在過(guò)去的十年里，CMOS圖像傳感器（CIS）技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展，圖像傳感器的性能也得到了極大的改善。自從在手機(jī)中引入相機(jī)以來(lái)，CIS技術(shù)取得了巨大的商業(yè)成功。

包括科學(xué)家和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)專(zhuān)家在內(nèi)的許多人，早在15年前就預(yù)言，CMOS圖像傳感器將完全取代CCD成像設(shè)備，就像20世紀(jì)80年代中期CCD設(shè)備取代了視頻采集管一樣。盡管CMOS在成像領(lǐng)域占有牢固的地位，但它并沒(méi)有完全取代CCD設(shè)備。

另一方面，對(duì)CMOS技術(shù)的驅(qū)動(dòng)極大地提升了整個(gè)成像市場(chǎng)。CMOS圖像傳感器不僅創(chuàng)建了新的產(chǎn)品應(yīng)用程序，而且還提高了CCD成像設(shè)備的性能。本文介紹了CMOS圖像傳感器技術(shù)中最先進(jìn)的技術(shù)，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

圖像傳感器的定義和用途

圖像傳感器是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的電子設(shè)備。轉(zhuǎn)換的方法因圖像傳感器的類(lèi)型而異：

“模擬”CCD執(zhí)行光子到電子的轉(zhuǎn)換。

“數(shù)字”CMOS圖像傳感器（CIS）執(zhí)行光子到電壓的轉(zhuǎn)換

圖像傳感器用于數(shù)碼相機(jī)和成像設(shè)備，將相機(jī)或成像設(shè)備接收到的光線(xiàn)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。

CIS vs. CCD

今天，有兩種不同的技術(shù)用于數(shù)字圖像采集（圖1）：

電荷耦合器件（CCD）是線(xiàn)性傳感器，其輸出與接收到的光子數(shù)量直接相關(guān)。

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS，或CMOS圖像傳感器CIS）是一種較新的并行讀出技術(shù)。

這兩種類(lèi)型的成像設(shè)備都將光轉(zhuǎn)化為電子（或電荷），隨后即可處理成電子信號(hào)。CCD的設(shè)計(jì)目的是將電荷逐個(gè)像素地移動(dòng)，直到它們到達(dá)專(zhuān)用讀出區(qū)域放大器。CMOS圖像傳感器直接在像素上進(jìn)行放大。更高級(jí)的CIS技術(shù)提供了一個(gè)并行讀出架構(gòu)，其中每個(gè)像素都可以單獨(dú)尋址，或者作為一個(gè)組并行地讀出（參見(jiàn)圖1）。

CMOS傳感器的制造成本遠(yuǎn)低于CCD傳感器。由于新型圖像傳感器的價(jià)格下降，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)變得非常便宜和普及。

在表1中，我們展示了CCD和CMOS架構(gòu)的主要區(qū)別。每個(gè)都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中各顯其能（用綠色表示）。

表1：CCD與CMOS架構(gòu)比較（來(lái)源：e2V）

CIS中的關(guān)鍵組件

CMOS圖像傳感器有四個(gè)主要組件（見(jiàn)圖2）：

1 光電二極管（PD）

2 像素設(shè)計(jì)

3 彩色濾光片（CF）

4 微透鏡

光電二極管（PD）用于捕捉光，一般用于實(shí)現(xiàn)這一功能的是PIN二極管或PN結(jié)器件。最廣泛實(shí)現(xiàn)的像素設(shè)計(jì)被稱(chēng)為“有源像素傳感器”（APS）。通常使用3—6個(gè)晶體管，它們可以從大型電容陣列中獲得或緩沖像素。彩色濾光片用于分離反射光的紅、綠、藍(lán)（RGB）成分。最后，微透鏡從CIS的非活性部分收集光，并將其聚焦到光電二極管。微透鏡通常具有球形表面和網(wǎng)狀透鏡。

圖2：CIS中的關(guān)鍵組件（來(lái)源：IBM，F(xiàn)SI）

CIS性能參數(shù)

有許多參數(shù)可用于評(píng)估圖像傳感器的性能。我們使用三個(gè)主要指標(biāo)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)：

1.像素布局：像素?cái)?shù)，像素間距，像素填充因子；

2.像素物理：量子效率，阱容量，動(dòng)態(tài)范圍，轉(zhuǎn)換增益，暗電流；

3.像素讀數(shù)：信噪比，幀速率，線(xiàn)性度，功耗，位深度，調(diào)制傳遞函數(shù)，快門(mén)效率。

背面照度（BSI）技術(shù)與前面照度（FSI）技術(shù)

高級(jí)CMOS圖像傳感器制造商正在尋求新的架構(gòu)，以便在保持或增強(qiáng)電—光性能的同時(shí)減小像素尺寸。較小的像素通常會(huì)帶來(lái)更高的分辨率、更小的器件，以及更低的功耗和成本。理想情況下，縮小像素尺寸的任何新CIS架構(gòu)都不應(yīng)該降低性能或圖像質(zhì)量。一種較新的CIS架構(gòu)背面照度（BSI）技術(shù)，是常用的前面照度（FSI）技術(shù)的有前途的替代方案（見(jiàn)圖3）。

圖3：FSI vs. BSI

BSI技術(shù)涉及到將圖像傳感器倒置，并將彩色濾光片和微透鏡應(yīng)用于像素的背面，以便傳感器可以通過(guò)背面收集光線(xiàn)。BSI具有深光電二極管和短光路，從而具有更高的量子效率（1）（QE）和較低的串?dāng)_（2）（見(jiàn)圖4）。

圖4：串?dāng)_

（1）QE =轉(zhuǎn)換成為電子的光子的百分比；

（2）電子串?dāng)_=相鄰像素之間的電荷（電子或空穴，取決于像素類(lèi)型）的擴(kuò)散。它由于底層的電子機(jī)制（擴(kuò)散和漂移）而在硅材料中發(fā)生。

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。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兀┕饩w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(xiàn)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(chǎng)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。