未来展望——FSI 和BSI 图像传感器技术

过去30年中，聚光技术和半导体制造工艺的创新对图像传感器像素技术产生了重大影响。例如，最初便携式摄像机采用的图像传感器为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提供更高的成像性能。
标准IC制造工艺和成像专用工艺在不断进步，促进了采用前面照度(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，最后被汇聚到光电检测器中。FSI为目前图像传感器所采用的主流技术，具有已获证实的大批量生产能力、高可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成本、性能和价值定位，未来应用有望进一步扩展。
不过，由于光波长不变，像素不断缩小，FSI技术存在其物理局限性。为了解决这个问题，最近推出的一些新技术从背面对传感器进行照明，即采用背面照度技术(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，前景十分诱人。但同时也带来了更高成本、更大串扰和制造挑战等问题，这意味着只要FSI图像传感器还能够满足当前市场的性能要求，推迟向BSI的过渡也许是有利的。如今，BSI技术仅仅开始用于制造对传感器成本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，图像传感器按照制造流程而设计。因此，对最终器件而言，光是从前面的金属控制线之间进入，然后再聚焦在光电检测器上。一直以来，对于较大的像素，FSI都十分有效，因为像素堆叠（pixel stack）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新来解决前面照度技术在材料和制造方面的局限性。比如，FSI已经采取众多创新技术和工艺改进，如形状优化微透镜、色彩优化滤光、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（chief ray angle）要求。光通过微透镜，汇聚在针对微光响应和信噪比(SNR)优化而设计、具有最佳密度和厚度的彩色滤光器上，确保被完全分离为三原色分量。微透镜的曲率和厚度必须精心选择，以使色彩滤波器传输的光尽可能多地为光导管所接收。



图1 像素中的光传播和光电转化简单图解
虽然光导管是设计用于聚集从微透镜发出的光，并使其以窄光束形式通过互连金属和隔离堆叠，但它仍然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)。
光导管必须汇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采用更小的特征尺寸，并从铝工艺转向铜工艺，能够提供更窄的金属宽度，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。



图2 带有光导管的FSI像素阵列能够减少光散射，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表面，光电二极管开始工作。鉴于硅片的光吸收特性，光电二极管的区域应该延伸至几个微米的深度。在设计光电检测器时，可把耗尽深度（depletion depth）延伸入硅晶圆，使光子收集与保存的空间分辨率最大化(见图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(deep junction)，以消除较大波长光子产生的、没有在光电二极管中被吸收的任何光电荷。
FSI的优点
先进的FSI像素采用设计优化光导管，可降低串扰。这些光导管还能够增大入射光的接收角，从而允许相机采用主光角更大的镜头，并为相机模块设计提供更大的灵活性，比如模块高度可以更小。
在 1.4 微米像素下对BSI和FSI技术进行比较可看出，FSI 能以更低的成本获得同等的性能。这种成本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)基本相等或接近。
最近，图像传感器公司Aptina Imaging Corporation开发出Aptina A-Pix FSI 技术，采用新的宽型光导管、更先进的微透镜和光学层，以及深度光电二极管，提升了FSI技术的能力。利用65nm 像素设计规则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捉这些光子。这些改进实现了最先进的1.4微米像素，可获得50"60%的QE，而串扰为5"15%。这种高QE接近BSI的QE，然而FSI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，无需从FSI转向BSI(见图4)。
虽然需要1.1微米像素传感器的未来应用预计将采用BSI技术，但是FSI 也有望促进下一代产品的发展。FSI非常适合于需要“更大”像素的应用，在这些应用中，微光和总体成像性能比更高的分辨率更重要。视频类应用，特别是高清(HD)视频，将推动HD分辨率下性能的提高。对于高质量HD 视频应用，采用FSI技术的1.4微米、1.75微米或更大的像素预计还将在市场持续很长一段时间。



图3 背面照度(BSI)像素的简单图解