Capteur FSI vs BSI vs empilé : structure, sensibilité et vitesse
Les capteurs d'image CMOS se répartissent en trois structures selon la face par laquelle entre la lumière et l'emplacement des circuits. Le capteur à éclairage par la face avant (FSI) reçoit la lumière par la face qui porte les couches d'interconnexion, si bien qu'une partie de la lumière est bloquée par les interconnexions. Le capteur à éclairage par la face arrière (BSI) est retourné et aminci à quelques µm, puis reçoit la lumière par la face arrière, dépourvue d'interconnexions, ce qui préserve la sensibilité même avec de petits pixels. Le capteur empilé colle la puce de pixels BSI à une puce logique portant les circuits de lecture et de traitement d'image, ce qui permet de réduire la taille de la puce et d'accélérer la lecture.
| Critère | Éclairage par la face avant (FSI) | Éclairage par la face arrière (BSI) | Capteur empilé |
|---|---|---|---|
| Face d'entrée de la lumière | Face avant, qui porte les couches d'interconnexion. La lumière traverse les microlentilles et les filtres colorés, puis passe entre plusieurs couches d'interconnexion avant d'atteindre la photodiode | Face opposée aux couches d'interconnexion (face arrière). La lumière atteint la photodiode sans traverser les interconnexions | Face arrière. La puce de pixels a une structure BSI |
| Structure de base | Pixels et circuits périphériques réalisés sur un seul substrat de silicium | Après les étapes en face avant, le wafer est collé sur un wafer support, puis le substrat d'origine est aminci à quelques µm | Un wafer de pixels est collé à un wafer logique qui assure la lecture, la conversion A/N et le traitement d'image. Le wafer logique remplace le wafer support |
| Taux d'ouverture et sensibilité | Les interconnexions bloquent une partie de la lumière, et la sensibilité tend à baisser à mesure que les pixels rétrécissent | La lumière est reçue sur presque toute la surface du pixel : sensibilité élevée | Équivalents au BSI |
| Lumière oblique | Les couches traversées par la lumière sont épaisses, et la lumière oblique se perd facilement | Chemin optique court : bonne tolérance à la lumière oblique | Équivalent au BSI |
| Liberté de routage | Les interconnexions doivent être écartées du chemin optique, ce qui contraint le nombre de couches et leur disposition | Aucune contrainte optique : on peut augmenter le nombre de couches d'interconnexion | Une grande partie des circuits peut être déplacée vers la puce logique |
| Emplacement des circuits périphériques | Autour de la matrice de pixels, réalisés avec le même procédé que les pixels | Autour de la matrice de pixels, réalisés avec le même procédé que les pixels | Sur la puce logique sous les pixels, réalisables dans un procédé fin adapté à la logique. Il existe aussi des exemples à trois couches avec une puce mémoire supplémentaire |
| Surface de la puce | Plus grande que la zone des pixels, à cause des circuits périphériques | Plus grande que la zone des pixels, à cause des circuits périphériques | Peut être réduite, car les circuits se trouvent sous les pixels |
| Vitesse de lecture et fonctions | Standard | Standard | Il est facile d'ajouter des circuits, et donc d'intégrer la lecture rapide, des cadences d'images élevées et des traitements comme le HDR |
| Difficulté de fabrication | La plus simple et la moins chère | Nécessite collage, amincissement et traitement de surface de la face arrière (passivation) | En plus des étapes BSI, nécessite le collage wafer sur wafer et les connexions électriques (TSV ou collage hybride Cu-Cu) : la plus complexe |
| Principaux défis | La miniaturisation des pixels est limitée | Courant d'obscurité dû aux défauts de la face arrière, diaphonie vers les pixels voisins dans le silicium mince (limitée par DTI), baisse de sensibilité dans le rouge et le proche infrarouge | En plus des défis du BSI, rendement du collage et effet de l'échauffement de la logique sur le courant d'obscurité et le bruit |
| Usages typiques | Capteurs industriels à grands pixels ou capteurs à bas coût | Capteurs qui ont besoin de sensibilité avec de petits pixels, comme ceux des smartphones et des appareils photo numériques | Capteurs qui exigent vitesse et compacité : smartphones haut de gamme, caméras à haute vitesse, automobile, etc. |
Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.