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(biāo)準(zhǔn)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，F(xiàn)SI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?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(dǎo)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(dǎo)管所接收。

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，實現(xiàn)更寬的光導(dǎo)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。

一旦光導(dǎo)管把光子傳送到硅片表面，光電二極管開始工作。鑒于硅片的光吸收特性，光電二極管的區(qū)域應(yīng)該延伸至幾個微米的深度。在設(shè)計光電檢測器時，可把耗盡深度（depletion depth）延伸入硅晶圓，使光子收集與保存的空間分辨率最大化（見圖1最右邊的示意圖）。其關(guān)鍵在于盡量增大相鄰光電二極管之間的隔離，并形成一個深結(jié)（deep junction），以消除較大波長光子產(chǎn)生的、沒有在光電二極管中被吸收的任何光電荷。

FSI的優(yōu)點

先進的FSI像素采用設(shè)計優(yōu)化光導(dǎo)管，可降低串?dāng)_。這些光導(dǎo)管還能夠增大入射光的接收角，從而允許相機采用主光角更大的鏡頭，并為相機模塊設(shè)計提供更大的靈活性，比如模塊高度可以更小。

在 1.4 微米像素下對BSI和FSI技術(shù)進行比較可看出，F(xiàn)SI 能以更低的成本獲得同等的性能。這種成本優(yōu)勢可能源于其需要更少的工藝步驟，以及因其制造工藝更成熟而獲得的更高良率?？紤]到 FSI串?dāng)_更小，BSI的QE更高，兩者的成像性能和信噪比（SNR）基本相等或接近。

最近，圖像傳感器公司Aptina Imaging Corporation開發(fā)出Aptina A-Pix FSI 技術(shù)，采用新的寬型光導(dǎo)管、更先進的微透鏡和光學(xué)層，以及深度光電二極管，提升了FSI技術(shù)的能力。利用65nm 像素設(shè)計規(guī)則的先進半導(dǎo)體制造工藝，可以實現(xiàn)更寬的金屬開口，從而能夠在像素中插入更大的光導(dǎo)管，使更多的光子通過互連層，并在深度光電二極管中有效捕捉這些光子。這些改進實現(xiàn)了最先進的1.4微米像素，可獲得50“60%的QE，而串?dāng)_為5”15%。這種高QE接近BSI的QE，然而FSI的串?dāng)_一般更小，凈總體圖像質(zhì)量堪比1.4微米像素。上述改進就可以實現(xiàn)高性能的1.4微米像素商用圖像傳感器，無需從FSI轉(zhuǎn)向BSI（見圖4）。

雖然需要1.1微米像素傳感器的未來應(yīng)用預(yù)計將采用BSI技術(shù)，但是FSI 也有望促進下一代產(chǎn)品的發(fā)展。FSI非常適合于需要“更大”像素的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，微光和總體成像性能比更高的分辨率更重要。視頻類應(yīng)用，特別是高清（HD）視頻，將推動HD分辨率下性能的提高。對于高質(zhì)量HD 視頻應(yīng)用，采用FSI技術(shù)的1.4微米、1.75微米或更大的像素預(yù)計還將在市場持續(xù)很長一段時間。

FSI的缺點

從一開始，F(xiàn)SI就面臨著使入射光通過硅片金屬層到達光電檢測器的挑戰(zhàn)。要加大孔徑，以提高光聚集度，可采用共享元件來設(shè)計像素，以盡量減少光電二極管上的電路。這種方法在提高QE的同時，也帶來了不對稱性，其后必須予以補償。此外，這些孔徑又產(chǎn)生衍射效應(yīng)，而且更大的像素堆疊高度使得串?dāng)_抑制變得更為困難。雖然光導(dǎo)管可以減輕這些效應(yīng)，但光導(dǎo)管本身也存在損耗。

像素從1.4微米縮小到1.1微米，有關(guān)光導(dǎo)管的設(shè)計挑戰(zhàn)大幅度增加。隨著像素的不斷縮小，即使采用光導(dǎo)管，衍射效應(yīng)也會妨礙光的接收。此外，F(xiàn)SI無法利用所有可用金屬互連層來進行片上處理，在1.1微米像素下，這個缺陷可能更為突出。

BSI技術(shù)概述

采用BSI構(gòu)建像素，光線無需穿過金屬互連層（見圖3）。然而，這仍然對光路徑帶來一些限制，幸運的是，促使FSI技術(shù)不斷改進的許多知識和技術(shù)進步可以直接應(yīng)用于BSI技術(shù)，從而為提高 BSI 性能打下了堅實的基礎(chǔ)。

BSI技術(shù)的第一步是匯聚進入光電二極管光學(xué)區(qū)域的入射光，其光學(xué)要求與FSI相同，不過現(xiàn)在微透鏡的位置更接近光電二極管，需要淀積更厚的微透鏡材料層，以獲得更短的焦距。與由互連層創(chuàng)建的自然孔徑的FSI技術(shù)不同，BSI需要最大限度地減小串?dāng)_，因而必需通過在光電二極管上淀積金屬柵格（metal grid）來增加一個孔徑。

由于BSI晶圓是翻轉(zhuǎn)（inverted）的，故入射光首先會入射到光電二極管附近的硅體材料。這時，由于漫射到鄰近像素或在背面界面的漫射與重新匯合，光線會形成串?dāng)_而產(chǎn)生損耗。藍光尤其容易發(fā)生這種現(xiàn)象，導(dǎo)致藍色QE減小，而串?dāng)_增加?？上驳氖牵ㄟ^利用先進的背面處理和更深的光電二極管來捕獲藍光，可以解決這些問題。

