法国CEA-Leti 宣布在 AI 嵌入式图像传感器的三层集成方面取得“突破”

在美国丹佛举行的ECTC 2024会议上，法国研究机构CEA-Leti展示了一种结合混合键合和高密度硅通孔（TSV）的新工艺，可用于在CMOS图像传感器（CIS）中嵌入人工智能（AI）。

CEA-Leti 科学家在ECTC 2024上报告了三个相关项目的一系列成功，这些成功是实现新一代 CMOS 图像传感器 (CIS) 的关键步骤，该传感器可以利用所有图像数据来感知场景、了解情况并进行干预——这些功能需要在传感器中嵌入 AI。

由于智能传感器在智能手机、数码相机、汽车和医疗设备中具有高性能成像功能，因此对智能传感器的需求正在迅速增长。这种对通过嵌入式人工智能增强的图像质量和功能的需求，给制造商带来了在不增加设备尺寸的情况下提高传感器性能的挑战。

论文 《三层集成中高密度 TSV 的背面减薄工艺开发》的主要作者 Renan Bouis 表示：“堆叠多个芯片来创建 3D 架构，例如三层成像器，已经导致传感器设计的范式转变。”

“不同层之间的通信需要先进的互连技术，而混合键合技术可以满足这一要求，因为它的间距非常细，在微米甚至亚微米范围内，”他说。“高密度硅通孔 (HD TSV) 具有类似的密度，可以通过中间层进行信号传输。这两种技术都有助于缩短导线长度，这是提高 3D 堆叠架构性能的关键因素。”

这三个项目应用了该研究所之前的研究成果，即使用这些技术模块堆叠三个 300 毫米硅晶片。

CEA-Leti 项目经理兼 IRT  Nanoelec 智能成像仪项目主管 Eric Ollier 表示：“该研究成果介绍了制造 3D 多层智能成像仪所必需的关键技术模块，这些模块能够满足需要嵌入式 AI 的新应用。”CEA-Leti 研究所是 IRT Nanoelec 的主要合作伙伴。

“在CMOS图像传感器中结合混合键合和高密度硅通孔，可以促进各种组件（如图像传感器阵列、信号处理电路和存储元件）的集成，并具有无与伦比的精度和紧凑性，”论文《用于 高级 CMOS 图像传感器应用的高密度 TSV 的 3 层细间距 Cu-Cu 混合键合演示器》的主要作者 Stéphane Nicolas 说道， 该论文被选为会议的重点论文之一。

该项目开发了一种三层测试载体，具有两个嵌入式 Cu-Cu 混合键合接口，面对面（F2F）和面对面（F2B），并且一个晶圆包含高密度 TSV。

Ollier 表示，测试车辆是一个重要的里程碑，因为它不仅展示了每项技术模块的可行性，还展示了集成流程的可行性。“该项目为展示功能齐全的三层智能 CMOS 图像传感器奠定了基础，边缘 AI 能够解决高性能语义分割和物体检测应用，”他说。

去年，CEA-Leti的科学家们报道了一款双层堆叠式测试版芯片，结合了高10微米、直径1微米的高密度硅通孔和高度可控的混合接合技术，两者均以F2B配置组装。最近的这项研究成果又将高密度硅通孔缩短到6微米高，进而开发出一种不仅具有低分散电气性能，还能简化制造过程的双层堆叠式测试版芯片。

研究员Stéphan Borel说：“与1微米 x 10微米高密度硅通孔相比，我们的1微米 x 6微米高密度硅通孔具有更好的电阻和隔离性能，这要归功于优化的减薄工艺，它使我们能够以良好的均匀性降低衬底厚度。”

“高度的降低使电阻降低了 40%，与长度的减少成正比。同时降低纵横比增加了隔离衬垫的台阶覆盖率，从而提高了耐压性能，”他补充道。

Ollier 解释道：“这些在传感器本身中实现边缘 AI 的新型 3D 多层智能成像仪将真正成为成像领域的突破，因为边缘 AI 将提高成像仪性能并实现许多新应用。”