На основе статьи Рафаэля Хуареса.
Трансформация производства CMOS
Производство КМОП за последние время пережило значительные изменения. Технологические процессы, которые 20 или даже 10 лет назад даже опытные разработчики считали чисто экспериментальными, теперь стали реальной основой для новых коммерческих приложений. Эти достижения дополняют уже существующие области применения, которые удалось реализовать благодаря эволюции КМОП-технологий.
Среди множества процессов, находящихся сейчас в разработке, именно 3D-стекирование заставляет разработчиков систем, производителей и конечных пользователей по-новому взглянуть на потенциал КМОП-сенсоров. Камера-на-чипе, оптическая сеть-на-чипе и даже нейросеть-на-чипе все это уже не фантазии. И волнует нас уже вопрос не «если», а «когда» они будут широко представлены на коммерческом рынке.
Преимущества 3D-stacked CMOS
Эта технология приносит целый набор преимуществ системам:
- миниатюризация устройств;
- более высокая чувствительность и скорость при низком энергопотреблении;
- более эффективные методы HDR и снижение артефактов движения.
Особенно важно для AI и встраиваемых систем: возможность совмещать разные процессы добавляет огромную ценность. В отличие от многих «новых» технологий, 3D-стекирование делает решения более экономичными, чем те, что оно заменяет.
Прогноз рынка
Yole Group предсказала, что после сложного 2023 года рынок CMOS-датчиков изображения вернется к устойчивому росту и к 2028 году достигнет 29 миллиардов долларов. Ключевым фактором этого роста станут более нишевые, дифференцированные приложения, для которых усовершенствования отдельных функций и общей производительности создадут конкурентные преимущества и выгоды.
Прогноз также упоминает огромное количество отраслей, в которых в той или иной степени необходимы технологии обработки изображений. Искусственный интеллект, распознавание 3D-жестов и лиц, сервисные дроны и роботы, а также космическая навигация — вот лишь некоторые из секторов, в которых существует высокая потребность в технологиях обработки изображений. Передовые научные приложения, в том числе в спектроскопии, биомедицинской визуализации, микроскопии сверхвысокого разрешения, томографии в ближнем инфракрасном диапазоне, визуализации "призрачных" изображений, а также квантовой связи и криптографии, также имеют хорошие перспективы для роста, основанного
Для сектора изображений прогнозируется, что технология 3D-слоистых CMOS-матриц поможет определить будущее продуктовых линеек. В скором времени эта технология станет де-факто стандартом в индустрии датчиков и поможет выйти на новый уровень роста. От классики к BSI и стеку.
Долгое время КМОП-сенсоры были переднеосвещёнными (front-illuminated). Логика и проводка располагались вокруг светочувствительной области, ограничивая поле зрения и снижая чувствительность. Несмотря на это, CMOS постепенно вытеснили CCD из-за простоты, скорости, низкой цены и возможностей интеграции.
CMOS переворачивается на голову!
На протяжении многих лет CMOS-датчики изображения были с фронтальной подсветкой. Логические элементы, используемые для управления матрицей пикселей и ее проводкой, окружали светочувствительную область пикселя, помещая ее в нижнюю часть «металлического туннеля» и уменьшая ее поле зрения и чувствительность. Хотя это создавало очевидное преимущество в производительности по сравнению с устаревшими датчиками CCD, CMOS упростил конструкцию камеры по ряду других причин, таких как скорость, стоимость, энергопотребление и возможность добавления аналитических функций на чип датчика. CMOS постепенно заменил CCD во многих областях применения.
Конструкции датчиков с задней подсветкой (BSI) стали мостиком между традиционными CMOS и первыми версиями многослойных CMOS. Многослойные конструкции предлагают дополнительные преимущества для применения в промышленности, биомедицине и других секторах.
Что происходит в каждом типе сенсора:
1. Basic CMOS
Свет проходит через микролинзу и цветовой фильтр (фильтр Байера). Затем через металлическую обвязку, которая проводит сигналы, подаёт питание на элементы и частично блокирует свет это снижает светочувствительность и качество изображения. После этого свет достигает фотодиода.
2. Backside-Illuminated CMOS
Структура перевёрнута: свет сначала попадает на фотодиод. Металлическая обвязка расположена под фоточувствительной частью. Это значительно повышает светочувствительность, особенно в условиях низкой освещённости.
