为何CIS技术更青睐背照式方案（BSI）？

为何CIS技术更青睐背照式方案（BSI）？

CMOS图像传感器（CIS）是将光信号转换为电信号的关键组件，广泛应用于智能手机、平板电脑等移动设备。随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和自动驾驶等技术的发展，CIS技术的重要性日益凸显。本文将探讨CIS技术中前照式（FSI）和背照式（BSI）方案的差异及其应用。

1. 前照式（FSI）技术及其局限性

早期的CIS产品采用前照式（FSI）结构，即将光学结构置于基于CMOS工艺的电路上。这种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。

图1. 前照式（FSI）结构和单位像素示意图

高性能的图像传感器需要在弱光条件下呈现出明亮清晰的图像，这需要提高像素的量子效率（QE）。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。

图2. 量子效率（QE）方程式和前照式（FSI）结构图

然而，当光线穿过光圈或物体周围时，会发生衍射现象。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。

2. 基于BSI的像素技术的出现

2011年，苹果iPhone 4手机配备了首个应用BSI技术的CIS产品。BSI技术通过翻转晶圆来利用其背面，以此消除金属干扰。这种技术可以提高量子效率，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。

图4. 背照式（BSI）工艺流程图

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。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，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。

图6. 传统的背照式（BSI）结构和作为附加像素分割结构的背侧深沟槽隔离（BDTI）工艺

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。

图7. W型栅格结构和空气栅格结构

3. 总结

从前照式到背照式，看似只是内部器件顺序上的简单调整，其实更是工艺水平的革新。通过将像元置于金属层之上，意味着承载像元的基板要非常薄，约是前照式像元的1/100。依赖工艺的革新，背照式像元最终才得以实现（可以想见，背照式像元生产成本也相对较高）。