未来展望-FSI和BSI图像传感器技术

将来展望——FSI和BSI图像传感器技术30年中，聚光技术和半导体制造工艺的创对图像传感器像素技术产生了重大影响。例如，最初便携25微米像素，而如今，手机相机中传感器的像素尺寸只有1.4微米。目前，市场对像素尺寸的需求小至1.1微米，即使存在一些相关制造挑战，图像传感器制造商也能够供给更高的成像性能。 标准IC制造工艺和成像专用工艺在不断进步，促进了承受前面照度(FSI)技术的图像传感器的开发。在这种技术中，如同人眼鹰一样，光落在IC的前面，然后通过读取电路和互连，最终被会聚到光电检测器中FSI为目前图像传感器所承受的主流技术，具有已获证明的大批量生产力量、高牢靠性和高良率以及颇具吸引力的性价比等优势，大大推动了其在手机、笔记本电脑、数码摄像机和数码相机等众多领域的应用。这些优势，再加上高性能特性，使得这种技术具有独特的本钱、性能和价值定位，将来应用有望进一步扩展。 不过，由于了解决这个问题，最近推出的一些技术从反面对传感器进展照明，即承受反面照度技术(BSI)，从而有效去除了光路径上的读取电路和互连。BSI技术拥有得到更高量子效率(QE)的潜在优势，前景格外迷人。但同时也带来了更高本钱、更FSI图像传感器还能够满足当前市场的性能要求，推迟向BSI的过渡或许是有利的。如今，BSI技术仅仅开头用于制造对传感器本钱提高并不是特别敏感的高端消费类相机等产品。FSI技术概述传统上，图像传感器依据制造流程而设计。因此，对最终器件而言，光是从前面的金属掌握线之间进入，然后再FSI都格外有效，由于像素堆叠〔pixelstack〕高度与像素面积之比很大，致使像素的孔径也很大。日益缩小的像素需要一系列像素技术创来解决前面众多创技术和工艺改进如外形优化微透镜颜色优化滤光、凹式像素阵列、光导管和防反射涂层等技术，以优化FSI像素的光路径。 进入FSI像素的光最初被带有防反射涂层的微透镜〔microlen〕聚焦，该微透镜也作为孔径使用。在手机中，微透镜的设计必需能够满足镜头质量和更大主光角〔chiefrayangle〕要求。光通过微透镜，会聚在针对微光响应和信噪比(SNR)上，确保被完全分别为三原色重量。微透镜的曲率和厚度必须细心选择，以使颜色滤波器传输的光尽可能多地为光导管所接收。620)this.style.width=620;“border=0>1像素中的光传播和光电转化简洁图解 虽然光导管是设计用于聚拢从微透镜发出的光，并使其以窄光束形式通过互连金属和隔离堆叠，但它仍旧能够有效缩短光堆叠高度(见图1中心的示意图)，使平行光束被导入光电二极管区域(图2)。 光导管必需会聚由孔径确定的光锥和主光角(CRA)范围内的任何光线更先进的半导体制造工艺承受更小的特征尺寸，并从铝工艺转向铜工艺，能够供给更窄的金属宽度，实现更宽的光导管。结合这些改进，像素阵列可以是凹式，把像素阵列之上的堆叠高度降至仅两个金属层的厚度。620)this.style.width=620;“border=0>2带有光导管的FSI像素阵列能够削减光散射，使光功率集中在光电二极管的区域 一旦光导管把光子传送到硅片外表，光电二极管开头工作。鉴于硅片的光吸取特性，光电二极管的区域应当延长至几个微米的深度。在设计光电检测器时，可把耗尽深度〔depletiondepth〕率最大化(1最右边的示意图)。其关键在于尽量增大相邻光电二极管之间的隔离，并形成一个深结(deepjunction)，以消退较大波长光子产生的、没有在光电二极管中被吸取的任何光电荷。 FSI的优点 导管可降低串扰这些光导管还能够增大入射光的接收角，从而允许相机承受主光角更大的镜头，并为相机模块设计供给更大的敏捷性，比方模块高度可以更小。 在1.4微米像素下对BSI和FSI技术进展比较可看出，FSI能以更低的本钱获得同等的性能。这种本钱优势可能源于其需要更少的工艺步骤，以及因其制造工艺更成熟而获得的更高良率。考虑到FSI串扰更小，BSI的QE更高，两者的成像性能和信噪比(SNR)根本相等或接近。 最近，图像传感器公司AptinaImagingCorporationAptinaA-PixFSI技术，承受的宽型光导管、更先进的微透镜和光学FSI65nm像素设计规章的先进半导体制造工艺，可以实现更宽的金属开口，从而能够在像素中插入更大的光导管，使更多的光子通过互连层，并在深度光电二极管中有效捕获这些光1.450~60%QE5~15%QEBSIQEFSI的串扰一般更小，净总体图像质量堪比1.4微米像素。上述改进就可以实现高性能的1.4微米像素商用图像传感器，无FSIBSI(4)。1.1微米像素传感器BSIFSI也有望促进下一代产品的进展。FSI格外适合于需要“更高的区分率更重要。视频类应用，特别是高清(HD)视频，HDHDFSI1.41.75微米或更大的像素估量还将在市场持续很长一段时间。620)this.style.width=620;“border=0>3反面照度(BSI)像素的简洁图解 FSI的缺点从一开头I就面临着使入射光通过硅片金属层到达光电检测器的挑战。