3. Stacked CMOS
Сенсор состоит из двух слоёв: верхний фотодиоды, нижний логика и обработка. Это позволяет разместить больше функций (например, автофокус, HDR) без увеличения размера сенсора. Повышается производительность, скорость обработки и качество изображения.
Разработка BSI позволила конструкторам разместить линии управления и питания матрицы пикселей непосредственно за светочувствительным слоем. Эта модификация привела к автоматическому повышению чувствительности, что открыло путь к технологии 3D-многослойных матриц. Помимо превосходной чувствительности, включение новых функций под сенсорным слоем дало ряд преимуществ. К ним относятся увеличение скорости управления и считывания, уменьшение занимаемой площади и снижение энергопотребления, поскольку эти функции были и продолжают быть реализованы с помощью более совершенного процесса, чем матрица пикселей.
Появление конструкций датчиков BSI также усилило внимание к дополнительным аспектам архитектуры CMOS-датчиков. Конструкторы уделяли особое внимание общей форме, а также компактности компонентов. Например, в случае традиционных одноплоскостных CMOS-датчиков существуют некоторые приложения, в которых матрица пикселей не является доминирующим элементом, например, те, которые требуют захвата сотен или более кадров в секунду с полным разрешением, и/или те, которые требуют значительной постобработки изображения на чипе. Окружающие дополнительные логические схемы и другие элементы, которые помогают матрице пикселей удовлетворять требованиям приложения, могут занимать столько же места, сколько и сама матрица. В этих случаях, когда эти схемы перемещаются вниз в стек, размер кристалла обычно определяется матрицей пикселей.
Таким образом, непосредственной возможностью является экономия затрат, особенно при больших объемах производства, поскольку конструктор может разместить больше чипов на одной пластине. Это, как правило, делает затраты, связанные с устройствами с трехмерной компоновкой, такими же или даже ниже, чем у эквивалентных одноплоскостных версий, при этом с более расширенными возможностями.
Размеры и форма
В одной из конструкций компания Teledyne совершила переход от исходного 2D-датчика к многослойному подходу. От сенсора с размером кристалла 16,7 × 16,7 мм и матрицей пикселей, занимавшей только 29 % площади кристалла, к тем же характеристиками датчика, но размером 16,7 × 7,5 мм. В этом случае пиксели занимали 70 % площади новой матрицы. Новый размер означает, что на пластину можно разместить гораздо больше матриц, что приводит к снижению общих производственных затрат на 30–40 %.
В других случаях технология позволила не только расширить спектр улавливаемых фотонов - датчик BSI для одного заказчика использует более толстый эпитаксиальный (это когда кристаллы нарастают слоями один на другой) слой для захвата большего количества инфракрасных фотонов, но и интегрированные порты для мониторинга состояния, чтобы выводить данные со скоростью 5 Гбит/с. Благодаря использованию многослойного подхода этот датчик имеет размеры в два раза меньше и потребляет от половины до четверти мощности по сравнению с обычным 2D-датчиком.
Многослойные датчики с меньшей площадью поверхности также открывают много дополнительных возможностей. В крайнем случае, возможны новые уровни миниатюризации камер. Например, 3D-многослойные датчики, разработанные для эндоскопов, могут обеспечить сочетание высокой чувствительности и небольшой площади, необходимой для размещения матрицы пикселей высокого разрешения с частотой более 100 кадров в секунду, работающей при мощности всего 40 мВт. Для сравнения, более типичные значения составляют 30 кадров в секунду и 1 Вт соответственно.
Возможности в области качества изображения
Добавление более мощных схем под слоем пикселей на этапе проектирования открывает ряд возможностей для улучшения характеристик датчика. Пиксели могут иметь несколько узлов памяти, что позволяет сделать датчик более быстрым или чувствительным с меньшим уровнем шума. Эти узлы памяти также могут быть меньше, чем память в пикселе, что позволяет реализовать более мелкие пиксели. Это, в свою очередь, может открыть возможности для новых технологий HDR, в которых быстро захватываются и объединяются несколько образцов, или уменьшить артефакты, связанные с движением.
