據麥姆斯諮詢報導，繼2019年CMOS圖像傳感器市場持續火爆之後，一些不可預見的全新挑戰正在悄然來臨。CMOS圖像傳感器是智慧型手機和其它產品拍照功能的核心傳感器，但現在正面臨著像素間距縮小相關的工藝難題。與所有晶片產業一樣，在新冠病毒疫情爆發期間，CMOS圖像傳感器的增長步伐也將有所放緩。
CMOS圖像傳感器製造的工藝問題
CMOS圖像傳感器採用8英寸和12英寸晶圓代工廠的成熟工藝製程，用於手機、汽車、消費電子產品、工業和醫療系統、安防攝像頭。配置雙攝像頭和多攝像頭的智慧型手機已是司空見慣，每個攝像頭均需要集成一顆CMOS圖像傳感器將光轉換為電信號以創建圖像。
智慧型手機搭載的CMOS圖像傳感器數量還將增加，為攝像頭賦予高解析度和豐富的功能。例如，三星最新款5G智慧型手機搭載了五個攝像頭，其中一個是基於1.08億像素（108MP）CMOS圖像傳感器的後置廣角攝像頭。這相當於要在如此小尺寸的晶片上集成超過1億的像素。根據TechInsights介紹，其用於自拍的前置攝像頭集成了一顆4800萬像素的CMOS圖像傳感器，像素間距為0.7µm，號稱全球像素間距最小的CMOS圖像傳感器。
CMOS圖像傳感器上集成了許多微小的光敏像素。像素間距指從一個像素中心到另一個像素中心的距離，以微米（µm）為單位。並非所有手機都需要配備最先進的CMOS圖像傳感器，也並非所有消費者都樂於用手機拍照。但不可否認，消費者對更多成像功能的追求不會停止。
UMC（聯華電子）營銷技術總監David Hideo Uriu表示，「從3G到4G，再到現在的5G，要求更高的帶寬數據性能，也帶動了對高質量攝像頭需求的增長。除此以外，對更高像素和更佳解析度的追求，都推動了CMOS圖像傳感器的市場熱潮。智慧型手機在紅外和近紅外光譜的生物識別、3D傳感、增強人類視覺等應用也逐漸得到關注。」
CMOS圖像傳感器廠商仍面臨一些挑戰。多年來，他們一直在為減小像素間距而努力。這樣，圖像傳感器的像素越多，解析度也越高。但是，隨著像素間距尺寸與光的波長越來越接近，像素縮小變得越來越困難。豪威科技（OmniVision）工藝工程副總裁Lindsay Grant表示：「現在研發團隊必須找到新方法來避免靈敏度降低和傳感器的串擾增加。」
另一種趨勢是CMOS圖像傳感器的像素大小保持不變，改進方向從減少像素尺寸轉向提高圖像質量。這個趨勢與用戶對更大手機螢幕、更佳拍照性能的需求一致，CMOS圖像傳感器的晶片尺寸則隨之增加。
儘管如此，圖像傳感器廠商已經找到了解決某些挑戰的方法。如：（1）採用新工藝：高K薄膜和其它製造技術。（2）晶片堆疊和互連技術，將兩顆不同功能的晶片堆疊起來並不是什麼新鮮事。但是新的互連方案，例如像素與像素互連（pixel-to-pixel）工藝還處於開發階段。
圖像傳感器市場動態
圖像傳感器主要分為兩種：CMOS圖像傳感器（CIS）和電荷耦合器件（CCD）。CCD是電流驅動器件，主要用於數位相機和各種高端應用。CMOS圖像傳感器則有所不同。據東電電子（TEL）官網信息：「CMOS圖像傳感器的每個像素都有一個光電二極體和一個CMOS電晶體開關，實現每個像素信號的放大。」
針對各種應用，CMOS圖像傳感器的格式、幀率、像素尺寸和解析度也各有不同。圖像傳感器分為全局快門（Global Shutter）和捲簾快門（Rolling Shutter）。例如，豪威科技最近推出的0.8µm 6400萬像素圖像傳感器，實現1/1.7英寸格式。該傳感器可提供靜態圖像捕獲和4K視頻性能，配備2x2微透鏡相位檢測自動（PHAF）對焦功能，可提高自動對焦精度，以每秒15幀（15fps）輸出6400萬像素畫面。
