CIS，怎么走？

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过去五十年来，像素的发展轨迹不断增加工艺复杂性，以实现成像所需的性能。在这一过程中，开发和制造工艺工程师功不可没，他们成功实现了一系列针对图像传感器的工艺改进，以满足性能、良率和成本方面的要求。这些改进包括使用新材料来减少串扰、增强光学性能并支持附加功能（图1）。这些工艺可以沿用自其他产品（例如MIMcaps，图2），也可以采用新颖的结构，例如气隙背面栅极（图3），应用于图像传感器。

产品开发过程伴随着一系列技术挑战，直至满足市场需求（例如，缩小像素尺寸以降低成本并增加阵列尺寸），然后转向下一个市场需求（例如，增加高动态范围等功能）。逆向工程的目的是记录每个制造商所采用的技术开发，并预测流程开发中即将出现的决策点。

堆叠技术就是一项赋能技术的例子。其发展轨迹是从前照式单金属CCD到多金属CMOS（用于增加功能），再到背照式CMOS（用于改善光学响应），再到面对面堆叠CMOS（用于在限制芯片尺寸的同时增加图像处理功能）。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实现的，但这正在被混合键合所取代，这种键合利用了材料的特性：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，从而提供电互连。实际上，SiO表面可以只是体互连介电层。不过，其他代工厂发现，先形成一层包含C或N的层，然后再通过等离子处理形成一层薄的SiO层进行键合，这种方法也很有用（图4）。

图像传感器堆叠像素级互连的下一个合理方向是三层结构。这意味着可以划分像素层以优化光电二极管，使其不受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，或者添加存储层。中间层的存在意味着需要开发一种从背面到正面的晶圆间互连，无论是从一侧形成深接触的硅通孔（图5），还是提供背面铜焊盘用于混合键合的互连。

晶圆间互连间距的趋势受技术限制，在2020年之前一直稳步下降。此后，晶圆厂逐渐稳定了间距，每家晶圆厂都有自己的最佳工艺参数。台积电似乎在1.4µm的间距上最具竞争力。

智能手机图像传感器的最佳尺寸似乎是5000万像素，像素间距为0.5µm至0.7µm。技术上，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存在差异（图6）。

智能手机像素的一个特点是像素中使用双栅极氧化层，源极跟随器较薄，控制场效应晶体管（FET）较厚（图7）。

鉴于图像传感器既是集成电路，又是换能器，因此需要新颖的结构和新颖的材料选择来提供光电性能。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。虽然人们似乎一致认为使用AlO/ZrO作为沉积在背面硅上的层来抑制电荷的产生，但制造商在TaO和HfO之间选择下一层（图8）。

该光电二极管的独特之处在于深沟槽隔离，这可降低光损耗并防止像素之间的光载流子串扰。该光电二极管的蚀刻深度在 10:1 到 40:1 之间，并填充厚度从 10nm 到 100nm 以上的薄共形材料层（图 9）。所用材料包括 SiO、多晶硅、W、AlO、TaO 和 TiN。

像素发展的势头已从缩小4T像素或其共享版本转向为像素添加更多功能。改进的电容器是增加高动态范围和全局快门的关键。可用的电容器包括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。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（图2）。

由于空间限制，像素将混合使用多种电容器类型，但SmartSens已采用堆叠式MIMcap作为替代方案（图10L）。STMicro已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（图10R）。

小像素间距晶圆间互连技术的出现，使得 SPAD 传感器能够实现 100% 的填充率，因为像素电路现在可以放置在光电二极管后面（图 11）。

在高端 MILC 相机应用中，创新或对过去理念的重新审视仍然显而易见。索尼将背面光导管与内置透镜相结合就证明了这一点（图 12）。

增强型图像传感器专用工艺实现了非摄影成像。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：6.4µm 光电二极管硅片；深沟槽隔离；背面倒金字塔阵列（图 13）。该部件受益于堆叠技术带来的小尺寸。

首款多光谱智能手机相机采用 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（图 14）。该应用似乎适用于可见光波长，以提供色彩校正信息。

短波红外 (SWIR) 波段的成像需要创新才能实现商业应用，因为硅在 1.0µm 以上的波长范围内不吸收。其挑战在于可制造性和与有毒物质相关的环境问题。一种解决前者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（图 15）。

即使应用的像素尺寸似乎稳定，图像传感器产品仍能从工艺改进中受益，这一事实表明持续技术开发的价值。使用像素级互连进行堆叠可以实现多层堆叠，这是一个机遇，而从驱动更小像素到制造具有附加功能的像素的转变则开辟了可能性。目前，图像传感器技术已达到每像素成本惊人的低廉水平，因此，我们这个行业不再局限于单一的主导产品，而是拥有广阔的发展前景。

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