【導讀】CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS) 是一種可以將通過(guò)鏡頭捕獲的光的顏色和亮度轉換為電子信號，并將其傳輸至處理器的傳感器。因此，圖像傳感器充當的是智能手機或平板電腦等移動(dòng)設備“眼睛”的角色。近年來(lái)，隨著(zhù)虛擬現實(shí)(VR)、增強現實(shí)(AR) 、自動(dòng)駕駛的興起，CIS技術(shù)成為工業(yè)4.0的一項關(guān)鍵技術(shù)。人們預計，CIS技術(shù)將不僅可以作為設備的“眼睛”，還將在功能上有更進(jìn)一步的發(fā)展。
CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS) 是一種可以將通過(guò)鏡頭捕獲的光的顏色和亮度轉換為電子信號，并將其傳輸至處理器的傳感器。因此，圖像傳感器充當的是智能手機或平板電腦等移動(dòng)設備“眼睛”的角色。近年來(lái)，隨著(zhù)虛擬現實(shí)(VR)、增強現實(shí)(AR) 、自動(dòng)駕駛的興起，CIS技術(shù)成為工業(yè)4.0的一項關(guān)鍵技術(shù)。人們預計，CIS技術(shù)將不僅可以作為設備的“眼睛”，還將在功能上有更進(jìn)一步的發(fā)展。
SK海力士在15年前就成立了CIS開(kāi)發(fā)團隊。除了以DRAM和NAND閃存為代表的核心半導體存儲業(yè)務(wù)外，SK海力士還一直致力于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)非存儲半導體CIS，以提高自身競爭力。SK海力士已經(jīng)開(kāi)發(fā)了為數眾多的設備與工藝技術(shù)，與同行的技術(shù)差距日漸縮小，目前還開(kāi)發(fā)出了像素尺寸僅為0.64μm(微米)、擁有5000萬(wàn)像素以上超高分辨率的CIS產(chǎn)品。本文將基于2022年11月舉行的第10屆SK海力士學(xué)術(shù)會(huì )議(SK hynix Academic Conference)內容對CIS關(guān)鍵技術(shù)之一的背照式(Backside Illumination, BSI)技術(shù)進(jìn)行介紹。
前照式(FSI)技術(shù)及其局限性
早期的CIS產(chǎn)品像素采用前照式(FSI)結構，這種結構將光學(xué)結構置于基于CMOS1)工藝的電路上。這項技術(shù)適用于像素尺寸為1.12μm及以上的大多數CIS解決方案，被廣泛用于移動(dòng)設備、閉路電視(CCTV)、行車(chē)記錄儀、數碼單反相機、車(chē)用傳感器等產(chǎn)品。
1) 互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Silicon, CMOS)：由成對的N溝道和P溝道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 低壓金屬氧化物半導體場(chǎng)效應管) 組成的互補邏輯電路。CMOS器件的功耗極低，被應用于DRAM產(chǎn)品和CPU中，因為雖然這類(lèi)器件搭載的處理器較為復雜，但卻能夠進(jìn)行大規模集成。
圖1. 前照式(FSI)結構和單位像素示意圖
一款高性能的圖像傳感器即使在弱光條件下，也應能夠呈現出明亮清晰的圖像，而要實(shí)現這一效果，需要提高像素的量子效率(QE)2)。因此，像素下層電路的金屬布線(xiàn)設計應以FSI結構為基礎，以盡可能避免光干擾。
2) 量子效率(QE)：用于衡量成像設備將入射光子轉換為電子的有效性的指標。如果一款傳感器的量子效率為100%且暴露在100個(gè)光子下，則可以轉換為100個(gè)電子信號。
圖2. 量子效率(QE)方程式和前照式(FSI)結構圖
然而，通常情況下，當連續的光線(xiàn)穿過(guò)光圈或物體周?chē)鷷r(shí)，就會(huì )發(fā)生衍射現象3)。就光圈而言，隨著(zhù)光圈孔徑尺寸的減少，更多的光會(huì )隨著(zhù)衍射量的增加而擴散。
3) 衍射現象：聲波和光波等在穿過(guò)障礙物或光圈時(shí)偏離直線(xiàn)傳播的現象。從光的角度來(lái)看，當障礙物或光圈的尺寸等于或小于所通過(guò)光波的波長(cháng)時(shí)，就會(huì )發(fā)生衍射現象。
同樣，外部光達到單個(gè)像素時(shí)，衍射現象也無(wú)法避免。就FSI結構而言，因為受到下層電路中金屬布線(xiàn)層的影響，這種結構更容易受到衍射的影響。即使FSI像素尺寸減少，被金屬覆蓋的區域也保持不變。因此，光通過(guò)的區域變得更小，衍射現象增強，導致圖像中的顏色混合在一起。
圖3. 光衍射和像素大小的關(guān)系
然而，控制像素的衍射也并非不可能。為了改善單個(gè)區域的衍射，可以根據衍射計算公式來(lái)縮短微透鏡到硅(Si)的距離。為此，人們提出了一種背照式(BSI)工藝，通過(guò)翻轉晶圓來(lái)利用其背面，以此消除金屬干擾。SK海力士從像素尺寸低于1.12μm的產(chǎn)品開(kāi)始采用BSI技術(shù)。
