半导体特定型图像传感器“65nm BSI-CIS”的详解；-电子发烧友网

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近年来，随着虚拟现实(VR)、增强现实(AR) 、自动驾驶的兴起，CIS技术成为工业4.0的一项关键技术。人们预计，CIS技术将不仅可以作为设备的“眼睛”，还将在功能上有更进一步的发展。

大家都知道，自2000年初以来，CMOS 图像传感器已被许多行业广泛采用。其多功能应用扩展到数码相机、移动设备、监控系统、机器人、医疗器械和自动驾驶汽车等许多行业。通过使用像素阵列中的光电二极管捕获图像并将信号实时转换为数字文件的能力可以实现高级数据管理和分析，从而实现其硬件与计算系统的兼容性。最近的进步使分析功能更接近像素阵列。机器学习 (ML)、人工智能 (AI) 算法和图像传感器内的图像重建技术的实施已被广泛报道。因此，图像传感器技术平台是许多应用的关键部分。

雷达和图像传感器的传感器融合、用于高级驾驶员辅助系统的光检测和测距 (LiDAR)、神经形态和高光谱成像、热成像和生物医学应用等先进应用正在不断发展。2018-2019年，图像传感器的市场规模已达到约200亿美元。预计从 2019 年到 2025 年，仅三维 (3D) 成像和传感市场的扩张将达到50亿至150亿美元，这几年的CGAR 为 20%。主要行业是消费移动产品和汽车行业。

技术平台和业务平台之间的协同效应已经显现。为了满足移动设备的外形尺寸限制，我们为具有巨大消费者需求的移动设备应用开发了先进的技术平台。移动设备建立的规模经济进一步鼓励先进的像素电子设计和使用芯片堆叠方法的像素并行处理在其他行业的应用。图像传感器将继续成为与业务平台协同的产品开发的强大技术平台。

像素电子产品的创新实现了多种先进功能。2000 年初，已有许多复杂图像传感器的设计被报道。只有当芯片堆叠和先进互连技术变得可制造时，这些创新的商业化才有可能实现。3D集成图像传感器的示范性设计始于1999年的四层堆叠，以及2004年多芯片堆叠架构中的多功能传感器。新实施的支持技术和特征尺寸的减小改变了拟议的 3D 集成。一些重大突破，如2009年的背照式(BSI) CIS、2012年的芯片堆叠、2015年的“pixel-DRAM-logic ”三芯片堆叠、2016年的铜-铜混合键合（Cu-Cu hybrid bonding），这些技术都带来了最先进的技术平台。

因此，在过去的十年里，CMOS图像传感器（CIS）技术取得了令人瞩目的进展，图像传感器的性能也得到了极大的改善。背面照度（BSI）技术，是常用的前面照度（FSI）技术的有前途的替代方案，具有深光电二极管和短光路，从而具有更高的量子效率。

一、BSI-CIS 图像传感器的介绍

“BSI-CIS”，它是Back-Side Illuminated CMOS Image Sensor的简称，中文称作：背照式互补金属氧化物半导体图像传感器。

它是一种特定类型的图像传感器，其核心特点是将光电二极管置于传感器顶部，也就是采用背照式结构。这种结构消除了传统前照式中金属布线层对光线的遮挡，使得进光量和量子效率得到显著提升，能有效提升在低亮度状态下的图像品质，常用于对成像质量要求较高的场景，如智能手机摄像头等。

讲到BSI，肯定有朋友知道：2011年，苹果iPhone 4手机问世，其配备了当时首个应用BSI技术的CIS产品。苹果公司当时声称BSI技术与FSI技术相比可以捕获更大的进光量，因此可以再现更高质量的图像。

苹果公司以及当今整个行业所使用的BSI流程如下图所示。就BSI技术而言，首先在晶圆的一侧制作所有电路部分，然后将晶圆翻转倒置，以便创建可以在背面收集光线的光学结构。这样可以消除FSI中金属线路造成的干扰，在同一大小像素的条件下光线通过的空间更大，从而可提高量子效率。

1、BSI（Back-Side Illuminated，背照式）

简单来讲，BSI（背照式）就是CIS 的一种重要结构设计，它是将感光层（光电二极管）放在电路层的背面，光线无需穿过金属布线层，直接照射到感光区。相比传统的 FSI（Front-Side Illuminated，前照式），BSI 大幅提升了进光量与量子效率，特别适合在低光环境下使用，显著改善了图像的信噪比（SNR）与动态范围。同时，BSI 技术自2000年代末开始普及，已成为高端 CIS（如手机主摄、车载摄像头等）的主流结构。

