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内容

一份简报解密台积电14年来採用体硅晶圆的 BSI背照式技术发展路线

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台湾积体电路制造公司(TSMC)在背照式图像传感器(Backside Illumination, BSI)技术的研发与应用方面取得了引人瞩目的发展。与传统的正面照射式图像传感器(Frontside Illumination, FSI)相比,BSI技术具有光路更短、量子效率更高、色差串扰更低等优势,非常适合搭配像素尺寸小于1.4微米的高分辨率图像传感器,可以实现更高的光敏感度。

但早在2009年台积电一份技术简报中,就详细的说明了公司在背照式图像传感器的相关工艺,从现在看来,当年这份资料可谓难能可贵,且印证了台积电后续的发展。

專業技术

BSI技术需要非常复杂的工艺步骤。首先需要对传感器晶圆进行化学机械抛光,使表面达到平坦化,以利于后续的晶圆对位。晶圆对位是BSI工艺的重要步骤,必须确保无气泡产生。TSMC通过不断优化晶圆接合机参数设置、设计气泡监测方法学、降低晶圆接合界面颗粒等措施,成功实现了高效可靠的无气泡晶圆对位。彩滤光片与微透镜的设计也需要精心优化,例如使用不同的绿色滤光片材料来调整吸收峰值,以提高量子效率并减少绿光与蓝光之间的色差串扰;使用灰度刮光模板来提高微透镜的聚焦能力。

在晶圆薄化方面,TSMC使用湿法蚀刻的非SOI工艺方案,通过反馈控制系统,使晶圆厚度均匀度可控制在+/-0.1微米之内,避免因厚度不均导致的量子效率损失。背面离子注入激活需要脉冲激光退火技术,TSMC通过精确控制激光能量,使表面粗糙度降低,硅激活均匀度小于1.5%。这样既可实现低电阻率,又避免了热损伤风险。

为验证BSI技术的制造能力,TSMC在减少缺陷、改善工具清洁、优化工艺监控等方面下了大功夫。BSI工艺的循环时间由最初的4.2天大幅降低到1.2天,各项工艺指标的统计过程控制效果也很理想。与FSI比较,1.75微米BSI像素的量子效率提升了40-60%,串扰降低了30-80%,证明BSI在光电转换效率与低串扰方面具有明显优势。

BSI技术的封装也十分关键。TSMC采用晶圆级封装方案,实现了BSI结构的芯片尺寸封装,不仅可以降低应力,还考虑与TSV技术集成,进一步缩小封装体积。此外,未来还将结合晶圆级镜头技术,实现更紧凑的摄像头模块。

当年这篇技术文件完整展示了TSMC在BSI图像传感器关键工艺、量子效率提升、串扰降低、制造能力以及封装技术集成等方面的卓越技术实力。TSMC不仅在1.75微米和1.4微米BSI结构上实现量产,在更小像素尺寸的BSI技术开发上也获得良好进展,为未来超高分辨率图像传感器的发展奠定了基础。随着消费类电子产品对更高像素和更强光学性能的需求日益增加,TSMC在BSI技术方面的投入必将使其在图像传感器市场上保持强大竞争优势。

BSI技术

  • 通过使用体硅晶圆以及通过前馈系统进行严格的 Si THK 控制,实现具有成本效益的薄化方法
  • 通过引入边缘修整工具实现稳健的晶圆边缘完整性
  • 无气泡粘合配方和设置
  • 成功引入激光退火用于背面注入激活和晶体缺陷消除
  • 实现黑色电平参考的背面金属屏蔽
  • 背面硅表面光滑,最大限度地减少其对图像质量的影响(例如条纹图案等)

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