CMOS BSI и стандартный CMOS FSI в чем разница

Пользователи систем видеонаблюдения часто интересуются, что такое STARLIGHT-камера или это технология — давайте подробно разберемся в этом вопросе.

Пользователи систем видеонаблюдения часто задаются вопросом: что такое STARLIGHT-камера? Это обозначение можно встретить в предложениях по установке видеонаблюдения. Однако, если вы увидите в интернете информацию о STARLIGHT-технологии, то это может быть  (вводящий в заблуждение), так как на самом деле такой технологии не существует.

На самом деле, существует новая светочувствительная технология BSI, которую люди, не разбирающиеся в этой области, могут называть STARLIGHT, так как есть камеры с этим обозначением. Поэтому, если вы встретите термин «технология STARLIGHT» в статье, это может означать, что её написал непрофессионал, даже если он успешно продавал камеры видеонаблюдения.

Итак, вернемся к STARLIGHT-камерам, именно к камерам с обозначением STARLIGHT, которое просто отделяет камеры с высокой светочувствительностью от камер с устаревшими сенсорами изображения с фронтальным типом засветки пикселя с кратким обозначением [FSI] с, несомненно, худшей светочувствительностью, и рассмотрим, что такое [BSI]-технология (обратная засветка пикселя) Back Side Illuminated [BSI] с 2022 года доступно уже второе поколение BSI-2GEN . 

В 2000-х были созданы первые шаги в разработках сенсоров изображения с новой пиксельной архитектурой с обратной стороной засветки пикселя (светочувствительная BSI-платформа)., которая стала настоящим прорывом. Однако она оказалась слишком дорогой и неидеальной для массового производства и потребовала много времени и усилий, чтобы довести этот тип сенсора изображения с обозначением CMOS BSI Back Side Illuminated к массовому производству. Тем не менее, постепенно технология стала переходить от стадии экспериментов к активному внедрению в массовом производстве.

Ведущие производители сенсоров изображений (матриц), такие как Sony, Omnivision, On Semiconductor и другие, активно работали в этой области, участвуя в гонке по разработке собственных решений для производства собственных сенсоров изображения, основанных на [BSI]-платформе. В 2015 году компания Sony представила на рынке новую линейку сенсоров изображения, разработанных целенаправленно для приложений безопасности - камеры видеонаблюдения, которая получила название патент логтип Sony STARVIS вместо выпускаемх ранее CMOS логтип EXMOR, который выпускался ранее и имел общепринятую фронтальную засветку пикселя с кратким обозначением [FSI]. Эти сенсоры оснащены передовой технологией проектирования пикселей BSI-CMOS, разработанной Sony на базе BSI платформы разработки которой были начеты не много ранее как наученые. Примерно в это же время другие производители добавляли BSI к своим основным логотипам компаний, так, к примеру, компания Omnivision обозначила свои сенсоры следующего поколения OmnIBSI. Компания ON Semiconductor указывает в спецификациях сенсоров изображения BSI. Примерно также поступили остальные разработчики, имеющие вес в мировых поставках сенсоров изображения.

**Данная статья расчитанна на экспертов в области цифрового зрения. 

Этот демонстрационный макет предназначен для наглядного сравнения стандартных CMOS-сенсоров изображения FSI с новыми CMOS-сенсорами BSI, а также для демонстрации их превосходства в светочувствительности.

Для демонстрации мы использовали наши камеры, оснащённые CMOS-сенсорами BSI и BSI 2GEN (второе поколение, ожидаемое к 2024 году), а также камеры со стандартным CMOS FSI с фронтальным типом засветки пикселя. Это позволило провести наиболее объективное сравнение.

Трансляция с видеокамер ведётся в режиме реального времени 24 часа в сутки с наших собственных серверов обработки и передачи видеоизображений. 

На видео представлены камеры в порядке уменьшения их светочувствительности, перечисленные ниже. 
CMOS BSI 2 GEN 1/1.8 ссылка 
CMOS SONY STARVIS IMX 327 ссылка 
CMOS SONY STARVIS IMX 307 ссылка 
 

Рассмотрим релиз презентации сенсоров изображения от Omni, платформы BSI. 

