智能手机中图像传感器的关键技术应用与挑战

张宗杰，贺婉茹，陈振伟，李洪超

（东莞理工学院城市学院，广东 东莞 523419）

随着最近几年智能手机的发展，它已经成为大部分消费者在日常拍照设备的首选[1]。智能手机的销量以及多摄像头的解决方案极大地带动了CMOS图像传感器的销量。CMOS图像传感器为智能手机提供了越来越高质量的拍摄效果，同时也受到智能手机整体系统的要求影响，衍生出了一些独特的发展路线。目前，主流手机厂商在图像传感器选择上出现了两个不同的流派：一个流派是坚持优化12 MP摄像头（以苹果手机为代表），另一流派则将分辨率不断提高至16 MP，20 MP，甚至到108 MP[2-3]。尽管如此，不同流派中图像传感器技术的像素发展以及关键技术是相似的，主要体现在堆叠式图像传感器，像素的小型化，以及自动对焦等技术的发展应用。

1.堆叠式图像传感器技术

目前大部分的智能手机后置摄像头均使用了两颗芯片叠加的方案，也称堆叠式图像传感器。如图1所示，堆叠式图像传感器是基于背照式图像传感器的进一步进化，它由背照式图像传感器阵列芯片与逻辑电路芯片相堆叠组成。堆叠式图像传感器芯片的优势在于：在芯片制造过程中，感光阵列所在的芯片以及逻辑电路芯片可以单独进行工艺优化。其逻辑芯片目前主要采用台积电的40nm工艺（三星在使用28 High-k金属栅或是65nm工艺）。另一个优势是可以有效地缩小芯片的面积，从而减小模组大小，利于集成到智能手机中。目前主流智能手机所使用的堆叠式传感器芯片面积取决于像素尺寸以及像素阵列的大小的影响，大概在20～50mm2，整体趋势是增大像素阵列，减小像素尺寸和芯片面积。

图1 前照式，背照式，与堆叠式图像传感器

堆叠式图像传感器涉及的关键技术之一是芯片间互连，即如何实现两个独立的芯片电气连接。图2所示的硅穿孔技术是目前最主流的技术，其技术特点是在像素阵列周围，将像素阵列芯片完全刻蚀出一个孔洞，其孔洞穿过像素阵列芯片的硅和金属布线层，最后停留在逻辑芯片的金属布线层。在孔洞中淀积金属从而实现芯片之间的互联。目前TSV技术在图像传感器中的应用已经相当成熟，孔洞的直径可以控制在3um以下。另一种互连技术则是索尼所主导的铜铜互连技术。与硅穿孔技术不同，铜铜互连并不需要将像素阵列芯片的硅完全刻蚀出一个孔洞，而是直接将两个独立芯片的金属布线层的最顶层金属裸露，直接在键合时实现电气连接。铜铜互连的主要优势在于电气互连可以是像素级的，而不用局限在整个像素阵列的外围。

图2 TSV互连技术与铜铜互连

关于堆叠式图像传感器，三星和索尼于2018年都推出了三层堆叠图像传感器产品。相比于传统的两层堆叠式图像传感器，三层堆叠传感器新增加了一个DRAM芯片层，数据可以直接存储在DRAM芯片中，随之而来的效果即是高帧率：索尼的三层堆叠图像传感器能够实现960 fps的帧率。不过不同的厂商在三层堆叠的解决方案上选择并不同，三星的三层堆叠依次是感光阵列芯片，图像处理芯片和DRAM芯片，而索尼的三层堆叠则将DRAM芯片放在了感光阵列芯片和图像处理芯片之间。需要注意的是，三层堆叠无法完全使用铜铜互连技术来实现三个芯片的电气连接，需要至少在其中两个芯片中使用TSV技术。

2.像素的缩小化

如之前我们描述，智能手机的摄像头对于模组的小型化有较高要求，同时，为了进一步提高分辨率，像素的尺寸正在不断地被厂商压缩。近十年，像素尺寸已经从1.4um一步下压缩至0.7um左右。满阱容量下降，感光灵敏度降低，以及像素间的串扰都是缩小像素所面临的严骏挑战。为了解决相关问题，深沟隔离（DTI）技术，深埋型光电二极管，以及垂直型传输管等技术（如图3所示）被采用[4]。

