CIS 发展新征程：像素工艺改进与堆叠技术升级

在过去的五十载岁月里，像素的发展历程始终围绕着增加工艺复杂性展开，其核心目标是实现成像所需的卓越性能。在这一漫长且充满挑战的进程中，开发和制造工艺工程师们发挥了至关重要的作用。他们凭借专业的知识和不懈的努力，成功推动了一系列针对图像传感器的工艺改进，以全方位满足性能、良率和成本等多方面的严格要求。这些改进措施涵盖了使用新型材料，如通过采用特定材料来减少串扰、增强光学性能，并支持附加功能（如图 1 所示）。这些工艺既可以借鉴自其他成熟产品，例如 MIMcaps（如图 2 所示），也可以采用极具创新性的结构，像气隙背面栅极（如图 3 所示），并成功应用于图像传感器领域。

图1:SK海力士Hi-5021Q：（1）光电二极管；（2）背面电介质层；（3）背面光学结构；晶片键合与互连

产品开发过程犹如一场与技术难题的持久战，只有不断攻克各种技术挑战，才能逐步满足市场的多样化需求。例如，为了降低成本并增加阵列尺寸，需要缩小像素尺寸；而随着市场的进一步发展，又需要增加高动态范围等功能。逆向工程在这一过程中扮演着重要的角色，其目的在于详细记录每个制造商所采用的技术开发路径，并精准预测流程开发中即将面临的决策点。

图2:MIMcap：艾迈斯半导体OSRAM Mira220，具有2.3 nm AlO/ZrO电介质

图3:SK海力士Hi-5022Q背面气隙栅格

堆叠技术无疑是一项具有重大影响力的赋能技术。其发展历程呈现出清晰的脉络，从最初的前照式单金属 CCD，逐步演进到多金属 CMOS 以增加功能，再到背照式 CMOS 以改善光学响应，直至如今的面对面堆叠 CMOS，在限制芯片尺寸的同时实现了图像处理功能的显著提升。最后一种技术需要金属互连，最初是通过位于芯片边缘的硅通孔来实现，但随着技术的不断进步，这种方式正逐渐被混合键合所取代。混合键合巧妙地利用了材料的特性，两个抛光的 SiO 表面在接触时会形成交联，从而增强强度；两个抛光的 Cu 表面也会形成交联，进而提供电互连。实际上，SiO 表面可以只是体互连介电层。不过，其他代工厂也探索出了另一种有效的方法，即先形成一层包含 C 或 N 的层，然后通过等离子处理形成一层薄的 SiO 层进行键合（如图 4 所示）。

图4:三星GM5铜对铜互连

图像传感器堆叠像素级互连的未来发展方向，合理地指向了三层结构。这种结构具有诸多优势，例如可以划分像素层以优化光电二极管，使其摆脱 CMOS 相关限制；或者分离图像信号处理层，以提供像素级信号处理阵列层；还可以添加存储层。然而，中间层的存在也带来了新的挑战，即需要开发一种从背面到正面的晶圆间互连技术，既可以是从一侧形成深接触的硅通孔（如图 5 所示），也可以提供背面铜焊盘用于混合键合的互连。

图5:索尼IMX904：[L]2层像素堆叠；[R]像素层的TSV

晶圆间互连间距的发展趋势受到技术的严格限制。在 2020 年之前，该间距一直呈现稳步下降的趋势，但此后，晶圆厂逐渐稳定了间距，每家晶圆厂都根据自身的技术实力和工艺特点，确定了各自的最佳工艺参数。其中，台积电在 1.4µm 的间距上表现出了较强的竞争力。

在智能手机领域，图像传感器的最佳尺寸似乎稳定在 5000 万像素，像素间距为 0.5µm 至 0.7µm。在技术实现方面，平面或垂直传输栅极的选择，以及双路或三路高动态范围的实现方式存在一定的差异（如图 6 所示）。

