堆棧式 CMOS、背照式 CMOS 和傳統 CMOS 感測器有何區別？

這三者具體的區別是什麼？最終如何影響成像效果？如何比較優劣？比較不同圖像感測器質素的時候這三點區別可以佔多大比重的影響？如果跟感測器面積一起考慮呢？

簡單來說，傳統（前照式）CMOS、背照式（Back-illuminated）CMOS、堆疊式（Stacked）CMOS之間，最大最基礎的差別就在於其結構。

影響最終成像效果不僅僅靠CMOS，還需要考慮鏡頭以及拍照演算法等。

其實並不是越先進的結構也一定更好，這得看用了什麼工藝（比如180nm沉浸式光刻還是500nm干刻）和技術（比如索尼「Exmor」每列並列獨立的模擬CDS+數模轉換+數字CDS的標誌性的降噪讀出迴路）。優異的工藝和技術可以使得即便不使用更新結構的CMOS，同樣擁有更好的量子效率、固有熱雜訊、增益、滿阱電荷、寬容度、靈敏度等關鍵型指標。

在相同技術和工藝下，底大一級的確壓死人（微單吧名言）。

人類的進步就是在不斷發現問題，解決問題。

背照式以及堆棧式CMOS的出現，也是為了解決之前CMOS的種種問題。

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一、傳統（前照式）CMOS與背照式（Back-illuminated）CMOS

傳統CMOS真正的名稱應該是前照式CMOS，這兩個放一起介紹風味最佳～

先看一張前照式和背照式的橫剖對比圖示。

一般的CMOS像素都由以下幾部分構成：片上透鏡（microlenses）、彩色濾光片（On-chip color
filters）、金屬排線、光電二極體以及基板。

傳統的CMOS是圖中左邊的「前照式」結構，當光線射入像素，經過了片上透鏡和彩色濾光片後，先通過金屬排線層，最後光線才被光電二極體接收。

大家都知道金屬是不透光的，而且還會反光。所以，在金屬排線這層光線就會被部分阻擋和反射掉，光電二極體吸收的光線能就只有剛進來的時候的70％或更少；而且這反射還有可能串擾旁邊的像素，導致顏色失真。（目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價的鋁（Al），鋁對整個可見光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率。）

這樣一來，「背照式」CMOS就應運而出了，其金屬排線層和光電二極體的位置和「前照式」正好顛倒，光線幾乎沒有阻擋和干擾地就下到光電二極體，光線利用率極高，所以背照式CMOS感測器能更好的利用照射入的光線，在低照度環境下成像質量也就更好了。

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二、背照式（Back-illuminated）與堆疊式（Stacked）

堆疊式CMOS最先出現在索尼推出的移動終端用CMOS上，Exmor RS為其註冊商標。

堆疊式出現的初衷其實不是為了減少整個鏡頭模組的體積，這個只是其附帶好處而已。

CMOS的製作和CPU的製作類似，需要特殊的光刻機對硅晶圓進行蝕刻，形成像素區域（Pixel
Section）和處理迴路區域（Circuit
Section）。像素區域就是種植像素的地方，而處理迴路顧名思義，就是管理這一群像素的電路。

為了提高像素集合光的效率，需要引入光波導管。光波導管的干刻過程中，硅晶圓和像素區域會有損傷，此時則要進行一個叫做「退火（annealing
process）」的熱處理步驟，讓硅晶圓和像素區域從損傷中恢復回來，這時候需要將整塊CMOS加熱。好了，問題來了，這麼一熱，同在一塊晶圓上的處理迴路肯定有一定的損傷了，原先已經「打造」好了的電容電阻值，經過退火後肯定改變了，這種損傷必定會對電信號讀出有一定影響。

這麼一來，處理迴路躺著都中槍，像素區域的「退火」是必須的。

還有一個問題，索尼目前建有的移動終端用CMOS的製程是65納米干刻，這個65納米的工藝對於CMOS的像素區域的「種植」是完全足夠的。但是處理迴路區域的「打造」，65納米是不夠的，如果能有30納米（實際提升至45nm製程）的工藝去打造電路，那麼處理迴路上的晶體管數量就幾乎翻番，其對像素區域的「調教」也就會有質的飛躍，畫質肯定相應變好。但因為是在同一塊晶圓上製作，像素和迴路區域需要在同一個製程下製作。

處理迴路：「怎麼吃虧的總是我！」

如此魚和熊掌不可兼得的事情，假如解決了多好！於是索尼的工程師打起了晶圓的基板 （BOSS登場）的主意。

先來看這張結構圖。原來處理迴路是和像素區域在同一塊晶圓上打造的。

那麼不妨把處理迴路放到那裡去？

首先利用SOI和基板的熱傳導係數差異，通過加熱將兩者分開。

像素區域放到65納米製程的機器上做，處理迴路則放到製程更高（45nm）的機器上做。

然後在拼在一起，堆棧式CMOS也就這樣誕生了。

上邊遇到的兩個問題：

①像素「退火」時迴路區域躺著中槍。

②在同一塊晶圓上製作時的製程限制。

均迎刃而解！

堆疊式不僅繼承了背照式的優點（像素區域依然是背照式），還克服了其在製作上的限制與缺陷。由於處理迴路的改善和進步，攝像頭也將能提供更多的功能，比如說硬體HDR，慢動作拍攝等等。

像素與處理迴路分家的同時，攝像頭的體積也會變得更小，但功能和性能卻不減，反而更佳。像素區域（CMOS的尺寸）可以相應地增大，用來種植更多或者更大的像素。處理迴路也會的到相應的優化（最重要不會在「退火」中槍了）。