FSI vs. BSI vs. gestapelter Bildsensor: Aufbau und Empfindlichkeit

CMOS-Bildsensoren lassen sich danach, von welcher Seite das Licht einfällt und wo die Schaltungen liegen, in drei Bauformen einteilen. Bei der Vorderseitenbelichtung (FSI) fällt das Licht von der Vorderseite mit den Verdrahtungsebenen ein, sodass ein Teil davon von der Verdrahtung abgeschattet wird. Bei der Rückseitenbelichtung (BSI) wird der Wafer umgedreht und auf wenige µm gedünnt, und das Licht fällt von der verdrahtungsfreien Rückseite ein, sodass auch kleine Pixel ausreichend empfindlich sind. Beim gestapelten Sensor wird ein BSI-Pixelchip mit einem Logikchip verbunden, der die Auslese- und Bildverarbeitungsschaltungen enthält; dadurch wird der Chip kleiner und das Auslesen schneller.

MerkmalVorderseitenbelichtung (FSI)Rückseitenbelichtung (BSI)Gestapelter Sensor
LichteinfallsseiteDie Vorderseite mit den Verdrahtungsebenen. Das Licht erreicht die Fotodiode durch Mikrolinsen und Farbfilter und zwischen mehreren Verdrahtungsebenen hindurchDie der Verdrahtung gegenüberliegende Seite (Rückseite). Das Licht erreicht die Fotodiode, ohne die Verdrahtung zu passierenRückseite. Der Pixelchip hat BSI-Aufbau
GrundaufbauPixel und Peripherieschaltungen auf einem einzigen SiliziumsubstratNach der Vorderseitenprozessierung auf einen Trägerwafer gebondet; das ursprüngliche Substrat wird auf wenige µm gedünntEin Pixelwafer wird mit einem Logikwafer für Auslesung, AD-Wandlung und Bildverarbeitung verbunden. Der Logikwafer ersetzt den Trägerwafer
Füllfaktor und EmpfindlichkeitDie Verdrahtung schattet einen Teil des Lichts ab; je kleiner das Pixel, desto stärker sinkt die Empfindlichkeit tendenziellLicht wird nahezu über die gesamte Pixelfläche empfangen; hohe EmpfindlichkeitGleichwertig mit BSI
Schräg einfallendes LichtDie durchlaufenen Schichten sind dick; schräges Licht geht leicht verlorenKurzer optischer Weg; robust gegenüber schrägem LichtGleichwertig mit BSI
Freiheit bei der VerdrahtungDie Verdrahtung muss aus dem Lichtweg gehalten werden; Lagenzahl und Anordnung sind eingeschränktKeine optischen Einschränkungen; mehr Verdrahtungsebenen möglichEin Großteil der Schaltungen kann auf den Logikchip verlagert werden
Lage der PeripherieschaltungenUm das Pixelarray herum, im selben Prozess wie die PixelUm das Pixelarray herum, im selben Prozess wie die PixelAuf dem Logikchip unter den Pixeln; kann in einem feinen, für Logik geeigneten Prozess gefertigt werden. Es gibt auch dreilagige Beispiele mit zusätzlichem Speicherchip
ChipflächeUm die Peripherieschaltungen größer als der PixelbereichUm die Peripherieschaltungen größer als der PixelbereichKleiner, da die Schaltungen unter den Pixeln liegen
Auslesegeschwindigkeit und FunktionenStandardStandardZusätzliche Schaltungen leicht unterzubringen; schnelles Auslesen, hohe Bildraten und Verarbeitung wie HDR lassen sich leicht integrieren
FertigungsaufwandAm einfachsten und günstigstenBonden, Dünnen und Oberflächenbehandlung der Rückseite (Passivierung) erforderlichZusätzlich zu den BSI-Schritten sind Wafer-zu-Wafer-Bonden und elektrische Verbindungen (TSV oder Cu-Cu-Hybrid-Bonding) nötig; am komplexesten
HauptproblemeDie Pixelverkleinerung ist begrenztDunkelstrom durch Rückseitendefekte, Übersprechen in Nachbarpixel im dünnen Silizium (durch DTI unterdrückt), geringere Empfindlichkeit für Rot und nahes InfrarotZusätzlich zu den BSI-Problemen: Ausbeute der Bondverbindung und Einfluss der Wärme der Logik auf Dunkelstrom und Rauschen
Typische AnwendungenIndustrie- und Low-Cost-Sensoren mit großen PixelnSensoren, die bei kleinen Pixeln Empfindlichkeit benötigen, etwa in Smartphones und DigitalkamerasSensoren, die Geschwindigkeit und Miniaturisierung erfordern, etwa in High-End-Smartphones, Hochgeschwindigkeitskameras und im Automobilbereich

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Vorderseitenbelichtung (FSI)
Wenn die Pixel groß sind und der Lichtverlust durch die Verdrahtung gering ist oder wenn die Kosten so niedrig wie möglich sein sollen.
Rückseitenbelichtung (BSI)
Wenn auch bei Pixeln bis hinunter auf etwa 1 µm ausreichende Empfindlichkeit benötigt wird. Der Standardaufbau für Smartphone-Kameras.
Gestapelter Sensor
Wenn der Chip kleiner werden soll oder schnelles Auslesen und Bildverarbeitungsfunktionen in den Sensor integriert werden sollen.
Zusammenhang der drei Bauformen
Die drei Bauformen haben sich nacheinander entwickelt. BSI benötigt für das Bonden einen Trägerwafer; ersetzt man diesen durch einen Logikchip mit Schaltungen, entsteht der gestapelte Sensor.

Häufige Fragen

Warum ist die Rückseitenbelichtung empfindlicher?

Bei der Vorderseitenbelichtung muss das Licht zwischen mehreren Verdrahtungsebenen hindurch, bevor es die Fotodiode erreicht, sodass ein Teil abgeschattet oder reflektiert wird. Bei der Rückseitenbelichtung fällt das Licht von der verdrahtungsfreien Rückseite ein; es wird nahezu über die gesamte Pixelfläche empfangen, und auch schräges Licht geht kaum verloren.

Ist ein gestapelter Sensor ebenfalls rückseitenbelichtet?

Ja. Der Pixelchip eines gestapelten Sensors hat BSI-Aufbau, und darunter ist ein Logikchip mit Auslese- und Bildverarbeitungsschaltungen gebondet. „Rückseitenbelichtet“ beschreibt, wie das Licht einfällt, „gestapelt“, wo die Schaltungen liegen.

Wird die Vorderseitenbelichtung nicht mehr verwendet?

Doch. Bei großen Pixeln ist der Lichtverlust durch die Verdrahtung gering, und der Prozess ist einfach und günstig; daher wird FSI bei Sensoren mit großen Pixeln und bei Low-Cost-Sensoren auch heute noch gewählt.

Verständnis prüfen

Welche Aussage zum Hauptvorteil rückseitenbeleuchteter (BSI) CMOS-Bildsensoren ist richtig?

  1. ADie Pixelzahl lässt sich verringern
  2. BDas Licht erreicht die Fotodiode, ohne die Verdrahtungsschichten zu passieren, sodass sich die Empfindlichkeit leicht erhöhen lässt
  3. CDer Farbfilter wird überflüssig
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Antwort: B. Das Licht erreicht die Fotodiode, ohne die Verdrahtungsschichten zu passieren, sodass sich die Empfindlichkeit leicht erhöhen lässt

Bei frontseitenbeleuchteten Sensoren passiert das Licht die Lücken zwischen mehreren Verdrahtungsschichten über der Fotodiode und wurde durch die Verdrahtung abgeschattet oder reflektiert. Beim rückseitenbeleuchteten Sensor wird der Wafer auf einige µm abgedünnt und das Licht von der den Verdrahtungsschichten gegenüberliegenden Seite eingekoppelt; Licht wird effizient aufgenommen, und auch schräg einfallendes Licht wird besser verarbeitet. Sony brachte ihn 2009 auf den Markt; da er auch bei feinen Pixeln um 1 µm Empfindlichkeit sichert, ist er bei Smartphone-Kameras Standard geworden.

Welche Aussage zum gestapelten (Stacked) CMOS-Bildsensor ist richtig?

  1. AEine Struktur aus mehreren übereinandergelegten Linsen
  2. BEine Struktur ohne Fotodioden
  3. CEine Struktur, in der Pixelbereich und Signalverarbeitungsschaltung auf getrennten Chips hergestellt und aufeinander gebondet werden
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Antwort: C. Eine Struktur, in der Pixelbereich und Signalverarbeitungsschaltung auf getrennten Chips hergestellt und aufeinander gebondet werden

Beim gestapelten Aufbau werden der Chip mit dem Pixelbereich und der Chip mit der Logikschaltung für AD-Wandlung und Bildverarbeitung in jeweils optimalen Prozessen getrennt hergestellt und z. B. durch direktes Kupfer-Kupfer-Bonden (Cu-Cu-Bonden) aufeinander gebondet. Sony brachte ihn 2012 auf den Markt; bei kleiner Chipfläche ermöglicht er schnelles Auslesen, HDR und hohe Bildraten bei Video. Es gibt auch Produkte mit dreilagigem Aufbau mit dazwischenliegendem Speicher.

Was bedeutet der „Öffnungsgrad (Füllfaktor)“ eines Bildsensorpixels?

  1. ADie Größe der Objektivblende
  2. BDas Verhältnis der effektiven Pixel zur Pixelzahl
  3. CDer Anteil der Pixelfläche, der Licht aufnimmt und in Ladung umwandelt
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Antwort: C. Der Anteil der Pixelfläche, der Licht aufnimmt und in Ladung umwandelt

Der Öffnungsgrad ist der Anteil der Fläche eines Pixels, der als Fotodiode Licht aufnehmen kann. Bei vielen Transistoren und Leitbahnen sinkt der Öffnungsgrad, und die Empfindlichkeit nimmt ab. Frühe CMOS-Sensoren hatten nur einen Öffnungsgrad von etwa 30 % und waren gegenüber CCDs im Nachteil. Mikrolinsen bündeln das Licht und erhöhen den effektiven Öffnungsgrad; bei rückseitenbeleuchteten Sensoren liegt die Verdrahtung außerhalb des Lichtwegs, sodass praktisch nahezu 100 % des Lichts aufgenommen werden können.

  1. Welche Aufgabe haben die über jedem Pixel des Bildsensors angebrachten Mikrolinsen?
  2. Was ist der Hauptzweck der Struktur (DTI), bei der zwischen feinen Pixeln tiefe Gräben geätzt und mit Isolator u. Ä. gefüllt werden?
  3. Welche Aussage zum Hybrid Bonding ist richtig?

Übungsfragen zu Bildsensoren und optische Bauelemente

Wichtige Begriffe erklärt

Rückseitenbeleuchtung (BSI)
Bildsensor-Struktur, bei der das Licht von der Rückseite des Substrats ohne Verdrahtungsschichten einfällt. Das Licht wird nicht von der Verdrahtung abgeschattet, daher ist die Empfindlichkeit auch bei kleinen Pixeln hoch.
Gestapelter CMOS-Bildsensor
Bildsensor, bei dem Pixelbereich und Signalverarbeitungsschaltung auf getrennten Chips gefertigt und aufeinander gebondet werden. Für jeden Chip lässt sich der passende Prozess nutzen; der Chip wird kleiner und die Verarbeitung schneller.
Mikrolinse
Kleine Linse über jedem Pixel eines Bildsensors. Sie bündelt das Licht, führt es effizient zur Photodiode und erhöht die Empfindlichkeit.
CMOS-Bildsensor
Bildsensor im CMOS-Prozess, bei dem jedes Pixel eine eigene Verstärkerschaltung besitzt. Geringer Stromverbrauch und Integration von Peripherieschaltungen; Standard u. a. in Smartphone-Kameras.
Hybrid-Bonden
Technik, bei der Kupferelektroden und Isolierschichtflächen ohne Bumps direkt miteinander verbunden werden. Ermöglicht sehr viele Verbindungen mit extrem kleinem Pitch.

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