聊聊智能手机图像传感器

图像传感器最为关键的规格是像素尺寸，像素尺寸越大则进光量越大，在相同时间里可以承载更多光线能量，便可以更明显的提升画质，更真实的还原影像场景。而数字相机, 监控和手机所采用图像传感器的素像尺寸是不一样。通常数字相机、监控使用大尺寸像素的图像传感器，但像素尺寸增大则图像传感器面积会大幅增加，摄像头模块体积也相对增大，模块高度增加，功耗大幅增加，发热量增加等问题产生，这样的变化在监控固然可以接受，但放在追求便于携带的手机等手持式应用上是不太合适。
 
实际上，即便是一些不喜欢采用高像素摄像头的手机制造商，像素阱加深也是趋势。不过一旦像素阱变深了，那么临近像素之间就更容易产生串扰。目前手机 CIS 解决串扰问题的技术焦点就在深槽隔离技术（DTI）上，即在每个像素阱之间加入隔断、避免串扰。
 
普及一下 DTI 的机制：
一般来说不具备 DTI 像素隔离技术的图像传感器在手机照相时，随着像素变得越来越小，像素之间会发生彼此之间抗干扰能力减弱，造成错误的感应光源颜色，这个现象被称为串扰(crosstalk)，光电二极管会将光能部分转化成为细微的电流，而这些电流有时会出现在不该出现的地方，造成干扰而影响影像的色彩。DTI 像素隔离技术简单说就是在像素之间建立『隔离墙』增加光线利用率降低干扰，提升抗噪能力和颜色纯净度，让影像的色彩表现更加出色。
 
如下图，Si-SiO2 界面可用作隔离墙阻止电子扩散，降低串扰；Si-SiO2 组成了类波导结构，将光线限制在硅中，实现了光学隔离，并且延长光在硅中的光程，提高量子效率、降低串扰。与前两种解决方案相比，DTI 结构的隔离效果最为显著。另外，沟槽越深，DTI 的隔离性越好，串扰越小。由下图结果知，DIT 的深度一般要超过 4μm。

那么为什么 DTI 对小像素性能如此重要?

下图说明了缩放后，像素的主要问题，包括保持可接受的光电二极管满井容量(FWC)和抑制串扰。通过增加活性硅的厚度可以解决满井容量大小 FWC 问题;然而，如果没有高性能的 DTI 结构，串扰问题将是一个限制因素。
 
从概念上讲，DTI 结构很容易理解。这些可以在来自前面的工艺流(前面 DTI 或 F-DTI)的较早的过程流中实现，或者在活性 Si 稀释工艺(后面 DTI 或 B-DTI)之后的较晚的过程流中实现。这两种策略现在都在大量生产中，并且都需要仔细的开发来缓解 DTI 蚀刻工艺产生的暗电流问题。

Small Pixel Scaling, DTI Structures

下图展示了通过像素生成对选定的旗舰智能手机图像像素的有效 Si 厚度进行了调查。我们的逆向工程内容细致地记录了 IDM/foundry 公司的 F-DTI/B-DTI 发展，这里数据集被简化了，只显示高层次的趋势。
 
DTI 首先被引入到具有常规的或稍厚的活化 Si 的背照像素中，然然后进行优化，使其随着时间的推移具有较大的有源硅。例如，DTI 在早期达到 1.0××m 像素，活化 Si 厚度为 2.5××m 到 2.7××m，后来 Si 厚度达到 3.9××m。通过对 0.8 µm 和 0.9 µm 像素代的研究，可以清楚地看到，为了获得足够的像素性能，我们选择了>3.5 µm 的活化 Si 厚度。
 
另一个策略是在旧的像素设计中部署这些新的 DTI 结构。事实上，苹果公司最近推出的 iPhone imager 不仅扭转了 iPhone 的像素从 1.22 µm 回升到 1.4 µm 的比例趋势，同时还增加了 B-DTI 结构所支持的活性 Si 厚度。
 

背光有源硅的厚度趋势

下图显示了索尼和三星最近的 0.8µm 像素，以及 DTI 结构的概述。对于这些特定芯片，索尼偏爱 150nm 宽，氧化物填充的 B-DTI 结构，而三星偏爱 110nm 宽，多填充的 F-DTI 结构。

Sony 已将 DTI 像素隔离技术用于 Sony CMOS 图像传感器,尤其是使用于手机或笔电上配置的 CMOS 图像传感器例如:IMX298,IMX488 等 ..。
 
索尼的 DTI 解决方案是在工艺流程的后期实现，便于其平面像素晶体管策略的延续。三星所用的 F-DTI 方案要求必须采用 VTG，所以其隔断会比较完整。这似乎也是目前三星着力的宣传点。我们在研讨会(Paper R02)上了解到，OmniVision 的 0.8 像素将采用 B-DTI 和 VTG 结构。

如今随着像素越来越小、active Si 厚度变大，DTI 结构本身也在持续进化中。DTI 以及相应的钝化技术是目前像素越做越小的关键所在。如果说高像素真的只是噱头并且会让画质变差的话，那么三星、索尼、OmniVision 这些厂商又为何要非要投入大量成本研发此类技术呢？

除了 DTI 之外，近 1-2 年手机 CMOS 图像传感器领域的另一个热门技术就是芯片堆栈——技术核心是 chip-to-chip 的互连。这和索尼更早应用了“Stacked”堆栈式技术的 Exmor RS 图像传感器产品不一样。当年的 stacked 技术是把像素周围的电路移到下层去，电路不需要占用像素表面的位置，让像素感光开口更大。
 
基于此，各大厂商正在加紧研制自己的技术。苹果率先亮剑，实现了 3D Face ID，同时也再次“解锁”了 3D 成像和传感技术。未来 3D 成像和传感技术将会渗透到更多的应用场景，其市场将会持续高速膨胀。