Массовое производство датчиков изображения BSI CMOS
H. Rhodes, D. Tai, Y. Qian, D. Mao, V. Venezia, Wei Zheng, Z. Xiong, C.Y. Liu, K.C. Ku, S. Manabe, A. Shah, S. Sasidhar, P. Cizdziel, Z.  Lin, A. Ercan, M. Bikumandla, R. Yang, P. Matagne, C. Yang, H. Yang, T.J. Dai, J. Li: S.G. Wuua  , D.N. Yaunga  , C.C. Wanga  , J.C. Liua  , C.S.  Tsaia  , Y.L.Tua  , T.H. Hsua  .  Omnivision Technologies, Inc. (OVT)  4275 Burton Dr, Santa Clara, CA 95054  Telephone: 1-408-567-3033 Email: hrhodes@ovt.com a  Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Taiwan, R.O.C. (TSMC)

Многочисленные усовершенствования дизайна и процесса пикселей были обусловлены необходимостью поддерживать или улучшать качество изображения при все меньшем размере пикселя. Основным достижением в технологии формирования изображений является массовое производство технологии Backside Illumination (BSI) для датчиков изображения с низкой стоимостью и высокой производительностью.

Альянс Omnivision-TSMC R&D был сосредоточен на разработке недорогой технологии BSI, которая обеспечивает высокую производительность на пиксельном узле 1,4 мкм. Мы сообщаем о производительности двух продуктов BSI, оба в массовом производстве, с использованием одного и того же дизайна и процесса пикселя BSI 1,4 мкм. Для пикселя 1,4 мкм пиковая квантовая эффективность 43,8%, 53,6%, 51,6% была достигнута в красном, зеленом и синем каналах соответственно, с низкими перекрестными помехами, превосходной производительностью Gb/Gr, без задержек, без FPN, общим шумом чтения 2,3e, темновым током 27 e/ сек при 50 °C и низкой плотностью дефектов белых пикселей. Для пиксельных продуктов 1,75 мкм базовый процесс BSI был повторно оптимизирован для достижения пикового QE 53%, 60,2% и 60,4% в красном, зеленом и синем каналах соответственно RGB. Этот измененный процесс также соответствует целям массового производства для трех продуктов BSI 1,75 мкм. Наши испытания надежности не обнаружили никаких проблем с надежностью, связанных с архитектурой OmniBSI™. Введение Тридцать лет спустя после первых основополагающих работ по созданию устройств визуализации APS,1-5пиксель CMOS APS быстро уменьшился в результате использования специальных правил проектирования формирователей изображений и разработки уникальных технологических модулей, направленных на улучшение электрооптических характеристик в каждом новом технологическом узле6,7. BSI потребовала разработки нескольких новых технологических модулей как для фронтальных (FS), так и для тыльных (BS) технологических модулей.

Для пикселей размером 1,75 мкм и меньше BSI обеспечивает несколько реализованных преимуществ по сравнению с датчиками фронтальной подсветки (FSI): квантовая эффективность, перекрестные помехи, цветовое затенение, чувствительность, высота стека, 100%-ный коэффициент заполнения, лучшее принятие более светосильных линз и улучшенная производительность по всей плоскости изображения. Еще одним ключевым преимуществом BSI является устранение объемной подложки, что существенно снижает как диффузионную составляющую темнового тока, так и электрические перекрестные помехи. Проблемы BSI заключались в следующем: • Объединить FS с обработкой BS таким образом, чтобы генерируемые электроны эффективно доставлялись к целевому фотодиоду с высокой QE и низкими перекрестными помехами. • Разработать низконапряженное, без пустот BS-склеивание пластины устройства с пластиной ручки • Разработать процесс утончения BS с жестким контролем толщины • Полностью пассивировать поверхность BS для достижения низкого темнового тока и плотности дефектов белых пикселей • Разработать BS-шаблон и BS-травление для создания металлического светового экрана BS. • Разработать рисунок на обратной стороне с точным совмещением CFA и микронной линзой для обеспечения цветного CIS-визуализатора • Чтобы сделать это с помощью низкозатратного процесса при высоком выходе

Продукты BSI, правила дизайна и пиксельный дизайн сеноры изорбражения:

Представленные данные получены в результате характеризации нескольких продуктов. Данные пикселя BSI размером 1,4 мкм получены из двух продуктов BSI, находящихся в массовом производстве. Данные пикселя BSI размером 1,75 мкм получены из трех продуктов BSI. Все эти продукты BSI используют общую конструкцию с двумя общими симметричными пикселями. В отличие от датчиков изображения FSI, где правила проектирования BEOL максимально усилены для повышения коэффициента заполнения, а медная технология может использоваться вместе с утопленной матрицей для уменьшения высоты стека, правила проектирования BSI могут быть соответствующим образом смягчены для экономии затрат и достижения лучшего углового отклика.

