扩展CMOS图像传感器

经过一段时间的增长记录,CMOS图像传感器市场正开始面临一些新的和不可预见的挑战。

互补金属氧化物半导体图像传感器在智能手机和其他产品提供相机功能,但现在他们正面临扩展和相关工厂生产问题。像所有的芯片产品,图像传感器在冠状病毒疫情看到经济增长放缓。

生产成熟的节点在200毫米和300毫米晶圆厂,这些传感器用于手机、汽车、消费品、工业/医疗系统和安全摄像头。智能手机,例如,将两个或两个以上的摄像头,每一个都是由CMOS图像传感器,将光转化成信号来创建图像。

图1:CMOS图像传感器来源:维基百科/ Filya1

智能手机将比以往更多的CMOS图像传感器,使得高分辨率,在系统功能丰富的相机。例如,三星的新5 g智能手机包括五个摄像头,包括一个后置,广角相机基于108像素的图像传感器(MP)。这相当于超过1亿像素在一个小模具尺寸。的前置摄像头selfies 48像素的图像传感器包括一个基于世界上最小的像素间距- 0.7µm根据。

一个图像传感器包含大量微小的感光像素。像素间距是一个像素的距离中心到另一个地方,以µm。并不是所有的手机都配备了最先进的图像传感器,和消费者不需要他们采取接受的照片。但很明显,消费者要求更多的成像功能。

“更高的数据表现进展从3 g, 4 g现在到5 g,更高质量的相机的需求增加,”David Hideo Uriu说技术的企业营销总监联华电子。”这一趋势,加上需要更高的像素数量和更高的分辨率,推动了CMOS图像传感器的繁荣。除了这些趋势织机领域的生物识别身份证、3 d传感,增强人类的视觉应用在红外/近红外光谱在手机。”

图像传感器供应商仍然面临一些挑战。多年来,他们一直在竞相降低像素间距。这样他们可以装更多的像素图像传感器,提高设备的分辨率。然而最近,像素比例变得更加困难,因为球场方法光的波长。“像素研发团队现在必须找到新的方法来避免减少传感器灵敏度和更多的相声,”林赛·格兰特说,过程工程的副总裁OmniVision。

另一方面,还有一个趋势保持较大的像素大小在手机和介绍最好的改进从较小的像素来改善图像质量。这些趋势支持客户需求更大更好的相机,导致多个传感器和更大的模具尺寸。

尽管如此,图像传感器供应商已找到办法来解决的一些挑战。其中包括:

• 新流程。High-k电影和其他工厂技术现在像素扩展。
• 死亡堆积和互联。给两个不同的功能模和叠加并不新鲜。但新的互连方案,如pixel-to-pixel连接,在研发。

图像传感器市场动态
主要有两种类型的图像传感器- CMOS图像传感器和电荷耦合器件(ccd)。ccd, current-driven设备,在数码相机和各种高端产品。

CMOS图像传感器是不同的。“互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器有光电二极管和为每个像素CMOS晶体管开关,允许单独像素信号被放大,“根据电话的网站。

针对各种应用程序、CMOS图像传感器有不同的格式,帧率,像素大小和屏幕分辨率。图像传感器具有全球或百叶窗。例如,OmniVision新64像素的图像传感器功能0.8µm 1/1.7-inch格式的像素大小。静态图像捕捉和4 k视频性能,传感器特性2型,2×2显微镜头相位检测自动对焦来提高自动对焦精度。输出格式包括64议员以每秒15帧(fps)。

供应商是分成两个camps-fabless和一。IDMs有自己的晶圆厂,而专业公司使用铸造厂。在这两种情况下,供应商生产晶圆图像传感器死了,切割和组装到一个包。

大约65%的图像传感器在300 mm晶圆厂生产,根据Yole开发署。“200毫米仍对范围广泛的安全至关重要,医疗和汽车CMOS图像传感器产品,”大卫·海恩斯说,战略营销主管林的研究。

今天,索尼是CMOS图像传感器的最大供应商,三星和OmniVision紧随其后。其他供应商包括锋利,在半,意法半导体,GalaxyCore, SK海力士,松下,佳能,根据IC的见解。

