互补金属氧化物半导体图像传感器像素隔离技术

1. 像素隔离的基本概念与需求
   在CMOS图像传感器中，每个像素都是一个独立的光电转换单元。为了防止相邻像素之间产生的光生电荷（电子或空穴）发生串扰，导致图像模糊、颜色失真和分辨率下降，必须在像素之间建立有效的电学隔离屏障。这项在像素与像素之间构筑隔离结构的技术，就是像素隔离技术。

2. 早期隔离技术：pn结隔离
   最传统且基础的隔离方法是利用半导体工艺本身形成的pn结。在相邻像素的光电二极管之间，通过掺杂形成与衬底类型相反的半导体区域，从而构成一个反向偏置的pn结。这个反向偏置的pn结耗尽了其附近的载流子，形成一个几乎没有自由电荷的“耗尽区”，这个耗尽区就充当了电荷的隔离墙，阻止了电荷从一个像素区域扩散到另一个像素区域。这种方法工艺简单，但隔离效果有限，特别是对于波长较长、穿透力强的红光和近红外光，其光生电荷可能在衬底较深处产生，容易穿过pn结隔离区造成串扰。

3. 关键演进：浅槽隔离技术
   随着像素尺寸不断缩小至微米乃至亚微米级，对隔离的要求急剧提高。主流的解决方案是引入浅槽隔离技术。其工艺流程是：在硅晶圆上，通过光刻和干法刻蚀，在预设的像素边界位置刻蚀出深度为几百纳米的沟槽。然后，在沟槽中填充绝缘材料，最常用的是二氧化硅。最后进行平坦化处理。这样，一道由绝缘氧化物构成的实体物理墙壁就建立在了像素之间。STI提供了远优于pn结的隔离能力，能有效阻挡表面和近表面的电荷扩散，成为深亚微米CMOS工艺中的标准隔离技术。

4. 针对深部串扰的解决方案：深槽隔离技术
   STI虽然有效，但其深度通常只有0.2-0.5微米，对于在硅衬底更深部（数微米深度）产生的光生电荷仍然无能为力。为了解决这一根本性问题，深槽隔离技术应运而生。DTI的工艺原理与STI类似，但刻蚀的沟槽更深，通常贯穿整个光电二极管的深度，甚至达到数微米以上。沟槽内同样填充绝缘介质（二氧化硅或复合介质）。DTI在像素四周形成了一道从硅片表面直达深处的“绝缘井”，将每个像素完全包围起来，从而近乎彻底地消除了光学串扰和电学串扰，特别是对于背照式图像传感器和追求极高量子效率的应用至关重要。

5. 技术进阶：反射式隔离与混合结构
   为了进一步提升性能，DTI技术持续发展。一种先进的方案是在DTI槽的侧壁或内部集成金属层（如铝、钨）。这层金属发挥两个关键作用：第一，作为更完善的电学屏蔽层，阻挡任何可能的电场耦合；第二，也是更重要的，作为光学反射镜。入射到隔离区域的光线会被金属层反射回像素的光敏区域，而不是被吸收或泄漏到相邻像素。这不仅能减少串扰，还能增加像素的有效吸光量，提高灵敏度。现代高性能图像传感器常采用混合隔离结构，例如在像素的某些边界使用带反射层的深槽隔离，在其他区域使用标准深槽或浅槽隔离，以在性能、工艺复杂度和成本之间取得最佳平衡。

6. 总结与影响
   像素隔离技术从简单的pn结，发展到物理性的浅槽隔离，再到革命性的深槽隔离及其增强型反射结构，其演进路径清晰地指向更彻底的电学隔离和光学隔离。这一技术进步是CMOS图像传感器得以持续缩小像素尺寸、同时不断提升分辨率、色彩保真度、灵敏度和动态范围的核心基石之一。没有先进的像素隔离技术，现代智能手机中的微型高像素摄像头和专业的科学级成像设备都将无法实现其当前的性能水平。