CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS) 是一種可以將通過(guò)鏡頭捕獲的光的顏色和亮度轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，并將其傳輸至處理器的傳感器。因此，圖像傳感器充當(dāng)?shù)氖?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/11230/" target="_blank">智能手機(jī)或平板電腦等移動(dòng)設(shè)備“眼睛”的角色。近年來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR) 、自動(dòng)駕駛的興起，CIS技術(shù)成為工業(yè)4.0的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。人們預(yù)計(jì)，CIS技術(shù)將不僅可以作為設(shè)備的“眼睛”，還將在功能上有更進(jìn)一步的發(fā)展。

? 1.前照式(FSI)技術(shù)及其局限性

? 早期的CIS產(chǎn)品像素采用前照式(FSI)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將光學(xué)結(jié)構(gòu)置于基于CMOS1)工藝的電路上。這項(xiàng)技術(shù)適用于像素尺寸為1.12μm及以上的大多數(shù)CIS解決方案，被廣泛用于移動(dòng)設(shè)備、閉路電視(CCTV)、行車(chē)記錄儀、數(shù)碼單反相機(jī)、車(chē)用傳感器等產(chǎn)品。

? 1)?互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Silicon, CMOS)：由成對(duì)的N溝道和P溝道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 低壓金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管) 組成的互補(bǔ)邏輯電路。CMOS器件的功耗極低，被應(yīng)用于DRAM產(chǎn)品和CPU中，因?yàn)殡m然這類(lèi)器件搭載的處理器較為復(fù)雜，但卻能夠進(jìn)行大規(guī)模集成。

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圖1. 前照式(FSI)結(jié)構(gòu)和單位像素示意圖

? 一款高性能的圖像傳感器即使在弱光條件下，也應(yīng)能夠呈現(xiàn)出明亮清晰的圖像，而要實(shí)現(xiàn)這一效果，需要提高像素的量子效率(QE)2)。因此，像素下層電路的金屬布線設(shè)計(jì)應(yīng)以FSI結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以盡可能避免光干擾。 2) 量子效率(QE)：用于衡量成像設(shè)備將入射光子轉(zhuǎn)換為電子的有效性的指標(biāo)。如果一款傳感器的量子效率為100%且暴露在100個(gè)光子下，則可以轉(zhuǎn)換為100個(gè)電子信號(hào)。

圖2. 量子效率(QE)方程式和前照式(FSI)結(jié)構(gòu)圖

? 然而，通常情況下，當(dāng)連續(xù)的光線穿過(guò)光圈或物體周?chē)鷷r(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象3)。就光圈而言，隨著光圈孔徑尺寸的減少，更多的光會(huì)隨著衍射量的增加而擴(kuò)散。

? 3) 衍射現(xiàn)象：聲波和光波等在穿過(guò)障礙物或光圈時(shí)偏離直線傳播的現(xiàn)象。從光的角度來(lái)看，當(dāng)障礙物或光圈的尺寸等于或小于所通過(guò)光波的波長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。
? 同樣，外部光達(dá)到單個(gè)像素時(shí)，衍射現(xiàn)象也無(wú)法避免。就FSI結(jié)構(gòu)而言，因?yàn)槭艿较聦与娐分薪饘俨季€層的影響，這種結(jié)構(gòu)更容易受到衍射的影響。即使FSI像素尺寸減少，被金屬覆蓋的區(qū)域也保持不變。因此，光通過(guò)的區(qū)域變得更小，衍射現(xiàn)象增強(qiáng)，導(dǎo)致圖像中的顏色混合在一起。 ?

圖3. 光衍射和像素大小的關(guān)系 然而，控制像素的衍射也并非不可能。為了改善單個(gè)區(qū)域的衍射，可以根據(jù)衍射計(jì)算公式來(lái)縮短微透鏡到硅(Si)的距離。為此，人們提出了一種背照式(BSI)工藝，通過(guò)翻轉(zhuǎn)晶圓來(lái)利用其背面，以此消除金屬干擾。

? 2.基于BSI的像素技術(shù)的出現(xiàn)

? 2011年，蘋(píng)果iPhone 4手機(jī)問(wèn)世，其配備了當(dāng)時(shí)首個(gè)應(yīng)用BSI技術(shù)的CIS產(chǎn)品。蘋(píng)果公司當(dāng)時(shí)聲稱(chēng)BSI技術(shù)與FSI技術(shù)相比可以捕獲更大的進(jìn)光量，因此可以再現(xiàn)更高質(zhì)量的圖像。

? 蘋(píng)果公司以及當(dāng)今整個(gè)行業(yè)所使用的BSI流程如下圖所示。就BSI技術(shù)而言，首先在晶圓的一側(cè)制作所有電路部分，然后將晶圓翻轉(zhuǎn)倒置，以便創(chuàng)建可以在背面收集光線的光學(xué)結(jié)構(gòu)。這樣可以消除FSI中金屬線路造成的干擾，在同一大小像素的條件下光線通過(guò)的空間更大，從而可提高量子效率。 ?