图6:带垂直传输门的三星GNJ像素

智能手机像素的一个显著特点是，像素中采用了双栅极氧化层，其中源极跟随器较薄，控制场效应晶体管（FET）较厚（如图 7 所示）。

图7:索尼IMX816，带薄栅极氧化物源极跟随器

鉴于图像传感器兼具集成电路和换能器的双重属性，因此需要采用新颖的结构和材料选择，以提供卓越的光电性能。这包括形成背面结构，以减少暗信号的产生并增强光学响应。虽然业界普遍认同使用 AlO/ZrO 作为沉积在背面硅上的层来抑制电荷的产生，但在选择下一层材料时，制造商们在 TaO 和 HfO 之间存在不同的偏好（如图 8 所示）。

图8:三星GNJ背面层采用网格结构

该光电二极管的独特之处在于采用了深沟槽隔离技术，这一技术能够有效降低光损耗，并防止像素之间的光载流子串扰。其蚀刻深度在 10:1 到 40:1 之间，并填充有厚度从 10nm 到 100nm 以上的薄共形材料层（如图 9 所示）。所用材料包括 SiO、多晶硅、W、AlO、TaO 和 TiN 等。

图9:深沟槽隔离：[L]ams欧司朗Mira220；[R]三星GNJ

像素发展的趋势已经从单纯缩小 4T 像素或其共享版本，转向为像素添加更多的功能。改进的电容器是增加高动态范围和全局快门的关键因素。目前，可用的电容器类型包括 MOS 电容器、寄生 FET 电容器、交错电容器以及通过连接相邻行元件形成的电容器等。采用纳米电介质并将其放置在互连层中的 MIMcaps，可以实现具有全局电压域的小像素（如图 2 所示）。由于空间的限制，像素通常会混合使用多种电容器类型。例如，SmartSens 已采用堆叠式 MIMcap 作为替代方案（如图 10L 所示），而 STMicro 则将电容器形成在光电二极管层中的像素，这些像素位于深沟槽隔离的外部或内部（如图 10R 所示）。

图10:[L]SmartSens SC53HGS双MIMcaps；[R]ST光电二极管深沟槽中的微型电容器

小像素间距晶圆间互连技术的出现，为 SPAD 传感器带来了重大突破，使其能够实现 100% 的填充率。这是因为像素电路现在可以放置在光电二极管后面（如图 11 所示）。

图11:Ouster L3堆叠式SPAD

在高端 MILC 相机应用中，创新和对过去理念的重新审视依然十分明显。例如，索尼将背面光导管与内置透镜相结合的设计就充分证明了这一点（如图 12 所示）。

图12:索尼IMX810背面内置镜头

增强型图像传感器专用工艺在非摄影成像领域也展现出了巨大的应用潜力。例如，增强现实头戴式设备中的眼动追踪需要在可见光谱之外进行成像，因此图像传感器运用了近红外（NIR）的所有技术，包括 6.4µm 光电二极管硅片、深沟槽隔离和背面倒金字塔阵列（如图 13 所示）。该部件得益于堆叠技术带来的小尺寸优势。

首款多光谱智能手机相机采用了 3x3 彩色滤光片阵列，每个阵列中都有一个彩色像素，无需使用彩色滤光片或微透镜即可创建（如图 14 所示）。该应用似乎适用于可见光波长，以提供色彩校正信息。

图13:苹果Vison Pro眼动仪

图14:华为GalaxyCore多光谱图像传感器

图15:SWIR Vision Acuros CQD，带富勒烯/PbS QD结

短波红外 (SWIR) 波段的成像要实现商业应用，需要进行大量的创新。因为硅在 1.0µm 以上的波长范围内不吸收，其面临的挑战主要在于可制造性和与有毒物质相关的环境问题。一种解决可制造性问题的创新方法是构建一个透明富勒烯 n - p 结，并在硅读出集成电路上吸收 PbS 量子点（如图 15 所示）。

尽管应用的像素尺寸似乎已经趋于稳定，但图像传感器产品仍然能够从持续的工艺改进中获得显著的收益。这一事实充分证明了持续技术开发的重要价值。使用像素级互连进行堆叠可以实现多层堆叠，为图像传感器的发展带来了新的机遇。而从追求更小像素到制造具有附加功能的像素的转变，则为该行业开辟了更为广阔的可能性。目前，图像传感器技术已经达到了每像素成本惊人低廉的水平，这意味着我们这个行业不再局限于单一的主导产品，而是拥有了前所未有的广阔发展前景。