圖像傳感器像素：CMOS 圖像傳感器簡介（1）：像素結構

圖像傳感器像素：CMOS 圖像傳感器簡介（1）：像素結構

　　隨著工藝的發展，CMOS圖像傳感器的性能已經趕上或超越CCD，再加上CMOS圖像傳感器在工藝上能很大程度與傳統CMOS芯片兼容，它已經成為相機的主流傳感器類型。由于只能硬件的迅猛發展，很多應用場景都將碰到CMOS傳感器，因此本文從基礎出發，介紹CMOS圖像傳感器的像素結構。

1.圖像傳感器整體架構
　　CMOS圖像傳感器本質是一塊芯片，主要包括：感光區陣列（Bayer陣列，或叫像素陣列）、時序控制、模擬信號處理以及模數轉換等模塊（如圖1）。其中，各模塊的作用分別為：

像素陣列：完成光電轉換，將光子轉換為電子。時序控制：控制電信號的讀出、傳遞。模擬信號處理（ADC）：對信號去噪。（如用CDS去除reset noise、fpn等）

圖1.1 CMOS傳感器示例

其中，像素陣列占整個芯片的面積最大，像素陣列是由一個個像素組成，它對應到我們看到每張圖片中的每個像素。每個像素包括感光區和讀出電路（后面小節會詳細討論），每個像素的信號經由模擬信號處理后，交由ADC進行模數轉換后即可輸出到數字處理模塊。像素陣列的信號讀出如下（參考圖1.2）：

每個像素在進行reset，進行曝光。行掃描寄存器，一行一行的激活像素陣列中的行選址晶體管。列掃描寄存器，對于每一行像素，一個個的激活像素的列選址晶體管。讀出信號，并進行放大。

圖1.2 CMOS傳感器信號讀出示意圖

2.圖像傳感器像素結構
　　CMOS傳感器上的主要部件是像素陣列，這是其與傳統芯片的主要區別。每個像素的功能是將感受到的光轉換為電信號，通過讀出電路轉為數字化信號，從而完成現實場景數字化的過程。像素陣列中的每個像素結構是一樣的，如圖2.1是典型的前照式像素結構，其主要結構包括：

On-chip-lens:該結構可以理解為在感光元件上覆蓋的一層微透鏡陣列，它用來將光線聚集在像素感光區的開口上?？梢栽黾庸怆娹D化效率，減少相鄰像素之間的光信號串擾。Color filter：該結構是一個濾光片，包括紅/綠/藍三種，分別只能透過紅色、綠色、藍色對應波長的光線。該濾光片結構的存在，使得每個像素只能感應一種顏色，另外的兩種顏色分量需要通過相鄰像素插值得到，即demosaic算法。Metal wiring：可以為金屬排線，用于讀出感光區的信號（其實就是像素內部的讀出電路）。Photodiode：即光電信號轉換器，其轉換出的電信號會經過金屬排線讀出。

圖2.1 像素結構

其中，Photodiode和Metal wiring對CMOS傳感器的性能影響最大（比如光電轉換效率，讀出噪聲等），也是目前主流傳感器廠商注重提高的工藝。為了方便敘述，下面將Photodiode和Metal wiring簡稱為Pixel（即包括每個像素內的感光區域和讀出電路）。

2.1 Passive Pixel
　　最簡單的Pixel結構只有一個PN結作為photodiode感光，以及一個與它相連的reset晶體管作為一個開關（如圖2.2）。它的工作方式如下：

在開始曝光之前，該像素的行選擇地址會上電（圖中未畫出），從而RS會激活，連通PN結與column bus。同時列選擇器會上電，此時PN結會被加載高反向電壓（例如3.3 V）。在Reset（即PN結內電子空穴對達到平衡）完成后，RS將會被停止激活，停止PN結與column bus的連通。在曝光時間內，PN結內的硅在吸收光線后，會產生電子-空穴對。由于PN結內電場的影響，電子-空穴對會分成兩個電荷載體，電子會流向PN結的

n+

n

+

端，空穴會流向PN結的p-substrate。因此，經過曝光后的的PN結，其反向電壓會降低。在曝光結束后，RS會被再次激活，讀出電路會測量PN結內的電壓，該電壓與原反向電壓之間的差，就是PN結接受到的光信號。（在主流sensor設計中，電壓差與光強成正比關系）在讀出感光信號后，會對PN結進行再次reset，準備下次曝光。

圖2.2 像素結構

這種像素結構，其讀出電路完全位于像素外面，稱為Passive Pixel。Passive Pixel的讀出電路簡單，整個Pixel的面積可以大部分用于構造PN結，所以其滿阱電容一般會高于其他結構。但是，由于其信號的讀出電路位于Pixel外面，它受到電路噪聲的影響比Active Pixel（下一節會介紹）大。Passivel Pixel噪聲較大有2個主要原因：

相對讀出電路上的寄生電容，PN結的電容相對較小。代表其信號的電壓差相對較小，這導致其對電路噪聲很敏感。如圖2.3(b)，PN結的信號，先經過讀出電路，才進行放大。這種情況，注入到讀出信號的噪聲會隨著信號一起放大。

圖2.3 Active Pixel和Passive Pixel噪聲注入對比

2.2 Active Pixel
　　Active Pixel指的是在像素內部有信號讀出電路和放大電路的像素結構。如圖2.3(a)，信號傳出Pixel之前，就已經讀出并放大，這減少了讀出信號對噪聲的敏感性。隨著工藝的發展，基于Active Pixel的CMOS傳感器在暗電流和噪聲表現上有很大提升，Active Pixel結構隨之成為了CMOS傳感器的主流設計。

