在今年二月舉行的國際固態電路會議(ISSCC)期間,Sony宣佈推出「業界首款配備DRAM的三層堆疊式CMOS影像感測器」,這款型號為IMX400的三層堆疊式感光元件(Exmor RS)是專為智慧型手機而打造的。

為了加速影像資料處理,業界多年來一直流傳著在互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器中配備嵌入式動態隨機存取記憶體(DRAM)的種種消息,但至今尚未看到任何相關產品投入生產或實際上市。

Sony在ISSCC會議上發表的研究論文揭露了新款感光元件的相關細節,它確實看來像是真有那麼回事,這當然馬上引起了我們在TechInsights的影像感測器專家們的關注。接著,Sony在其後舉行的全球行動通訊大會(Mobile World Congress;MWC)確認了該元件的生產狀況,並宣佈其Xperia XZ Premium和Xperia XZ兩款旗艦級智慧型手機搭載了具有960fps畫面更新率的Motion Eye相機模組。

我們盡可能地在Xperia XZ手機一上市就立刻入手,並橫切其後置相機晶片進行觀察。沒想到它真的是三層堆疊的感光元件!這款CMOS影像感測器(CIS)被面對背地安裝在DRAM上,使得DRAM與影像訊號處理器(ISP)面對面接在一起。

20170713_Sony_NT31P1 圖1:Sony三層堆疊式CMOS影像感測器的晶片橫截面

然而,我們似乎是超之過急了,因此,讓我們先來看看Sony的新聞稿以及在ISSCC發表的論文細節吧!

20170713_Sony_NT31P2 圖2:Sony CMOS影像感測器的訊號路徑方塊圖

Sony在其較早的19Mp影像感測器中使用雙類比/數位轉換器(ADC),為畫素資料進行數位化。而今,該公司使用4層ADC的結構提高讀取速度,同時也改善了處理能力。DRAM則用於暫時儲存高速資料,然後再以感測器介面的最佳速率輸出。該設計使其能以1/120秒讀取1,930萬畫素的靜態影像,而在影片模式下可達到1,000fps的畫面更新率,較以往產品的靜態影像與動態影片分別提高了4倍和8倍的速度。

由於在CIS和ISP之間加進了DRAM夾層,高速資料必須經過記憶體晶片才能到達ISP,然後再以適於應用處理器的常規速度,來回傳送直到經由ISP的I/F介面區塊進行輸出。

20170713_Sony_NT31P3 圖3:Sony新開發配備DRAM的三層堆疊式CMOS影像感測器

圖3是這種感測器運作原理的精簡版;但在Sony發表的論文中有更詳細的介紹,包括960fps如何成像以及慢動作的工作原理。

根據該論文解釋,畫素陣列位於裸晶的頂層,DRAM陣列和列驅動器位於中間,其餘的區塊則位於底部的ISP裸晶。我們尚未取得這三層裸晶的照片,但該論文中提供了一些影像。

20170713_Sony_NT31P4 圖4:Sony的原理圖中顯示CIS、DRAM與ISP三層堆疊

Sony並指出,該CIS採用90nm製程(1 Al/5 Cu)技術製造,DRAM是1Gb、30nm的(3 Al/1 W)元件,ISP元件(1 Al/6 Cu)則採用40nm製程。要將各種必要的功能加進相同尺寸的3個裸晶,而又不至於浪費晶片面積,無疑是一大挑戰。

由於DRAM裸晶上還有CIS列驅動器,因此必須採用客製元件設計,而非我們在近年來看到以矽穿孔(TSV)封裝的商用DRAM。Sony的晶片橫截面圖並顯示,裸晶中央有一層厚重的氧化物以及適於讓TVS從上方CIS向下連接的接合焊墊。

20170713_Sony_NT31P5 圖5:三層堆疊式影像感測器晶片橫截面 (來源:Sony)

我們還可以看到(在比例尺準確的前提下),CIS和DRAM裸晶基板已經被削薄至小於2.6μm了,這在背照式CIS (BI-CIS)是十分常見的,但卻是我們所見過最薄的DRAM。從我們自己所拍攝的影像(圖5)可證實CIS和DRAM的晶片厚度相同,而且也可以看到接合焊墊。

因此,接下來的問題就是——TSV如何在此堆疊中形成?我們的第一款晶片橫截面才剛從實驗室完成,看起來相當令人熟悉。CIS/DRAM的互連似乎是Sony上一代背照式BI-CIS元件中的TSV形式之一(圖6)。

20170713_Sony_NT31P6 圖6:CIS/DRAM互連採用上一代BI-CIS的TSV形式?

此處可看到兩層TSV將CIS中看起來像6金屬的堆疊連接至DRAM裸晶的M1。我們並未擴展TSV直接連接CIS與ISP的橫截面圖,不過也存在TSV穿過DRAM連接至ISP頂部金屬的情形。

20170713_Sony_NT31P7 圖7:CIS與ISP之間能以DRAM接合點進行連接?

CIS/ISP的連接似乎可以採用DRAM接合焊墊層作為互連,以避免在完整的堆疊形成後還得在兩個裸晶間進行鑽孔的挑戰。

對於IMX400的進一步分析正持續進行中,隨著時間的進展,我們很快地就能夠掌握有關CIS本身及其封裝堆疊的細節。以產業的觀點來看,Sony可說是再次將手機相機的功能推至極限。不過,在今年稍晚將會出現的一大疑問是——我們將在下一代iPhone中看到這款感光元件嗎?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Sony Launches First Three-Layer, 960 fps Camera with Sandwich-Stacked DRAM,by Dick James, Fellow Emeritus, TechInsights)