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過(guò)去30年中，聚光技術(shù)和半導體制造工藝的創(chuàng )新對圖像傳感器像素技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。例如，最初便攜式攝像機采用的圖像傳感器為25微米像素，而如今，手機相機中傳感器的像素尺寸只有1.4微米。目前，市場(chǎng)對像素尺寸的需求小至1.1微米，即使存在一些相關(guān)制造挑戰，圖像傳感器制造商也能夠提供更高的成像性能。 標準IC制造工藝和成像專(zhuān)用工藝在不斷進(jìn)步，促進(jìn)了采用前面照度(FSI)技術(shù)的圖像傳感器的開(kāi)發(fā)。在這種技術(shù)中，如同人眼鷹一樣，光落在IC的前面，然后通過(guò)讀取電路和互連，最后被匯聚到光電檢測器中。FSI為目前圖像傳感器所采用的主流技術(shù)，具有已獲證實(shí)的大批量生產(chǎn)能力、高可靠性和高良率以及頗具吸引力的性?xún)r(jià)比等優(yōu)勢，大大推動(dòng)了其在手機、筆記本電腦、數碼攝像機和數碼相機等眾多領(lǐng)域的應用。這些優(yōu)勢，再加上高性能特性，使得這種技術(shù)具有獨特的成本、性能和價(jià)值定位，未來(lái)應用有望進(jìn)一步擴展。 不過(guò)，由于光波長(cháng)不變，像素不斷縮小，FSI技術(shù)存在其物理局限性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，最近推出的一些新技術(shù)從背面對傳感器進(jìn)行照明，即采用背面照度技術(shù)(BSI)，從而有效去除了光路徑上的讀取電路和互連。BSI技術(shù)擁有得到更高量子效率(QE)的潛在優(yōu)勢，前景十分誘人。但同時(shí)也帶來(lái)了更高成本、更大串擾和制造挑戰等問(wèn)題，這意味著(zhù)只要FSI圖像傳感器還能夠滿(mǎn)足當前市場(chǎng)的性能要求，推遲向BSI的過(guò)渡也許是有利的。如今，BSI技術(shù)僅僅開(kāi)始用于制造對傳感器成本提高并不是特別敏感的高端消費類(lèi)相機等產(chǎn)品。 FSI技術(shù)概述 傳統上，圖像傳感器按照制造流程而設計。因此，對最終器件而言，光是從前面的金屬控制線(xiàn)之間進(jìn)入，然后再聚焦在光電檢測器上。一直以來(lái)，對于較大的像素，FSI都十分有效，因為像素堆疊（pixel stack）高度與像素面積之比很大，致使像素的孔徑也很大。日益縮小的像素需要一系列像素技術(shù)創(chuàng )新來(lái)解決前面照度技術(shù)在材料和制造方面的局限性。比如，FSI已經(jīng)采取眾多創(chuàng )新技術(shù)和工藝改進(jìn)，如形狀優(yōu)化微透鏡、色彩優(yōu)化濾光、凹式像素陣列、光導管和防反射涂層等技術(shù)，以?xún)?yōu)化FSI像素的光路徑。 進(jìn)入FSI像素的光最初被帶有防反射涂層的微透鏡（microlen）聚焦，該微透鏡也作為孔徑使用。在手機中，微透鏡的設計必需能夠滿(mǎn)足鏡頭質(zhì)量和更大主光角（chief ray angle）要求。光通過(guò)微透鏡，匯聚在針對微光響應和信噪比(SNR)優(yōu)化而設計、具有最佳密度和厚度的彩色濾光器上，確保被完全分離為三原色分量。微透鏡的曲率和厚度必須精心選擇，以使色彩濾波器傳輸的光盡可能多地為光導管所接收。 