圖4. 背照式(BSI)工藝流程圖

圖5. 不同結(jié)構(gòu)下微透鏡和光電二極管(PD)之間的距離比較

? 借助BSI技術(shù)，使1.12μm及以下像素尺寸的應(yīng)用成為可能，并為1600萬(wàn)像素及以上的高分辨率產(chǎn)品開(kāi)辟出了市場(chǎng)。不同于會(huì)受到布線干擾的FSI結(jié)構(gòu)，基于BSI的光學(xué)工藝有著更高的自由度。得益于此，背側(cè)深溝槽隔離(BDTI)、W型柵格(W Grid)和空氣柵格(Air Grid)等在內(nèi)的各種光學(xué)像素結(jié)構(gòu)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以提高產(chǎn)品的量子效率。

? 背側(cè)深溝槽隔離(BDTI)工藝 雖然采用克服光衍射問(wèn)題的BSI結(jié)構(gòu)可以提高量子效率，但仍需要采用額外的像素分割結(jié)構(gòu)，以順應(yīng)智能手機(jī)不斷縮小的像素尺寸和不斷降低的攝像頭F值4)。在這方面，背側(cè)深溝槽隔離(BDTI)結(jié)構(gòu)是最具代表性的例子，這種結(jié)構(gòu)可以在光線沿CIS芯片外側(cè)斜向進(jìn)入的區(qū)域提升全內(nèi)反射(TIR)效果5)，從而增加信號(hào)。目前，這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于大多數(shù)基于BSI技術(shù)的CIS產(chǎn)品。

? 4) F值：決定光圈亮度的值。相機(jī)的F值越低，光圈開(kāi)得就越大，進(jìn)光量就越多，使相機(jī)能夠在較暗的地方拍出明亮清晰的照片，同時(shí)減少圖像噪點(diǎn)。
? 5) 全內(nèi)反射(TIR)：是指光由介質(zhì)(包括水或玻璃)周?chē)砻嫒勘环瓷浠卦橘|(zhì)內(nèi)部的現(xiàn)象。當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。

圖6. 傳統(tǒng)的背照式(BSI)結(jié)構(gòu)和作為附加像素分割結(jié)構(gòu)的背側(cè)深溝槽隔離(BDTI)工藝

? 彩色濾光片隔離結(jié)構(gòu)彩色濾光片隔離結(jié)構(gòu)是與BDTI結(jié)構(gòu)并駕齊驅(qū)的另一種技術(shù)，是通過(guò)在濾色器之間插入物理屏障提高基于BSI的像素性能。由于在使用BSI結(jié)構(gòu)之后，微透鏡和光電二極管6)之間的距離無(wú)法再縮短，因此這種結(jié)構(gòu)防止了由像素收縮引起的衍射。彩色濾光片隔離的代表性結(jié)構(gòu)包括W型柵格和SK海力士專(zhuān)有的空氣柵格(Air Grid)結(jié)構(gòu)。與簡(jiǎn)單的光阻隔結(jié)構(gòu)W型柵格不同的是，使用全內(nèi)反射的空氣柵格可以提高量子效率，因而有望成為新一代技術(shù)。
? 6) 光電二極管(PD)：將CIS傳感器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

圖7. W型柵格結(jié)構(gòu)和空氣柵格結(jié)構(gòu) 3.總結(jié)

? 從前照式到背照式，看似只是內(nèi)部器件順序上的簡(jiǎn)單調(diào)整，其實(shí)更是工藝水平的革新。通過(guò)將像元置于金屬層之上，意味著承載像元的基板要非常薄，約是前照式像元的1/100。依賴(lài)工藝的革新，背照式像元最終才得以實(shí)現(xiàn)(可以想見(jiàn)，背照式像元生產(chǎn)成本也相對(duì)較高) 。

? ? 審核編輯：黃飛

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