未來展望——FSI 和BSI 圖像傳感器技術(shù)

由于BSI晶圓是翻轉(zhuǎn)（inverted）的，故入射光首先會(huì)入射到光電二極管附近的硅體材料。這時(shí)，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(huì)形成串?dāng)_而產(chǎn)生損耗。藍(lán)光尤其容易發(fā)生這種現(xiàn)象，導(dǎo)致藍(lán)色QE減小，而串?dāng)_增加?？上驳氖牵ㄟ^利用先進(jìn)的背面處理和更深的光電二極管來捕獲藍(lán)光，可以解決這些問題。

BSI的優(yōu)點(diǎn)

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(dú)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(gè)孔徑，從而消除了入射光的損耗機(jī)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(gè)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?yàn)閷τ诤笳撸捎诠饩€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(huì)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(jìn)入市場，但正如以往的像素技術(shù)一樣，其性能預(yù)計(jì)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(jì)QE將達(dá)到50~60%，串?dāng)_為10~30%。屆時(shí)這些1.1微米BSI像素將會(huì)勝過1.1微米FSI像素，因?yàn)镕SI像素在縮小至1.1微米時(shí)存在制造難題。

BSI的缺點(diǎn)

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薄(mounting 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(huì)增加成本和容差。此外，以往在前面(front side)進(jìn)行的CFA和微透鏡處理，現(xiàn)在必須在背面進(jìn)行。這時(shí)，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(jī)應(yīng)用，業(yè)界權(quán)威人士承認(rèn)BSI技術(shù)的平均銷售價(jià)格較高。影響成本的因素還有成本較高、更先進(jìn)的工藝技術(shù)等等。

BSI的另一個(gè)缺點(diǎn)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(xiàng)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(xiàng)。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(huì)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(shí)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(shí)間問題。

結(jié)論

市場對于完美像素的需要正在推動(dòng)圖像傳感器企業(yè)每年花費(fèi)數(shù)億美元進(jìn)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(jià)比的方式將像素縮減至1.4微米，同時(shí)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(jià)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(dòng)相機(jī)在手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)字視頻和數(shù)碼相機(jī)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(jī)和視頻攝像機(jī)、手機(jī)相機(jī)、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(shí)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(jià)比的FSI傳感器將挑戰(zhàn)BSI技術(shù)降低價(jià)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(jī)中，同時(shí)，它的性能將會(huì)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(huì)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(shí)，BSI技術(shù)的進(jìn)步將支持極小像素尺寸，以驅(qū)動(dòng)體積更小的高分辨率相機(jī)的應(yīng)用。