成功消费类数字成像产品的实现技术调查(第1部分:PDAF)

发布时间:2017年6月13日
贡献作者：Ray Fontaine

今年的IISW是这个两年一次的会议的十周年纪念，也是TechInsights出席研讨会的十周年纪念。2007年，Don Scansen以半导体见解的名义参加了会议，并就图像传感器的趋势做了一个海报演讲。Chipworks参加并做口头报告2009，2011，2013，2015现在techhinsights和Chipworks的合并已经完成，2017年再次更名为TechInsights。

该讲习班本身是ieee主办的关于ccd和先进图像传感器的讲习班的扩展，该讲习班可以追溯到1986年。这是一场成像技术专家的聚会，在口头报告之后，会有大量的时间进行问答，从而营造出真正的研讨会氛围。组织有180人参加的研讨会是一个不小的壮举，这是对董事会、技术项目主席/委员会和赞助商的巨大荣誉，他们都在业余时间经营研讨会。

2017年的论文计划在2017年8月的某个时候在imagesensors.org网站上发布。在那之前，我们认为在一系列博客帖子中分享TechInsights论文的部分内容和选定的演示材料是值得的。第一个贡献将集中在相位检测自动聚焦(PDAF)系统，接下来的几周将是芯片堆叠和像素隔离结构。闲话少说，第一部分:

成功消费类数字成像产品的实现技术调查(第1部分:PDAF)

小像素移动相机系统的图像质量和定制功能继续给智能手机带来真正的产品差异化。近年来，相位检测自动对焦(PDAF)像素、像素隔离结构、芯片堆叠等技术元素对移动相机性能的显著提高做出了贡献。其他成像应用继续受益于小像素的开发努力，因为铸造厂和IDMs将前沿技术转移到用于新兴成像和传感应用的有源像素阵列。

索引项- cmos图像传感器，通过硅via, Cu-Cu混合键合，直接键合互连，均质晶圆键合(氧化键合)，堆叠芯片，相位检测自动聚焦，图像信号处理器

我的介绍。

CMOS图像传感器(CIS)像素缩放已经接近尾声，事实上，一些智能手机相机开发团队已经扭转了像素缩放的竞争，转而支持更大的像素，并增加了全井容量。然而，图像传感器技术的发展步伐似乎正在加快。芯片堆叠时代正在顺利进行，并在制造和系统分区方面提供了更大的灵活性。最先进的智能手机摄像头芯片的像素间距可达1.0µm，分辨率最高可达2300万像素。双摄像头越来越受欢迎，包括有双前后摄像头的产品。PDAF系统现在采用三种截然不同的互补技术:对比度、相位和激光辅助测距。在芯片层面，直接键合互连(DBI)和深沟槽隔离(DTI)技术的发展促进了最近堆叠成像芯片实现的性能提高。

2针对PDAF

传统的无源AF系统依赖于仅对比度技术，直到将局部掩蔽PDAF像素孔径添加到有源像素阵列，以促进混合(对比度和相位)AF系统。幸运的是，到目前为止，几乎所有观测到的PDAF掩模像素在芯片制造过程中几乎不需要额外的处理，只需要将现有结构重新用于PDAF像素孔径掩模。

半掩模和可变像素孔径窗口大小的示例已在使用中发现，其中相邻PDAF像素对仅被50%掩模。这两种类型的屏蔽PDAF像素的早期趋势是将它们部署在活动像素阵列的相对较小的中心区域内，或者作为线性阵列（PDAF像素对的周期行）。如今，字幕产品中的遮罩像素PDAF阵列占据主机活动像素阵列的90%以上，并且显示出一种密度一代比一代增加的趋势。

针对PDAF里程碑

A.正面照明ccd中的蒙面PDAF

混合PDAF系统是由FujiFilm在2010年7月的新闻发布会上介绍到相机市场的。FinePix Z800EXR采用了混合AF系统，AF性能为0.158 s[1]。这款由东芝制造的正面照明电荷耦合器件(CCD)成像仪在一个矩形PDAF子阵列中使用了两个32像素的金属半掩模，该子阵列占据了有源像素阵列[2]中心~7%的位置。在CCD结构中，基于w的屏蔽金属已经在传统CCD中使用，在光电二极管(PD)区域上方形成PDAF半掩模。

在前置发光CMOS中蒙面PDAF

半掩面前置发光CMOS PDAF像素首次出现在尼康V1中，于2011年9月发布[3]。aptina来源的芯片以PDAF像素为特征，实现了9个线性阵列，在有源像素阵列[4]上配置为均匀间隔的行。PDAF像素行段均为绿色通道像素，孔径掩模在金属1 (Cu)中实现。行段内具有右/左遮罩的交替像素。

2012年，随着佳能的混合CMOS AF系统在EOS 650D[5]上出现了可变孔径掩模。EOS 650D是PDAF阵列[6]中使用清晰替换滤波器增强的标准拜耳RGB模式的第一个已知实例。在选定的红色和蓝色通道中实现了清晰的PDAF像素。在所有PDAF像素的金属2 (Al)互连中使用了均匀的垂直孔径掩模，推测是为了降低清晰通道像素的填充因子。至少有三种不同风格的金属1水平孔径掩模在至少六种不同的PDAF对布局中被注意到，该布局占据了约7%的有源像素阵列的中央“+”形区域。

用于PDAF的前照像素光圈遮罩已在Aptina（ON Semiconductor）、佳能、松下、三星和索尼生产的芯片中使用。孔径掩蔽的互连级别偏好因制造商而异，并且已在所有级别的像素后端（BEOL）互连中注意到。最近，发现一块来自奥林巴斯OM-D E-M1 Mark II的索尼芯片在PD区域正上方使用了一种局部W屏蔽金属[7]。