　　圖2.4展示了基于PN結的Active Pixel結構，也成為3T像素結構（每個像素包含3個三極管）。在這種結構中，每個像素包含一個PN結作為感光元件，一個復位三極管RST，一個行選擇器RS，以及一個信號放大器SF。其工作方式和Passive Pixel類似：

復位。給PN結加載反向電壓，或者說激活RST給PN結進行復位。復位完成后，不再導通RST。曝光。和在Passive Pixel中一樣，光子打到PN結及硅基，被吸收后產生電子-空穴對。這些電子空穴對通過電場移動后，減小PN結上的反向電壓。讀出。在曝光完成后，RS會被激活，PN結中的信號經過運放SF放大后，讀出到column bus。循環。讀出信號后，重新復位，曝光，讀出，不斷的輸出圖像信號。

圖2.4 PN結像素結構

基于PN結的Active Pixel流行與90年代中期，它解決了很多噪聲問題。但是由PN結復位引入的kTC噪聲，并沒有得到解決。為了解決復位kTC噪聲，減小暗電流，引入了基于PPD結構（Pinned Photodiode Pixel）的像素結構。PPD pixel包括一個PPD的感光區，以及4個晶體管，所以也稱為4T像素結構（如圖2.5）。PPD的出現，是CMOS性能的巨大突破，它允許相關雙采樣（CDS）電路的引入，消除了復位引入的kTC噪聲，運放器引入的1/f噪聲和offset噪聲。

圖2.5 PPD像素結構

　　仔細對比圖2.4和2.5，發現示意圖右邊的結構基本一致。但他們的功能有明顯差異，對于PPD，右邊部分電路只是信號讀出電路。讀出電路與光電轉換結構通過TX完全隔開，這樣可以將光感區的設計和讀出電路完全隔離開，有利于各種信號處理電路的引入（如CDS，DDS等）。另外，PPD感光區的設計采用的是p-n-p結構，減小了暗電流。PPD像素的工作方式如下：
1. 曝光。光照射產生的電子-空穴對會因PPD電場的存在而分開，電子移向n區，空穴移向p區。
2. 復位。在曝光結束時，激活RST，將讀出區（

n+

n

+

區）復位到高電平。
3. 復位電平讀出。復位完成后，讀出復位電平，其中包含運放的offset噪聲，1/f噪聲以及復位引入的kTC噪聲，將讀出的信號存儲在第一個電容中。
4. 電荷轉移。激活TX，將電荷從感光區完全轉移到

n+

n

+

區用于讀出，這里的機制類似于CCD中的電荷轉移。
5. 信號電平讀出。接下來，將

n+

n

+

區的電壓信號讀出到第二個電容。這里的信號包括：光電轉換產生的信號，運放產生的offset，1/f噪聲以及復位引入的kTC噪聲
6. 信號輸出。將存儲在兩個電容中的信號相減（如采用CDS，即可消除Pixel中的主要噪聲），得到的信號在經過模擬放大，然后經過ADC采樣，即可進行數字化信號輸出。

PPD像素結構有如下優點：
- 讀出結構（

n+

n

+

區）的kTC噪聲完全被CDS消除。
- 運放器的offset和1/f噪聲，都會因CDS得到明顯改善。
- 感光結構因復位引起的kTC噪聲，由于PPD電荷的全轉移，變的不再存在。
- 光敏感度，它直接取決于耗盡區的寬度，由于PPD的耗盡區一直延伸到近

Si?SiO2

S

i

?

S

i

O

2

界面，PPD的光感度更高。
- 由于p-n-p的雙結結構，PPD的電容更高，能產生更高的動態范圍。
- 由于

Si?SiO2

S

i

?

S

i

O

2

界面由一層

p+

p

+

覆蓋，減小了暗電流。

由于PPD像素結構在暗電流和噪聲方面的優異表現，近年來市面上的CMOS傳感器都是以PPD結構為主。但是，PPD結構有4個晶體管，有的設計甚至有5個，這大大降低了像素的填充因子（即感光區占整個像素面積的比值），這會影響傳感器的光電轉換效率，進而影響傳感器的噪聲表現。在PPD結構中，像素的感光區和讀出電路由TX晶體管隔開，相鄰像素減可以共用讀出電路（如圖2.6）。圖2.6所示的2x2像素共享讀出電路，一共有7個晶體管，平均一個像素1.75個晶體管。這樣可以大大減少每個像素中讀出電路占用的面積，可以提高填充因子，這樣可以使得像素面積更?。ū热?微米）。然而，由于這2x2個像素的結構不再一致，會導致固定模式噪聲的出現（FPN），這需要在后續圖像處理中消除。

圖2.6 共享讀出電路的PPD像素結構

3.總結
　　本文主要介紹了以下三個方面：

CMOS圖像傳感器的整體架構。闡明了其基本模塊：像素整列、讀出電路、模擬信號處理以及模數轉換模塊。CMOS圖像傳感器的PN結像素結構。這里主要介紹了CMOS在發展初期的以中像素結構，但是它存在高暗電流和噪聲的問題，在90年代中期始終無法與CCD在高端成像領域競爭。CMOS圖像傳感器的PPD像素結構。介紹了PPD像素中感光區域與讀出電路的分離，從而使得CDS能用于圖像信號的讀出，引發了CMOS圖像傳感器的變革。這大大減少了CMOS傳感器的噪聲和暗電流，使得CMOS傳感器趕上并超越CCD，成為相機傳感器的主流。介紹了PPD像素結構共享讀出電路的方式。由于PPD讀出電路復雜，減小了像素的感光區填充因子，引入了讀出電路共享方式。該技術能夠進一步減少像素的面積，目前已知的有1微米大小的像素。
文中主要介紹了像素結構的基礎，后續會繼續更新一些CMOS傳感器的知識。

