CMOS图像传感器何去何从？

对移动成像来说，堆栈式、背照式图像传感器将继续主导市场。2020年近90%智能手机成像设备（图1）使用相关技术。随着片上图像处理成为提高性能的关键，预计它们在智能手机中的应用将继续超过单片背照式图像传感器。 

此外，堆栈式+背照式图像传感器有源阵列（ active array）增加了对die表面空间的需求，这个趋势是由提高分辨率的需求推动的，因为智能手机的图像在2020年就超过了1000万像素，并仍然呈上升趋势。图2显示了自2013年以来分析的堆叠芯片，可以看到用于感光的CIS面积占比越来越高，已经超过了80%。

Pixel footprint的持续小型化有助于获得更高分辨率。此外，随着像素间距的减小，需要增加硅厚度以保持良好的像素光响应。图 3 显示了硅厚度和厚度与像素间距之比的趋势，两者都随着像素尺寸的减小而增加。

我们在三星GW3上观察到最高的纵横比（图4（a））。据了解，这是一款6400万像素、0.7μm单像素尺寸的图像传感器，具有4.1μm有源外延厚度（active EPI thickness）和F-DTI（ Front-Deep Trench Isolation）。豪威科技的0.7μm OV64B（图4（b））具有部分 Back-DTI，观察到其EPI厚度为3.0μm。

像素尺寸的减小对保持PDAF（ Phase Detection Auto Focus ）像素的高输出信号提出了挑战。图5显示了智能手机图像传感器在分辨率和像素尺寸方面的PDAF方法。虽然Masked PDAF和双光电二极管（Dual Photodiode）仍然用于较低分辨率和较大像素尺寸的传感器，但随着像素尺寸降低到约1.0μm以下，OCL（On-Chip Lens）已成为PDAF的选择方法。

随着像素尺寸的减小， Masked pixels的 Fill-Factor也在减小，因此PDAF信号也随之减小。目前所能观察到的最小 的Masked pixels是来自三星于2019年发布的0.8μmGM1以及2020年发布的GD1（图6）。他们都是采用四像素合成技术的方式在你传感器上实现，并使用清晰通道来增强PDAF输出。

由于基于OCL的PDAF像素不会牺牲表面积，并且由于基于抗蚀剂（ resist-based）的工艺易于扩展，因此OCL-PDAF被用于生成较小的0.7μm传感器，并且随着0.6μm像素生成的实现，OCL-PDAF有望继续使用。
此外，随着自动对焦的进一步完善，传统的2x1 OCL结构现已演变为2x2 OCL结构，以促进X和y方向上的PDAF。图7显示了观察到的在使用中的不同2×2 OCL方法。最近在0.7μm、6400万像素的OV64B（图7（a））中观察到，豪威科技使用相当于2x2像素的大型OCL，而三星使用一对相邻的2x1 OCL来实现2x2效果，就像在去年推出的0.8μm、1.08亿像素的HM1和HM3以及0.7μm的PI中所观察到的那样。在最近像素间距为 0.7 μm（图 7 (b)）的HM2上 ，OCL-PDAF 通常用绿色通道（green channe）来替换红色和蓝色通道，以实现最大化的输出信号，其PDAF 单元密度为 32:1 或 36:1。

相比之下，索尼引入了全阵列2x2 OCL方法，其中微透镜（microlens）的像素大小是整个有源阵列的两倍。这最初是在2020年发布的，1.12 μm、4800万像素的传感器IMX689上看到的(图7(c))。，而最近也在IMX766和IMX789上观察到。由于全阵列自动对焦没有PDAF专用像素，因此所有像素都可用于图像采集。
如图8所示，由于像素内沟槽隔离（ in-pixel trench isolation），双光电二极管全阵列（Dual Photodiode full array）PDAF仍然是“大像素”PDAF方法。索尼在IMX700中发布了Octa-PD技术，这是一款1.22μm、5000万像素的Quad-Bayer CIS，它在所有彩色通道中的每个像素都有2个光电二极管。而三星在GN2中引入了一种改进的双光电二极管PDAF方法。这同样是一款1.40μm、5000万像素的传感器，具有倾斜的绿色通道（slanted green channel）in-pixel DTI，有助于X和X方向的PDAF。三星目前保持着在GN1中创造的1.2μm的最小像素尺寸双光电二极管PDAF方法的记录（图8（b））。

对于小像素尺寸的智能手机传感器，低光照条件下的高信号输出继续驱动Color Filter Array（CFA）mosaic和pixel-binning合并策略。图9显示了智能手机图像传感器CFA图案的分辨率和像素尺寸。2019年，索尼在IMX608中使用了4x4 分组方法。2020年，三星在1.08亿像素的传感器（HM1、HM2和HM3）中采用的是3x3像素分组方案，并将其命名为Nanocell。 

