【導(dǎo)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(zhuǎn)換為電子信號(hào)，并將其傳輸至處理器的傳感器。因此，圖像傳感器充當(dāng)?shù)氖侵悄苁謾C(jī)或平板電腦等移動(dòng)設(shè)備“眼睛”的角色。近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。人們預(yù)計(jì)，CIS技術(shù)將不僅可以作為設(shè)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(zhuǎn)換為電子信號(hào)，并將其傳輸至處理器的傳感器。因此，圖像傳感器充當(dāng)?shù)氖侵悄苁謾C(jī)或平板電腦等移動(dòng)設(shè)備“眼睛”的角色。近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。人們預(yù)計(jì)，CIS技術(shù)將不僅可以作為設(shè)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開發(fā)團(tuán)隊(duì)。除了以DRAM和NAND閃存為代表的核心半導(dǎo)體存儲(chǔ)業(yè)務(wù)外，SK海力士還一直致力于開發(fā)和生產(chǎn)非存儲(chǔ)半導(dǎo)體CIS，以提高自身競(jìng)爭(zhēng)力。SK海力士已經(jīng)開發(fā)了為數(shù)眾多的設(shè)備與工藝技術(shù)，與同行的技術(shù)差距日漸縮小，目前還開發(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(nèi)容對(duì)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(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將光學(xué)結(jié)構(gòu)置于基于CMOS1)工藝的電路上。這項(xiàng)技術(shù)適用于像素尺寸為1.12μm及以上的大多數(shù)CIS解決方案，被廣泛用于移動(dòng)設(shè)備、閉路電視(CCTV)、行車記錄儀、數(shù)碼單反相機(jī)、車用傳感器等產(chǎn)品。
1) 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Silicon, CMOS)：由成對(duì)的N溝道和P溝道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 低壓金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管) 組成的互補(bǔ)邏輯電路。CMOS器件的功耗極低，被應(yīng)用于DRAM產(chǎn)品和CPU中，因?yàn)殡m然這類器件搭載的處理器較為復(fù)雜，但卻能夠進(jìn)行大規(guī)模集成。
圖1. 前照式(FSI)結(jié)構(gòu)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(yīng)能夠呈現(xiàn)出明亮清晰的圖像，而要實(shí)現(xiàn)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設(shè)計(jì)應(yīng)以FSI結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以盡可能避免光干擾。
2) 量子效率(QE)：用于衡量成像設(shè)備將入射光子轉(zhuǎn)換為電子的有效性的指標(biāo)。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(zhuǎn)換為100個(gè)電子信號(hào)。
圖2. 量子效率(QE)方程式和前照式(FSI)結(jié)構(gòu)圖
然而，通常情況下，當(dāng)連續(xù)的光線穿過(guò)光圈或物體周圍時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象3)。就光圈而言，隨著光圈孔徑尺寸的減少，更多的光會(huì)隨著衍射量的增加而擴(kuò)散。
3) 衍射現(xiàn)象：聲波和光波等在穿過(guò)障礙物或光圈時(shí)偏離直線傳播的現(xiàn)象。從光的角度來(lái)看，當(dāng)障礙物或光圈的尺寸等于或小于所通過(guò)光波的波長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。
同樣，外部光達(dá)到單個(gè)像素時(shí)，衍射現(xiàn)象也無(wú)法避免。就FSI結(jié)構(gòu)而言，因?yàn)槭艿较聦与娐分薪饘俨季€層的影響，這種結(jié)構(gòu)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(qū)域也保持不變。因此，光通過(guò)的區(qū)域變得更小，衍射現(xiàn)象增強(qiáng)，導(dǎo)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(qū)域的衍射，可以根據(jù)衍射計(jì)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(zhuǎn)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)品開始采用BSI技術(shù)。
基于BSI的像素技術(shù)的出現(xiàn)
2011年，蘋果iPhone 4手機(jī)問(wèn)世，其配備了當(dāng)時(shí)首個(gè)應(yīng)用BSI技術(shù)的CIS產(chǎn)品。蘋果公司當(dāng)時(shí)聲稱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(xiàn)更高質(zhì)量的圖像。
蘋果公司以及當(dāng)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(cè)制作所有電路部分，然后將晶圓翻轉(zhuǎn)倒置，以便創(chuàng)建可以在背面收集光線的光學(xué)結(jié)構(gòu)。這樣可以消除FSI中金屬線路造成的干擾，在同一大小像素的條件下光線通過(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(jié)構(gòu)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(yīng)用成為可能，并為1600萬(wàn)像素及以上的高分辨率產(chǎn)品開辟出了市場(chǎng)。不同于會(huì)受到布線干擾的FSI結(jié)構(gòu)，基于BSI的光學(xué)工藝有著更高的自由度。得益于此，背側(cè)深溝槽隔離(BDTI)、W型柵格(W Grid)和空氣柵格(Air Grid)等在內(nèi)的各種光學(xué)像素結(jié)構(gòu)被開發(fā)出來(lái)，以提高產(chǎn)品的量子效率。
背側(cè)深溝槽隔離(BDTI)工藝
雖然采用克服光衍射問(wèn)題的BSI結(jié)構(gòu)可以提高量子效率，但仍需要采用額外的像素分割結(jié)構(gòu)，以順應(yīng)智能手機(jī)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(cè)深溝槽隔離(BDTI)結(jié)構(gòu)是最具代表性的例子，這種結(jié)構(gòu)可以在光線沿CIS芯片外側(cè)斜向進(jìn)入的區(qū)域提升全內(nèi)反射(TIR)效果5)，從而增加信號(hào)。目前，這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大多數(shù)基于BSI技術(shù)的CIS產(chǎn)品。
4) F值：決定光圈亮度的值。相機(jī)的F值越低，光圈開得就越大，進(jìn)光量就越多，使相機(jī)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(nèi)反射(TIR)：是指光由介質(zhì)(包括水或玻璃)周圍表面全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)部的現(xiàn)象。當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。
圖6. 傳統(tǒng)的背照式(BSI)結(jié)構(gòu)和作為附加像素分割結(jié)構(gòu)的背側(cè)深溝槽隔離(BDTI)工藝
彩色濾光片隔離結(jié)構(gòu)
彩色濾光片隔離結(jié)構(gòu)是與BDTI結(jié)構(gòu)并駕齊驅(qū)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)包括W型柵格和SK海力士專有的空氣柵格(Air Grid)結(jié)構(gòu)。與簡(jiǎn)單的光阻隔結(jié)構(gòu)W型柵格不同的是，使用全內(nèi)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
圖7. W型柵格結(jié)構(gòu)和空氣柵格結(jié)構(gòu)
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(dǎo)致許多CIS傳感器廠商退出移動(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(yīng)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(xù)發(fā)展中。最近，SK海力士成功開發(fā)出混合鍵合(hybrid bonding)技術(shù)，將“銅—銅鍵合(Cu-to-Cu bonding)”應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)力和擴(kuò)展多層晶圓鍵合技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。未來(lái)，這些技術(shù)成果將有望被用于開發(fā)適用于人工智能、醫(yī)療設(shè)備、AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))和VR(虛擬現(xiàn)實(shí))等領(lǐng)域的各種傳感器，從而進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)。
(作者： SK海力士，CIS工藝集成Technical Leader李庚寅)
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