📚 课程目录第4章像素架构

4、像素架构：前照式（FSI）与背照式（BSI）像素结构对比

好，咱们今天聊一个传感器设计里绕不开的话题——像素架构。说白了，就是光怎么进到感光区的问题。

我刚入行那会儿，FSI还是的主流。那时候大家觉得，光从上面照下来，经过金属走线，再落到光电二极管上，天经地义。直到后来BSI出来，整个行业才意识到——原来我们一直在让光“翻山越岭”。

FSI，全称Front-Side Illumination。光从正面入射，先穿过微透镜和彩色滤光片，然后绕过一堆金属互联层，最后才到达底部的光电二极管。

核心问题：金属走线会遮挡和反射光线，导致部分光能量损失。尤其在小像素（<1.4μm）中，这个问题会急剧恶化。

我做过一个0.11μm工艺的FSI项目，像素尺寸1.75μm。当时QE（量子效率）死活上不去，后来一查，发现30%以上的入射光被金属层反射掉了。你想想看，辛辛苦苦设计的光电二极管，结果一半光都没到。

FSI的主要特点：

我的经验：FSI设计时，金属走线布局非常关键。我习惯在光电二极管正上方尽量少走线，或者用高反射率的金属层做导光结构。虽然不能完全解决问题，但能改善10-15%的QE。

BSI的思路很简单——把硅片翻过来，让光从背面照进来。这样光路就干净了，直接进入光电二极管，中间没有任何金属遮挡。

我第一次接触BSI是在2010年左右，当时觉得这想法太聪明了。但真正做起来才发现，背面减薄和转移工艺的难度，比想象中大得多。

核心优势：光路无遮挡，QE可提升30-50%。尤其在小像素（<1.0μm）中，BSI几乎是唯一选择。

BSI的主要特点：

注意：BSI的背面减薄工艺非常敏感。我曾经遇到过一个批次，减薄厚度偏差超过0.5μm，结果QE一致性差了8%。所以BSI的工艺控制，尤其是厚度均匀性，是成败的关键。

咱们直接上表格，一目了然：

你看这个表，BSI在QE和角度响应上全面领先。但代价是工艺复杂度和成本。我个人的建议是：如果像素尺寸大于1.4μm，FSI完全够用；如果小于1.0μm，必须上BSI。

下面这张图，我画了FSI和BSI的截面结构对比。你可以清楚地看到光路的差异：

做FSI和BSI设计，有几个坑我踩过，分享给你：

FSI的金属反射：我曾经在一个FSI项目里，为了走线方便，在光电二极管上方铺了大面积金属。结果QE直接掉了20%。后来改成网格状走线，才救回来。
BSI的背面损伤：背面减薄后，硅表面会有损伤层。如果不做钝化处理，暗电流会飙升。我见过一个案例，暗电流从10e-/s涨到200e-/s，就是因为背面损伤没处理好。
角度响应差异：BSI的角度响应比FSI好很多。但如果你做的是大角度入射的应用（比如手机摄像头），BSI的微透镜设计反而要更小心，因为光在背面入射时，微透镜的聚焦位置和FSI不一样。

我的建议：如果你刚开始做BSI设计，先找foundry要一份成熟的BSI工艺设计规则。BSI的背面处理、键合工艺、减薄厚度，这些参数每家foundry都不一样。别自己瞎猜，直接问工艺工程师最靠谱。

最后，我总结一下什么时候选FSI，什么时候选BSI：