堆栈式 CMOS、背照式 CMOS 和传统 CMOS 传感器的区别

堆栈式 CMOS、背照式 CMOS 和传统 CMOS 传感器有何区别

光电效应

光电效应的现象是赫兹（频率的单位就是以他命名的）发现的，但是是爱因斯坦正确解释的。简单说，光或某一些电磁波，照射在某些光敏物质会产生电子，这就是光电效应。

这就将光变为了电，光信号的改变会带来电信号的改变，因此，人们利用这个原理，发明了感光元件。

我们熟知的感光元件有两种，一种是CCD，一种是CMOS。早期的CMOS比CCD差的非常多，但随着工艺的发展，现在CMOS的质量已经发生了质的飞跃，并且CMOS价格便宜，功耗性能好。

sensor 结构技术

传统（前照式）CMOS、背照式（Back-illuminated）CMOS、堆叠式（Stacked）CMOS

工艺差异

最大最基础的差别就在于其结构。影响最终成像效果不仅仅靠CMOS，还需要考虑镜头以及拍照算法等。其实并不是越先进的结构也一定更好，这得看用了什么工艺（比如180nm沉浸式光刻还是500nm干刻）和技术（比如索尼“Exmor”每列并列独立的模拟CDS+数模转换+数字CDS的标志性的降噪读出回路）。

优异的工艺和技术可以使得即便不使用更新结构的CMOS，同样拥有更好的量子效率、固有热噪声、增益、满阱电荷、宽容度、灵敏度等关键型指标。在相同技术和工艺下，底大一级的确压死人。人类的进步就是在不断发现问题，解决问题。背照式以及堆栈式CMOS的出现，也是为了解决之前CMOS的种种问题。

传统（前照式）CMOS

对比一下前照式和背照式的横剖对比图示：

传统的CMOS是图中左边的“前照式”结构，一般的CMOS像素都由以下几部分构成：片上透镜（microlenses）、彩色滤光片（On-chip color filters）、金属排线（电路层）、光电二极管（Photodiodes）以及基板。当光线射入像素，经过了片上透镜和彩色滤光片后，先通过金属排线层，最后光线才被光电二极管接收。

微透镜是在每个CMOS的物理像素上的极小的凸透镜，用来汇聚光线。

彩色滤光片能将入射光颜色以RGB的模式分解，我们有时听到的拜耳排列，就是这些滤镜的排列方式。如最经典的RGGB排列等。

金属排线，通常有好几层，主要是传输信号用的。

光电二极管，也就是对于CMOS，真正的发生光电效应的感光部分。

大家都知道金属是不透光的，而且还会反光。所以，在金属排线这层光线就会被部分阻挡和反射掉，由于工艺限制，光在穿过金属电路层后，到达光电二极管时只有70%或更少；而且这反射还有可能串扰旁边的像素，导致颜色失真。（目前中低档的CMOS排线层所用金属是比较廉价的铝（Al），铝对整个可见光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率。）

背照式（Back-illuminated）CMOS

由于前照式有这些缺点，那么背照式（Back-Illuminated CMOS）的设计就应运而生了。它将电路层放到了光电二极管后面，这样，光线就能直接照到光电二极管上，光线几乎没有阻挡和干扰地就下到光电二极管，光线利用率极高，所以背照式CMOS传感器能更好的利用照射入的光线，在低照度环境下成像质量也就更好了。

背照式CMOS能够具有更高的光线利用效率，这样，在低照度环境下，就具有更高的灵敏度。同时，由于电路不会影响光电二极管接收光线，因此，电路层可以做得更厚，这样就能放置更多的处理电路，这有助于提高信号的处理速度。

相比起普通的前照式传感器，搭载背照式传感器的设备能够在弱光环境下，提高约30%—50%的感光能力，因此能够在弱光下拍摄更高的质量的照片或视频，噪点更小。而更丰富的处理电路，能做更大数据量的原始图像信号处理。

堆叠式（Stacked）CMOS

堆叠式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，而处理回路是另一块整体的控制电路，用来管理这一群像素的电路。

[1]为像素区域 [2]为处理电路

在蚀刻时，会有一个问题，以索尼用于手机等的小CMOS为例，它对于像素区域的制造工艺，可以使用65nm的制程（可简单理解为制造精度），但对于处理电路的区域，65nm的制程是不够的，如果能用45nm的制程制造，那么在处理电路上的晶体管数量就能翻倍，这样，图像从像素处理出来的速度就更快，画质就能更好。但因为在同一片硅片上进行蚀刻，没法使用两个制程来制造。

所以很容易想到，如果将这两个区域分开，像素区域放在一个硅片上，用65nm制程制造，处理电路放在另一个硅片上，用45nm制程制造，再将它们堆叠拼起来，那这个矛盾就解决了。这就是堆栈式CMOS。

[1]为像素区域 [2]为处理电路 [3]为高速缓存

有了堆栈式的结构，我们能在处理电路得到更多的晶体管，拥有更快的速度，因此，原来不容易实现的HDR、升格等，现在变得很常见。读出速度也变得更快，因此果冻效应更小。而且，由于将像素区域和处理电路区域堆叠，像素区域能做得更大。

而且，使用堆栈式能带来一些特殊的技术。如我们常见的拜耳排列大多是RGGB的，画面的亮度是通过亮度方程（Y=0.299R+0.587G+0.114B），由RGB色光的值算出来的。但使用堆栈式技术，人们研究出了一种新的拜耳排列RGBW，其中，RGB对应常见的红绿蓝，W对应白，对亮度感光。这样，传感器的低光感光能力就大大提升。

堆栈式，背照式，前照式，这三个类型是单独的，不存在从属关系。我们可以使用背照式的技术，再用堆栈式的结构，发挥最大优点。

退火

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。这么一来，处理回路躺着都中枪，像素区域的“退火”是必须的。

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。处理回路：“怎么吃亏的总是我！” 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 （BOSS登场）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。

那么不妨把处理回路放到那里去？

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！ 堆叠式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（最重要不会在“退火”中枪了）。

参考：https://www.zhihu.com/question/23295693/answer/30214135 https://www.bilibili.com/read/cv5310048/