CCD/CMOS

CCD et CMOS font maintenant partie des offres de vision industrielle. Pourtant il reste difficile de les comparer techniquement parlant. Ce dossier complet apporte des réponses tant sur le plan technique que sur les aspects économiques. Pierre Magnan, SUPAERO- Laboratoire CIMI. Email : Pierre.Magnan@supaero.fr Mots clé Capteur d'images CCD CMOS L'essentiel La technologie des capteurs d’images CCD bénéficie aujourd’hui d’une maturité sans égale qui lui permet d’accéder à des niveaux de performances électro-optiques extraordinaires, mais au prix d’une spécialisation du procédé qui contraint fortement les conditions de mise en œuvre des produits et limite l’ouverture vers des applications nouvelles malgré les réels progrès accomplis par ces procédés. D’autre part, la logique économique tend à limiter l’usage des fruits les plus performants de cette technologie (CCD dits amincis) aux applications scientifiques de haut de gamme mais menace à terme leur devenir. Les capteurs d’image CMOS, longtemps cantonnés aux applications d’imagerie bas de gamme possèdent de réels avantages architecturaux qui associés à une technologie très évolutive facilitent le développement d’applications dans des conditions nouvelles de miniaturisation et de consommation. L’ouverture de marchés à fort volume a entraîné l’intérêt pour les capteurs d’images de nouveaux acteurs du monde du semiconducteur qui amènent rapidement les performances de ces capteurs au niveau de celles des CCD de gamme moyenne et commencent à s’implanter dans des domaines où les CCD régnaient en maître. Texte 1 Introduction Les dispositifs capteurs d’images sont de plus en plus présents dans les multiples facettes de l’activité humaine; en effet, on les trouve à travers la vie la vie quotidienne dans les photocopieurs, les FAX, les scanners, les lecteurs de codes à barres, les systèmes de surveillance et portiers vidéo, dans les loisirs à travers les appareils photo numériques et les caméscopes Mais ils sont aussi présents dans les équipements d’imagerie médicale (parfois simplement chez son dentiste pour une radio dentaire) ainsi que dans l’industrie où les systèmes de vision sont massivement utilisés, notamment pour le tri et le contrôle de la production. Un capteur d’image est " l’œil " d’une caméra ou d’un instrument d’observation; il est destiné à produire un signal électronique (le signal "vidéo") correspondant point par point à une scène observée à travers une optique de focalisation, par un mécanisme de balayage bidimensionnel (figure 1) Les capteurs d’images à transfert de charges CCD ont permis depuis 25 ans le développement de l’imagerie électronique et ont acquis une maturité qui les met au niveau du film photographique et autorise aujourd’hui leur usage dans les applications scientifiques les plus exigeantes. Ils sont cependant sévèrement concurrencés par les capteurs d’images CMOS (CIS- CMOS Image Sensor) qui , en s’appuyant sur la technologie reine de l’industrie microélectronique, ont réussi depuis quelques années à prendre une place importante dans les dispositifs d’imagerie, soit au détriment des CCD, soit dans des applications nouvelles. Après une période où il a été affirmé, un peu vite sans doute, que les CIS allaient se substituer aux CCD, les forces et les faiblesses de chaque technologie sont désormais identifiées plus objectivement. Chacune a bénéficié de l’autre, que ce soit directement pour les CIS en utilisant des techniques mises au point pour les CCD, ou indirectement pour ceux-ci en étant poussés vers une amélioration des performances et la prise en compte du besoin des utilisateurs d’aller vers une simplification de la mise en œuvre. Certaines sociétés spécialisées dans les produits d’imagerie comme KODAK, DALSA, SONY, TOSHIBA commercialisent simultanément les deux technologies. Les capteurs d’images CDD et CMOS utilisent tous les deux le même matériau Silicium, le même effet photoélectrique pour obtenir la conversion photon-charge électrique et leur fabrication met en jeu des équipements très comparables. Il ont en commun les quatre fonctions de base d’un capteur d’image : génération, collection et mesure des charges électriques et acheminement du signal des différents pixels vers un point de sortie (multiplexage). Leur différences se situent principalement sur l’architecture des capteurs et l’objectif du procédé de fabrication qui entraînent les caractéristiques propres de chacun que nous allons détailler maintenant. 