參考文獻
[1] Albert THEUWISSEN. CMOS Image Sensors : State-Of-The-Art and Future Perspectives. ESSDERC 2007 - 37th European Solid State Device Research Conference

[2] Junichi Nakamura etc. Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras. 2006. Taylor & Francis

圖像傳感器像素：圖像傳感器之像素縮放競賽

　　經過一段創紀錄的增長之后，CMOS圖像傳感器市場開始面臨一些新的和不可預見的挑戰。
　　CMOS圖像傳感器可在智能手機和其他產品中提供相機功能，但現在它們在晶圓廠中面臨縮放和制造問題。此外，與所有芯片產品一樣，在新冠狀病毒爆發期間，圖像傳感器的增長速度也有所放緩。
　　目前，圖像傳感器在200mm和300mm晶圓廠的成熟節點上制造，用于手機，汽車，消費品，工業/醫療系統和安全攝像機。例如，智能手機集成了兩個或更多相機，每個相機都由CMOS圖像傳感器供電，將光轉換為信號以創建圖像。
　　智能手機集成了比以往更多的CMOS圖像傳感器，從而在系統中啟用了高分辨率，功能豐富的相機。例如，三星的新型5G智能手機由五個攝像頭組成，包括一個基于108兆像素（MP）圖像傳感器的后置廣角攝像頭。在小晶粒尺寸上，這相當于超過1億像素。根據Tech Insights的說法，用于自拍照的前置攝像頭集成了48MP圖像傳感器，該傳感器基于世界上最小的像素間距0.7μm。
　　圖像傳感器結合了許多微小的光敏像素，而像素間距是從一個像素的中心到另一個像素的中心的距離，以μm為單位。雖然并非所有手機都配備有最先進的圖像傳感器，但是很明顯，消費者要求更多的成像功能。
　　UMC公司市場營銷技術總監David Hideo Uriu表示：“隨著更高帶寬的數據性能，從3G到4G再到現在的5G，對高質量攝像機的需求也在增長。這種趨勢下，加上對更高像素數和更高分辨率的需求，推動了CMOS圖像傳感器的繁榮。除了這些趨勢外，手機ID / NIR光譜中的生物識別ID，3D傳感和增強的人類視覺應用領域也越來越突出?！?br /> 　　盡管如此，圖像傳感器供應商仍面臨一些挑戰。多年來，他們一直在努力降低像素間距，以在圖像傳感器中封裝更多像素，從而提高了設備的分辨率。但是，隨著間距接近光的波長，像素縮放變得越來越困難。
　　OmniVision工藝工程副總裁Lindsay Grant表示，像素研發團隊現在必須找到新方法，以避免靈敏度降低和傳感器中的串擾降低。
　　另一方面，還有一種趨勢是保持手機中較大的像素大小，并引入較小像素的最佳改進以提高圖像質量。這些趨勢滿足了客戶對更大，更好的相機的需求，從而導致更多的傳感器具有更大的裸片尺寸。
　　目前，圖像傳感器供應商已經找到了解決某些挑戰的方法。包括：
　　新工藝：高k膜和其他fab技術已經開始推動像素縮放。
　　模具堆疊和互連：將不同的功能放在兩個模具上并堆疊它們并不是什么新鮮事，但是新的互連方案是有意思的，例如像素間連接，正在研發中。
圖像傳感器的市場動態
圖像傳感器主要有兩種類型，CMOS圖像傳感器和電荷耦合器件（CCD）。CCD是電流驅動的設備，存在于數碼相機和各種高端產品中。CMOS圖像傳感器（互補金屬氧化物半導體）則有所不同，它的每個像素都有一個光電二極管和一個CMOS晶體管開關，從而可以分別放大像素信號。針對各種應用，CMOS圖像傳感器具有不同的格式，幀速率，像素大小和分辨率。
圖像傳感器具有全局或滾動快門。例如，OmniVision的新型64MP圖像傳感器具有1 / 1.7英寸格式的0.8μm像素大小。該傳感器具有靜態圖像捕獲和4K視頻性能，具有2型，2×2微透鏡相位檢測自動對焦功能，可提高自動對焦精度。輸出格式包括64MP，每秒15幀（fps）。
供應商分為兩個陣營：無晶圓廠和IDM。IDM擁有自己的晶圓廠，而無晶圓廠公司則使用代工廠。無論哪種情況，賣方都在晶片上制造圖像傳感器管芯，將其切割并組裝成封裝。
　　根據YoleDéveloppement的說法，大約65％的圖像傳感器是在300毫米晶圓廠生產的?！?200mm對于各種安全，醫療和汽車CMOS圖像傳感器產品仍然至關重要，”Lam Research戰略市場營銷總經理David Haynes說。
如今，索尼已成為CMOS圖像傳感器的最大供應商，其次是三星和OmniVision。根據IC Insights，其他供應商包括夏普，安森美，意法半導體，GalaxyCore，SK Hynix，松下和佳能。
　　根據IC Insights的數據，2019年圖像傳感器銷售額達到184億美元，比2018年增長30％?！霸?020年，我們預測CMOS圖像傳感器的銷售額將下降3％，至178億美元，由于在Covid-19病毒健康危機中手機和其他系統對傳感器的需求下降，使銷售連續刷新紀錄，” IC Insights的分析師Rob Lineback。
　　根據Yole的說法，在另一種更樂觀的預測中，CMOS圖像傳感器市場在2019年增長了25％。據該公司稱，到2020年，市場預計將放緩并增長7％。最大的推動力是智能手機。根據Yole的數據，2018年，每部手機有2.5個攝像頭?！霸?019年，每個智能手機的攝像機數量已躍升至2.8個。我們看到，到2020年，每部智能手機將配備三臺攝像機?！?Yole光電與傳感部門主管Guillaume Girardin說。
