CMOS图像传感器(CIS):过去、现在和未来

在过去的十年里,CMOS图像传感器(CIS)技术已经取得了令人瞩目的进展。图像传感器性能显著提高,和独联体技术享有巨大的商业成功,因为手机使用机载相机的介绍。许多人,包括科学家和营销专家,15年前预测CMOS图像传感器将完全取代CCD成像设备,以同样的方式,CCD器件取代视频采集管在1980年代中期。今天尽管CMOS成像的强势地位,它并没有完全取代CCD设备。另一方面,开车到CMOS技术已经大大增加了整体成像市场。CMOS图像传感器不仅创造了新产品的应用,但同时也提高了CCD成像设备的性能。在本文中,我们描述了先进的CMOS图像传感器技术和讨论未来的观点。

图像传感器的定义和用途
图像传感器是一种电子装置,将光学图像转换为电子信号。转换的方法,不同的图像传感器的类型。

• “模拟”CCD执行photon-to-electron转换
• “数字”CMOS图像传感器(CIS)执行photon-to-voltage转换

图像传感器是用于数码相机和成像设备从相机或成像设备接收到的光转化为数字图像。

独联体和CCD
今天,有两种不同的技术来捕获图像数字化(图1):

• 电荷耦合装置(ccd)线性传感器,输出直接关系到光子的数量收到了吗
• 互补金属氧化物半导体(CMOS或独联体互补金属氧化物半导体图像年代安瑟尔)是一个更新,并行读出技术

这两种类型的成像设备将光转换成电子(电荷)随后,可以加工成电子信号。ccd是为了移动费用从像素到像素,直到他们达到放大器存在的专用读出区。直接在像素CMOS图像传感器集成放大。更高级的CIS技术提供了一种并行读出架构,其中每个像素可以单独解决或并行读出一群(见图1)。

图1:CCD = Photon-to-Electron(模拟)转换(左)和独联体= Photon-to-Voltage(数字)转换(右)

CMOS传感器是便宜得多比CCD传感器制造。数码相机已经成为很普遍的和便宜的,由于价格的降低新图像传感器。

在表1中,我们显示CCD和CMOS架构之间的主要差异。每个人都有独特的优点和缺点,提供优势在不同的应用程序(绿色所示)。

表1:CCD和CMOS架构比较(来源:e2V)

关键部件在独联体
有四个主要组件在一个CMOS图像传感器(见图2):

1. 光电二极管(PD)
2. 像素设计
3. 滤色器(CF)
4. 显微镜头

光电二极管(PD)是用来捕捉光线,PIN二极管或浅PN结设备通常用于此目的。实现最广泛的像素设计被称为一个“有源像素传感器(APS)”。三到六个晶体管是常用的,他们提供获得或缓冲电容大的像素列。颜色过滤器是用来分离出红、绿、蓝(RGB)组件的反射光。最后,显微镜头收集光的不活跃的部分独联体和聚焦到光电二极管。显微镜头通常有一个球面和蹼状的镜头。

图2:关键部件在CIS(来源:IBM、FSI)

独联体性能参数
有很多参数,可以用来评估一个图像传感器的性能。我们可以把这些参数使用三个主要指标:

1. 像素布局:像素,像素,像素填充因子
2. 像素物理:量子效率,能力,动态范围、转换增益、暗电流
3. 像素读出:信号噪声比,帧速率,线性的比例,功耗,深度,调制传递函数,快门效率

背后照明(BSI)和进料侧照明(FSI)技术
先进CMOS图像传感器制造商正在寻求新的架构,以减少像素大小,同时保持或提高光电性能。较小的像素通常导致更高的分辨率,更小的设备,和更低的功率和成本。在理想的情况下,任何新的独联体架构,减少像素大小不应该降低性能和图像质量。一个新的独联体架构,背后照明(BSI)技术,是一种很有前途的替代常用的正视图照明(FSI)技术(见图3)。

图3:FSI与BSI

BSI技术包括将图像传感器颠倒和应用颜色过滤器和微镜头背后的像素,这样传感器可以通过背面收集光。BSI深对原有和短光程,导致更高的量子效率⁽¹⁾(量化宽松政策)和降低串扰⁽²⁾(见图4)。

图4:相声

(1)量化宽松=百分比的光子转换成电子
(2)电气相声=扩散的电荷(电子或空穴根据像素类型)在相邻像素之间。它发生在硅材料由于底层电机制(扩散和漂移)

BSI流程流
一系列的流程步骤需要产生一个CMOS图像传感器使用背面照明体系结构。图描述了两个不同的BSI流程流,Si-Bulk(图5)和SOI(图6),如下所示:

图5:BSI Si-Bulk简化过程

图6:BSI SOI工艺流程(来源:Yole)

