【博主簡介】本人“愛在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR) 、自動駕駛的興起，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。

大家都知道，自2000年初以來，CMOS 圖像傳感器已被許多行業(yè)廣泛采用。其多功能應(yīng)用擴(kuò)展到數(shù)碼相機(jī)、移動設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)器人、醫(yī)療器械和自動駕駛汽車等許多行業(yè)。通過使用像素陣列中的光電二極管捕獲圖像并將信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)字文件的能力可以實(shí)現(xiàn)高級數(shù)據(jù)管理和分析，從而實(shí)現(xiàn)其硬件與計(jì)算系統(tǒng)的兼容性。最近的進(jìn)步使分析功能更接近像素陣列。機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)、人工智能 (AI) 算法和圖像傳感器內(nèi)的圖像重建技術(shù)的實(shí)施已被廣泛報(bào)道 。因此，圖像傳感器技術(shù)平臺是許多應(yīng)用的關(guān)鍵部分。

雷達(dá)和圖像傳感器的傳感器融合、用于高級駕駛員輔助系統(tǒng)的光檢測和測距 (LiDAR)、神經(jīng)形態(tài)和高光譜成像、熱成像和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等先進(jìn)應(yīng)用正在不斷發(fā)展。2018-2019年，圖像傳感器的市場規(guī)模已達(dá)到約200億美元。預(yù)計(jì)從 2019 年到 2025 年，僅三維 (3D) 成像和傳感市場的擴(kuò)張將達(dá)到50億至150億美元，這幾年的CGAR 為 20%。主要行業(yè)是消費(fèi)移動產(chǎn)品和汽車行業(yè)。

技術(shù)平臺和業(yè)務(wù)平臺之間的協(xié)同效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)。為了滿足移動設(shè)備的外形尺寸限制，我們?yōu)榫哂芯薮笙M(fèi)者需求的移動設(shè)備應(yīng)用開發(fā)了先進(jìn)的技術(shù)平臺。移動設(shè)備建立的規(guī)模經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步鼓勵先進(jìn)的像素電子設(shè)計(jì)和使用芯片堆疊方法的像素并行處理在其他行業(yè)的應(yīng)用。圖像傳感器將繼續(xù)成為與業(yè)務(wù)平臺協(xié)同的產(chǎn)品開發(fā)的強(qiáng)大技術(shù)平臺。

像素電子產(chǎn)品的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了多種先進(jìn)功能。2000 年初，已有許多復(fù)雜圖像傳感器的設(shè)計(jì)被報(bào)道。只有當(dāng)芯片堆疊和先進(jìn)互連技術(shù)變得可制造時(shí)，這些創(chuàng)新的商業(yè)化才有可能實(shí)現(xiàn)。3D集成圖像傳感器的示范性設(shè)計(jì)始于1999年的四層堆疊，以及2004年多芯片堆疊架構(gòu)中的多功能傳感器。新實(shí)施的支持技術(shù)和特征尺寸的減小改變了擬議的 3D 集成。一些重大突破，如2009年的背照式(BSI) CIS、2012年的芯片堆疊、2015年的“pixel-DRAM-logic ”三芯片堆疊、2016年的銅-銅混合鍵合（Cu-Cu hybrid bonding），這些技術(shù)都帶來了最先進(jìn)的技術(shù)平臺。

因此，在過去的十年里，CMOS圖像傳感器（CIS）技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展，圖像傳感器的性能也得到了極大的改善。背面照度（BSI）技術(shù)，是常用的前面照度（FSI）技術(shù)的有前途的替代方案，具有深光電二極管和短光路，從而具有更高的量子效率。

一、BSI-CIS 圖像傳感器的介紹

“BSI-CIS”，它是Back-Side Illuminated CMOS Image Sensor的簡稱，中文稱作：背照式互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器。

它是一種特定類型的圖像傳感器，其核心特點(diǎn)是將光電二極管置于傳感器頂部，也就是采用背照式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)消除了傳統(tǒng)前照式中金屬布線層對光線的遮擋，使得進(jìn)光量和量子效率得到顯著提升，能有效提升在低亮度狀態(tài)下的圖像品質(zhì)，常用于對成像質(zhì)量要求較高的場景，如智能手機(jī)攝像頭等。

講到BSI，肯定有朋友知道：2011年，蘋果iPhone 4手機(jī)問世，其配備了當(dāng)時(shí)首個(gè)應(yīng)用BSI技術(shù)的CIS產(chǎn)品。蘋果公司當(dāng)時(shí)聲稱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的空間更大，從而可提高量子效率。

1、BSI（Back-Side Illuminated，背照式）

簡單來講，BSI（背照式）就是CIS 的一種重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它是將感光層（光電二極管）放在電路層的背面，光線無需穿過金屬布線層，直接照射到感光區(qū)。相比傳統(tǒng)的 FSI（Front-Side Illuminated，前照式），BSI 大幅提升了 進(jìn)光量與量子效率，特別適合在 低光環(huán)境 下使用，顯著改善了圖像的 信噪比（SNR）與動態(tài)范圍。同時(shí)，BSI 技術(shù)自2000年代末開始普及，已成為高端 CIS（如手機(jī)主攝、車載攝像頭等）的主流結(jié)構(gòu)。