　　每個手機配置都不一樣。例如，Apple的iPhone 11 Pro集成了12MP三攝技術（寬，超寬和遠攝）。同時，三星的5G手機具有五個攝像頭，包括四個后置攝像頭和一個前置攝像頭。一臺相機配有飛行時間傳感器，用于手勢和3D對象識別。
高分辨率相機不一定等同于更好的照片。這是像素尺寸和分辨率之間的權衡問題。像素縮放意味著像素更多，當分辨率超過40MP和50MP時，這些功能可能超出了人們的視野，無法看到它們捕獲的內容。對于CMOS圖像傳感器，具有更好的量子效率（QE）和信噪比的像素是圖像質量的最重要因素。
此外，智能手機不會取代專業數碼單反相機。但顯然，智能手機提供了比以往更多的功能。Veeco產品營銷高級經理Ronald Arif表示：“人們一定會為5G吸引更多的帶寬和潛在的應用，例如現場體育賽事的8K流媒體到實時AR / VR / MR游戲?！薄白钚碌?G手機中的攝像頭已經變得更加先進。他們開始整合用于深度感測的VCSEL器件，該器件可用于從客廳的自動對焦到3D映射的任何地方?？梢韵胂髮⒕哂猩疃扔成涔δ芎?G的高級相機組合在一起。這可能會打開豐富的新應用程序，例如游戲，實時流媒體，遠程學習和視頻會議?！?br /> 在其他創新中，供應商正在運送近紅外（NIR）圖像傳感器。NIR可以照亮可見光譜之外的波長的物體，是為在近乎或完全黑暗的環境中工作的應用而設計的。OmniVision的新近紅外技術使940nm的不可見近紅外光譜提高了25％，而在幾乎不可見的850nm的近紅外波長上，則提高了17％。
　　在單獨的開發中，Sony和Prophesee開發了基于事件的視覺傳感器。這些傳感器面向機器視覺應用，可在各種環境中檢測快速移動的物體。
　　像素縮放競賽
　　幾年前，CMOS圖像傳感器供應商開始了所謂的像素縮放競賽。
像素縮放競賽指在給定時間段內減小每一代的像素間距，像素間距描述了設備中每個像素之間的距離，較高的像素密度等于更高的分辨率，但并非所有傳感器都需要較小的間距。
　　圖像傳感器本身是一個復雜的芯片。頂層稱為微透鏡陣列，下一層是基于馬賽克綠色，紅色和藍色陣列的濾色器，再下一層是有源像素陣列，它由稱為光電二極管的光捕獲組件以及其他電路組成。
CMOS圖像傳感器的框圖。資料來源：OmniVision
　　有源像素陣列細分為微小的單個感光像素，像素由光電二極管，晶體管和其他組件組成，像素大小以μm為單位。
　　像素尺寸較大的圖像傳感器會收集更多的光，這意味著信號更強。較大的圖像傳感器會占用電路板空間。像素較小的圖像傳感器收集的光較少，但是您可以將更多的傳感器封裝在芯片上。反過來，這提高了分辨率。
　　目前，有幾種方法可以在晶圓廠中制造圖像傳感器。
　　方法一是形成像素陣列。流程從在基板上進行正面處理開始，晶片被粘結到載體或處理晶片；然后，頂部經過注入步驟，再進行退火工藝；最后，頂部涂有抗反射涂層，彩色膠卷和微透鏡被顯影。
　　方法二是先對硅基板的表面進行注入步驟，在頂部形成擴散阱和金屬化疊層后，結構被翻轉，溝槽刻在背面，襯層沉積在溝槽的側壁上，并填充有介電材料，最后，濾光器和微透鏡在頂部制造。
　　幾年前，圖像傳感器的像素間距為7μm，而發展到2020年，索尼已經突破了0.7μm。在這場像素競賽中，廠商們經歷了多次技術的變革。
?、?、高速發展的FSI時代
直到2009年，主流CMOS圖像傳感器都基于前照式（FSI）像素陣列架構。在操作中，光線會照射到設備的正面，然后微透鏡收集光并將其傳輸到彩色濾光片，光再穿過互連的堆疊并被二極管捕獲。最后，電荷在每個像素處轉換為電壓，然后信號被多路復用。
　　多年來，FSI體系結構使供應商在短時間內得到了快速發展。例如，據TechInsights稱，FSI體系結構使供應商的間距從2006年的2.2μm減少到2007年的1.75μm，但到2008年時，像素縮放卡在了1.4μm的瓶頸上。
②、BSI繼續加速啟動像素縮放
　　因此，從2009年左右開始，供應商開始使用一種新的架構——背面照明（BSI）。BSI體系結構將圖像傳感器顛倒了，光從硅襯底的背面進入。因為光子到光電二極管的路徑更短，從而提高了量子效率。
FSI與BSI。資料來源：Omnivision
　　在像素縮放方面，BSI傳感器技術可在1.2μm至1.4μm的范圍內實現最佳像素尺寸，而堆疊式BSI可使具有此類像素尺寸的傳感器的占位面積保持在30mm2以下。因此 ，可以使用四像素架構啟用亞微米尺寸的像素，從而實現超過48MP的分辨率。
　　但在BSI中還有需要注意的問題，比如，在像素縮放中，光電二極管（關鍵的光捕獲組件）在圖像傳感器內縮小，從而降低了效率，而且二極管靠得更近，容易產生串擾問題。
　　因此，在2010年左右達到1.4μm時，該行業轉向了晶圓廠的另一項創新——深溝槽隔離（DTI）。在DTI中，目標是使光電二極管更高，從而增加單位面積的容量。為了在工廠中啟用DTI，供應商采用了BSI架構，并通過各種工藝步驟使光電二極管更高。更高的二極管還需要在結構周圍增加硅的厚度。
　　不過，相比之前，此時像素縮放速度明顯變慢。據TechInsights稱，供應商需要三年的時間才能從1.4μm（2008）升級到1.12μm（2011），四年達到1μm（2015），再過三年達到0.9μm（2018）。
　　TechInsights分析師Ray Fontaine在最近的博客中說：“總而言之，我們相信DTI和相關鈍化方案的發展是導致1.12μm像素延遲到0.9μm像素延遲引入的主要原因?！?br /> 　?、?、創新技術恢復像素縮放競賽
　　最近，這些問題終于得到了解決，像素縮放競賽恢復。
