CMOS影像感測器五大主流製程技術

作者 : In-Chul Jeong,SK Hynix

如何才能確保CIS技術滿足更高階應用需求?本文先簡單介紹CIS技術的運作原理,再重點探討CIS特有之五種仍需要持續演進的製程技術。

CMOS影像感測器(CIS)技術的創新不斷拓展數位成像的發展前景,其需求最初由智慧型手機廠商推動,因為強化的照相功能可以為他們的裝置在市場競爭中帶來差異化。而現在,CIS在汽車、安全、醫療和製造等應用領域的市場版圖也在不斷擴張。

微型CMOS影像感測器的功能可媲美人眼視網膜,如今更可以與昂貴的大型攝影設備競爭;而相較於智慧型手機,新應用更著重對先進CIS技術的需求。因此CIS技術不僅可擷取人眼能看到的影像,還可以取得支援許多新應用案例的資料,從自動駕駛車輛、虛擬實境(VR),到下一代醫學影像與高科技保全監視系統。

 

圖1:市場對先進CIS技術的需求來自各種應用。

(圖片來源:SK Hynix)

 

那麼,如何才能確保CIS技術滿足更高階應用需求?首先,讓我們先簡單了解CIS技術的運作原理,再重點探討CIS特有之五種仍需要持續演進的製程技術。

CIS運作原理

基本上CIS技術是用來將攝影機鏡頭的光轉換為數位資料,以創建可見的影像。當波長範圍為400至700nm的可見光能量被聚集在矽基板的光電二極體(photodiode,PD)時,CMOS影像感測器的矽表面會接收光能能量,形成電子-電洞對(electron-hole pair)。

在此過程中生成的電子透過浮動擴散(floating diffusion,FD)轉換為電壓,再透過類比數位轉換器(ADC)轉換為數位資料。最後,資料被傳送到處理器創建數位描述,通常為可見影像。

CIS製造技術

生產這類精密的感測器需要特定製造技術,通常分為五類:

  1. 深光電二極體成形(deep PD formation)製程技術

消費者對影像品質不斷提出更高要求,讓各家業者競相提高行動應用CIS的像素密度和解析度,這進一步加速了CIS製程技術的發展。為實現更高影像品質,像素尺寸需要進一步縮小,以便在相同大小的晶片上容納更多的像素。

 

圖2:此圖顯示了光電二極體結構變化以及像素尺寸不斷縮小的趨勢。

(圖片來源:SK Hynix)

 

為了避免影像品質下降,深光電二極體扮演了關鍵角色。為了確保小像素中擁有足夠的電位井容量(full well capacity,FWC),其圖形化與實作技術難度水準遠超過現有的半導體記憶體元件。為此,確保超過15:1的高深寬比(aspect ratio)植入光罩製程技術(implant mask process)非常重要,以阻擋高能離子植入;這與業界朝更高深寬比發展的趨勢一致。

  1. 像素-像素隔離製程技術

對高解析度CIS來說,像素間的隔離技術至關重要。晶片製造商各自擁有不同的隔離技術,若使用的隔離技術不佳,就可能導致混色(color mixing)和散色(color spreading)等影像缺陷。當越來越高的像素密度和解析度成為普遍需求,隔離就成為CIS市場上判斷影像品質的重要標準。除此之外,隔離製程還有一些其他問題,因此業界正在努力選擇更好的設備,並開發新的解決方案以提高良率和產品品質。

  1. 彩色濾光片陣列製程技術

彩色濾光片陣列(color filter array,CFA)是CIS領域獨有的製程技術,在半導體記憶體製程中並不常見。CFA製程通常包括一片彩色濾光片和一個微透鏡(microlens,ML),濾光片將入射光根據各自波長範圍過濾為紅色、綠色和藍色,微透鏡則用以提高聚光效率。為了獲得穩定的影像品質,需要評估R/G/B彩色材料,並研究出可以最佳化形狀和厚度等參數的技術。最近市面上有一系列高品質、功能強大的CIS產品,是以Quad Bayer濾鏡等技術為基礎,輔以CFA的基本形式。

 

圖3:彩色濾光片陣列由彩色濾光片和微透鏡組成。

(圖片來源:SK Hynix)

 

  1. 晶圓堆疊製程技術

晶圓堆疊──顧名思義,即是將兩片晶圓接合──是生產高像素、高解析度CIS產品的一項重要技術。對於高像素CIS產品,像素陣列和邏輯電路分別在單片晶圓上形成,然後在製程中以晶圓鍵合(wafer bonding)技術將之結合。大多數CIS製造商都採用了晶圓堆疊技術,該技術仍在從不同面向持續演進。

圖4:晶圓堆疊顯著提高了CIS的性能。

(圖片來源:SK Hynix)

 

  1. CIS良率和品質控制技術

CIS產品開發和量產過程中最基本的要求之一,是對金屬污染物的控制。由於CIS產品對污染的敏感度是記憶體產品的好幾倍,而且污染會直接影響產品良率與品質,因此必須採用各種污染控制技術。除此之外,電漿損壞(plasma damage)控制也很重要;由於在製程中造成的損壞會導致影像性能下降──如熱噪點(hot pixels)──對關鍵製程的精確管理不可或缺。

CIS未來發展

若說由CIS驅動之應用的有效與否取決於製程技術,一點也不誇大。而且各種製程之間的交互作用也扮演要角。只最佳化製造過程中的某一個方面是不夠的,各個製程必須全面性最佳化才能實現有機互補。

不過可得到的報酬是龐大的。從製造業、醫療保健到保全監控等等幾乎每一種應用領域都可受惠於新一代的CIS技術,而藉由取得對這個世界更豐富詳盡的「視力」,各種產業都能打造更智慧、精密的產品和服務,造福端客戶與整個社會。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌簡體中文版2021年3月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:CMOS image sensors 5 major process techniques,By In-Chul Jeong ;本文作者為SK Hynix CIS製程團隊負責人)

 

 

 

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