基于BSI的像素技術(shù)的出現
2011年，蘋(píng)果iPhone 4手機問(wèn)世，其配備了當時(shí)首個(gè)應用BSI技術(shù)的CIS產(chǎn)品。蘋(píng)果公司當時(shí)聲稱(chēng)BSI技術(shù)與FSI技術(shù)相比可以捕獲更大的進(jìn)光量，因此可以再現更高質(zhì)量的圖像。
蘋(píng)果公司以及當今整個(gè)行業(yè)所使用的BSI流程如下圖所示。就BSI技術(shù)而言，首先在晶圓的一側制作所有電路部分，然后將晶圓翻轉倒置，以便創(chuàng )建可以在背面收集光線(xiàn)的光學(xué)結構。這樣可以消除FSI中金屬線(xiàn)路造成的干擾，在同一大小像素的條件下光線(xiàn)通過(guò)的空間更大，從而可提高量子效率。
圖4. 背照式(BSI)工藝流程圖
圖5. 不同結構下微透鏡和光電二極管(PD)之間的距離比較
借助BSI技術(shù)，使1.12μm及以下像素尺寸的應用成為可能，并為1600萬(wàn)像素及以上的高分辨率產(chǎn)品開(kāi)辟出了市場(chǎng)。不同于會(huì )受到布線(xiàn)干擾的FSI結構，基于BSI的光學(xué)工藝有著(zhù)更高的自由度。得益于此，背側深溝槽隔離(BDTI)、W型柵格(W Grid)和空氣柵格(Air Grid)等在內的各種光學(xué)像素結構被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以提高產(chǎn)品的量子效率。
背側深溝槽隔離(BDTI)工藝
雖然采用克服光衍射問(wèn)題的BSI結構可以提高量子效率，但仍需要采用額外的像素分割結構，以順應智能手機不斷縮小的像素尺寸和不斷降低的攝像頭F值4)。在這方面，背側深溝槽隔離(BDTI)結構是最具代表性的例子，這種結構可以在光線(xiàn)沿CIS芯片外側斜向進(jìn)入的區域提升全內反射(TIR)效果5)，從而增加信號。目前，這項技術(shù)被廣泛應用于大多數基于BSI技術(shù)的CIS產(chǎn)品。
4) F值：決定光圈亮度的值。相機的F值越低，光圈開(kāi)得就越大，進(jìn)光量就越多，使相機能夠在較暗的地方拍出明亮清晰的照片，同時(shí)減少圖像噪點(diǎn)。
5) 全內反射(TIR)：是指光由介質(zhì)(包括水或玻璃)周?chē)砻嫒勘环瓷浠卦橘|(zhì)內部的現象。當入射角大于臨界角時(shí)，就會(huì )發(fā)生全反射現象。
圖6. 傳統的背照式(BSI)結構和作為附加像素分割結構的背側深溝槽隔離(BDTI)工藝
彩色濾光片隔離結構
彩色濾光片隔離結構是與BDTI結構并駕齊驅的另一種技術(shù)，是通過(guò)在濾色器之間插入物理屏障提高基于BSI的像素性能。由于在使用BSI結構之后，微透鏡和光電二極管6)之間的距離無(wú)法再縮短，因此這種結構防止了由像素收縮引起的衍射。彩色濾光片隔離的代表性結構包括W型柵格和SK海力士專(zhuān)有的空氣柵格(Air Grid)結構。與簡(jiǎn)單的光阻隔結構W型柵格不同的是，使用全內反射的空氣柵格可以提高量子效率，因而有望成為新一代技術(shù)。
6) 光電二極管(PD)：將CIS傳感器接收到的光信號轉換為電信號。
圖7. W型柵格結構和空氣柵格結構
SK海力士基于BSI的像素技術(shù)未來(lái)前景光明
基于BSI的CIS產(chǎn)品于2011年首次上市后，CIS業(yè)界被重新洗牌，導致許多CIS傳感器廠(chǎng)商退出移動(dòng)端市場(chǎng)。而SK海力士憑借自身實(shí)力迅速掌握了BSI技術(shù)，并應用于像素尺寸為1.12μm或以下的產(chǎn)品，又獲得了BDTI、空氣柵格等核心技術(shù)。
SK海力士的BSI技術(shù)在持續發(fā)展中。最近，SK海力士成功開(kāi)發(fā)出混合鍵合(hybrid bonding)技術(shù)，將“銅—銅鍵合(Cu-to-Cu bonding)”應用于基于TSV (Through Silicon Via, 硅通孔技術(shù)）的堆棧式傳感器，為提高在芯片尺寸方面的競爭力和擴展多層晶圓鍵合技術(shù)奠定了基礎。未來(lái)，這些技術(shù)成果將有望被用于開(kāi)發(fā)適用于人工智能、醫療設備、AR(增強現實(shí))和VR(虛擬現實(shí))等領(lǐng)域的各種傳感器，從而進(jìn)一步擴大市場(chǎng)。
(作者： SK海力士，CIS工藝集成Technical Leader李庚寅)
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
使用TDS瞬態(tài)分流抑制器，實(shí)現可靠ESD和EOS保護，完整攻略在此！
物聯(lián)網(wǎng)原型開(kāi)發(fā)，如何能夠“快”起來(lái)？
氮化鎵柵極驅動(dòng)專(zhuān)利：RC負偏壓關(guān)斷技術(shù)之松下篇
