[科普中國]-背照式

背照式一詞源于數(shù)碼相機(jī)技術(shù)，所謂背照式CMOS就是將它掉轉(zhuǎn)方向，讓光線首先進(jìn)入感光二極管，與起先的感光二極管位于電路晶體管后方的位置相反，從而增大感光量，顯著提高低光照條件下的拍攝效果。

定義在傳統(tǒng)CMOS感光元件中，感光二極管位于電路晶體管后方，進(jìn)光量會因遮擋受到影響。索尼的背照式CMOS傳感器商品名稱為Exmor R，首先在DV攝像機(jī)中得到應(yīng)用。

Exmor R CMOS背面照明技術(shù)感光元件，改善了傳統(tǒng)CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采用了和普通方法相反、向沒有布線層的一面照射光線的背面照射技術(shù)，由于不受金屬線路和晶體管的阻礙，開口率（光電轉(zhuǎn)換部分在一個像素中所占的面積比例）可提高至近100%。與其以往1.75μm間隔的表面照射產(chǎn)品相比，背面照射產(chǎn)品在靈敏度（S/N）上具有很大優(yōu)勢。

優(yōu)勢傳統(tǒng)的CMOS傳感器每個像素點(diǎn)都要搭配一個對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器以及對應(yīng)的放大電路，因此，這部分電路會占用更多的像素面積，直接導(dǎo)致光電二極管實(shí)際感光的面積變小，感光能力變?nèi)?。CCD的單個像素點(diǎn)不需要A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路，光電二極管能獲得更大的實(shí)際感光面積，開口率更大，因此在小尺寸影像傳感器領(lǐng)域，CCD仍占據(jù)一定優(yōu)勢，而在大尺寸影像傳感器領(lǐng)域，由于單個像素點(diǎn)的面積大，A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路占用的面積只是整個像素的很小一部分，影響不大，因此CMOS傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用。 而Exmor R CMOS將光電二極管“放置”在了影像傳感器芯片的最上層，把A/D轉(zhuǎn)換器及放大電路挪到了影像傳感器芯片的“背面”，而不是像傳統(tǒng)CMOS傳感器一樣，A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管的上層，“擋住了”一部分光線。這樣一來，通過微透鏡和色彩濾鏡進(jìn)來的光線就可以最大限度地被光電二極管利用，開口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像傳感器，也能獲得優(yōu)良的高感光度能力。

相比較之下，傳統(tǒng)的表面照射型CMOS傳感器的光電二極管位于整個芯片的最下層，而A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路位于光電二極管上層，因此光電二極管離透鏡的距離更遠(yuǎn)，光線更容易損失。同時，這些線路連接層還會阻塞從色彩濾鏡到達(dá)光電二極管的光路，因此直接導(dǎo)致實(shí)際能夠感光更少。而Exmor R背照式CMOS傳感器解決了這樣的問題。

相關(guān)研究隨著CMOS工藝水平的提高與諸多技術(shù)瓶頸的解決，CMOS圖像傳感器憑借低功耗、低成本、小體積、可隨機(jī)讀取等一系列優(yōu)點(diǎn)，在平板電腦、智能手機(jī)等智能終端實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。其中，背照式圖像傳感器正是幫助CMOS圖像傳感器實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的主要力量。背照式圖像傳感器不僅消除了早期CMOS傳感器噪聲較大的問題，且大幅改善了像素單元感光能力的先天不足，使得背照式像素成為CMOS圖像傳感器的主流。但隨著工藝尺寸與像素尺寸縮小，背照式CIS的發(fā)展遇到了新的問題。本課題即從優(yōu)化像素結(jié)構(gòu)的角度，針對背照式CIS亟待解決的滿阱容量不足及嚴(yán)重的電學(xué)串?dāng)_問題進(jìn)行研究，使其從基礎(chǔ)上突破CIS的技術(shù)瓶頸。為改善小尺寸背照式CMOS圖像傳感器像素滿阱容量不足的缺點(diǎn)，本文基于提高光電二極管電容的角度，提出了一種通過改變光電二極管結(jié)構(gòu)來提升滿阱容量的新方法。在新結(jié)構(gòu)中，光生電子被存儲在傳統(tǒng)N埋層與延展的N埋層中，并由一個沿縱向插入的P型層幫助增加的電子實(shí)現(xiàn)全耗盡，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)阱容量的有效擴(kuò)展1。

為改善背照式像素電學(xué)串?dāng)_問題,建立了小尺寸背面照射像素間的串?dāng)_物理模型,提出了一種應(yīng)用于背照式像素的防串?dāng)_結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)基于正面照射像素隔離原理,在相鄰像素間器件層背面插入溝槽隔離區(qū)域。仿真結(jié)果顯示,短波串?dāng)_構(gòu)成了背照式像素中最為嚴(yán)重的串?dāng)_源;相鄰像素經(jīng)該結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,可有效隔離背表面中短波串?dāng)_電荷;當(dāng)溝槽深為3μm時,相鄰像素串?dāng)_量可由32.73%降至8.76%;當(dāng)溝槽深為4μm時,相鄰像素可實(shí)現(xiàn)電學(xué)串?dāng)_的完全抑制。此外,量子效率也會因該結(jié)構(gòu)的使用而得到相應(yīng)改善2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所