photodiode is signiture technology in samsung. Then, The optical crosstalk and electric crosstalk are suppressed. Thus, the optical perforamce is enhanced due to isolated pixel. However, the DTI occur other defects such as white spot and dark current due to stress of silicon. Fathermore, as pixel pich decreases, the light incident surface area is decreased. Therefore, the DTI optimization is essential.

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In this paper, in order to reduce the pixel pitch, DTI aspect ratio was also reduced. And, the DTI sidewall oxidation process was also optiized. As for DTI sidewall, DTI make silicon get stress. For figuring out this issue, I think passivation and sidewall oxidation process was implemented for suppression the defects.

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In the case of FWC(full well capacitance), According to pixel shrink, the optimized ion implantation process was applied. Which mean, the N-well could be generated in the pixel, the FWC was improved.

And, The full depth DTI that the DTI is located from the front-side of silicon to the back-side of silicon was implemented, it has advantages of blooming free and complete isolation.

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여기까지가 DTI에 대한 내용이며, 익숙한 내용이기에 연습겸 영어 작문.

단순한 문장 구성이긴 하나 번역기 없이 적은것을 고려하면 영어 작문도 꾀나 늘었다.

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두번째로 ISOCELL PLUS

굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 들어가게되면 빛이 안쪽으로 굴절되어 마치 전반사평면과 같은 역할을 하게 되는데, CF는 대략 1.5~1.9 정도의 굴절률을 가지고있다. 따라서 CF 사이에 낮은 n값을 가진 유전체를 사용하게 되면 금속처럼 빛을 흡수하지도 않고 photodiode쪽으로 빛이 giude되어 sensitivity가 더욱 올라가는 원리이다.

source : IEDM, 16.2.1~16.2.4, 2019, Samsung

무슨 물질이 사용되었는지, 얼마의 n값을 지닌 물질인지는 알려져있지 않으나 추후에 2022 ISSCC에서 air gap이 들어간 CF grid가 나온걸 생각해보면 n값이 낮아짐에 따라 확실히 sensitivity 개선이 많이 되었을 것으로 생각된다 (air는 n값이 1)

한가지 궁금한점은 CF grid를 DTI와 같이 trench를 만들어 한번에 정렬시키는지, 혹은 두번에 걸쳐 따로 하는지 궁금한데

정렬을 하는것 또한 어려울것으로 예상되어 아무래도 한번에 에치시키고 나중에 다른 물질로 채워줄 것 같다.

2019년 당시 Full depth DTI이기때문에 F-DTI를 사용했을 것이고, 앞쪽에서 silicon을 뚫고, 뒷부분을 깎을때 한번에 깎아 버릴건데 이걸 생각하면 두번에 걸쳐 공정을 할 것 같기도하고... 이건 더 찾아봐야할 내용이다.

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세번째 Dual conversion gain

이 논문을 리뷰한 이유이자 그동안 햇갈렸던 내용.

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source : IEDM, 16.2.1~16.2.4, 2019, Samsung

거두절미하고 4-shared pixel 회로에 있는 reset Transistor위에 DCG(dual conversion gain) Transistor을 달아줌으로

1. 저조도 -> pixel binning -> sensitivity가 높아진 효과 (fig 5(a))

2. 고조도 -> pixel binning x -> RG와 DCG조작으로 인한 floating diffusion의 cap이 높아진 효과 -> FWC이 2배가 되는 효과.

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내가 알고있던 배경지식에선 삼성의 pixel은 pitch pitch가 0.6~0.8의 경우 대략 6000e-을 FWC로 가지고 있다. 그러나 본 논문은 제목에 12k라고 명시되어 있으며 이것은 Dual conversion gain으로 인해 FWC가 늘어난거라고 생각하면 된다. 기본적인 픽셀 에서 가지고 있는 FWC는 6000k라고 생각하면 되고, TR이 하나 증가하면서 cap이 더욱 커진 효과를 누리는것이다.

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동작 원리를 깊게 들어가기 전에 cap이 어떤 역할을 하는지 아는것이 중요하다.

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4TR 구조에서 별도의 capacitance를 달아주지 않더라도 parasaticcapacitance로 floating diffusion이 생성되며 이곳에 전하가 축척되게 된다.

이 기생 cap을 CFD 라고 명칭한다.

CFD은 크게 두가지에 영향을 준다.

