使用Macondo软件仿真FSI 和BSI CMOS图像传感器（CIS）光学特性

GMPT, 2024/07/24

摘要： CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor） ,简称CIS，是一种采用CMOS 工艺，利用光电技术原理所制造的图像传感元件。它能够将通过镜头捕捉到光的颜色与明暗信息转换为电信号，并将这些信号传递给处理单元进行分析和解读。因其低功耗、高帧率、低成本和易于集成的特点，广泛地应用于数码相机、手机摄像头和视频监控等设备。近年来，随着虚拟现实(VR)、增强现实(AR) 、自动驾驶的兴起，CIS 器件的应用将不仅仅局限于成为设备的“眼睛”，还将在此基础上实现更多突破和发展，为智能设备的未来带来更多可能性。
   FSI（Front side illumination） 与BSI（Back side illumination）中的正侧与背侧指的是光从硅基底的哪个面入射进入光电二极管区域，对应的是半导体制成工艺的front-end-of-line (FEOL) 和back end of line (BEOL)，即半导体加工后段制程的金属连接布线。图1 展示了BSI 的工艺流程，在金属连接布线后，通过晶圆翻转倒置的方式，消除FSI 中金属互连线造成的干扰，使得光通过的空间更大，从而可提高量子效率。

图1. BSI-CIS 器件的工艺流程

  本文基于Macondo软件FDTD Solutions仿真对比FSI 与BSI 结构CIS 的光学特性，并展示软件的仿真结果。

一、器件结构介绍

  本文中CIS 器件中涉及的光学结构包括：

• 微透镜阵列（Microlens Array） 置于CIS 像素表面，微透镜阵列实现光的高效聚集与方向调整，促进光线更有效地抵达光电二极管单元。
• 颜色滤镜阵列（Color Filter Array, CFA） 选择拜耳滤色阵列，通过过滤特定波长的光，使得每个像素只检测到红、绿、蓝滤镜对应颜色的光。
• 钝化层（Passivation Layer） 是一层绝缘材料，用于保护下层的结构并作为后续层的支撑。
• 金属互连线（Metal Interconnects） 作用是连接到CIS 芯片的不同部分，并提供时钟信号。
• 防反射涂层（Anti-Reflective Coating, AR Coating） 是一层SiN 材料薄膜，用来减少从硅表面反射回来的光，从而提高进入光电二极管的光功率。
• 光电二极管（Photodiode, PD） 是CIS的核心部分，利用光电效应，将撞击到硅基底的光子的光信号转换为电信号。

  图2 是FSI 和BSI CIS 器件的结构示意图，可以看到BSI 像素中金属互联结构与硅基底被倒置，金属互连线将不再影响光的传输路径，同时减少了光路，提升了光接收平面位置，这些改进大大提高了光的收集效率，减少了光在到达光电二极管之前的损失，从而显著提高了CIS 的光效率。

图2. BSI-CIS 器件的工艺流程

二、器件光学特性指标

2.1 光效率

  光学效率（Optical Efficiency, OE） 被定义为入射光到预期像素被该像素光电二极管吸收的光功率的比例，公式为： $$\text{ Optical efficiency }(\mathrm{O}\mathrm{E})=\frac{\text{ Absorbed power }}{\text{ Source power }}\backslash text\; \{\; Optical\; efficiency\; \}(\backslash mathrm\{OE\})=\backslash frac\{\backslash text\; \{\; Absorbed\; power\; \}\}\{\backslash text\; \{\; Source\; power\; \}\}$$
  光效率是衡量图像传感器光学性能的重要指标之一，较高的光效率意味着更多的光能被有效转换为电能，从而提高了传感器的灵敏度和信噪比。

2.2 串扰（光串扰、光谱串扰）

  光串扰（Optaical Crosstalk, OX） 定义为入射光到某个像素的相邻像素被该像素光电二极管吸收的光功率比。光串扰的程度反映了像素间隔离的效率，是评估图像传感器光学性能的另一个关键指标。如图3 所示，绿光入射经过绿色滤镜后，入射光子被相邻的红色像素的光电二极管吸收，因此，绿光对相邻红色像素产生的光串扰效应，具体体现为相邻红色像素中的光电二极管所吸收的光功率，与入射绿光功率的比率。
  光谱串扰（Spectral Crosstalk） 是颜色滤镜的固有属性，可以定义为特定颜色滤镜被其他颜色的光透过的功率比。例如，绿光入射相邻红色像素的滤镜后，透射功率与输入功率的比。

图3. 图像传感器中的光电串扰原理说明

   图3 中，电串扰（Electrical Crosstalk） 由光产生的一些载流子（电子或空穴）扩散到邻近的电荷积累点造成的影响，电串扰的仿真需要结合TCAD 仿真工具进行计算，将在后续仿真中展示。
  接下来，介绍使用Macondo 软件FDTD 3D 求解器对CIS器件进行仿真模拟。

