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堆叠式CMOS图像传感器的未来展望

半导体行业观察 ·2022-01-31 09:27·半导体行业观察
阅读:4365

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自索尼 ,谢谢。


索尼员工Taku Umebayashi在 2020 年春季荣誉勋章颁奖典礼上被授予紫绶带勋章。紫绶勋章旨在表彰在科技领域、学术、体育、艺术和文化领域的发明和发现方面取得杰出成就的有影响力的人物。该奖章授Umebayashi 先生,以表彰他在开发堆叠式多功能 CMOS 图像传感器方面取得的成就。 他的研发成果已于2016年获得国家发明表彰的总理奖,并获得日本发明与创新研究所(“JIII”)的推荐。

下面提供了对堆叠式多功能 CMOS 图像传感器和支持它们的索尼著名发明的说明。

1. 关于堆叠式 CMOS 图像传感器


CMOS图像传感器,也称为“电子眼”,是一种将光转化为电子信息的半导体核心部件。它们通常以其在智能手机摄像头中的应用而闻名,但也被广泛用作各个领域的关键组件,例如安全摄像头、车辆自动驾驶、工厂自动化等工业应用和医疗应用。如此广泛的用途也需要各种各样的功能。在传统的CMOS图像传感器中,执行光电转换的像素部分和信号处理电路部分形成在同一硅基板上,因此不可能同时增加多功能化的电路尺寸和小型化结构。


为了克服这些技术挑战,采用了一种新的方法,将像素部分和信号处理电路部分分别形成在两个独立的硅基板上,并且将两个硅基板高精度对准和键合,并在多个点进行电连接(日本专利号 5773379 Taku Umebayashi, Hiroshi Takahashi, Reijiro Shoji)。其结果是,在像素部分正下方确保了宽广的信号处理区域,同时实现了小型化和多功能化,而不会损害背照式 CMOS 图像传感器已经拥有的高质量性能。“一层”硅半导体器件改为“二层”。该技术作为堆叠式多功能 CMOS 图像传感器在世界上首次实现量产和商业化。

近年来的智能手机相机可以支持各种成像场景,不仅在图像质量方面,而且在功能和可操作性方面都得到了显着提高。可以毫不夸张地说,堆叠式 CMOS 图像传感器极大地促进了这些应用的发展。


2. 索尼支持堆叠式 CMOS 图像传感器的发展


  • 堆叠式 CMOS 图像传感器中采用的 Cu-Cu 连接


索尼已经开发了涉及与形成在像素芯片和逻辑电路芯片的分层表面上的铜焊盘直接连接的技术(例如上述相同的专利)。由于这将不需要贯穿像素芯片的电连接部分,因此可以去除连接区域,因此可以以高生产率使图像传感器更小。该技术在引脚布局和高密度方面提供更大的自由度,将有助于未来具有更广泛和更高功能的堆叠式CMOS图像传感器的发展。


  • 适合与逻辑电路芯片堆叠的背照式 CMOS 图像传感器


背照式结构最大限度地减少了不同光学角度导致的灵敏度下降,同时也增加了进入每个像素的光量,因为没有障碍物,例如已经移动到硅的另一侧的金属布线和晶体管基质。然而,与传统的前照式结构相比,背照式结构的器件结构和制造工艺通常会产生噪声、暗电流、像素缺陷或混色等问题,从而导致图像质量下降和导致信噪比下降。

为了克服这个问题,索尼开发了一种独特的光电二极管结构(例如日本专利号 3759435 Ryoji Suzuki、Keiji Mabuchi、Tomonori Mori),通过减少噪声、暗电流和缺陷像素来实现更高的灵敏度和更低的随机噪声。此外,索尼的高精度校准等先进技术解决了混色问题。


  • 用于背照式 CMOS 图像传感器的固定光电二极管


索尼发明图像传感器的历史可以追溯到 CCD 时代。最重要的是,Pinned Photodiode 是一项有助于提高背照式 CMOS 图像传感器性能的技术,其发明和产品开发历史如下。

1975 年,索尼发明了一种采用背照式 N+NP+N 结型和 N+NP+NP 结型固定光电二极管 (PPD) 的 CCD 图像传感器(日本专利申请号 1975-127646、1975-127647 Yoshiaki Hagiwara )。同年,受这种结构的启发,索尼发明了一种具有 VOD(垂直溢漏)功能的 PNP 结型 PPD(日本专利第 1215101 号萩原义明)。之后,索尼成功制作了采用 PNP 结型 PPD 技术的帧传输 CCD 图像传感器的原理原型,首次通过离子注入技术在光接收部分附近形成了高杂质浓度 P+ 沟道停止区。世界时间,其技术论文发表在学术会议 SSDM 1978 (Y. Hagiwara, M. Abe, and C. Okada, "

三、未来展望


堆叠式 CMOS 图像传感器使得为 CMOS 图像传感器本身添加全新功能成为可能,并为图像传感器市场的急剧扩张做出了贡献。因此,它促进了国内对图像传感器量产设备的投资,并为日本半导体产业注入了活力。

在即将到来的 IoT 和 AI 技术时代,堆叠式多功能 CMOS 图像传感器将作为支持新时代的成像设备平台发挥重要作用,许多搭载该技术的产品有望让我们的生活更加丰富方便,为社会基础设施的发展和完善作出巨大贡献。


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