31일 업계에 따르면 SK하이닉스는 3D 낸드플래시에 적용한 ‘버티컬 씬 폴리실리콘 채널(vertical thin poly-Si channel, VTPC) 트랜스퍼 게이트(TG)’를 통해 차세대 CIS를 개발하고 있는 것으로 전해졌다. 이 기술은 후면조사형(BackSide Illumination, BSI) CIS의 해결과제 가운데 하나인 ‘암전류(dark current)’를 개선하면서 픽셀 밀도를 높이기 위함이다.

암전류는 빛이 닿지도 않았는데도 전류가 흐르는 현상을 뜻한다. 같은 크기(판형)에서 트랜지스터 집적도를 높여 해상도를 높이고 성능을 개선해왔던 CIS의 한계다. 판형을 더 키우면 어느 정도 개선이 가능하지만 크기가 작은 스마트폰, 태블릿 등에 적용하기가 어렵다. 몇 년 전부터 스마트폰 카메라의 화소수가 1600만 화소에서 크게 개선되지 않는 이유가 여기에 있다.

이에 따라 업계에서는 ‘위상 검출 자동초점(Phase Detection Auto Focus, PDAF)’이나 실리콘관통전극(Through Silicon Via, TSV)을 이용해 이미지 시그널 프로세서(ISP)와 CIS를 하나로 통합하는 적층 기술이 적극적으로 접목되는 추세다. PDAF 기술을 내장한 CIS는 색의 대비(콘트라스트)로 초점을 잡는 기존 제품과 비교해 속도가 빠르다.

SK하이닉스가 개발하고 있는 차세대 CIS는 3D 픽셀 구조를 사용하는데 초점을 맞췄다. BSI CIS는 포토다이오드(PD)가 금속배선층(메탈 와이어링) 아래에 있는 기존 전면조사형(FSI, Frontside illumination) 방식과 비교해 빛 손실이 적다. 다만 앞서 언급한 암전류를 비롯해 빛이 컬러필터(CF)를 거쳐 PD로 이동할 때 주변 화소로 새어나가는 간섭현상이 발생한다.

예컨대 삼성전자 ‘아이소셀(ISOCELL)’ CIS는 이런 문제를 해결하기 위해 화소와 화소 사이에 0.2마이크로미터(㎛) 크기의 물리적인 벽(Frontside-Deep Trench Isolation, F-DTI)을 쌓았다. 각 화소가 분리되어 있다고 보면 된다. 이로 인해 PD의 면적이 좁아져 빛이 양이 줄어들 수 있는데, 게이트의 구조를 수직으로 바꿔 단점을 보완했다.

SK하이닉스의 3D 픽셀 구조는 3D 낸드플래시에 사용한 VTPC-TG를 CIS에 알맞게 최적화시킨 것이 특징이다. 같은 판형에서 더 높은 픽셀 밀도를 얻으며 해상도를 크게 끌어올릴 수 있다. 현재 양산되고 있는 1.12㎛ BSI CIS에 시험적으로 적용한 상태다.

한편 SK하이닉스는 PDAF의 R&D를 완료하고 이천 M10에서 1300만 화소 CIS 양산을 연말까지 준비할 것으로 전해졌다. 300mm 웨이퍼를 사용하며 청주 200mm 웨이퍼 공장인 M8에서 만드는 보급형 CIS와 함께 시장 공략에 박차를 가한다.

<이수환 기자>shulee@ddaily.co.kr