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【SPAD芯片工藝解析】阜時(shí)科技-Tower Semi戰略合作解密
時(shí)間:2023-12-06 來(lái)源:深圳阜時(shí)科技有限公司

阜時(shí)科技全固態(tài)激光雷達面陣SPAD芯片,是通過(guò)公司上百名研發(fā)人員傾力開(kāi)發(fā),在高價(jià)值模擬半導體代工解決方案的領(lǐng)先晶圓廠(chǎng)Tower Semiconductor (NASDAQ/TASE:TSEM)流片出來(lái)的。這是國內第一款全固態(tài)激光雷達面陣SPAD芯片,通過(guò)先進(jìn)的BSI背照式工藝架構,解決了高靈敏度感光和dToF 高速數字運算的底層硬件難題,達到了150線(xiàn)掃描、每秒輸出54萬(wàn)點(diǎn)云的面區域激光雷達探測覆蓋,超越了日本芯片,實(shí)現了目前全世界最高輸出分辨率的激光雷達性能。


戰略合作伙伴

作為戰略合作伙伴,晶圓廠(chǎng)Tower發(fā)文《Tower Semiconductor 與阜時(shí)科技共同開(kāi)發(fā)并推出面向LiDAR應用的先進(jìn)3D成像器》。詳見(jiàn)鏈接:
Tower Semiconductor與阜時(shí)科技共同開(kāi)發(fā)并推出面向LiDAR應用的先進(jìn)3D成像器



背照式工藝

在感光類(lèi)芯片中,如何提升感光效率是設計者持續不斷的追求。
在近年的工藝迭代中,晶圓工藝不斷創(chuàng )新,從各種技術(shù)角度提升芯片的光吸收以及光電轉換效率。
從工藝的實(shí)施角度,背照式(BSI)是目前最直接有效提升感光效率的手段之一。


01 背照式(BSI)工藝簡(jiǎn)介

背照式全稱(chēng) Back-side illuminated(BSI),顧名思義,就是從晶圓背面進(jìn)行光照射。既然有背照式,相反的,也就有前照式晶圓工藝,前照式全稱(chēng) Front-side illuminated(FSI)。
前照式(FSI)芯片是最傳統的感光類(lèi)芯片工藝,因為是直接從芯片正面光照入射,按正常的晶圓工藝制作完成就可,無(wú)需特殊處理,因此也是目前成本為先的中低性能的攝像頭芯片最常用的工藝。
背照式(BSI)芯片則會(huì )將晶圓翻轉,使得底部感光區域朝上感光,因此光線(xiàn)直接照射到感光區。前照式(FSI)因為是芯片表面朝上,因此光線(xiàn)需要經(jīng)過(guò)表層的金屬層開(kāi)窗填充區才能照射到感光區,感光過(guò)程會(huì )有損耗,導致感光率下降。
以下附圖可以清晰的看到前照式(FSI)以及背照式(BSI)芯片的感光區別:



前照式(FSI)還會(huì )較 背照式(BSI)的表面有更多的光被表層金屬反射,降低了感光區吸收面積,如下圖:



根據目前業(yè)內的測試結果,背照式(BSI)較前照式(FSI)能夠提升10%~20% 感光效率,以下附圖為T(mén)UCSEN 公司的感光芯片實(shí)測數據:



因此,目前的高端感光芯片,包括攝像頭芯片以及激光雷達接收芯片,多數采用背照式(BSI)感光的晶圓工藝。


02 背照式堆疊(BSI+Stack)

在目前的高端攝像頭芯片以及激光雷達芯片的生產(chǎn)制作中,在“背照式(BSI)”工藝基礎上,還增加了“背照式堆疊(BSI+Stack)”工藝。
“背照式堆疊(BSI+Stack)”的最主要目的,是提升芯片感光后的信號數據處理。
對比常規的 “背照式(BSI)芯片”,“背照式堆疊(Wafer Stack)”在感光芯片下方,疊加了一顆感光信號處理芯片,以下附圖為“背照式堆疊(Wafer Stack)”工藝的實(shí)現方式:



上下層芯片通過(guò)銅塊的鍵合(Hybird Bond)工藝,將兩個(gè)芯片進(jìn)行金屬融合并且對接,能夠確保上層感光芯片接收的信號能夠快速傳輸到下層芯片進(jìn)行處理。以下附圖為上下晶圓金屬鍵合工藝的 SEM 照片:


從晶圓的鍵合(Hybird bond)的工藝可以看出,這樣的工藝操作難度很大,需要確保上下晶圓層的高精度(對準精度尺寸需<2um)對準并且融合,導致工藝的生產(chǎn)成本較高。
這樣的背照式堆疊(BSI+Stack)可以實(shí)現全部的感光區同時(shí)曝光并行傳輸到下層芯片,因此實(shí)現大規模的全局曝光(Global Shutter),攝像頭芯片可以進(jìn)行快速拍照,對于高速移動(dòng)物體圖像捕捉更加清晰,沒(méi)有拖影。
在激光雷達芯片上,因為感光像素所產(chǎn)生的數據量為常規的攝像頭芯片百倍左右,因此,使用“背照式堆疊(BSI+Stack)”工藝,則可以快速將感光信號傳輸到下層芯片進(jìn)行信號的存儲以及統計運算。
以下附圖為前照式(FSI)、背照式(BSI)、背照堆疊式(BSI+Stack)三種工藝的橫切面圖示:



阜時(shí)科技的面陣激光雷達芯片采用Tower Semi的高端 “背照堆疊式(BSI+Stack)” 生產(chǎn)工藝,同時(shí)確保了高感光度以及高速數據處理,可以實(shí)現目前世界領(lǐng)先的 54萬(wàn)點(diǎn)云/秒 的高分辨率點(diǎn)云輸出,結合攝像頭圖像,可實(shí)現高性能的圖像及激光雷達信號融合,為機器人、汽車(chē)的環(huán)境掃描決策提供高質(zhì)量的數據支持!

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