图像传感器,2019年销售额达到184亿美元,比2018年增长30%,根据IC的见解。“2020年,我们目前预测CMOS图像传感器的销售下降3%至178亿美元,拍摄记录销售的字符串,因为需求下降的Covid-19传感器在手机和其他系统的病毒的健康危机,”罗伯Lineback说,分析师IC的见解。

在另一个更乐观的预测,CMOS图像传感器市场在2019年增长了25%,根据Yole。2020年,市场有望缓慢而积极的增长7%,据该公司。最大的驱动程序是智能手机。2018年,有2.5相机/手机,根据Yole。“在2019年,它有跳升至2.8摄像头/智能手机。我们看到它每2020年智能手机将去三个摄像头,“部门主任说Guillaume Girardin光子学和Yole传感。

每个电话都是不同的。例如,苹果的iPhone 11职业包含12 mp triple-camera技术(宽,超宽,远摄)。与此同时,三星的5 g手机有五个摄像机,包括四个后置和一个前置。一个相机功能飞行时间传感器,用于手势识别和3 d对象。

高分辨率相机并不一定等同于更好的照片。“这是一个像素尺寸和分辨率之间的权衡问题,“Girardin说。“像素比例意味着它有更多的像素。当分辨率超过40像素和50像素,能力可能会超出人类的眼睛看到他们所捕获。CMOS图像传感器的像素有更好的量子效率(量化宽松政策)和信噪比是图像质量的最重要的事情。”

此外,智能手机将不能取代单反相机的专业。但很明显,智能手机提供比以往更多的功能。“人们肯定吸引5 g带宽和潜在的应用,如8 k的体育赛事的直播流媒体实时AR / VR /游戏先生,”罗纳德·Arif说,高级产品营销经理Veeco。“摄像机在最近的5 g手机变得更加先进。他们开始把VCSEL深度传感设备,可自动对焦到3 d映射你的客厅。你可以想象结合先进的相机与深度映射能力和5克。这可能开放发达,新的应用,如游戏、直播、远程学习和视频会议。”

在其他创新,供应商运输近红外(NIR)图像传感器。近红外光谱,照亮物体与波长在可见光谱,是专为应用程序运行在接近或完全黑暗。OmniVision新的近红外光谱技术提供了一个提高25%的看不见的940 nm NIR光谱和17%的撞在波长850 nm NIR上依稀可见。

在一个单独的开发、索尼和Prophesee已经开发出一个基于事件的视觉传感器。针对机器视觉应用程序,这些传感器检测范围广泛的环境中快速移动的物体。

像素扩展竞赛
几年前,CMOS图像传感器供应商开始所谓的像素比例竞赛。这是指“像素间距”,描述设备中的每一个像素之间的距离。目标是(现在仍然是)减少像素间距在每一代一个给定的时间段。更高的像素密度相当于更多的决议,但不是所有的传感器都要求更小的球。

年前,图像传感器的像素间距在7µm代。供应商已经减少了球场,但出现了一些问题。

图像传感器本身是一个复杂的芯片。最上面一层是一个被称为微光线阵列的。下一层是一种滤色器基于镶嵌绿色、红色和蓝色的数组。下一层是一个有源像素阵列,由被称为二极管的光捕获组件以及其他电路。

图2:CMOS图像传感器的框图。来源:OmniVision

有源像素阵列是分为微小和个人感光像素。实际的像素由光电二极管、晶体管和其他组件。以µm像素大小。

更大的像素大小的图像传感器收集更多的光,相当于一个更强的信号。较大的图像传感器板空间。与规模较小的像素图像传感器收集的光少,但是你可以包死更多的人。反过来,这提高了分辨率。

有几种方法可以使工厂的图像传感器。在一个简单的例子,像素阵列形成。流从衬底上的前端过程开始。晶圆是连着一个承运人或处理晶片。前一部分经历一个植入步骤,其次是一个磨练的过程。抗反射涂层的应用。彩色胶片和显微镜头。

