經(jīng)過一段創(chuàng)紀(jì)錄的增長之后，CMOS圖像傳感器市場開始面臨一些新的和不可預(yù)見的挑戰(zhàn)。
CMOS圖像傳感器可在智能手機和其他產(chǎn)品中提供相機功能，但現(xiàn)在它們在晶圓廠中面臨縮放和制造問題。此外，與所有芯片產(chǎn)品一樣，在新冠狀病毒爆發(fā)期間，圖像傳感器的增長速度也有所放緩。
智能手機集成了比以往更多的CMOS圖像傳感器，從而在系統(tǒng)中啟用了高分辨率，功能豐富的相機。例如，三星的新型5G智能手機由五個攝像頭組成，包括一個基于108兆像素（MP）圖像傳感器的后置廣角攝像頭。在小晶粒尺寸上，這相當(dāng)于超過1億像素。根據(jù)Tech Insights的說法，用于自拍照的前置攝像頭集成了48MP圖像傳感器，該傳感器基于世界上最小的像素間距0.7μm。
圖像傳感器結(jié)合了許多微小的光敏像素，而像素間距是從一個像素的中心到另一個像素的中心的距離，以μm為單位。雖然并非所有手機都配備有最先進的圖像傳感器，但是很明顯，消費者要求更多的成像功能。
UMC公司市場營銷技術(shù)總監(jiān)David Hideo Uriu表示：“隨著更高帶寬的數(shù)據(jù)性能，從3G到4G再到現(xiàn)在的5G，對高質(zhì)量攝像機的需求也在增長。這種趨勢下，加上對更高像素數(shù)和更高分辨率的需求，推動了CMOS圖像傳感器的繁榮。除了這些趨勢外，手機ID / NIR光譜中的生物識別ID，3D傳感和增強的人類視覺應(yīng)用領(lǐng)域也越來越突出。”
盡管如此，圖像傳感器供應(yīng)商仍面臨一些挑戰(zhàn)。多年來，他們一直在努力降低像素間距，以在圖像傳感器中封裝更多像素，從而提高了設(shè)備的分辨率。但是，隨著間距接近光的波長，像素縮放變得越來越困難。
OmniVision工藝工程副總裁Lindsay Grant表示，像素研發(fā)團隊現(xiàn)在必須找到新方法，以避免靈敏度降低和傳感器中的串?dāng)_降低。
另一方面，還有一種趨勢是保持手機中較大的像素大小，并引入較小像素的最佳改進以提高圖像質(zhì)量。這些趨勢滿足了客戶對更大，更好的相機的需求，從而導(dǎo)致更多的傳感器具有更大的裸片尺寸。
目前，圖像傳感器供應(yīng)商已經(jīng)找到了解決某些挑戰(zhàn)的方法。包括：
新工藝：高k膜和其他fab技術(shù)已經(jīng)開始推動像素縮放。
模具堆疊和互連：將不同的功能放在兩個模具上并堆疊它們并不是什么新鮮事，但是新的互連方案是有意思的，例如像素間連接，正在研發(fā)中。
1、圖像傳感器的市場動態(tài)
圖像傳感器主要有兩種類型，CMOS圖像傳感器和電荷耦合器件（CCD）。CCD是電流驅(qū)動的設(shè)備，存在于數(shù)碼相機和各種高端產(chǎn)品中。CMOS圖像傳感器（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）則有所不同，它的每個像素都有一個光電二極管和一個CMOS晶體管開關(guān)，從而可以分別放大像素信號。針對各種應(yīng)用，CMOS圖像傳感器具有不同的格式，幀速率，像素大小和分辨率。
圖像傳感器具有全局或滾動快門。例如，OmniVision的新型64MP圖像傳感器具有1 / 1.7英寸格式的0.8μm像素大小。該傳感器具有靜態(tài)圖像捕獲和4K視頻性能，具有2型，2×2微透鏡相位檢測自動對焦功能，可提高自動對焦精度。輸出格式包括64MP，每秒15幀（fps）。
