CIS技術的工作原理 CIS所特有的五類制造工藝技術

CMOS圖像傳感器（CIS）技術的創(chuàng)新繼續(xù)增強了數(shù)字成像的前景。盡管CMOS圖像傳感器的需求主要由智能手機制造商推動——手機制造商們通過利用增強的照相功能使他們的手機在對手競爭獲勝。同時，CMOS圖像傳感器在汽車，安全，醫(yī)療和制造領域的應用市場也不斷增長。

微型CMOS圖像傳感器，在功能上與人眼的視網(wǎng)膜相當，現(xiàn)在可以與以前只能用大型昂貴的攝像設備來實現(xiàn)的功能相媲美。而且，與智能手機相比，新的應用更加強調了CIS技術進步的必要性。

因此，現(xiàn)在的CIS技術不再僅僅是捕捉圖像供人眼觀看，而是捕捉數(shù)據(jù)，為從自動駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實（VR）到下一代醫(yī)療成像和高科技監(jiān)控系統(tǒng)等一系列新的應用案例提供動力。

對先進CIS技術的需求來自于各種應用。來源：SK Hynix

為確保CIS技術跟上各種更先進的應用需求，我們需要做些什么呢？

首先，讓我們快速了解一下CIS技術的工作原理。然后，我們將著重介紹CIS所特有的五類制造工藝技術，這些技術將需要持續(xù)的進步。

CIS是如何工作的？

在最基本的層面上，CIS技術的任務是將來自相機鏡頭的光轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)，以創(chuàng)造出視野中的畫面。當可見光波長范圍為400～700nm的光能凝結在硅基板的光電二極管（PD）上時，CMOS圖像傳感器的硅表面接收光能形成電子-空穴對。

在此過程中產(chǎn)生的電子通過浮動擴散（FD）轉換成電壓，再通過模數(shù)轉換器（ADC）轉換成數(shù)字數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到處理器，以創(chuàng)建一個數(shù)字描述，通常是一個圖像，即所看到的東西。

5種特定的制造工藝技術

生產(chǎn)如此精密的傳感器需要特定的制造技術，可分為五類。

1.PD深層形成工藝技術

消費者對提高圖像質量的持續(xù)需求，導致了如何提高移動CIS的像素密度和分辨率的競爭，而這又進一步加速了CIS工藝技術的發(fā)展。為了達到這個目的，需要進一步縮小像素尺寸，以便在相同尺寸的芯片上容納更多的像素。

該示意圖顯示了光電二極管結構隨著像素尺寸的減小而發(fā)生的變化。來源：SK Hynix

為了避免圖像質量的惡化，深層光電二極管也是至關重要的。為了確保小像素中足夠的全井容量（FWC），需要超越現(xiàn)有半導體存儲器的難度級別的圖案化和實現(xiàn)技術。為此，必須確保15:1以上的高長寬比，植入能夠阻擋高能離子植入的掩膜工藝技術，順應不斷發(fā)展的產(chǎn)業(yè)趨勢，使比例越來越高。

2.像素與像素之間的隔離工藝技術

當涉及到高清CIS時，像素之間的隔離技術是至關重要的。芯片制造商利用不同的隔離技術。如果使用不成熟的技術，就會產(chǎn)生顏色混合和顏色擴散等圖像缺陷。

隨著更高的像素密度和分辨率成為普遍要求，隔離度越來越成為CIS市場圖像質量的重要標準。除此之外，在隔離過程中也出現(xiàn)了一些問題，為此，人們正在努力選擇更好的設備，開發(fā)新的配方，以提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質量。

3.彩色濾波陣列（CFA）工藝技術

彩色濾光片陣列（CFA）是CIS領域特有的工藝，在半導體存儲器工藝中并不常見。CFA工藝一般包括將入射光過濾成紅、綠、藍各波長范圍的彩色濾光片（CF）和提升冷凝效率的微透鏡（ML）。為了創(chuàng)造穩(wěn)健的圖像質量，評估R/G/B彩色材料并開發(fā)優(yōu)化形狀和厚度等參數(shù)的技術非常重要。

最近，一系列高質量和高功能的CIS產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)布;它們基于Quad Bayer等技術，并與CFA的基本形式相輔相成。

彩色濾光片陣列的組成圖圖3彩色濾光片陣列由彩色濾光片和微透鏡組成。來源：SK Hynix

4.晶圓堆積工藝技術

晶圓堆疊是指將兩個晶圓連接在一起，是生產(chǎn)高像素、高清晰度CIS產(chǎn)品的重要技術。在高像素CIS產(chǎn)品中，像素陣列和邏輯電路分別在單個晶圓上形成，然后在工藝中間使用稱為晶圓鍵合的技術進行連接。

晶圓堆疊顯著提高CIS能力。來源：SK Hynix SK Hynix

晶圓堆疊技術已被大多數(shù)CIS芯片廠商采用，并在不同維度上不斷發(fā)展。

5.控制CIS產(chǎn)量和質量的技術

在CIS產(chǎn)品研發(fā)和量產(chǎn)過程中，最基本的要求之一就是控制金屬污染。由于CIS產(chǎn)品對污染的敏感度是存儲器產(chǎn)品的數(shù)倍，而且污染直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量，因此各種污染控制技術是必須的。

除此之外，等離子體損傷控制也是一個重要因素。由于在加工過程中造成的損傷會導致熱像素等圖像特性的惡化，因此必須對關鍵工序進行準確管理。

CIS的未來展望

可以毫不夸張地說，CIS驅動的應用的有效性將由過程技術決定。這些單項工藝之間的互動方式也將發(fā)揮重要作用。僅僅優(yōu)化制造工藝的某一個方面是不夠的，它們必須進行優(yōu)化，使之有機互補。

不過，回報是巨大的。從制造業(yè)、醫(yī)療服務到監(jiān)控，幾乎每一個業(yè)務環(huán)節(jié)都可以利用新的CIS技術來改善運營。有了更豐富、更詳細的世界觀，各行各業(yè)的公司將能夠創(chuàng)造出更智能、更復雜的產(chǎn)品和服務，使其最終客戶和整個社會受益。

作者：In-Chul Jeong，SK Hynix的CIS流程團隊負責人。

編譯：梟梟
編輯：hfy