2. Comparaison des architectures des capteurs d’images CCD et CMOS 2.1 L’approche CCD Elle se caractérise (Ref 1 et Ref 2) par le transport des charges acquises dans chaque pixel sous l’effet de l’éclairement pendant le temps d’intégration, en un point unique où s’effectue la lecture par conversion charge-tension. Ce transport est réalisé grâce à des horloges par transferts successifs dans des registres à décalage CCD. Ceux-ci sont des registres de type parallèle, de dimension MxN dans le sens vertical, et de type série, de dimension N dans le sens horizontal, pour une matrice de M lignes et N colonnes. Dans le cas des CCD « pleine trame » de la figure 2, le pixel (à 3 phases dans cet exemple) est à la fois, pendant l’exposition , lieu de génération et de collection des électrons d’origine photoélectrique dans la capacité MOS (les trous étant drainés par le substrat) et pendant la phase de transfert , élément de registre pour le transport des charges des pixels situés au dessus de lui grâce à la propriété des électrons de chercher à rejoindre le puits de potentiel le plus profond (figure 3).L’intégralité de la surface du pixel est considérée comme photosensible et le facteur de remplissage (ou rapport d’ouverture), rapport de la surface photosensible à la surface du pixel, est de 100%. L’organisation précédente nécessite classiquement un obturateur pour pouvoir exécuter la lecture d’une trame hors éclairement. La séparation des fonctions de photodétection et de transport des charges, requise pour permettre la lecture d’une trame pendant l’intégration de la suivante, nécessite soit un registre de stockage de même taille que la matrice photosensible qui double la surface de silicium utilisée (cas des CCD dit « à transfert de Trame »), soit l’imbrication dans les pixels de la matrice du photosîte et d’un registre de transport protégé de la lumière, dans l’organisation dite « interligne » représentée dans la figure 4. La photogrille y est très fréquemment remplacée par une photodiode (dont les photoélectrons sont collectés par une grille de stockage) qui garantit une meilleure réponse spectrale aux longueurs d’ondes inférieures à 500nm, le polysilicium des grilles agissant comme un filtre optique de très faible transmission pour certaines longueurs d’onde (dans le bleu notamment). La figure 5.a illustre cette différence de comportement en montrant le rendement de détection (souvent appelé "rendement quantique") de deux CCD respectivement pleine trame à grille polysilicium et interligne ; celui-ci est défini comme Dans le cas du CCD interligne, seule une partie de la surface du pixel est photosensible, le facteur de remplissage ou ouverture du pixel étant bien inférieur à 100% (typiquement 20à 30%) et il est fréquemment fait usage de microlentilles qui focalisent la lumière sur la surface photosensible figure 5.b. On peut noter que sans l’usage de microlentilles, le rendement de détection ne serait que de l’ordre de 10 à 15% en crête. Dans les deux organisations, pour obtenir un capteur sensible à la couleur, on dépose à la surface des filtres colorés qui spécialisent la réponse des pixels dans le Rouge, le Vert ou le Bleu souvent selon une disposition qui favorise le vert (motif de Bayer) comme le montre la figure 6. L’usage de ces filtres affecte la transmission des photons dans la bande et conduit à une diminution du rendement de détection dans chaque couleur parfois presque d’un facteur 2. A partir de l’image brute, on obtient trois images colorées RVB après calcul, par interpolation, des pixels manquants dans chaque couleur (figure 6), procédé qui affecte la résolution spatiale de l’image. Grâce à l’usage de grilles recouvrantes, l’adoption du transfert en volume par canal enterré ("buried channel") et l’optimisation du profil de potentiel dans le canal, l’efficacité de transfert des CCD est impressionnante, souvent de l’ordre de 0,999999, ce qui permet de transporter le signal dans le domaine charge presque parfaitement. Le passage dans le domaine des tensions est accompli à l’extrémité du registre horizontal, le plus souvent par une « diffusion flottante » (agissant comme une capacité) préchargée par un interrupteur MOS et dans laquelle sont injectées séquentiellement les charges issues de l’illumination de chacun des pixels, comme