CMOS圖像傳感器制造的工藝問題

圖像傳感器廠商已經(jīng)找到了解決某些挑戰(zhàn)的方法。如：（1）采用新工藝：高K薄膜和其它制造技術。（2）芯片堆疊和互連技術，將兩顆不同功能的芯片堆疊起來并不是什么新鮮事。但是新的互連方案，例如像素與像素互連（pixel-to-pixel）工藝還處于開發(fā)階段。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，繼2019年CMOS圖像傳感器市場持續(xù)火爆之后，一些不可預見的全新挑戰(zhàn)正在悄然來臨。CMOS圖像傳感器是智能手機和其它產(chǎn)品拍照功能的核心傳感器，但現(xiàn)在正面臨著像素間距縮小相關的工藝難題。與所有芯片產(chǎn)業(yè)一樣，在新冠病毒疫情爆發(fā)期間，CMOS圖像傳感器的增長步伐也將有所放緩。

CMOS圖像傳感器制造的工藝問題

CMOS圖像傳感器采用8英寸和12英寸晶圓代工廠的成熟工藝制程，用于手機、汽車、消費電子產(chǎn)品、工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)、安防攝像頭。配置雙攝像頭和多攝像頭的智能手機已是司空見慣，每個攝像頭均需要集成一顆CMOS圖像傳感器將光轉(zhuǎn)換為電信號以創(chuàng)建圖像。

CMOS圖像傳感器外觀示意圖

智能手機搭載的CMOS圖像傳感器數(shù)量還將增加，為攝像頭賦予高分辨率和豐富的功能。例如，三星最新款5G智能手機搭載了五個攝像頭，其中一個是基于1.08億像素（108MP）CMOS圖像傳感器的后置廣角攝像頭。這相當于要在如此小尺寸的芯片上集成超過1億的像素。根據(jù)TechInsights介紹，其用于自拍的前置攝像頭集成了一顆4800萬像素的CMOS圖像傳感器，像素間距為0.7μm，號稱全球像素間距最小的CMOS圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器上集成了許多微小的光敏像素。像素間距指從一個像素中心到另一個像素中心的距離，以微米（μm）為單位。并非所有手機都需要配備最先進的CMOS圖像傳感器，也并非所有消費者都樂于用手機拍照。但不可否認，消費者對更多成像功能的追求不會停止。

UMC（聯(lián)華電子）營銷技術總監(jiān)David Hideo Uriu表示，“從3G到4G，再到現(xiàn)在的5G，要求更高的帶寬數(shù)據(jù)性能，也帶動了對高質(zhì)量攝像頭需求的增長。除此以外，對更高像素和更佳分辨率的追求，都推動了CMOS圖像傳感器的市場熱潮。智能手機在紅外和近紅外光譜的生物識別、3D傳感、增強人類視覺等應用也逐漸得到關注。”

CMOS圖像傳感器廠商仍面臨一些挑戰(zhàn)。多年來，他們一直在為減小像素間距而努力。這樣，圖像傳感器的像素越多，分辨率也越高。但是，隨著像素間距尺寸與光的波長越來越接近，像素縮小變得越來越困難。豪威科技（OmniVision）工藝工程副總裁Lindsay Grant表示：“現(xiàn)在研發(fā)團隊必須找到新方法來避免靈敏度降低和傳感器的串擾增加?！?/p>

另一種趨勢是CMOS圖像傳感器的像素大小保持不變，改進方向從減少像素尺寸轉(zhuǎn)向提高圖像質(zhì)量。這個趨勢與用戶對更大手機屏幕、更佳拍照性能的需求一致，CMOS圖像傳感器的芯片尺寸則隨之增加。

盡管如此，圖像傳感器廠商已經(jīng)找到了解決某些挑戰(zhàn)的方法。如：（1）采用新工藝：高K薄膜和其它制造技術。（2）芯片堆疊和互連技術，將兩顆不同功能的芯片堆疊起來并不是什么新鮮事。但是新的互連方案，例如像素與像素互連（pixel-to-pixel）工藝還處于開發(fā)階段。

圖像傳感器市場動態(tài)

圖像傳感器主要分為兩種：CMOS圖像傳感器（CIS）和電荷耦合器件（CCD）。CCD是電流驅(qū)動器件，主要用于數(shù)碼相機和各種高端應用。CMOS圖像傳感器則有所不同。據(jù)東電電子（TEL）官網(wǎng)信息：“CMOS圖像傳感器的每個像素都有一個光電二極管和一個CMOS晶體管開關，實現(xiàn)每個像素信號的放大。”