借助BSI技术，使1.12μm及以下像素尺寸的应用成为可能，并为1600万像素及以上的高分辨率产品开辟出了市场。不同于会受到布线干扰的FSI结构，基于BSI的光学工艺有着更高的自由度。得益于此，背侧深沟槽隔离(BDTI)、W型栅格(W Grid)和空气栅格(Air Grid)等在内的各种光学像素结构被开发出来，以提高产品的量子效率。

背侧深沟槽隔离(BDTI)工艺虽然采用克服光衍射问题的BSI结构可以提高量子效率，但仍需要采用额外的像素分割结构，以顺应智能手机不断缩小的像素尺寸和不断降低的摄像头F值4)。在这方面，背侧深沟槽隔离(BDTI)结构是最具代表性的例子，这种结构可以在光线沿CIS芯片外侧斜向进入的区域提升全内反射(TIR)效果5)，从而增加信号。目前，这项技术被广泛应用于大多数基于BSI技术的CIS产品。

彩色滤光片隔离结构彩色滤光片隔离结构是与BDTI结构并驾齐驱的另一种技术，是通过在滤色器之间插入物理屏障提高基于BSI的像素性能。由于在使用BSI结构之后，微透镜和光电二极管之间的距离无法再缩短，因此这种结构防止了由像素收缩引起的衍射。彩色滤光片隔离的代表性结构包括W型栅格和SK海力士专有的空气栅格(Air Grid)结构。与简单的光阻隔结构W型栅格不同的是，使用全内反射的空气栅格可以提高量子效率，因而有望成为新一代技术。

而关于FSI（Front-Side Illuminated，前照式），早期的CIS产品像素采用前照式(FSI)结构，这种结构将光学结构置于基于CMOS1)工艺的电路上。这项技术适用于像素尺寸为1.12μm及以上的大多数CIS解决方案，被广泛用于移动设备、闭路电视(CCTV)、行车记录仪、数码单反相机、车用传感器等产品。

一款高性能的图像传感器即使在弱光条件下，也应能够呈现出明亮清晰的图像，而要实现这一效果，需要提高像素的量子效率(QE)2)。因此，像素下层电路的金属布线设计应以FSI结构为基础，以尽可能避免光干扰。

然而，通常情况下，当连续的光线穿过光圈或物体周围时，就会发生衍射现象。就光圈而言，随着光圈孔径尺寸的减少，更多的光会随着衍射量的增加而扩散。同样，外部光达到单个像素时，衍射现象也无法避免。就FSI结构而言，因为受到下层电路中金属布线层的影响，这种结构更容易受到衍射的影响。即使FSI像素尺寸减少，被金属覆盖的区域也保持不变。因此，光通过的区域变得更小，衍射现象增强，导致图像中的颜色混合在一起。

然而，控制像素的衍射也并非不可能。为了改善单个区域的衍射，可以根据衍射计算公式来缩短微透镜到硅(Si)的距离。为此，人们提出了一种背照式(BSI)工艺，通过翻转晶圆来利用其背面，以此消除金属干扰。SK海力士从像素尺寸低于1.12μm的产品开始采用BSI技术。

2、CIS（CMOS Image Sensor，CMOS 图像传感器）

CMOS图像传感器(CIS)是一种可以将通过镜头捕获的光的颜色和亮度转换为电子信号，并将其传输至处理器的传感器。因此，图像传感器充当的是智能手机或平板电脑等移动设备“眼睛”的角色。近年来，随着虚拟现实(VR)、增强现实(AR) 、自动驾驶的兴起，CIS技术成为工业4.0的一项关键技术。人们预计，CIS技术将不仅可以作为设备的“眼睛”，还将在功能上有更进一步的发展。

二、65nm制程BSI-CIS 图像传感器

这里讲的，65nm制程指的是 CIS 芯片采用的半导体制造工艺节点，数字越小代表晶体管密度越高、单位面积集成能力越强、功耗与发热相对更低。

而65nm是较早的一代工艺节点（大约在 2006 年左右成熟），但在 CIS 领域，特别是 BSI CIS 中，65nm 依然可用于某些中高端或特殊用途的图像传感器，尤其是在高集成度、多通道处理、片上 ISP（图像信号处理）等方面。

当前主流高端 CIS 制程已经发展到40nm、28nm、甚至更先进的节点（如 14nm 或以下），但 65nm 仍具有一定应用价值，特别是在成本、良率、特殊功能集成等方面有优势的场景。所以，后来的65nm BSI制程系列针对快速兴起的应用产品所推出，诸如智慧手机、平板电脑、高阶监视器、以及消费型数位相机/数位单眼相机等，都在取得开发商的授权后采用了。

