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CIS堆叠技术是高端 Camera sensor 使用的一种技术，它可以大大提升 sensor 的性能。但是堆叠具体是怎么做的。不同堆叠间又有什么不同？什么样的 sensor 适合使用什么样的堆叠呢？这篇文章将简单的介绍下现有的堆叠结束以及未来堆叠有什么样的发展
CIS堆叠技术的特定应用：在CMOS图像传感器（CIS）领域，堆叠技术的应用被称为CIS堆叠技术。这种技术的核心在于将一个背面照明（Back-Side Illuminated, BSI）的图像传感器堆叠在其他电子电路之上，从而实现更紧凑的设计和更高的性能。背面照明技术使得传感器能够更有效地捕捉光线，因为它减少了传感器内部结构对光线的遮挡。
堆叠技术的概念与应用：堆叠技术是一种先进的半导体制造工艺，它允许将多个电子电路层叠放置，并通过特定的技术手段实现这些层之间的电气连接。这种技术不仅能够减小设备的物理尺寸，还能够提高性能和集成度。在存储器领域，堆叠技术已经得到了广泛应用，其历史可以追溯到20世纪80年代，当时的出版物中首次出现了相关技术的描述。
与FSI和BSI技术的比较：在讨论CIS堆叠技术之前，了解FSI（Front-Side Illuminated）和BSI技术是有帮助的。FSI是传统的图像传感器设计，其中光线从设备的正面进入，通过电路元件（如晶体管和布线）到达光敏元件。然而，这种设计中的电路元件会遮挡一部分光线，从而降低了传感器的光效率。
相比之下，BSI技术将电路元件置于光敏元件的背面，使得光线可以直接到达光敏区域，从而显著提高了光效率和图像质量。BSI技术是实现高分辨率和高灵敏度图像传感器的关键。BSI 也提供了堆叠的可能性，无论如何堆叠新的电路都不会减少光效率。
电气连接的实现方式：CIS堆叠技术中，不同层之间的电气连接是实现功能的关键。这种连接可以通过以下几种方式实现：
1 微凸点（Micro-bumps）：这是一种已经使用了几十年的技术，尤其在针对天文和空间应用的BSI-CCDs中。微凸点是通过在不同层之间形成微小的金属凸点来实现电气连接。
2 硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）：TSV技术通过在硅片中创建垂直通道来实现不同层之间的电气连接，这种技术可以提供更高的连接密度和更低的电阻。
3 直接铜到铜接触混合键合（Hybrid Bonding）：这是一种较新的技术，它允许不同层之间的铜层直接接触，从而实现电气连接。这种方法可以提供极低的电阻和电容，有助于实现高速和低功耗的连接。
4 上述方法的组合：在某些复杂的应用中，可能会同时使用多种连接技术，以满足不同的电气和物理要求。
混合键合（Hybrid Bonding）的优势
1 非常紧凑的结构：
2 极小（可能最小）的占用面积，
3 低互连电阻和电容，快速且低功耗的互连，
4“便宜”的图像传感器芯片（n-MOS而非CMOS），
5 为顶层和底层优化选择制造技术，
6 不仅限于可见光RGB感测，还包括深度、时间对比度、近红外等，
7 不仅限于W到W堆叠，也包括D-W堆叠，
8 允许进一步提高CIS性能（噪声、满井容量、动态范围、速度等），
9 扩展像素的“电子体积”（亚微米像素、宽动态范围、全局快门等），
10 允许像素级处理，
11 为现有CIS设备添加新功能。
下图是一个堆叠图像传感器：混合键合的例子，它的 color filter 和 micro lens 在 CIS 的背面，也就是在 BSI 的基础上完成的堆叠。其中 cu-cu 是铜连接Hybrid Bonding的部分。
下面是Galaxy S7 Sensor 的侧面图，它也是使用Hybrid Bonding技术
在3D堆叠图像传感器中，混合键合技术实现不同层之间的高密度互连主要通过以下几个步骤：
1 芯片接触面的抛光：首先，需要对芯片表面进行高精度的抛光处理，确保其平整度达到纳米级，以便芯片间的金属层可以精确对接。
