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(de)下一(yi)(yi)階段。總部位于圣克拉拉的(de)Omnivision和韓國三星都聲稱，其新產品(pin)的(de)像素間距僅為 0.56 微米（從(cong)一(yi)(yi)個(ge)像素的(de)中心(xin)(xin)到(dao)下一(yi)(yi)個(ge)像素的(de)中心(xin)(xin)測量），大約與綠(lv)光的(de)波(bo)長(chang)一(yi)(yi)樣大。
三星(xing)(xing)目前(qian)生產0.64 微米(mi)像素的(de)圖像芯片，Omnivision 在 1 月份發布了0.61 微米(mi)傳感(gan)器(qi)。Omnivision 表示(shi)，新的(de) 0.56 微米(mi)間距的(de) 2億像素分辨率圖像傳感(gan)器(qi)將于今年晚些時候向客戶提供，預(yu)計2023 年消(xiao)費者可以在他(ta)們(men)的(de)智能手機中找到(dao)它(ta)們(men)。三星(xing)(xing)沒有透露其(qi)傳感(gan)器(qi)何時出現(xian)，在 2 月份的(de)IEEE 國際固態電路(lu)會議(ISSCC) 上，他(ta)們(men)還(huan)描(miao)述了這項創新。
光(guang)通過(guo)微(wei)透鏡進(jin)入 CMOS 成像(xiang)器(qi)(qi)像(xiang)素，然后通過(guo)濾色器(qi)(qi)，然后照射到硅光(guang)電(dian)(dian)二極管。在光(guang)電(dian)(dian)二極管中，光(guang)導(dao)致電(dian)(dian)荷(he)積累，然后由單獨的電(dian)(dian)路感測并數字化電(dian)(dian)荷(he)量。使所有這些變(bian)小會(hui)導(dao)致許多潛在的問題。
例如，小像(xiang)素(su)(su)(su)更容易受到串(chuan)擾的(de)(de)(de)(de)影響，其(qi)中與像(xiang)素(su)(su)(su)呈微小角度進(jin)入的(de)(de)(de)(de)光線會通過其(qi)相(xiang)鄰(lin)(lin)像(xiang)素(su)(su)(su)，從而降低(di)對比度。因此(ci)，工程師必(bi)須(xu)構建能夠阻止這(zhe)種串(chuan)擾的(de)(de)(de)(de)結構。兩(liang)家公司都依靠稱為深溝槽隔離(li)的(de)(de)(de)(de)技術來實現這(zhe)一(yi)點。也(ye)就是說(shuo)，每個像(xiang)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)硅與其(qi)相(xiang)鄰(lin)(lin)的(de)(de)(de)(de)硅通過一(yi)道一(yi)直(zhi)向(xiang)下穿過硅的(de)(de)(de)(de)屏障隔開。在像(xiang)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)頂部，光線進(jin)入的(de)(de)(de)(de)地方，他們在硅和(he)像(xiang)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)集成微透鏡(jing)之(zhi)間(jian)使用了一(yi)個相(xiang)對較短(duan)的(de)(de)(de)(de)電介質“柵欄(lan)”。
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 也有助于此。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(le)加(jia)強(qiang)對(dui)雜散(san)光(guang)的(de)屏障，三星對(dui)柵(zha)欄進行了(le)修改。考(kao)慮到較低折射率的(de)材(cai)料可(ke)以更好地阻擋(dang)光(guang)線，三星走到了(le)極端——氣隙。三星的(de) Sungbong Park 告訴 ISSCC 的(de)工程師，Air 在與(yu) CMOS 制造工藝兼(jian)容的(de)所(suo)有材(cai)料中具有最(zui)低的(de)折射率。通過沉積和蝕刻工藝，三星工程師在柵(zha)欄內制造了(le)一個空氣腔，將(jiang)串擾降低了(le) 1.2%，并將(jiang)量(liang)子效率（光(guang)子轉化為電(dian)子的(de)比(bi)率）提高了(le) 7%。
簡單地(di)按(an)比(bi)例(li)縮(suo)小(xiao)像(xiang)(xiang)素的(de)另一個(ge)問題(ti)是，您可以(yi)在(zai)(zai)(zai)它們飽和(he)之前存儲更少的(de)電(dian)荷，從而限制像(xiang)(xiang)素的(de)動(dong)態范(fan)圍(wei)。（動(dong)態范(fan)圍(wei)是在(zai)(zai)(zai)低(di)光(guang)和(he)高(gao)光(guang)下(xia)感(gan)知的(de)能力。）Park 說(shuo)，三星的(de) 0.64 微米設備可以(yi)容(rong)納相(xiang)當(dang)于(yu) 6000 個(ge)電(dian)子(zi)。在(zai)(zai)(zai)不改變任何東西的(de)情況下(xia)將(jiang)該區(qu)域縮(suo)小(xiao)到 0.56 微米，你(ni)只剩下(xia) 3400 個(ge)。三星通(tong)過縮(suo)小(xiao)隔(ge)離墻和(he)調整光(guang)電(dian)二極管(guan)中摻(chan)雜(za)元(yuan)素的(de)分(fen)布來增加體積，使容(rong)量恢復到 6000 個(ge)電(dian)子(zi)。