要加大孔径，以提高光聚拢度，可承受共享元件来设计像素，以尽量削减光电二极管上的电路。这种方法在提高QE的同时，也带来了不对称性，其后必需予以补偿。此外，这些孔径又产生衍射效应，而且更大的像素堆叠高度使得串扰抑制变得更为困难。虽然光导管可以减轻这些效应，但光导管本身也存在损耗。 像素从1.4微米缩小到1.1微米，有关光导管的设计挑战大幅度增加。随着像素的不断缩小，即使承受光导管，衍射效应也会阻碍光的接收此外，FSI无法利用全部可用金属互连层来进展片上处理，在1.1微米像素下，这个缺陷可能更为突出。 BSI技术概述 承受BSI构建像素，光线无需穿过金属互连层(见图3)。然而，这仍旧对光路径带来一些限制，幸运的是，FSI技术不断改进的很多学问和技术进步可以直接应用BSI技术，从而为提高BSI性能打下了坚实的根底。620)this.style.width=620;“border=0>430lux照度下，800万像素1.4微米像素尺寸的FSI传感器产生的图像 BSI技术的第一步是会聚进入光电二极管光学区域的入射光，其光学要求与FSI一样，不过现在微透镜的位置更接近光电二极管，需要淀积更厚的微透镜材料层，以获得更短的焦距。与由互连层创立的自然孔径的FSI技术不同，BSI需要最大限度地减小串扰，因而必需通过在光电二极管上淀积金属栅格〔metalgrid〕来增加一个孔径。由于BSI晶圆是翻转〔inverted〕的，故入射光首先会入射到光电二极管四周的硅体材料。这时，由于漫射到邻近像素或在反面界面的漫射与重集合，光线会形成串扰而产QE减小，而串扰增加。可喜的是，通过利用先进的反面处理和更深的光电二极管来捕获蓝光，可以解决这些问题。BSI的优点BSI的主要优势是能够使电气组件与光线分别，使光路径能够被独立地优化，反之亦然。而且，这无需在金属层或光导管中创立一个孔径，从而消退了入射光的损耗机理。BSIQE。BSI图像传感器FSI器件的另一个主要优势是像素的光堆叠高度更FSI架构，这一优势并不明显，这是由于对于后者，由于光线在互连堆叠的顶部聚拢，并由光导管限制和导引到光电检测器外表，有效光堆叠高度也会减小。 对于1.4微米BSI像素，QE范围通常为50~60%，而串扰范围为15~20%。在1.4微米下，BSI的高QE结合略微受影响的串扰，带来可与1.4微米FSI像素相媲美的总体图像质量应当留意的是，1.4微米BSI技术虽然刚刚进入市场，但正如以往的像素技术一样，其性能估量也将渐渐提升今日1微米I像素尚处于早期开发阶段，不过一旦它们能够投入生产，估量QE将到达50~60%，串扰为10~30%届时这些1.1微米BSI像素将会赛过1.1微米FSI像素，由于FSI像素在缩小至1.1微米时存在制造难题。BSI的缺点 BSI器件架构本身带来了串扰挑战，导致无法准确地收集光子，因而减低了颜色修正矩阵的性能，并引起SNR下降。BSI还需要额外的晶圆粘片和减薄(mountingand、反面处理对准〔alignmentforprocessing〕以及反面界面钝化〔passivation〕对准等制造处理工艺，全部这些工艺都会增加本钱和容差。此外，以往在前面(frontside)进展的CFA这时，由于晶圆翘曲以及材料反面上构造对准存在的挑战，对准变得更加困难。BSIBSI传感器制造商瞄准本钱较不敏感的高端相机应用，业界权威人士成认BSI技术的平均销售价格较高。影响本钱的因素还有本钱较高、更先进的工艺技术等等。BSI反面处理比较麻烦，从而使处理工艺选项格外有限。此外，晶圆的前外表已有载具晶圆键合〔carrierwaferbond〕和金属化，这也限制了处理工艺选项。因而，钝化层需要淀积而不是生长在背外表上。而且，钝化层中的缺陷将会影响背外表的缺陷，导致更高的喑电流和更大的热像素缺陷可能性。创立BSI图像传感器还需要工艺的开发，而且技术走向成熟和良率提升需要肯定的时间，大多数图像传感器销售商都正在投资BSI工艺开发，抑制这些障碍只是时间问题。结论市场对于完善像素的需要正在推动图像传感器企业每年花费数亿美元进展研发。至今为止，大多数像素研发的受益者都是FSI技术，它能够以高性价比的方式将像素缩减1.4微米，同时每年均可提升给定像素尺寸的性能。FSI技术拥有格外有吸引力的性能、本钱和价值定位，是如今图像传感器使用的主流技术，它有助于推动相机在手机、笔记本电脑、数字视频和数码相机以及很多其它领域的使用。尽管业界进展趋势是更高的区分率和更小的像素尺寸，但需要“较大〞像素和精彩的弱光图像质量的应用仍在不断增多，FSI尤其适合于需要“较大〞像素的应用，在这些应用中，弱光和总体成像性能是至关重要的考虑。象数码相机和视频摄像机、手机相机、PC和监控设备中的HD视频等应用将需要由较大像素尺寸(如1.4和1.75微米像素)实现精彩的图像FSIAptinaA-PixFSI技术。而且，鉴于BSI的本钱较高，在这些较大像FSI传感器将挑战