C.背面发光CMOS中的蒙面PDAF

背光PDAF像素的像素孔径掩蔽技术出现于2013年，首次在富士X20[8]中观察到。该芯片由东芝公司制造，采用X-Trans CMOS II色滤光片阵列。矩形PDAF子阵列覆盖了约13%的有源像素阵列[9]。在一个行段内6个绿色通道像素中的2个被后面的孔径网格金属(Al)半遮罩。PDAF像素被实现在四行中。

2016年5月，TSMC在OmniVision PureCel Plus-S平台[10]上制作了OmniVision OV16880，发现了第一代1.0 μ m掩模、背光PDAF像素。背光屏蔽PDAF系统已经在OmniVision、三星、索尼和东芝的芯片中得到了应用。尽管铝栅格/掩模金属也很常见，但收入市场份额领先者倾向于在背光芯片上使用W金属光圈栅格金属。2015年，索尼Xperia Z5的混合AF系统，结合了掩体PDAF，据报道有0.03 s的AF速度[11]。

第一台双PD PDAF

D.基于双pd的像素PDAF

鉴于屏蔽PDAF系统的损耗特性，2013年7月佳能宣布其EOS 70D[12]双CMOS AF系统时，出现了第二种PDAF。这种新方法的特点是每个照片点都有两个正面照明的PDs(每个像素光圈/滤色片有两个PDs)。虽然所有像素都具有相同的双PD结构，但只有中央~80%被分配给AF系统。

2016年3月，三星发布了为Galaxy S7智能手机[13]开发的背光双PD系统(dual Pixel)。这些1.4µm生成的双PD像素可作为AF点在100%的有源像素阵列。三星双像素技术的变体在三星和索尼的Galaxy S7芯片中都得到了应用[14,15]。在这两个版本中，PD对被部分深度后向DTI (B-DTI)结构隔离，以减少衬底内的串扰。除了索尼的传统B-DTI结构外，三星的版本还采用了用于绿色和蓝色通道双pd的2x2 B-DTI子阵列。

佳能、三星和索尼的双PD系统采用标准的拜耳模式RGB彩色滤光片阵列。

e .双重针对PDAF

这是一个合理的假设，掩蔽PDAF和双pd基系统都可能在低光条件下表现出性能下降。在掩蔽PDAF的情况下，与非掩蔽的邻居相比，部分掩蔽孔径的低填充因子导致光子损耗。在双PD的情况下，双PD需要相互隔离和周围的结构。与在相同像素尺寸下实现的单个PD相比，额外的隔离会降低井的全产能。

最近的背光索尼芯片已经被发现使用一种新型的PDAF系统，可以描述为无损。苹果iPhone 7 Plus中的1.0µm像素代Exmor RS芯片使用1x2微透镜结构，在选定的绿-蓝行[16]中超过8个像素对中的2个。宽微透镜覆盖拜耳图案的绿色滤光片和邻近蓝色位置的绿色替换滤光片。在一个8x8像素块中，64像素中的两个使用这种透镜结构，这些块分布在约95%的有源像素阵列上。类似的1x2微透镜的实现在Oppo R9s的索尼IMX398中被发现，并被称为“双PDAF”[17]。

表1。值得注意的PDAF系统插入日期和配置

参考文献

[1]富士胶片新闻发布，2010年7月21日。
[2] “Fujifilm MS3961芯片标记12.0 MP，1.6μm像素大小CCD图像传感器，来自Fujifilm FinePix Z800EXR聚焦技术分析（FTA）报告”，IPR-1009-801-01，-03，-04，-052010年10月。
[3]尼康新闻发布会，2011年9月
“Aptina MT9J007C1HS 1200万像素(10.1万像素有效)CMOS图像传感器与DR-Pix™技术，来自尼康V1相机成像仪过程审查”，知识产权-1110-804,2011年12月。
[5]佳能EOS 650D新闻稿，2012年6月。
[6] " Canon LC1270 18.0 MP, 4.3 μm Pixel Size, APS-C Format CMOS Image Sensor from Canon EOS Rebel T4i (EOS 650D/EOS Kiss X6i) "，知识产权-1206-802,2012年8月。
[7] " Sony IMX270, Micro Four Thirds, 20.4 MP Resolution, 3.3µm Pixel Pitch，正面照明" Live MOS " CMOS Image Sensor from Olympus OM-D E-M1 Mark II MILC "， DEF-1703-802, 2017年4月
[8]富士新闻发布，2013年1月。
[9]“Toshiba tcm512cl CMOS Image Sensor from Fujifilm X20 Device Essentials Summary”，DEF-1311-803, 2013年11月
[10] “OmniVision OV16880，1/3.06”格式，16 MP分辨率，1.0μm像素间距堆叠（PureCel Plus-S）背照式CMOS图像传感器”，DEF-1606-8042016年8月。
[11] 索尼Xperia Z5产品页，2015年10月。
[12] 佳能EOS 70D新闻稿，2013年7月。
[13]三星新闻发布会，2016年3月。
[14] " Samsung S5K2L1, 1/2.6 "格式，12mp分辨率，1.4 μm像素间距背光堆叠ISOCELL CMOS图像传感器，三星Galaxy S7(型号SM-G930FD) "， DEF-1603-804, 2016年4月。
[15] " Sony IMX260 12mp, 1.4 μm Pixel Pitch Stacked BI CIS with DBI and Full Chip PDAF from Samsung Galaxy S7 edge after - facing Camera Imager Process Review "，知识产权-1603-802,2016年5月16日。
[16]“索尼12mp分辨率，1.0 μm像素生成叠加(Exmor RS)背光CMOS图像传感器，iPhone 7 Plus远摄iSight相机”，DEF-1612-801, 2017年1月。
[17] Oppo R9s登陆页面，2016年10月。