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FSI/BSI各擅勝場 影像感測器成像效能再突破

2010/11  Daniel McGrath
過去30年中,聚光技術及半導體製程的創新對影像感測器畫素技術產生重大影響。例如最初可攜式攝影機採用的影像感測器為25微米畫素,但如今手機相機中感測器的畫素尺寸只有1.4微米。目前市場對畫素尺寸的需求小至1.1微米,即使存在一些相關製造挑戰,影像感測器製造商也能提供更高的成像效能。
標準IC製程與成像專用製程在不斷進步,促進採用前面照度(Front Side Illumination, FSI)技術的影像感測器開發。在這種技術中,如同人眼一樣,光落在IC的前面,然後透過讀取電路及互連,最後被匯聚到光電檢測器中。FSI為目前影像感測器所採用的主流技術,具有經驗證的大量生產能力、高可靠性及高良率與頗具吸引力的性價比等優勢,大大推動其在手機、筆記型電腦、數位攝影機與數位相機等眾多領域的應用。這些優勢再加上高效能特性,使得這種技術具有獨特的成本、效能及價值定位,未來應用有望進一步擴展。  

不過由於光波長不變,畫素不斷縮小,FSI技術存在其物理局限性。為了解決這個問題,最近推出的一些新技術從背面對感測器進行照明,即採用背面照度技術(BSI),從而有效去除光路徑上的讀取電路與互連。BSI技術擁有得到更高量子效率(QE)的潛在優勢,前景十分誘人,但同時也有更高成本、更大串擾(Crosstalk)及製造挑戰等問題。這意味著只要FSI影像感測器還能滿足當前市場的效能要求,延後轉換至BSI技術也許是有利的。如今BSI技術僅用於製造對感測器成本提高不特別敏感的高階消費類相機等產品。  

FSI創新技術/製程  

傳統上影像感測器按照製造流程而設計,因此對終端裝置而言,光是從前面的金屬控制線之間進入,然後再聚焦在光電檢測器上。一直以來,對於較大的畫素,FSI都十分有效,因為畫素堆疊(Pixel Stack)高度與畫素面積之比很大,致使畫素的孔徑也很大。日益縮小的畫素需要一系列畫素技術創新來解決前面照度技術在材料及製造方面的局限性。舉例來說,FSI已採取眾多創新技術與製程改進,如形狀優化微透鏡、色彩優化濾光、凹式畫素陣列、光導管及防反射塗層等技術,以優化FSI畫素的光路徑。  

進入FSI畫素的光,最初被帶有防反射塗層的微透鏡(Microlen)聚焦,該微透鏡也作為攝影孔徑(光圈)使用。在手機中微透鏡的設計必須能滿足鏡頭品質與更大主光角(Chief Ray Angle)要求。光通過微透鏡,匯聚在針對微光回應與訊噪比(SNR)優化而設計、具有最佳密度及厚度的彩色濾光器上,確保被完全分離為三原色分量。微透鏡的曲率與厚度必須精心選擇,以使色彩濾波器傳輸的光盡可能多被微光導管所接收。  

雖然光導管是用來聚集從微透鏡發出的光,並使其以窄光束形式通過互連金屬及隔離堆疊,但它仍能有效縮短光堆疊高度(圖1),使平行光束被導入光電二極體區域(圖2)。  

圖1 畫素中的光傳播和光電轉化簡單圖解

圖2 帶有光導管的FSI畫素陣列能夠減少光散射,使光功率集中在光電二極體的區域。
光導管必須匯聚由孔徑(光圈)進入光錐與主光角(CRA)範圍內的任何光線。更進階的半導體製程,採用更小的特徵尺寸,並從鋁製程轉向銅製程,能提供更窄的金屬寬度,以達到更寬的光導管。結合這些改進,畫素陣列可以是凹式,把畫素陣列之上的堆疊高度,降至僅兩個金屬層的厚度。  

一旦光導管把光子傳送到矽片表面,光電二極體開始工作。基於矽片的光吸收特性,光電二極體的區域應可延伸至幾個微米的深度。在設計光電檢測器時,可把耗盡深度(Depletion Depth)延伸入矽晶圓,使光子收集與保存的空間解析度最大化(見圖1右)。其關鍵在於盡量加大相鄰光電二極體之間的隔離,並形成一個深結(Deep Junction),以消除較大波長光子產生的、沒有在光電二極體中被吸收的任何光電荷。  

