CMOS影像感測器(CIS)技術的創新不斷拓展數位成像的發展前景，其需求最初由智慧型手機廠商推動，因為強化的照相功能可以為他們的裝置在市場競爭中帶來差異化。而現在，CIS在汽車、安全、醫療和製造等應用領域的市場版圖也在不斷擴張。
微型CMOS影像感測器的功能可媲美人眼，如今更可以與昂貴的大型攝影設備競爭；而相較於智慧型手機，新應用更著重對先進CIS技術的需求。因此CIS技術不僅可擷取人眼能看到的影像，還可以取得支援許多新應用案例的資料，從自動駕駛車輛的ADAS、虛擬實境(VR)，到下一代醫學影像與高科技保全監視系統。
這代表著在應用的同時需要大量的記憶體來協助影像資料的存儲以及比對，勢必會掀起下一波記憶體相關的需求。
CIS運作原理
基本上CIS技術是用來將攝影機鏡頭的光轉換為數位資料，以創建可見的影像。當波長範圍為400至700nm的可見光能量被聚集在矽基板的光電二極體(photodiode，PD)時，CMOS影像感測器的矽表面會接收光能能量，形成電子-電洞對(electron-hole pair)。
在此過程中生成的電子透過浮動擴散(floating diffusion，FD)轉換為電壓，再透過類比數位轉換器(ADC)轉換為數位資料。最後，資料被傳送到處理器創建數位描述，通常為可見影像。
CIS製造技術
生產這類精密的感測器需要特定製造技術，通常分為五類：
- 深光電二極體成形(deep PD formation)製程技術
消費者對影像品質不斷提出更高要求，讓各家業者競相提高行動應用CIS的像素密度和解析度，這進一步加速了CIS製程技術的發展。為實現更高影像品質，像素尺寸需要進一步縮小，以便在相同大小的晶片上容納更多的像素，這除了代表著資料的細緻也意味著資料量的龐大。
為了避免影像品質下降，深光電二極體扮演了關鍵角色。為了確保小像素中擁有足夠的電位井容量(full well capacity，FWC)，其圖形化與實作技術難度水準遠超過現有的半導體記憶體元件。為此，確保超過15：1的高深寬比(aspect ratio)植入光罩製程技術(implant mask process)非常重要，以阻擋高能離子植入；這與業界朝更高深寬比發展的趨勢一致。
2.像素-像素隔離製程技術
對高解析度CIS來說，像素間的隔離技術至關重要。晶片製造商各自擁有不同的隔離技術，若使用的隔離技術不佳，就可能導致混色(color mixing)和散色(color spreading)等影像缺陷。當越來越高的像素密度和解析度成為普遍需求，隔離就成為CIS市場上判斷影像品質的重要標準。除此之外，隔離製程還有一些其他問題，因此業界正在努力選擇更好的設備，並開發新的解決方案以提高良率和產品品質。
3.彩色濾光片陣列製程技術
彩色濾光片陣列(color filter array，CFA)是CIS領域獨有的製程技術，在半導體記憶體製程中並不常見。CFA製程通常包括一片彩色濾光片和一個微透鏡(microlens，ML)，濾光片將入射光根據各自波長範圍過濾為紅色、綠色和藍色，微透鏡則用以提高聚光效率。為了獲得穩定的影像品質，需要評估R/G/B彩色材料，並研究出可以最佳化形狀和厚度等參數的技術。最近市面上有一系列高品質、功能強大的CIS產品，是以Quad Bayer濾鏡等技術為基礎，輔以CFA的基本形式。
- 晶圓堆疊製程技術
晶圓堆疊──顧名思義，即是將兩片晶圓接合──是生產高像素、高解析度CIS產品的一項重要技術。對於高像素CIS產品，像素陣列和邏輯電路分別在單片晶圓上形成，然後在製程中以晶圓鍵合(wafer bonding)技術將之結合。大多數CIS製造商都採用了晶圓堆疊技術，該技術仍在從不同面向持續演進。
- CIS良率和品質控制技術
CIS產品開發和量產過程中最基本的要求之一，是對金屬污染物的控制。由於CIS產品對污染的敏感度是記憶體產品的好幾倍，而且污染會直接影響產品良率與品質，因此必須採用各種污染控制技術。除此之外，電漿損壞(plasma damage)控制也很重要；由於在製程中造成的損壞會導致影像性能下降──如熱噪點(hot pixels)──對關鍵製程的精確管理不可或缺。
轉載刊登於《電子工程專輯》雜誌簡體中文版2021年3月號
責編：Judith Cheng
（參考原文：CMOS image sensors 5 major process techniques，By In-Chul Jeong ；本文作者為SK Hynix CIS製程團隊負責人)
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