圖1 像素中的光傳播和光電轉化簡(jiǎn)單圖解 雖然光導管是設計用于聚集從微透鏡發(fā)出的光，并使其以窄光束形式通過(guò)互連金屬和隔離堆疊，但它仍然能夠有效縮短光堆疊高度(見(jiàn)圖1中心的示意圖)，使平行光束被導入光電二極管區域(圖2)。 光導管必須匯聚由孔徑確定的光錐和主光角(CRA)范圍內的任何光線(xiàn)。更先進(jìn)的半導體制造工藝采用更小的特征尺寸，并從鋁工藝轉向銅工藝，能夠提供更窄的金屬寬度，實(shí)現更寬的光導管。結合這些改進(jìn)，像素陣列可以是凹式，把像素陣列之上的堆疊高度降至僅兩個(gè)金屬層的厚度。 圖2 帶有光導管的FSI像素陣列能夠減少光散射，使光功率集中在光電二極管的區域 一旦光導管把光子傳送到硅片表面，光電二極管開(kāi)始工作。鑒于硅片的光吸收特性，光電二極管的區域應該延伸至幾個(gè)微米的深度。在設計光電檢測器時(shí)，可把耗盡深度（depletion depth）延伸入硅晶圓，使光子收集與保存的空間分辨率最大化(見(jiàn)圖1最右邊的示意圖)。其關(guān)鍵在于盡量增大相鄰光電二極管之間的隔離，并形成一個(gè)深結(deep junction)，以消除較大波長(cháng)光子產(chǎn)生的、沒(méi)有在光電二極管中被吸收的任何光電荷。 FSI的優(yōu)點(diǎn) 先進(jìn)的FSI像素采用設計優(yōu)化光導管，可降低串擾。這些光導管還能夠增大入射光的接收角，從而允許相機采用主光角更大的鏡頭，并為相機模塊設計提供更大的靈活性，比如模塊高度可以更小。 在 1.4 微米像素下對BSI和FSI技術(shù)進(jìn)行比較可看出，FSI 能以更低的成本獲得同等的性能。這種成本優(yōu)勢可能源于其需要更少的工藝步驟，以及因其制造工藝更成熟而獲得的更高良率�？紤]到 FSI串擾更小，BSI的QE更高，兩者的成像性能和信噪比(SNR)基本相等或接近。 最近，圖像傳感器公司Aptina Imaging Corporation開(kāi)發(fā)出Aptina A-Pix FSI 技術(shù)，采用新的寬型光導管、更先進(jìn)的微透鏡和光學(xué)層，以及深度光電二極管，提升了FSI技術(shù)的能力。利用65nm 像素設計規則的先進(jìn)半導體制造工藝，可以實(shí)現更寬的金屬開(kāi)口，從而能夠在像素中插入更大的光導管，使更多的光子通過(guò)互連層，并在深度光電二極管中有效捕捉這些光子。這些改進(jìn)實(shí)現了最先進(jìn)的1.4微米像素，可獲得50"60%的QE，而串擾為5"15%。這種高QE接近BSI的QE，然而FSI的串擾一般更小，凈總體圖像質(zhì)量堪比1.4微米像素。上述改進(jìn)就可以實(shí)現高性能的1.4微米像素商用圖像傳感器，無(wú)需從FSI轉向BSI(見(jiàn)圖4)。 雖然需要1.1微米像素傳感器的未來(lái)應用預計將采用BSI技術(shù)，但是FSI 也有望促進(jìn)下一代產(chǎn)品的發(fā)展。FSI非常適合于需要“更大”像素的應用，在這些應用中，微光和總體成像性能比更高的分辨率更重要。視頻類(lèi)應用，特別是高清(HD)視頻，將推動(dòng)HD分辨率下性能的提高。對于高質(zhì)量HD 視頻應用，采用FSI技術(shù)的1.4微米、1.75微米或更大的像素預計還將在市場(chǎng)持續很長(cháng)一段時(shí)間。 圖3 背面照度(BSI)像素的簡(jiǎn)單圖解 FSI的缺點(diǎn) 從一開(kāi)始，FSI就面臨著(zhù)使入射光通過(guò)硅片金屬層到達光電檢測器的挑戰。要加大孔徑，以提高光聚集度，可采用共享元件來(lái)設計像素，以盡量減少光電二極管上的電路。