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(jī)和其他產(chǎn)品中提供相機(jī)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(jī)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(jī)。例如，三星的新型5G智能手機(jī)由五個(gè)攝像頭組成，包括一個(gè)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(gè)像素的中心到另一個(gè)像素的中心的距離，以μm為單位。雖然并非所有手機(jī)都配備有最先進(jìn)的圖像傳感器，但是很明顯，消費(fèi)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(jī)的需求也在增長。這種趨勢下，加上對更高像素?cái)?shù)和更高分辨率的需求，推動(dòng)了CMOS圖像傳感器的繁榮。除了這些趨勢外，手機(jī)ID / NIR光譜中的生物識(shí)別ID，3D傳感和增強(qiáng)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(tuán)隊(duì)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(jī)中較大的像素大小，并引入較小像素的最佳改進(jìn)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(jī)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(dòng)像素縮放。

模具堆疊和互連：將不同的功能放在兩個(gè)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(dòng)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(dòng)的設(shè)備，存在于數(shù)碼相機(jī)和各種高端產(chǎn)品中。CMOS圖像傳感器（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）則有所不同，它的每個(gè)像素都有一個(gè)光電二極管和一個(gè)CMOS晶體管開關(guān)，從而可以分別放大像素信號(hào)。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(dòng)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(dòng)對焦功能，可提高自動(dòng)對焦精度。輸出格式包括64MP，每秒15幀（fps）。

供應(yīng)商分為兩個(gè)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(dá)到184億美元，比2018年增長30％。“在2020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(jī)中手機(jī)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(jì)將放緩并增長7％。最大的推動(dòng)力是智能手機(jī)。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2018年，每部手機(jī)有2.5個(gè)攝像頭。“在2019年，每個(gè)智能手機(jī)的攝像機(jī)數(shù)量已躍升至2.8個(gè)。我們看到，到2020年，每部智能手機(jī)將配備三臺(tái)攝像機(jī)。” Yole光電與傳感部門主管Guillaume Girardin說。

每個(gè)手機(jī)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(shí)，三星的5G手機(jī)具有五個(gè)攝像頭，包括四個(gè)后置攝像頭和一個(gè)前置攝像頭。一臺(tái)相機(jī)配有飛行時(shí)間傳感器，用于手勢和3D對象識(shí)別。

高分辨率相機(jī)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(shí)，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(jī)不會(huì)取代專業(yè)數(shù)碼單反相機(jī)。但顯然，智能手機(jī)提供了比以往更多的功能。Veeco產(chǎn)品營銷高級(jí)經(jīng)理Ronald Arif表示：“人們一定會(huì)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(shí)時(shí)AR / VR / MR游戲。”“最新的5G手機(jī)中的攝像頭已經(jīng)變得更加先進(jìn)。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(dòng)對焦到3D映射的任何地方。可以想象將具有深度映射功能和5G的高級(jí)相機(jī)組合在一起。這可能會(huì)打開豐富的新應(yīng)用程序，例如游戲，實(shí)時(shí)流媒體，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和視頻會(huì)議。”

在其他創(chuàng)新中，供應(yīng)商正在運(yùn)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(jì)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(dú)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(jī)器視覺應(yīng)用，可在各種環(huán)境中檢測快速移動(dòng)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(huì)收集更多的光，這意味著信號(hào)更強(qiáng)。較大的圖像傳感器會(huì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行注入步驟，在頂部形成擴(kuò)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(shí)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(huì)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(gè)像素處轉(zhuǎn)換為電壓，然后信號(hào)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(shí)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(shí)，像素縮放卡在了1.4μm的瓶頸上。

②、BSI繼續(xù)加速啟動(dòng)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(jìn)入。因?yàn)楣庾拥焦怆姸O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(shí)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(shí)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(dá)到1.4μm時(shí)，該行業(yè)轉(zhuǎn)向了晶圓廠的另一項(xiàng)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(shí)像素縮放速度明顯變慢。據(jù)TechInsights稱，供應(yīng)商需要三年的時(shí)間才能從1.4μm（2008）升級(jí)到1.12μm（2011），四年達(dá)到1μm（2015），再過三年達(dá)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(dá)到0.9μm，其次是Sony在2019年達(dá)到0.8μm，在2020年突破了0.7μm。

對于亞微米級(jí)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。”“更厚的有源（硅）的關(guān)鍵技術(shù)推動(dòng)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(jìn)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(fèi)米能級(jí)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(huì)繼續(xù)嗎？

像素縮放可能會(huì)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(jìn)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(xiàng)目仍將是發(fā)展重點(diǎn)。定義像素內(nèi)晶體管和互連的更基本的設(shè)計(jì)規(guī)則需要更新。

另一個(gè)方面是移動(dòng)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(shí)將像素大小縮小到亞波長并不意味著在像素級(jí)別上能獲得更多有價(jià)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(jí)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(jià)值，因此這正在推動(dòng)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(huì)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(jìn)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(gè)芯片上。重大變化發(fā)生在2012年，當(dāng)時(shí)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希@允許傳感器具有更多功能，同時(shí)還可以減小管芯尺寸。為此，索尼基于90nm工藝開發(fā)了一個(gè)像素陣列芯片，該芯片堆疊在一個(gè)單獨(dú)的65nm圖像信號(hào)處理器（ISP）芯片上，提供處理功能，并將兩個(gè)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(diǎn)，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(shí)，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(shí)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(gè)管芯連接到另一個(gè)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(shí)進(jìn)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(gè)晶圓。一個(gè)是邏輯晶片，另一個(gè)是像素陣列晶片。使用介電鍵合將兩個(gè)晶片接合在一起，然后進(jìn)行金屬對金屬的連接。

TSV和混合鍵合均可實(shí)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(huì)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(gè)趨勢。一是節(jié)距的進(jìn)一步縮小，以實(shí)現(xiàn)更高的芯片間互連密度。二是增加部署三個(gè)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(jí)集成，索尼和OmniVision都已經(jīng)證明了這項(xiàng)技術(shù)。

Xperi產(chǎn)品營銷高級(jí)總監(jiān)Abul Nuruzzaman說：“它可以實(shí)現(xiàn)更多的互連。”“它允許傳感器的每個(gè)像素與相關(guān)的A / D轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)行像素級(jí)互連。這允許對所有像素進(jìn)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(shí)現(xiàn)與有效百萬像素?cái)?shù)量一樣多的A / D轉(zhuǎn)換器。混合綁定還可以用于將具有專用內(nèi)存的內(nèi)存堆疊到每個(gè)像素。”

該架構(gòu)支持大規(guī)模并行信號(hào)傳輸，從而可以高速讀取和寫入圖像傳感器的所有像素?cái)?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(shí)關(guān)鍵應(yīng)用（例如自動(dòng)駕駛汽車，醫(yī)學(xué)成像和高端攝影）進(jìn)行實(shí)時(shí)，高分辨率成像。”

結(jié)論：

顯然，CMOS圖像傳感器市場是動(dòng)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(shí)別，物聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)駕駛汽車和無人機(jī)的更多系統(tǒng)中的應(yīng)用正在增加。”

作者：Mark LaPedus