作者： SK海力士CIS工艺集成Technical Leader李庚寅
CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor, CIS) 是一种可以将通过镜头捕获的光的颜色和亮度转换为电子信号，并将其传输至处理器的传感器。因此，图像传感器充当的是智能手机或平板电脑等移动设备“眼睛”的角色。近年来，随着虚拟现实(VR)、增强现实(AR) 、自动驾驶的兴起，CIS技术成为工业4.0的一项关键技术。人们预计，CIS技术将不仅可以作为设备的“眼睛”，还将在功能上有更进一步的发展。
SK海力士在15年前就成立了CIS开发团队。除了以DRAM和NAND闪存为代表的核心半导体存储业务外，SK海力士还一直致力于开发和生产非存储半导体CIS，以提高自身竞争力。SK海力士已经开发了为数众多的设备与工艺技术，与同行的技术差距日渐缩小，目前还开发出了像素尺寸仅为0.64μm(微米)、拥有5000万像素以上超高分辨率的CIS产品。本文将基于2022年11月举行的第10届SK海力士学术会议(SK hynix Academic Conference)内容对CIS关键技术之一的背照式(Backside Illumination, BSI)技术进行介绍。
前照式(FSI)技术及其局限性
早期的CIS产品像素采用前照式(FSI)结构，这种结构将光学结构置于基于CMOS1)工艺的电路上。这项技术适用于像素尺寸为1.12μm及以上的大多数CIS解决方案，被广泛用于移动设备、闭路电视(CCTV)、行车记录仪、数码单反相机、车用传感器等产品。
1) 互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Silicon, CMOS)：由成对的N沟道和P沟道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 低压金属氧化物半导体场效应管) 组成的互补逻辑电路。CMOS器件的功耗极低，被应用于DRAM产品和CPU中，因为虽然这类器件搭载的处理器较为复杂，但却能够进行大规模集成。
图1. 前照式(FSI)结构和单位像素示意图
一款高性能的图像传感器即使在弱光条件下，也应能够呈现出明亮清晰的图像，而要实现这一效果，需要提高像素的量子效率(QE)2)。因此，像素下层电路的金属布线设计应以FSI结构为基础，以尽可能避免光干扰。
2) 量子效率(QE)：用于衡量成像设备将入射光子转换为电子的有效性的指标。如果一款传感器的量子效率为100%且暴露在100个光子下，则可以转换为100个电子信号。
图2. 量子效率(QE)方程式和前照式(FSI)结构图
然而，通常情况下，当连续的光线穿过光圈或物体周围时，就会发生衍射现象3)。就光圈而言，随着光圈孔径尺寸的减少，更多的光会随着衍射量的增加而扩散。
3) 衍射现象：声波和光波等在穿过障碍物或光圈时偏离直线传播的现象。从光的角度来看，当障碍物或光圈的尺寸等于或小于所通过光波的波长时，就会发生衍射现象。
同样，外部光达到单个像素时，衍射现象也无法避免。就FSI结构而言，因为受到下层电路中金属布线层的影响，这种结构更容易受到衍射的影响。即使FSI像素尺寸减少，被金属覆盖的区域也保持不变。因此，光通过的区域变得更小，衍射现象增强，导致图像中的颜色混合在一起。
图3. 光衍射和像素大小的关系
然而，控制像素的衍射也并非不可能。为了改善单个区域的衍射，可以根据衍射计算公式来缩短微透镜到硅(Si)的距离。为此，人们提出了一种背照式(BSI)工艺，通过翻转晶圆来利用其背面，以此消除金属干扰。SK海力士从像素尺寸低于1.12μm的产品开始采用BSI技术。
基于BSI的像素技术的出现
2011年，苹果iPhone 4手机问世，其配备了当时首个应用BSI技术的CIS产品。苹果公司当时声称BSI技术与FSI技术相比可以捕获更大的进光量，因此可以再现更高质量的图像。
苹果公司以及当今整个行业所使用的BSI流程如下图所示。就BSI技术而言，首先在晶圆的一侧制作所有电路部分，然后将晶圆翻转倒置，以便创建可以在背面收集光线的光学结构。这样可以消除FSI中金属线路造成的干扰，在同一大小像素的条件下光线通过的空间更大，从而可提高量子效率。
图4. 背照式(BSI)工艺流程图
图5. 不同结构下微透镜和光电二极管(PD)之间的距离比较
借助BSI技术，使1.12μm及以下像素尺寸的应用成为可能，并为1600万像素及以上的高分辨率产品开辟出了市场。不同于会受到布线干扰的FSI结构，基于BSI的光学工艺有着更高的自由度。得益于此，背侧深沟槽隔离(BDTI)、W型栅格(W Grid)和空气栅格(Air Grid)等在内的各种光学像素结构被开发出来，以提高产品的量子效率。
背侧深沟槽隔离(BDTI)工艺
虽然采用克服光衍射问题的BSI结构可以提高量子效率，但仍需要采用额外的像素分割结构，以顺应智能手机不断缩小的像素尺寸和不断降低的摄像头F值4)。在这方面，背侧深沟槽隔离(BDTI)结构是最具代表性的例子，这种结构可以在光线沿CIS芯片外侧斜向进入的区域提升全内反射(TIR)效果5)，从而增加信号。目前，这项技术被广泛应用于大多数基于BSI技术的CIS产品。
4) F值：决定光圈亮度的值。相机的F值越低，光圈开得就越大，进光量就越多，使相机能够在较暗的地方拍出明亮清晰的照片，同时减少图像噪点。
5) 全内反射(TIR)：是指光由介质(包括水或玻璃)周围表面全部被反射回原介质内部的现象。当入射角大于临界角时，就会发生全反射现象。
图6. 传统的背照式(BSI)结构和作为附加像素分割结构的背侧深沟槽隔离(BDTI)工艺
彩色滤光片隔离结构
彩色滤光片隔离结构是与BDTI结构并驾齐驱的另一种技术，是通过在滤色器之间插入物理屏障提高基于BSI的像素性能。由于在使用BSI结构之后，微透镜和光电二极管6)之间的距离无法再缩短，因此这种结构防止了由像素收缩引起的衍射。彩色滤光片隔离的代表性结构包括W型栅格和SK海力士专有的空气栅格(Air Grid)结构。与简单的光阻隔结构W型栅格不同的是，使用全内反射的空气栅格可以提高量子效率，因而有望成为新一代技术。
6) 光电二极管(PD)：将CIS传感器接收到的光信号转换为电信号。
图7. W型栅格结构和空气栅格结构
SK海力士基于BSI的像素技术未来前景光明
基于BSI的CIS产品于2011年首次上市后，CIS业界被重新洗牌，导致许多CIS传感器厂商退出移动端市场。而SK海力士凭借自身实力迅速掌握了BSI技术，并应用于像素尺寸为1.12μm或以下的产品，又获得了BDTI、空气栅格等核心技术。
SK海力士的BSI技术在持续发展中。最近，SK海力士成功开发出混合键合(hybrid bonding)技术，将“铜—铜键合(Cu-to-Cu bonding)”应用于基于TSV (Through Silicon Via, 硅通孔技术）的堆栈式传感器，为提高在芯片尺寸方面的竞争力和扩展多层晶圆键合技术奠定了基础。未来，这些技术成果将有望被用于开发适用于人工智能、医疗设备、AR(增强现实)和VR(虚拟现实)等领域的各种传感器，从而进一步扩大市场。