在另一个单独的简单流程,硅衬底的表面经历一个植入的步骤。扩散形成井和一个金属化堆栈顶部。结构了。沟渠是在背面上蚀刻而成的。班轮是沉积在战壕的侧壁,充满了电介质材料。一个过滤器和显微镜头是捏造的。

尽管如此,直到2009年,主流CMOS图像传感器是基于frontside-illuminated (FSI)像素阵列架构。在操作,点击设备的正面光。显微镜头收集和传输的光滤色器。光穿过一堆互联,捕捉到一个二极管。每个像素的电荷转换为电压信号多路复用。

多年来,FSI架构启用供应商减少几代。例如,供应商减少了1.75节从2006年的2.2µmµm 2007年,据。

2008年,该行业碰壁与FSI架构1.4µm代。2009年左右开始,供应商搬到了一个新的架构,背后照明(BSI)。BSI架构将图像传感器上下颠倒。从硅衬底的背面。光子二极管较短路径,提高量子效率。

图3:FSI vs BSI。来源:Omnivision

BSI也启动像素扩展。“像素比例而言,BSI传感器技术允许最优像素尺寸在1.2µm 1.4µm和堆叠BSI允许传感器的像素尺寸的足迹仍低于30平方毫米,”林的海恩斯说。“像素与亚微米尺寸可以启用使用quad-pixel架构,使分辨率超过48议员。”

除了BSI,该行业所需的其他变化。在像素扩展,photodiode-the关键光捕获component-shrinks在图像传感器,使其效率更低。二极管更紧密在一起,创造了相声。

所以在1.4µm大约在2010年,该行业工厂搬到了另一个创新——深沟隔离(DTI)。唯一的目标是让高光敏二极管,从而增加单位面积的能力。

启用DTI的工厂,供应商把BSI架构,使光敏二极管高使用不同的流程步骤。高硅二极管还需要更厚的结构。

不过,像素比例放缓。一次,供应商每年都要搬到一个新的高度。但供应商花了三年时间从1.4µm(2008) 1.12µm(2011),四年达到1µm(2015),和另外三个达到0.9µm(2018),根据。

“总而言之,我们相信发展DTI和相关钝化方案是延迟的主要贡献者像素引入1.12µm降到0.9µm像素,”雷说。方丹TechInsights分析师在最近的博客。

最近,厂商已经解决的问题和像素比例种族已经恢复。2018年,三星打破了1与0.9µmµm屏障,与2019年0.8µm紧随其后的是索尼,三星2020年0.7µm。

sub-µm像素扩展的行业需要更多的创新。“作为像素收缩,厚活跃(硅)必须保持一个合适的光电二极管的大小,“方丹说在最近的一次演讲。“厚活跃的关键技术的推动者(硅)DTI和相关high-k缺陷钝化电影。”

做一个图像传感器与high-k电影遵循传统的流。(上述过程流。)不同的是,high-k电影中沉积在班轮DTI战壕。

high-k和其他流程,供应商采取两种不同的方法在fab-front-DTI (F-DTI)和back-DTI (B-DTI)。“F-DTI使用聚硅缺口填补,聚能对改善表面固定偏压。F-DTI也可以有更多的热治疗腐蚀损伤减少泄漏,“OmniVision格兰特说。“B-DTI使用high-k电影带负电荷积累电荷,销表面的费米能级,从而抑制暗电流泄漏。high-k电影过程原子层沉积(ALD)。B-DTI氧化通常使用一个缺口填补,但一些金属填满,甚至气隙也被尝试用于大规模生产。”

像素比例还会继续吗?“很可能像素比例将继续超越0.7µm,”格兰特说。“像素收缩0.7µm之外,许多方面需要优化。关键项目,如B-DTI,高能植入深度二极管,颜色和显微镜头光学结构收缩,仍将是发展重点。更基本的设计规则,定义用像素晶体管和互联需要更新。”

另一个问题是,移动传感器的像素间距接近光的波长。“有些人可能认为这最小像素大小的限制,”格兰特说。“例如,0.6µm像素间距今天用于研发。这是小于红光的波长在0.65µm(650海里)。问题可能出现,“为什么sub-wavelength缩水吗?会有任何相机用户有用的好处吗?萎缩的像素大小sub-wavelength并不意味着没有有价值的空间分辨率信息在像素级别。”