供應(yīng)商分為兩個陣營：無晶圓廠和IDM。IDM擁有自己的晶圓廠，而無晶圓廠公司則使用代工廠。無論哪種情況，賣方都在晶片上制造圖像傳感器管芯，將其切割并組裝成封裝。
根據(jù)YoleDéveloppement的說法，大約65％的圖像傳感器是在300毫米晶圓廠生產(chǎn)的?！?200mm對于各種安全，醫(yī)療和汽車CMOS圖像傳感器產(chǎn)品仍然至關(guān)重要，”Lam Research戰(zhàn)略市場營銷總經(jīng)理David Haynes說。
如今，索尼已成為CMOS圖像傳感器的最大供應(yīng)商，其次是三星和OmniVision。根據(jù)IC Insights，其他供應(yīng)商包括夏普，安森美，意法半導(dǎo)體，GalaxyCore，SK Hynix，松下和佳能。
根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)，2019年圖像傳感器銷售額達到184億美元，比2018年增長30％?！霸?020年，我們預(yù)測CMOS圖像傳感器的銷售額將下降3％，至178億美元，由于在Covid-19病毒健康危機中手機和其他系統(tǒng)對傳感器的需求下降，使銷售連續(xù)刷新紀(jì)錄，” IC Insights的分析師Rob Lineback。
根據(jù)Yole的說法，在另一種更樂觀的預(yù)測中，CMOS圖像傳感器市場在2019年增長了25％。據(jù)該公司稱，到2020年，市場預(yù)計將放緩并增長7％。最大的推動力是智能手機。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2018年，每部手機有2.5個攝像頭。“在2019年，每個智能手機的攝像機數(shù)量已躍升至2.8個。我們看到，到2020年，每部智能手機將配備三臺攝像機?！?Yole光電與傳感部門主管Guillaume Girardin說。
每個手機配置都不一樣。例如，Apple的iPhone 11 Pro集成了12MP三攝技術(shù)（寬，超寬和遠(yuǎn)攝）。同時，三星的5G手機具有五個攝像頭，包括四個后置攝像頭和一個前置攝像頭。一臺相機配有飛行時間傳感器，用于手勢和3D對象識別。
高分辨率相機不一定等同于更好的照片。這是像素尺寸和分辨率之間的權(quán)衡問題。像素縮放意味著像素更多，當(dāng)分辨率超過40MP和50MP時，這些功能可能超出了人們的視野，無法看到它們捕獲的內(nèi)容。對于CMOS圖像傳感器，具有更好的量子效率（QE）和信噪比的像素是圖像質(zhì)量的最重要因素。
此外，智能手機不會取代專業(yè)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。Veeco產(chǎn)品營銷高級經(jīng)理Ronald Arif表示：“人們一定會為5G吸引更多的帶寬和潛在的應(yīng)用，例如現(xiàn)場體育賽事的8K流媒體到實時AR / VR / MR游戲。”“最新的5G手機中的攝像頭已經(jīng)變得更加先進。他們開始整合用于深度感測的VCSEL器件，該器件可用于從客廳的自動對焦到3D映射的任何地方?？梢韵胂髮⒕哂猩疃扔成涔δ芎?G的高級相機組合在一起。這可能會打開豐富的新應(yīng)用程序，例如游戲，實時流媒體，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和視頻會議?！?
