智能手機中圖像傳感器的關鍵技術應用與挑戰

張宗杰，賀婉茹，陳振偉，李洪超

（東莞理工學院城市學院，廣東 東莞 523419）

隨著最近幾年智能手機的發展，它已經成為大部分消費者在日常拍照設備的首選[1]。智能手機的銷量以及多攝像頭的解決方案極大地帶動了CMOS圖像傳感器的銷量。CMOS圖像傳感器為智能手機提供了越來越高質量的拍攝效果，同時也受到智能手機整體系統的要求影響，衍生出了一些獨特的發展路線。目前，主流手機廠商在圖像傳感器選擇上出現了兩個不同的流派：一個流派是堅持優化12 MP攝像頭（以蘋果手機為代表），另一流派則將分辨率不斷提高至16 MP，20 MP，甚至到108 MP[2-3]。盡管如此，不同流派中圖像傳感器技術的像素發展以及關鍵技術是相似的，主要體現在堆疊式圖像傳感器，像素的小型化，以及自動對焦等技術的發展應用。

1.堆疊式圖像傳感器技術

目前大部分的智能手機后置攝像頭均使用了兩顆芯片疊加的方案，也稱堆疊式圖像傳感器。如圖1所示，堆疊式圖像傳感器是基于背照式圖像傳感器的進一步進化，它由背照式圖像傳感器陣列芯片與邏輯電路芯片相堆疊組成。堆疊式圖像傳感器芯片的優勢在于：在芯片制造過程中，感光陣列所在的芯片以及邏輯電路芯片可以單獨進行工藝優化。其邏輯芯片目前主要采用臺積電的40nm工藝（三星在使用28 High-k金屬柵或是65nm工藝）。另一個優勢是可以有效地縮小芯片的面積，從而減小模組大小，利于集成到智能手機中。目前主流智能手機所使用的堆疊式傳感器芯片面積取決于像素尺寸以及像素陣列的大小的影響，大概在20～50mm2，整體趨勢是增大像素陣列，減小像素尺寸和芯片面積。

圖1 前照式，背照式，與堆疊式圖像傳感器

堆疊式圖像傳感器涉及的關鍵技術之一是芯片間互連，即如何實現兩個獨立的芯片電氣連接。圖2所示的硅穿孔技術是目前最主流的技術，其技術特點是在像素陣列周圍，將像素陣列芯片完全刻蝕出一個孔洞，其孔洞穿過像素陣列芯片的硅和金屬布線層，最后停留在邏輯芯片的金屬布線層。在孔洞中淀積金屬從而實現芯片之間的互聯。目前TSV技術在圖像傳感器中的應用已經相當成熟，孔洞的直徑可以控制在3um以下。另一種互連技術則是索尼所主導的銅銅互連技術。與硅穿孔技術不同，銅銅互連并不需要將像素陣列芯片的硅完全刻蝕出一個孔洞，而是直接將兩個獨立芯片的金屬布線層的最頂層金屬裸露，直接在鍵合時實現電氣連接。銅銅互連的主要優勢在于電氣互連可以是像素級的，而不用局限在整個像素陣列的外圍。

圖2 TSV互連技術與銅銅互連

關于堆疊式圖像傳感器，三星和索尼于2018年都推出了三層堆疊圖像傳感器產品。相比于傳統的兩層堆疊式圖像傳感器，三層堆疊傳感器新增加了一個DRAM芯片層，數據可以直接存儲在DRAM芯片中，隨之而來的效果即是高幀率：索尼的三層堆疊圖像傳感器能夠實現960 fps的幀率。不過不同的廠商在三層堆疊的解決方案上選擇并不同，三星的三層堆疊依次是感光陣列芯片，圖像處理芯片和DRAM芯片，而索尼的三層堆疊則將DRAM芯片放在了感光陣列芯片和圖像處理芯片之間。需要注意的是，三層堆疊無法完全使用銅銅互連技術來實現三個芯片的電氣連接，需要至少在其中兩個芯片中使用TSV技術。

2.像素的縮小化

如之前我們描述，智能手機的攝像頭對于模組的小型化有較高要求，同時，為了進一步提高分辨率，像素的尺寸正在不斷地被廠商壓縮。近十年，像素尺寸已經從1.4um一步下壓縮至0.7um左右。滿阱容量下降，感光靈敏度降低，以及像素間的串擾都是縮小像素所面臨的嚴駿挑戰。為了解決相關問題，深溝隔離（DTI）技術，深埋型光電二極管，以及垂直型傳輸管等技術（如圖3所示）被采用[4]。