全球快门(GS)和滚动快门(RS) CIS
“滚动快门”(RS)是一个技术术语指的是一个图像传感器扫描图像。如果传感器采用RS,这意味着图像扫描顺序,从一边的传感器(通常顶部)另一方面,逐行基础上。普通,CMOS图像传感器在RS模式操作,在这个过程中,曝光和快门逐行执行操作(或逐行)。相比之下,“全球快门”(GS)是一个技术术语指的是传感器,同时可以扫描整个区域的图像。在GS传感器,同时使用所有捕获的图像像素。GS架构包含一个内存结构和额外的金属氧化物半导体晶体管提供额外的功能。今天,大多数CIS成像系统采用GS模式避免变形和构件(如杂散光敏感性(参见图7)。CMOS图像传感器使用GS功能被用于各种领域,包括广播、汽车、无人驾驶飞机和监视应用程序。

图7:滚动(左)与全球(右)快门模式

3 d堆叠独联体
手机的增长的主要动力是独联体单元货物增加在过去的5年。随着独联体市场收入增加,所以研发投入和专利申请。这种努力带来了先进的移动相机系统包含新技术如:

1. 相位检测像素阵列(PDPA)快速自动对焦(AF)
2. ~ 1µm代像素改善光线暗的敏感性
3. 先进chip-stacking, BSI CIS晶片与图像信号处理器(ISP)晶片
4. 视频录制4 k

一个3 d堆叠图像传感器包括一个BSI图像传感器死,面对面的堆放在一个逻辑死。投资的动机堆叠芯片CIS发展有所不同取决于制造商,但可以概括为:

1. 添加功能
2. 减少形式
3. 使柔性制造选项
4. 促进优化为每个死在一个3 d堆栈

索尼宣布世界上第一个堆叠芯片CIS摄像系统在2012年为消费电子产品,和8 MP ISX014堆叠芯片被发现在一个平板电脑到2013年初。第一代芯片采用通过去年从Sony-fabricated tsv连接垫,90 nm CIS死着陆垫子在索尼捏造,65 nm代ISP(来源:Chipworks)。索尼的13个议员IMX214第二代堆CIS芯片制造同样利用其90/65 nm (CIS / ISP)技术生成,并在2014年列入iPhone6/6s。最近(2017年2月)索尼宣布3层CIS装置包括一个顶层BSI传感器或独联体光敏二极管,中期层DRAM单元阵列和底层逻辑ISP(图8)。这是一个23个像素的图像传感器1 x 1像素大小而言,使用一个新的混合焊接结构(等传统结构TSV)。索尼还宣布其第一个三层,2017年5月960 fps相机Sandwich-Stacked DRAM。

图8:索尼3堆叠层CIS设备(来源:globalfoundries 2017 & TechInsights)

3 d堆叠CIS的历史
在表2中,我们提出一个简易的3 d堆叠CIS历史(来源:www.3DIC.org)。人们可以清楚地看到,技术从氧化成键+通过去年TSV叠加技术混合成键,和最近连续3 d集成。清华大学国家纳米设备实验室的研究人员和国家,台湾,最近展示了一种单片3 d图像传感器。他们按顺序捏造一个单层(< 1海里)TMD(过渡金属Dichalcogenide)光电晶体管阵列,使用CVD-grown金属氧化物半导体₂转移到一个3 d的逻辑/内存混合3 d IC与高密度互联。

表2:堆放CIS历史(www.3DIC.org)

独联体技术/市场/球员今天和明天
未来的路线图CIS技术采用了三个约束或驱动程序:

1. 大小(三维X, Y, Z的相机模块),
2. 图像质量(分辨率、低光性能、聚焦(AF)和稳定性(OIS))
3. 功能(慢动作视频、图像分析、运动控制)

BSI、3 d堆叠BSI、3 d混合以及3 d连续集成都是关键技术,将影响未来的CIS技术采用。

独联体市场的竞争格局已经极大地改变了多年来。索尼是一个市场,生产和技术的领导者。Omnivision和三星保持强劲,新玩家Galaxycore和Pixelplus正在显现。与此同时,集成设备制造(IDM)模型一直是佳能和尼康的伟大力量的源泉,在数码相机都经受住了放缓。至于松下,它与塔爵士帮助创造了一个合资企业在高端的搜索量成像应用。

今天,独联体行业是由移动和汽车应用。智能手机的摄像头将继续创新,即使在这个高容量的应用程序的竞争更加激烈。独联体制造商被迫将越来越多的功能集成到移动相机(参见图9),以保持竞争力。

图9:移动相机功能的转换(来源:Yole)

智能手机应用程序在独联体市场份额领先,但许多其他应用程序将CIS的未来增长的一部分。许多IDMs和专业为新兴公司正在开发芯片,利润率较高的成像应用,如汽车、安全、医疗、等领域。伟大的机会出现在这些应用程序,推动市场和技术的努力两个新的和现有的供应商。这些新兴机会驾驶技术从移动成像到其他增长领域,我们可能会看到一个从使用视觉成像转向使用视觉传感和其他交互的应用程序。