【導讀】CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS) 是一種可以將通過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?shù)氖侵悄苁謾C或平板電腦等移動設備“眼睛”的角色。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR) 、自動駕駛的興起，CIS技術成為工業(yè)4.0的一項關鍵技術。人們預計，CIS技術將不僅可以作為設備的“眼睛”，還將在功能上有更進一步的發(fā)展。
CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS) 是一種可以將通過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?shù)氖侵悄苁謾C或平板電腦等移動設備“眼睛”的角色。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR) 、自動駕駛的興起，CIS技術成為工業(yè)4.0的一項關鍵技術。人們預計，CIS技術將不僅可以作為設備的“眼睛”，還將在功能上有更進一步的發(fā)展。
SK海力士在15年前就成立了CIS開發(fā)團隊。除了以DRAM和NAND閃存為代表的核心半導體存儲業(yè)務外，SK海力士還一直致力于開發(fā)和生產非存儲半導體CIS，以提高自身競爭力。SK海力士已經開發(fā)了為數(shù)眾多的設備與工藝技術，與同行的技術差距日漸縮小，目前還開發(fā)出了像素尺寸僅為0.64μm(微米)、擁有5000萬像素以上超高分辨率的CIS產品。本文將基于2022年11月舉行的第10屆SK海力士學術會議(SK hynix Academic Conference)內容對CIS關鍵技術之一的背照式(Backside Illumination, BSI)技術進行介紹。
前照式(FSI)技術及其局限性
早期的CIS產品像素采用前照式(FSI)結構，這種結構將光學結構置于基于CMOS1)工藝的電路上。這項技術適用于像素尺寸為1.12μm及以上的大多數(shù)CIS解決方案，被廣泛用于移動設備、閉路電視(CCTV)、行車記錄儀、數(shù)碼單反相機、車用傳感器等產品。
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產品和CPU中，因為雖然這類器件搭載的處理器較為復雜，但卻能夠進行大規(guī)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(xiàn)出明亮清晰的圖像，而要實現(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個光子下，則可以轉換為100個電子信號。
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(xù)的光線穿過光圈或物體周圍時，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象3)。就光圈而言，隨著光圈孔徑尺寸的減少，更多的光會隨著衍射量的增加而擴散。
3) 衍射現(xiàn)象：聲波和光波等在穿過障礙物或光圈時偏離直線傳播的現(xiàn)象。從光的角度來看，當障礙物或光圈的尺寸等于或小于所通過光波的波長時，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象。
同樣，外部光達到單個像素時，衍射現(xiàn)象也無法避免。就FSI結構而言，因為受到下層電路中金屬布線層的影響，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(qū)域也保持不變。因此，光通過的區(qū)域變得更小，衍射現(xiàn)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系
然而，控制像素的衍射也并非不可能。為了改善單個區(qū)域的衍射，可以根據(jù)衍射計算公式來縮短微透鏡到硅(Si)的距離。為此，人們提出了一種背照式(BSI)工藝，通過翻轉晶圓來利用其背面，以此消除金屬干擾。SK海力士從像素尺寸低于1.12μm的產品開始采用BSI技術。
基于BSI的像素技術的出現(xiàn)
2011年，蘋果iPhone 4手機問世，其配備了當時首個應用BSI技術的CIS產品。蘋果公司當時聲稱BSI技術與FSI技術相比可以捕獲更大的進光量，因此可以再現(xiàn)更高質量的圖像。
蘋果公司以及當今整個行業(yè)所使用的BSI流程如下圖所示。就BSI技術而言，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的光學結構。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，使1.12μm及以下像素尺寸的應用成為可能，并為1600萬像素及以上的高分辨率產品開辟出了市場。不同于會受到布線干擾的FSI結構，基于BSI的光學工藝有著更高的自由度。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)等在內的各種光學像素結構被開發(fā)出來，以提高產品的量子效率。
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沿CIS芯片外側斜向進入的區(qū)域提升全內反射(TIR)效果5)，從而增加信號。目前，這項技術被廣泛應用于大多數(shù)基于BSI技術的CIS產品。
4) F值：決定光圈亮度的值。相機的F值越低，光圈開得就越大，進光量就越多，使相機能夠在較暗的地方拍出明亮清晰的照片，同時減少圖像噪點。
5) 全內反射(TIR)：是指光由介質(包括水或玻璃)周圍表面全部被反射回原介質內部的現(xiàn)象。當入射角大于臨界角時，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象。
圖6. 傳統(tǒng)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，是通過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海力士專有的空氣柵格(Air Grid)結構。與簡單的光阻隔結構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。
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的像素技術未來前景光明
基于BSI的CIS產品于2011年首次上市后，CIS業(yè)界被重新洗牌，導致許多CIS傳感器廠商退出移動端市場。而SK海力士憑借自身實力迅速掌握了BSI技術，并應用于像素尺寸為1.12μm或以下的產品，又獲得了BDTI、空氣柵格等核心技術。
SK海力士的BSI技術在持續(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，將“銅—銅鍵合(Cu-to-Cu bonding)”應用于基于TSV (Through Silicon Via, 硅通孔技術）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奠定了基礎。未來，這些技術成果將有望被用于開發(fā)適用于人工智能、醫(yī)療設備、AR(增強現(xiàn)實)和VR(虛擬現(xiàn)實)等領域的各種傳感器，從而進一步擴大市場。
(作者： SK海力士，CIS工藝集成Technical Leader李庚寅)
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