논문 리뷰 - Dual pixel PDAF of Samsung, 2019 IISW
2022년에 네이버 블로그에 포스팅한 글입니다.
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요즘 PDAF에 관한 논문을 준비중이라 관련 논문을 정확히 알아야 할 필요가 있어 확장형 논문임에도 모두 읽는중이다.
바로 논문 리뷰 시작
Source : IISW, R3, 2019
2019년에 삼성에서 International Image Sensor Workshop에 투고한 논문으로 삼성이 밀고있는 듀얼픽셀프로의 큰아버지정도 된다고 생각하면 된다.
Source : IISW, R3, 2019
기존의 single pixel과 Dual pixel의 구조를 비교한 그림이다.
차이로는 PDAF 성능을 향상하기 위해 In-Pixel DTI를 넣어주었다.
이러한 구조를 만들어주게되면 1개의 photodiode가 있던 자리에 두개의 photodiode가 들어가고
그에따라 4TR구조의 회로가 추가되기 때문에 FWC이 줄어들것이며, PD size는 두말할 것 없다.
여기에 삼성은 실리콘의 흡수계수로 인해 발생하는 파장별 흡수되는 비율을 (픽셀의 감도 불균형)맞춰주기 위해 In-Pixel DTI를 추가 공정해주었다.
그에 따라 trade off 관계로 FWC와 PD size가 더욱 줄게되었다.
따라서 본 논문의 주제는 In-pixel DTI를 사용한 Dual pixel에서 기존의 구조와 비슷하거나 향상된
1) FWC, 2) random noixe, 3) AF performance를 다룬다.
첫번째로 FWC
면적이 20%줄어든 PD를 극복하기 위해 두 가지 공정을 강조했다.
- High aspect ratio photoresist
Image sensor도 결국 반도체 공정이고 실리콘 기판에 얼마나 작게 그림을 그리고 그 형태로 깎고 쌓아 고성능의 칩을 만드는지가 중요하다.
따라서 기존보다 작은 스케일의 공정을 사용해 더 얇은 aspect ratio를 가진 photoresist를 사용한것같다. 이렇게 얇은 마스크는 더욱 얇아진 DTI에 사용되었거나 반으로 나누어 두배로 만들어야하는 4TR 회로에 사용되었을것이다.
Source : IISW, R3, 2019
2. Two-step patterning process
이 공정으로 FWC 뿐만 아니라 강한 passivation을 통한 white spot 또한 개선 되었다고 한다.
도핑은 야무리 ion implantation으로 도핑을 한다 해도 이상적인 직사각형 모양으로 도핑되지 않고 도핑이 될수록 점점 퍼지게된다.
따라서 논문을 읽을 당시에는 N-well을 얇게 만들기 위해 두개의 마스크를 사용해 1차적으로 넓고 얉게도핑해 N-well을 만들어주고
그 다음 단계로 매우 얇은 N-well을 깊~~게 도핑을 해주어 위와 같은 그림이 만들어 졌을거라고 생각했다.
하지만 논문 리뷰를 작성하며 강한 passivation을 통해 white spot이 개선되었다는 점을 생각해보면 위처럼 한게 아니라는 생각도 든다.
두번에 걸친 도핑은 N-well만들어주면서 1번, passivation을 위해 DTI주변에 강한 P도핑을 또 한번
이렇게 두번이지 않은가 라는 생각도 든다.
ISSCC, 2020년 논문이었는지 삼성 논문에 도핑에 대해 좀 더 밀도있게 다룬 논문이 있었는데 다시 읽어보면 도움이 될것이다.
두 가지 경우 중에 어찌되었건 FWC을 늘리기 위해 boron doping을 vertical하게 꽉 채워 Maximum potential region에 구현했다고 한다.
그 결과 7500e- FWC를 얻었고 10% 더 높아진 결과가 나왔다고 한다.
매년 pixel shirnk는 계속되고있는데 FWC는 계속 유지되거나 점점 높아지는걸 보면, 언제까지 이 수치를 유지할 수 있을지 기대된다.
다음 주제로 두번째 Random niose
Dual pixel은 pixel pitch가 같다는 가정 하에 기존의 single pixel을 반으로 나누어 2배의 phtodiode를 가지게 된다.
이는, 2배의 회로가 필요하고 2배의 신호처리가 필요하다는 뜻이다.
여기서 두번의 ADC를 진행하게 되면 temproal noise가 2^1/2배 증가한다. (왜 루트2배인지는 모르겠다. 이 부분은 더 알아볼 것)
따라서 본 논문에서는 두개의 픽셀을 처리할때 reset -> read out -> reset -> read out이 아닌
reset -> read out -> read out 방식으로 처리를 했다고 한다.
기본적으로 shared n TR 구조이기에 가능할 것으로 생각된다. 그렇지 않으면 read out noise에 의해 noise가 오히려 더 높아질것이다.
간단하게 생각하면 약간 순서가 바뀌긴 했는데, 카페라테를 만들때 우유를 먼저 넣고 샷을 넣음으로써 커피를 완성시키는데
넣어진 우유의 양과, 샷의 양은 따로 구분 지을 수 있으니 한번에 넣어도 카페라테가 완성되는것과 비슷하다고 볼 수 있다.
마지막으로 PDAF 성능 상승
CIS의 가장자리에 위치한 픽셀일수록, 실리콘 흡수계수에 따라 CRA가 커질수록 AF cross point가 정렬이 되지 않는 상황이 발생한다.
이를 픽셀 중앙에 DTI를 넣어주어 보정하게된다.
opinion : 삼성은 대단하다. 위에 굵게 쓴 두 부분을 좀 더 공부할 필요가 있다(noise가 왜 루트 2배인지, doping을 어떻게 두번에 나누어 했는지)