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Nikkei X-TECH_2021.12.16

소니, 또 다시 '세계 최초'
새로운 구조로 성능 2배의 이미지센서 실현

이미지센서에서 시장 점유율 선두를 질주하며 다양한 ‘업계 최초’ 기술을 양산 수준까지 끌어올려 온 소니가 다시 새로운 기술을 선보인다. 소니 세미컨덕터 솔루션(이하 소니)은 21년 12월 15일, 미국 샌프란시스코에서 개최 중(12월 1115일 개최)인 반도체 분야 국제학회 '67th International Electron Devices Meeting(IEDM 2021)'에서 새로운 구조의 이미지 센서를 발표했다.

이 새로운 구조를 채용함으로써, 예를 들면 밝은 곳에서의 촬영 성능을 약 2배로 향상시켜 다이나믹 레인지를 확대할 수 있다. 또한 노이즈를 줄일 수도 있으며, 어두운 곳에서의 촬영 성능을 높일 수 있다. 이 새로운 구조의 아이디어 자체는 이미 존재했었다. 그러나 양산에 적용할 수 있는 수준에 도달했다는 점이 크다.

이번에 개발한 새로운 구조는, 광전 변환을 담당하는 포토다이오드(PD)부와 앰프 트랜지스터나 리셋 트랜지스터 등으로 구성되는 화소 트랜지스터부를, 서로 다른 웨이퍼(기판)로 형성해 적층한다. 기존에는 PD부와 화소 트랜지스터부를 동일 웨이퍼 상에 형성했었다.

PD부와 화소 트랜지스터부를 별도 웨이퍼로 함으로써, 각각에서 구조 최적화를 도모하기 쉬워진다. 그 결과, PD부에서는 1개의 화소에서 축적할 수 있는 전자의 최대치인 ‘포화 신호량’을 높여, 보다 밝은 장소에서도 예쁘게 촬영할 수 있도록 했으며, 결과적으로 다이내믹 레인지를 확대할 수 있게 되었다. 새 구조 도입으로 기존의 이면 조사(照射)형 이미지센서에 비해 1µm당 약 2배의 포화 신호량을 확보할 수 있다고 한다.

화소 트랜지스터부의 경우는 PD부가 동일한 층에서 없어진 만큼 앰프 트랜지스터의 사이즈를 확대할 수 있게 되었다. 이를 통해 어두운 곳에서 촬영할 때 발생하기 쉬운 노이즈를 크게 저감 할 수 있었다고 한다.

-- 제조 과정의 열문제 해결 목표 --
새로운 구조는 앞에서 말한 이점이 있는 한편 과제도 있었다. 이 구조의 이미지 센서를 제조할 때 PD부를 형성한 웨이퍼에 ‘도너 웨이퍼(Doner Wafer)’라고 부르는 기판을 붙인다. 그런 다음에 도너 웨이퍼에 화소 트랜지스터부를 형성한다.

화소 트랜지스터를 형성하는 프로세스 안에 고온 공정이 있기 때문에 아무런 대책을 강구하지 않으면 디바이스에 악영향을 미친다. 예를 들어 열산화 프로세스에서 800℃ 정도, 불순물을 활성화시키는 활성화 어닐 프로세스에서 1000℃ 정도에 달한다.

이러한 고온 프로세스는 크게 두 개의 부분에 악영향을 미친다. 하나는 PD부의 웨이퍼와 화소 트랜지스터부의 웨이퍼 접합에 이용한 유전체 필름에 결함이 생긴다. 이에 소니는 필름 재료를 변경하고 프로세스 조건을 개선해 이 과제를 극복했다.

또 다른 하나는 PD부의 불순물이 열확산을 하면서 원하는 특성을 갖춘 PD부를 만들기 어려워지는 것이다. 상세한 내용을 공개하지 않았지만 프로세스 개선 등을 통해 이 과제를 극복한 것으로 보인다.

이번 새로운 구조를 적용해 화소 피치가 0.7µm, 약 3,300만(6752ⅹ4928) 화소의 이면 조사형 이미지 센서를 시작(試作)했다. 높은 촬영 성능을 달성했다는 점과 높은 수율 등도 어필했다.

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