這種方法在提高QE的同時(shí)，也帶來(lái)了不對稱(chēng)性，其后必須予以補償。此外，這些孔徑又產(chǎn)生衍射效應，而且更大的像素堆疊高度使得串擾抑制變得更為困難。雖然光導管可以減輕這些效應，但光導管本身也存在損耗。 像素從1.4微米縮小到1.1微米，有關(guān)光導管的設計挑戰大幅度增加。隨著(zhù)像素的不斷縮小，即使采用光導管，衍射效應也會(huì )妨礙光的接收。此外，FSI無(wú)法利用所有可用金屬互連層來(lái)進(jìn)行片上處理，在1.1微米像素下，這個(gè)缺陷可能更為突出。 BSI技術(shù)概述 采用BSI構建像素，光線(xiàn)無(wú)需穿過(guò)金屬互連層(見(jiàn)圖3)。然而，這仍然對光路徑帶來(lái)一些限制，幸運的是，促使FSI技術(shù)不斷改進(jìn)的許多知識和技術(shù)進(jìn)步可以直接應用于BSI技術(shù)，從而為提高 BSI 性能打下了堅實(shí)的基礎。 圖4 30 lux照度下，800萬(wàn)像素、1.4微米像素尺寸的FSI傳感器產(chǎn)生的圖像 BSI技術(shù)的第一步是匯聚進(jìn)入光電二極管光學(xué)區域的入射光，其光學(xué)要求與FSI相同，不過(guò)現在微透鏡的位置更接近光電二極管，需要淀積更厚的微透鏡材料層，以獲得更短的焦距。與由互連層創(chuàng )建的自然孔徑的FSI技術(shù)不同，BSI需要最大限度地減小串擾，因而必需通過(guò)在光電二極管上淀積金屬柵格（metal grid）來(lái)增加一個(gè)孔徑。 由于BSI晶圓是翻轉（inverted）的，故入射光首先會(huì )入射到光電二極管附近的硅體材料。這時(shí)，由于漫射到鄰近像素或在背面界面的漫射與重新匯合，光線(xiàn)會(huì )形成串擾而產(chǎn)生損耗。藍光尤其容易發(fā)生這種現象，導致藍色QE減小，而串擾增加�？上驳氖�，通過(guò)利用先進(jìn)的背面處理和更深的光電二極管來(lái)捕獲藍光，可以解決這些問(wèn)題。 BSI的優(yōu)點(diǎn) BSI的主要優(yōu)勢是能夠使電氣組件與光線(xiàn)分離，使光路徑能夠被獨立地優(yōu)化，反之亦然。而且，這無(wú)需在金屬層或光導管中創(chuàng )建一個(gè)孔徑，從而消除了入射光的損耗機理。其最終結果是BSI能夠獲得更高的QE。 BSI圖像傳感器超越傳統FSI器件的另一個(gè)主要優(yōu)勢是像素的光堆疊高度更低。但應當注意的是，相比具有光導管的FSI架構，這一優(yōu)勢并不明顯，這是因為對于后者，由于光線(xiàn)在互連堆疊的頂部聚集，并由光導管限制和導引到光電檢測器表面，有效光堆疊高度也會(huì )減小。 對于1.4微米BSI像素，QE范圍通常為50"60%，而串擾范圍為15"20%。在1.4微米下，BSI的高QE結合略微受影響的串擾，帶來(lái)可與1.4微米FSI像素相媲美的總體圖像質(zhì)量。應該注意的是，1.4微米BSI技術(shù)雖然剛剛進(jìn)入市場(chǎng)，但正如以往的像素技術(shù)一樣，其性能預計也將逐漸提升。今天，1.1微米BSI像素尚處于早期開(kāi)發(fā)階段，不過(guò)一旦它們能夠投入生產(chǎn)，預計QE將達到50"60%，串擾為10"30%。屆時(shí)這些1.1微米BSI像素將會(huì )勝過(guò)1.1微米FSI像素，因為FSI像素在縮小至1.1微米時(shí)存在制造難題。 BSI的缺點(diǎn) BSI器件架構本身帶來(lái)了串擾挑戰，導致無(wú)法精確地收集光子，因而減低了色彩修正矩陣的性能，并引起SNR下降。