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，FSI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。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、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