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，最初便攜式攝像機采用的圖像傳感器為25微米像素，而如今，手機相機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。

標準IC制造工藝和成像專用工藝在不斷進步，促進了采用前面照度(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、筆記本電腦、數(shù)碼攝像機和數(shù)碼相機等眾多領(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)具有獨特的成本、性能和價值定位，未來應(yīng)用有望進一步擴展。

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、更大串擾和制造挑戰(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類相機等產(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，因為像素堆疊（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，如形狀優(yōu)化微透鏡、色彩優(yōu)化濾光、凹式像素陣列、光導管和防反射涂層等技術(shù)，以優(yōu)化FSI像素的光路徑。

進入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)，使平行光束被導入光電二極管區(qū)域(圖2)。

光導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。更先進的半導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，實現(xiàn)更寬的光導管。結(jié)合這些改進，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