CMOS圖像傳感器廠商可分為兩個陣營：無晶圓廠（fabless）和IDM。IDM擁有自己的晶圓廠，而fabless公司則委託晶圓代工廠製造。無論哪種方式，在晶圓上完成圖像傳感器晶片後，都需要將其切割並進行封裝。
根據Yole稱，約有65%的圖像傳感器採用12英寸晶圓。「對安防、醫療和汽車等眾多應用來講，8英寸晶圓的CMOS圖像傳感器工藝製程仍然重要。」Lam Research（泛林半導體）戰略營銷部的總經理David Haynes說。
索尼（Sony）是CMOS圖像傳感器廠商的霸主，其次是三星（Samsung）和豪威科技。根據IC Insights透露，其它重要廠商包括夏普（Sharp）、安森美（ON Semi）、意法半導體（STMicroelectronics）、格科微（GalaxyCore）、海力士（SK Hynix）、松下（Panasonic）和佳能（Canon）。
根據IC Insights的數據，2019年CMOS圖像傳感器市場規模達到184億美元，相比2018年增長30%。「我們預測2020年CMOS圖像傳感器市場規模將出現負增長（下降3%），最終的市場規模約178億美元。受新冠疫情影響，手機和其它系統對CMOS圖像傳感器的需求下降，市場規模持續增長的曲線將出現拐點。」IC Insights的分析師Rob Lineback這樣預測。
智慧型手機是CMOS圖像傳感器的主要市場。2018年平均每部手機有2.5個攝像頭。「2019年，平均每部智慧型手機的攝像頭數量已增加到2.8個。我們看到，到2020年，每部智慧型手機將配備三個攝像頭。」Yole分析師Guillaume Girardin說。
不同智慧型手機廠商對攝像頭配置策略也不同。例如，蘋果iPhone 11 Pro後置三攝配置為：1200萬像素廣角 + 1200萬像素長焦 + 1200像素超廣角。三星的5G手機配置了五個攝像頭，包括四個後置攝像頭和一個前置攝像頭，其中一個為ToF攝像頭，用於手勢識別和3D物體識別。
攝像頭的高解析度不一定等同於能拍出更好的照片。「這是像素尺寸和解析度之間的博弈，」Girardin說，「像素減小意味著有更多像素。當解析度超過4000萬像素和5000萬像素時，捕獲細節的能力可能會超過肉眼。對於CMOS圖像傳感器來講，擁有更高的量子效率（QE）和信噪比的像素才是決定圖像質量優劣最重要的要素。」
未來，雖然智慧型手機無法取代專業攝影師的數碼單眼相機。但顯然，智慧型手機提供了比以往更多的功能。維易科（Veeco）產品營銷高級經理Ronald Arif表示：「5G能帶來更多帶寬和潛在的應用，例如體育賽事的8K流媒體現場直播，實時AR（增強現實）、VR（虛擬現實）、MR（混合現實）遊戲，這對手機用戶的吸引力是無窮的。最新5G手機中的攝像頭更加先進，整合了VCSEL的3D傳感功能，可用於自動對焦或任何場所（如客廳）的3D投影映射（3D mapping）。可以想像，深度映射功能、5G與先進攝像頭的組合會帶來豐富的新應用（app），例如遊戲、實時流媒體、遠程學習和視頻會議。」
