智能手机成像技术的最高境界

2020-06-30来源: EEWORLD关键字:手机成像  DTI

翻译自——techinsights

 

影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, 监控和手机所采用影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影像传感器,但像素尺寸增大则影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像素隔离技术的影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

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。

 

Back-Illuminated Active Si Thickness Trend

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影像传感器,尤其是使用于手机或笔电上配置的CMOS影像传感器例如: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。


关键字:手机成像  DTI 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/MEMS/ic501592.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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