　　在2018年，三星突破了1μm的壁壘，達到0.9μm，其次是Sony在2019年達到0.8μm，在2020年突破了0.7μm。
　　對于亞微米級的像素縮放，行業需要更多的創新。Fontaine在最近的演講中說：“隨著像素的縮小，需要更厚的有源（硅）來維持合適的光電二極管尺寸?！薄案竦挠性矗ü瑁┑年P鍵技術推動因素是DTI和相關的高k缺陷鈍化膜?！?br /> 　　用高k膜制作圖像傳感器遵循傳統流程，但不同之處在于，高k膜沉積在DTI溝槽的襯里上方。
　　對于高k和其他工藝，供應商在fab中采用兩種不同的方法，分別是前DTI（F-DTI）和后DTI（B-DTI）。F-DTI使用多晶硅間隙填充，并且多晶硅可以具有電壓偏置以改善表面釘扎。F-DTI還可以進行更多熱處理，以減少蝕刻損傷泄漏。 而 B-DTI使用帶負電荷的高k膜來積累電荷，并將費米能級固定在表面，然后抑制暗電流泄漏。高k膜工藝是原子層沉積（ALD），B-DTI通常使用氧化物間隙填充，但也嘗試了一些金屬填充甚至空氣間隙，并已用于批量生產。
　接下來，像素縮放會繼續嗎？
　　像素縮放可能會持續超過0.7μm。隨著像素縮小到0.7μm以上，許多方面都需要進行優化。
　　一方面是B-DTI，用于深二極管的高能注入，用于彩色和微透鏡的光學結構收縮等關鍵項目仍將是發展重點。定義像素內晶體管和互連的更基本的設計規則需要更新。
　　另一個方面是移動傳感器的像素間距正在接近光的波長。例如，如今研發中使用的是0.6μm像素間距，它小于0.65μm（650nm）的紅光波長。但問題在于，在接近極限的情況下，有沒有必要縮小到亞波長。
　　其實將像素大小縮小到亞波長并不意味著在像素級別上能獲得更多有價值的空間分辨率信息。1.0微米像素的光學結構使用許多亞波長特征，例如，通過光導，用于抑制串擾的狹窄金屬網格和用于量子效率的狹窄介電壁正在得到改善。這種納米級的光學工程已經存在于當前的像素中，并且已經使用了很多年，因此，轉移到亞波長并不是一場革命。
　　所以，持續縮小的局限性可能來自用戶利益而非技術。如今，應用程序在縮小像素尺寸方面不斷發現最終用戶的價值，因此這正在推動趨勢。只要這種情況持續下去，CMOS圖像傳感器技術的發展就會支持這一方向。
　創新：堆疊和互連
　　除了像素縮放以外，CMOS圖像傳感器還正在進行其他創新，例如管芯堆疊。供應商還使用不同的互連技術，例如硅通孔（TSV），混合鍵合以及像素到像素。
　　多年來，包括像素陣列和邏輯電路在內的圖像傳感器都在同一個芯片上。重大變化發生在2012年，當時索尼推出了兩片式堆疊式圖像傳感器。芯片堆疊使供應商能夠將傳感器和處理功能拆分到不同的芯片上，這允許傳感器具有更多功能，同時還可以減小管芯尺寸。
　　為此，索尼基于90nm工藝開發了一個像素陣列芯片，該芯片堆疊在一個單獨的65nm圖像信號處理器（ISP）芯片上，提供處理功能，并將兩個管芯連接起來。
　　最終，其他人轉向了類似的芯片堆疊方法。通常，頂部像素陣列裸片基于成熟節點，底部ISP芯片的工藝范圍為65nm，40nm和28nm。而14nm finFET技術則正在研發中。
　　同時，三星和索尼在2018年開發了三層設備。例如，在索尼的CMOS圖像傳感器產品線的一種版本中，DRAM單元夾在圖像傳感器和邏輯管芯之間。嵌入式DRAM可實現更快的數據讀取。
　　除了管芯堆疊之外，供應商還開發了不同的互連方案，該方案將一個管芯連接到另一個管芯。最初，OmniVision，Samsung和Sony使用了TSV，它們是類似于通孔的微小電氣互連。
　　2016年，索尼轉向了一種稱為銅混合鍵合的互連技術。三星仍處于TSV陣營中，而OmniVision則同時進行TSV和混合綁定。
　　在混合鍵合中，使用銅-銅互連線連接管芯。為此，在晶圓廠中處理兩個晶圓。一個是邏輯晶片，另一個是像素陣列晶片。使用介電鍵合將兩個晶片接合在一起，然后進行金屬對金屬的連接。
　　TSV和混合鍵合均可實現小間距。對于CMOS圖像傳感器像素和邏輯晶圓的堆疊來說，BSI，TSV集成和混合鍵合可能會繼續共存，但是隨著多層BSI傳感器變得越來越普遍，TSV集成將變得越來越重要。
?
　　此外，將來，與CMOS圖像傳感器中的芯片堆疊有關的還有兩個趨勢。一是節距的進一步縮小，以實現更高的芯片間互連密度。二是增加部署三個或更多設備的部署。
　　下一件大事是像素到像素的互連。Xperi正在開發一種稱為“ 3D混合BSI”的技術，用于像素級集成。索尼和OmniVision已經證明了這項技術。
　　Xperi產品營銷高級總監Abul Nuruzzaman說：“它可以實現更多的互連?！薄八试S傳感器的每個像素與相關的A / D轉換器之間進行像素級互連。這允許對所有像素進行并行A / D轉換。該連接提供了堆疊像素和邏輯層之間的高密度電互連，從而允許實現與有效百萬像素數量一樣多的A / D轉換器?；旌辖壎ㄟ€可以用于將具有專用內存的內存堆疊到每個像素?！?br /> 　　該架構支持大規模并行信號傳輸，從而可以高速讀取和寫入圖像傳感器的所有像素數據。Nuruzzaman說：“它使具有比例縮放像素的全局快門能夠用于各種定時關鍵應用（例如自動駕駛汽車，醫學成像和高端攝影）進行實時，高分辨率成像?！?br /> 　　結論
　　顯然，CMOS圖像傳感器市場是動態的。但是在COVID-19爆發期間，2020年對于廠商來說將是艱難的一年。
　　盡管如此，市場上仍存在著創新浪潮。IC Insights的Lineback表示：“嵌入式CMOS圖像傳感器和攝像頭在提高安全性，基于視覺的用戶界面和識別，物聯網，自動駕駛汽車和無人機的更多系統中的應用正在增加?！?br /> 　　編譯自作者Mark LaPedus的文章