高階FSI可降低串擾  

高階的FSI畫素採用設計優化光導管可降低串擾,這些光導管還能增大入射光的接收角,從而允許相機採用主光角更大的鏡頭,並為相機模組設計提供更大的靈活性,如縮小模組高度。  

在1.4微米畫素下對BSI及FSI技術進行比較可看出,FSI能以更低的成本獲得同等效能。這種成本優勢可能源於其需要更少的製程步驟,以及因其製造製程更成熟而獲得的更高良率。考慮到FSI串擾更小,BSI的QE更高,兩者的成像效能與訊噪比幾乎相等或接近。  

最近影像感測器公司艾納影像科技(Aptina Imaging)開發出Aptina A-Pix FSI技術,採用新的寬型光導管、更先進的微透鏡、光學層及深度光電二極體,提升FSI技術的能力。利用65奈米畫素設計規則的高階半導體製程,可達到更寬的金屬開口,從而在畫素中插入更大的光導管,使更多的光子穿過互連層,並在深度光電二極體中有效捕捉這些光子。這些改良帶來最高水準的1.4微米畫素,可獲得50∼60%的QE,而串擾為5∼15%。這種高QE接近BSI的QE,然而FSI的串擾一般更小,淨整體影像品質堪比1.4微米畫素。上述改良就可製造出高效能的1.4微米畫素商用影像感測器,毋須從FSI轉向BSI(圖3)。  

圖3 30 lux照度下,八百萬畫素、1.4微米畫素尺寸FSI感測器產生的影像。
雖然需要1.1微米畫素感測器的未來應用預計將採BSI技術,但FSI也有望促進下一代產品的發展。FSI非常適合於需要「更大」畫素的應用,在這些應用中,微光與總體成像效能比更高的解析度還來得重要。視訊類應用,特別是高畫質(HD)視訊,將推動HD解析度下效能的提高。對於高品質HD視訊應用,採用FSI技術的1.4微米、1.75微米或更大的畫素,預計仍將在市場持續很長一段時間。  

孔徑不對稱性/衍射效應成挑戰  

從一開始FSI就面臨著使入射光通過矽片金屬層到達光電檢測器的挑戰。要加大孔徑(光圈)以提高光聚集度,可採用共用元件來設計畫素,以盡量減少光電二極體上的電路。這種方法在提高QE的同時也帶來不對稱性,其後必須予以補償。此外,這些孔徑又產生衍射效應,而且更大的畫素堆疊高度使得串擾抑制變得更為困難。雖然光導管可減輕這些效應,但光導管本身也存在著損耗。  

畫素從1.4微米縮小到1.1微米,有關光導管的設計挑戰大幅度增加。隨著畫素的不斷縮小,即使採用光導管,衍射效應也會妨礙光的接收。此外,FSI無法利用所有可用金屬互連層來進行晶片上處理,在1.1微米畫素下,這個缺陷可能更為突出。  

FSI改進技術奠定BSI基礎  

採用BSI構建畫素,光線毋須穿過金屬互連層(圖4),但仍對光路徑帶來一些限制,幸好促使FSI技術不斷改進的許多知識及技術,進步到可直接應用於BSI技術,從而為提高BSI效能打下堅實的基礎。  

圖4 BSI畫素的簡單圖解
BSI技術的第一步,是匯聚進入光電二極體光學區域的入射光,其光學要求與FSI相同,不過現在微透鏡的位置更接近光電二極體,須澱積更厚的微透鏡材料層,以獲得更短的焦距。與由互連層創建的自然孔徑FSI技術不同,BSI須要竭盡所能的減小串擾,因而必須透過在光電二極體上澱積金屬柵格(Metal Grid)來增加一個孔徑。  

由於BSI晶圓是翻轉(Inverted)的,故入射光首先會入射到光電二極體附近的矽體材料。這時由於漫射到鄰近畫素或在背面介面的漫射及重新匯合,光線會形成串擾而產生損耗。藍光尤其容易發生這種現象,導致藍色QE減小而增加串擾。可喜的是,利用高階的背面處理技術與更深的光電二極體來捕獲藍光,就可解決這些問題。  

電氣元件/光線分離使光路徑獨立優化  

BSI的主要優勢是能使電氣元件及光線分離,使光路徑能被獨立優化,反之亦然。而且毋須在金屬層或光導管中創建一個孔徑,便可消除入射光的損耗狀況。其最終結果是BSI能獲得更高的QE。  