représenté sur la figure 7. Le signal produit est proportionnel à la quantité injectée de charges qui résultent de l’intégration des photoélectrons au sein des pixels, et s’exprime par : , Q étant la charge injectée, Cfd la capacité totale sur le nœud (diode et entrée du suiveur) et ASF le gain du suiveur de tension (souvent de l’ordre de 0,8) La capacité du nœud flottant Cfd détermine le facteur ou gain de conversion, paramètre déterminant, avec le rendement de détection, de la réponse ou sensibilité du capteur d’image, exprimée en V/J/cm-2 (ou en V/Lx.s pour le domaine visible). Cfd est très faible, typiquement quelques dizaines de fF, et elle est isolée de la capacité de charge externe au capteur par l’intermédiaire d’un suiveur de tension. Le gain de conversion est donné par : en µV/e avec q : la charge de l’électron 1,6.10-19 C, Cfd la capacité totale sur le nœud (diode et entrée du suiveur) et ASF le gain du suiveur de tension (souvent de l’ordre de 0,8). Par exemple, pour , on obtient . Il détermine le bruit ramené à l’entrée(c’est à dire le pixel) exprimé en électrons RMS, que l’on compare à la quantité Ne d’électrons de signal ; Btotal désigne l’ensemble des bruits d’origine électronique (de transfert, de lecture, de courant d’obscurité) hors bruit de photons. L’optimisation du suiveur de sortie est particulièrement importante car le bruit de lecture BL en sortie du capteur résulte du filtrage de la densité spectrale de puissance de bruit de ce suiveur par le circuit externe de lecture à Double Echantillonnage Corrélé (C.D.S) typiquement décrit par la figure 8, qui par lecture différentielle des deux échantillons temporellement distants de TD : - élimine le bruit de recharge (ou bruit de reset) dit "bruit en KTC" de la capacité Cfd - agit comme un filtre passe-bande, filtrant la composante en 1/f du bruit du suiveur par une fonction de transfert en sin2(f.TD) et bornant l’effet du bruit blanc à une fréquence haute fC compatible avec la fréquence pixel requise. Remarquons que ce suiveur, qui voit une charge externe typiquement de l’ordre de 10pF, est nécessairement large bande pour permettre les fréquences pixels élevées qui sont requises pour assurer, pour des matrices de taille substantielle, des fréquences "trame" significatives. Par exemple, le suiveur doit présenter une fréquence de coupure d’au moins 45Mhz pour autoriser une fréquence pixel de 15MHz, qui correspond à la lecture d’une matrice 1024 x 1024 pixels à environ 15 images /seconde. L’architecture CCD présente des inconvénients majeurs : - d’une part, le transport de charge qui met en jeu des mécanismes de nature capacitive sur les grilles requiert, compte tenu des niveaux de tension relativement élevés (8-12V) nécessaires à un transfert efficace, une puissance importante typiquement de l’ordre de 0,5 à 0,8W (variant en CxV2 , C capacité de l’électrode et V le niveau de l’horloge de commande) et entraîne une mise en œuvre délicate de par la multiplicité des signaux d’horloge à générer associée à de nombreuses et diverses polarisations. - d’autre part , l’accès à l’image de type série rend très difficile la capacité d’accès direct et rapide à des fenêtres correspondant à des régions d’intérêt dans l’image. - de plus, si la capacité maximale de stockage du pixel (puits de potentiel plein) est atteinte pendant l’intégration, il y a risque de débordement des charges dans les pixels voisins : c’est le phénomène d’éblouissement ("blooming") que montre la figure 9. Certains CCD intègrent des dispositifs anti-éblouissement efficaces utilisant souvent des drains latéraux de ces charges excédentaires (Lateral Overflow Drain) qui consomment dans le pixel une aire prise au détriment de la surface photosensible et qui réduisent donc le facteur de remplissage et affectent fortement le rendement de détection 2.2 L’architecture des capteurs d’image CMOS (CIS) Les capteurs d’image CMOS sont organisés comme des mémoires (figure 10) c’est-à-dire des matrices dont les pixels sont directement adressables en ligne et colonne grâce à des décodeurs d’accès et à des interrupteurs, et pour lesquelles le signal est véhiculé sur des bus verticaux . En cela, ils sont l’héritier des matrices de photodiodes mises au point dès les années 1960.Cependant ,les capteurs CMOS actuels sont dits à « Pixels actifs » (APS- Active Pixel Sensor) car ils sont caractérisés par la