논문 리뷰 - Twisted PDAF image sensor, IEDM, Canon

 

2023 IEDM에 투고된 논문으로 캐논에서 나온 PDAF 논문이다.

나의 전공이었으나 어느덧 전공과 멀어진.. 볼때마다 애착이 가는 PDAF픽셀이다.

PDAF란, phase detection auto-focusing의 약자로 위상을 감지해 상의 초점을 맞추는 기술을 뜻한다.

사람은 두개의 눈을 가졌기에 초점을 맞출 수 있다. 그리고 눈에 힘을주면 멀리있는게 선명히 보이고, 힘을 좀 풀면 가까히 있는게 선명히 보인다.

이렇듯, 이미지 센서에서도 2개의 픽셀을 이용해 감도를 비교하며 초점을 맞춘다. 그리고 상을 정확히 맺게하기 위해 module에 포함됨 actuator를 움직이게하여 선명한 이미지 구현을 돕는다.

 

 정확하지 않으나 1개의 픽샐을 이용해(이하 1-PD) PDAF를 사용하는 기술은 Sony가 원조이고

2개의 픽셀을 이용해(이하 2-PD) PDAF를 사용하는 기술을 처음 도입한게 캐논으로 기억한다.

2-PD PDAF픽셀은 1-PD PDAF처럼 metal shield같은 불필요한 요소가 필요없기에 더욱 널리 사용되고있다.

 

2-PD PDAF외에도 Quad PD PDAF 또한 존재하는데, 이 구조는 고급 스마트폰 시장에서 가장 상용화된 구조이다.

아래의 I-phone과 galaxy의 고급 기종모델에서 모두 Quad PDAF를 채택하니 말이다.

 

 

아래의 그림은 지금까지 ISSCC, IEDM, IISW등에 공개된 PDAF구조를 보여준다.

기존의 2-PD PDAF구조에서 quad PD가 나오고 더욱 성능이 개선된 구조가 딱히 나오지 않았다.

캐논에서는 이번 새로운 Twisted PDAF로 사내 기술을 선보이려는 목적이 큰것으로 보인다.

 

아래 그림은 꾀나 기억에 남는 짤이다. 이재용 삼성전자 회장님의 발언으로 인터뷰중에 죄다 캐논 카메라만 보였다고한다. 촬영으로 영상을 얻기위한 카메라에서 찰나의 순간을 정확히 포착하는것이 중요하다. 아마도 캐논의 PDAF기술 또한 카메라의 성능에 큰 기여를 했을것으로 생각된다. 

 

 

본론으로 다시 되돌아와서 아래 그림은 Twisted pixel의 구조이다.

가장 큰 특징으로는 Back side부문과 Front side 부분이 나뉘어져있다. 그리고 Back side 부분은 Horizental부문을 detection가능한 픽셀과 vertical 부문을 detection 가능한 픽셀로 나누어져있다.

 

아래 그림을 보면 이 구조의 특성이 더욱 뚜렷하게 볼 수 있다.

왼쪽은 potential을 TCAF로 보여주는그림 오른쪽은 SEM? 그림으로보인다.

우측 그림에서 특징이 PDAF픽셀을 사용함에도 회로부문 (TG, RG, SF, STI....)에서 모두 균일하게 배열이 되어있다.

나는 아직 회로설계나 공정을 해보지는 않아 잘 모르겠으나 이렇게하면 pixel간의 mismatch가 최소화되는 여러 장점이 있다.

가장 먼저 직관적으로 설계가 편하다. 마스크 제작에만 몇시간 몇일이 걸리는데 제품개발을 위한 마스크 제작에 얼마나 시간이 오래 걸릴지 모른다.

그리고 pixel mismatch는 픽셀간의 기생캡이 달라지게되고 FD capacitance또한 바뀌게 되어 PRNU(photo response non uniformity)를 초래할것이다. 

그리고 다른 장점으로는 위 그림처럼 Twisted PD는 픽셀 내부에서 cap이 배교적 front side쪽에 위치한다. BSI구조의 경우, TG가 front side위쪽에 존재하기 때문에 E-H pair로 수집된 전하들이 TG와 가까운 쪽에 위치할수록 성능에 긍정적인 영향을 준다. 따라서 Twisted PD의 경우 타 구조에비해 image lag를 개선할 수 있게된다.

 

아래 그림은 제안된 구조의 Angular response 를 보여준다.

horizontal, vertical 모두 입사각에 따라 두 픽셀의 감도의 차이를 확연하게 볼 수 있다. 따라서 전방향 all-directional PDAF 구현이 가능함이 입증되었다.

 

 

개인적인 견해로는 Quad PD PDAF구조에서 더 진보된 구조가 없을거라 생각을했다. Dynamic range, high-resolution, PDAF 등등.... 많은 장점을가졌고 그렇기에 소니와 삼성에서 상용화된 제품에 사용하고있다.

이번에 캐논에서 제안된 구조는 바로 상용화가 가능하지는 않겠으나 간결하면서도 굉장히 혁신적인 구조라고 생각된다. 전방향 PDAF가 가능하게 했고, 회로부 설계를 간략화 시킴과 동시에 dual PD의 고질점인 PRNU도 개선했기 때문이다.

 

하지만 단번에 생각나는 단점들도 존재한다.

첫째로 optical crosstalk에 취약할것으로 예상된다. PDAF 비교에 사용되는 두개의 픽셀 사이에 p-well을 형성해 electrial crosstalk을 방지한다고는 하더라도 optical crosstalk은 막지 못할것이다. 가령, Deep trench isolation으로 픽셀의  vertical하게 고립키는것은 가능할 수 있다. 하지만 Twsited 구조를 위해 구분해놓은 Front side부분과 Back side부분의 경계는 DTI로 어찌 할 방도가 없다.

두번째로 ion implantation이 까다로울것으로 예상된다. 아직 Si 기반 PD공정을 해보지 않아 잘 모르겠으나, front side와 back side부분의 p-well경계를 얇고 정확하게 만드는것은 꾀나 어려울것으로 예상된다. P-well이 두꺼울 경우, 공핍층에 손실이 생길 것이고 너무 얇을 경우 electrical crosstalk을 유발할것이다.