未來展望——FSI 和BSI 圖像傳感器技術(shù)

　　過去30年中，聚光技術(shù)和半導(dǎo)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(jī)采用的圖像傳感器為25微米像素，而如今，手機(jī)相機(jī)中傳感器的像素尺寸只有1.4微米。目前，市場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(zhàn)，圖像傳感器制造商也能夠提供更高的成像性能。

　　標(biāo)準(zhǔn)IC制造工藝和成像專用工藝在不斷進(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價比等優(yōu)勢，大大推動了其在手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。這些優(yōu)勢，再加上高性能特性，使得這種技術(shù)具有獨(dú)特的成本、性能和價值定位，未來應(yīng)用有望進(jìn)一步擴(kuò)展。

　　不過，由于光波長不變，像素不斷縮小，F(xiàn)SI技術(shù)存在其物理局限性。為了解決這個問題，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。但同時也帶來了更高成本、更大串?dāng)_和制造挑戰(zhàn)等問題，這意味著只要FSI圖像傳感器還能夠滿足當(dāng)前市場的性能要求，推遲向BSI的過渡也許是有利的。如今，BSI技術(shù)僅僅開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(fèi)類相機(jī)等產(chǎn)品。

　　FSI技術(shù)概述

      傳統(tǒng)上，圖像傳感器按照制造流程而設(shè)計(jì)。因此，對最終器件而言，光是從前面的金屬控制線之間進(jìn)入，然后再聚焦在光電檢測器上。一直以來，對于較大的像素，F(xiàn)SI都十分有效，因?yàn)橄袼囟询B（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)新來解決前面照度技術(shù)在材料和制造方面的局限性。比如，F(xiàn)SI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(dǎo)管和防反射涂層等技術(shù)，以優(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(jī)中，微透鏡的設(shè)計(jì)必需能夠滿足鏡頭質(zhì)量和更大主光角（chief ray angle）要求。光通過微透鏡，匯聚在針對微光響應(yīng)和信噪比(SNR)優(yōu)化而設(shè)計(jì)、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?shù)墓獗M可能多地為光導(dǎo)管所接收。

圖1 像素中的光傳播和光電轉(zhuǎn)化簡單圖解

　　雖然光導(dǎo)管是設(shè)計(jì)用于聚集從微透鏡發(fā)出的光，并使其以窄光束形式通過互連金屬和隔離堆疊，但它仍然能夠有效縮短光堆疊高度(見圖1中心的示意圖)，使平行光束被導(dǎo)入光電二極管區(qū)域(圖2)。

　　光導(dǎo)管必須匯聚由孔徑確定的光錐和主光角(CRA)范圍內(nèi)的任何光線。更先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝采用更小的特征尺寸，并從鋁工藝轉(zhuǎn)向銅工藝，能夠提供更窄的金屬寬度，實(shí)現(xiàn)更寬的光導(dǎo)管。結(jié)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金屬層的厚度。

圖2 帶有光導(dǎo)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(qū)域

　　一旦光導(dǎo)管把光子傳送到硅片表面，光電二極管開始工作。鑒于硅片的光吸收特性，光電二極管的區(qū)域應(yīng)該延伸至幾個微米的深度。在設(shè)計(jì)光電檢測器時，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，并形成一個深結(jié)(deep junction)，以消除較大波長光子產(chǎn)生的、沒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(shè)計(jì)優(yōu)化光導(dǎo)管，可降低串?dāng)_。這些光導(dǎo)管還能夠增大入射光的接收角，從而允許相機(jī)采用主光角更大的鏡頭，并為相機(jī)模塊設(shè)計(jì)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，F(xiàn)SI 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?dāng)_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開發(fā)出Aptina A-Pix FSI 技術(shù)，采用新的寬型光導(dǎo)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(shè)計(jì)規(guī)則的先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝，可以實(shí)現(xiàn)更寬的金屬開口，從而能夠在像素中插入更大的光導(dǎo)管，使更多的光子通過互連層，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(xiàn)了最先進(jìn)的1.4微米像素，可獲得50~60%的QE，而串?dāng)_為5~15%。這種高QE接近BSI的QE，然而FSI的串?dāng)_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(xiàn)高性能的1.4微米像素商用圖像傳感器，無需從FSI轉(zhuǎn)向BSI(見圖4)。