présence au sein du pixel d’un amplificateur suiveur qui fournit le signal du détecteur sous une impédance réduite au bus vertical. La conversion charge-tension est donc effectuée au sein même du pixel et l’acheminement du signal des pixels s’effectue dans le domaine des tensions. Celui-ci consiste en l’échantillonnage parallèle du signal d’une ligne et au balayage des adresses colonnes pour délivrer séquentiellement en sortie le signal des différents pixels d’une ligne. La figure 11 donne l’organisation typique d’un pixel CMOS-APS où apparaissent les deux transistors MSF en suiveur, MSELen interrupteur et un exemple de réalisation qui montre que, compte tenu de la présence de ces transistors et des lignes métalliques nécessaires à l’acheminement des signaux, le facteur de remplissage est , comme dans les CCD interligne, limité. A titre d’exemple, on peut avancer une fourchette de 40% à 60% pour des pixels de 6 à 8µm de pas réalisés dans un procédé de lithographie 0,35µm. Le photosîte est constitué (figure 12) soit d’une photodiode fonctionnant dans le cas le plus simple en auto-intégration ( c’est-à-dire par intégration du photocourant dans sa propre capacité), soit d’une photogrille associée à un transistor de transfert. L’avantage de cette configuration ,qui sépare le lieu de génération - collection des photoélectrons et celui de la conversion charge-tension, est double : - permettre par double échantillonnage différentiel, l’élimination de la fluctuation statistique du niveau de précharge (« bruit KTC ») sur la jonction qui réalise la conversion charge-tension - autoriser une valeur élevée du facteur de conversion, jusqu’à 20 à 30 µV/e par réalisation d’une très faible capacité Cfd (inférieure à 10fF), ce qui diminue d’autant le bruit ramené à l’entrée en électrons. Cependant, la présence du polysilicium de grille a le même effet sur la réponse dans le bleu que pour les CCD. La lecture est opérée ligne à ligne. L’exposition utilise généralement une obturation à ligne balayée (Electronic Rolling Shutter) identique à celle de l’obturateur à rideau des appareils photo. Elle peut également être synchrone (mode "snapshot") si l’on dispose dans le pixel d’une possibilité de mémorisation analogique du signal, ce qui est le cas du pixel à détecteur photogrille avec la capacité Cfd ou dans la topologie de pixels photodiode dit à transistor "shutter". L’architecture des CIS offre des avantages importants : - c’est une architecture parallèle au niveau des colonnes : Le suiveur intra pixel a donc une bande passante déterminée par la fréquence d’échantillonnage du signal des lignes, soit , N étant le nombre de colonnes, donc réduite par rapport à l’étage de sortie d’un CCD à même fréquence pixel. Des études (Réf. 3) ont montré que, si le bruit de recharge est éliminé, le rapport signal à bruit de la chaîne électronique du pixel jusqu’à la sortie est dominé par le bruit, échantillonné sur la colonne, du suiveur intra pixel , fortement contraint topologiquement pour maximiser le facteur de remplissage. Dans les pixels à nœuds de détection et de conversion séparés, le bruit ramené à l’entrée pourra donc être faible (dizaine d’électrons). Dans les pixels à photodiode en auto-intégration les plus simples, le bruit de recharge de la photodiode est en général dominant ; en effet, l’élimination de celui-ci nécessiterait de stocker la valeur Vref de chaque pixel pendant l’intégration (ce qui exigerait des mémoire analogiques ) et on privilégie en général la simplicité et l’élimination du bruit en 1/f du transistor suiveur par extraction du signal utile sous la forme VRef_Trame (n+1) - VSig_Trame (n) , ce qui n’élimine pas le bruit KTC. La capacité de la photodiode, qui détermine aussi le facteur de conversion, assez faible pour ce type de pixel (1 à quelques µV/e), dépend de sa surface et donc du pas du pixel. Il est possible d’appliquer au signal des colonnes des opérateurs parallèles fonctionnant à la fréquence allant de la conversion analogique-numérique ( parfois à simple ou double rampe) à des opérateurs dédiés à une application, comme par exemple le filtrage de l’image (Ref 4) ou calcul de barycentrage (Ref 5), le plus souvent par des circuits à capacités commutées. - la puissance consommée peut rester faible , le niveau de courant dans les suiveurs intrapixels restant de l’ordre de quelques µA et ceux ci n’ayant besoin de courant