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(xiang)(xiang)素(su)的(de)(de)下(xia)一(yi)階段。總部位于(yu)圣克拉(la)拉(la)的(de)(de)Omnivision和(he)韓(han)國三星都聲(sheng)稱，其新產品的(de)(de)像(xiang)(xiang)素(su)間距(ju)僅為(wei) 0.56 微米（從一(yi)個(ge)像(xiang)(xiang)素(su)的(de)(de)中心到下(xia)一(yi)個(ge)像(xiang)(xiang)素(su)的(de)(de)中心測量），大約與綠光的(de)(de)波長一(yi)樣大。
三星目前(qian)生產0.64 微米(mi)(mi)像(xiang)素的圖像(xiang)芯片，Omnivision 在 1 月份發布了(le)0.61 微米(mi)(mi)傳感(gan)器(qi)。Omnivision 表(biao)示(shi)，新的 0.56 微米(mi)(mi)間距(ju)的 2億像(xiang)素分辨率圖像(xiang)傳感(gan)器(qi)將于今年晚些(xie)時候(hou)向(xiang)客戶提供，預計2023 年消費者(zhe)可以在他們(men)的智(zhi)能手機中找(zhao)到它們(men)。三星沒有透露其傳感(gan)器(qi)何時出(chu)現，在 2 月份的IEEE 國際固(gu)態電(dian)路(lu)會議(ISSCC) 上，他們(men)還描述了(le)這項創新。
光(guang)通(tong)過微透鏡進入 CMOS 成像器(qi)像素，然后通(tong)過濾色(se)器(qi)，然后照射到硅光(guang)電(dian)二極管。在(zai)光(guang)電(dian)二極管中，光(guang)導致電(dian)荷積累，然后由單獨的電(dian)路感測(ce)并數字化電(dian)荷量。使所(suo)有這些變小會導致許多潛在(zai)的問題(ti)。
例如，小像(xiang)素(su)(su)更容(rong)易受到串(chuan)擾的(de)(de)(de)(de)影響，其(qi)中與像(xiang)素(su)(su)呈微小角度進入(ru)的(de)(de)(de)(de)光線會通過(guo)(guo)其(qi)相鄰像(xiang)素(su)(su)，從而降低對比度。因此，工程師(shi)必須構(gou)建(jian)能夠阻止這種串(chuan)擾的(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)。兩家公(gong)司都依靠稱(cheng)為深溝槽(cao)隔(ge)離的(de)(de)(de)(de)技術(shu)來實現這一點(dian)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)，每個(ge)像(xiang)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)硅(gui)(gui)與其(qi)相鄰的(de)(de)(de)(de)硅(gui)(gui)通過(guo)(guo)一道一直向下穿過(guo)(guo)硅(gui)(gui)的(de)(de)(de)(de)屏障隔(ge)開。在(zai)像(xiang)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)頂部，光線進入(ru)的(de)(de)(de)(de)地(di)方，他們在(zai)硅(gui)(gui)和像(xiang)素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)集成(cheng)微透鏡之(zhi)間使(shi)用了一個(ge)相對較短的(de)(de)(de)(de)電(dian)介質(zhi)“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 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(wei)了(le)加強對(dui)雜散(san)光(guang)的(de)(de)屏(ping)障，三星(xing)對(dui)柵欄進行(xing)了(le)修(xiu)改。考慮到較低(di)(di)折射率(lv)的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)可以更好地阻(zu)擋(dang)光(guang)線，三星(xing)走到了(le)極端——氣(qi)隙。三星(xing)的(de)(de) Sungbong Park 告訴 ISSCC 的(de)(de)工(gong)程師，Air 在與 CMOS 制造工(gong)藝(yi)(yi)兼容的(de)(de)所有材(cai)料(liao)(liao)中具有最低(di)(di)的(de)(de)折射率(lv)。通過沉(chen)積和蝕刻工(gong)藝(yi)(yi)，三星(xing)工(gong)程師在柵欄內制造了(le)一(yi)個空氣(qi)腔，將(jiang)串擾降低(di)(di)了(le) 1.2%，并將(jiang)量子(zi)效率(lv)（光(guang)子(zi)轉化為(wei)電子(zi)的(de)(de)比率(lv)）提高了(le) 7%。