針對各種應用，CMOS圖像傳感器的格式、幀率、像素尺寸和分辨率也各有不同。圖像傳感器分為全局快門（Global Shutter）和卷簾快門（Rolling Shutter）。例如，豪威科技最近推出的0.8μm 6400萬像素圖像傳感器，實現(xiàn)1/1.7英寸格式。該傳感器可提供靜態(tài)圖像捕獲和4K視頻性能，配備2x2微透鏡相位檢測自動（PHAF）對焦功能，可提高自動對焦精度，以每秒15幀（15fps）輸出6400萬像素畫面。

CMOS圖像傳感器廠商可分為兩個陣營：無晶圓廠（fabless）和IDM。IDM擁有自己的晶圓廠，而fabless公司則委托晶圓代工廠制造。無論哪種方式，在晶圓上完成圖像傳感器芯片后，都需要將其切割并進行封裝。

根據(jù)Yole稱，約有65%的圖像傳感器采用12英寸晶圓?！皩Π卜馈⑨t(yī)療和汽車等眾多應用來講，8英寸晶圓的CMOS圖像傳感器工藝制程仍然重要?！盠am Research（泛林半導體）戰(zhàn)略營銷部的總經(jīng)理David Haynes說。

索尼（Sony）是CMOS圖像傳感器廠商的霸主，其次是三星（Samsung）和豪威科技。根據(jù)IC Insights透露，其它重要廠商包括夏普（Sharp）、安森美（ON Semi）、意法半導體（STMicroelectronics）、格科微（GalaxyCore）、海力士（SK Hynix）、松下（Panasonic）和佳能（Canon）。

根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)，2019年CMOS圖像傳感器市場規(guī)模達到184億美元，相比2018年增長30%?！拔覀冾A測2020年CMOS圖像傳感器市場規(guī)模將出現(xiàn)負增長（下降3%），最終的市場規(guī)模約178億美元。受新冠疫情影響，手機和其它系統(tǒng)對CMOS圖像傳感器的需求下降，市場規(guī)模持續(xù)增長的曲線將出現(xiàn)拐點?！盜C Insights的分析師Rob Lineback這樣預測。

智能手機是CMOS圖像傳感器的主要市場。2018年平均每部手機有2.5個攝像頭?！?019年，平均每部智能手機的攝像頭數(shù)量已增加到2.8個。我們看到，到2020年，每部智能手機將配備三個攝像頭?！盰ole分析師Guillaume Girardin說。

不同智能手機廠商對攝像頭配置策略也不同。例如，蘋果iPhone 11 Pro后置三攝配置為：1200萬像素廣角 + 1200萬像素長焦 + 1200像素超廣角。三星的5G手機配置了五個攝像頭，包括四個后置攝像頭和一個前置攝像頭，其中一個為ToF攝像頭，用于手勢識別和3D物體識別。

攝像頭的高分辨率不一定等同于能拍出更好的照片?！斑@是像素尺寸和分辨率之間的博弈，”Girardin說，“像素減小意味著有更多像素。當分辨率超過4000萬像素和5000萬像素時，捕獲細節(jié)的能力可能會超過肉眼。對于CMOS圖像傳感器來講，擁有更高的量子效率（QE）和信噪比的像素才是決定圖像質(zhì)量優(yōu)劣最重要的要素?！?/p>

未來，雖然智能手機無法取代專業(yè)攝影師的數(shù)碼單反相機。但顯然，智能手機提供了比以往更多的功能。維易科（Veeco）產(chǎn)品營銷高級經(jīng)理Ronald Arif表示：“5G能帶來更多帶寬和潛在的應用，例如體育賽事的8K流媒體現(xiàn)場直播，實時AR（增強現(xiàn)實）、VR（虛擬現(xiàn)實）、MR（混合現(xiàn)實）游戲，這對手機用戶的吸引力是無窮的。最新5G手機中的攝像頭更加先進，整合了VCSEL的3D傳感功能，可用于自動對焦或任何場所（如客廳）的3D投影映射（3D mapping）。可以想象，深度映射功能、5G與先進攝像頭的組合會帶來豐富的新應用（app），例如游戲、實時流媒體、遠程學習和視頻會議?！?/p>

