Couverture ElectroniqueS n°127

L'Américain, avec l'aide du fondeur TSMC, affirme avoir réussi à appliquer à la production en volume une idée depuis longtemps à l'étude dans l'industrie : retourner le capteur pour que les rayons incidents transitent par le substrat, avec un meilleur rendement à la clé. Toujours d'actualité, la réduction de la taille des photosites au sein des capteurs d'images, qu'ils soient de type CCD ou Cmos, n'a pas pour seul inconvénient de menacer le rapport signal sur bruit du fait de la réduction mécanique du nombre de photons capturés. Elle se heurte aussi à des limites liées aux géométries de conception microélectronique. « Descendre à des tailles de pixels de 1,4 µm et moins avec les règles de design actuelles pose de vrais problèmes, car la présence de transistors et de lignes de métallisation ramène l'ouverture du pixel à des dimensions voisines de la longueur d'onde des rayons incidents », explique Howard Rhodes, vice-président d'Omnivision chargé de l'ingénierie de fabrication. Afin de contourner cette limite physique, le fabricant américain ressort aujourd'hui un vieux serpent de mer de l'industrie des imageurs : le procédé backside illumination (BSI), qui consiste à exposer à la lumière non pas la surface de la puce, où sont gravés les composants électroniques, mais son revers, côté substrat donc. Une technologie à l'étude depuis plus de vingt ans (presque tous les grands de l'industrie ont déposé des brevets sur le thème), qui est parfois utilisée pour des composants CCD très haut de gamme, mais qui n'a jamais été exploitée pour des applications de grand volume. La faute à des difficultés techniques significatives – notamment la nécessité de recourir à des substrats très fins – qui en augmentaient le coût, et dont Omnivision, associé au fondeur taïwanais TSMC, semble avoir résolu la majeure partie. Une feuille de route jusqu'à des pixels de 0,9 µmDans les imageurs classiques dits FSI (frontside illumination), les photosites se situent sous les couches de diélectrique et de métallisation. Concentrés par les microlentilles déposées à la surface de la puce et triés par le filtre couleur, les rayons incidents doivent donc se frayer un chemin à travers ces éléments, gênants pour eux, ce qui limite d'autant l'ouverture de chaque pixel. Dans une architecture BSI telle que celle présentée succinctement par Omnivision, la puce est exposée à l'envers et les rayons lumineux n'ont plus à traverser les couches « parasites » pour accéder aux photodiodes. Logiquement, cette approche augmente de manière significative la sensibilité du capteur : selon Omnivision, une telle architecture appliquée à des pixels de 1,4 µm de côté s'avérerait plus sensible que la plupart des modèles actuels embarquant des pixels de 1,75 µm de côté. Qui plus est, d'autres avantages peuvent être obtenus par ce biais. En évitant les réflexions de rayons incidents, le procédé BSI diminue également le cross-talk (photons égarés sur les pixels voisins du pixel de destination) et offre une ouverture supérieure, donc une capture d'image en grand-angle et la possibilité d'utiliser des modules optiques moins épais – un critère décisif pour les fabricants de radiotéléphones. Industriellement, cette sensibilité exacerbée permet à Omnivision de passer à des pixels de 1,4 µm de côté, tout en continuant à utiliser la technologie Cmos 110 nm de TSMC, alors qu'avec une architecture FSI traditionnelle, il aurait fallu passer à une technologie 65 nm avec interconnexions en cuivre, plus complexe et plus coûteuse. Enfin, puisque les couches de métallisation ne sont plus gênantes pour les rayons lumineux, il devient possible d'augmenter le nombre de ces interconnexions – et donc de réduire la taille de la puce – sans dégradation de la qualité d'image. Omnivision présente actuellement un modèle de démonstration à architecture BSI comptant huit millions de pixels. Les premiers échantillons de modèles commerciaux sont attendus pour l'été 2008. L'Américain prévoit que cette architecture lui permettra d'étendre la lisibilité de sa feuille de route jusqu'à des pixels de 0,9 µm de côté. « Dans un premier temps, la technologie BSI sera appliquée à notre plus gros débouché, à savoir la téléphonie mobile ; mais elle peut convenir pour toutes les applications des imageurs », avance Howard Rhodes. De nombreux modèles seraient déjà dans les cartons d'Omnivision, qui utilisera d'abord l'architecture BSI pour augmenter le nombre de pixels et non pour augmenter la qualité d'image à nombre de pixels constant, marketing oblige…

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