近紅外（NIR）圖像傳感器是CMOS圖像傳感器廠商正在交付的創新產品。近紅外圖像傳感器可以探測到物體可見光譜之外的波長，專為在昏暗或黑暗環境中工作的應用而設計。豪威科技最新推出的近紅外技術Nyxel 2，使不可見的940nm近紅外光譜內量子效率提高25%，而在幾乎不可見的850nm近紅外波長處的量子效率提高17%。
索尼和Prophesee共同開發了基於事件的視覺傳感器。這類傳感器主要面向機器視覺應用，可在各種環境中探測到快速移動的物體。
像素尺寸縮小競賽
幾年前，CMOS圖像傳感器廠商之間所謂的像素縮小競賽就已拉開帷幕。這裡專指「像素間距」，即傳感器中像素之間的距離。目標是（並且仍然是）在給定時間內減小每一代產品的像素間距。較高的像素密度等於更高的解析度，但並非所有傳感器都需要較小的間距。
幾年前，CMOS圖像傳感器的像素間距為7µm。CMOS圖像傳感器廠商一直在致力於減小像素間距，但問題層出不窮。
CMOS圖像傳感器的結構非常複雜。頂層為微透鏡陣列，下一層是綠色、紅色和藍色陣列的彩色濾光片，接著是由捕獲光線的光電二極體和其它電路組成的有源像素陣列。
有源像素陣列由許多微小的單個感光像素組成。每個像素由光電二極體、電晶體和其它元件構成，像素大小以微米（µm）為單位。
像素尺寸越大的圖像傳感器，收集的光越多，信號越強。但圖像傳感器尺寸較大，會占用更多的電路板空間。像素尺寸較小的圖像傳感器，收集的光較少，但可以將更多的圖像傳感器封裝在一起，從而提高解析度。
在晶圓代工廠中，圖像傳感器的製造流程有幾種。其中一種簡單製造流程中，像素陣列已完成。製備流程從對襯底的正面處理開始。晶圓與載片（carrier）或操作晶圓（handle wafer）鍵合在一起。對頂層進行注入工藝，再進行退火。在頂部塗上抗反射塗層，再完成彩色濾光片和微透鏡陣列。在另一種簡單製造流程中，對矽襯底表面進行注入。在頂部形成擴散阱和金屬堆疊層。將晶圓翻轉，在背面刻蝕出溝槽，在溝槽的側壁進行隔離氧化層（liner）沉積並填充介電材料。最後在頂部完成濾光片和微透鏡陣列。
直到2009年，主流CMOS圖像傳感器均採用前照式（FSI）像素陣列結構。工作時，光線會照射到傳感器正面。微透鏡收集光並將其傳輸到彩色濾光鏡。光穿過互連的堆疊並被二極體捕獲。電荷在每個像素處被轉換為電壓，所有像素的信號被收集。
多年以來，在CMOS圖像傳感器廠商的努力下，經歷了多次疊代，像素間距不斷減小。據TechInsights稱，2006年像素間距為2.2µm，2007年就減小到1.7µm。
2008年，像素間距為1.4µm的FSI結構出現，再次打破了產業壁壘。約從2009年開始，CMOS圖像傳感器廠商開始採用一種新的結構：背照式（BSI）。BSI結構將圖像傳感器的光線入射方向從晶圓正面「反轉」至背面。當光線從矽襯底的背面進入，光子經過光電二極體的路徑更短，從而提高了量子效率。
BSI結構可以進一步縮小像素尺寸。Lam的Haynes解釋：「像素尺寸在1.2µm至1.4µm的範圍內，BSI技術可實現最佳像素尺寸，而堆疊式BSI可使這個像素尺寸範圍內的COMS圖像傳感器的占位面積保持在30平方毫米以下。亞微米尺寸的像素，可以實現四分之一像素格式，獲得超過4800萬像素的解析度。」
除了BSI技術，廠商還在對其它技術進行改進。圖像傳感器內的光電二極體（捕獲光的關鍵元件）也在縮小，但會降低效率。而且二極體靠得更近，會產生串擾。