近紅外（NIR）圖像傳感器是CMOS圖像傳感器廠商正在交付的創(chuàng)新產(chǎn)品。近紅外圖像傳感器可以探測到物體可見光譜之外的波長，專為在昏暗或黑暗環(huán)境中工作的應用而設計。豪威科技最新推出的近紅外技術Nyxel 2，使不可見的940nm近紅外光譜內(nèi)量子效率提高25%，而在幾乎不可見的850nm近紅外波長處的量子效率提高17%。

索尼和Prophesee共同開發(fā)了基于事件的視覺傳感器。這類傳感器主要面向機器視覺應用，可在各種環(huán)境中探測到快速移動的物體。

像素尺寸縮小競賽

幾年前，CMOS圖像傳感器廠商之間所謂的像素縮小競賽就已拉開帷幕。這里專指“像素間距”，即傳感器中像素之間的距離。目標是（并且仍然是）在給定時間內(nèi)減小每一代產(chǎn)品的像素間距。較高的像素密度等于更高的分辨率，但并非所有傳感器都需要較小的間距。

幾年前，CMOS圖像傳感器的像素間距為7μm。CMOS圖像傳感器廠商一直在致力于減小像素間距，但問題層出不窮。

CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)非常復雜。頂層為微透鏡陣列，下一層是綠色、紅色和藍色陣列的彩色濾光片，接著是由捕獲光線的光電二極管和其它電路組成的有源像素陣列。

CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

有源像素陣列由許多微小的單個感光像素組成。每個像素由光電二極管、晶體管和其它元件構(gòu)成，像素大小以微米（μm）為單位。

像素尺寸越大的圖像傳感器，收集的光越多，信號越強。但圖像傳感器尺寸較大，會占用更多的電路板空間。像素尺寸較小的圖像傳感器，收集的光較少，但可以將更多的圖像傳感器封裝在一起，從而提高分辨率。

在晶圓代工廠中，圖像傳感器的制造流程有幾種。其中一種簡單制造流程中，像素陣列已完成。制備流程從對襯底的正面處理開始。晶圓與載片（carrier）或操作晶圓（handle wafer）鍵合在一起。對頂層進行注入工藝，再進行退火。在頂部涂上抗反射涂層，再完成彩色濾光片和微透鏡陣列。在另一種簡單制造流程中，對硅襯底表面進行注入。在頂部形成擴散阱和金屬堆疊層。將晶圓翻轉(zhuǎn)，在背面刻蝕出溝槽，在溝槽的側(cè)壁進行隔離氧化層（liner）沉積并填充介電材料。最后在頂部完成濾光片和微透鏡陣列。

直到2009年，主流CMOS圖像傳感器均采用前照式（FSI）像素陣列結(jié)構(gòu)。工作時，光線會照射到傳感器正面。微透鏡收集光并將其傳輸?shù)讲噬珵V光鏡。光穿過互連的堆疊并被二極管捕獲。電荷在每個像素處被轉(zhuǎn)換為電壓，所有像素的信號被收集。

多年以來，在CMOS圖像傳感器廠商的努力下，經(jīng)歷了多次迭代，像素間距不斷減小。據(jù)TechInsights稱，2006年像素間距為2.2μm，2007年就減小到1.7μm。

像素間距為1.4μm的FSI結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，再次打破了產(chǎn)業(yè)壁壘。約從2009年開始，CMOS圖像傳感器廠商開始采用一種新的結(jié)構(gòu)：背照式（BSI）。BSI結(jié)構(gòu)將圖像傳感器的光線入射方向從晶圓正面“反轉(zhuǎn)”至背面。當光線從硅襯底的背面進入，光子經(jīng)過光電二極管的路徑更短，從而提高了量子效率。

前照式（FSI）CMOS圖像傳感器和背照式（BSI）CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

BSI結(jié)構(gòu)可以進一步縮小像素尺寸。Lam的Haynes解釋：“像素尺寸在1.2μm至1.4μm的范圍內(nèi)，BSI技術可實現(xiàn)最佳像素尺寸，而堆疊式BSI可使這個像素尺寸范圍內(nèi)的COMS圖像傳感器的占位面積保持在30平方毫米以下。亞微米尺寸的像素，可以實現(xiàn)四分之一像素格式，獲得超過4800萬像素的分辨率?！?/p>

除了BSI技術，廠商還在對其它技術進行改進。圖像傳感器內(nèi)的光電二極管（捕獲光的關鍵元件）也在縮小，但會降低效率。而且二極管靠得更近，會產(chǎn)生串擾。