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1600萬像素及以上的高分辨率產(chǎn)品開辟出了市場。不同于會受到布線干擾的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)被開發(fā)出來，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。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。

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之間的距離無法再縮短，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海力士專有的空氣柵格(Air Grid)結(jié)構(gòu)。與簡單的光阻隔結(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)。

而關(guān)于FSI（Front-Side Illuminated，前照式），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，被廣泛用于移動設(shè)備、閉路電視(CCTV)、行車記錄儀、數(shù)碼單反相機(jī)、車用傳感器等產(chǎn)品。

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。

然而，通常情況下，當(dāng)連續(xù)的光線穿過光圈或物體周圍時(shí)，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象。就光圈而言，隨著光圈孔徑尺寸的減少，更多的光會隨著衍射量的增加而擴(kuò)散。同樣，外部光達(dá)到單個(gè)像素時(shí)，衍射現(xiàn)象也無法避免。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。

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，通過翻轉(zhuǎn)晶圓來利用其背面，以此消除金屬干擾。SK海力士從像素尺寸低于1.12μm的產(chǎn)品開始采用BSI技術(shù)。

2、CIS（CMOS Image Sensor，CMOS 圖像傳感器）

CMOS圖像傳感器(CIS)是一種可以將通過鏡頭捕獲的光的顏色和亮度轉(zhuǎn)換為電子信號，并將其傳輸至處理器的傳感器。因此，圖像傳感器充當(dāng)?shù)氖侵悄苁謾C(jī)或平板電腦等移動設(shè)備“眼睛”的角色。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR) 、自動駕駛的興起，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。

二、65nm制程BSI-CIS 圖像傳感器

這里講的，65nm制程指的是 CIS 芯片采用的 半導(dǎo)體制造工藝節(jié)點(diǎn)，數(shù)字越小代表晶體管密度越高、單位面積集成能力越強(qiáng)、功耗與發(fā)熱相對更低。

而65nm是較早的一代工藝節(jié)點(diǎn)（大約在 2006 年左右成熟），但在 CIS 領(lǐng)域，特別是 BSI CIS 中，65nm 依然可用于某些 中高端或特殊用途的圖像傳感器，尤其是在 高集成度、多通道處理、片上 ISP（圖像信號處理） 等方面。

當(dāng)前主流高端 CIS 制程已經(jīng)發(fā)展到40nm、28nm、甚至更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)（如 14nm 或以下），但 65nm 仍具有一定應(yīng)用價(jià)值，特別是在 成本、良率、特殊功能集成 等方面有優(yōu)勢的場景。所以，后來的65nm BSI制程系列針對快速興起的應(yīng)用產(chǎn)品所推出，諸如智慧手機(jī)、平板電腦、高階監(jiān)視器、以及消費(fèi)型數(shù)位相機(jī)/數(shù)位單眼相機(jī)等，都在取得開發(fā)商的授權(quán)后采用了。

三、65nm BSI-CIS 工藝流程介紹

以下是本章節(jié)主要跟大家分享的65nm BSI-CIS 工藝流程介紹，有興趣的朋友可以一起交流學(xué)習(xí)，如有遺漏或是不足之處，還希望大家指正：

因?yàn)楸?a href="http://m.makelele.cn/soft/" target="_blank">培訓(xùn)資料章節(jié)太多，完整版如有朋友有需要，可私信我邀請您加入我“知識星球”免費(fèi)下載PDF版本。注意：此資料只可供自己學(xué)習(xí)，不可傳閱，平臺有下載記錄，切記！歡迎加入后一起交流學(xué)習(xí)。

四、65nm BSI-CIS 的關(guān)鍵工藝技術(shù)

1、深層光電二極管成型工藝技術(shù)

在相同芯片尺寸上增加像素?cái)?shù)量時(shí)，需縮小單一像素尺寸。為確保圖像質(zhì)量，深層光電二極管的形成是關(guān)鍵技術(shù)，要在更小像素中保證足夠滿阱容量（FWC），需采用難度更高的圖像形成技術(shù)，尤其要確保高縱橫比（>15:1）植入掩碼工藝技術(shù)，阻止高能量離子植入，且業(yè)內(nèi)縱橫比有逐步提高趨勢。

2、像素間隔離處理技術(shù)

對于高清 CIS，將像素彼此隔離至關(guān)重要，不同隔離技術(shù)使用不當(dāng)可能引入圖像缺陷，如顏色混合和顏色擴(kuò)散。

3、彩色濾波陣列（CFA）處理技術(shù)

CFA 是 CIS 獨(dú)有的工藝，由彩色濾波器（CF）和微透鏡（ML）組成。CF 可將入射光過濾成紅、綠、藍(lán)各波長范圍，ML 可提高光凝聚效率。為獲得優(yōu)良圖像品質(zhì)，需開發(fā)和評估 R/G/B 彩色素材，優(yōu)化形狀、厚度等工藝條件。

