智能手机成像技术的最高境界.docx

1、智能手机成像技术的最周境界影像传感器最为关键的规格是像素尺寸，像素尺寸越大则进光 量越大，在相同时间里可以承载更多光线能量，便可以更明显的提 升画质，更真实的还原影像场景。而数字相机,监控和手机所采用影 像传感器的素像尺寸是不一样。通常数字相机、监控使用大尺寸像 素的影像传感器，但像素尺寸增大则影像传感器面积会大幅增加， 摄像头模块体积也相对增大，模块高度增加，功耗大幅增加，发热 量增加等问题产生，这样的变化在监控固然可以接受，但放在追求 便于携带的手机等手持式应用上是不太合适。实际上，即便是一些不喜欢采用高像素摄像头的手机制造商， 像素阱加深也是趋势。不过一旦像素阱变深了，那么临近像素之间

2、就更容易产生串扰。目前手机CIS解决串扰问题的技术焦点就在深 槽隔离技术(DI)上，即在每个像素阱之间加入隔断、避免串扰。普及一下DI的机制：一般来说不具备DT像素隔离技术的影像传感器在手机照相时， 随着像素变得越来越小，像素之间会发生彼此之间抗干扰能力减 弱，造成错误的感应光源颜色，这个现象被称为串扰(crossalk), 光电二极管会将光能部分转化成为细微的电流，而这些电流有时会 出现在不该出现的地方，造成干扰而影响影像的色彩。DI像素隔离 技术简单说就是在像素之间建立隔离墙J增加光线利用率降低干 扰，提升抗噪能力和颜色纯净度，让影像的色彩表现更加出色。如下图，Si-SiO2界面可用作隔离

3、墙阻止电子扩散，降低串 扰；Si-SiO2组成了类波导结构，将光线限制在硅中，实现了光学 隔离，并且延长光在硅中的光程，提高量子效率、降低串扰。与前 两种解决方案相比，DI结构的隔离效果最为显著。另外，沟槽越 深，DI的隔离性越好，串扰越小。由下图结果知，DI的深度一般要 超过4 u m。什么DI对小像素性能如此重要?下图说明了缩放后，像素的主要问题，包括保持可接受的光电 二极管满井容量(FWC)和抑制串扰。通过增加活性硅的厚度可以解决 满井容量大小FWC问题;然而，如果没有高性能的DI结构，串扰问 题将是一个限制因素。从概念上讲，DI结构很容易理解。这些可以在来自前面的工艺 流（前面DI或F

4、-DI）的较早的过程流中实现，或者在活性Si稀释工 艺（后面DI或B-DI）之后的较晚的过程流中实现。这两种策略现在 都在大量生产中，并且都需要仔细的开发来缓解DI蚀刻工艺产生的 暗电流问题。Pixel Scaling OverviewSmartphone Pixel Design Challenge:Inducing pi-rl 。pprtcxmanceX reduced photodiode oipxttySolution:V EMog xtw $» Kckres% requires：y mroductxxi of deep trench tsoblon (DTI) strudu

5、m Q Buck OTI (B DTIi or o ront DTI (F-DTl)lightsSmalIPixelScaling, DISrucures下图展示了通过像素生成对选定的旗舰智能手机图像像素的有 效Si厚度进行了调查。我们的逆向工程内容细致地记录了 IDM/foundry公司的F-DI/B-DI发展,这里数据集被简化了，只显 示高层次的趋势。1）1首先被引入到具有常规的或稍厚的活化Si的背照像素中， 然然后进行优化，使其随着时间的推移具有较大的有源硅。例如， DI在早期达到l.OXXm像素，活化Si厚度为2. 5XXm到2.7XXm,后来Si厚度达到3.9X Xmo通过对0. 8

6、Mm和0. 9M像 素代的研究，可以清楚地看到，为了获得足够的像素性能，我们选 择了3. 5Mni的活化Si厚度。另一个策略是在旧的像素设计中部署这些新的DI结构。事实 上，苹果公司最近推出的iPhoneimager不仅扭转了 iPhone的像素 从1. 22Mm回升到1. 的比例趋势，同时还增加了 B-DI结构所支 持的活性Si厚度。Smartphone Pixel Active Si:Thickness vs. Pixel Pitch 1.4 pm Gen. 1.12 ym Gen. IX) pm Gen. OS pm gen. 03 pm gen.linear (1.4 umGn.) U

7、neer (1.12 um Gen.)linear (1.0 um Gen.)20122014201620182020Year of AnalysisQ 5 Q 5 Q 54 3 3 2 2 1 EsSMUNXqJZs 主 PV<12 Advanced Deep Trench Isolation (DTI) structures enable thicker active Si Sub-micron pixels require >3.5 pm thick epi New life for "old" pixels光有源硅的厚度趋势下图显示了索尼和三星最近的0.

8、 8M01像素，以及DI结构的概述。对于这些特定芯片，索尼偏爱150nm宽，氧化物填充的B-DT结 构，而三星偏爱llOnm宽，多填充的F-DI结构。(92) CM0SB«raB4l2n«*RIM技术Sony已将DI像素隔离技术用于SonyCMOS影像传感器，尤其是使用 于手机或笔电上配置的CMOS影像传感器例如:IMX298, IMX488 等.O索尼的DI解决方案是在工艺流程的后期实现，便于其平面像素 晶体管策略的延续。三星所用的F-DT方案要求必须采用VG,所以 其隔断会比较完整。这似乎也是目前三星着力的宣传点。我们在研 讨会(PaperR02)±了解到,O

9、mniVision的0. 8像素将采用B-D1和 VG结构。Recent DTI Structures (0.8 pm Pixels)今随着像素越来越小、aciveSi厚度变大，DI结构本身也在持续进 化中。DT以及相应的钝化技术是目前像素越做越小的关键所在。如 果说高像素真的只是噱头并且会让画质变差的话，那么三星、索 尼、OmniVision这些厂商又为何要非要投入大量成本研发此类技术 呢？Triple-Stacked Imagersthree waer stackPWBCu heat-DRAMtwo w*r stick ftp*dap DRAM .,.""WSONYdummy Si-ISP Adding memory enables: 02 sec video - 6 sec slo-mo video Multi-frd«ne noise reduction (MFNR) tocaMy combining four inugesredistnbuton tiyer (X)reditnbuton Uyef (R(XJDRAM -Irfeghts了 DI之外，近1-2年手机CMOS图像传感器领域的另一个热门技术就是芯片堆栈技术核心是chip-o-chip的互连。这和索尼更早应用了 “Sacked”堆栈式技术的ExmorRS图像传感器产品