圖像傳感器像素：圖像傳感器像素及其方法

專利名稱：圖像傳感器像素及其方法
技術領域：
本發明涉及圖像傳感器的結構及其方法，更具體地，涉及4晶體 管互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器的有源像素。
背景技術：
圖像傳感器是利用半導體器件對外界能量(例如光子)敏感的特性 而用于采集圖像的裝置。從自然界中每個物體上發出的光均具有例如波 長的特征能量值。圖像傳感器的像素感測從每個物體上發出的光并將所 感測到的光轉換為電學值。圖像傳感器的像素可為4晶體管CMOS有源 像素。
圖l是圖像傳感器的電路圖，其包括四個晶體管110至140及二極 管190。圖像傳感器電路的操作如下。在第一復位段，在通過RX信號和 TX信號將光電二極管復位后，將在光電二極管上收集的光轉換至電信 號，進而通過傳輸晶體管110、激勵晶體管130、和選擇晶體管140將電 信號傳輸至輸出節點Vout。
圖2示出了上述4晶體管圖像傳感器的平面結構，圖3示出了圖2 的剖視圖。
在這里，組成有源像素的四個晶體管的標號110至140與圖1的 四個晶體管的標號相同。
傳輸晶體管110和復位晶體管120之間的節點由金屬層125通過 接觸區連接至激勵晶體管130的柵極。
P阱層150被準備用于根據制造順序而形成光電二極管。
特別地，采用CMOS技術的圖像傳感器使用漏電流小的外延生長 的半導體襯底，以提高傳感器的性能。
PDN層160通過對光電二極管190的陰極進行N型雜質的離子注 入而形成。PDP層180通過對光電二極管190的陽極進行P型雜質的離子注入而形成。PDN層160與PDP層180重疊以形成PN結的面積為光 電二極管190的面積。
PDC層185被用于將光電二極管連接至傳輸晶體管110的源區。
另一方面，因為半導體技術已得到了改進，所以圖像傳感器像素 的尺寸減小，并且光電二極管的尺寸也隨之減小。因為增加了半導體 襯底上的絕緣層和金屬布線層間的重疊數量，所以從像素表面到光電 二極管的距離變大，進而減少了在像素的光電二極管上收集光的數量 并降低了圖像傳感器的圖像質量。
如圖4所示，傳統的方法使進入圖像傳感器的入射光，能夠通過 在形成的像素的濾色鏡410上面的最高層上形成凸透鏡型微透鏡420 而被收集，進而增加到達光電二極管的光的數量。
通常，公知光電二極管的面積越大則圖像質量越高。光電二極管 在整個像素區域上占據的面積為填充因數。像素的特性通過填充因數 來估測。如圖2所示，在傳統的有源像素中，必須將光電二極管和晶 體管設置在一個平面上，因此，填充因數僅為6-16%。因而，光敏度 降低、相鄰像素間的距離減少、并且串擾增加從而產生很多噪聲。
發明內容
技術問題
為了解決上述問題，本發明的一個目的在于提供一種在半導體襯 底上具有突出形狀的圖像傳感器像素及其方法，以在所述圖像傳感器 像素的有限范圍內增加光電二極管的面積。
本發明的另 一 目的在于提供一種圖像傳感器的像素以將相鄰像素 間的串擾減到最少。
本發明的另 一 目的在于提供一種能夠在有限的像素面積內形成相 對大的光電二極管的圖像傳感器，以得到高靈敏度和高分辨率。
本發明的另 一 目的在于提供一種沒有微透鏡的圖像傳感器像素。
本發明的另 一 目的在于提供一種安裝根據本發明圖像傳感器的電 子裝置，從而獲得經濟效益。
技術方案
根據本發明的一方面，提供了一種半導體圖像傳感器的像素，包 括在半導體襯底的表面上具有突出形狀的光電二極管。
根據本發明的另 一 方面，提供了 一種半導體圖像傳感器的像素，包括光電二極管，形成在半導體襯底的表面下；以及光電二極管， 在所述半導體襯底的所述表面上具有突出的形狀。
根據本發明的另 一方面，提供了 一種半導體圖像傳感器的像素， 包括第一光電二極管，形成在半導體襯底的表面下；以及第二光電 二極管，在所述半導體襯底的所述表面上具有突出的形狀，所述第二 光電二極管位于所述第一光電二極管之上。
根據本發明的另 一 方面，提供了 一種制造圖像傳感器的像素的方 法，所述方法包括(a)通過對半導體襯底進行離子注入，形成類型 相對于所述襯底相反的第一區域；以及(b) 在所述襯底上形成具有 預定厚度的外延層。
根據本發明的另 一方面，提供了 一種制造圖像傳感器的像素的方 法，所述方法包括通過對半導體襯底進行離子注入，形成類型相對 于所述襯底相反的第一區域；在所述襯底上形成具有預定厚度的外延 層；以及將離子注入到所述外延層中。
圖1是具有4晶體管結構的CMOS圖像傳感器的電路圖2是傳統的CMOS圖像傳感器的平面布圖3是傳統的CMOS圖像傳感器的剖視圖4是當圖3的圖像傳感器生產完成時，該圖像傳感器的剖視圖5是示出了根據本發明的像素的一些層的俯視圖6是示出了根據本發明的像素的其它層的俯視圖7是只強調在根據本發明的像素中的其它金屬層及其連接部分的俯視圖8是用于說明根據本發明的像素的光電二極管的一部分制造過程的剖視圖9是用于說明根據本發明的像素的光電二極管的另一部分制造過程的剖視圖10是用于說明根據本發明的像素的光電二極管的一部分制造 過程的另一方向剖視圖11是示出根據本發明的相鄰像素的光電二極管的剖視圖。
具體實施例方式
為了更充分地理解本發明、其優點、及通過實現本發明而達到的 目的，以下參照附圖對本發明的示例性實施方式進行說明。
在下文中，將通過參照
本發明的示例性實施方式而對本 發明進行詳細描述。圖中相同的標號表示相同的元件。
圖5是示出像素的俯視圖，特別地，其示出了晶體管和光電二極 管的一些層。四個晶體管510至540分別表示傳輸晶體管510、復位 晶體管520、激勵晶體管530、及選擇晶體管540。所述晶體管的柵極 專命入分別由Tx、 Rx、 Dx、和Sx表示。
P阱層552是防止P離子注入到層內的層，有源層554是形成陽 才及的區i或。
PDC層553是將光電二極管的陰極電連接至傳輸晶體管510的源 極的層。
有源層557是形成晶體管的源極或漏極的區域。
N離子注入層558是進行離子注入的層，以使得作為像素有源元 件的晶體管是N溝道類型的。
圖6示出了在圖5的結構上額外堆疊兩層的結構。PD層571限定 了形成光電二極管的層。光電二極管區通過采用PD層571的光掩膜 的蝕刻方法形成。PD阻擋層572被用于形成兩個光電二極管。
