【光电集成】半导体领域的光学应用:CIS关键工艺技术概览

今日光电 2024-01-23 18:00

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根据图像传感器的应用和制造工艺，图像传感器可分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器。

特别是CMOS图像传感器（CIS）不仅被搭载于数码相机，还被广泛应用于智能手机、平板电脑、CCTV、汽车黑匣子、无人驾驶车辆传感器、虚拟现实（VR）、医疗设备、无人机等各种新兴市场领域。

基于CMOS的图像传感器的工作过程如下：

当可见光波长范围（400-700纳米）的光能聚集在硅衬底的光电二极管（PD）时，硅表面接收光能形成电子-空穴对（electron-hole pair）。

在此过程中产生的电子通过浮动扩散（FD）转换成电压，然后再通过模拟到数字转换器（ADC）转换为数字数据。

为了制造出使这一系列流程成为可能的CIS产品，需要采用CIS特有的、有别于半导体存储器的关键制造工艺技术。此类工艺技术可分为以下五大类：

1.深层光电二极管成型工艺技术

在相同的芯片尺寸上要增加像素数量，就需要不可避免地缩小单一像素的尺寸。深层光电二极管的形成是防止图像质量下降的关键技术。为了在更小的像素中确保足够的满阱容量（full well capacity, FWC），与半导体存储器相比，CIS需要采用难度更高的图像形成技术。尤其需要确保高纵横比（>15:1）植入掩码（implant MASK）工艺技术，以阻止高能量离子的植入；事实上，目前纵横比在业内有逐步提高的趋势。

2.像素间隔离处理技术

3.彩色滤波阵列（CFA）处理技术

彩色滤波阵列是有别于半导体存储器制造工艺的CIS独有的工艺。CFA工艺一般由彩色滤波器（CF）和微透镜（ML）组成，前者可将入射光过滤成红、绿、蓝各波长范围，后者可提高光凝聚效率。为了获得优良的图像品质，开发和评估R/G/B彩色素材并开发相关技术以优化形状、厚度等工艺条件非常重要。

4.晶圆堆叠工艺

晶圆堆叠是指将两个晶圆连接在一起。这是制作高像素、高清晰度的CIS产品的必备技术。对于高像素CIS产品，像素阵列和逻辑电路分别在个别晶圆上形成。这些晶圆在工艺期间被连接在一起，而这一过程被称为“晶圆粘结（wafer bonding）”。像素阵列和逻辑电路的分离意味着制造成本的增加，但同时也意味着可以在同等晶圆面积上生产更多芯片；不仅如此，这还有助于提高产品的性能。因此，这是目前大多数CIS芯片厂商所采用的技术。晶圆堆叠技术正以各种形式不断发展。近年来，晶圆堆叠技术也被应用于半导体存储器领域，促进了产品性能的提升。

5.有助于提高CIS良品率和产品质量的控制技术

控制金属污染是CIS产品开发和量产过程中最基本的前提条件之一。由于CIS产品对污染的敏感度是存储器产品的数倍，且污染会直接影响CIS产品的良品率和质量，因此CIS的生产必须采用各种污染控制技术。另一个重要因素是等离子体损伤控制。由于图像属性的损坏（如热像素）是在工艺过程中造成的损伤而发生的，因此有必要对关键工艺进行精确管理。