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.

CritèreÉclairage par la face avant (FSI)Éclairage par la face arrière (BSI)Capteur empilé
Face d'entrée de la lumièreFace 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 photodiodeFace opposée aux couches d'interconnexion (face arrière). La lumière atteint la photodiode sans traverser les interconnexionsFace arrière. La puce de pixels a une structure BSI
Structure de basePixels et circuits périphériques réalisés sur un seul substrat de siliciumAprès les étapes en face avant, le wafer est collé sur un wafer support, puis le substrat d'origine est aminci à quelques µmUn 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 sensibilitéLes interconnexions bloquent une partie de la lumière, et la sensibilité tend à baisser à mesure que les pixels rétrécissentLa lumière est reçue sur presque toute la surface du pixel : sensibilité élevéeÉquivalents au BSI
Lumière obliqueLes couches traversées par la lumière sont épaisses, et la lumière oblique se perd facilementChemin optique court : bonne tolérance à la lumière obliqueÉquivalent au BSI
Liberté de routageLes interconnexions doivent être écartées du chemin optique, ce qui contraint le nombre de couches et leur dispositionAucune contrainte optique : on peut augmenter le nombre de couches d'interconnexionUne grande partie des circuits peut être déplacée vers la puce logique
Emplacement des circuits périphériquesAutour de la matrice de pixels, réalisés avec le même procédé que les pixelsAutour de la matrice de pixels, réalisés avec le même procédé que les pixelsSur 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 pucePlus grande que la zone des pixels, à cause des circuits périphériquesPlus grande que la zone des pixels, à cause des circuits périphériquesPeut être réduite, car les circuits se trouvent sous les pixels
Vitesse de lecture et fonctionsStandardStandardIl 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 fabricationLa plus simple et la moins chèreNécessite 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 défisLa miniaturisation des pixels est limitéeCourant 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 infrarougeEn 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 typiquesCapteurs industriels à grands pixels ou capteurs à bas coûtCapteurs qui ont besoin de sensibilité avec de petits pixels, comme ceux des smartphones et des appareils photo numériquesCapteurs 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.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Éclairage par la face avant (FSI)
Lorsque les pixels sont grands et que la perte de lumière due aux interconnexions est faible, ou lorsque l'on veut réduire le coût au maximum.
Éclairage par la face arrière (BSI)
Pour préserver la sensibilité même avec des pixels réduits à environ 1 µm. C'est la structure standard des caméras de smartphone.
Capteur empilé
Pour réduire la taille de la puce, ou pour intégrer au capteur une lecture rapide et des fonctions de traitement d'image.
Lien entre les trois
Ces trois structures se sont développées l'une après l'autre. Le BSI nécessite un wafer support pour le collage ; en remplaçant ce wafer support par une puce logique contenant des circuits, on obtient le capteur empilé.

Questions fréquentes

Pourquoi le capteur à éclairage par la face arrière est-il plus sensible ?

Dans un capteur à éclairage par la face avant, la lumière passe entre plusieurs couches d'interconnexion avant d'atteindre la photodiode, et une partie est bloquée ou réfléchie. Le capteur à éclairage par la face arrière reçoit la lumière par la face arrière, dépourvue d'interconnexions : il capte la lumière sur presque toute la surface du pixel, et la lumière oblique se perd moins.

Un capteur empilé est-il aussi à éclairage par la face arrière ?

Oui. La puce de pixels d'un capteur empilé a une structure à éclairage par la face arrière, et une puce logique portant les circuits de lecture et de traitement d'image est collée en dessous. « Éclairage par la face arrière » désigne la façon de faire entrer la lumière, et « empilé » l'emplacement des circuits.

Le capteur à éclairage par la face avant n'est-il plus utilisé ?

Si. Avec de grands pixels, la perte de lumière due aux interconnexions est faible, et le procédé est simple et bon marché : le capteur à éclairage par la face avant est donc encore parfois choisi pour les capteurs à grands pixels ou à bas coût.

Vérifier vos connaissances

Quel est le principal avantage du capteur d'image CMOS rétroéclairé (BSI) ?

