[01291763]高性能CMOS成像芯片关键技术研发与应用

1、项目来源 本研究来源于国家重大专项02专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”子课题“TDI型CIS芯片的前端设计与芯片测试验证”,课题编号2011ZX02505-005;天津市科技支撑计划重大项目“TDI型CIS芯片设计与测试验证”,课题编号11ZCZDGX20300;国家自然科学基金重点项目“90纳米以下高性能CMOS图像传感器关键技术研究”,课题编号61036004。 2、技术原理和性能指标 针对国内高端CMOS成像芯片的技术瓶颈,本项目面向高性能CMOS成像应用,从架构、像素、读出电路、数据转换电路等主要部分研究了传感芯片的关键技术,完成了具有自主知识产权的高性能CMOS图像传感器的关键技术研究以及芯片研制,并将上述关键技术进行产业应用,推动该领域的国产芯片的技术升级。 具体创新技术如下： ①在传感器架构和读出电路方面,提出了用于TDI型CMOS图像传感器的时间过采样技术,在传统滚筒曝光基础上增加冗余行,在推扫过程中实现像素对所拍摄物体同步曝光;在信号读出通路设计中,课题组经过多次设计和流片发现了总线寄生电容对累加级数的抑制作用,并通过寄生电容消除技术进行了补偿,从而实现了高达128级的TDI级数; ②在像素方面,课题组打破了传统光电二极管的单一形状PN结的设计方法,从工艺实现方面入手,在N型收集区内进一步增加P型注入,加快光电二极管的耗尽,进一步扩展收集区的范围,从而提升传感器的满阱容量和量子效率; ③在信号转换电路方面,在传统循环型ADC的基础上,对其机构和控制时序进行了改进,提出了电容比值不敏感的量化方法,能够有效降低转换器特性对电容器件匹配度和运算放大器失调电压的敏感程度,在较小的芯片面积和功耗下即可实现较高的转换精度。该技术实现方式简单,可应用在各类CMOS图像传感器中,提升列级ADC的一致性。 3、性能指标 课题组研发的128级累加的TDI型CMOS图像传感器样片测试指标均达到了合同要求。采用过采样技术和信号总线寄生电容消除技术,解决了扫描过程中的同步曝光问题并突破了TDI累加级数限制,开发了世界首款高达128级累加的TDI型CMOS图像传感器,该传感器不仅是国内首款自主知识产权的TDI型CMOS图像传感器,同时取得了该领域的技术制高点,彻底打破了国外垄断。 4、成果的创造性、先进性 本项目开发的过采样技术和信号总线寄生电容消除技术在TDI型CMOS图像传感器中发挥了重要作用,首先过采样技术保证了传感器扫描的信号同步,直接决定了TDI型CMOS图像传感器的原理可实现性;信号总线寄生消除技术能够有效降低因寄生引起的累加级数降低的问题,是保证128级累加的前提。高量子效率、高满阱容量光电二极管设计技术是面向传感器核心部件像素的设计改进,从最根本上提升了传感器的感光性能。失调非敏感的模数转换技术提升了传感器列级信号的一致性,保证了量产芯片的良品率。 5、技术的成熟程度,适用范围和安全性 课题组采用过采样技术和信号总线寄生电容消除技术开发的128级TDI型CMOS图像传感器达到了国际同类传感器的最高累加级数,取得了该领域的技术制高点;高量子效率、高满阱容量光电二极管设计技术和失调非敏感的模数转换技术不仅取得了中国发明专利,且在企业中得到了应用,相关产品已实现了1724.67万元的销售额,随着相关产品技术日趋成熟以及市场的蓬勃发展,预计两年内将突破亿元。 高性能CMOS成像芯片关键技术研发过程中所取得的成果覆盖芯片架构、像素、读出电路、数据转换电路等传感器主要组成部分。课题组采用过采样技术和信号总线寄生电容消除技术开发的128级TDI型CMOS图像传感器经西安光机所试用,给出的试用结论表明该传感器主要指标已经达到了国外同类产品水平,有潜力替换国外产品,实现图像传感核心部件的自主化,增强设备可控性,后续有望在工业扫描和航天对地扫描中得到应用;高量子效率、高满阱容量光电二极管设计技术和失调非敏感的模数转换技术分别在天津安泰微电子技术有限公司和天津慧微电子研发科技有限公司的相关产品中得到了应用,相关产品实现了1724.67万元的销售额,同时带动了该领域的技术发展,提升了国内产品竞争力。高量子效率、高满阱容量光电二极管设计技术和失调非敏感的模数转换技术通用性较强,可以应用于各种像素尺寸、分辨率、帧率的传感器,提升传感器综合性能和产品良品率,可在图像传感器领域进行广泛推广。课题组正在与北京和上海相关企业积极联系,争取相关成果在更多的相关企业实现应用,提升国内CMOS图像传感领域整体技术水平。