在2010年左右，當像素間距達到1.4µm時，CMOS圖像傳感器廠商在製造工藝的創新方向又一次發生了改變：深溝槽隔離（DTI）。DTI工藝的目標是使光電二極體「長得更高」，從而增加單位面積的容量。為了實現DTI工藝，廠商依然採用BSI結構，並通過各種工藝增加光電二極體的「高度」，同時要求增加二極體周圍的矽的厚度。
不過，像素尺寸的縮小速度已經放緩。曾經有一段時間，CMOS圖像傳感器廠商踩著每年縮小像素尺寸的節奏前行。但是，據TechInsights稱，從1.4µm（2008年）演進到1.12µm（2011年），花了三年的時間，達到1µm（2015年）耗費了四年，此後過了三年才達到0.9µm（2018年）。
TechInsights分析師Ray Fontaine在近期的博客中談到：「總體來說，我們認為DTI和相關鈍化方案的開發，是導致1.12µm縮小到0.9µm進程緩慢的主要原因。」
最近，廠商已解決了這些問題。像素縮小競賽的緊張氣勢再次燃起。2018年，三星突破了1µm的技術壁壘，達到0.9µm；索尼在2019年達到0.8µm，在2020年又突破了0.7µm。
對於亞微米級像素，CMOS圖像傳感器行業需要更多的創新。Fontaine在最近的演講中講到「隨著像素的縮小，需要更厚的有源（矽）來保證光電二極體尺寸。厚（矽）是DTI和相關高K鈍化層的關鍵技術。」
用高K薄膜製造的圖像傳感器與上述傳統流程基本一致。不同之處在於，高K薄膜是沉積在DTI溝槽的隔離氧化層上面。
對於高K工藝和其它工藝，廠商在晶圓代工廠中採用兩種不同的方法：前DTI（F-DTI）和後DTI（B-DTI）。豪威科技的Grant解釋：「F-DTI使用多晶矽填充間隙，多晶矽的電壓偏置可以改善表面釘扎效應。F-DTI還可以進行更多的熱處理以減少蝕刻損傷。B-DTI採用帶負電荷的高K薄膜來積累電荷，在表面出現費米能級釘扎效應，從而抑制暗電流漏電。高K薄膜沉積採用原子層沉積（ALD）工藝完成。B-DTI通常使用氧化物填充間隙，也嘗試了金屬填充甚至空氣間隙，並已用於批量生產。」
像素縮小競賽會繼續進行嗎？Grant認為：「像素尺寸很有可能小於0.7µm。隨著像素縮小到0.7µm，需要優化的方面還很多。比如在B-DTI工藝中，對二極體的高能注入，彩色濾光鏡和微透鏡的光學結構縮小等關鍵項目仍將是發展重點。像素內電晶體和互連的基本設計規則需要更新。」
另一個問題是移動設備中圖像傳感器的像素間距正在接近光的波長。Grant說：「有些人可能認為這是像素尺寸的極限。例如，研發0.6µm的像素間距。它小於0.65µm（650nm）的紅光波長。因此可能會出現一個問題：『為什麼要縮小到亞波長？用戶會受益嗎？將像素縮小到亞波長意味著在像素級別空間解析度信息更有價值。』」
Grant指出，1.0µm像素的光學結構使用了許多亞波長特徵。「例如，用於抑制串擾的窄金屬網格和用於量子效率改善的窄介電側壁正在通過光的引導而進行改進。這種納米光學工程已在現有像素技術領域應用多年，所以縮小到亞波長並非革命。持續縮小的局限，可能來自用戶利益而不是技術。正是出於不斷發現像素縮小為最終用戶帶來價值的目的，才推動著這一趨勢。只有這樣，CMOS圖像傳感器技術的開發才會繼續支持這一方向。」
堆疊和互連技術
除了像素尺寸縮小以外，CMOS圖像傳感器還正在進行其它創新，例如晶片堆疊。廠商還使用不同的互連技術，例如矽通孔（TSV）、混合鍵合以及像素與像素互連（pixel-to-pixel）。