在其他創(chuàng)新中，供應(yīng)商正在運送近紅外（NIR）圖像傳感器。NIR可以照亮可見光譜之外的波長的物體，是為在近乎或完全黑暗的環(huán)境中工作的應(yīng)用而設(shè)計的。OmniVision的新近紅外技術(shù)使940nm的不可見近紅外光譜提高了25％，而在幾乎不可見的850nm的近紅外波長上，則提高了17％。
在單獨的開發(fā)中，Sony和Prophesee開發(fā)了基于事件的視覺傳感器。這些傳感器面向機器視覺應(yīng)用，可在各種環(huán)境中檢測快速移動的物體。
2、像素縮放競賽
幾年前，CMOS圖像傳感器供應(yīng)商開始了所謂的像素縮放競賽。
像素縮放競賽指在給定時間段內(nèi)減小每一代的像素間距，像素間距描述了設(shè)備中每個像素之間的距離，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。
圖像傳感器本身是一個復(fù)雜的芯片。頂層稱為微透鏡陣列，下一層是基于馬賽克綠色，紅色和藍(lán)色陣列的濾色器，再下一層是有源像素陣列，它由稱為光電二極管的光捕獲組件以及其他電路組成。
CMOS圖像傳感器的框圖。資料來源：OmniVision
有源像素陣列細(xì)分為微小的單個感光像素，像素由光電二極管，晶體管和其他組件組成，像素大小以μm為單位。
像素尺寸較大的圖像傳感器會收集更多的光，這意味著信號更強。較大的圖像傳感器會占用電路板空間。像素較小的圖像傳感器收集的光較少，但是您可以將更多的傳感器封裝在芯片上。反過來，這提高了分辨率。
目前，有幾種方法可以在晶圓廠中制造圖像傳感器。
方法一是形成像素陣列。流程從在基板上進行正面處理開始，晶片被粘結(jié)到載體或處理晶片；然后，頂部經(jīng)過注入步驟，再進行退火工藝；最后，頂部涂有抗反射涂層，彩色膠卷和微透鏡被顯影。
方法二是先對硅基板的表面進行注入步驟，在頂部形成擴散阱和金屬化疊層后，結(jié)構(gòu)被翻轉(zhuǎn)，溝槽刻在背面，襯層沉積在溝槽的側(cè)壁上，并填充有介電材料，最后，濾光器和微透鏡在頂部制造。
幾年前，圖像傳感器的像素間距為7μm，而發(fā)展到2020年，索尼已經(jīng)突破了0.7μm。在這場像素競賽中，廠商們經(jīng)歷了多次技術(shù)的變革。
①、高速發(fā)展的FSI時代
直到2009年，主流CMOS圖像傳感器都基于前照式（FSI）像素陣列架構(gòu)。在操作中，光線會照射到設(shè)備的正面，然后微透鏡收集光并將其傳輸?shù)讲噬珵V光片，光再穿過互連的堆疊并被二極管捕獲。最后，電荷在每個像素處轉(zhuǎn)換為電壓，然后信號被多路復(fù)用。
多年來，F(xiàn)SI體系結(jié)構(gòu)使供應(yīng)商在短時間內(nèi)得到了快速發(fā)展。例如，據(jù)TechInsights稱，F(xiàn)SI體系結(jié)構(gòu)使供應(yīng)商的間距從2006年的2.2μm減少到2007年的1.75μm，但到2008年時，像素縮放卡在了1.4μm的瓶頸上。
②、BSI繼續(xù)加速啟動像素縮放
因此，從2009年左右開始，供應(yīng)商開始使用一種新的架構(gòu)——背面照明（BSI）。BSI體系結(jié)構(gòu)將圖像傳感器顛倒了，光從硅襯底的背面進入。因為光子到光電二極管的路徑更短，從而提高了量子效率。
FSI與BSI。資料來源：Omnivision
在像素縮放方面，BSI傳感器技術(shù)可在1.2μm至1.4μm的范圍內(nèi)實現(xiàn)最佳像素尺寸，而堆疊式BSI可使具有此類像素尺寸的傳感器的占位面積保持在30mm2以下。因此 ，可以使用四像素架構(gòu)啟用亞微米尺寸的像素，從而實現(xiàn)超過48MP的分辨率。
但在BSI中還有需要注意的問題，比如，在像素縮放中，光電二極管（關(guān)鍵的光捕獲組件）在圖像傳感器內(nèi)縮小，從而降低了效率，而且二極管靠得更近，容易產(chǎn)生串?dāng)_問題。