Первое поколение совместно разработанной Omnivision-TSMC технологии BSI, технологии OmniBSI, использует комбинацию правил проектирования 90 нм и 110 нм с использованием обработки Al BEOL. Правила проектирования специально адаптированы и усилены там, где это необходимо для улучшения конструкции пикселя и производительности изображения. Ограничения по толщине металла и количеству металлических слоев смягчаются, что позволяет уменьшить размер чипа и повысить скорость за счет использования большего количества и более толстых металлических слоев для периферийных цепей.

Процесс CMOS сеноры изображения  BSI

Процесс начинается с недорогой пластины устройства p/p+. Мы считаем, что это первая объявленная демонстрация использования исходного материала из объемного кремния для обеспечения недорогой технологии BSI8-10. Разработан новый модуль процесса BSI frontside (FS) для соединения малошумящего, полностью обедненного, беззадержного фотодиода FS с поверхностью BS. После обработки FS металлизированная сторона пластины устройства приклеивается к пластине-ручке без пустот и дополнительных дефектов. Затем открытая поверхность BS пластины устройства утончается до конечной целевой толщины эпитаксиального слоя. QE и перекрестные помехи критически зависят как от обработки FS, так и от утончения BS. Используется запатентованный модуль процесса утончения для обеспечения воспроизводимой конечной толщины эпитаксиального слоя на стандартных пластинах устройств p/p+. Для достижения хорошего синего отклика, низкого темнового тока и низкой плотности дефектов белых пикселей поверхность BS пассивируется с помощью имплантата BS P+ и лазерного отжига. Наносится антибликовое покрытие BS (ARC) для дальнейшего улучшения QE на всех длинах волн. Металл BS осаждается и формируется для формирования металлического экрана BS. Массив цветных фильтров, за которым следует линза, выравнивается и наносится на заднюю поверхность утонченной пластины устройства. Последний шаг — открытие контактных площадок. На рисунке 1 показано поперечное сечение пикселя размером 1,4 мкм. Готовая пластина может быть упакована с использованием технологий CLCC, CSP, a CSP™ (TSV) или OmniVision CameraCube™.

2


Рисунок 2 показывает квантовую эффективность каналов R, G и B в зависимости от длины волны. Пиковые квантовые эффективности 44%, 54% и 52% достигаются на каналах R, G и B соответственно, а также низкие оптические и электрические перекрестные помехи. Мы вычисляем эффективную черно-белую QE 62% в синей и зеленой областях видимого спектра с уменьшением до 46% в красной11. Поскольку в массиве нет металла, коэффициент заполнения микролинз составляет 100%, а микролинзы служат для фокусировки падающего излучения для улучшения перекрестных помех. Высокая синяя QE является сильным индикатором эффективной пассивации поверхности BS. Чувствительность 671 мВ/люкс-сек достигается при 530 нм. Каналы Gb и Gr явно показаны на рисунке 3, чтобы продемонстрировать почти идентичную производительность этих каналов, что является индикатором низких перекрестных помех и симметричной конструкции пикселей. Измеренная разница Gb-Gr показана на рисунке 3. 18% серое пятно было отображено при освещении 1000 люкс. Необработанное изображение было собрано, и средние значения строк и столбцов Gb-Gr были рассчитаны по всей плоскости изображения 8 мегапикселей. Преимущество низкого перекрестного искажения заключается в том, что необработанные изображения обеспечивают разумную цветопередачу без CCM при всех источниках освещения. Низкая высота стека BSI позволяет использовать высокоскоростные объективы с низким F/#. Это также обеспечивает широкий угол приема, так что высокая производительность QE/низкие перекрестные искажения поддерживаются по всему массиву изображения. На рисунке 4 мы показываем цветовое затенение необработанных каналов R, G и B по всей матрице изображения без какой-либо коррекции затенения линз. Угловая эффективность сбора является результатом малой высоты стека и высокого показателя преломления кремния, что помогает фокусировать излучение на коллектор фотодиода. Для измерения производительности S/N при слабом освещении как пикселя 1,4 мкм, так и пикселя 1,75 мкм, необработанные изображения через объектив F/2,8 собираются из 18% серого пятна от источника света 3200K. После AWB и CCM экспериментально измеренное яркостное S/N нанесено на график на рисунке 5 в зависимости от уровня падающего света Lux на сером пятне. Для пикселя 1,4 мкм S/N=10 достигается при 110 Lux, что согласуется с теоретически рассчитанной производительностью

