CMOS圖像傳感器的過去，現(xiàn)在和未來

　　BSI流程

　　使用BSI架構制作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簡化流程

　　圖6：BSI SOI工藝流程(來源：Yole)

　　CIS的全局快門(GS)與滾動快門(RS)

　　“滾動快門”(RS)是一個技術術語，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(通常是頂部)到另一側依次逐行掃描圖像。通常，CMOS圖像傳感器在RS模式下工作，其中曝光和快門操作逐行(或逐列)執(zhí)行。

　　“全局快門”(GS)也是一個技術術語，指的是可以同時掃描圖像的整個區(qū)域的傳感器。在GS傳感器中，使用所有像素同時捕獲圖像。GS架構包括一個存儲器結構和附加的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模式來避免失真和偽像，如寄生光敏感度(見圖7)。使用GS功能的CMOS圖像傳感器用于各種領域，包括廣播、汽車、無人機和監(jiān)控應用。

　　圖7：滾動(左)與全局(右)快門模式

　　3D堆疊CIS

　　手機的增長是過去5年來CIS單位出貨量增長的主要動力。隨著CIS市場收入的增長，研發(fā)支出和專利申請也在增加。這一努力帶來了先進的移動攝像系統(tǒng)，其中包含了一些新技術，例如：

　　1用于快速自動對焦(AF)的相位檢測像素陣列(PDPA)

　　2 1μm生成像素，具有優(yōu)越的低光靈敏度

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

　　4 視頻錄制高達4K

　　3D堆疊圖像傳感器由在邏輯裸片上面對面堆疊的BSI圖像傳感器裸片組成。投資堆疊式芯片CIS開發(fā)的動機各異，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堆疊中每個裸片的優(yōu)化

　　索尼在2012年推出了全球首款用于消費電子產(chǎn)品的堆疊芯片CIS相機系統(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(來源：Chipworks)。

　　索尼的13 MP IMX214第二代堆疊CIS芯片的制造類似于其90/65 nm(CIS / ISP)技術，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構(常規(guī)結構類似于TSV)。

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

　　圖8：索尼3層堆疊CIS器件(來源：ISSCC 2017&TechInsights)

　　3D堆疊CIS的歷史

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

　　臺灣國立納米器件實驗室和清華大學的研究人員最近展示了一個單片3D圖像傳感器。他們按順序制造了單層(小于1nm)的TMD(過渡金屬二硫屬性元素)光晶體管陣列，使用CVD生長的MoS2，通過高強度的內(nèi)部連接轉移到3D邏輯/存儲器混合IC中。

　　表2：堆疊CIS的歷史

　　現(xiàn)在和未來的CIS技術/市場/玩家

　　未來CIS技術采用的路線圖受到三個限制或驅動因素的推動：

　　1尺寸(3維，相機模組的X，Y和Z)

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

　　3功能(慢動作影像，圖像分析，運動控制)

　　BSI，3D堆疊BSI，3D混合以及3D順序集成都是影響未來CIS技術應用的關鍵技術。

　　多年來，CIS市場的競爭格局已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。索尼是市場、生產(chǎn)、技術的領導者。Omnivision和三星一直保持強勁，Galaxycore和Pixelplus這樣的新玩家也在崛起。同時，集成器件制造(IDM)模型一直是佳能和尼康的強大動力來源，它們都經(jīng)受住了數(shù)碼相機的緩慢發(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)助其在高端成像應用領域的探索。

　　今天，CIS行業(yè)是由手機和汽車應用推動的。智能手機攝像頭的創(chuàng)新將會繼續(xù)，盡管這個大批量應用的競爭非常激烈。為了保持競爭力，CIS制造商正被迫將越來越多的功能整合到移動攝像機中(見圖9)。

　　圖9：移動攝像機功能的轉型(來源：Yole)

　　智能手機的應用正處于CIS市場份額的領先地位，但許多其他應用將成為CIS未來增長的一部分。許多IDM和無晶圓廠公司正在為新興的更高利潤率的成像應用開發(fā)芯片，如汽車、安全、醫(yī)療和其他領域。這些應用中出現(xiàn)了巨大的機會，推動了新興供應商和現(xiàn)有供應商的市場和技術工作。這些新興的機遇正在將移動成像技術推向其他增長領域，我們可能會看到從視覺成像到視覺感知以及其他交互式應用的轉變。