图3 .DTI与VTG技术在小像素中的应用

深沟隔离来源于DRAM技术，应用于图像传感器芯片中可以实现像素与像素间的隔离。主流CMOS图像传感器厂商在DTI制作工艺上可以分为前端DTI和后端DTI，两者区别在于前端DTI是在硅的有源区表面进行刻蚀深槽，而后端DTI则是在背照式感光阵列芯片的入射面（减薄后）进行刻蚀深槽。刻蚀后的硅表面会产生大量的缺陷，为了防止这些缺陷对感光二极管性能造成影响，厂商通常会通过两个方面来处理：在DTI侧壁周围进行离子注入；在DTI内部使用高k材料填充，或是填充多晶硅并施加负压。这些方法最终的目的都是将DTI侧壁处的电势钳住，降低其复合率，从而降低暗电流。

深埋型光电二极管以及垂直型传输管则是考虑到像素尺寸缩小后，为了维持像素的体积，需要将像素的深度加大。在之前的背照式像素中，像素深度在2.5um～3um左右，而在2017年开始，开始陆续有3um以上的像素在手机中出现。目前0.8um的像素大小所使用的像素深度在3.7um左右。将像素深度扩展至3.7um左右后，在离子注入中需要更深的能量，并且，为了有效地将光电二极管中的光生载流子导出读出，新的垂直型传输管（VTG）结构被应用。垂直型传输管对于光生载流子的传输不再局限于传统的硅表面传输，而是形成一种3D结构，高效地实现了深埋型光电二极管对于光生载流子的完全导出。

3.自动对焦技术

智能手机厂商对于摄像头的另一个强烈需求是提升自动对焦的速度和精度，特别是在暗光环境。因此手机主要采用相位检测的技术来实现对焦，即利用物体反射光线经过透镜的上方与下方两条不同路径落在不同的位置，通过两者之间的相位差来进行对焦操作[5-6]。目前较主流的技术包括了Masked PD，Dual PD，以及2x1 OCL（如图4所示）。Masked PD最早于2014年引入智能手机系统，是目前最广泛使用的方案。其主要思路在于分别将两个像素的左半部分和右半部分遮挡，从而计算两者成像的像位差。要提高对焦速度，提高对焦像素在整个像素阵列的占比是一种有效途径。但是对于Masked PD而言，对焦像素有一半被遮挡，其感光度下降严重，所以进一步提升对焦像素的占比存在一定困难。Dual PD则没有感光度下降的问题，其单个像素内部包含两个感光二极管并被分别读出，同样可以实现因为失焦导致像位差的计算。目前最多能够将整个像素阵列全部做成Dual PD，极大地提高了对焦速度。然而，Dual PD在小像素（小于1um）中比较难以应用，因为在小像素中很难实现两个感光二极管的隔离。对于2x1 OCL，则可以应用于更小尺寸的像素，因为2x1 OCL是将两个像素的微透镜合并成一个相对大的透镜，因此这两个像素也可以得到相位差。现在最新的技术已经可以将2x1 OCL应用到0.8um的像素。

图4 、手机摄像头像素的主流自动对焦技术

4.结语

早在2000年，夏普在日本发布了世界上第一款带内置摄像头的手机，但日本市场的封闭性使得这款产品并没有引起很大反响。后续诺基亚，第一代苹果，第一代安卓机都有机型引入了内置摄像头，但其性能远无法满足消费者的日常使用。直到2010年的苹果4，其500万像素的摄像头，使得手机拍照逐渐开始流行。而经过十年的发展，智能手机的拍照性能现在已经是评判手机性能的一个重要的指标。除了本文重点讨论的堆叠技术，像素小型化和自动对焦技术，智能手机摄像头还在其他方面加速演进，不断为消费者提供更多面，更智能的拍照效果，同时也从单纯的成像逐步向智能感知发展，在不久的将来，我们将能看到更加成熟的智能手机摄像头方案。