4、晶圓堆疊工藝技術(shù)

對于高像素 CIS 產(chǎn)品，像素陣列和邏輯電路分別形成在單獨(dú)的晶圓上，然后使用晶圓鍵合技術(shù)將它們連接起來。該技術(shù)可生產(chǎn)高像素、高清 CIS 產(chǎn)品。

五、65nm BSI-CIS 圖像傳感器的優(yōu)勢特點(diǎn)

1、高感光性能

BSI 結(jié)構(gòu)使光線直接到達(dá)光電二極管，減少光損失，提升低光環(huán)境下的成像質(zhì)量，具有更高的量子效率和靈敏度。

2、高集成度

65nm 工藝允許在 CIS 芯片上集成更多的邏輯處理電路，如 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、DSP（數(shù)字信號處理器）等，可在較小芯片面積上實(shí)現(xiàn)更多功能。

3、低功耗

相比其他一些傳感器技術(shù)，CMOS 工藝本身就具有低功耗的特點(diǎn)，65nm BSI - CIS 在保證性能的同時(shí)能有效降低功耗，適合對功耗敏感的應(yīng)用場景，如移動設(shè)備。

4、小型化

有助于實(shí)現(xiàn)更小的芯片尺寸，滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品對小型化、輕量化的需求，可用于設(shè)計(jì)更緊湊的攝像頭模塊。

5、可擴(kuò)展功能

可集成多光譜、HDR、全局快門、3D 感測等進(jìn)階功能，具體取決于設(shè)計(jì)。

六、65nm BSI-CIS 圖像傳感器的主要應(yīng)用場景

1、智能手機(jī)攝像頭

用于前置或后置攝像頭，尤其是對 低光拍攝、高畫質(zhì)、快速對焦 有要求的場景。

雖然當(dāng)前旗艦手機(jī)主攝多采用更先進(jìn)制程（如 40nm 以下），但中端機(jī)型或輔助攝像頭（如超廣角、微距）仍可能使用 65nm BSI CIS。

2、安防監(jiān)控

用于夜間或光線不足環(huán)境下的攝像頭，對 高感光、低噪聲 有較高要求。

65nm BSI CIS 提供良好的性價(jià)比與成像性能平衡。

3、汽車電子

包括 前視攝像頭、環(huán)視系統(tǒng)、倒車影像、駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS） 等。

要求高可靠性和一定的環(huán)境適應(yīng)性，65nm 工藝在成本與性能之間提供了實(shí)用的解決方案。

4、機(jī)器視覺 / 工業(yè)檢測

用于自動化檢測、條碼識別、表面檢測等，對圖像穩(wěn)定性與一致性要求較高。

5、消費(fèi)類電子設(shè)備

如平板電腦、筆記本電腦的攝像頭模塊、智能手表等。

七、65nm BSI-CIS 圖像傳感器的行業(yè)背景及發(fā)展趨勢

當(dāng)前，BSI 技術(shù)已成為 CIS 的主流，自 2010 年后幾乎所有高端 CIS（特別是手機(jī)主攝）均采用 BSI 或更先進(jìn)的堆疊 BSI（Stacked BSI）結(jié)構(gòu)。

然而65nm 雖不是最先進(jìn)制程，但在 CIS 領(lǐng)域仍有其價(jià)值，特別是在 成本控制、特殊功能集成、中等性能需求 的產(chǎn)品線上。

所以，高端 CIS 正在向更小制程（如 28nm、14nm 及以下）、3D 堆疊（如 Pixel + Logic 堆疊）、AI 加速 ISP 集成等方向發(fā)展，用于支持 8K 視頻、AI 場景識別、多攝協(xié)同等高級功能。

特別是近年來，國內(nèi)多家企業(yè)通過技術(shù)突破，逐步實(shí)現(xiàn)65nm CIS芯片的國產(chǎn)化，打破國際壟斷，推動國產(chǎn)CIS向高端市場邁進(jìn)。

八、寫在最后面的話

65nm BSI - CIS 圖像傳感器 是采用 65 納米制程、背照式結(jié)構(gòu) 的 CMOS 圖像傳感器，具有 高感光、低噪聲、高集成度與良好性價(jià)比 等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于 智能手機(jī)、安防、汽車、工業(yè)與消費(fèi)電子 等領(lǐng)域。

雖然目前 CIS 制程工藝不斷向更小節(jié)點(diǎn)發(fā)展，如 40nm、28nm 甚至更先進(jìn)制程，但 65nm BSI - CIS 仍在一些對成本、性能和工藝成熟度有特定要求的市場中具有競爭力。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，65nm BSI - CIS 可能會在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化性能，降低成本，拓展應(yīng)用范圍。同時(shí)，與其他技術(shù)的融合，如與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的結(jié)合，也將為其帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

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審核編輯 黃宇