105 Люкс12. Низкий уровень освещенности может ухудшиться из-за шума чтения и задержки. Шум чтения при аналоговом усилении 8x был разбит на компонент пикселя (1,9e) и компонент периферийной схемы (1e) для общего шума чтения 2,3e. Изменение задержки может быть еще одним источником шума, проявляясь как FPN пикселя. На рисунке 6 мы показываем задержку как функцию уровня светового сигнала. Задержка низкая во всем диапазоне сигнала. Поскольку плавающая диффузия заполняется электронами при более высоких условиях измерения сигнала, падение напряжения на затворе переноса уменьшается, и задержка может увеличиться до неприемлемых уровней. Данные на рисунке 6 ясно показывают, что задержка не является проблемой для пикселя BSI 1,4 мкм при всех уровнях сигнала.


  
Темновой ток и FPN являются критическими параметрами для всех датчиков изображения. Высокий темновой ток может повлиять на производительность при слабом освещении, добавить FPN и снизить выход. На рисунке 7 показано необработанное темное изображение, полученное со временем интегрирования 9 секунд при RT с 8-кратным аналоговым усилением и 32-кратным цифровым усилением. Общее FPN составляет 0,7e. FPN столбцов или строк не наблюдается.

 
Гистограмма темнового тока отдельного пикселя при 50°C для всего 8-мегапиксельного сенсора показана на рисунке 8. Пик темнового тока при 50°C соответствует 27 е/сек. На рисунке 9 мы показываем температурную зависимость измеренного темнового тока для пикселей 1,4 мкм и 1,75 мкм, измеренную после обработки FS, и деталей, измеренную после полной обработки BS. Полностью обработанные детали BS достигают темнового тока 23-27 e/sec при 50°C и <1e/sec при комнатной температуре. Энергия активации 1,1 эВ измерена для деталей, обработанных как FS, так и BS. Мы обнаружили, что компоненты FS и BS вносят одинаковый вклад в общий темновой ток



На рисунке 10 показаны характеристики цветного изображения 1/3,2-дюймового 8-мегапиксельного сенсора при 100 люкс и 15 кадрах в секунду



Рисунок 10. 8 мегапикселей при 100 люкс (15 кадров в секунду) Таблица 1 суммирует производительность пикселей 1,4 мкм и 1,75 мкм. Превосходный PRNU является результатом низких оптических/электрических перекрестных помех.


Производительность пикселя BSI 1,75 мкм Пиксель BSI 1,75 мкм использует ту же базовую конструкцию пикселя, правила проектирования и технологический процесс, что и технология пикселя 1,4 мкм. Существует некоторая повторная оптимизация процесса для большего размера пикселя. Таблица 1 показывает производительность пикселя/процесса 1,75 мкм, который находится в массовом производстве. На рисунке 11 мы показываем производительность QE в зависимости от длины волны. Пиковые значения QE 53,0%, 60,2% и 60,4% достигаются в красном, зеленом и синем каналах. На рисунке 12 показана гистограмма темнового тока для базовой пластины с измеренным темновым током 22 э/сек при 50 °C. Измеренная энергия активации, Ea этого темнового тока, составляет 1,10 эВ, как показано на рисунке 9. Для этого пикселя 1,75 мкм S/N=10 достигается при 60 люкс на экспериментально измеренных изображениях. Измеренное соотношение сигнал/шум при слабом освещении согласуется с нашими расчетами, показанными на рисунке 5, основанными на измеренном соотношении квантовой эффективности и длины волны.

