CIS|豪威0.56μm用于高分辨率应用的CIS传感器

babylemon828

引言

在之前的文章中《CIS|豪威200MP移动设备图像传感器技术论文解析》，我们介绍了豪威科技在移动端200Mega Pixels产品的技术论文，讲解了消费级CIS传感器的基本架构、工艺以及与车载应用不同之处，今天我们将继续借其下一代pixel size为0.56μm的技术论文，讲解其技术演变。在本文中，我们描述了一种在28nm工艺中实现的具有0.56?m像素的200M像素CMOS图像传感器。该像素技术是继我们的0.61?m像素之后的下一代发展。该传感器表现出5.5ke的全阱容量，暗电流和读取噪声比我们的上一代像素更低。此外，与我们的上一代像素相比，该传感器表现出类似的量子效率（QE）和相位检测自动聚焦（PDAF）性能。该传感器还实现多种功能，包括切换转换增益和高速读出。
1. Introduction

在CMOS图像传感器（CIS）领域，像素小型化推动了产品创新。在保持性能的同时，追求不断缩小像素大小，这是近年来CIS发展的基础。对高分辨率移动图像传感器的需求不断升级，移动CIS产品的分辨率在不到5年的时间内从24Mp提高到200Mp。尽管实现了低于可见光波长的像素间距缩放，但由于图像信号处理的逐步改进，始终实现了更好的图像质量。虽然像素缩小以较小的形状因子提供更高的像素数，但像素小型化和整体性能之间存在权衡，因为光接收面积的减少会导致CIS性能下降。高分辨率图像传感器几乎完全使用晶片堆叠来实现，其中像素和读出电路被分离到独立的晶片上。此外，高分辨率像素读出需要更多的选择线进行控制，这增加了电容，导致读出速率较低。双列选择能够在不增加位线数量的情况下实现快速像素binning，实现快速读出而无需额外电路。小像素图像传感器经常受到较低的全阱容量（FWC）的影响。因此，需要强大的隔离电位屏障来缓解这一问题。在本文中，我们提出了一种0.56?m像素、200MP堆叠CMOS图像传感器，该传感器使用新的CIS专用28nm工艺开发。缩小工艺节点释放了芯片空间，为其他设备和功能提供了空间，如可切换转换增益（SCG）和用于低噪声和高速读出的电路。这项工作中开发的0.56um像素在不牺牲暗性能的情况下实现了高FWC。与0.61?m的前代相比，在没有图像滞后或晕染的情况下获得了更高的FWC，而暗电流和白色像素（WP）保持可比性。该设备能够采用具有可切换转换增益的像素binning模式，提供高动态范围和FWC以产生更高的图像质量。共享浮动扩散（FD）用于16C binning模式以降低读取噪声。
2. 像素架构与技术

A. Pixel堆叠式工艺

本文讨论的0.56?m像素开发采用了一种新的、独联体专用的28nm像素工艺节点，而不是上一代设备中使用的45nm工艺节点。逻辑芯片遵循我们以前的小像素堆栈传感器中使用的40nm处理节点。与0.61?m像素设计相比，0.56?m-Pitch设备受益于由CIS专用28nm处理节点启用的增强设计灵活性。由于28nm节点保留了芯片空间，该设备实现了额外的行选择晶体管，以实现快速读取。额外的布局策略用于改善噪音性能和更高的FWC。下图显示了这项工作中使用的0.61?m（Figure 1a)和0.56?m(Figure 1b)之间的像素晶体管布局比较。


Pixel对比每个晶体管分别由浅沟隔离（STI）隔离，而每个像素分别由改进的背深沟隔离（BDTI）、最大限度地减少泄漏和光学串扰隔离。通过采用CIS专用28nm处理节点，每组像素实现并联SFS以增加SF宽度，该SFS与2排精选晶体管设计一起工作，以最大限度地提高大型200MP设备的读取。如果没有这样的策略，这样一个大型设备可能会阅读缓慢；实现了垂直传输门（VTG）结构，将光电二极管更深地转移到硅区域，28nm像素处理为晶体管在0.56?m间距像素的有限空间中的设计和放置提供了更大的灵活性。这还允许在像素内放置额外的晶体管，以支持高动态应用的可切换转换增益。