BSI影像感測器超越傳統FSI元件的另一個主要優勢是畫素的光堆疊高度更低。但應當注意的是,相較於具有光導管的FSI架構,此一優勢並不明顯,這是因為後者由於光線在互連堆疊的頂部聚集,並由光導管限制與導引到光電檢測器表面,有效光堆疊高度也會減小。  

對於1.4微米BSI畫素,QE範圍通常為50∼60%,而串擾範圍為15∼20%。在1.4微米下,BSI的高QE結合略微受影響的串擾,帶來可與1.4微米FSI畫素相媲美的總體影像品質。應該注意的是,1.4微米BSI技術雖然剛剛進入市場,但正如以往的影像技術一樣,其效能預計也將逐漸提升。今天1.1微米BSI畫素尚處於早期開發階段,不過一旦投入生產,預計QE將達到50∼60%,串擾為10∼30%。屆時這些1.1微米BSI畫素將會勝過1.1微米FSI畫素,因為FSI畫素在縮小至1.1微米時存在製造難題。  

BSI元件架構隱含串擾挑戰  

BSI元件架構本身帶來串擾挑戰,導致無法精確收集光子,因而減低色彩修正矩陣的效能,並引起訊噪比下降。BSI也還須要額外在晶圓製造加工方面進行貼合及薄化(Mounting And Thinning)、背面處理對準(Alignment For Backside Processing)與背面介面鈍化(Passivation)對準等製程,所有這些製程都會增加成本及容差。此外,以往在前面(Front Side)進行的CFA及微透鏡處理,現在必須在背面進行。這時由於晶圓翹曲與材料背面上結構對準存在的挑戰,對準變得更加困難。  

BSI的相關成本較高,導致某些BSI感測器製造商鎖定成本較不敏感的高階相機應用,業界權威人士承認BSI技術的平均銷售價格較高。影響成本的因素,還有較高的成本基礎及更高級的製程技術等。  

BSI的另一個缺點是須要背面鈍化,相比前表面處理,背面處理比較麻煩,進而使處理製程選項非常有限。此外,晶圓的前表面已有載具晶圓鍵合(Carrier Wafer Bond)與金屬化,這也限制處理製程選項。因此鈍化層須要澱積而非生長在背表面上,而且鈍化層中的缺陷,將會影響背表面的缺陷,導致更高的暗電流及更大的熱像素缺陷可能性。  

創建BSI影像感測器還需要新製程的開發,而且新技術走向成熟與良率提升需要一定的時間,大多數影像感測器銷售商都正在投資BSI製程開發,克服這些障礙只是時間早晚的問題。  

畫素需求成市場主流  

市場對完美像素的需要,正在推動影像感測器企業每年花費數億美元進行研發。目前為止,大多數畫素研發的受益者都是FSI技術,能以高性價比的方式將畫素縮減至1.4微米,同時每年均可提升既定畫素尺寸的效能。  

FSI技術擁有極具吸引力的效能、成本及價值定位,是如今影像感測器使用的主流技術,有助於推動相機在手機、筆記型電腦、數位視訊、數位相機與無數其他領域的使用。儘管業界發展趨勢是更高的解析度及更小的畫素尺寸,但需要「較大」畫素與出色弱光影像品質的應用仍在不斷增多,FSI尤其適合於需要「較大」畫素的應用,在這些應用中,弱光及整體成像效能是至關重要的考慮。數位相機、視訊攝影機、手機相機、個人電腦(PC)與監控設備中的HD視訊等應用將需要由較大畫素尺寸(如1.4及1.75微米畫素)來表現出色的影像品質(圖3),這些較大的畫素更傾向於FSI解決方案,如Aptina A-Pix FSI技術。而且鑑於BSI的成本較高,在這些較大畫素應用中,高效能、高性價比的FSI感測器將挑戰BSI技術降低價位的能力。  

近年來,由於FSI技術的未來發展局限性變得十分明顯,業界已將某些研發轉向BSI技術。BSI技術現在已用於高階相機中,同時其效能將會繼續提升,不久將在主流的應用產品中得到廣泛使用,尤其是那些需要1.1微米及以下尺寸的應用。 未來由於市場對不同應用需求的分化,可以很合理的相信FSI與BSI技術將會共存。FSI影像感測器技術的提升,將滿足對出色影像及視訊效能不斷增長的需求。同時BSI技術的進步將支援極小畫素尺寸,以驅動體積更小的高解析度相機應用。  

(本文作者為艾納影像科技影像技術經理)

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