格兰特指出,1.0的光学结构µm像素使用许多sub-wavelength特性。“例如,狭窄的金属网格串扰抑制和狭窄的介电墙通过光量子效率看到改进指导。这种纳米光学工程已经在当前的像素和已经多年,所以搬到sub-wavelength不是这样的革命,”他说。“继续缩小的限制可能来自用户受益,而不是技术。今天,最终用户应用程序继续寻找价值减少像素大小,这是推动这一趋势。只要继续,CMOS图像传感器技术的发展将会支持这个方向。”

叠加和互联
除了像素扩展,CMOS图像传感器接受死亡堆积等其他创新。供应商也使用不同的互连技术,例如在矽通过(tsv),混合成键,pixel-to-pixel。

多年来,图像传感器,包括像素阵列和逻辑电路,在相同的死亡。巨大的变化发生在2012年,索尼推出了双工位叠加图像传感器。死叠加使供应商能够将传感器和处理功能在不同的芯片。这允许更多的功能的传感器,同时减少模具的大小。

为此,索尼开发一个pixel-array死,基于一个90纳米的过程。死是堆放在一个单独的65 nm图像信号处理器(ISP)死,它提供了处理功能。两个死然后连接。

最终,其他搬到了一个类似死堆栈的方法。一般来说,上面的像素数组死是基于成熟的节点。底部ISP死范围从65海里,40 nm和28 nm流程。14 nm finFET技术研发。

与此同时,在2018年,三星和索尼开发三层设备。例如,在索尼的CMOS图像传感器的一个版本,DRAM单元是夹在图像传感器和逻辑死亡。嵌入式DRAM允许更快的数据读数。

除了死亡堆积,供应商也在开发不同的互连方案,一个死了,另一个连接。最初,OmniVision、三星和索尼tsv使用,小via-like电气互联。

2016年,索尼移动到一个叫做铜互连技术混合成键。三星仍TSV阵营,尽管OmniVision TSV和混合成键。

在混合粘结,死连接使用copper-to-copper互联。为此,两个晶圆加工工厂。一个是逻辑晶片,而另一个是像素阵列晶片。两个晶片加入使用dielectric-to-dielectric债券,紧随其后的是一个与金属连接。

tsv和混合键使好场地。”对CMOS图像传感器像素的叠加和逻辑晶片,TSV集成和混合键可能会继续为堆叠BSI共存,”林的海恩斯说。“但随着堆栈BSI传感器越来越常见的地方,TSV集成变得日益相关。”

还有其他的趋势。“未来,我们期望看到chip-stacking在CMOS图像传感器相关的两种趋势。第一个是球场的进一步萎缩,使到互连密度更高。第二个是增加部署三个或更多的设备被堆叠,”史蒂夫Hiebert说道,高级营销主任说心理契约。

下一个大事件是pixel-to-pixel互联。Xperi正在开发一种技术称为“3 d混合BSI”进行像素级融合。索尼和OmniVision演示了这种技术。

说:“它使更多的互联阿布Nuruzzaman,产品营销高级总监Xperi。“它允许进行像素级互连之间每个像素的传感器和一个关联的A / D转换器。这允许对所有像素并行A / D转换。堆叠像素之间的连接提供了高密度电互连和逻辑层,让尽可能多的A / D转换器的实现有效像素的数量。混合键也可以用来与专用内存堆栈的内存,每个像素”。

此体系结构支持大规模并行信号传输,从而能够读和写的所有像素数据图像传感器在高速度。“它使全球快门与像素扩展实时、高分辨率成像对各种时间关键型应用程序,如自主车辆、医学成像和高端摄影,“Nuruzzaman说。

结论
显然,CMOS图像传感器市场是动态的。但是,2020年将是艰难的一年供应商在COVID-19暴发。

不过,有一个市场的创新浪潮。“嵌入式CMOS图像传感器和摄像机正在增加更多的系统安全、安全、用户界面和识别,建立物联网,自动汽车和无人机,“IC Lineback说见解。