圖7是強調金屬層的俯視圖。第一接觸581是表示與第一層的金 屬布線接觸的區域，而第二接觸582是表示與第二層的金屬布線接觸 的區域。第二層的一個金屬布線585被用于將傳輸信號Tx施加到傳 輸晶體管510的柵極。第二層的另一金屬布線586被用于將源電壓傳 輸至像素。第一層的金屬布線584用來將傳輸晶體管的漏極節點連接 至激勵晶體管530的柵極。
為了便于描述，圖5至圖7分開示出了在半導體器件制造工藝中 多個堆疊的層。實際上，應注意到半導體器件是通過適當地將圖5至圖7示出的層組合而構造的。
圖8和圖9是圖7沿X-X'的剖視圖。參照圖8和圖9,對制造根 據本發明實施方式的像素的方法進行描述。
圖8示出了用于說明根據本發明的像素的光電二極管制造方法的 剖視圖。優選地，用于制造根據本發明的圖像傳感器的半導體襯底601 是P型的，并且其電阻為10-15ohm-cm。在過去，漏電流小的外延生 長的襯底已被用于圖像傳感器，然而，根據本發明不使用外延生長的 襯底也能得到足夠大的填充因數。
在從半導體襯底601上形成P阱602之后，形成4冊極611和612 以及側壁613。然后，通過離子注入形成將傳輸晶體管連接至光電二 極管的區域604。隨后，通過離子注入形成漏極區域607。然后氮化物 層614覆蓋柵極611和612，并且浮動絕緣層(例如含有熒光粉的PSG 薄膜608 )覆蓋氮化物層614。
此時，含有硼的BSG薄膜及PSG薄膜可覆蓋氮化物層614以形成 雙膜608。此外，在形成PSG薄膜或PSG-BSB雙膜后，可隨即采用已知 的化學機械拋光(CMP)進行平面化。
溝槽605緊鄰傳輸晶體管的漏極607形成以將其與相鄰像素隔離。
氧化層609形成在BSG層608上。沉積用于形成光電二極管區域的 光刻膠層621 ，并利用用于形成光電二極管的掩膜對光刻膠層621進行蝕 刻。
隨后，第一N型區域603通過離子注入形成在光電二極管連接區域 604之下。理論上，第一 N型區域603與P型襯底601之間的區域以及 第一N型區域603與P阱602之間的區域成為PN結。整個第一N型區 域603為產生由輻射引起的載流子的區域。
隨后，如圖9所示，外延層633從第一N型區域603上生長，并且 將N型雜質的離子注入外延層633。該外延層是第二N型區域。所述離 子注入可根據情況而省略。將P型雜質的離子注入外延層633的上部631 以將上部631轉換為第一P型區域。在注入工藝之后，第二N型區域633和第一P型區域631形成不同于第一二極管603的第二二極管633,因 此，在一個像素中有兩個二極管有效地存在。
圖IO是圖7沿Y-Y'的剖視圖。在圖10的工藝之后，第二P型區 域643通過使用限定光電二極管區域的掩膜層641、對除了光電二極 管區域之外的區域進行P型雜質的離子注入而形成。由于第二P型區 域643，第二二極管的PN結面積增大，因此，增大了通過入射光產生 載流子的區域，進而在沒有串擾的情況下產生更強的電信號。
圖11是示出根據本發明的相鄰像素的光電二極管的剖視圖。參照圖 11,其明顯示出了本發明的另一優點。穿過濾色鏡659入射的光中的垂 直入射光在第二光電二極管633中產生載流子。然而，與傳統的光電二 極管不同，即使是傾斜入射的光也全部由絕緣薄膜643反射并被引入第 二光電二極管的內部，以將光采集效率最大化。如上所述，所述絕緣薄 膜可為BSG層、PSG層、或包括PSG和BSG層的合成層。
盡管結合本發明的示例性實施方案對本發明進行了詳細說明和描 述，但本領域技術人員可以理解，在不脫離權利要求所限定的本發明 的精神和范圍的情況下，可對本發明進行各種形式上和細節上的變化。
工業應用性
根據本發明，光電二極管的表面積增大以提高填充因數及光敏度。
此外，提高了光采集效率，并且因此不必要使用微透鏡，進而提供 了經濟效率。
因此，通過具有突出結構的光電二極管，將相鄰像素間的串擾減到 最少，以生產具有改進效率的圖像傳感器。
權利要求
1.一種半導體圖像傳感器的像素，包括在半導體襯底的表面上具有突出形狀的光電二極管。
2. —種半導體圖像傳感器的像素，包括 光電二極管，形成在半導體襯底的表面下；以及
3. 如權利要求1或2所述的像素，其中所述具有突出形狀的光電 二極管由外延生長形成。
4. 如權利要求1所述的像素，其中在所述半導體襯底的所述表面 下形成的所述光電二極管、以及在所述半導體襯底的所述表面上具有 突出形狀的所述光電二極管，經歷了離子注入工藝。
5. 如權利要求3所述的像素，其中所述像素由所述外延生長形成 并且經歷了所述離子注入工藝。
6. 如權利要求3所述的像素，其中所述外延生長由在所述半導體 襯底的所述表面下形成的所述光電二極管開始。
7. —種半導體圖像傳感器的像素，包括 第一光電二極管，形成在半導體襯底的表面下；以及狀，所述第二光電二極管位于所述第一光電二極管之上。
8. 如權利要求l、 2或7所述的像素，其中所述半導體襯底包括 阱；以及溝槽分隔區域，其厚度比所述阱的厚度薄。
9. 一種制造圖像傳感器的像素的方法，所述方法包括(a) 通過對半導體襯底進行離子注入，形成類型相對于所述襯底 相反的第一區域；以及(b) 在所述襯底上形成具有預定厚度的外延層。
10. —種制造圖像傳感器的像素的方法，所述方法包括 通過對半導體襯底進行離子注入，形成類型相對于所述襯底相反 的第一區域；在所述襯底上形成具有預定厚度的外延層；以及 將離子注入所述外延層。
11.如權利要求9或10所述的方法，其中步驟(b)從所述第一 區域開始。
12.如權利要求9或10所述的方法，還包括(a) 在所述襯底上，形成類型相對于半導體襯底相反的阱；以及(b) 形成比所述阱淺的溝槽區。
全文摘要
提供了一種制造圖像傳感器的像素的方法及采用該方法形成的圖像傳感器的像素，所述圖像傳感器包括能夠提高光敏度并減少相鄰像素間串擾的突出的光電二極管。半導體圖像傳感器的像素在半導體襯底的表面上包括形狀突出的光電二極管。增加了光電二極管的表面積相對于圖像傳感器像素表面積的比例，以提高光敏度，并且由于填充因數的提高而不需要微透鏡。此外，可去除相鄰像素間的串擾。
文檔編號H01L27/146GKSQ
公開日2008年6月18日 申請日期2006年6月14日 優先權日2005年6月20日
發明者樸哲秀 申請人:(株)賽麗康;樸哲秀

