高像素背后的技術(shù)、芯片升級(jí)

在CMOS圖像傳感器上，相機(jī)相對(duì)手機(jī)是“底大一級(jí)壓死人”，但手機(jī)廠商也在不斷改善這種狀況。據(jù)電子工程網(wǎng)的介紹，在拍攝過程中，像素收集光子的過程，類似于在某片空地上放滿盆子，下雨時(shí)雨點(diǎn)落進(jìn)盆里?？梢詫⒁粋€(gè)像素集滿光子的能力定義為“滿阱容量”，也就是盆子能盛多少雨水。

圖/電子工程專輯，下同

目前，在像素尺寸已經(jīng)如此小并在進(jìn)一步趨小的情況下，增加滿阱容量的方案就是增加“阱深”。據(jù)了解，針對(duì)像素阱的設(shè)計(jì)都是需要廠商花重金去試錯(cuò)，更早1.0μm像素時(shí)代的active Si厚度為2.5-2.7μm，現(xiàn)在則加深到了3.9μm。

實(shí)際上，即便是一些不喜歡采用高像素?cái)z像頭的手機(jī)制造商，像素阱加深也是趨勢(shì)。不過一旦像素阱變深了，那么臨近像素之間就更容易產(chǎn)生串?dāng)_。目前手機(jī)CIS解決串?dāng)_問題的技術(shù)焦點(diǎn)就在深槽隔離技術(shù)（DTI）上，即在每個(gè)像素阱之間加入隔斷、避免串?dāng)_。今年的MWC 2019上海展會(huì)上，三星著力展示的就是這種DTI技術(shù)，并市場(chǎng)宣傳中稱其為ISOCELL。

上圖的索尼和三星最新的0.8μm像素，可以看到兩者的像素隔斷差別還比較大。索尼采用的是B-DTI，三星所用的F-DTI方案要求必須采用VTG，所以其隔斷會(huì)比較完整。這似乎也是目前三星著力的宣傳點(diǎn)。另外，索尼所用的氧化物填充B-DTI隔斷為150nm寬度，三星則為110nm。

隨著像素變小、active Si厚度變大，DTI結(jié)構(gòu)本身也在持續(xù)進(jìn)化中。DTI以及相應(yīng)的鈍化技術(shù)是目前像素越做越小的關(guān)鍵所在。如果說高像素真的只是噱頭并且會(huì)讓畫質(zhì)變差的話，那么三星、索尼、OmniVision這些廠商又為何要非要投入大量成本研發(fā)此類技術(shù)呢？

除了DTI之外，近1-2年手機(jī)CMOS圖像傳感器領(lǐng)域的另一個(gè)熱門技術(shù)就是芯片堆棧——技術(shù)核心是chip-to-chip的互連。這和索尼更早應(yīng)用了“Stacked”堆棧式技術(shù)的Exmor RS圖像傳感器產(chǎn)品不一樣。當(dāng)年的stacked技術(shù)是把像素周圍的電路移到下層去，電路不需要占用像素表面的位置，讓像素感光開口更大。

現(xiàn)在的芯片堆棧是指將CIS、ISP和DRAM三層堆疊在一起。從結(jié)構(gòu)上說，堆棧式CMOS是背照式CMOS的一個(gè)全新升級(jí)版本，具有高像素化、高性能化及小型化的特點(diǎn)。無論是背照式CMOS還是堆棧式CMOS都是兩層的，在iPhone XS和華為P30 Pro的攝像頭中，索尼用的是6.0μm間距的Cu-Cu混合連接，用以替代TSV（硅穿孔）互聯(lián)方案。

目前，索尼的MotionEye?相機(jī)堆疊記憶芯片傳感器已采用三層堆疊式，這種傳感器的核心技術(shù)是在像素層和信號(hào)處理電路層之間加入了一層DRAM緩存，形成了三明治結(jié)構(gòu)，是真正的三層互聯(lián)。不過三星的“三層”堆疊，是把DRAM die以倒裝芯片的方式置于ISP與CIS雙die堆疊后方，DRAM融合了兩層RDL層以及一個(gè)高厚徑比的TSV貫穿到ISP，實(shí)現(xiàn)連接。