Рисунок 11. QE в зависимости от длины волны







Надежность BSI Квалификация надежности архитектуры OmniBSI от Omnivision требует тестирования как CLCC, так и CSP корпусных деталей. Тесты на надежность включают: 1) 1000 часов высокотемпературного срока службы (HTOL) при 125 °C, 2) 1000 часов высокотемпературного хранения (HTS) при 125 °C, 3) 1000 циклов температурного цикла (TC) от -40 °C до 125 °C, 4) 1000 часов несмещенной температуры и влажности (TH) при 85 °C/85 % RHA, 5) тестирование ESD и 6) тестирование защелкивания. На сегодняшний день набор из 4 отдельных партий был протестирован с нулевым (0) отказом для всех тестов во всех точках считывания. Расчеты, основанные на данных 125 °C HTOL, дают показатель FIT 28,2 и среднее время безотказной работы 2986 лет при 55 °C. Наши испытания надежности не выявили проблем, связанных с архитектурой OmniBSI. Производительность SMP BSI 1,1 мкм и 0,9 мкм С BSI теперь можно продолжить уменьшение пикселей до пиксельного технологического узла 1,1 мкм. Переходя к нормам проектирования 65 нм, можно сделать область фотодиода достаточно большой, чтобы обеспечить разумную полную емкость скважины на пикселе 1,1 мкм. Переходя к повторителю источника скрытого канала, можно улучшить шум чтения и увеличить динамический диапазон.13. Подобно постоянной проблеме DRAM, связанной с получением достаточной емкости ячейки в уменьшающейся ячейке DRAM, технолог по визуализации сталкивается с проблемой получения достаточного количества собранного света. Есть возможности для дальнейшего улучшения QE и перекрестных помех. Мы считаем, что приемлемая производительность чувствительности возможна при использовании стандартного шаблона RGB Bayer для пикселя 1,1 мкм. Улучшение производительности для субмикронного пикселя (SMP) 0,9 мкм за пределами S/N=10 при 245 люкс потребует RGBClear, CMY, CMYClear или новой технологии фотосенсора14,15. Выводы CMOS-визуализаторы прошли через захватывающий период развития процесса и пиксельной технологии, обусловленный необходимостью поддержания производительности для постоянно уменьшающихся пикселей. Для достижения лучшей в своем классе производительности при размерах пикселей 1,75 мкм и ниже BSI является технологией, позволяющей это сделать. То, что было представлено, — это электрооптическая и низкодефектная производительность BSI для нескольких продуктов с двумя различными размерами пикселей. Возможность запуска нескольких продуктов на различных узлах пиксельной технологии является демонстрацией процесса BSI, который находится под контролем и в массовом производстве.



Ссылки 1 Peter Noble, IEEE Trans. El Dev. 15, p. 202-209, 1968  2 S. Chamberlain, IEEE J Solid-State Circuits SC-4 (6) p. 333-342, 1969  3 P. Weimer et al., IEEE Spectrum 6 (3): p. 52-65, 1969  4 P. Denyer et al, VSLI, p. 157-166, 1991  5 E.R. Fossum Proc. SPIE Vol 1900, p. 2-14, 1993  6 H. Rhodes et al., Workshop on Microelectronics and Electron Devices, p. 7-18, 2004.  7 C-R. Moon et al, IEDM Tech. Dig, p. 813-816, 2005  8 J. Prima et al., Int. Image Sensor Workshop, p. 5-8, 2007.  9 T. Joy et al., IEDM Tech. Dig., p. 1007-1010, 2007.  10 J. Ahn et al., IEDM Tech. Dig. p. 275-278, 2008.  11 Y.Wu, P. Cizdziel, H. Rhodes, SPIE Electronic Imaging Conference, 2009  12 J. Alakarhu, Int. Image Sensor Workshop, p. 1-4, 2007  13 X. Wang et al, Int. Image Sensor Workshop, p. 223-225, 2007  14 J. Ahn et al, IEDM Tech. Dig., p. 275-178, 2008  15 M. Ihama et al, Proc. SPIE, p. 6656, 2007 .