因此，在2010年左右達到1.4μm時，該行業(yè)轉(zhuǎn)向了晶圓廠的另一項創(chuàng)新——深溝槽隔離（DTI）。在DTI中，目標(biāo)是使光電二極管更高，從而增加單位面積的容量。為了在工廠中啟用DTI，供應(yīng)商采用了BSI架構(gòu)，并通過各種工藝步驟使光電二極管更高。更高的二極管還需要在結(jié)構(gòu)周圍增加硅的厚度。
不過，相比之前，此時像素縮放速度明顯變慢。據(jù)TechInsights稱，供應(yīng)商需要三年的時間才能從1.4μm（2008）升級到1.12μm（2011），四年達到1μm（2015），再過三年達到0.9μm（2018）。
TechInsights分析師Ray Fontaine在最近的博客中說：“總而言之，我們相信DTI和相關(guān)鈍化方案的發(fā)展是導(dǎo)致1.12μm像素延遲到0.9μm像素延遲引入的主要原因。”
③、創(chuàng)新技術(shù)恢復(fù)像素縮放競賽
最近，這些問題終于得到了解決，像素縮放競賽恢復(fù)。
在2018年，三星突破了1μm的壁壘，達到0.9μm，其次是Sony在2019年達到0.8μm，在2020年突破了0.7μm。
對于亞微米級的像素縮放，行業(yè)需要更多的創(chuàng)新。Fontaine在最近的演講中說：“隨著像素的縮小，需要更厚的有源（硅）來維持合適的光電二極管尺寸?！薄案竦挠性矗ü瑁┑年P(guān)鍵技術(shù)推動因素是DTI和相關(guān)的高k缺陷鈍化膜?！?
用高k膜制作圖像傳感器遵循傳統(tǒng)流程，但不同之處在于，高k膜沉積在DTI溝槽的襯里上方。
對于高k和其他工藝，供應(yīng)商在fab中采用兩種不同的方法，分別是前DTI（F-DTI）和后DTI（B-DTI）。F-DTI使用多晶硅間隙填充，并且多晶硅可以具有電壓偏置以改善表面釘扎。F-DTI還可以進行更多熱處理，以減少蝕刻損傷泄漏。而 B-DTI使用帶負(fù)電荷的高k膜來積累電荷，并將費米能級固定在表面，然后抑制暗電流泄漏。高k膜工藝是原子層沉積（ALD），B-DTI通常使用氧化物間隙填充，但也嘗試了一些金屬填充甚至空氣間隙，并已用于批量生產(chǎn)。
接下來，像素縮放會繼續(xù)嗎？
像素縮放可能會持續(xù)超過0.7μm。隨著像素縮小到0.7μm以上，許多方面都需要進行優(yōu)化。
一方面是B-DTI，用于深二極管的高能注入，用于彩色和微透鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)收縮等關(guān)鍵項目仍將是發(fā)展重點。定義像素內(nèi)晶體管和互連的更基本的設(shè)計規(guī)則需要更新。
另一個方面是移動傳感器的像素間距正在接近光的波長。例如，如今研發(fā)中使用的是0.6μm像素間距，它小于0.65μm（650nm）的紅光波長。但問題在于，在接近極限的情況下，有沒有必要縮小到亞波長。
其實將像素大小縮小到亞波長并不意味著在像素級別上能獲得更多有價值的空間分辨率信息。1.0微米像素的光學(xué)結(jié)構(gòu)使用許多亞波長特征，例如，通過光導(dǎo)，用于抑制串?dāng)_的狹窄金屬網(wǎng)格和用于量子效率的狹窄介電壁正在得到改善。這種納米級的光學(xué)工程已經(jīng)存在于當(dāng)前的像素中，并且已經(jīng)使用了很多年，因此，轉(zhuǎn)移到亞波長并不是一場革命。
所以，持續(xù)縮小的局限性可能來自用戶利益而非技術(shù)。如今，應(yīng)用程序在縮小像素尺寸方面不斷發(fā)現(xiàn)最終用戶的價值，因此這正在推動趨勢。只要這種情況持續(xù)下去，CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展就會支持這一方向。
3、創(chuàng)新：堆疊和互連
除了像素縮放以外，CMOS圖像傳感器還正在進行其他創(chuàng)新，例如管芯堆疊。供應(yīng)商還使用不同的互連技術(shù)，例如硅通孔（TSV），混合鍵合以及像素到像素。