B. Pixel架构

像素阵列大小为200兆像素(16384(H)x12288(V))，其光学格式为1/1.395，像素间距为0.56?m。采用2x4共享像素架构，如下图中的电路示意图所示。


Pixel架构实现了一种新的2行选择晶体管设计，其中每个2x4共享像素由单独的控制信号RS0和RS1独立控制。在全尺寸或4单元模式中，RS0对左共享像素和右共享像素都是有效的，并且它们在FD处的信号通过两条独立的位线被单独地同时读出。在16C模式中，RS1对于左共享像素和右共享像素都是活动的，两个共享像素的RS1都连接到同一位线。交替行的RS1连接到单独的位线（下图中标记为“A”和“B”单元），保持两条位线的相同负载。


Readout这种交替的位线控制方案通过两条位线和两个列ADC读出两个16C binning的信号。这使得0.56?m器件的16C binning模式能够在不增加位线数量的情况下实现更快的读出速度。下表展示了0.61?m和0.56?m器件架构的比较:


性能对比C. QPD和滤色器模式

由于较小的片上透镜（OCL）填充因子，小间距像素遭受显著的QE退化。QPD，或具有2x2 OCL的Quad Bayer编码，是一种在2x2像素阵列中使用一个OCL和相同滤色器的设计，可产生高分辨率和高动态范围的图像传感器。QPD是改进小像素图像传感器量化宽松的一项重要技术，并在本工作中实现，如下图所示：


QPD
3. 实验结果

像素间距与FWC关系趋势图如下所示：


FWC趋势虚线表示通过基于1.0?m像素的简单像素面积缩放实现的FWC。空圆圈显示了我们上一代0.7?m和0.61?m技术的数据。0.7?m、0.61?m和0.56um器件显示的实际FWC远高于简单缩放预测的值。这种FWC增强是通过深光电二极管技术实现的，其中光电二极管电势位于更深的硅区域。通过采用该技术，0.56?m器件实现了5.5ke-FWC，没有滞后或开花。尽管我们增加了n型/p-型离子注入剂量，产生了更高的电场，但我们改进的BDTI技术减轻了表面缺陷的影响，实现了与上一代相当的暗电流和WP。其次，间距为0.61?m和0.56?m的器件之间的性能比较如下表：


性能对比可以看出0.56微米间距的像素在所有方面都比0.61微米间距的器件表现出更好的性能，包括非常低的噪声水平和相位检测自动聚焦（PDAF）性能。另外，光学QE性能对比结果如下所示：


QE可以看出0.56?m间距像素的QE和串扰比0.61μm间距的参考像素有所改善，同时图像质量保持一致。最后文末给出了在4单元模式下使用0.56um像素拍摄的彩色图像示例，如下所示：


Demo图像
4. 结束语

在这项工作中，我们开发了一种新的28/40nm 2亿像素堆叠图像传感器，像素间距为0.56?m。该器件实现了5.5ke的FWC，没有图像滞后或光晕，暗性能与上一代0.61?m间距的器件相当。在可见光范围内，我们展示了比0.61?m更好的QPD QE性能。采用双列选择布局来提高读出速度，而不添加电路（位线），从而与上一代设备相比，帧速率有所提高。启用了可切换转换增益，使0.56?m器件的16C的FWC比之前的0.61?m器件高出2倍。好了今天就到这里，希望今天可以给您带来对于传感器的更深的认知，喜欢的同学可以进行朋友圈分享以及点击文章在看。另外，对论文感兴趣的同学可以follow我的Github论文仓库，也可以加入知识星球以及交流群，获取一手行业资料~加入星球: