CIS Atlas 15 · BDTI/FDTI — Trench Isolation

FDTI 與 BDTI 的結構對比

F

FDTI（Frontside Deep Trench Isolation）

從正面製作，FSI 或 BSI 均可

深度：通常 ~1/2 pixel 深度（部分隔離）
寬度：~100-200nm（受限於 litho）
填充：SiO₂ 或 high-k（Al₂O₃）
功能：電氣隔離（lateral depletion 截斷）
限制：光學隔離效果有限（光能從底部繞過）
常見於 FSI 世代，或 BSI 的前側補強

B

BDTI（Backside Deep Trench Isolation）

BSI 專屬，從背面貫穿整個 Si

深度：貫穿整個 thinned Si（通常 >2μm）
寬度：~200-500nm
填充：SiO₂ + metal（反射層）或高折射率 dielectric
功能：光學 + 電氣雙重隔離（最有效）
挑戰：sidewall passivation 的品質直接決定 DC 水準
現代 BSI CIS（Sony、Samsung）的標配

光學 Crosstalk：為什麼 DTI 是必需品

光學 crosstalk 的定義 Optical Crosstalk (%) = Signal from neighboring pixelTotal signal × 100% 無 DTI: crosstalk 20–40% | 有 BDTI: < 5%（新世代 < 1%） Crosstalk 三來源 ① Optical：光在 Si 橫向擴散（長波長越嚴重） ② Electrical：光電子跨 pixel 擴散（小 pixel 邊界模糊） ③ Diffraction：microlens 後繞射 → 顏色混色

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BDTI 的光學隔離原理

物理牆 + 反射面

BDTI 填充材料通常折射率低（n ~1.5，Si 的 n ~3.5）→ 界面全反射
光在 BDTI 側壁被反射回自己的 pixel → 有效限制橫向光擴散
如果填充 metal（如 W）：直接吸收/反射光 → 更強的光學隔離
深度的重要性：長波長光（紅光 700nm）吸收深度 ~10μm → BDTI 要夠深才能攔住

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MTF（Modulation Transfer Function）與 BDTI

BDTI 是維持小 pixel MTF 的關鍵

MTF = sensor 解析度的量化指標，高 MTF = 細節還原好
沒有 BDTI：crosstalk 讓相鄰 pixel 信號混合 → MTF↓（模糊）
有 BDTI：每個 pixel 信號獨立 → MTF↑
CP/光學測試：Slant-edge MTF test 或 MTF at Nyquist frequency → 直接量化 crosstalk 影響

Pixel Size	有效 BDTI 深度	目標 Crosstalk	典型 MTF@Nyquist
1.4 μm	~1.5-2.0 μm	< 10%	~55-65%
1.0 μm	~2.0-2.5 μm	< 7%	~50-60%
0.7 μm	~2.5-3.0 μm	< 5%	~45-55%
0.5 μm	~3.0 μm+	< 3%（挑戰）	~40-50%（很難）

BDTI 的電氣影響：Dark Current + 漏電

⚠️ BDTI 最大的問題：Sidewall 界面態 → Dark Current 急升

BDTI 的 sidewall 是 Si/oxide 界面，在蝕刻過程中會產生大量的 dangling bonds（懸鍵） 和 interface traps。這些界面態是 SRH（Shockley-Read-Hall）產生電流的完美溫床 → Dark Current 可以比沒有 BDTI 高出 5-20×！

表面 generation 的量綱 Igen = q \times ni \times s g,eff \times A sidewall （A）。ni：cm⁻³；有效 generation velocity：cm/s；面積：cm²。每像素等效 rate = Igen/q（e⁻/s）。s g,eff 已包含所選 SRH 近似係數及邊界條件。 sidewall 面積從實際幾何計算：單一封閉像素邊界可用 perimeter \times depth；array 共用界面要避免重複計數。體生成則用體積和 lifetime，不把面積直接除 τ 當電流。

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Sidewall Passivation 技術

BDTI 製程中最關鍵的一步

方法一：Thermal Oxidation
BDTI 蝕刻後做高溫氧化（~800-900°C）→ 修復 Si sidewall 的 dangling bonds
效果：Dit 可降低 10× 以上
限制：高溫可能影響其他摻雜 profile（thermal budget 問題）

方法二：ALD Al₂O₃（業界主流）
原子層沉積 Al₂O₃（厚度 ~5-20nm）→ 帶大量負固定電荷（Qf ≈ -10¹² cm⁻²）
→ 在 n-type sidewall 表面形成 hole accumulation → 抑制 SRH 電子電洞對生成
效果極好 + 熱預算低 → BSI CIS 最主流的 BDTI passivation

方法三：p+ sidewall implant（Pinning）
在 BDTI 側壁旁注入 p+ → 使 PPD 電子遠離 sidewall → 減少暴露於 interface trap

BDTI 效應	對 CP 的影響	量測方法	改善手段
Sidewall DC 最嚴重	Dark Current ↑ 5-20×（比無 BDTI）；Hot pixel count↑	Dark frame mean + hot pixel map	ALD Al₂O₃ passivation；thermal oxidation
FWC 損失	BDTI 佔去 pixel 面積 → FWC 降 5-15%	PTC 量 FWC，對比無 DTI baseline	BDTI 寬度最小化；Deep n 補償
Standby Current ↑	BDTI 側壁的 SRH + p-n junction 漏電	Standby current map；Arrhenius 分析	Sidewall passivation；p+ 側壁 implant
Stress to nearby transistors	BDTI 的 mechanical stress 影響 SF Vth	Vth mapping vs pixel distance from BDTI	Buffer zone 設計；stress-relaxation anneal

CP 關聯診斷：從測試結果判斷 BDTI 品質

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Dark Current Map + Spatial 分析

看 DC 在 array 中的空間分布

如果 BDTI passivation 有問題：
相同幾何仍可能有局部缺陷差異，DC 分布不必均勻
如果發現 DC「格狀分布」（高 DC 的 pixel 在邊緣）→ sidewall 問題
Arrhenius：Ea ≈ 0.55 eV → SRH generation（界面態主導）→ 支持 generation 假說，尚不能定位 sidewall
Ea 單獨不足以排除 BDTI；需結合偏壓與空間分布

🔍

Optical Crosstalk 量測

驗證 BDTI 光學隔離效果

方法一：Laser Spot Test
用點光源（laser）照射單一 pixel → 量相鄰 pixel 的信號（= crosstalk）
方法二：Color Crosstalk
R/G/B filter 陣列中，量 R pixel 被 B 光污染的比例
期望：有 BDTI → crosstalk < 5%；無 BDTI 可達 20-40%

📊

FWC 對比測試

BDTI 前後的 FWC trade-off 量化

對比 process split（有 BDTI vs 無 BDTI）的 FWC（PTC 量測）
典型：BDTI 導致 FWC 下降 5-15%（取決於 BDTI 寬度）
最佳化：BDTI 越窄越好，但 etch aspect ratio 有極限（~深度/寬度 < 20:1）

FDTI vs BDTI vs 兩者並用 — 工程師如何選擇

結構	光學隔離	電氣隔離	DC 影響	FWC 損失	適用
無 DTI	差	差	最小	無	舊世代 FSI，>2μm pixel
FDTI only	中等	好	小（側壁淺）	~5%	FSI，或 BSI 的輔助結構
BDTI only	好	好	大（需 passivation）	~10%	BSI 主流，1.0μm 以下
FDTI + BDTI	最好	最好	最大（需強 passivation）	~15%	最先進節點（0.7μm 以下）

核心文獻

文獻	章節	重點	取得
Wakabayashi et al. (2010) ISSCC Sony BSI CMOS image sensor	全文：BSI + DTI 架構介紹	第一代實用 BDTI 的關鍵論文，展示 crosstalk 改善效果	需購買
Tournier et al. (2011) IISW	全文：DTI for CMOS image sensors	FDTI vs BDTI 電氣和光學比較，sidewall DC 分析	imagesensors.org ✅
Goiffon et al. (2013) IEEE TED	全文：DTI dark current analysis	BDTI sidewall DC 的 SRH 機制詳細分析，Arrhenius 量測方法	IEEE Xplore
Lavarello (2020) IISW	全文：Advanced DTI for small pixels	0.7μm pixel 的 BDTI 設計，ALD passivation 效果量測	imagesensors.org ✅
Ihara et al. (2022) IEDM Samsung	全文：FDTI + BDTI combined	最新 0.7μm 雙 DTI 架構，crosstalk < 3% 的實現	需購買

相關卡片

← Card 01：PPD + FWC

BDTI 佔面積 → FWC 損失，兩者要 co-optimize

→ Card 13：Standby Current

BDTI sidewall 是 standby current 的重要來源（SRH）

→ Card 16：Implant Engineering

p+ sidewall implant 是 BDTI passivation 的製程槓桿之一

← Card 11：Depth Potential Diagram

BDTI 截斷了 potential well 的側向延伸

📷 真實依據（開放論文真圖，點開對照 · ←→ 切換 · Esc 關閉）

把其他 tab 手繪的 FDTI/BDTI 結構與 sidewall dark current，對照兩篇開放論文（ST／Samsung）的第一手剖面與實測。這些都是可直接下載的開放圖（CC BY 4.0），對應論文見上方〈核心文獻〉表。

BDTI / FDTI — Trench Isolation 完整解析