BSI還需要額外的晶圓粘片和減薄(mounting and thinning) 、背面處理對準（alignment for backside processing）以及背面界面鈍化（passivation）對準等制造處理工藝，所有這些工藝都會(huì )增加成本和容差。此外，以往在前面(front side)進(jìn)行的CFA和微透鏡處理，現在必須在背面進(jìn)行。這時(shí)，由于晶圓翹曲以及材料背面上結構對準存在的挑戰，對準變得更加困難。 BSI的相關(guān)成本較高，導致某些BSI傳感器制造商瞄準成本較不敏感的高端相機應用，業(yè)界權威人士承認BSI技術(shù)的平均銷(xiāo)售價(jià)格較高。影響成本的因素還有成本較高、更先進(jìn)的工藝技術(shù)等等。 BSI的另一個(gè)缺點(diǎn)是需要背面鈍化，相比前表面處理，背面處理比較麻煩，從而使處理工藝選項非常有限。此外，晶圓的前表面已有載具晶圓鍵合（carrier wafer bond）和金屬化，這也限制了處理工藝選項。因而，鈍化層需要淀積而不是生長(cháng)在背表面上。而且，鈍化層中的缺陷將會(huì )影響背表面的缺陷，導致更高的喑電流和更大的熱像素缺陷可能性。 創(chuàng )建BSI圖像傳感器還需要新工藝的開(kāi)發(fā)，而且新技術(shù)走向成熟和良率提升需要一定的時(shí)間，大多數圖像傳感器銷(xiāo)售商都正在投資BSI工藝開(kāi)發(fā)，克服這些障礙只是時(shí)間問(wèn)題。 結論 市場(chǎng)對于完美像素的需要正在推動(dòng)圖像傳感器企業(yè)每年花費數億美元進(jìn)行研發(fā)。至今為止，大多數像素研發(fā)的受益者都是FSI技術(shù)，它能夠以高性?xún)r(jià)比的方式將像素縮減至1.4微米，同時(shí)每年均可提升給定像素尺寸的性能。 FSI技術(shù)擁有非常有吸引力的性能、成本和價(jià)值定位，是如今圖像傳感器使用的主流技術(shù)，它有助于推動(dòng)相機在手機、筆記本電腦、數字視頻和數碼相機以及無(wú)數其它領(lǐng)域的使用。盡管業(yè)界發(fā)展趨勢是更高的分辨率和更小的像素尺寸，但需要“較大”像素和出色的弱光圖像質(zhì)量的應用仍在不斷增多，FSI尤其適合于需要“較大”像素的應用，在這些應用中，弱光和總體成像性能是至關(guān)重要的考慮。象數碼相機和視頻攝像機、手機相機、PC和監控設備中的HD視頻等應用將需要由較大像素尺寸(如1.4和1.75微米像素)實(shí)現出色的圖像質(zhì)量，這些較大的像素更傾向于FSI解決方案，如Aptina A-Pix FSI技術(shù)。而且，鑒于BSI的成本較高，在這些較大像素應用中，高性能、高性?xún)r(jià)比的FSI傳感器將挑戰BSI技術(shù)降低價(jià)位的能力。 近年來(lái)，由于FSI技術(shù)的未來(lái)發(fā)展局限性已經(jīng)變得十分明顯，業(yè)界已將某些研發(fā)轉向BSI技術(shù)。BSI技術(shù)現在已經(jīng)用于高端相機中，同時(shí)，它的性能將會(huì )繼續提升，不久將在主流大批量應用中得到廣泛使用，尤其是那些需要1.1微米及以下尺寸的應用。 未來(lái)，由于市場(chǎng)對不同應用需求的分化，有理由相信FSI和BSI技術(shù)將會(huì )共存。FSI圖像傳感器技術(shù)的提升將滿(mǎn)足對于出色圖像和視頻性能的不斷增長(cháng)的需求。同時(shí)，BSI技術(shù)的進(jìn)步將支持極小像素尺寸，以驅動(dòng)體積更小的高分辨率相機的應用。 |