Увеличение параллелизма в чипе также может быть достигнуто за счет реализации большего количества схем, реализованных под слоем пикселей. Для лучшего HDR, высокого отношения сигнал/шум и других подходов к визуализации пользователи (в данном случае производители, например камер видеонаблюдения) могут эффективно разделить выходные данные каждого пикселя и обрабатывать их параллельно. Многоканальное считывание может смягчить узкие места в передаче данных, которые возникают из-за столбцов аналого-цифровых преобразователей, расположенных под слоем пикселей, что является проблемой при проектировании чипов BSI. Конструкция с многократной выборкой может снизить уровень шума, а добавление резервных схем может улучшить общую отказоустойчивость чипа. Это качество становится решающим в условиях суровой и/или экстремальной среды, в которой устройства недоступны или их трудно заменить от спутниковых полетов по Солнечной системе до операций по обеспечению безопасности визуализации по всему миру. Использование нескольких отводов сигнала в пикселе с ультрабыстрым откликом позволяет проектировать системы визуализации на основе CMOS с высоким временным разрешением для широкого спектра приложений в реальном времени, таких как автономное вождение, управление роботами, наблюдение/безопасность и адаптивные человеко-машинные интерфейсы.
1. Conventional Sensor — Обычный сенсор
Структура расположена в один слой, где пиксельная матрица (Pixel Array) расположена над схемой обработки сигнала (Circuit/ISP). Всё размещено в одном слое, что ограничивает возможности по добавлению новых функций. Меньше пространства для логики, памяти и дополнительных модулей.
2. Stacked Sensor — Сенсор с вертикальной компоновкой
Духслойная структура, верхний слой пиксельная матрица, нижний ISP (процессор обработки изображения). Связь между слоями: осуществляется через TSV (Through-Silicon Via) вертикальные кремниевые соединения. Разделение логики и пикселей позволяет увеличить плотность компонентов. Улучшенная производительность и энергоэффективность. Возможность добавления более сложной обработки прямо в сенсор.
3. Advanced Multi-layer Sensor System — Продвинутая многослойная система
Многослойная структур, где три отдельных слоя, каждый со своей функцией:
- 65-nm CMOS — пиксельный слой (захват света)
- 30-nm DRAM — слой памяти (временное хранение данных)
- 40-nm SoC — логический слой, включает: Column ADCs аналого-цифровые преобразователи. DACs цифро-аналоговые преобразователи. И другие логические элементы.
Чудеса на чипе
Как уже упоминалось, одной из проблем традиционных CMOS-конструкций является невозможность создавать дополнительные логические схемы или функции на том же технологическом узле, что и CMOS-матрица. Многослойный датчик позволяет обойти это фундаментальное требование, давая возможность конструкторам добавлять слои, созданные с использованием более совершенных технологических узлов, и, в конечном итоге, добавлять в многослойную конструкцию функции, которые трудно или даже невозможно реализовать с помощью технологических узлов CMOS-матриц. Многослойный CMOS, включают в себя большее количество металлических слоев с логикой (до восьми, тогда как в изобразительных датчиках обычно допускается только четыре); статическую память; конденсаторы с двойным диффузионным металлооксидным полупроводником или металл-изолятор-металл (которые могут улучшить общую производительность датчика); рабочие пиксели; обработку необработанных данных; и вывод информации.
Одной из областей, представляющих большой интерес, является предварительная обработка данных искусственным интеллектом. Хотя пропускная способность данных часто создает серьезное препятствие для нейронных сетей, которые обрабатывают изображения, а препроцессоры требуют передовых высокопроизводительных CMOS-процессорных узлов, нет сомнений в том, что эксплуатационные преимущества являются значительными. 3D-слоистый датчик предоставляет пользователям специальный логический уровень, созданный с помощью CMOS-процессорного узла, необходимого для конкретного приложения. Важно, что этот процессорный узел может отличаться от CMOS-процессора изображения, используемого для обработки сигналов с матрицы пикселей.
Сегодня дизайнеры и инженеры часто работают с системами, в которых встроенные препроцессоры сокращают объем необработанных кадров высокого разрешения, которые необходимо отправлять каждую секунду. Создание высококомпактного датчика с очень высокой частотой кадров, функциями HDR для отдельных кадров и цифровой предварительной обработки для алгоритмов искусственного интеллекта больше не является чем-то невозможным.
Преимущества для бизнеса в будущем, основанном на многослойных технологиях
Переход к многослойным конструкциям это экономия затрат, новые возможности в плане производительности, а затем путь к принципиально более совершенным системам и более значительной и устойчивой дифференциации вот что представляет собой многослойная CMOS. Фактически, плотность, структура и интеграция многослойного датчика значительно затрудняют его обратное проектирование, особенно по сравнению с однослойными чипами, где все можно «увидеть» сразу.
