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FSI与BSI CMOS Sensor的不同之处

对于CMOS image sensor, 大家可能听过前照式FSI(Front side illumination)和背照式BSI(Back side illumination)的不同类型。虽然这个已经不是最新的技术了,但是让我们来 聊聊这两者的定义、发展历史、优缺点。

大家都知道尤其是手机等小型的CMOS 模组最大的问题就是进光量相对传统相机要小得多。CMOS sensor 的pixel设计的目的是为了获得更大的光电转换效率。而更好的光电转换效率就会获得更好的SNR。由于CMOS sensor像素解析力越来越大,但摄像头模组的体积越来越小,如何能够用更小的CMOS sensor Pixel获得更好的图像质量就越来越重要了。

首先来讲下什么是FSI、BSI。为什么BSI可以获得更好的图像质量。


图FSI BSI的示意图

顾名思义,FSI光从正面入射进入感光区,BSI是指光从背面入射进入感光区。前和背对应的是半导体制成工艺的front-end-of-line (FEOL)和back end of line (BEOL)。其实就是说是半导体加工后段制程sensor金属连接布线。


图 半导体金属层和半导体的示意图

其实在FSI和BSI发展的过程中还有一个中间产物一种叫wave-guided导光结构,在FSI的基础上对光学路径优化,可以允许更多光线进入感光区提升了量子效率QE。量子效率简单的理解就光电转换能力的评价。Wave-guided的具体做法是在metal中间填入高折射率材料,这样光线可以更好聚集在金属线之间的导光区域内,减小金属布线对光线的吸收和反射。


图FSI、Wave-guided和BSI结构示意图

下图是TSMC总结的FSI与BSI QE与Pixel趋势图,在小尺寸BSI结构是非常有优势。并且这个是比较早的数据,目前的工艺水平QE远远高于这个值。


图QE与pixel尺寸、结构的趋势图

业界在FSI向BSI的切换是由sensor的Pixel size的变化导致的。简单的来说Pixel
size大的时候FSI就足够使用了,没有必要使用BSI方式。下图是FSI、BSI两种制造工艺随着pixel尺寸的发展图。随着sensor pixel尺寸的不断变小,对性能、工艺的要求也越来越高。基本上2um以下是一个分水岭 ,2um以下的sensor多采用BSI结构。


制造工艺节点、pixel尺寸和FSI、BSI发展图

接下来再让我们继续分析FSI和BSI的优缺点。在这之前让我们再次看一下两者的剖面图。其中虚线部分就是光电二极管所在的位置。之所以这样是从剖面图我们就能简单的看出BSI光路在Sensor中经过的层次更少,这也就意味着更少的消耗。


图 FSI、BSI剖面结构对比

FSI、BSI优缺点

FSI的优点

FSI按照半导体制造流程而设计。对pixel而言,光是从前面的金属布线之间进入,然后再聚焦在感光区域photodiode上。对于较大的像素,FSI的性能还是可以满足要求。因为pixel的optical stack高度与像素面积之比不大,感光面积也相对可以保证。优点在于FSI制造工艺简单,成本低、良率高。与BSI相比,FSI对制造工艺要求较低。

FSI的缺点

随着pixel尺寸的缩小的,fill factor小、光学路径长、金属布线反射吸收损耗大等,都限制了sensor的性能。

BSI是做好前段工艺后,晶圆(wafer)翻转、bonding、减薄,然后在背部做color filter, micro lens。

BSI的优点

BSI的主要优势是能够使电气组件与光线分离,使光路径能够被独立地优化,避免了FSI金属布线层吸收、反射。并且BSI pixel内optical stack大大减小。BSI与FSI相比,fill factor大,几乎可达到100%。因此BSI能够获得更高的QE(量子效率)。

BSI结构大大减小了optical stack的厚度,因此对入射角度的要求也会更加友好。下图中我们可以看到1.4um pixel尺寸,BSI结构相对FSI结构可以改善lens shading 40%。


图FSI、BSI对lens shading的影响

BSI的缺点

但BSI工艺复杂、难度高。早期BSI发展早期良率会是一个很大的障碍。但随着半导体工艺的发展,BSI的工艺也越来越成熟。良率上升也会比较快

由于BSI芯片形式是背面在上,因此光线会直接照射光电二极管附近的硅体材料。由于漫射到邻近像素或在背面界面的漫射与入射光线重新汇合,光线会容易形成串扰。不过这些在业界目前已经能够通过改善芯片背面的处理来解决了。

随着手机轻薄化、模组高度变小,CMOS Image Sensor 像素面积也越来越小。以及类似Dual PDAF sensor 和 Quad pixel binning sensor在手机上使用的越来越多。人们对更出色的图像质量的追求不会停止。因此如何能够获得更好的光电转换效率仍然会是业界不断追求的目标。等后面有机会再来介绍Sensor 设计中的一些其它技术。

本文转自知乎『大话成像专栏』版权归原作者所有

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