que pendant une fraction réduite du cycle de fonctionnement - l’accès aléatoire au pixel est possible ce qui autorise la lecture directe de fenêtres dans l’image ou le sous-échantillonnage. - les CIS ne sont pas sujet à l’éblouissement. Toutefois, cette architecture est également à l’origine d’un inconvénient lié à la dispersion des caractéristiques individuelles des éléments actifs (tension de seuil notamment) utilisés pour les suiveurs intra pixels et les amplificateurs du signal des colonnes qui engendre des différences de gain et d’offset et qui provoque un bruit spatial fixe (FPN- Fixed Pattern Noise) dans l’image. La lecture différentielle effectuée élimine la dispersion de pixel à pixel ("FPN pixel") et le terme le plus gênant est la dispersion de colonne à colonne ("FPN colonne"). Des méthodes et circuits ont été développées pour éliminer ce terme essentiellement basées sur des architectures différentielles de lecture. On peut également noter que la présence au sein du même circuit de détecteurs et de fonctions logiques, au minimum d’accès aux lignes et colonnes peut entraîner un bruit de substrat non présent dans les CCD qui doit faire l’objet de précautions particulières. 3. L’impact des procédés de fabrication sur les performances 3.1 Les exigences des capteurs d’images Les procédés de fabrication utilisés pour les capteurs d’image ont pour objectif d’atteindre des performances élevées sur plusieurs plans : - un rendement de détection élevé, ce qui implique (figure 13) outre un facteur de remplissage maximal:  une bonne transmission des photons vers le silicium pour limiter les réflexions, l’absorption et les effets interférentiels qui peuvent conduisent à une limitation de la transmission des couches superficielles du photosite.  une efficacité de collection élevée des photoélectrons sur une plage de longueur d’onde étendue. L’absorption des photons s’opère sur des profondeurs de plus en plus importante quand la longueur d’onde croit (figure 14); pour les longueurs d’onde du domaine visible, par exemple à 520 nm, la totalité des photons est absorbée dans une profondeur de 5µ mais à 630nm, seulement 90 % des photons sont absorbés à la même profondeur. Si l’absorption intervient une région où règne le champs électrique, comme dans une zone déplétée, la collection des porteurs de charge générés est quasiment de 100%, mais si les porteurs sont générés dans le substrat neutre, leur devenir sera déterminé par un mécanisme de diffusion et seule, une partie de ces charge sera collectée, les autres étant recombinées ou collectées finalement par un pixel voisin (phénomène de diaphotie) - un faible courant d’obscurité pour ne pas limiter l’usage du capteur lors des poses longues et causer un bruit important. Au signal d’obscurité est en effet associé une bruit de grenaille (Shot noise) dont la distribution est poissonnienne, et si (en électrons) est la charge d’obscurité intégrée pendant la pose, il en résulte un bruit dit de courant d’obscurité égal à ( en électrons RMS). Il est très dépendant de la température et double typiquement tous les 7 à 8 °C. - une charge stockable (Qsat) élevée afin d’obtenir une dynamique DR large qui permettra l’utilisation du capteur aussi bien à faible qu’à fort flux lumineux. avec charge de saturation, charge d’obscurité et bruit de lecture , bruit d’obscurité, en électrons RMS 3.2 La technologie des CCD : C’est une technologie désormais très mature qui est optimisée pour satisfaire les besoins précédents en optimisant , à la fois les matériaux (qualité et résistivité des substrats , diélectriques), les profils de dopages et les étapes du procédé pour obtenir une efficacité de collection élevée et une efficacité de transfert de presque 100% comme mentionnée précédemment ; en effet, l’utilisation de couches épitaxiées de résistivité assez élevée et de tensions appliquées d’amplitudes substantielles (souvent supérieures à 10V) permettent une action du champ électrique sur des profondeurs de 7 à 10µ. Le courant d’obscurité des CCD est aujourd’hui amené à des niveaux très bas , avec des densités de quelques dizaines de pA/cm2, ce qui correspond par exemple à un courant de l’ordre de 10 atoA pour un pixel de 7µm x7µm avec une densité de courant d’obscurité de 20 pA/cm2. Les valeurs les plus basses (quelques pA/cm2 ) sont obtenues par utilisation du mode dit en inversion (MPP- Multi