[经验]

浅析CMOS Sensor

2019-9-19 09:05:08

6694 CMOS 转换器

图像传感器（Image Sensor ）是一种半导体芯片，其表面包含有几十万到几百万的光电二极管。光电二极管收到光照射时，就会产生电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。目前有两种类型：一种是CCD（Charge Coupled Device电荷耦合器件）；另外一种是CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor 互补金属氧化物导体)

应用范围：

输出格式：

RGB格式:采用这种编码方法，每种颜色都可用三个变量来表示红色、绿色以及蓝色的强度。每一个像素有三原色R红色、G绿色、B蓝色组成。
YUV格式:是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法，属于PAL。其中“Y”表示明亮度(Luminance或Luma),就是灰阶值；而“U”和“V”表示色度。(Chrominance或Chroma),是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。
RAW DATA格式:是CCD或CMOS在将光信号转换为电信号时的电平高低的原始记录，单纯地将没有进行任何处理的图像数据，即摄像元件直接得到的电信号进行数字化处理而得到的。

结构分为两种：FSI和BSI
FSI是指光从正面入射进入感光区，BSI是指光从背面入射进入感光区。前和背对应的是半导体制成工艺的front-end-of-line (FEOL)和back end of line (BEOL)。其实就是说半导体加工后段制程sensor金属连接布线。

透镜排在传感器的顶部，透镜、光接收部分和光电二极管之间均有配线。斜射入传感器的光会被这些配线挡住，部分反射到直射入的光上，导致整体的感光度降低。

BSI型
透镜固定在平面衬底的后侧，将光直接传递到光电二极管。不会受到配线的干扰，可提高感光度和整体性能。
FSI为目前图像传感器所采用的主流威廉希尔官方网站，具有已获证实的大批量生产能力、高可靠性和高良率以及颇具吸引力的性价比等优势，大大推动了其在手机、笔记本电脑、数码摄像机和数码相机等众多领域的应用。这些优势，再加上高性能特性，使得这种威廉希尔官方网站具有独特的成本、性能和价值定位，未来应用有望进一步扩展。
不过，由于光波长不变，像素不断缩小，FSI威廉希尔官方网站存在其物理局限性。为了解决这个问题，最近推出的一些新威廉希尔官方网站从背面对传感器进行照明，即采用背面照度威廉希尔官方网站 (BSI)，从而有效去除了光路径上的读取电路和互连。BSI威廉希尔官方网站拥有得到更高量子效率(QE)的潜在优势，前景十分诱人。但同时也带来了更高成本、更大串扰和制造挑战等问题，这意味着只要FSI图像传感器还能够满足当前市场的性能要求，推迟向BSI的过渡也许是有利的。如今，BSI威廉希尔官方网站仅仅开始用于制造对传感器成本提高并不是特别敏感的高端消费类相机等产品。

FSI的优点
FSI按照半导体制造流程而设计。对pixel而言，光是从前面的金属布线之间进入，然后再聚焦在感光区域photodiode上。对于较大的像素，FSI的性能还是可以满足要求。因为pixel的optical stack高度与像素面积之比不大，感光面积也相对可以保证。优点在于FSI制造工艺简单，成本低、良率高。与BSI相比，FSI对制造工艺要求较低。
FSI的缺点
随着pixel尺寸的缩小的，fill factor小、光学路径长、金属布线反射吸收损耗大等，都限制了sensor的性能。
BSI是做好前段工艺后，晶圆（wafer）翻转、bonding、减薄，然后在背部做color filter, micro lens。
BSI的优点
BSI的主要优势是能够使电气组件与光线分离，使光路径能够被独立地优化，避免了FSI金属布线层吸收、反射。并且BSI pixel内optical stack大大减小。BSI与FSI相比，fill factor大，几乎可达到100%。因此BSI能够获得更高的QE（量子效率）。
BSI结构大大减小了optical stack的厚度，因此对入射角度的要求也会更加友好。下图中我们可以看到1.4um pixel尺寸，BSI结构相对FSI结构可以改善lens shading 40%。

BSI的缺点
但BSI工艺复杂、难度高。早期BSI发展早期良率会是一个很大的障碍。但随着半导体工艺的发展，BSI的工艺也越来越成熟。良率上升也会比较快
由于BSI芯片形式是背面在上，因此光线会直接照射光电二极管附近的硅体材料。由于漫射到邻近像素或在背面界面的漫射与入射光线重新汇合，光线会容易形成串扰。不过这些在业界目前已经能够通过改善芯片背面的处理来解决了。