作者@@： SK海力士@@CIS工艺@@集成@@Technical Leader李庚寅@@
CMOS图@@像传感器@@(CMOS Image Sensor, CIS) 是一种可以将@@通过镜头捕获的@@光的@@颜色和@@亮度转换为电子@@信号@@，并将@@其传输至处理器的@@传感器@@。因此@@，图@@像传感器@@充当的@@是智能手机或@@平板电脑等移动设备@@@@“眼睛@@”的@@角色@@。近年@@来@@，随着虚拟现实@@@@(VR)、增强现实@@(AR) 、自动驾驶的@@兴起@@，CIS技术@@成为工业@@4.0的@@一项关键技术@@@@。人们预计@@，CIS技术@@将@@不仅可以作为设备@@的@@@@“眼睛@@”，还将@@在功能上有更进一步的@@发展@@。
SK海力士@@在@@15年@@前就@@成立了@@CIS开发团队@@。除了以@@DRAM和@@NAND闪存为代表的@@核心半导体存储业务外@@，SK海力士@@还一直致力于开发和@@生产非存储半导体@@CIS，以提高@@自身竞争力@@。SK海力士@@已经开发了为数众多的@@设备@@与工艺@@技术@@@@，与同行的@@技术@@差距日渐缩小@@，目前@@还开发出了像素尺寸仅为@@0.64μm(微米@@)、拥有@@5000万像素以上超高分辨率的@@@@CIS产品@@。本文将@@基于@@@@2022年@@11月举行的@@第@@10届@@SK海力士@@学术会议@@(SK hynix Academic Conference)内容对@@CIS关键技术@@之一的@@背照式@@@@(Backside Illumination, BSI)技术@@进行介绍@@。
前照式@@(FSI)技术@@及其局限性@@
早期的@@@@CIS产品@@像素采用前照式@@@@(FSI)结构@@，这种结构@@将@@光学结构@@置于基于@@@@CMOS1)工艺@@的@@电路上@@。这项技术@@适用于像素尺寸为@@1.12μm及以上的@@大多数@@CIS解决方案@@，被广泛用于移动设备@@@@、闭路电视@@(CCTV)、行车记录仪@@、数码单反相机@@、车用传感器等产品@@@@。
1) 互补金属氧化物半导体@@(Complementary Metal Oxide Silicon, CMOS)：由成对的@@@@N沟道@@和@@@@P沟道@@MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 低压金属氧化物半导体场效应管@@) 组成的@@互补逻辑电路@@。CMOS器件的@@功耗极低@@，被应用于@@DRAM产品@@和@@@@CPU中@@，因为虽然这类器件搭载的@@处理器较为复杂@@，但却能够进行大规模集成@@。
图@@1. 前照式@@(FSI)结构@@和@@单位像素示意图@@@@
一款高性能的@@图@@像传感器@@即使@@@@在弱光条件下@@，也应能够呈现出明亮清晰的@@图@@像@@，而@@要实现这一效果@@@@，需要提高@@像素的@@量子效率@@@@(QE)2)。因此@@，像素下层电路的@@金属布线设计应以@@FSI结构@@为基础@@，以尽可能避免光干扰@@。
2) 量子效率@@(QE)：用于衡量成像设备@@将@@入射光子转换为电子@@的@@有效性的@@指标@@。如果一款传感器的@@量子效率@@为@@100%且暴露在@@100个光子下@@，则可以转换为@@100个电子@@信号@@。
图@@2. 量子效率@@(QE)方程式和@@前照式@@@@(FSI)结构@@图@@@@
然而@@@@，通常情况下@@，当连续的@@光线穿过光圈或@@物体周围时@@，就@@会发生衍射现象@@@@3)。就@@光圈而@@言@@，随着光圈孔径尺寸的@@减少@@，更多的@@光会随着衍射量的@@增加而@@扩散@@。
3) 衍射现象@@：声波和@@光波等在穿过障碍物或@@光圈时偏离直线传播的@@现象@@。从光的@@角度来看@@，当障碍物或@@光圈的@@尺寸等于或@@小于所通过光波的@@波长时@@，就@@会发生衍射现象@@@@。
同样@@，外部光达到单个像素时@@，衍射现象@@也无法避免@@。就@@FSI结构@@而@@言@@，因为受到下层电路中@@金属布线层的@@影响@@，这种结构@@更容易受到衍射的@@影响@@。即使@@@@FSI像素尺寸减少@@，被金属覆盖的@@区域也保持不变@@。因此@@，光通过的@@区域变得更小@@，衍射现象@@增强@@，导致图@@像中@@的@@颜色混合在一起@@。
图@@3. 光衍射和@@像素大小的@@关系@@
然而@@@@，控制像素的@@衍射也并非不可能@@。为了改善单个区域的@@衍射@@，可以根据衍射计算公式来缩短微透镜到硅@@(Si)的@@距离@@。为此@@，人们提出了一种背照式@@@@(BSI)工艺@@，通过翻转晶圆来利用其背面@@，以此消除金属干扰@@。SK海力士@@从像素尺寸低于@@1.12μm的@@产品@@开始采用@@BSI技术@@。