图10显示了智能手机图像传感器的mosaics中CFA间距与pixel-pitch的对比 ：拜耳、2x2、3x3和4x4）像素尺寸的关系。观察到最大CFA间距是4.48μm的IMX608，其次的是豪威科技2.8μm采用4cell技术的OV12D2Q以及三星采用四像素合成技术的GN2。从2020年的统计结果来看，智能手机图像传感器的CFA间距变化很大，数字介乎1.4μm和2.8μm之间。随着像素尺寸的进一步减小，3x3和4x4Mosaics.的利用率可能会增加。

随着堆栈式CIS/ISP Die逐渐成为主流，对更小的TSV/DBI互联的需求变得至关重要。这是为了减少芯片占用面积，但更重要的是为了促进像素级互联。图11显示了2014年至2021年间分析的所有堆栈式传感器的Cu-Cu混合键合的DBI间距趋势。在大多数情况下，外围的行/列互联仍然是现在的主流方案，观察到的行/列互联最小的TSV/DBI间距为3.1μm。

然而，到目前为止，仅有3款已经商用的图像传感器利用像素级互联进行分析，分别是来自苹果2020 iPad Pro上的索尼SPAD传感器（150 X 200）、索尼 SensSWIR IMX990/991 VGA传感器和豪威科技的OG01A1B（100万像素）。其中，豪威的OG01A1B的DBI互联间距最小，达到了2.2μm（图12（a）），索尼SPAD传感器的DBI间距测量值为5.0μm（图12（b））。

近年来，NIR（Near-Infrared）增强在安全监视、测距应用和机器视觉方面获得了很多关注。为了提高NIR范围内的量子效率，我们采取的一种有效方法就是增加CIS的活性硅厚度（active silicon thickness），使其超过用于主流移动应用的厚度。图13显示了背照式传感器的活性硅厚度趋势，突出了每个应用。NIR增强传感器的外延厚度一般在5.9-7.1μm，这与用于主流CIS的3.0-4.1μm的厚度数值形成对比。

改善QE的另一个重要方法是通过促进衍射进入EPI来减少入 incident IR的反向散射。我们观察到正在使用的包括浅槽/栅格和倒金字塔阵列（IPA：Inverted Pyramid Arrays）。索尼保持着最厚的CIS EPI（IPA）记录（6.2μm）和最小的像素尺寸（1.12μm）（IPA（2x2））。豪威科技从浅槽过渡到IPA，并在最新的传感器（8 MP OS08A20）上通过扩展IPA成功获得更高的分辨率。安森美半导体和思特威分别在ARX3A0和SC5035中演示了使用IPA（图14）。

背面结构的示例如图15所示，通过针对特定的成像波长进行了优化，可以看到IPA数量和深度的变化。对于三星来说，使用7.0μm I-TOF图像传感器时可以找到浅槽栅格。

2020年，我们看到了3D飞行时间（TOF）图像传感器的持续发展，见证了在iPad Pro和iPhone 12 Pro/Max的后置摄像头模块中首次使用D-TOF/LiDAR堆栈式+背照式传感器，即索尼SPAD传感器。
图16提供了从像素数、TOF方法和传感器配置方面分析TOF器件的趋势，看到来自索尼、三星和Gpixel为i-ToF继续推出VGA型传感器。反向照明的转变利用了使用850nm-940nm NIR波长QE。对于接近/手势控制，较小的像素数传感器继续占主导地位。
意法半导体最近推出了VL53L5，这是一款64通道前照式D-TOF SPAD传感器，具有多目标跟踪功能，适用于前置移动应用。随着对面部识别/生物识别技术的重视，可以预见，未来更高分辨率（可能是VGA级）的前置TOF可能会得到更多的采用。

从TOF的像素尺寸来看，图17显示，随着背照式传感器的发展趋势，小像素的使用将会越来越多。到目前为止，在微软 Azure Kinect上观察到了最小的像素尺寸和最高的分辨率，这是一款3.5μm、100万像素I-TOF传感器。

最后，我们来看看每个应用程序的像素复杂度。
图18显示了过去十年中每像素中有效晶体管数量（Teff）的变化趋势。用于移动应用的CIS通常具有共享像素，以便减少Teff。相比之下，I-TOF，特别是基于事件的图像传感器，通常利用具有较高晶体管数量的非共享像素，例如采用 4-Tap pixel以实现深度分辨率的32T三星I-TOF 33D和36T三星231YX动态视觉传感器。
目前，观察到晶体管数量最高的是最近分析的52T的索尼和普诺飞思基于事件的传感器。基于事件的传感器往往涉及到更多的像素复杂性，因为它们结合了传统CIS中不使用的像素级功能，例如测量信号强度的对数和像素内时间戳的使用。因此，基于事件的传感器将受益于芯片堆叠和像素级互联，可以在汽车、机器视觉以及其他应用中继续发展并得到更广泛的应用。

来源：半导体行业观察