CMOS图像传感器的五大工艺技术

shuszhao

CMOS图像传感器（CIS）技术的创新不断拓展数字成像的发展前景，其需求最初由智能手机厂商推动，因为增强的照相功能可以让他们的设备区别于竞争对手。现在，CIS在汽车、安全、医疗和制造领域的市场也在不断增长。
微型CMOS图像传感器的功能可与人眼视网膜媲美，如今更可以与大型昂贵的照相设备竞争。相比智能手机，新的应用更加强调对先进CIS技术的需求。
CIS技术不仅可以捕获人眼能看到的图像，而且还可以捕获数据以支持许多新用例，从自动驾驶车辆和虚拟现实（VR），到下一代医学成像和高科技监视系统。

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图1：对先进CIS技术的需求来自多种应用。（来源：SK Hynix）
那么，如何才能确保CIS技术满足更高级应用的需求呢？首先，让我们快速了解一下CIS技术的工作原理，然后再重点介绍CIS独有的五种制造工艺技术，这些技术均需要不断地改进。


CIS工作原理

从最基本的层面上讲，CIS用来将相机镜头的光转换为数字数据，以创建可见的图像。当波长范围为400至700nm的可见光光能被聚集在硅衬底的光电二极管（PD）上时，CMOS图像传感器的硅表面将接收该光能，从而形成电子-空穴对。
在此过程中生成的电子通过浮动扩散（FD）转换为电压，然后再通过模数转换器（ADC）转换为数字数据。最后，数据被发送到处理器，以创建可视的数字描述，通常为图像。


CIS制造技术

生产这种复杂传感器需要特定的制造技术，通常分为五类。
1.  深光电二极管形成工艺技术
由于消费者对图像质量不断提出更高的需求，导致了业界的竞争加剧，各厂商争相提高移动CIS中的像素密度和分辨率，这种竞争反过来又进一步加速了CIS工艺技术的发展。为实现更高的图像质量，像素尺寸需要进一步减小，以便在相同大小的芯片上容纳更多的像素。

                               
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图2：光电二极管结构变化以及像素尺寸不断减小的示意图。（来源：SK Hynix）
为了避免图像质量的下降，深光电二极管的作用极为关键。为了在小像素中确保有足够的满阱容量（FWC），它的构图和实施技术难度级别远超现有的半导体存储器。为此，必须遵循高宽比率不断提高的行业趋势，确保掩模工艺技术达到超过15：1的高宽比，以阻止高能离子注入。
2.  像素-像素隔离工艺技术
对高清CIS来说，像素间彼此隔离的技术至关重要。不同的芯片制造商会采用不同的隔离技术，但如果隔离技术不佳，将可能导致图像缺陷，例如混色和散色。
越来越高的像素密度和分辨率成为普遍的需求，隔离便成为CIS市场中图像质量的重要标准。 除此之外，隔离工艺还会出现一些问题。因此，业界正在努力选择更好的设备，并开发新的解决方案以提高良品率和产品质量。
3. 彩色滤光片阵列（CFA）工艺技术
彩色滤光片阵列（CFA）是CIS领域独有的一种工艺，它在半导体存储工艺中并不常见。CFA工艺通常包括一个彩色滤光片（CF）和一个微透镜（ML），滤光片将入射光根据各自波长范围过滤为红色、绿色和蓝色，而微透镜则提高聚光效率。为了获得稳定的图像质量，需要评估R/G/B彩色材料，并研究出可以优化形状和厚度等参数的技术。
最近，一系列高质量且功能强大的CIS产品出现在市场上。它们基于Quad Bayer等技术，且辅以CFA的基本形式。

                               
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图3：彩色滤光片阵列由彩色滤光片和微透镜组成。 （来源：SK Hynix）
4.晶圆堆叠工艺技术
晶圆堆叠（即将两个晶圆粘贴在一起）是生产高像素和高清晰度CIS产品的一项重要技术。 对于高像素CIS产品，像素阵列和逻辑电路分别在单个晶圆上形成，然后在处理过程中采用晶圆键合技术将它们连接起来。

                               
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图4：晶圆堆叠极大地提升了CIS的性能。（来源：SK Hynix）
大多数CIS芯片制造商已经采用了晶圆堆叠技术，这项技术的各个方面仍在持续改进中。
5. CIS良率和质量控制技术
CIS产品开发和批量生产过程中最基本的要求之一是对金属污染的控制。由于CIS产品对污染的敏感度是存储产品的几倍，而且污染直接影响产品良率与质量，因此必须采用各种污染控制技术。
除此之外，等离子体损伤控制也很重要。由于在工艺过程中造成的损坏会导致图像性能下降（如热像素），因此有必要对关键工艺进行精确管理。


CIS的未来前景

毫不夸张地说，对于由CIS驱动的应用，其有效性将取决于工艺技术。而且，各种工艺相互交互的方式也有很大影响。仅仅优化制造工艺的某一方面是不够的，各种工艺必须全部优化才能实现有机互补。
不过，回报是巨大的。从制造业到医疗保健服务，再到监控，几乎每个领域都可以利用CIS新技术来改善。拥有对这个世界更丰富、更详尽的视野，各行各业的公司都将能够创建更智能、更先进的产品和服务，从而使终端客户和整个社会受益。

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