在2010年左右，當像素間距達到1.4μm時，CMOS圖像傳感器廠商在制造工藝的創(chuàng)新方向又一次發(fā)生了改變：深溝槽隔離（DTI）。DTI工藝的目標是使光電二極管“長得更高”，從而增加單位面積的容量。為了實現(xiàn)DTI工藝，廠商依然采用BSI結(jié)構(gòu)，并通過各種工藝增加光電二極管的“高度”，同時要求增加二極管周圍的硅的厚度。

不過，像素尺寸的縮小速度已經(jīng)放緩。曾經(jīng)有一段時間，CMOS圖像傳感器廠商踩著每年縮小像素尺寸的節(jié)奏前行。但是，據(jù)TechInsights稱，從1.4μm（2008年）演進到1.12μm（2011年），花了三年的時間，達到1μm（2015年）耗費了四年，此后過了三年才達到0.9μm（2018年）。

TechInsights分析師Ray Fontaine在近期的博客中談到：“總體來說，我們認為DTI和相關鈍化方案的開發(fā)，是導致1.12μm縮小到0.9μm進程緩慢的主要原因。”

最近，廠商已解決了這些問題。像素縮小競賽的緊張氣勢再次燃起。2018年，三星突破了1μm的技術壁壘，達到0.9μm；索尼在2019年達到0.8μm，在2020年又突破了0.7μm。

對于亞微米級像素，CMOS圖像傳感器行業(yè)需要更多的創(chuàng)新。Fontaine在最近的演講中講到“隨著像素的縮小，需要更厚的有源（硅）來保證光電二極管尺寸。厚（硅）是DTI和相關高K鈍化層的關鍵技術?！?/p>

用高K薄膜制造的圖像傳感器與上述傳統(tǒng)流程基本一致。不同之處在于，高K薄膜是沉積在DTI溝槽的隔離氧化層上面。

對于高K工藝和其它工藝，廠商在晶圓代工廠中采用兩種不同的方法：前DTI（F-DTI）和后DTI（B-DTI）。豪威科技的Grant解釋：“F-DTI使用多晶硅填充間隙，多晶硅的電壓偏置可以改善表面釘扎效應。F-DTI還可以進行更多的熱處理以減少蝕刻損傷。B-DTI采用帶負電荷的高K薄膜來積累電荷，在表面出現(xiàn)費米能級釘扎效應，從而抑制暗電流漏電。高K薄膜沉積采用原子層沉積（ALD）工藝完成。B-DTI通常使用氧化物填充間隙，也嘗試了金屬填充甚至空氣間隙，并已用于批量生產(chǎn)?！?/p>

像素縮小競賽會繼續(xù)進行嗎？Grant認為：“像素尺寸很有可能小于0.7μm。隨著像素縮小到0.7μm，需要優(yōu)化的方面還很多。比如在B-DTI工藝中，對二極管的高能注入，彩色濾光鏡和微透鏡的光學結(jié)構(gòu)縮小等關鍵項目仍將是發(fā)展重點。像素內(nèi)晶體管和互連的基本設計規(guī)則需要更新?！?/p>

另一個問題是移動設備中圖像傳感器的像素間距正在接近光的波長。Grant說：“有些人可能認為這是像素尺寸的極限。例如，研發(fā)0.6μm的像素間距。它小于0.65μm（650nm）的紅光波長。因此可能會出現(xiàn)一個問題：‘為什么要縮小到亞波長？用戶會受益嗎？將像素縮小到亞波長意味著在像素級別空間分辨率信息更有價值。’”

Grant指出，1.0μm像素的光學結(jié)構(gòu)使用了許多亞波長特征?！袄纾糜谝种拼當_的窄金屬網(wǎng)格和用于量子效率改善的窄介電側(cè)壁正在通過光的引導而進行改進。這種納米光學工程已在現(xiàn)有像素技術領域應用多年，所以縮小到亞波長并非革命。持續(xù)縮小的局限，可能來自用戶利益而不是技術。正是出于不斷發(fā)現(xiàn)像素縮小為最終用戶帶來價值的目的，才推動著這一趨勢。只有這樣，CMOS圖像傳感器技術的開發(fā)才會繼續(xù)支持這一方向?！?/p>

堆疊和互連技術

除了像素尺寸縮小以外，CMOS圖像傳感器還正在進行其它創(chuàng)新，例如芯片堆疊。廠商還使用不同的互連技術，例如硅通孔（TSV）、混合鍵合以及像素與像素互連（pixel-to-pixel）。

