過去30年中，聚光技術和半導體制造工藝的創新對圖像傳感器像素技術產生了重大影響。例如，最初便攜式攝像機采用的圖像傳感器為25微米像素，而如今，手機相機中傳感器的像素尺寸只有1.4微米。目前，市場對像素尺寸的需求小至1.1微米，即使存在一些相關制造挑戰，圖像傳感器制造商也能夠提供更高的成像性能。

標準IC制造工藝和成像專用工藝在不斷進步，促進了采用前面照度（FSI）技術的圖像傳感器的開發。在這種技術中，如同人眼鷹一樣，光落在IC的前面，然后通過讀取電路和互連，最后被匯聚到光電檢測器中。FSI為目前圖像傳感器所采用的主流技術，具有已獲證實的大批量生產能力、高可靠性和高良率以及頗具吸引力的性價比等優勢，大大推動了其在手機、筆記本電腦、數碼攝像機和數碼相機等眾多領域的應用。這些優勢，再加上高性能特性，使得這種技術具有獨特的成本、性能和價值定位，未來應用有望進一步擴展。

不過，由于光波長不變，像素不斷縮小，FSI技術存在其物理局限性。為了解決這個問題，最近推出的一些新技術從背面對傳感器進行照明，即采用背面照度技術（BSI），從而有效去除了光路徑上的讀取電路和互連。BSI技術擁有得到更高量子效率（QE）的潛在優勢，前景十分誘人。但同時也帶來了更高成本、更大串擾和制造挑戰等問題，這意味著只要FSI圖像傳感器還能夠滿足當前市場的性能要求，推遲向BSI的過渡也許是有利的。如今，BSI技術僅僅開始用于制造對傳感器成本提高并不是特別敏感的高端消費類相機等產品。

FSI技術概述

傳統上，圖像傳感器按照制造流程而設計。因此，對最終器件而言，光是從前面的金屬控制線之間進入，然后再聚焦在光電檢測器上。一直以來，對于較大的像素，FSI都十分有效，因為像素堆疊（pixel stack）高度與像素面積之比很大，致使像素的孔徑也很大。日益縮小的像素需要一系列像素技術創新來解決前面照度技術在材料和制造方面的局限性。比如，FSI已經采取眾多創新技術和工藝改進，如形狀優化微透鏡、色彩優化濾光、凹式像素陣列、光導管和防反射涂層等技術，以優化FSI像素的光路徑。

進入FSI像素的光最初被帶有防反射涂層的微透鏡（microlen）聚焦，該微透鏡也作為孔徑使用。在手機中，微透鏡的設計必需能夠滿足鏡頭質量和更大主光角（chief ray angle）要求。光通過微透鏡，匯聚在針對微光響應和信噪比（SNR）優化而設計、具有最佳密度和厚度的彩色濾光器上，確保被完全分離為三原色分量。微透鏡的曲率和厚度必須精心選擇，以使色彩濾波器傳輸的光盡可能多地為光導管所接收。

雖然光導管是設計用于聚集從微透鏡發出的光，并使其以窄光束形式通過互連金屬和隔離堆疊，但它仍然能夠有效縮短光堆疊高度（見圖1中心的示意圖），使平行光束被導入光電二極管區域（圖2）。

光導管必須匯聚由孔徑確定的光錐和主光角（CRA）范圍內的任何光線。更先進的半導體制造工藝采用更小的特征尺寸，并從鋁工藝轉向銅工藝，能夠提供更窄的金屬寬度，實現更寬的光導管。結合這些改進，像素陣列可以是凹式，把像素陣列之上的堆疊高度降至僅兩個金屬層的厚度。

一旦光導管把光子傳送到硅片表面，光電二極管開始工作。鑒于硅片的光吸收特性，光電二極管的區域應該延伸至幾個微米的深度。在設計光電檢測器時，可把耗盡深度（depletion depth）延伸入硅晶圓，使光子收集與保存的空間分辨率最大化（見圖1最右邊的示意圖）。其關鍵在于盡量增大相鄰光電二極管之間的隔離，并形成一個深結（deep junction），以消除較大波長光子產生的、沒有在光電二極管中被吸收的任何光電荷。