  1. AIl permet de réduire le nombre de pixels
  2. BLa lumière atteint la photodiode sans traverser les couches d'interconnexion, ce qui facilite l'augmentation de la sensibilité
  3. CIl rend le filtre coloré inutile
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. La lumière atteint la photodiode sans traverser les couches d'interconnexion, ce qui facilite l'augmentation de la sensibilité

Dans un capteur à éclairage par la face avant, la lumière traverse les interstices des nombreuses couches d'interconnexion situées au-dessus de la photodiode et se trouve masquée ou réfléchie par les interconnexions. Le capteur rétroéclairé amincit la plaquette à quelques µm et fait entrer la lumière par le côté opposé aux interconnexions, ce qui capte efficacement la lumière et améliore la tolérance aux rayons obliques. Commercialisé par Sony en 2009, il assure la sensibilité même avec des pixels fins d'environ 1 µm et est devenu la norme des caméras de smartphones.

Quelle est la définition du capteur d'image CMOS empilé ?

  1. AUne structure empilant plusieurs lentilles
  2. BUne structure sans photodiode
  3. CUne structure où la partie pixels et les circuits de traitement du signal sont fabriqués sur des puces séparées puis superposées et collées
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. Une structure où la partie pixels et les circuits de traitement du signal sont fabriqués sur des puces séparées puis superposées et collées

Dans un capteur empilé, la puce des pixels et la puce logique assurant la conversion analogique-numérique et le traitement d'image sont fabriquées séparément, chacune avec un procédé optimal, puis superposées et collées par liaison directe cuivre-cuivre (Cu-Cu) ou analogue. Commercialisé par Sony en 2012, il permet de réduire la surface de puce tout en réalisant lecture rapide, HDR et fréquences d'images vidéo élevées. Il existe aussi des produits à trois couches intercalant une mémoire.

Que signifie le « taux de remplissage (fill factor) » d'un pixel de capteur d'image ?

  1. AL'ouverture du diaphragme de l'objectif
  2. BLa proportion de pixels effectifs par rapport au nombre de pixels
  3. CLa proportion de la surface du pixel occupée par la partie recevant la lumière et la convertissant en charges
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. La proportion de la surface du pixel occupée par la partie recevant la lumière et la convertissant en charges

Le taux de remplissage est la proportion de la surface d'un pixel pouvant recevoir la lumière en tant que photodiode. De nombreux transistors et interconnexions le réduisent et dégradent la sensibilité. Les premiers capteurs CMOS n'avaient qu'environ 30 % de taux de remplissage, ce qui les désavantageait face aux CCD. Les microlentilles, en concentrant la lumière, augmentent le taux de remplissage effectif ; avec le rétroéclairage, les interconnexions sortant du trajet optique, une réception quasi totale est devenue possible.

  1. Quel est le rôle des microlentilles placées au-dessus de chaque pixel d'un capteur d'image ?
  2. Quel est l'objectif principal de la structure (DTI) consistant à creuser des tranchées profondes entre les pixels fins et à les remplir d'isolant ou analogue ?
  3. Quelle définition du collage hybride (hybrid bonding) est correcte ?

Questions d'entraînement sur Capteurs d'images et composants optiques

Termes clés expliqués

Éclairage par la face arrière (BSI)
Capteur d'image où la lumière entre par la face arrière du substrat, sans couches d'interconnexion. La lumière n'est pas masquée par le câblage, d'où une sensibilité élevée même avec de petits pixels.
Capteur d'image CMOS empilé
Capteur d'image dont la matrice de pixels et les circuits de traitement du signal sont fabriqués sur des puces distinctes puis superposées et assemblées. Chacune utilise le procédé adapté, ce qui réduit la taille et accélère le traitement.
Microlentille
Petite lentille placée au-dessus de chaque pixel d'un capteur d'image. Elle concentre la lumière et la guide efficacement vers la photodiode pour augmenter la sensibilité.
Capteur d'image CMOS
Capteur d'image fabriqué en technologie CMOS, avec un circuit d'amplification par pixel. Faible consommation et intégration possible des circuits périphériques ; standard des caméras de smartphones.
Collage hybride (hybrid bonding)
Technique qui assemble directement les surfaces d'électrodes en cuivre et d'isolant, sans micro-billes (bumps). Elle permet un très grand nombre de connexions à pas extrêmement fin.

Comparatifs associés