台灣積體電路製造公司(TSMC)在背照式影像感測器(Backside Illumination, BSI)技術的研發與應用方面取得了令人矚目的發展。與傳統的正面照射式影像感測器(Frontside Illumination, FSI)相比,BSI技術具有光路更短、量子效率更高、色差串扰更低等優勢,非常適合搭配像素尺寸小於1.4微米的高解析度影像感測器,可以實現更高的光敏感度。
但早在2009年台積電一份技術簡報中，就詳細的說明了公司在背照式影像感測器的相關製程工藝，從現在看來，當年這份資料可謂難能可貴，且印證了台積電後續的發展。
BSI技術需要非常複雜的製程步驟。首先需要對感測器晶圓進行化學機械研磨,使表面達到平坦化,以利於後續的晶圓對位。晶圓對位是BSI製程的重要步驟,必須確保無氣泡產生。TSMC通過不斷優化晶圓接合機参数設置、設計氣泡監測方法學、降低晶圓接合界面顆粒等措施,成功實現了高效可靠的無氣泡晶圓對位。色濾光片與微透鏡的設計也需要精心優化,例如使用不同的綠色濾光片材料來調整吸收峰值,以提高量子效率並減少綠光與藍光之間的色差串扰;使用灰度刮光模板來提高微透鏡的聚焦能力。
在晶圓薄化方面,TSMC使用溼法蝕刻的非SOI工藝方案,通過反饋控制系統,使晶圓厚度均勻度可控制在+/-0.1微米之內,避免因厚度不均導致的量子效率損失。背面離子注入激活需要脈衝激光退火技術,TSMC通過精確控制激光能量,使表面粗糙度降低,矽ACTIVATION均勻度小於1.5%。這樣既可實現低電阻率,又避免了熱損傷風險。
為驗證BSI技術的製造能力,TSMC在減少缺陷、改善工具清潔、優化製程監控等方面下了大功夫。BSI製程的循環時間由最初的4.2天大幅降低到1.2天,各項製程指標的統計流程控制效果也很理想。與FSI比較,1.75微米BSI像素的量子效率提升了40-60%,串扰降低了30-80%,證明BSI在光電轉換效率與低串扰方面具有明顯優勢。
BSI技術的封裝也十分關鍵。TSMC採用晶圓級封裝方案,實現了BSI結構的芯片尺寸封裝,不僅可以降低應力,還考慮與TSV技術整合,進一步縮小封裝體積。此外,未來還將結合晶圓級透鏡技術,實現更緊湊的摄像頭模組。
當年這篇技術文件完整展示了TSMC在BSI影像感測器關鍵製程、量子效率提升、串扰降低、製造能力以及封裝技術整合等方面的卓越技術實力。TSMC不僅在1.75微米和1.4微米BSI結構上實現量產,在更小像素尺寸的BSI技術開發上也獲得良好進展,為未來超高解析度影像感測器的發展奠定了基礎。隨著消費類電子產品對更高像素和更強光學性能的需求日益增加,TSMC在BSI技術方面的投入必將使其在影像感測器市場上保持強大競爭優勢。