FSI的優點

先進的FSI像素采用設計優化光導管，可降低串擾。這些光導管還能夠增大入射光的接收角，從而允許相機采用主光角更大的鏡頭，并為相機模塊設計提供更大的靈活性，比如模塊高度可以更小。

在 1.4 微米像素下對BSI和FSI技術進行比較可看出，FSI 能以更低的成本獲得同等的性能。這種成本優勢可能源于其需要更少的工藝步驟，以及因其制造工藝更成熟而獲得的更高良率。考慮到 FSI串擾更小，BSI的QE更高，兩者的成像性能和信噪比（SNR）基本相等或接近。

最近，圖像傳感器公司Aptina Imaging Corporation開發出Aptina A-Pix FSI 技術，采用新的寬型光導管、更先進的微透鏡和光學層，以及深度光電二極管，提升了FSI技術的能力。利用65nm 像素設計規則的先進半導體制造工藝，可以實現更寬的金屬開口，從而能夠在像素中插入更大的光導管，使更多的光子通過互連層，并在深度光電二極管中有效捕捉這些光子。這些改進實現了最先進的1.4微米像素，可獲得50“60%的QE，而串擾為5”15%。這種高QE接近BSI的QE，然而FSI的串擾一般更小，凈總體圖像質量堪比1.4微米像素。上述改進就可以實現高性能的1.4微米像素商用圖像傳感器，無需從FSI轉向BSI（見圖4）。

雖然需要1.1微米像素傳感器的未來應用預計將采用BSI技術，但是FSI 也有望促進下一代產品的發展。FSI非常適合于需要“更大”像素的應用，在這些應用中，微光和總體成像性能比更高的分辨率更重要。視頻類應用，特別是高清（HD）視頻，將推動HD分辨率下性能的提高。對于高質量HD 視頻應用，采用FSI技術的1.4微米、1.75微米或更大的像素預計還將在市場持續很長一段時間。

FSI的缺點

從一開始，FSI就面臨著使入射光通過硅片金屬層到達光電檢測器的挑戰。要加大孔徑，以提高光聚集度，可采用共享元件來設計像素，以盡量減少光電二極管上的電路。這種方法在提高QE的同時，也帶來了不對稱性，其后必須予以補償。此外，這些孔徑又產生衍射效應，而且更大的像素堆疊高度使得串擾抑制變得更為困難。雖然光導管可以減輕這些效應，但光導管本身也存在損耗。

像素從1.4微米縮小到1.1微米，有關光導管的設計挑戰大幅度增加。隨著像素的不斷縮小，即使采用光導管，衍射效應也會妨礙光的接收。此外，FSI無法利用所有可用金屬互連層來進行片上處理，在1.1微米像素下，這個缺陷可能更為突出。

BSI技術概述

采用BSI構建像素，光線無需穿過金屬互連層（見圖3）。然而，這仍然對光路徑帶來一些限制，幸運的是，促使FSI技術不斷改進的許多知識和技術進步可以直接應用于BSI技術，從而為提高 BSI 性能打下了堅實的基礎。

BSI技術的第一步是匯聚進入光電二極管光學區域的入射光，其光學要求與FSI相同，不過現在微透鏡的位置更接近光電二極管，需要淀積更厚的微透鏡材料層，以獲得更短的焦距。與由互連層創建的自然孔徑的FSI技術不同，BSI需要最大限度地減小串擾，因而必需通過在光電二極管上淀積金屬柵格（metal grid）來增加一個孔徑。

由于BSI晶圓是翻轉（inverted）的，故入射光首先會入射到光電二極管附近的硅體材料。這時，由于漫射到鄰近像素或在背面界面的漫射與重新匯合，光線會形成串擾而產生損耗。藍光尤其容易發生這種現象，導致藍色QE減小，而串擾增加。可喜的是，通過利用先進的背面處理和更深的光電二極管來捕獲藍光，可以解決這些問題。

BSI的優點

BSI的主要優勢是能夠使電氣組件與光線分離，使光路徑能夠被獨立地優化，反之亦然。而且，這無需在金屬層或光導管中創建一個孔徑，從而消除了入射光的損耗機理。其最終結果是BSI能夠獲得更高的QE。