簡單地按比例(li)縮小像(xiang)素(su)的另一(yi)個(ge)問題是(shi)，您可以(yi)在(zai)它們飽和(he)之前存(cun)儲(chu)更少(shao)的電荷，從而限制像(xiang)素(su)的動(dong)態范圍。（動(dong)態范圍是(shi)在(zai)低光和(he)高光下感知的能力。）Park 說(shuo)，三(san)星的 0.64 微米(mi)設備(bei)可以(yi)容納相當(dang)于 6000 個(ge)電子。在(zai)不改變任何東西的情況(kuang)下將該區域縮小到(dao) 0.56 微米(mi)，你只剩下 3400 個(ge)。三(san)星通過縮小隔離墻和(he)調(diao)整光電二極(ji)管中摻(chan)雜元(yuan)素(su)的分布來(lai)增加體積(ji)，使容量(liang)恢(hui)復(fu)到(dao) 6000 個(ge)電子。
除了縮小深溝隔離屏障之(zhi)外，三星(xing)還改變了其組成。工程師用具(ju)有更高(gao)介電(dian)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(hao)地防止電(dian)流(liu)流(liu)動。
兩家公(gong)司還使用芯(xin)片堆疊為(wei)像(xiang)素(su)騰出更多空間。為(wei)了被數(shu)字(zi)處理器解釋，每個像(xiang)素(su)的(de)值必須首先被數(shu)字(zi)化。曾經，這意味(wei)著(zhu)像(xiang)素(su)的(de)光(guang)電探(tan)測部分旁邊都(dou)有模數(shu)轉換器電路。但如(ru)今，這些電路建(jian)立在一個單獨的(de)芯(xin)片上，該芯(xin)片與光(guang)電探(tan)測器芯(xin)片相連，為(wei)更多像(xiang)素(su)留出了空間。然三星擁有自(zi)己的(de)圖像(xiang)芯(xin)片工廠，但 Ominivision 的(de)電路芯(xin)片和光(guang)電探(tan)測器芯(xin)片都(dou)依賴臺積電。
Park 向工程師(shi)保證，未來會(hui)(hui)有更小的像素。縮小像素“并不容易，但我們會(hui)(hui)像往常一樣找到一種方(fang)法，”他說。
豪(hao)威方面也(ye)表(biao)示，公(gong)司在實現 0.56μm 超小像(xiang)(xiang)素尺寸的(de)(de)同(tong)時(shi)，還提供(gong)高(gao)量(liang)子效(xiao)率(lv) (QE) 性(xing)能、優異的(de)(de)四(si)相位檢(jian)測(ce) (QPD) 自動(dong)對焦技(ji)術(shu)和低功耗。這項超小像(xiang)(xiang)素技(ji)術(shu)將會滿(man)足多攝(she)像(xiang)(xiang)頭移動(dong)設備對高(gao)分辨率(lv)和小像(xiang)(xiang)素間距圖像(xiang)(xiang)傳(chuan)感器日(ri)益(yi)增長的(de)(de)需求。
豪威集團(tuan)的研發(fa)團(tuan)隊(dui)證(zheng)實(shi)(shi)，在(zai)像(xiang)素尺(chi)寸已經(jing)小(xiao)于紅光(guang)(guang)(guang)(guang)波長的情況下，像(xiang)素壓縮不再受光(guang)(guang)(guang)(guang)波長限制。該像(xiang)素尺(chi)寸基于豪威集團(tuan)的 PureCel? Plus-S 堆(dui)疊技術，同(tong)時采用了深光(guang)(guang)(guang)(guang)電二極管技術將光(guang)(guang)(guang)(guang)電二極管精確地嵌(qian)入硅片深處。憑借這些先進的技術，豪威集團(tuan)開發(fa)出了超小(xiao)像(xiang)素尺(chi)寸，在(zai)相同(tong)的光(guang)(guang)(guang)(guang)學格式下可(ke)以實(shi)(shi)現更(geng)高(gao)的分辨(bian)率，并進一步使圖像(xiang)傳感器具有(you)更(geng)多 ISP 功(gong)能(neng)、更(geng)低(di)的功(gong)耗和更(geng)高(gao)的讀取(qu)速度。
豪威(wei)集團流(liu)程(cheng)工(gong)程(cheng)高(gao)(gao)級副總裁 Lindsay Grant 說道：“推(tui)進像素(su)技術離不開大量的(de)研發創新，尤其是在超越光波長的(de)情況下。雖(sui)然芯片(pian)尺寸更小了(le)，但(dan)是我們并沒有犧牲高(gao)(gao)性能。實際上，在可見光范圍(wei)內，0.56μm 像素(su)尺寸展示出了(le)與 0.61μm 像素(su)尺寸相當的(de) QPD 和 QE 性能。”
Grant 補(bu)充說(shuo)：“豪威集(ji)團大力投資研(yan)發(fa)，幾乎半數員工都是研(yan)發(fa)工程師。作(zuo)為一家全球無晶圓廠(chang)(chang)半導體提供商(shang)，我們(men)還(huan)與(yu)代工廠(chang)(chang)合作(zuo)伙伴(ban)開(kai)發(fa)新工藝技術方法，實(shi)現業(ye)界領(ling)先創新。這(zhe)是一個引(yin)人注目(mu)的成就，我們(men)優秀(xiu)的研(yan)發(fa)團隊以及我們(men)的代工廠(chang)(chang)合作(zuo)伙伴(ban)能夠持續引(yin)領(ling)像(xiang)素壓(ya)縮，我對他們(men)表(biao)示(shi)贊(zan)賞。”
