Sony三層堆疊式CMOS圖像感測器揭密

在今年二月舉行的國際固態電路會議（ISSCC）期間，Sony宣布推出「業界首款配備DRAM的三層堆疊式CMOS圖像感測器」，這款型號為IMX400的三層堆疊式感光元件（Exmor RS）是專為智能手機而打造的。

為了加速圖像信息處理，業界多年來一直流傳著在互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像感測器中配備嵌入式動態隨機存儲器（DRAM）的種種消息，但至今尚未看到任何相關產品投入生產或實際上市。

Sony在ISSCC會議上發表的研究論文揭露了新款感光元件的相關細節，它確實看來像是真有那麼回事，這當然馬上引起了我們在TechInsights的圖像感測器專家們的關注。接著，Sony在其後舉行的全球移動通信大會（Mobile World Congress；MWC）確認了該元件的生產狀況，並宣布其Xperia XZ Premium和Xperia XZ兩款旗艦級智能手機搭載了具有960fps畫面更新率的Motion Eye攝像頭模組。

我們儘可能地在Xperia XZ手機一上市就立刻入手，並橫切其後置攝像頭晶元進行觀察。沒想到它真的是三層堆疊的感光元件！這款CMOS圖像感測器（CIS）被面對背地安裝在DRAM上，使得DRAM與圖像信號處理器（ISP）面對面接在一起。

圖1 Sony三層堆疊式CMOS圖像感測器的晶元橫截面

然而，我們似乎是超之過急了，因此，讓我們先來看看Sony的新聞稿以及在ISSCC發表的論文細節吧！

圖2 Sony CMOS圖像感測器的信號路徑方塊圖

Sony在其較早的1930萬像素圖像感測器中使用雙模擬/數字轉換器（ADC），為像素信息進行數字化。而今，該公司使用4層ADC的結構提高讀取速度，同時也改善了處理能力。DRAM則用於暫時儲存高速資料，然後再以感測器介面的最佳速率輸出。該設計使其能以1/120秒讀取1930萬像素的靜態圖像，而在影片模式下可達到1000fps的畫面更新率，較以往產品的靜態圖片與動態影片分別提高了4倍和8倍的速度。

由於在CIS和ISP之間加進了DRAM夾層，高速資料必須經過存儲器晶元才能到達ISP，然後再以適於應用處理器的常規速度，來回傳送直到經由ISP的I/F介面區塊進行輸出。

圖3 Sony新開發配備DRAM的三層堆疊式CMOS圖像感測器

圖3是這種感測器運作原理的精簡版；但在Sony發表的論文中有更詳細的介紹，包括960fps如何成像以及慢動作的工作原理。

根據該論文解釋，像素陣列位於裸晶的頂層，DRAM陣列和列驅動器位於中間，其餘的區塊則位於底部的ISP裸晶。我們尚未取得這三層裸晶的照片，但該論文中提供了一些圖片。

圖4 Sony的原理圖中顯示CIS、DRAM與ISP三層堆疊

Sony並指出，該CIS採用90nm工藝（1 Al / 5 Cu）技術製造，DRAM是1Gb、30nm的（3 Al / 1 W）元件，ISP元件（1 Al / 6 Cu）則採用40nm工藝。要將各種必要的功能加進相同尺寸的3個裸晶，而又不至於浪費晶元面積，無疑是一大挑戰。

由於DRAM裸晶上還有CIS列驅動器，因此必須採用定製元件設計，而非我們在近年來看到以硅通孔（TSV）封裝的商用DRAM。Sony的晶元橫截面圖並顯示，裸晶中央有一層厚重的氧化物以及適於讓TVS從上方CIS向下連接的接合焊墊。

圖5 三層堆疊式圖像感測器晶元橫截面

我們還可以看到（在比例尺準確的前提下），CIS和DRAM裸晶基板已經被削薄至小於2.6μm了，這在背照式CIS（BI-CIS）是十分常見的，但卻是我們所見過最薄的DRAM。從我們自己所拍攝的圖像（圖5）可證實CIS和DRAM的晶元厚度相同，而且也可以看到接合焊墊。

因此，接下來的問題就是——TSV如何在此堆疊中形成？我們的第一款晶元橫截面才剛從實驗室完成，看起來相當令人熟悉。CIS/DRAM的互連似乎是Sony上一代背照式BI-CIS元件中的TSV形式之一（圖6）。

圖6 CIS/DRAM互連採用上一代BI-CIS的TSV形式？

此處可看到兩層TSV將CIS中看起來像6金屬的堆疊連接至DRAM裸晶的M1。我們並未擴展TSV直接連接CIS與ISP的橫截面圖，不過也存在TSV穿過DRAM連接至ISP頂部金屬的情形。

圖7 CIS與ISP之間能以DRAM接合點進行連接？

CIS/ISP的連接似乎可以採用DRAM接合焊墊層作為互連，以避免在完整的堆疊形成后還得在兩個裸晶間進行鑽孔的挑戰。

對於IMX400的進一步分析正持續進行中，隨著時間的進展，我們很快地就能夠掌握有關CIS本身及其封裝堆疊的細節。以產業的觀點來看，Sony可說是再次將手機攝像頭的功能推至極限。不過，在今年稍晚將會出現的一大疑問是——我們將在下一代iPhone中看到這款感光元件嗎？

延伸閱讀：

《3D成像和感測-2017版》

《CMOS圖像感測器產業現狀-2017版》

《英特爾RealSense 3D攝像頭與意法半導體紅外激光發射器》

《聯想Phab 2 Pro三維飛行時間（ToF）攝像頭》

《蘋果iPhone 7 Plus後置雙攝像頭模組》

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