2 晶圆的对齐：在混合键合过程中，两个或多个晶圆或芯片需要精确对齐，以确保铜垫和通孔能够准确无误地连接在一起。这一步骤要求极高的对准精度，通常采用先进的机器视觉和精密机械控制系统来实现。
3 加温结合：将抛光并对齐好的晶圆或芯片面对面压在一起后，通过缓慢加热使铜在间隙中膨胀并熔化，从而形成牢固的电连接。这一过程中，温度的控制尤为关键。
4 铜-铜连接：混合键合技术通过直接铜对铜的连接方式，取代传统的凸点或焊球互连。在工艺过程中，芯片表面的金属层（通常是铜层）经过精密对准后直接压合在一起，形成直接电学接触。
5 特殊处理：为了保证良好的连接效果，芯片表面还需进行特殊处理，如沉积一层薄且均匀的介电材料（如SiO2或SiCN），并在其上制备出微米甚至纳米级别的铜垫和通孔（TSV）。
这些步骤共同作用，使得混合键合技术能够在3D堆叠图像传感器中实现高密度的互连，从而提高图像传感器的性能。
下面两张图是示意如何增加 像素“电子体积”的扩展，从图中可以看到 Dynamic range 可以达到 107 DB这是远高于一般的 SDR sensor 的。
i-ToF和d-ToF技术中单光子雪崩二极管（SPADs）的填充因子较低，堆叠技术可以解决这个问题
通过堆叠技术，可以在像素级别进行处理，为现有CIS设备增加新功能。高速CIS通常受到输入/输出速度的限制，包含三层堆叠DRAM的情况下，CIS到DRAM的输入/输出可以非常快（结合到外部周边的较低速度）。应用：
1 视频的慢动作，
2 数字摄影的超快速滚动快门（不再需要机械快门）。
面向像素分割的堆叠技术
与其在电荷域建立连接并将源跟随器、复位和选择放置在逻辑层上，不如制作一个三层堆叠设备：
1 顶层包含光电二极管，
2 中间层包含像素晶体管，
3 底层包含所有逻辑电路。
优点：“高”满井容量，大填充因子，“大”尺寸源跟随器（1/f和RTS噪声），
缺点：可能转换增益较低，但通过更复杂的堆叠技术解决了这个问题。
下面是三重堆叠技术
成像技术已经发展到了这样一个阶段：像素内的晶体管阻碍了进一步地缩小尺寸。解决方案是使用多个堆叠层，比如三重堆叠，其中两层将用于像素：
• 第一层包含光电转换部分：
• 优化的填充因子，
• 优化的满井容量，
• 第二层包含像素内晶体管：
• 优化的噪声（1/f噪声和热噪声）。
• 第三层主要是逻辑电路：
为了利用电子和空穴，两者的量子效率需要相等，不过只有当收集体积完全隔离时，这才可能实现。
从评测结果来看多重堆叠在 sensor 响应的线性化还有小像素 sensor 上的 Dynamic range 上都有不小的提升
下面是 Die-to-wafer 的堆叠技术
这是一种可以将裸Die 链接到 wafer 上的技术。特点是
■ 堆叠的裸片不再需要与“载体”的外形因素相匹配，
■ 多个裸片可以堆叠到单个“载体”上（微凸点），
■ 堆叠的裸片可以是成像器或数字电路。
堆叠技术的发展
下面简单罗列了下针对堆叠技术的一些发展展望和问题
1 更多的三层结构正在开发中，其中两层将用于像素：
进一步增加小像素设备的动态范围，
在电压域内创建全局快门功能（参见OV的公告），
2 iToF像素将变得和今天的全局快门像素一样小，基于SPADs的dToF性能提升，例如PDE、速度和功率（朝着1Tops/W发展），
3 未来的SPAD技术将基于今天的移动成像技术，
4 SWIR应用需要结合“外来”材料和硅基读出集成电路，堆叠非常适合这项技术，D-2-W堆叠开辟了新的视野，
5 堆叠使得像素级处理成为可能，并将为像素内处理铺平道路，
6 堆叠将使图像传感器成为神经网络的第一层。
7 新的CIS发展将专注于先进的封装，其中堆叠将是一部分，
8 专用设备正变得越来越广泛可用，也适用于像素级成像世界：W-2-W和D-2-W机器，
9 像素“下方”散发的热量怎么办？良率（x∙y）怎么办？堆叠层应该有相同的物理尺寸吗？
10 消费类、移动成像市场能否赚取足够的资金来支持对更先进技术的持续需求？
11 堆叠正在扩大最先进成像代工厂与使用“标准”技术者之间的技术差距，
12 低容量应用怎么办？研究活动对堆叠的获取怎么办？
