图像传感器技术发展轨迹 - 过去五十年像素工艺复杂性持续增加 通过新材料和结构改进减少串扰、增强光学性能并支持附加功能 [2] - 产品开发过程伴随技术挑战 需满足市场需求如缩小像素尺寸降低成本并增加阵列尺寸 然后转向增加高动态范围等功能 [3] - 逆向工程目的为记录制造商技术开发并预测流程开发决策点 [3] 堆叠技术演进 - 发展轨迹从前照式单金属CCD到多金属CMOS 再到背照式CMOS改善光学响应 最后到面对面堆叠CMOS增加图像处理功能 [5] - 面对面堆叠技术最初通过硅通孔实现金属互连 正被混合键合技术取代 利用SiO表面形成交联增强强度 Cu表面提供电互连 [5][6] - 三层堆叠结构成为合理方向 可划分像素层优化光电二极管 或分离图像信号处理层 或添加存储层 [7] 晶圆间互连与像素技术 - 晶圆间互连间距在2020年前稳步下降 之后晶圆厂稳定间距 台积电在1.4µm间距最具竞争力 [9] - 智能手机图像传感器最佳尺寸为5000万像素 像素间距0.5µm至0.7µm 平面或垂直传输栅极选择及双路/三路高动态范围实现存在差异 [9] - 智能手机像素使用双栅极氧化层 源极跟随器较薄 控制场效应晶体管较厚 [12] 材料与结构创新 - 图像传感器作为集成电路和换能器 需要新颖结构和材料选择提供光电性能 包括背面结构减少暗信号并增强光学响应 [13] - AlO/ZrO层沉积在背面硅上抑制电荷产生 制造商在TaO和HfO之间选择下一层 [13] - 深沟槽隔离降低光损耗并防止像素间光载流子串扰 蚀刻深度10:1到40:1 填充薄共形材料层厚度10nm到100nm以上 材料包括SiO、多晶硅、W、AlO、TaO和TiN [17] 功能扩展与电容器技术 - 像素发展从缩小4T像素转向添加更多功能 改进电容器是增加高动态范围和全局快门的关键 [18] - 可用电容器包括MOS电容器、寄生FET电容器、交错电容器及连接相邻行元件形成的电容器 [18] - MIMcaps采用纳米电介质并放置于互连层 实现具有全局电压域的小像素 SmartSens采用堆叠式MIMcap STMicro将电容器形成在光电二极管层中深沟槽隔离外部或内部 [18] 新兴应用与创新 - 小像素间距晶圆间互连技术使SPAD传感器实现100%填充率 像素电路可放置在光电二极管后面 [20] - 高端MILC相机应用中 索尼将背面光导管与内置透镜结合创新 [23] - 增强现实眼动追踪需近红外成像 运用6.4µm光电二极管硅片、深沟槽隔离及背面倒金字塔阵列 受益于堆叠技术小尺寸 [25] - 首款多光谱智能手机相机采用3x3彩色滤光片阵列 每个阵列有一个彩色像素 无需使用彩色滤光片或微透镜创建 适用于可见光波长提供色彩校正信息 [25] - 短波红外成像需要创新实现商业应用 一种方法构建透明富勒烯n-p结 在硅读出集成电路上吸收PbS量子点 [26] 行业前景 - 持续工艺改进使图像传感器产品受益 使用像素级互连进行堆叠可实现多层堆叠机遇 [26] - 从驱动更小像素到制造具有附加功能像素的转变开辟可能性 图像传感器技术达到每像素成本惊人低廉水平 行业不再局限于单一主导产品 拥有广阔发展前景 [26]