　　雖然需要1.1微米像素傳感器的未來應(yīng)用預(yù)計(jì)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(yīng)用，在這些應(yīng)用中，微光和總體成像性能比更高的分辨率更重要。視頻類應(yīng)用，特別是高清(HD)視頻，將推動HD分辨率下性能的提高。對于高質(zhì)量HD 視頻應(yīng)用，采用FSI技術(shù)的1.4微米、1.75微米或更大的像素預(yù)計(jì)還將在市場持續(xù)很長一段時間。

圖3 背面照度(BSI)像素的簡單圖解

　　FSI的缺點(diǎn) 

　　從一開始，F(xiàn)SI就面臨著使入射光通過硅片金屬層到達(dá)光電檢測器的挑戰(zhàn)。要加大孔徑，以提高光聚集度，可采用共享元件來設(shè)計(jì)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，也帶來了不對稱性，其后必須予以補(bǔ)償。此外，這些孔徑又產(chǎn)生衍射效應(yīng)，而且更大的像素堆疊高度使得串?dāng)_抑制變得更為困難。雖然光導(dǎo)管可以減輕這些效應(yīng)，但光導(dǎo)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(dǎo)管的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)大幅度增加。隨著像素的不斷縮小，即使采用光導(dǎo)管，衍射效應(yīng)也會妨礙光的接收。此外，F(xiàn)SI無法利用所有可用金屬互連層來進(jìn)行片上處理，在1.1微米像素下，這個缺陷可能更為突出。

　　BSI技術(shù)概述

　　采用BSI構(gòu)建像素，光線無需穿過金屬互連層(見圖3)。然而，這仍然對光路徑帶來一些限制，幸運(yùn)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(yīng)用于BSI技術(shù)，從而為提高 BSI 性能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 30 lux照度下，800萬像素、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(qū)域的入射光，其光學(xué)要求與FSI相同，不過現(xiàn)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?dāng)_，因而必需通過在光電二極管上淀積金屬柵格（metal grid）來增加一個孔徑。 
 由于BSI晶圓是翻轉(zhuǎn)（inverted）的，故入射光首先會入射到光電二極管附近的硅體材料。這時，由于漫射到鄰近像素或在背面界面的漫射與重新匯合，光線會形成串?dāng)_而產(chǎn)生損耗。藍(lán)光尤其容易發(fā)生這種現(xiàn)象，導(dǎo)致藍(lán)色QE減小，而串?dāng)_增加?？上驳氖?，通過利用先進(jìn)的背面處理和更深的光電二極管來捕獲藍(lán)光，可以解決這些問題。

　　BSI的優(yōu)點(diǎn)

　　BSI的主要優(yōu)勢是能夠使電氣組件與光線分離，使光路徑能夠被獨(dú)立地優(yōu)化，反之亦然。而且，這無需在金屬層或光導(dǎo)管中創(chuàng)建一個孔徑，從而消除了入射光的損耗機(jī)理。其最終結(jié)果是BSI能夠獲得更高的QE。

　　BSI圖像傳感器超越傳統(tǒng)FSI器件的另一個主要優(yōu)勢是像素的光堆疊高度更低。但應(yīng)當(dāng)注意的是，相比具有光導(dǎo)管的FSI架構(gòu)，這一優(yōu)勢并不明顯，這是因?yàn)閷τ诤笳?，由于光線在互連堆疊的頂部聚集，并由光導(dǎo)管限制和導(dǎo)引到光電檢測器表面，有效光堆疊高度也會減小。

