FSI, BSI en gestapelde beeldsensor: structuur, gevoeligheid en snelheid vergeleken
CMOS-beeldsensoren zijn in drie structuren in te delen, naar de zijde waarlangs het licht binnenkomt en de plaats van de schakelingen. Bij voorzijdebelichting (FSI) komt het licht binnen via de voorzijde met de bedradingslagen, waardoor een deel van het licht door de bedrading wordt tegengehouden. Bij achterzijdebelichting (BSI) wordt de wafer omgedraaid en tot enkele µm gedund, en komt het licht binnen via de achterzijde zonder bedrading, zodat ook kleine pixels voldoende gevoeligheid hebben. Bij de gestapelde structuur wordt de BSI-pixelchip verbonden met een logicachip met de uitlees- en beeldverwerkingsschakelingen, waardoor de chip kleiner en de uitlezing sneller kan worden.
| Kenmerk | Voorzijdebelicht (FSI) | Achterzijdebelicht (BSI) | Gestapeld |
|---|---|---|---|
| Zijde van lichtinval | De voorzijde met de bedradingslagen. Het licht bereikt de fotodiode via microlens, kleurfilter en tussen meerdere bedradingslagen door | De zijde tegenover de bedradingslagen (achterzijde). Het licht bereikt de fotodiode zonder door de bedrading te gaan | Achterzijde. De pixelchip heeft de BSI-structuur |
| Basisstructuur | Pixels en randschakelingen worden op één siliciumsubstraat gemaakt | Na de voorzijdeprocessen wordt de wafer op een dragerwafer gebonden en wordt het oorspronkelijke substraat tot enkele µm gedund | Een pixelwafer wordt gebonden op een logicawafer die uitlezing, AD-conversie en beeldverwerking verzorgt. De logicawafer vervangt de dragerwafer |
| Vulfactor en gevoeligheid | De bedrading houdt een deel van het licht tegen; hoe kleiner de pixel, hoe sneller de gevoeligheid daalt | Licht kan over vrijwel het hele pixeloppervlak worden opgevangen; hoge gevoeligheid | Gelijk aan BSI |
| Schuin invallend licht | De lagen waar het licht doorheen gaat zijn dik, dus schuin licht gaat gemakkelijk verloren | Kort optisch pad, goed bestand tegen schuin licht | Gelijk aan BSI |
| Vrijheid in bedrading | De bedrading moet buiten het optische pad blijven; beperkingen in aantal lagen en layout | Geen optische beperkingen; meer bedradingslagen mogelijk | Veel schakelingen kunnen naar de logicachip worden verplaatst |
| Plaats van de randschakelingen | Rond de pixelarray, met hetzelfde proces als de pixels | Rond de pixelarray, met hetzelfde proces als de pixels | Op de logicachip onder de pixels, te maken met een fijn proces dat geschikt is voor logica. Er bestaan ook drielaagse voorbeelden met een extra geheugenchip |
| Chipoppervlak | Groter dan het pixelgebied, door de randschakelingen | Groter dan het pixelgebied, door de randschakelingen | Kan kleiner worden, omdat de schakelingen onder de pixels zitten |
| Uitleessnelheid en functies | Standaard | Standaard | Gemakkelijk meer schakelingen toe te voegen; snelle uitlezing, hoge framerate en verwerking zoals HDR zijn eenvoudig te integreren |
| Moeilijkheid van fabricage | Het eenvoudigst en goedkoopst | Bonden, dunnen en oppervlaktebehandeling van de achterzijde (passivering) zijn nodig | Naast de BSI-processen zijn het bonden van wafers en de elektrische verbinding (TSV's of Cu-Cu-hybrid bonding) nodig; het meest complex |
| Belangrijkste uitdagingen | De verkleining van pixels is begrensd | Donkerstroom door defecten aan de achterzijde, overspraak naar naburige pixels in het dunne silicium (beperkt met DTI), lagere gevoeligheid voor rood en nabij-infrarood | Naast de BSI-uitdagingen de opbrengst van het bonden en de invloed van warmte uit de logica op donkerstroom en ruis |
| Belangrijkste toepassingen | Industriële sensoren met grote pixels en goedkope sensoren | Sensoren die met kleine pixels gevoeligheid nodig hebben, zoals in smartphones en digitale camera's | Sensoren die snelheid en miniaturisering vergen, zoals in high-end smartphones, hogesnelheidscamera's en auto's |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.