多年來，圖像傳感器都將像素陣列和邏輯電路集成於同一顆晶片。2012年，索尼推出了兩層堆疊式圖像傳感器。晶片堆疊使廠商可以將傳感功能和處理功能拆分到不同的晶片。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，索尼開發了90nm工藝的像素陣列晶片。該晶片堆疊在一顆65nm圖像信號處理器（ISP）晶片上，該晶片提供處理功能。然後將兩顆晶片互連。
最終，其它廠商轉向了類似的晶片堆疊方案。通常，頂部像素陣列晶片採用成熟節點工藝。底部ISP晶片的工藝節點涉及65nm、40nm和28nm。14nm FinFET（鰭式場效應電晶體）技術正在研發中。
在2018年，三星和索尼同時開發了三層堆疊式圖像傳感器。例如，在索尼的CMOS圖像傳感器產品系列的一種版本中，DRAM（動態隨機存取存儲器）單元位於圖像傳感器和邏輯電路層之間。嵌入式DRAM可實現更快的數據讀取。
除了晶片堆疊之外，廠商還開發了不同的互連方案，該方案將一顆晶片與另一顆晶片互連。最初，豪威科技、三星和索尼使用矽通孔（TSV）技術。2016年，索尼轉向了一種稱為「銅混合鍵合」的互連技術。三星仍處於TSV陣營中，而豪威科技則同時採用TSV和混合鍵合兩種工藝。
在混合鍵合中，使用銅-銅互連連接管芯。在晶圓廠中對兩片晶圓進行處理，一片是邏輯電路，另一片是像素陣列。使用電介質-電介質鍵合（dielectric-to-dielectric bond）將兩片晶圓鍵合在一起，然後完成金屬與金屬的互連。
TSV和混合鍵合均可實現精細的像素間距。Lam的Haynes說：「在CMOS圖像傳感器像素和邏輯電路兩片晶圓堆疊的BSI結構，TSV和混合鍵合可能會繼續共存。但是隨著多層堆疊BSI圖像傳感器的發展，TSV集成將變得越來越重要。」
談起其它技術趨勢。KLA（科天）營銷高級總監Steve Hiebert說：「將來，我們有望看到與CMOS圖像傳感器晶片堆疊相關的兩種趨勢。首先是進一步縮小像素間距，以實現更高的晶片互連密度。另一種是三個或更多器件的堆疊。」
pixel-to-pixel互連將是未來的「重磅炸彈」。Xperi正在開發一種稱為「3D混合BSI」的技術，用於像素級集成。索尼和豪威科技已經展示了這項技術。
Xperi產品營銷高級總監Abul Nuruzzaman說：「3D混合BSI可以實現更多的互連。實現每個像素與關聯的模數轉換的像素級互連。這允許對所有像素進行並行的模數轉換。該連接提供了堆疊像素層和邏輯電路層之間的高密度電氣互連，從而實現了與有效百萬像素數量一樣多的模數轉換器。混合鍵合還可以將堆疊式內存中的專有內存與對應像素的互連。」
這種架構支持大規模並行信號傳輸，從而可以高速讀取和寫入圖像傳感器的所有像素數據。Nuruzzaman表示：「這可以為對時間要求非常嚴苛的各種應用（例如自動駕駛汽車、醫學成像和高端攝影）提供實時比例縮放像素的全局快門和高解析度成像。」
結論
顯然，CMOS圖像傳感器市場是動態變化的。在新冠疫情爆發期間，對於CMOS圖像傳感器廠商而言，2020年將是艱難的一年。
儘管如此，市場上還會湧現創新浪潮。IC Insights的Lineback表示：「嵌入式CMOS圖像傳感器和攝像頭在安防、安全、基於視覺的用戶介面和識別、物聯網、自動駕駛汽車和無人機等更多系統中的應用前景依然可期。」
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