多年來，包括像素陣列和邏輯電路在內(nèi)的圖像傳感器都在同一個芯片上。重大變化發(fā)生在2012年，當(dāng)時索尼推出了兩片式堆疊式圖像傳感器。
芯片堆疊使供應(yīng)商能夠?qū)鞲衅骱吞幚砉δ懿鸱值讲煌男酒?，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，索尼基于90nm工藝開發(fā)了一個像素陣列芯片，該芯片堆疊在一個單獨的65nm圖像信號處理器（ISP）芯片上，提供處理功能，并將兩個管芯連接起來。
最終，其他人轉(zhuǎn)向了類似的芯片堆疊方法。通常，頂部像素陣列裸片基于成熟節(jié)點，底部ISP芯片的工藝范圍為65nm，40nm和28nm。而14nm finFET技術(shù)則正在研發(fā)中。
同時，三星和索尼在2018年開發(fā)了三層設(shè)備。例如，在索尼的CMOS圖像傳感器產(chǎn)品線的一種版本中，DRAM單元夾在圖像傳感器和邏輯管芯之間。嵌入式DRAM可實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)讀取。
除了管芯堆疊之外，供應(yīng)商還開發(fā)了不同的互連方案，該方案將一個管芯連接到另一個管芯。最初，OmniVision，Samsung和Sony使用了TSV，它們是類似于通孔的微小電氣互連。
2016年，索尼轉(zhuǎn)向了一種稱為銅混合鍵合的互連技術(shù)。三星仍處于TSV陣營中，而OmniVision則同時進行TSV和混合綁定。
在混合鍵合中，使用銅-銅互連線連接管芯。為此，在晶圓廠中處理兩個晶圓。一個是邏輯晶片，另一個是像素陣列晶片。使用介電鍵合將兩個晶片接合在一起，然后進行金屬對金屬的連接。
TSV和混合鍵合均可實現(xiàn)小間距。對于CMOS圖像傳感器像素和邏輯晶圓的堆疊來說，BSI，TSV集成和混合鍵合可能會繼續(xù)共存，但是隨著多層BSI傳感器變得越來越普遍，TSV集成將變得越來越重要。
此外，將來，與CMOS圖像傳感器中的芯片堆疊有關(guān)的還有兩個趨勢。一是節(jié)距的進一步縮小，以實現(xiàn)更高的芯片間互連密度。二是增加部署三個或更多設(shè)備的部署。
下一件大事則是像素到像素的互連。Xperi正在開發(fā)一種稱為“ 3D混合BSI”的技術(shù)，用于像素級集成，索尼和OmniVision都已經(jīng)證明了這項技術(shù)。
Xperi產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)Abul Nuruzzaman說：“它可以實現(xiàn)更多的互連。”“它允許傳感器的每個像素與相關(guān)的A / D轉(zhuǎn)換器之間進行像素級互連。這允許對所有像素進行并行A / D轉(zhuǎn)換。該連接提供了堆疊像素和邏輯層之間的高密度電互連，從而允許實現(xiàn)與有效百萬像素數(shù)量一樣多的A / D轉(zhuǎn)換器?；旌辖壎ㄟ€可以用于將具有專用內(nèi)存的內(nèi)存堆疊到每個像素?！?
該架構(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說：“它使具有比例縮放像素的全局快門能夠用于各種定時關(guān)鍵應(yīng)用（例如自動駕駛汽車，醫(yī)學(xué)成像和高端攝影）進行實時，高分辨率成像。”
結(jié)論：
顯然，CMOS圖像傳感器市場是動態(tài)的。但是在COVID-19爆發(fā)期間，2020年對于廠商來說將是艱難的一年。
盡管如此，市場上仍存在著創(chuàng)新浪潮。IC Insights的Lineback表示：“嵌入式CMOS圖像傳感器和攝像頭在提高安全性，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的更多系統(tǒng)中的應(yīng)用正在增加?！?
作者：Mark LaPedus
