智能手机成像技术的最高境界

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

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。