CMOS图像传感器可靠性：背照式（BSI）败给前照式（FSI）的原因探究
2020-07-04 07:52:56   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，CMOS图像传感器技术演进路线从前照式（FSI）、背照式（BSI）到堆栈式，背照式技术正逐渐成为中高端CMOS图像传感器主流技术。

背照式CMOS图像传感器是把光电二极管放到微透镜、彩色滤波片下面，而原先的金属布线层则放到了光电二极管之后。相比前照式CMOS图像传感器，这种结构不仅增加了单位像素获得的光量，还有效抑制了光线入射角变化引起的感光度下降。但是，背照式CMOS图像传感器的制造工艺涉及晶圆的正面和背面，比前照式CMOS图像传感器复杂，带来的可靠性退化问题一直无法完全避免。

图（a）和图（b）：分别为前照式CMOS图像传感器和背照式CMOS图像传感器结构；图（c）：前照式和背照式CMOS图像传感器制造工艺流程对比

近期，意大利晶圆代工厂LFoundry和意大利罗马大学（Sapienza University of Rome）在IEEE Journal of the Electron Devices Society期刊上发表一篇论文《背照式CMOS图像传感器性能和可靠性退化》（Performance and reliability degradation of CMOS Image Sensors in Back-Side Illuminated configuration）指出，在特定的失效模式下，前照式CMOS图像传感器的寿命是背照式CMOS图像传感器的150~1000倍。当然，可能还有许多其它失效因素掩盖了这一巨大差异。

文中介绍了背照式CMOS图像传感器晶圆级可靠性专用测试结构（设计在管芯划片槽内）的系统特性。在工艺流程的不同步骤进行噪声和电学测量，结果明确表明背照式CMOS图像传感器制造工艺的晶圆倒装、键合、减薄和通孔（VIA）开孔等步骤会导致类似氧化物供体的边界陷阱的形成。相对于传统的前照式CMOS图像传感器，这些陷阱的存在会导致晶体管电性能下降，改变氧化层电场和平带电压，对可靠性产生严重影响。TDDB（时间相关介质击穿）和NBTI（负压偏置下的温度不稳定性）测量结果证明了边界陷阱对寿命的影响。

在背照式CMOS图像传感器划片槽内设计的晶体管（Tx）位置示意图

TDDB测试温度为125℃，在N沟道晶体管栅极施加+7V ~ +7.6V的应力电压V_stress。在每个V_stress条件下均测试了多个样本，依据标准JEDEC JESD92定义的三个标准测得时变击穿（the time-to-breakdown）数值。对于每种应力条件，时变击穿数值的韦伯分布给出了相应的失效时间（TTF），失效时间与应力电压分布采用对数-对数标度，在栅极工作电压下的寿命用幂律模型（E模型）推断。

NBTI测量温度为125℃，在P沟道晶体管栅极施加的Vstress为-3V ~ -4V，并测试了几个晶体管。依据标准JEDEC JESD90，寿命定义为使额定阈值电压V_T改变10%所需的应力时间。V_T变化值与应力时间的关系遵循幂律模型，可以推断出栅极工作电压下的寿命。

噪声和电荷泵浦测量结果表明，在背照式CMOS图像传感器栅极氧化层中存在类似供体的边界陷阱，不会出现在前照式传感器中。陷阱密度随着与界面的距离呈指数变化，当距离为1.8 nm时陷阱密度达2 x 10¹⁷ cm⁻³。通过在不同制造工艺步骤进行电学参数测量，可以发现，边界陷阱产生于晶圆背面工艺中，包括晶圆倒装、键合、减薄和通孔（VIA）开孔。

图a）：在背照式CMOS图像传感器工艺流程不同站点测量的I_D-V_G曲线，背面工艺后（红色曲线）和背面工艺前（黑色曲线）；图b）：用TCAD软件模拟氧化层中分布有正电荷时的I_D-V_G曲线（红色）和无正电荷时的I_D-V_G曲线（黑色）。

图a）：在背照式CMOS图像传感器工艺流程不同站点测量的I_G-V_G曲线，背面工艺后（红色曲线）和背面工艺前（黑色曲线）；图b）：在V_G为+ 1V时，电荷质心位于距离硅/二氧化硅界面1.7 nm处的栅极能带图（红线），无电荷时的栅极能带图（黑色）。

陷阱会改变背照式CMOS图像传感器的氧化层电场和平带电压，这个效果与在距离界面1.7 nm处施加了1.6 x 10⁻⁸ C/cm²的正电荷一样，从而改变了漏极和栅极电流曲线。

作者在论文中提到，类似供体的边界陷阱也会影响背照式CMOS图像传感器的长期性能。TDDB和NBTI是对器件寿命的评估方式。与预期相同，边界陷阱对两种评估方式的作用不同，但是无论如何，相对前照式CMOS图像传感器，背照式CMOS图像传感器可靠性都会下降。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9060926