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1. CG

: photodiode에서 생성된 전하가 CFD로 옮겨져 축척되고 이 전하가 전압으로 바뀌는 비율을 conversion gain이라고 한다. 관계식은 아래와 같으며 당연히 전자가 많을수록 전압이 많이 만들어질것이기에 e가 분자에 변수로 오게되고, 마치 1.5L우유에 각설탕 하나 넣는다고 우유가 달아지지 않는것 처럼 전하를 보관하고 있는 Cap가 너무 크면 변환 이득이 거의 없는것으로 인식되기 때문에 CFD는 분자로 오게된다.

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CG = e/CFD

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2. FWC

반대로 FWC는 우리말로 정전전하용량이라고도 불리며 전하를 보관할 수 있는 각설탕 박스 라고 생각하면 된다. 많은 양의 각설탕을 가지고 있으면 나중에 더 달달한 밀크라떼를 마실 수 있기 때문에 FWC는 CFD가 클수록 커지게 된다. 수식은 아래와 같다.

source : IMAGE SENSORS and SIGNAL PROCESSING for DIGITAL STILL CAMERAS Edited by Junichi Nakamura

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이제 어느정도 CFD와 CG, FWC의 관계를 알 수 있다. 그럼 어떻게 FWC와 CG 이득을 얻을 수 있을까?

source : IEDM, 16.2.1~16.2.4, 2019, Samsung

다시 이 그림을 보게되면 왼쪽은 high CG을 위한 mode (저조도), 오른쪽은 low CG을 위한 mode(고조도)이다.

왼쪽 그림은 DCG가 항상 high이기 때문에 TR이 없는것과 유사하므로 일반적인 4TR과 같이 작동된다.

하지만 오른쪽 그림은 조금 다르다. photodiode에 있는 전하를 싹 비우기위해 reset을 해주기 위해 reset gate에 high전압을 인가하는데

이때 VDCG에도 high를 인가해준다. 그렇게 되면 두개의 TR 모두가 열려 전하가 싹 빠져나가게 된다.

그리고 VDG는 low로 TR의 채널을 끊어주고 VRG는 계속 high를 걸어주게 되면 기존의 기생캡과 RG, DCG 사이의 기생캡이 연결되어 capacitance가 더욱 커진 효과를 받게 된다. 즉 FWC가 커진 효과가 나온다.

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고조도에서 FWC를 키워주게 되면 더 많은 빛을 전하로 변환해 축척할 수 있게되어 더욱 선명한 이미지를 생성할 수 있게된다.

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즉, 저조도일때는 QUAD bayer CF array를 그대로 사용하여 네 픽셀의 출력값을 더해주어 감도를 끌어올리고

고조도 일때는 reset후에 DCG에는 low, RG에는 high를 걸어줌으로 cap을 키워 FWC가 커진 효과를내어 감도를 더욱 상승시키고 remosic을 진행하여 기존의 bayer CF array로 바꾸어준다.

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한마디 요약하면, Reset TR 위에 새로운 TR을 추가하여 parasatic capacitance를 이용해 고조도일때 더욱 많은 전하를 축척 할 수 있게 한다. 만약 기존의 기생캡을 더욱 줄이고, reset TR과 추가된 TR의 기생캡을 늘리면 저조도와 고조도일때 더욱 성능 차이가 뚜렸하게 좋아질 것이다.

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pros : quad CF array와 pixel binning을 사용해 pixel pitch가 작아짐에 따라 긴 파장의 빛이 픽셀로 온전히 들어가지 못하는 한계를 극복하였고 Dual CG를 이용해 고조도, 저조도 상황에 따라 이미지 품질을 바꿀 수 있다.

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cons : 저조도 고조도 판단은 어떻게 하는것인가? 내가 알기로는 고조도, 저조도를 판단을 할수는 있으나 이런 기능을 추가하게되면 빛이 전하로 바뀌고 이게 다시 전압으로 바뀌어 이미지 신호로 바뀌는것보다 고조도,저조도를 판단하는것이 느리기 때문에 사용하지 않는것으로 알고있다. 따라서 저조도 라고 가정한 이미지와 고조도 라고 가정한 이미지 두가지를 합성하는것으로 알고 있다.

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opinion : 마지막에 언급한 말과 같이 극단적으로 기존의 기생캡 값을 줄이게되면 이러한 이미지 합성에도 극단적인 차이가 나오기 때문에 어느정도의 기준선을 두고 설계를 하지 않을까 라는 생각이 든다.