多年來，圖像傳感器都將像素陣列和邏輯電路集成于同一顆芯片。2012年，索尼推出了兩層堆疊式圖像傳感器。芯片堆疊使廠商可以將傳感功能和處理功能拆分到不同的芯片。這允許傳感器具有更多功能，同時還可以減小管芯尺寸。

為此，索尼開發(fā)了90nm工藝的像素陣列芯片。該芯片堆疊在一顆65nm圖像信號處理器（ISP）芯片上，該芯片提供處理功能。然后將兩顆芯片互連。

最終，其它廠商轉(zhuǎn)向了類似的芯片堆疊方案。通常，頂部像素陣列芯片采用成熟節(jié)點工藝。底部ISP芯片的工藝節(jié)點涉及65nm、40nm和28nm。14nm FinFET（鰭式場效應晶體管）技術正在研發(fā)中。

在2018年，三星和索尼同時開發(fā)了三層堆疊式圖像傳感器。例如，在索尼的CMOS圖像傳感器產(chǎn)品系列的一種版本中，DRAM（動態(tài)隨機存取存儲器）單元位于圖像傳感器和邏輯電路層之間。嵌入式DRAM可實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)讀取。

除了芯片堆疊之外，廠商還開發(fā)了不同的互連方案，該方案將一顆芯片與另一顆芯片互連。最初，豪威科技、三星和索尼使用硅通孔（TSV）技術。2016年，索尼轉(zhuǎn)向了一種稱為“銅混合鍵合”的互連技術。三星仍處于TSV陣營中，而豪威科技則同時采用TSV和混合鍵合兩種工藝。

在混合鍵合中，使用銅-銅互連連接管芯。在晶圓廠中對兩片晶圓進行處理，一片是邏輯電路，另一片是像素陣列。使用電介質(zhì)-電介質(zhì)鍵合（dielectric-to-dielectric bond）將兩片晶圓鍵合在一起，然后完成金屬與金屬的互連。

TSV和混合鍵合均可實現(xiàn)精細的像素間距。Lam的Haynes說：“在CMOS圖像傳感器像素和邏輯電路兩片晶圓堆疊的BSI結(jié)構(gòu)，TSV和混合鍵合可能會繼續(xù)共存。但是隨著多層堆疊BSI圖像傳感器的發(fā)展，TSV集成將變得越來越重要?！?/p>

談起其它技術趨勢。KLA（科天）營銷高級總監(jiān)Steve Hiebert說：“將來，我們有望看到與CMOS圖像傳感器芯片堆疊相關的兩種趨勢。首先是進一步縮小像素間距，以實現(xiàn)更高的芯片互連密度。另一種是三個或更多器件的堆疊?！?/p>

pixel-to-pixel互連將是未來的“重磅炸彈”。Xperi正在開發(fā)一種稱為“3D混合BSI”的技術，用于像素級集成。索尼和豪威科技已經(jīng)展示了這項技術。

Xperi產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Abul Nuruzzaman說：“3D混合BSI可以實現(xiàn)更多的互連。實現(xiàn)每個像素與關聯(lián)的模數(shù)轉(zhuǎn)換的像素級互連。這允許對所有像素進行并行的模數(shù)轉(zhuǎn)換。該連接提供了堆疊像素層和邏輯電路層之間的高密度電氣互連，從而實現(xiàn)了與有效百萬像素數(shù)量一樣多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。混合鍵合還可以將堆疊式內(nèi)存中的專有內(nèi)存與對應像素的互連。”

這種架構(gòu)支持大規(guī)模并行信號傳輸，從而可以高速讀取和寫入圖像傳感器的所有像素數(shù)據(jù)。Nuruzzaman表示：“這可以為對時間要求非常嚴苛的各種應用（例如自動駕駛汽車、醫(yī)學成像和高端攝影）提供實時比例縮放像素的全局快門和高分辨率成像?！?/p>

結(jié)論

顯然，CMOS圖像傳感器市場是動態(tài)變化的。在新冠疫情爆發(fā)期間，對于CMOS圖像傳感器廠商而言，2020年將是艱難的一年。

盡管如此，市場上還會涌現(xiàn)創(chuàng)新浪潮。IC Insights的Lineback表示：“嵌入式CMOS圖像傳感器和攝像頭在安防、安全、基于視覺的用戶界面和識別、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛汽車和無人機等更多系統(tǒng)中的應用前景依然可期。”
責任編輯:pj