소니(SONY) CMOS의 Exmor 기술의 발전에 대하여... Exmor, Exmor R, Exmor RS의 차이
Exmor란 뭘까요? 소니가 2008년에 공개한 새로운 CMOS 제품군이었습니다.
SONY는 품질은 좋지만 느려터진 CCD생산을 중단하고 빠르고 생산원가가 적은 CMOS 시장으로 변화하고 싶었습니다.
Exmor 1세대
Exmor 1세대 기술은 기존의 CMOS에서 혁명을 일으켰습니다. 기존 CMOS 아키택쳐는 노이즈가 심했는데 기존 CMOS 센서는 칩 전체에 아날로그 픽셀 데이터를 전달하는 방식으로 사용했기 때문이었습니다.
소니는 이 디자인을 보고 CCD 경험을 활용하여 1세대 Exmor를 내 놓았습니다.
아날로그 픽셀 데이터를 디지털화하고 이미지 데이터가 센서 내에서 이동함에 따라 누적되는 노이즈를 최소화할 수 있었습니다. 센서의 노이즈를 더 줄일 수 있도록 ADC(analog to digital conversion)의 양쪽에서 CDS(correlated double sampling)를 사용하여 노이즈를 제거하는데 성공했습니다.
이때는 (FSI)Front Side illuminated로 설계되었습니다.
Exmor 2세대와 3세대
Exmor 2세대와 3세대에서는 센서의 픽셀 웰(Pixel well)을 형성하는 실리콘 기판 표면에 있는 금속배선과 트랜지스터 구조의 깊이를 줄이는데 중점을 두었습니다. 첫째로 알루미늄 금속배선을 더 얇은 구리배선으로 변경하였고 이것은 픽셀 앞 마이크로 렌즈의 뒷면에서부터 실리콘 기판의 표면까지 깊이를 40%(전체에서 20%에 해당)나 줄였습니다. 그 이후 구리배선과 트랜지스터의 두께를 감소시켜 추가로 22%의 두께를 더 감소시켰습니다.
이런 구조를 개선하는데 집중한 이유는 날카롭게 들어오는 각도의 빛 또는 더 짧은 파장(청록색)이 금속배선에서 반사되거나 트렌지스터 영역에서 소실되어 감도가 떨어졌기 때문입니다.
이 깊이를 줄임으로써 픽셀 웰(Pixel well, 포토다이오드 아래 빛 에너지 저장공간)에 빛이 도달하기 쉬워졌습니다.
픽셀 웰(Pixel well)은 빛 에너지 전자를 담아놓는 공간이라고 이해하시면 좋을 것 같습니다.
Exmor 4세대
CMOS 센서의 장점이라고 이야기하는 NIR 감도가 좋다고 이야기합니다. 하지만 작은 픽셀 웰(Pixel well)과 노이즈 센서 설계로 감도에 제한이 있었습니다. 3세대에서 짧은 파장의 감도를 높였다면 4세대에서는 긴 파장의 감도를 높이는 것이 목적이었습니다. 더욱 긴 파장의 빛을 모으기 위해 픽셀 웰(Pixel well)의 깊이를 깊게 하는 것이 당연한 해결책이었습니다.
픽셀 웰(Pixel well)을 더 깊게 함으로써 빛을 더 많이 담아둘 수 있게 되었고 더 높은 비트로 디지털화할 수 있게 되었습니다.
특히 800~1200nm 파장의 NIR 범위에서 더 높은 양자효율(QE) 곡선의 이점을 얻게 되었던 거죠.
Exmor 5세대 - Exmor R
CCD와의 품질 게임은 5세대부터 시작이었습니다. 사실 Exmor 4세대까지는 CMOS의 품질이 개선되었다고는 하나 CCD를 대체하기는 어려웠는데요.
Exmor 5세대에 BSI 기술이 적용되면서 이미지 감도와 응답성을 획기적으로 향상 키셨습니다.
특히 F값이 낮은 렌즈(밝은 렌즈, NA가 큰 렌즈)를 사용했을 때 분명한 감도 차이가 생겼습니다.
밝은 렌즈는 빛의 각도가 크게 들어오기 때문에 포토다이오드(포토다이오드 아래에 픽셀웰이 있습니다. )까지 도달하는 데에는 BSI가 적용된 Exmor R이 훨씬 유리했습니다.
BSI가 적용된 뒤 아래 그래프를 보시면 FSI대비 각도에 따른 감도와 렌즈 F#에 따른 감도가 차이 나는 것을 확인하실 수 있습니다.
Exmor 6세대 - Exmor RS
소니는 Exmor R 기술을 사용하여 5세대를 만들었을 때 3세대 픽셀 웰(Pixel well)의 깊이를 기반으로 만들었습니다.
Exmor R은 가시광 파장에서의 감도와 응답성이 매우 좋았지만 NIR성능은 4세대보다 못했기 때문에 6세대 Exmor RS에서는 Exmor R의 기본적인 기능은 유지하면서 픽셀웰(Pixel well)의 깊이를 늘려 NIR 감도 문제를 해결했습니다.
또 다른 획기적인 개선은 각 픽셀의 회로구조가 센서의 옆에 있었는데 이것을 센서의 아래에 적층 하는 구조로 변경했습니다.
이로 인해 센서의 픽셀 비율이 80~100%까지 높아졌습니다. 센서 크기에 픽셀을 거의 꽉 채울 수 있게 되어 감도는 높이면서, 속도는 빨라지고 카메라를 소형화할 수 있게 되었습니다.
또한 메모리를 내장하여 빠른 리드 아웃(Read out)을 할 수 있게 되어 더 높은 해상도에서 빠른 속도 촬영이 가능해졌습니다.
Exmor R, Exmor RS 기술의 개발로 CCD의 단종을 진행할 수 있게 되었으며, 카메라도 더 이상 비싼 CCD를 사용할 필요가 없어졌습니다.
위 내용이 정리된 아래 그림을 보시면서 이번 글은 마치겠습니다. 끝.
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