圖3 .DTI與VTG技術在小像素中的應用

深溝隔離來源于DRAM技術，應用于圖像傳感器芯片中可以實現像素與像素間的隔離。主流CMOS圖像傳感器廠商在DTI制作工藝上可以分為前端DTI和后端DTI，兩者區別在于前端DTI是在硅的有源區表面進行刻蝕深槽，而后端DTI則是在背照式感光陣列芯片的入射面（減薄后）進行刻蝕深槽。刻蝕后的硅表面會產生大量的缺陷，為了防止這些缺陷對感光二極管性能造成影響，廠商通常會通過兩個方面來處理：在DTI側壁周圍進行離子注入；在DTI內部使用高k材料填充，或是填充多晶硅并施加負壓。這些方法最終的目的都是將DTI側壁處的電勢鉗住，降低其復合率，從而降低暗電流。

深埋型光電二極管以及垂直型傳輸管則是考慮到像素尺寸縮小后，為了維持像素的體積，需要將像素的深度加大。在之前的背照式像素中，像素深度在2.5um～3um左右，而在2017年開始，開始陸續有3um以上的像素在手機中出現。目前0.8um的像素大小所使用的像素深度在3.7um左右。將像素深度擴展至3.7um左右后，在離子注入中需要更深的能量，并且，為了有效地將光電二極管中的光生載流子導出讀出，新的垂直型傳輸管（VTG）結構被應用。垂直型傳輸管對于光生載流子的傳輸不再局限于傳統的硅表面傳輸，而是形成一種3D結構，高效地實現了深埋型光電二極管對于光生載流子的完全導出。

3.自動對焦技術

智能手機廠商對于攝像頭的另一個強烈需求是提升自動對焦的速度和精度，特別是在暗光環境。因此手機主要采用相位檢測的技術來實現對焦，即利用物體反射光線經過透鏡的上方與下方兩條不同路徑落在不同的位置，通過兩者之間的相位差來進行對焦操作[5-6]。目前較主流的技術包括了Masked PD，Dual PD，以及2x1 OCL（如圖4所示）。Masked PD最早于2014年引入智能手機系統，是目前最廣泛使用的方案。其主要思路在于分別將兩個像素的左半部分和右半部分遮擋，從而計算兩者成像的像位差。要提高對焦速度，提高對焦像素在整個像素陣列的占比是一種有效途徑。但是對于Masked PD而言，對焦像素有一半被遮擋，其感光度下降嚴重，所以進一步提升對焦像素的占比存在一定困難。Dual PD則沒有感光度下降的問題，其單個像素內部包含兩個感光二極管并被分別讀出，同樣可以實現因為失焦導致像位差的計算。目前最多能夠將整個像素陣列全部做成Dual PD，極大地提高了對焦速度。然而，Dual PD在小像素（小于1um）中比較難以應用，因為在小像素中很難實現兩個感光二極管的隔離。對于2x1 OCL，則可以應用于更小尺寸的像素，因為2x1 OCL是將兩個像素的微透鏡合并成一個相對大的透鏡，因此這兩個像素也可以得到相位差。現在最新的技術已經可以將2x1 OCL應用到0.8um的像素。

圖4 、手機攝像頭像素的主流自動對焦技術

4.結語

早在2000年，夏普在日本發布了世界上第一款帶內置攝像頭的手機，但日本市場的封閉性使得這款產品并沒有引起很大反響。后續諾基亞，第一代蘋果，第一代安卓機都有機型引入了內置攝像頭，但其性能遠無法滿足消費者的日常使用。直到2010年的蘋果4，其500萬像素的攝像頭，使得手機拍照逐漸開始流行。而經過十年的發展，智能手機的拍照性能現在已經是評判手機性能的一個重要的指標。除了本文重點討論的堆疊技術，像素小型化和自動對焦技術，智能手機攝像頭還在其他方面加速演進，不斷為消費者提供更多面，更智能的拍照效果，同時也從單純的成像逐步向智能感知發展，在不久的將來，我們將能看到更加成熟的智能手機攝像頭方案。