半導體行業觀察 - 三星豪威宣布：最小像素的CMOS圖像傳感器－鑽石舞台

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自IEEE，謝謝

上個月，三星和豪威這兩家公司都表示，他們已經進入了縮小 CMOS 圖像芯片像素的下一階段。總部位於聖克拉拉的Omnivision和韓國三星都聲稱，其新產品的像素間距僅為 0.56 微米（從一個像素的中心到下一個像素的中心測量），大約與綠光的波長一樣大。

三星目前生產0.64 微米像素的圖像芯片，Omnivision 在 1 月份發布了0.61 微米傳感器。Omnivision 表示，新的 0.56 微米間距的 2億像素分辨率圖像傳感器將於今年晚些時候向客戶提供，預計2023 年消費者可以在他們的智能手機中找到它們。三星沒有透露其傳感器何時出現，在 2 月份的IEEE 國際固態電路會議(ISSCC) 上，他們還描述了這項創新。

光通過微透鏡進入 CMOS 成像器像素，然後通過濾色器，然後照射到硅光電二極管。在光電二極管中，光導致電荷積累，然後由單獨的電路感測並數字化電荷量。使所有這些變小會導致許多潛在的問題。

例如，小像素更容易受到串擾的影響，其中與像素呈微小角度進入的光線會通過其相鄰像素，從而降低對比度。因此，工程師必須構建能夠阻止這種串擾的結構。兩家公司都依靠稱為深溝槽隔離的技術來實現這一點。也就是說，每個像素的硅與其相鄰的硅通過一道一直向下穿過硅的屏障隔開。在像素的頂部，光線進入的地方，他們在硅和像素的集成微透鏡之間使用了一個相對較短的電介質「柵欄」。

深溝隔離結構 [長垂直塔] 可防止來自相鄰像素的光線進入。金屬柵欄 [頂部] 也有助於此。三星通過在每一個之間插入一個空氣間隙[亮白色]來提高圍欄的能力

為了加強對雜散光的屏障，三星對柵欄進行了修改。考慮到較低折射率的材料可以更好地阻擋光線，三星走到了極端——氣隙。三星的 Sungbong Park 告訴 ISSCC 的工程師，Air 在與 CMOS 製造工藝兼容的所有材料中具有最低的折射率。通過沉積和蝕刻工藝，三星工程師在柵欄內製造了一個空氣腔，將串擾降低了 1.2%，並將量子效率（光子轉化為電子的比率）提高了 7%。

簡單地按比例縮小像素的另一個問題是，您可以在它們飽和之前存儲更少的電荷，從而限制像素的動態範圍。（動態範圍是在低光和高光下感知的能力。）Park 說，三星的 0.64 微米設備可以容納相當於 6000 個電子。在不改變任何東西的情況下將該區域縮小到 0.56 微米，你只剩下 3400 個。三星通過縮小隔離牆和調整光電二極管中摻雜元素的分布來增加體積，使容量恢復到 6000 個電子。

除了縮小深溝隔離屏障之外，三星還改變了其組成。工程師用具有更高介電常數的材料替換了一些絕緣材料，使其在沒有光落在像素上時更好地防止電流流動。

兩家公司還使用芯片堆疊為像素騰出更多空間。為了被數字處理器解釋，每個像素的值必須首先被數字化。曾經，這意味着像素的光電探測部分旁邊都有模數轉換器電路。但如今，這些電路建立在一個單獨的芯片上，該芯片與光電探測器芯片相連，為更多像素留出了空間。然三星擁有自己的圖像芯片工廠，但 Ominivision 的電路芯片和光電探測器芯片都依賴台積電。

Park 向工程師保證，未來會有更小的像素。縮小像素「並不容易，但我們會像往常一樣找到一種方法，」他說。

豪威方面也表示，公司在實現 0.56μm 超小像素尺寸的同時，還提供高量子效率 (QE) 性能、優異的四相位檢測 (QPD) 自動對焦技術和低功耗。這項超小像素技術將會滿足多攝像頭移動設備對高分辨率和小像素間距圖像傳感器日益增長的需求。

豪威集團的研發團隊證實，在像素尺寸已經小於紅光波長的情況下，像素壓縮不再受光波長限制。該像素尺寸基於豪威集團的 PureCel® Plus-S 堆疊技術，同時採用了深光電二極管技術將光電二極管精確地嵌入硅片深處。憑藉這些先進的技術，豪威集團開發出了超小像素尺寸，在相同的光學格式下可以實現更高的分辨率，並進一步使圖像傳感器具有更多 ISP 功能、更低的功耗和更高的讀取速度。

豪威集團流程工程高級副總裁 Lindsay Grant 說道：「推進像素技術離不開大量的研發創新，尤其是在超越光波長的情況下。雖然芯片尺寸更小了，但是我們並沒有犧牲高性能。實際上，在可見光範圍內，0.56µm 像素尺寸展示出了與 0.61µm 像素尺寸相當的 QPD 和 QE 性能。」

Grant 補充說：「豪威集團大力投資研發，幾乎半數員工都是研發工程師。作為一家全球無晶圓廠半導體提供商，我們還與代工廠合作夥伴開發新工藝技術方法，實現業界領先創新。這是一個引人注目的成就，我們優秀的研發團隊以及我們的代工廠合作夥伴能夠持續引領像素壓縮，我對他們表示讚賞。」

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點讚同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。

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