IEDM 2025：三星0.7μm间距双层双PD像素＋超表面CMOS图像传感器

在CMOS图像传感器行业中，双光电二极管（PD）像素因能从每个像素中获取相位检测自动对焦（PDAF）信息而被广泛应用。然而，在像素间距微缩过程中，双PD像素始终落后于单PD像素——单PD像素已实现0.5μm间距，而此前最小的双PD像素间距仅为0.8μm。这一差距源于双PD像素需额外增加一个传输门（TG）和浮置扩散（FD）节点，占用更多硅面积。三星电子与三星先进技术研究院联合研发的0.7μm间距双PD像素，凭借创新的2层像素结构与基于超表面的超光子彩色路由器（MPCR），成功突破了这一技术瓶颈，成为当前世界最小间距的双PD像素CMOS图像传感器。 ◆ 核心创新：无深接触的2层Cu-Cu键合像素结构 为解决双PD像素硅面积占用过大的问题，该技术采用了2层像素结构，并通过混合Cu-Cu键合工艺实现层间互连，全程未引入像素级深接触。

其核心设计是将像素器件拆分至两个独立层：Pixel-1层集成光电二极管和传输门（TG），Pixel-2层则容纳像素晶体管（源极跟随器、选择晶体管、复位门），FD节点由4个像素（2x2四像素）共享，且在两层中均有分布。 两层之间的FD互连通过1.4μm间距的Cu-Cu晶圆键合实现，垂直方向上每层均采用相同技术节点的前道工艺（FEOL）和后道工艺（BEOL）加工。这种结构设计带来了多重优势：相较于需每个像素配备超过2个深接触的传统2层双PD像素，该技术因无深接触设计，完全避免了深接触所需的隔离区占用硅面积的问题，大幅提升了硅面积利用率；同时，两个像素层可并行加工，不仅缩短了制造周期，还无需调整任一像素层的热预算，简化了工艺流程。

晶圆键合的具体流程为：Pixel-1层与Pixel-2层先各自完成包括混合键合层在内的独立加工，随后进行晶圆对晶圆键合；之后对Pixel-2层的硅背面进行减薄处理，在该层形成硅通孔（TSV）后，再与逻辑晶圆完成键合互连。通过与现有2层像素技术对比，该技术的Face-to-Face键合方案、无深接触设计、硅面积零损耗及并行工艺，均展现出显著的结构与工艺优势。

◆ 关键优化：解决电容耦合与键合错位问题 尽管Cu-Cu键合实现了高效的层间互连，但FD节点的物理邻近性易引发电容耦合问题。在暗态条件下，当像素阵列中某个位置为白色像素（对应FD节点FD_{(i)}）时，其读出过程中FD电压下降会通过寄生电容，导致左右相邻FD节点（FD_{(i-1)}和FD_{(i+1)}）的电压同步降低，使原本应呈现暗态（输出等于基准水平）的相邻像素变为灰色，影响图像质量。 为解决这一问题，研发团队在Cu焊盘之间增设了屏蔽线结构。测试数据显示，屏蔽线的引入有效抑制了电容耦合，灰色像素的出现概率显著降低。但屏蔽线会增加FD电容，可能导致两层像素键合错位时转换增益产生波动。通过在专门设计的测试图案中引入刻意错位，实测发现Cu焊盘与屏蔽线之间的电容随错位程度呈抛物线变化，而转换增益则呈现反向抛物线特性。

值得注意的是，在无刻意错位的常规工艺中，该2层像素对晶圆键合过程中自然产生的错位具有良好的鲁棒性，转换增益波动可控；同时，通过菊花链测试图案测量证实，Cu-Cu键合的接触电阻在整个晶圆上分布稳定，确保了互连可靠性。

在性能优化方面，尽管该像素的垂直传输门（VTG）间距仅为0.35μm，但通过集成双VTG结构，成功实现了10ke⁻的高满阱容量（FWC）。

为达到与0.7μm间距单PD单层像素相当的转换增益，研发团队优化了两层像素间的FD布线及键合层的Cu焊盘结构。相较于传统单PD单层像素，该双PD双层像素的布线电容更低——尽管双PD像素因两个FD节点的连接需求，金属1（M1）层布线电容通常更大，但层间布线优化抵消了这一影响。此外，源极跟随器（SF）面积的增加虽使晶体管对FD电容的贡献略高于单层像素，却显著抑制了随机电报信号（RTS）噪声，其RTS噪声仅为0.5ppm，优于同类技术产品。

◆ 技术突破：MPCR突破衍射极限，提升AF性能 对于0.7μm间距的微小像素而言，另一大技术挑战是如何在像素间距等同于片上透镜（OCL）尺寸的情况下，获得足够窄的光束聚焦以满足高AF性能要求。传统方案中，减小焦距以补偿透镜直径过小的尝试，会受到滤色层厚度的限制——滤色层需保持一定厚度以降低光学串扰。此前的2x1或2x2 OCL方案均不适用于双PD像素，因此研发团队引入了超光子彩色路由器（MPCR）。

MPCR通过特殊设计，能够同时增大有效透镜直径并提高折射率，在给定通道内生成多个焦点，完美适配四拜耳滤色器阵列（CFA）的亚通道聚焦需求。测试结果表明，MPCR的光谱响应与角度响应均显著优于传统OCL，有效突破了传统OCL的衍射极限。其横截面结构显示，MPCR层与像素结构的集成设计紧凑，实际拍摄的样本图像也验证了该技术在成像质量上的优势。

◆ 总结 该技术成功实现了世界最小的0.7μm间距双PD像素，通过创新的2层Cu-Cu键合结构，在无深接触的前提下解决了双PD像素的硅面积占用问题，同时通过屏蔽线设计抑制了电容耦合，确保了转换增益的稳定性。MPCR的引入则突破了微小像素的衍射极限，保障了高AF分离比。其综合性能表现优异：10ke⁻的高满阱容量、1.5e⁻的随机噪声、1.2e⁻/s的暗电流，以及10ppm的白点比例，均达到或优于现有同类产品水平。该设计方案具备高度扩展性，可适配不同的滤色器阵列设计，为CMOS图像传感器向更小像素间距、更高性能方向发展提供了全新思路。