三、器件仿真设置

3.1 器件材料与尺寸

  图4 是本文中FSI 和 BSI 结构CIS 的器件三维结构。

图4. FSI 和 BSI 结构CIS 的器件三维结构

  表1 记录了CIS 器件的各结构层的厚度和在550nm（绿色） 波长下材料折射率。

表1. FSI 和 BSI 结构CIS 的器件结构层

  为准确仿真CIS 光学特性，建立三维器件结构，其中微透镜和颜色滤镜使用表面为曲面的几何体 构建。表面的曲面方程使用圆锥项与多项式的组合，公式如下：

$$S=S_{\text{conic }}+S_{\text{polymomial }}=\frac{\frac{1}{R}{u}^2{v}^2}{1+\sqrt{1-(\kappa +1)c^2{u}^2{v}^2}}+\sum _{i,j=0}^5{M}_{ij}{u}^i{v}^{j}S=S\_\{\backslash text\; \{conic\; \}\}+S\_\{\backslash text\; \{polymomial\; \}\}=\backslash frac\{\backslash frac\{1\}\{R\}\; u^\{2\}\; v^\{2\}\}\{1+\backslash sqrt\{1-(\backslash kappa+1)\; c^\{2\}\; u^\{2\}\; v^\{2\}\}\}+\backslash sum\_\{i,\; j=0\}^\{5\}\; M\_\{i\; j\}\; u^\{i\}\; v^\{j\}$$

  其中，对于圆锥项 $\kappa \backslash kappa$ 是圆锥常数，$\kappa =-1\backslash kappa=-1$ 表示抛物面，$RR$ 是 $u=v=0u=v=0$ 处的曲率半径；对于多项式$M_{ij}M\_\{i\; j\}$ 是多项式系数。
  本文中微透镜和颜色滤镜的曲面方程系数记录在表2中：

表2. 微透镜和颜色滤镜的曲面方程系数

3.2 仿真设置

  本仿真中选择一组拜耳滤色阵列（红绿蓝绿）的像素为仿真对象，使用0.55μm（绿色）波长的平面波光源，垂直入射器件，垂直方向采用PML边界条件，其他方向采用周期性边界条件表示器件的周期性结构的光学特性。

四、器件仿真结果

4.1 光场分布

  图5 为FSI 和 BSI结构截面的光场功率分布，入射550nm（绿色）波长的光，光主要通过绿的滤光镜，然后从硅基底表面开始，逐渐被吸收。

图5. FSI 和 BSI结构截面的光场功率分布（XZ截面和YZ截面）(a-b)FSI Red-Green/ Green-Bule (c-d) BSI Red-Green/ Green-Bule

4.2 光效率与光串扰

  在光电二极管耗尽区，光电二极管所产生的电荷被强电场作用并产生光电流。因此，为更准确地计算光学与电学特性指标，应确定光电二极管耗尽区的大小。
  假设，在每个像素耗尽区的表面是带有一定圆角的1x1 μm^ 2 大小的区域（该结构可根据实际情况进行确定）。图4 中深红色区域为硅基底表面光电二极管的耗尽区。

图6. 硅基底表面光电二极管的耗尽区

  图6(a-d) 分别是FSI 和 BSI 结构中光波到达硅基底表面的光功率分布（Pz-unfiltered）和到达硅基底表面光电二极管的耗尽区的光功率（Pz-in-depletion-region)。

图7. FSI 和 BSI 硅基底表面 光功率分布（Pz-unfiltered）和耗尽区的光功率（Pz-in-depletion-region)

  分别对FSI 和 BSI结构的硅基底表面的Pz 进行积分，并通过注入光功率对其进行归一化，得到FSI 和 BSI分别有约36.8% 和48.6% 的功率被传输到硅基底，两个绿色像素的光效率总和分别为28.1%和33.5%，而红色和蓝色像素的光串扰各约为0.6%和0.2%。

  FSI的光源功率为1.87737e-15 W

Power into Si layer is :  0.368422
Power through red pixel is :  0.006233045742651121
Power through green*2 pixel is :  0.28110218799963943
Power through blue pixel is :  0.006201849035764164

  BSI的光源功率为1.89256e-15 W

Power into Si layer is :  0.486492
Power through red pixel is :  0.00256150902914364
Power through green*2 pixel is :  0.33510508601093897
Power through blue pixel is :  0.002557705073647132

五、总结

  本文介绍了FSI 和BSI 结构的CIS 器件结构，还介绍了CIS 器件的光效率和各种串扰的基本原理，最后，通过使用Macondo 软件的 FDTD 3D 求解器仿真对比了FSI 和 BSI结构CIS 器件的光场传输特性和光学特性指标。
  后续将通过FDTD3D求解器仿真CIS 器件在不同光注入角度、不同透镜偏移下的光效率的特性，以及通过光学仿真得到光生载流子速率，为CIS 电学仿真量子效率(QE)做前置工作。

参考文献

[1] Catrysse P B .Optics for Digital Imaging[M].John Wiley & Sons, Ltd,2015.
[2] Chrostowski L, Hochberg M. Silicon photonics design: from devices to systems[M]. Cambridge University Press, 2015.
[3] Agranov G, Berezin V, Tsai R H. Crosstalk and microlens study in a color CMOS image sensor[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2003, 50(1): 4-11.
[4] Tournier A, Leverd F, Favennec L, et al. Pixel-to-pixel isolation by deep trench technology: application to CMOS image sensor[C]//Proc. Int. image sensor workshop. 2011: 12-15.
[5] Kyoung-in L. SK hynix’s BSI Technology: A Leading Light in the Global Mobile Market[OL]. 2022-12-22. SK hynix's BSI Technology: A Leading Light in the Global Mobile Market - EE Times