Sony三层堆叠式CMOS图像传感器揭密
2017-07-14 19:23:13   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

在今年二月举行的国际固态电路会议（ISSCC）期间，Sony宣布推出“业界首款配备DRAM的三层堆叠式CMOS图像传感器”，这款型号为IMX400的三层堆叠式感光元件（Exmor RS）是专为智能手机而打造的。

为了加速图像信息处理，业界多年来一直流传着在互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器中配备嵌入式动态随机存储器（DRAM）的种种消息，但至今尚未看到任何相关产品投入生产或实际上市。

Sony在ISSCC会议上发表的研究论文揭露了新款感光元件的相关细节，它确实看来像是真有那么回事，这当然马上引起了我们在TechInsights的图像传感器专家们的关注。接着，Sony在其后举行的全球移动通信大会（Mobile World Congress；MWC）确认了该元件的生产状况，并宣布其Xperia XZ Premium和Xperia XZ两款旗舰级智能手机搭载了具有960fps画面更新率的Motion Eye摄像头模组。

我们尽可能地在Xperia XZ手机一上市就立刻入手，并横切其后置摄像头芯片进行观察。没想到它真的是三层堆叠的感光元件！这款CMOS图像传感器（CIS）被面对背地安装在DRAM上，使得DRAM与图像信号处理器（ISP）面对面接在一起。

图1 Sony三层堆叠式CMOS图像传感器的芯片横截面

然而，我们似乎是超之过急了，因此，让我们先来看看Sony的新闻稿以及在ISSCC发表的论文细节吧！

图2 Sony CMOS图像传感器的信号路径方块图

Sony在其较早的1930万像素图像传感器中使用双模拟/数字转换器（ADC），为像素信息进行数字化。而今，该公司使用4层ADC的结构提高读取速度，同时也改善了处理能力。DRAM则用于暂时储存高速资料，然后再以传感器接口的最佳速率输出。该设计使其能以1/120秒读取1930万像素的静态图像，而在影片模式下可达到1000fps的画面更新率，较以往产品的静态图片与动态影片分别提高了4倍和8倍的速度。

由于在CIS和ISP之间加进了DRAM夹层，高速资料必须经过存储器芯片才能到达ISP，然后再以适于应用处理器的常规速度，来回传送直到经由ISP的I/F接口区块进行输出。

图3 Sony新开发配备DRAM的三层堆叠式CMOS图像传感器

图3是这种传感器运作原理的精简版；但在Sony发表的论文中有更详细的介绍，包括960fps如何成像以及慢动作的工作原理。

根据该论文解释，像素阵列位于裸晶的顶层，DRAM阵列和列驱动器位于中间，其余的区块则位于底部的ISP裸晶。我们尚未取得这三层裸晶的照片，但该论文中提供了一些图片。

图4 Sony的原理图中显示CIS、DRAM与ISP三层堆叠

Sony并指出，该CIS采用90nm工艺（1 Al / 5 Cu）技术制造，DRAM是1Gb、30nm的（3 Al / 1 W）元件，ISP元件（1 Al / 6 Cu）则采用40nm工艺。要将各种必要的功能加进相同尺寸的3个裸晶，而又不至于浪费芯片面积，无疑是一大挑战。

由于DRAM裸晶上还有CIS列驱动器，因此必须采用定制元件设计，而非我们在近年来看到以硅通孔（TSV）封装的商用DRAM。Sony的芯片横截面图并显示，裸晶中央有一层厚重的氧化物以及适于让TVS从上方CIS向下连接的接合焊垫。

图5 三层堆叠式图像传感器芯片横截面

我们还可以看到（在比例尺准确的前提下），CIS和DRAM裸晶基板已经被削薄至小于2.6μm了，这在背照式CIS（BI-CIS）是十分常见的，但却是我们所见过最薄的DRAM。从我们自己所拍摄的图像（图5）可证实CIS和DRAM的芯片厚度相同，而且也可以看到接合焊垫。

因此，接下来的问题就是——TSV如何在此堆叠中形成？我们的第一款芯片横截面才刚从实验室完成，看起来相当令人熟悉。CIS/DRAM的互连似乎是Sony上一代背照式BI-CIS元件中的TSV形式之一（图6）。

图6 CIS/DRAM互连采用上一代BI-CIS的TSV形式？

此处可看到两层TSV将CIS中看起来像6金属的堆叠连接至DRAM裸晶的M1。我们并未扩展TSV直接连接CIS与ISP的横截面图，不过也存在TSV穿过DRAM连接至ISP顶部金属的情形。

图7 CIS与ISP之间能以DRAM接合点进行连接？

CIS/ISP的连接似乎可以采用DRAM接合焊垫层作为互连，以避免在完整的堆叠形成后还得在两个裸晶间进行钻孔的挑战。

对于IMX400的进一步分析正持续进行中，随着时间的进展，我们很快地就能够掌握有关CIS本身及其封装堆叠的细节。以产业的观点来看，Sony可说是再次将手机摄像头的功能推至极限。不过，在今年稍晚将会出现的一大疑问是——我们将在下一代iPhone中看到这款感光元件吗？

延伸阅读：

《3D成像和传感-2017版》

《CMOS图像传感器产业现状-2017版》

《英特尔RealSense 3D摄像头与意法半导体红外激光发射器》

《联想Phab 2 Pro三维飞行时间（ToF）摄像头》

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