圖像傳感器像素：鏡頭分辨率和圖像傳感器的像素大小之間有什么樣的關系

鏡頭的分辯率是指在成像平面上1毫米間距內能分辨開的黑白相間的線條對數，單位是“線對/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。
圖像傳感器由許多感光元件組成，每一個元件稱為一個像素。像素的數量對圖像質量有很大影響，像素數越多，對細節的展示越明顯，圖像的清晰程度越好。是CCD的主要性能標準，決定了顯示圖像的清晰程度，分辨率越高，圖像的細節表現越好。CCD是由面陣感光元素組成，每個元素稱為像素，像素越多，圖像越清晰。
鏡頭分辨率是無限大的，機身的分辨率由CMOS或者CCD來決定。

鏡頭的分辯率是指在成像平面上1毫米間距內能分辨開的黑白相間的線條對數，單位是“線對/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。
圖像傳感器由許多感光元件組成，每一個元件稱為一個像素。像素的數量對圖像質量有很大影響，像素數越多，對細節的展示越明顯，圖像的清晰程度越好。是CCD的主要性能標準，決定了顯示圖像的清晰程度，分辨率越高，圖像的細節表現越好。CCD是由面陣感光元素組成，每個元素稱為像素，像素越多，圖像越清晰。
鏡頭分辨率是無限大的，機身的分辨率由CMOS或者CCD來決定。

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