据Mems Consulting介绍，CMOS图像传感器技术的演进路线是从前照(FSI)、后照(BSI)到堆叠，后照技术正逐渐成为中高端CMOS图像传感器的主流技术。
背照式CMOS图像传感器将光电二极管置于微透镜和滤色器之下，而原始金属布线层置于光电二极管之后。与前照式互补金属氧化物半导体图像传感器相比，这种结构不仅增加了每单位像素获得的光量，而且有效地抑制了由光入射角的变化引起的灵敏度降低。然而，背照式互补金属氧化物半导体图像传感器的制造过程涉及晶片的正面和背面，比前照式互补金属氧化物半导体图像传感器的制造过程更复杂，并且不能完全避免由其引起的可靠性降低的问题。
图(a)和图(b)分别示出了前照CMOS图像传感器和后照CMOS图像传感器的结构；图(c):前照和后照CMOS图像传感器的制造工艺比较
近日，意大利代工厂LFoundry和罗马萨皮恩扎大学在IEEE期刊《电子器件学会背面照明配置CMOS图像传感器》上发表论文《背照式CMOS图像传感器性能和可靠性退化》(Performance and Reliability Degrad)指出，在特定故障模式下，正面照明CMOS图像传感器的寿命是背面照明CMOS图像传感器的150~1000倍。当然，隐藏这种巨大差异的可能还有很多其他失败因素。介绍了在芯片切割槽中设计的背照式CMOS图像传感器晶圆级可靠性测试结构的系统特点。噪声和电气测量在工艺流程的不同步骤中进行。结果清楚地表明，背照式CMOS图像传感器制造过程中的晶圆倒装、键合、减薄和过孔开口等步骤会导致类似于氧化物施主的边界陷阱的形成。与传统的前照式CMOS图像传感器相比，这些陷阱的存在会导致晶体管电学性能下降，改变氧化层的电场和平带电压，严重影响可靠性。TDDB(时间相关介电击穿)和NBTI(负压偏压下的温度不稳定性)测量结果证明了边界陷阱对寿命的影响。
背照式CMOS图像传感器刻槽中设计的晶体管(Tx)位置示意图
TDDB测试温度为125，对N沟道晶体管的栅极施加7V ~ 7.6V的应力电压Vstress。在每种应力条件下，测试几个样品，并根据JEDEC JESD92标准定义的三个标准测量击穿时间值。对于每种应力状态，时变击穿值的威布尔分布给出了相应的失效时间。故障时间和应力-电压分布为对数-对数标度，电网工作电压下的寿命由幂律模型(E模型)推断。NBTI测量温度为125，施加于P沟道晶体管栅极的Vstress为-3V ~ -4V，对多个晶体管进行了测试。根据标准JEDEC JESD90，寿命定义为将额定阈值电压VT改变10%所需的应力时间。VT的变化值与应力时间之间的关系遵循幂律模型，可以推断栅极在工作电压下的寿命。
噪声电荷泵测量结果表明，背照式CMOS图像传感器的栅氧化层中存在类似施主的边界陷阱，而前照式传感器不会出现。陷阱密度随离界面的距离呈指数变化，当距离为1.8 nm时，陷阱密度达到210cm。通过测量不同制造工艺步骤中的电学参数，可以发现在晶圆背面工艺中产生了边界陷阱，包括晶圆倒装、键合、减薄和过孔开口。
图a):在背照式CMOS图像传感器工艺流程的不同工位测量的ID-VG曲线，在背照工艺之后(红色曲线)和背照工艺之前(黑色曲线)；图b):用TCAD软件模拟氧化物层带正电荷的ID-VG曲线(红色)和不带正电荷的ID-VG曲线(黑色)。
图a):在背照式CMOS图像传感器工艺流程的不同工位测量的IG-VG曲线，在背照工艺之后(红色曲线)和背照工艺之前(黑色曲线)；b):VG为1V时，电荷中心距硅/二氧化硅界面1.7 nm的栅极能带图(红线)，不带电荷的栅极能带图(黑色)。
Trap会改变背照式CMOS图像传感器氧化层的电场和平带电压，这种效应与在距离界面1.7 nm处施加1.610c/cm的正电荷相同，从而改变漏极和栅极电流曲线。在论文中，作者提到类似施主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是器件寿命的评估方法。不出所料，边界陷阱对两种评估方法的影响不同，但无论如何，与前照式CMOS图像传感器相比，后照式CMOS图像传感器的可靠性会有所下降。
论文：https://ieeexplore.ieee.org/document/9060926