BSI的優(yōu)點

BSI的主要優(yōu)勢是能夠使電氣組件與光線分離，使光路徑能夠被獨立地優(yōu)化，反之亦然。而且，這無需在金屬層或光導(dǎo)管中創(chuàng)建一個孔徑，從而消除了入射光的損耗機理。其最終結(jié)果是BSI能夠獲得更高的QE。

BSI圖像傳感器超越傳統(tǒng)FSI器件的另一個主要優(yōu)勢是像素的光堆疊高度更低。但應(yīng)當(dāng)注意的是，相比具有光導(dǎo)管的FSI架構(gòu)，這一優(yōu)勢并不明顯，這是因為對于后者，由于光線在互連堆疊的頂部聚集，并由光導(dǎo)管限制和導(dǎo)引到光電檢測器表面，有效光堆疊高度也會減小。

對于1.4微米BSI像素，QE范圍通常為50“60%，而串?dāng)_范圍為15”20%。在1.4微米下，BSI的高QE結(jié)合略微受影響的串?dāng)_，帶來可與1.4微米FSI像素相媲美的總體圖像質(zhì)量。應(yīng)該注意的是，1.4微米BSI技術(shù)雖然剛剛進入市場，但正如以往的像素技術(shù)一樣，其性能預(yù)計也將逐漸提升。今天，1.1微米BSI像素尚處于早期開發(fā)階段，不過一旦它們能夠投入生產(chǎn)，預(yù)計QE將達到50“60%，串?dāng)_為10”30%。屆時這些1.1微米BSI像素將會勝過1.1微米FSI像素，因為FSI像素在縮小至1.1微米時存在制造難題。

BSI的缺點

BSI器件架構(gòu)本身帶來了串?dāng)_挑戰(zhàn)，導(dǎo)致無法精確地收集光子，因而減低了色彩修正矩陣的性能，并引起SNR下降。BSI還需要額外的晶圓粘片和減?。╩ounting and thinning） 、背面處理對準(zhǔn)（alignment for backside processing）以及背面界面鈍化（passivation）對準(zhǔn)等制造處理工藝，所有這些工藝都會增加成本和容差。此外，以往在前面（front side）進行的CFA和微透鏡處理，現(xiàn)在必須在背面進行。這時，由于晶圓翹曲以及材料背面上結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)存在的挑戰(zhàn)，對準(zhǔn)變得更加困難。

BSI的相關(guān)成本較高，導(dǎo)致某些BSI傳感器制造商瞄準(zhǔn)成本較不敏感的高端相機應(yīng)用，業(yè)界權(quán)威人士承認BSI技術(shù)的平均銷售價格較高。影響成本的因素還有成本較高、更先進的工藝技術(shù)等等。

BSI的另一個缺點是需要背面鈍化，相比前表面處理，背面處理比較麻煩，從而使處理工藝選項非常有限。此外，晶圓的前表面已有載具晶圓鍵合（carrier wafer bond）和金屬化，這也限制了處理工藝選項。因而，鈍化層需要淀積而不是生長在背表面上。而且，鈍化層中的缺陷將會影響背表面的缺陷，導(dǎo)致更高的喑電流和更大的熱像素缺陷可能性。

創(chuàng)建BSI圖像傳感器還需要新工藝的開發(fā)，而且新技術(shù)走向成熟和良率提升需要一定的時間，大多數(shù)圖像傳感器銷售商都正在投資BSI工藝開發(fā)，克服這些障礙只是時間問題。

結(jié)論

市場對于完美像素的需要正在推動圖像傳感器企業(yè)每年花費數(shù)億美元進行研發(fā)。至今為止，大多數(shù)像素研發(fā)的受益者都是FSI技術(shù)，它能夠以高性價比的方式將像素縮減至1.4微米，同時每年均可提升給定像素尺寸的性能。

FSI技術(shù)擁有非常有吸引力的性能、成本和價值定位，是如今圖像傳感器使用的主流技術(shù)，它有助于推動相機在手機、筆記本電腦、數(shù)字視頻和數(shù)碼相機以及無數(shù)其它領(lǐng)域的使用。盡管業(yè)界發(fā)展趨勢是更高的分辨率和更小的像素尺寸，但需要“較大”像素和出色的弱光圖像質(zhì)量的應(yīng)用仍在不斷增多，F(xiàn)SI尤其適合于需要“較大”像素的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，弱光和總體成像性能是至關(guān)重要的考慮。象數(shù)碼相機和視頻攝像機、手機相機、PC和監(jiān)控設(shè)備中的HD視頻等應(yīng)用將需要由較大像素尺寸（如1.4和1.75微米像素）實現(xiàn)出色的圖像質(zhì)量，這些較大的像素更傾向于FSI解決方案，如Aptina A-Pix FSI技術(shù)。而且，鑒于BSI的成本較高，在這些較大像素應(yīng)用中，高性能、高性價比的FSI傳感器將挑戰(zhàn)BSI技術(shù)降低價位的能力。

近年來，由于FSI技術(shù)的未來發(fā)展局限性已經(jīng)變得十分明顯，業(yè)界已將某些研發(fā)轉(zhuǎn)向BSI技術(shù)。BSI技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)用于高端相機中，同時，它的性能將會繼續(xù)提升，不久將在主流大批量應(yīng)用中得到廣泛使用，尤其是那些需要1.1微米及以下尺寸的應(yīng)用。

未來，由于市場對不同應(yīng)用需求的分化，有理由相信FSI和BSI技術(shù)將會共存。FSI圖像傳感器技術(shù)的提升將滿足對于出色圖像和視頻性能的不斷增長的需求。同時，BSI技術(shù)的進步將支持極小像素尺寸，以驅(qū)動體積更小的高分辨率相機的應(yīng)用。