基于@@BSI的@@像素技术@@的@@@@出现@@
2011年@@，苹果@@iPhone 4手机问世@@，其配备@@了当时首个应用@@BSI技术@@的@@@@CIS产品@@。苹果@@公司当时声称@@BSI技术@@与@@FSI技术@@相比可以捕获更大的@@进光量@@，因此@@可以再现更高质量的@@图@@像@@。
苹果@@公司以及当今整个行业所使@@用的@@@@BSI流程如下图@@所示@@。就@@BSI技术@@而@@言@@，首先在晶圆的@@一侧制作所有电路部分@@，然后将@@晶圆翻转倒置@@，以便创建可以在背面收集光线的@@光学结构@@@@。这样可以消除@@FSI中@@金属线路造成的@@干扰@@，在同一大小像素的@@条件下光线通过的@@空间@@更大@@，从而@@可提高@@量子效率@@@@。
图@@4. 背照式@@(BSI)工艺@@流程图@@@@
图@@5. 不同结构@@下微透镜和@@光电二极管@@@@@@(PD)之间的@@距离@@比较@@
借助@@BSI技术@@，使@@1.12μm及以下像素尺寸的@@应用成为可能@@，并为@@1600万像素及以上的@@高分辨率产品@@开辟出了市场@@。不同于会受到布线干扰的@@@@FSI结构@@，基于@@BSI的@@光学工艺@@有着更高的@@自由度@@。得益于此@@，背侧深沟槽隔离@@(BDTI)、W型栅格@@(W Grid)和@@空气栅格@@(Air Grid)等在内的@@各种光学像素结构@@被开发出来@@，以提高@@产品@@的@@量子效率@@@@。
背侧深沟槽隔离@@(BDTI)工艺@@
虽然采用克服光衍射问题的@@@@BSI结构@@可以提高@@量子效率@@@@，但仍需要采用额外的@@像素分割结构@@@@，以顺应智能手机不断缩小的@@像素尺寸和@@不断降低的@@摄像头@@F值@@4)。在这方面@@，背侧深沟槽隔离@@(BDTI)结构@@是最具代表性的@@例子@@，这种结构@@可以在光线沿@@CIS芯片外侧斜向进入的@@区域提升全内反射@@@@(TIR)效果@@5)，从而@@增加信号@@。目前@@，这项技术@@被广泛应用于大多数基于@@@@BSI技术@@的@@@@CIS产品@@。
4) F值@@：决定光圈亮度的@@值@@@@。相机的@@@@F值@@越低@@，光圈开得就@@越大@@，进光量就@@越多@@，使@@相机能够在较暗的@@地方拍出明亮清晰的@@照片@@，同时减少图@@像噪点@@。
5) 全内反射@@(TIR)：是指光由介质@@(包括水或@@玻璃@@)周围表面全部被反射回原介质内部的@@现象@@。当入射角大于临界角时@@，就@@会发生全反射现象@@。
图@@6. 传统的@@背照式@@@@(BSI)结构@@和@@作为附加像素分割结构@@的@@背侧深沟槽隔离@@@@(BDTI)工艺@@
彩色滤光片隔离结构@@@@
彩色滤光片隔离结构@@@@是与@@BDTI结构@@并驾齐驱的@@另一种技术@@@@，是通过在滤色器之间插入物理屏障提高@@基于@@@@BSI的@@像素性能@@。由于在使@@用@@BSI结构@@之后@@，微透镜和@@光电二极管@@@@6)之间的@@距离@@无法再缩短@@，因此@@这种结构@@防止了由像素收缩引起的@@衍射@@。彩色滤光片隔离的@@代表性结构@@包括@@W型栅格@@和@@@@SK海力士@@专有的@@空气栅格@@(Air Grid)结构@@。与简单的@@光阻隔结构@@@@W型栅格@@不同的@@是@@，使@@用全内反射@@的@@空气栅格可以提高@@量子效率@@@@，因而@@有望成为新一代技术@@@@。
6) 光电二极管@@(PD)：将@@CIS传感器接收到的@@光信号转换为电信号@@。
图@@7. W型栅格@@结构@@和@@空气栅格@@结构@@@@
SK海力士@@基于@@@@BSI的@@像素技术@@未来@@前景光明@@
基于@@BSI的@@CIS产品@@于@@2011年@@首次上市后@@，CIS业界被重新洗牌@@，导致许多@@CIS传感器厂商退出移动端市场@@。而@@SK海力士@@凭借自身实力迅速掌握了@@BSI技术@@，并应用于像素尺寸为@@1.12μm或@@以下的@@产品@@@@，又获得了@@BDTI、空气栅格等核心技术@@@@。
SK海力士@@的@@@@BSI技术@@在持续发展中@@@@。最近@@，SK海力士@@成功开发出混合键合@@(hybrid bonding)技术@@，将@@“铜@@—铜@@键合@@(Cu-to-Cu bonding)”应用于基于@@@@TSV (Through Silicon Via, 硅通孔技术@@@@）的@@堆栈式传感器@@，为提高@@在芯片尺寸方面的@@竞争力和@@扩展多层晶圆键合技术@@奠定了基础@@。未来@@，这些技术@@成果将@@有望被用于开发适用于人工智能@@、医疗设备@@@@、AR(增强现实@@)和@@VR(虚拟现实@@)等领域的@@各种传感器@@，从而@@进一步扩大市场@@。