BSI圖像傳感器超越傳統FSI器件的另一個主要優勢是像素的光堆疊高度更低。但應當注意的是，相比具有光導管的FSI架構，這一優勢并不明顯，這是因為對于后者，由于光線在互連堆疊的頂部聚集，并由光導管限制和導引到光電檢測器表面，有效光堆疊高度也會減小。

對于1.4微米BSI像素，QE范圍通常為50“60%，而串擾范圍為15”20%。在1.4微米下，BSI的高QE結合略微受影響的串擾，帶來可與1.4微米FSI像素相媲美的總體圖像質量。應該注意的是，1.4微米BSI技術雖然剛剛進入市場，但正如以往的像素技術一樣，其性能預計也將逐漸提升。今天，1.1微米BSI像素尚處于早期開發階段，不過一旦它們能夠投入生產，預計QE將達到50“60%，串擾為10”30%。屆時這些1.1微米BSI像素將會勝過1.1微米FSI像素，因為FSI像素在縮小至1.1微米時存在制造難題。

BSI的缺點

BSI器件架構本身帶來了串擾挑戰，導致無法精確地收集光子，因而減低了色彩修正矩陣的性能，并引起SNR下降。BSI還需要額外的晶圓粘片和減薄（mounting and thinning） 、背面處理對準（alignment for backside processing）以及背面界面鈍化（passivation）對準等制造處理工藝，所有這些工藝都會增加成本和容差。此外，以往在前面（front side）進行的CFA和微透鏡處理，現在必須在背面進行。這時，由于晶圓翹曲以及材料背面上結構對準存在的挑戰，對準變得更加困難。

BSI的相關成本較高，導致某些BSI傳感器制造商瞄準成本較不敏感的高端相機應用，業界權威人士承認BSI技術的平均銷售價格較高。影響成本的因素還有成本較高、更先進的工藝技術等等。

BSI的另一個缺點是需要背面鈍化，相比前表面處理，背面處理比較麻煩，從而使處理工藝選項非常有限。此外，晶圓的前表面已有載具晶圓鍵合（carrier wafer bond）和金屬化，這也限制了處理工藝選項。因而，鈍化層需要淀積而不是生長在背表面上。而且，鈍化層中的缺陷將會影響背表面的缺陷，導致更高的喑電流和更大的熱像素缺陷可能性。

創建BSI圖像傳感器還需要新工藝的開發，而且新技術走向成熟和良率提升需要一定的時間，大多數圖像傳感器銷售商都正在投資BSI工藝開發，克服這些障礙只是時間問題。

結論

市場對于完美像素的需要正在推動圖像傳感器企業每年花費數億美元進行研發。至今為止，大多數像素研發的受益者都是FSI技術，它能夠以高性價比的方式將像素縮減至1.4微米，同時每年均可提升給定像素尺寸的性能。

FSI技術擁有非常有吸引力的性能、成本和價值定位，是如今圖像傳感器使用的主流技術，它有助于推動相機在手機、筆記本電腦、數字視頻和數碼相機以及無數其它領域的使用。盡管業界發展趨勢是更高的分辨率和更小的像素尺寸，但需要“較大”像素和出色的弱光圖像質量的應用仍在不斷增多，FSI尤其適合于需要“較大”像素的應用，在這些應用中，弱光和總體成像性能是至關重要的考慮。象數碼相機和視頻攝像機、手機相機、PC和監控設備中的HD視頻等應用將需要由較大像素尺寸（如1.4和1.75微米像素）實現出色的圖像質量，這些較大的像素更傾向于FSI解決方案，如Aptina A-Pix FSI技術。而且，鑒于BSI的成本較高，在這些較大像素應用中，高性能、高性價比的FSI傳感器將挑戰BSI技術降低價位的能力。

近年來，由于FSI技術的未來發展局限性已經變得十分明顯，業界已將某些研發轉向BSI技術。BSI技術現在已經用于高端相機中，同時，它的性能將會繼續提升，不久將在主流大批量應用中得到廣泛使用，尤其是那些需要1.1微米及以下尺寸的應用。

未來，由于市場對不同應用需求的分化，有理由相信FSI和BSI技術將會共存。FSI圖像傳感器技術的提升將滿足對于出色圖像和視頻性能的不斷增長的需求。同時，BSI技術的進步將支持極小像素尺寸，以驅動體積更小的高分辨率相機的應用。