三、65nm BSI-CIS 工艺流程介绍

以下是本章节主要跟大家分享的65nm BSI-CIS 工艺流程介绍，有兴趣的朋友可以一起交流学习，如有遗漏或是不足之处，还希望大家指正：

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四、65nm BSI-CIS 的关键工艺技术

1、深层光电二极管成型工艺技术

在相同芯片尺寸上增加像素数量时，需缩小单一像素尺寸。为确保图像质量，深层光电二极管的形成是关键技术，要在更小像素中保证足够满阱容量（FWC），需采用难度更高的图像形成技术，尤其要确保高纵横比（>15:1）植入掩码工艺技术，阻止高能量离子植入，且业内纵横比有逐步提高趋势。

2、像素间隔离处理技术

对于高清 CIS，将像素彼此隔离至关重要，不同隔离技术使用不当可能引入图像缺陷，如颜色混合和颜色扩散。

3、彩色滤波阵列（CFA）处理技术

CFA 是 CIS 独有的工艺，由彩色滤波器（CF）和微透镜（ML）组成。CF 可将入射光过滤成红、绿、蓝各波长范围，ML 可提高光凝聚效率。为获得优良图像品质，需开发和评估 R/G/B 彩色素材，优化形状、厚度等工艺条件。

4、晶圆堆叠工艺技术

对于高像素 CIS 产品，像素阵列和逻辑电路分别形成在单独的晶圆上，然后使用晶圆键合技术将它们连接起来。该技术可生产高像素、高清 CIS 产品。

五、65nm BSI-CIS 图像传感器的优势特点

1、高感光性能

BSI 结构使光线直接到达光电二极管，减少光损失，提升低光环境下的成像质量，具有更高的量子效率和灵敏度。

2、高集成度

65nm 工艺允许在 CIS 芯片上集成更多的逻辑处理电路，如 ADC（模数转换器）、DSP（数字信号处理器）等，可在较小芯片面积上实现更多功能。

3、低功耗

相比其他一些传感器技术，CMOS 工艺本身就具有低功耗的特点，65nm BSI - CIS 在保证性能的同时能有效降低功耗，适合对功耗敏感的应用场景，如移动设备。

4、小型化

有助于实现更小的芯片尺寸，满足现代电子产品对小型化、轻量化的需求，可用于设计更紧凑的摄像头模块。

5、可扩展功能

可集成多光谱、HDR、全局快门、3D 感测等进阶功能，具体取决于设计。

六、65nm BSI-CIS 图像传感器的主要应用场景

1、智能手机摄像头

用于前置或后置摄像头，尤其是对低光拍摄、高画质、快速对焦有要求的场景。

虽然当前旗舰手机主摄多采用更先进制程（如 40nm 以下），但中端机型或辅助摄像头（如超广角、微距）仍可能使用 65nm BSI CIS。

2、安防监控

用于夜间或光线不足环境下的摄像头，对高感光、低噪声有较高要求。

65nm BSI CIS 提供良好的性价比与成像性能平衡。

3、汽车电子

包括前视摄像头、环视系统、倒车影像、驾驶员监控系统（DMS）等。

要求高可靠性和一定的环境适应性，65nm 工艺在成本与性能之间提供了实用的解决方案。

4、机器视觉 / 工业检测

用于自动化检测、条码识别、表面检测等，对图像稳定性与一致性要求较高。

5、消费类电子设备

如平板电脑、笔记本电脑的摄像头模块、智能手表等。

七、65nm BSI-CIS 图像传感器的行业背景及发展趋势

当前，BSI 技术已成为 CIS 的主流，自 2010 年后几乎所有高端 CIS（特别是手机主摄）均采用 BSI 或更先进的堆叠 BSI（Stacked BSI）结构。

然而65nm 虽不是最先进制程，但在 CIS 领域仍有其价值，特别是在成本控制、特殊功能集成、中等性能需求的产品线上。

所以，高端 CIS 正在向更小制程（如 28nm、14nm 及以下）、3D 堆叠（如 Pixel + Logic 堆叠）、AI 加速 ISP 集成等方向发展，用于支持 8K 视频、AI 场景识别、多摄协同等高级功能。

特别是近年来，国内多家企业通过技术突破，逐步实现65nm CIS芯片的国产化，打破国际垄断，推动国产CIS向高端市场迈进。

八、写在最后面的话

65nm BSI - CIS 图像传感器是采用 65 纳米制程、背照式结构的 CMOS 图像传感器，具有高感光、低噪声、高集成度与良好性价比等特点，广泛应用于智能手机、安防、汽车、工业与消费电子等领域。

虽然目前 CIS 制程工艺不断向更小节点发展，如 40nm、28nm 甚至更先进制程，但 65nm BSI - CIS 仍在一些对成本、性能和工艺成熟度有特定要求的市场中具有竞争力。未来，随着技术的不断进步，65nm BSI - CIS 可能会在现有基础上进一步优化性能，降低成本，拓展应用范围。同时，与其他技术的融合，如与人工智能、物联网等技术的结合，也将为其带来新的发展机遇。