堆栈式cmos

2021年5月4日11:02:58堆栈式cmos已关闭评论 223

堆栈式CMOS,英文名称叫做"Stacked CMOS",也可以翻译为"积层式CMOS",实际上这些概念指的是同一种东西。

堆栈式CMOS首次发布还是在2012年8月下旬,国内首次应用就是在OPPO Find 5上面。Find 5是第一个吃螃蟹的产品,开创了堆栈式CMOS正式商用的先河,仅从发展意义上来看,Find 5是值得肯定的。

原理特点

堆栈式cmos

Exmor RS CMOS的特点是高像素化、高性能化以及小型化。

Exmor RS CMOS的原理是,它使用有信号处理电路的芯片替代了原来背照CMOS图像传感器的支持基板,在芯片上重叠形成背照CMOS元件的像素部分,从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺。由于像素部分和电路部分分别独立,因此像素部分可针对高画质优化,电路部分可针对高性能优化。

堆栈式cmos

 

 

名词:层积式CMOS

别名:堆叠式CMOS、堆栈式CMOS

英文:Stacked CMOS

虽然英文Stack确实有“堆栈”的意思,但Stacked CMOS的结构与编程中的“堆栈”数据结构没有半毛钱关系。不过,“堆栈式CMOS”这个名词已经被各大手机厂商炒火了,我们现在再强调翻译的正确性也没有太大作用。

堆栈式cmos

堆栈式cmos最先出现在索尼推出的移动终端用CMOS上。堆叠式出现的初衷其实不是为了减少整个镜头模组的体积,这个只是其附带好处而已。

CMOS的制作和CPU的制作类似,需要特殊的光刻机对硅晶圆进行蚀刻,形成像素区域(Pixel Section)和处理回路区域(Circuit Section)。像素区域就是种植像素的地方,而处理回路顾名思义,就是管理这一群像素的电路。

堆栈式cmos

为了提高像素集合光的效率,需要引入光波导管。光波导管的干刻过程中,硅晶圆和像素区域会有损伤,此时则要进行一个叫做“退火(annealing process)”的热处理步骤,让硅晶圆和像素区域从损伤中恢复回来,这时候需要将整块CMOS加热。好了,问题来了,这么一热,同在一块晶圆上的处理回路肯定有一定的损伤了,原先已经“打造”好了的电容电阻值,经过退火后肯定改变了,这种损伤必定会对电信号读出有一定影响。

还有一个问题,索尼目前建有的移动终端用CMOS的制程是65纳米干刻,这个65纳米的工艺对于CMOS的像素区域的“种植”是完全足够的。但是处理回路区域的“打造”,65纳米是不够的,如果能有30纳米(实际提升至45nm制程)的工艺去打造电路,那么处理回路上的晶体管数量就几乎翻番,其对像素区域的“调教”也就会有质的飞跃,画质肯定相应变好。但因为是在同一块晶圆上制作,像素和回路区域需要在同一个制程下制作。

如此鱼和熊掌不可兼得的事情,假如解决了多好!于是索尼的工程师打起了晶圆的基板的主意。

先来看这张结构图。原来处理回路是和像素区域在同一块晶圆上打造的。

堆栈式cmos

那么不妨把处理回路放到其它地方去。首先利用SOI和基板的热传导系数差异,通过加热将两者分开。像素区域放到65纳米制程的机器上做,处理回路则放到制程更高(45nm)的机器上做。然后在拼在一起,堆栈式CMOS也就这样诞生了。

上边遇到的两个问题:①像素“退火”时回路区域躺着中枪;②在同一块晶圆上制作时的制程限制;均迎刃而解了。

堆栈式cmos不仅继承了背照式的优点(像素区域依然是背照式),还克服了其在制作上的限制与缺陷。由于处理回路的改善和进步,摄像头也将能提供更多的功能,比如说硬件HDR,慢动作拍摄等等。

像素与处理回路分家的同时,摄像头的体积也会变得更小,但功能和性能却不减,反而更佳。像素区域(CMOS的尺寸)可以相应地增大,用来种植更多或者更大的像素。处理回路也会的到相应的优化。

堆栈式CMOS使用有信号处理电路的芯片代替感光组件的电路部分及支持基板,使得设备有极大的空间,在此形成更多的像素部分,同时采用堆栈的方式使像素部分和电路芯片重叠,堆栈的两层相互依赖,像素层与模拟逻辑芯片无需再互抢所占空间,两者相互独立,可单独提高像素质量及电路性能。

堆栈式CMOS的优点

堆栈式cmos

堆栈式cmos传感器是由背照式所发展而成的,背照式传感器是将感光层的光电二极管的位置换了一下,而堆栈式cmos传感器则是把信号回路位置互换。而且,堆栈式cmos传感器比背照式的的体积更加小,画质方面也是作了更加好的优化。

除此之外,堆栈式cmos传感器相比起背照式的还拥有两项技术来提升画质的。

第一个就是堆栈式传感器加入了RGBW的编码技术,就是是由原来的R(红),G(绿),B(蓝)三原色像素点中再加入W(白)像素点来提升画质,提高传感器的感光能力的,使摄像头在暗光环境下也能够拍摄出质量更高的照片。

堆栈式cmos 堆栈式cmos

第二项就是堆栈式传感器更加是支持硬件HDR功能,硬件HDR英文名称叫做“In-camera HDR”,它实现的原理是能够精确地单独控制每一行像素的曝光时间,从而在传感器层面上就实现原生的高动态范围渲染,有别于之前的软件HDR技术一样需要软件,照相机综合算法来合成,所以照片生成的速度更快,而且可以实现HDR录像。

从以上的介绍可以看出,堆栈式cmos传感器是从背照式传感器进化提升而来的产品,也是由背照式的基础上发展而来的,堆栈式cmos传感器吸取了背照式的优势地方,再弥补了其劣势的地方,进行了更加全面的优化升级。除此之外,堆栈式cmos传感器还可以兼顾背照式结构的设计,使到摄像头的拍摄画质有了很大的提高。

所以到现在,越来越多的手机生产厂商推出的手机的摄像头采用了堆栈式传感器,凭借更优秀的表现,堆栈式cmos传感器将会成为日后手机摄像头的主流。