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半导体领域的光学应用: CIS关键工艺技术概览

By 2020年12月17日 一月 7th, 2021 No Comments

相机作为一种媒介,可以记录光所体现的物体,使人们能够主观或客观地表达各种情感和思想。当代人类身处于一个所谓的“数字游牧时代”,人们携带各类移动数码设备,生活不受时空的限制。在当今时代,相较于胶片相机,配备图像传感器的数码相机的使用范围更广。同时,当今也是配备数码相机功能的智能手机时代。在用于记录人们日常生活和美好回忆的数码相机或智能手机相机中,图像传感器的作用类似于胶片相机中的胶片。图像传感器在将通过镜头接收的拍摄对象信息转换为电子图像信号方面起着关键作用。

图1. 图像传感器应用及图像生成机制

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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。借此,这一半导体产品线的销售呈现出快速增长势头1

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

消费者对更清晰的图像品质的渴望引发了移动端CIS的像素密度和分辨率竞争,进而加速了CIS工艺技术的发展。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

图2. 光电二极管结构随像素尺寸减小而变化的示意图

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2.像素间隔离处理技术

将像素彼此隔离的技术对于制作高清CIS至关重要。如果采用过时的隔离技术,可能会造成各种图像缺陷,如混色、散色等。每家芯片制造商都具备不同的隔离技术。在CIS市场中,更高的像素密度和更高的分辨率正逐步成为业界通用标准,而隔离处理技术的水平差异也正成为衡量CIS品质的重要指标。隔离过程中可能会出现各种问题。为此,人们正在做出巨大努力,选择更好的设备,开发新方案,以期提高CIS产品线的良品率及产品质量。

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。近年来,得益于Bayer和Quad等应用技术与CFA的基本构造相结合的技术发展,一系列高质量、高功能的CIS产品不断涌现。

图3. 彩色滤波阵列结构

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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3。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。

图4. 晶圆堆叠结构

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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4 5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。

本文介绍了CIS关键工艺技术的主要特征。毫不夸张地说,CIS产品的完整性不仅取决于工艺技术,而且还取决于像素设备、模拟-数字设计以及图像信号处理(ISP)技术等如何有机地相互补充和优化。在现有半导体存储器工艺技术的基础上,SK海力士成功确保了包括上述技术在内的CIS产品特有的核心工艺技术。借此,公司成功地及时开发高像素、高清晰度的产品, 进而积极响应市场相关需求。未来,SK海力士的CIS业务将基于自身工艺技术、设备、设计和ISP技术优势,向医疗、安全等不同领域的各种应用产品以及移动端CIS产品领域拓展,并最终为创造SK集团所追求的经济价值和社会价值做出积极贡献。

 

1 Yole Development, “Status of the CMOS image sensors industry 2012”, https://www.slideshare.net/Yole_Developpement/yole-cmos imagesensorsoctober2012reportsample
2 SONY.net, “Perspectives from the creators of the image sensor ‘microcosm’” https://www.sony.net/SonyInfo/technology/stories/IMX586/
3 Cheng-Ta Ko, et al., “Wafer-to-wafer hybrid bonding technology for 3D IC” 3RD Electronics System Integration Technology Conference ESTC, Berlin, 2010, pp. 1-5, doi: 10.1109/ESTC.2010.5642848.
4 Koji Eriguchi, “Defect generation in electronic devices under plasma exposure: Plasma-induced damage” Jpn. J. Appl. Phys. 56 (2017)
5K. Eriguchi., “Application of Molecular Dynamics Simulations to Plasma Etch Damage in Advanced Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors”, Molecular Dynamics− Studies of Synthetic and Biological Macromolecules, 221-244 (2012)


郑寅喆(In-chul Jeong) 撰写

SK海力士CIS工艺Team长

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