除了縮小(xiao)深溝隔離(li)屏障之(zhi)外，三星還改變了其(qi)組成(cheng)。工程師用(yong)具(ju)有(you)更高介電(dian)常(chang)數的(de)材料替換了一些絕(jue)緣材料，使(shi)其(qi)在沒有(you)光(guang)落在像素上時更好地(di)防止電(dian)流流動(dong)。
兩(liang)家公司還(huan)使(shi)用芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)堆疊(die)為像素騰出(chu)更多(duo)空(kong)間。為了被(bei)數(shu)字處(chu)理器解釋(shi)，每個像素的(de)值必須首先(xian)被(bei)數(shu)字化。曾經，這意味著像素的(de)光電(dian)(dian)(dian)(dian)探測部分旁邊(bian)都有模數(shu)轉換器電(dian)(dian)(dian)(dian)路。但如今(jin)，這些電(dian)(dian)(dian)(dian)路建立在一個單(dan)獨的(de)芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)上，該芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)與光電(dian)(dian)(dian)(dian)探測器芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)相連，為更多(duo)像素留出(chu)了空(kong)間。然三星(xing)擁(yong)有自己的(de)圖(tu)像芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)工廠，但 Ominivision 的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)路芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)和光電(dian)(dian)(dian)(dian)探測器芯(xin)(xin)(xin)片(pian)(pian)(pian)都依賴(lai)臺(tai)積電(dian)(dian)(dian)(dian)。
Park 向工程師保證，未來會(hui)有更小的(de)像素(su)(su)。縮小像素(su)(su)“并不容易，但(dan)我們會(hui)像往常一樣找到一種方法，”他說。
豪威(wei)方面也表示，公司在實現 0.56μm 超(chao)(chao)小(xiao)(xiao)像素尺寸的(de)同時(shi)，還(huan)提(ti)供高(gao)量(liang)子效(xiao)率(lv) (QE) 性能、優(you)異的(de)四(si)相位檢測 (QPD) 自動對焦(jiao)技術(shu)和低功耗(hao)。這項超(chao)(chao)小(xiao)(xiao)像素技術(shu)將會(hui)滿足多攝像頭移動設備(bei)對高(gao)分(fen)辨率(lv)和小(xiao)(xiao)像素間距圖像傳感器日益增(zeng)長(chang)的(de)需求。
豪威(wei)集(ji)團的(de)(de)研發(fa)團隊證實(shi)(shi)，在(zai)像(xiang)(xiang)素(su)尺(chi)寸(cun)已經小(xiao)于紅光(guang)波長(chang)的(de)(de)情況下(xia)(xia)，像(xiang)(xiang)素(su)壓縮(suo)不再受光(guang)波長(chang)限制。該像(xiang)(xiang)素(su)尺(chi)寸(cun)基(ji)于豪威(wei)集(ji)團的(de)(de) PureCel? Plus-S 堆疊技術，同(tong)時采用了深(shen)光(guang)電(dian)二極管技術將光(guang)電(dian)二極管精確(que)地嵌(qian)入硅(gui)片深(shen)處。憑借這些先進的(de)(de)技術，豪威(wei)集(ji)團開發(fa)出(chu)了超(chao)小(xiao)像(xiang)(xiang)素(su)尺(chi)寸(cun)，在(zai)相同(tong)的(de)(de)光(guang)學格式下(xia)(xia)可以(yi)實(shi)(shi)現更高(gao)的(de)(de)分辨率，并進一步使圖像(xiang)(xiang)傳感器具有更多(duo) ISP 功能、更低的(de)(de)功耗和更高(gao)的(de)(de)讀(du)取速度。
豪威(wei)集團流(liu)程(cheng)工程(cheng)高級副總裁 Lindsay Grant 說道：“推進像素(su)技術離不開大量的(de)研發(fa)創新，尤其(qi)是在超(chao)越光波長的(de)情況下。雖(sui)然芯(xin)片(pian)尺寸更小了(le)，但(dan)是我(wo)們并(bing)沒(mei)有犧牲高性(xing)能(neng)。實(shi)際上，在可見光范圍內，0.56μm 像素(su)尺寸展示出(chu)了(le)與 0.61μm 像素(su)尺寸相當的(de) QPD 和(he) QE 性(xing)能(neng)。”
Grant 補充說：“豪威集團大力(li)投資研(yan)發，幾乎半數員工(gong)(gong)都是研(yan)發工(gong)(gong)程師。作為一(yi)家全(quan)球無晶圓(yuan)廠半導體(ti)提(ti)供商，我(wo)們(men)還與代工(gong)(gong)廠合(he)作伙(huo)伴(ban)開(kai)發新(xin)工(gong)(gong)藝技術方法，實現業界領先創新(xin)。這是一(yi)個引人注(zhu)目的成就，我(wo)們(men)優(you)秀(xiu)的研(yan)發團隊(dui)以及我(wo)們(men)的代工(gong)(gong)廠合(he)作伙(huo)伴(ban)能夠持續引領像素壓縮，我(wo)對他(ta)們(men)表示贊(zan)賞。”