　　對于1.4微米BSI像素，QE范圍通常為50~60%，而串?dāng)_范圍為15~20%。在1.4微米下，BSI的高QE結(jié)合略微受影響的串?dāng)_，帶來可與1.4微米FSI像素相媲美的總體圖像質(zhì)量。應(yīng)該注意的是，1.4微米BSI技術(shù)雖然剛剛進(jìn)入市場，但正如以往的像素技術(shù)一樣，其性能預(yù)計(jì)也將逐漸提升。今天，1.1微米BSI像素尚處于早期開發(fā)階段，不過一旦它們能夠投入生產(chǎn)，預(yù)計(jì)QE將達(dá)到50~60%，串?dāng)_為10~30%。屆時這些1.1微米BSI像素將會勝過1.1微米FSI像素，因?yàn)镕SI像素在縮小至1.1微米時存在制造難題。

　　BSI的缺點(diǎn)

　　BSI器件架構(gòu)本身帶來了串?dāng)_挑戰(zhàn)，導(dǎo)致無法精確地收集光子，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(zhǔn)（alignment for backside processing）以及背面界面鈍化（passivation）對準(zhǔn)等制造處理工藝，所有這些工藝都會增加成本和容差。此外，以往在前面(front side)進(jìn)行的CFA和微透鏡處理，現(xiàn)在必須在背面進(jìn)行。這時，由于晶圓翹曲以及材料背面上結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)存在的挑戰(zhàn)，對準(zhǔn)變得更加困難。

      BSI的相關(guān)成本較高，導(dǎo)致某些BSI傳感器制造商瞄準(zhǔn)成本較不敏感的高端相機(jī)應(yīng)用，業(yè)界權(quán)威人士承認(rèn)BSI技術(shù)的平均銷售價格較高。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(xiàng)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(xiàng)。因而，鈍化層需要淀積而不是生長在背表面上。而且，鈍化層中的缺陷將會影響背表面的缺陷，導(dǎo)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發(fā)，而且新技術(shù)走向成熟和良率提升需要一定的時間，大多數(shù)圖像傳感器銷售商都正在投資BSI工藝開發(fā)，克服這些障礙只是時間問題。

　　結(jié)論

      市場對于完美像素的需要正在推動圖像傳感器企業(yè)每年花費(fèi)數(shù)億美元進(jìn)行研發(fā)。至今為止，大多數(shù)像素研發(fā)的受益者都是FSI技術(shù)，它能夠以高性價比的方式將像素縮減至1.4微米，同時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)，它有助于推動相機(jī)在手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)字視頻和數(shù)碼相機(jī)以及無數(shù)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(yīng)用仍在不斷增多，F(xiàn)SI尤其適合于需要“較大”像素的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，弱光和總體成像性能是至關(guān)重要的考慮。象數(shù)碼相機(jī)和視頻攝像機(jī)、手機(jī)相機(jī)、PC和監(jiān)控設(shè)備中的HD視頻等應(yīng)用將需要由較大像素尺寸(如1.4和1.75微米像素)實(shí)現(xiàn)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(yīng)用中，高性能、高性價比的FSI傳感器將挑戰(zhàn)BSI技術(shù)降低價位的能力。

      近年來，由于FSI技術(shù)的未來發(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(zhuǎn)向BSI技術(shù)。BSI技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)用于高端相機(jī)中，同時，它的性能將會繼續(xù)提升，不久將在主流大批量應(yīng)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(yīng)用。

      未來，由于市場對不同應(yīng)用需求的分化，有理由相信FSI和BSI技術(shù)將會共存。FSI圖像傳感器技術(shù)的提升將滿足對于出色圖像和視頻性能的不斷增長的需求。同時，BSI技術(shù)的進(jìn)步將支持極小像素尺寸，以驅(qū)動體積更小的高分辨率相機(jī)的應(yīng)用。