配備DRAM的三層堆疊式CMOS影像傳感器介紹

為了加速影像數(shù)據(jù)處理， 業(yè)界研發(fā)了在互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)影像傳感器中配備嵌入式動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)，推出了配備DRAM的三層堆疊式CMOS影像傳感器，SONY是最早發(fā)布這一產(chǎn)品的廠家，這款型號為IMX400的三層堆疊式感光元件(Exmor RS)是專為智能手機而打造的。

SONY的堆疊式CMOS傳感器元件

Sony的Xperia XZ Premium和Xperia XZ兩款旗艦級智能手機搭載了具有960fps畫面更新率的Motion Eye相機模組。

這款三層堆疊的CMOS影像傳感器(CIS)被面對背地安裝在DRAM上，使得DRAM與影像訊號處理器(ISP)面對面接在一起。

Sony三層堆疊式CMOS影像傳感器的芯片橫截面

Sony在其較早的19Mp影像傳感器中使用雙模擬/數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)，為畫素資料進行數(shù)字化。而今，該公司使用4層ADC的結(jié)構(gòu)提高讀取速度，同時也改善了處理能力。DRAM則用于暫時儲存高速數(shù)據(jù)，然后再以傳感器介面的最佳速率輸出。該設(shè)計使其能以1/120秒讀取1,930萬畫素的靜態(tài)影像，而在影片模式下可達到1,000fps的畫面更新率，較以往產(chǎn)品的靜態(tài)影像與動態(tài)影片分別提高了4倍和8倍的速度。Sony可說是再次將手機相機的功能推至極限。

Sony新開發(fā)配備DRAM的三層堆疊式CMOS影像傳感器

3D堆疊技術(shù)

3D 堆疊技術(shù)是把不同功能的芯片或結(jié)構(gòu), 通過堆疊技術(shù)和過孔互連等微機械加工技術(shù), 使其在 Z軸方向上形成立體集成和信號連通以及圓片級、芯片級、硅帽封裝等封裝和可靠性技術(shù)為目標的三維立體堆疊加工技術(shù), 用于微系統(tǒng)集成, 是繼片上系統(tǒng)( SOC) 、多芯片模塊( MCM ) 之后發(fā)展起來的系統(tǒng)級封裝( SiP/ SoP) 的先進制造新技術(shù)。

微電子的模塊已經(jīng)實現(xiàn)3D圓片級封裝( WLP)的 系統(tǒng)級封 裝( SiP )技術(shù),例如, CIS RF模塊、M EM S封裝、標準器件封裝,已有量產(chǎn), 2009年開始3D TSV堆疊時代( 3D TSV Stack Era )的到來，模塊化芯片、閃存及DRAM ,通過堆疊以獲得增強的內(nèi)存容量。

3D堆疊的主要形式和分類

目前有多種基于 3D 堆疊方法, 主要包括: 芯片與芯片的堆疊( D2D) 、芯片與圓片的堆疊( D2W ) 以及圓片與圓片的堆疊( W2W)。

D2D堆疊方式是當(dāng)前系統(tǒng)級封裝( SiP)方式的主要互聯(lián)方式,該堆疊方法主要利用引線鍵合的方式,實現(xiàn)3D方向芯片間的互聯(lián),如圖( a)所示。D2D方式雖然可以實現(xiàn)3D堆疊,提高系統(tǒng)集成度,但由于主要使用引線鍵合方式互聯(lián),限制了系統(tǒng)集成度進一步提高,并由于引線會引入寄生效應(yīng),降低了3D系統(tǒng)的性能;

D2W堆疊方式利用芯片分別與圓片相應(yīng)功能位置實現(xiàn)3D堆疊,如圖( b)所示,該種方式主要利用flip-chip(倒裝)方式和bump(置球)鍵合方式,實現(xiàn)芯片與圓片電極的互聯(lián),該方式與D2D方式相比,具有更高的互聯(lián)密度和性能,并且與高性能的flip-chip鍵合機配合,可以獲得較高的生產(chǎn)效率；

W2W堆疊方式利用圓片與圓片鍵合,實現(xiàn)3D堆疊,在圓片鍵合過程中,利用TSV實現(xiàn)信號的互聯(lián),如圖( c)所示,該種方式具有互聯(lián)密度高、成本低并且可同時實現(xiàn)圓片級封裝( WLP)的優(yōu)點,可以實現(xiàn)AD、I/ O、傳感器等多功能器件的混合集成。

對于D2W和W2W堆疊方式,從生產(chǎn)效率的角度, W 2W方式效率最高,但從成品率角度考慮,由于D2W方式可以通過篩選,實現(xiàn)合格芯片( Know good die, KGD)之間的堆疊,因此成品率較高;而W2W方式,無法通過實現(xiàn)事先篩選,會嚴重影響堆疊的成品率。

對于W2W堆疊方式,必須嚴格控制芯片及3D堆疊工藝的成品率,否則,隨著堆疊層數(shù)的增加,成品率將大幅下降。 對于一個需要3層的堆疊工藝來說,必須將圓片成品率及層疊成品率均控制在98%以上,才可能獲得90%以上的3D堆疊成品率。

層間互聯(lián)技術(shù)——TSV

從微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢看,基于TSV技術(shù)的3D堆疊技術(shù),將是微電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,但也面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn),如TSV技術(shù)、超薄片加工技術(shù)(臨時鍵合、減薄等)、異質(zhì)鍵合技術(shù)、層間對準技術(shù)等等,其中, TSV技術(shù)最為關(guān)鍵。

穿透硅通孔( TSV)將在先進的三維集成電路( 3D IC)設(shè)計中提供多層芯片之間的互連功能,是通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通,實現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)。與以往的IC封裝鍵合和使用凸點的疊加技術(shù)不同, TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大、外形尺寸最小,并且大大改善芯片速度和降低功耗的性能。

采用硅通孔技術(shù)( TSVs)的堆疊器件

TSV與目前應(yīng)用于多層互連的通孔有所不同,一方面TSV通孔的直徑通常僅為為1～100 μm ,深度10～400 μm,為集成電路或者其他多功能器件的高密度混合集成提供可能;另一方面,它們不僅需要穿透組成疊層電路的各種材料,還需要穿透很厚的硅襯底,因此對通孔的刻蝕技術(shù)具有較高的要求。目前制造商們正在考慮的多種三維集成方案,也需要多種尺寸的T SV與之配合。 等離子刻蝕技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于存儲器和MEM S生產(chǎn)的深硅刻蝕工藝,同樣也非常適合于制造TSV。

利用3D堆疊技術(shù)實現(xiàn)微系統(tǒng),是未來發(fā)展的必然趨勢,是突破摩爾定律發(fā)展的必然選擇。其中利用MEMS技術(shù)實現(xiàn)TSV互連,是該技術(shù)的核心技術(shù),必須重點解決與突破。