CMOS圖像傳感器的過(guò)去，現(xiàn)在和未來(lái)

　　BSI流程

　　使用BSI架構(gòu)制作CMOS圖像傳感器需要許多工藝步驟。兩種不同的BSI工藝流程Si-Bulk(圖5)和SOI(圖6)如下所示：

　　圖5：BSI Si-Bulk簡(jiǎn)化流程

　　圖6：BSI SOI工藝流程(來(lái)源：Yole)

　　CIS的全局快門(mén)(GS)與滾動(dòng)快門(mén)(RS)

　　“滾動(dòng)快門(mén)”(RS)是一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，指的是圖像傳感器掃描圖像的方式。如果傳感器采用RS，則表示從傳感器的一側(cè)(通常是頂部)到另一側(cè)依次逐行掃描圖像。通常，CMOS圖像傳感器在RS模式下工作，其中曝光和快門(mén)操作逐行(或逐列)執(zhí)行。

　　“全局快門(mén)”(GS)也是一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，指的是可以同時(shí)掃描圖像的整個(gè)區(qū)域的傳感器。在GS傳感器中，使用所有像素同時(shí)捕獲圖像。GS架構(gòu)包括一個(gè)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和附加的MOS晶體管，以提供額外的功能。今天，大多數(shù)CIS成像器采用GS模式來(lái)避免失真和偽像，如寄生光敏感度(見(jiàn)圖7)。使用GS功能的CMOS圖像傳感器用于各種領(lǐng)域，包括廣播、汽車(chē)、無(wú)人機(jī)和監(jiān)控應(yīng)用。

　　圖7：滾動(dòng)(左)與全局(右)快門(mén)模式

　　3D堆疊CIS

　　手機(jī)的增長(zhǎng)是過(guò)去5年來(lái)CIS單位出貨量增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?。隨著CIS市場(chǎng)收入的增長(zhǎng)，研發(fā)支出和專(zhuān)利申請(qǐng)也在增加。這一努力帶來(lái)了先進(jìn)的移動(dòng)攝像系統(tǒng)，其中包含了一些新技術(shù)，例如：

　　1用于快速自動(dòng)對(duì)焦(AF)的相位檢測(cè)像素陣列(PDPA)

　　2 1μm生成像素，具有優(yōu)越的低光靈敏度

　　3先進(jìn)的芯片堆疊，具有與圖像信號(hào)處理器(ISP)晶圓連接的BSI CIS晶圓

　　4 視頻錄制高達(dá)4K

　　3D堆疊圖像傳感器由在邏輯裸片上面對(duì)面堆疊的BSI圖像傳感器裸片組成。投資堆疊式芯片CIS開(kāi)發(fā)的動(dòng)機(jī)各異，具體取決于制造商，但可概括為：

　　1添加功能

　　2減少形式

　　3 支持靈活的生產(chǎn)選擇

　　4有助于3D堆疊中每個(gè)裸片的優(yōu)化

　　索尼在2012年推出了全球首款用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的堆疊芯片CIS相機(jī)系統(tǒng)，2013年初，平板電腦中使用了8 MP ISX014堆疊芯片。第一代芯片采用了上一代TSV，將索尼制造的90nm CIS裸片的pad與65nm ISP的pad連接起來(lái)(來(lái)源：Chipworks)。

　　索尼的13 MP IMX214第二代堆疊CIS芯片的制造類(lèi)似于其90/65 nm(CIS / ISP)技術(shù)，并于2014年用于iPhone6 / 6s中。

　　最近(2017年2月)，索尼公布了3層CIS器件，包括頂層BSI傳感器或CIS光電二極管，中層DRAM單元陣列和底層邏輯作為ISP(圖8)。它是具有1um x 1um像素尺寸的23MP圖像傳感器，使用新的混合鍵合結(jié)構(gòu)(常規(guī)結(jié)構(gòu)類(lèi)似于TSV)。

　　索尼還在2017年5月發(fā)布了其首款三層960 fps相機(jī)，并配備了三明治式堆疊的DRAM。

　　圖8：索尼3層堆疊CIS器件(來(lái)源：ISSCC 2017&TechInsights)

　　3D堆疊CIS的歷史

　　在表2中，我們總結(jié)并展示了3D堆疊CIS的歷史(來(lái)源：www.3DIC.org)。我們可以清楚地看到，技術(shù)從氧化物粘合+通過(guò)最后的TSV堆疊技術(shù)轉(zhuǎn)移到混合鍵合技術(shù)，再到最近的順序3D集成技術(shù)。

　　臺(tái)灣國(guó)立納米器件實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)的研究人員最近展示了一個(gè)單片3D圖像傳感器。他們按順序制造了單層(小于1nm)的TMD(過(guò)渡金屬二硫?qū)傩栽?光晶體管陣列，使用CVD生長(zhǎng)的MoS2，通過(guò)高強(qiáng)度的內(nèi)部連接轉(zhuǎn)移到3D邏輯/存儲(chǔ)器混合IC中。

　　表2：堆疊CIS的歷史

　　現(xiàn)在和未來(lái)的CIS技術(shù)/市場(chǎng)/玩家

　　未來(lái)CIS技術(shù)采用的路線圖受到三個(gè)限制或驅(qū)動(dòng)因素的推動(dòng)：

　　1尺寸(3維，相機(jī)模組的X，Y和Z)

　　2圖像質(zhì)量(分辨率，低光性能，對(duì)焦(AF)和穩(wěn)定性(OIS))

　　3功能(慢動(dòng)作影像，圖像分析，運(yùn)動(dòng)控制)

　　BSI，3D堆疊BSI，3D混合以及3D順序集成都是影響未來(lái)CIS技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

　　多年來(lái)，CIS市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。索尼是市場(chǎng)、生產(chǎn)、技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。Omnivision和三星一直保持強(qiáng)勁，Galaxycore和Pixelplus這樣的新玩家也在崛起。同時(shí)，集成器件制造(IDM)模型一直是佳能和尼康的強(qiáng)大動(dòng)力來(lái)源，它們都經(jīng)受住了數(shù)碼相機(jī)的緩慢發(fā)展。至于松下，它已經(jīng)與Tower Jazz成立了一家合資公司，以協(xié)助其在高端成像應(yīng)用領(lǐng)域的探索。

　　今天，CIS行業(yè)是由手機(jī)和汽車(chē)應(yīng)用推動(dòng)的。智能手機(jī)攝像頭的創(chuàng)新將會(huì)繼續(xù)，盡管這個(gè)大批量應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，CIS制造商正被迫將越來(lái)越多的功能整合到移動(dòng)攝像機(jī)中(見(jiàn)圖9)。

　　圖9：移動(dòng)攝像機(jī)功能的轉(zhuǎn)型(來(lái)源：Yole)

　　智能手機(jī)的應(yīng)用正處于CIS市場(chǎng)份額的領(lǐng)先地位，但許多其他應(yīng)用將成為CIS未來(lái)增長(zhǎng)的一部分。許多IDM和無(wú)晶圓廠公司正在為新興的更高利潤(rùn)率的成像應(yīng)用開(kāi)發(fā)芯片，如汽車(chē)、安全、醫(yī)療和其他領(lǐng)域。這些應(yīng)用中出現(xiàn)了巨大的機(jī)會(huì)，推動(dòng)了新興供應(yīng)商和現(xiàn)有供應(yīng)商的市場(chǎng)和技術(shù)工作。這些新興的機(jī)遇正在將移動(dòng)成像技術(shù)推向其他增長(zhǎng)領(lǐng)域，我們可能會(huì)看到從視覺(jué)成像到視覺(jué)感知以及其他交互式應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。