Phase Pinned) qui permet de réduire la composante de surface du courant d’obscurité. en inversant localement le type du canal enterré. Des dynamiques de 75 dB sont obtenues avec des bruits de lecture de 15 électrons RMS à 10 MHZ. Il faut noter que la charge maximale en saturation (typiquement de l’ordre de 40000 à 100000 électrons pour des pixels de 7 à 9 µm de pas) est principalement déterminée par le profil du potentiel dans le canal et qu’elle fait l’objet d’une optimisation poussée. Les technologies CCD sont en constante amélioration, notamment dans deux directions principales : - le rendement de détection, par l’utilisation de matériaux de grille transparents et conducteurs comme l’Indium Tin Oxide (ITO), notamment par Kodak, qui permet d’obtenir un gain important dans la transmission de la grille (courbe ITO sans dispositif anti-éblouissement de la figure 15 à comparer avec la courbe pleine trame-grille poly de la figure 5). - le gain de conversion qui, par réduction de la capacité du nœud flottant à l’entrée du suiveur de sortie, peut atteindre des valeurs supérieures à 10µV/e. Poussé par les besoins de la photographie numérique, ce dynamisme a permis le développement de capteurs avec de très petits pixels (2,4µm) ou de très grand format comme le CCD 7Kx9K pixels au pas de 12µm de Dalsa (ex Philips) réalisés par photocompositage sur tranches (« stitching »). La technologie CCD permet d’accéder aux performances extrêmes en terme d’efficacité de détection, comme le montre la figure 15, en utilisant des CCD éclairés par la face arrière, à substrat aminci (à l’état de membrane) et associé à des couches anti-réflexions. On s’affranchit alors de l’effet de la transmission des couches superficielles des CCD éclairés par l’avant. Ces CCD amincis, extrêmement coûteux, que seules quelques sociétés dans le monde (dont une seule en Europe) peuvent fabriquer, sont utilisés par exemple en astronomie professionnelle et dans certains instruments d’observation (télescope spatial Hubble par exemple). On peut, de plus, étendre le domaine spectral de réponse dans l’UV par des traitements appropriés (UV coating, phosphores ), dans l’Infra-Rouge proche grâce aux CCD dit "profondément déplétés" à substrat fortement résistif, ou pour les rayons X à l’aide de scintillateurs. Cependant, les procédés CCD, de par leur spécialisation pour l’imagerie, ne permettent pas facilement l’intégration de fonctions électroniques performantes. Celle-ci nécessiterait en effet des transistors performants des deux types N et P. Aussi, seule la fonction capteur d’images est généralement implantée. Ces procédés sont entièrement spécifiques et leur évolution s’effectue en marge de celles des filières de l’industrie microélectronique et ne profite pas du dynamisme de ces dernières. Les tranches sont de diamètre maximal 6 pouces contre typiquement 8 pouces pour les procédés CMOS et les lithographies ne sont généralement que faiblement submicroniques. Le nombre d’acteurs est limité; on peut citer par exemple pour les marchés d’imagerie professionnelle Kodak, Dalsa (qui a récemment acquis la partie imagerie de Philips), Sony, EEV,Atmel, Site et les innovations proviennent souvent de celles qui sont positionnées sur les marchés dont les volumes sont importants et qui peuvent justifier les investissements lourds nécessaires à la modernisation de leurs équipements. Les marchés des applications grand public sont dominés par les fabricants japonais ( Sony, Matshushita, NEC, Toshiba, Fuji, … ). 3.3 Forces et faiblesse des technologies CMOS pour les capteurs d’images à Pixels Actifs Les capteurs d’images à Pixels Actifs peuvent utiliser les procédés standards CMOS de grande diffusion développés pour les circuits numériques, les mémoires et les circuits mixtes de télécommunication ou de traitement du signal. L’utilisation des niveaux réduits de tension d’alimentation (5V ou 3,3V) de ces procédés, alliés aux avantages de l’architecture mentionnés plus haut, conduit à une très faible consommation de puissance du capteur d’images seul (50-100mW). Cependant , les cœurs de procédé CMOS utilisent des couches épitaxiées assez fortement dopées et n’offrent, pour réaliser les photodiodes, que les jonctions de source/drain de transistors ou caisson/substrat. Celles-ci, de faible extension de charge d’espace (1 ou 2 µm), ont une réponse spectrale limitée pour les pixels de petit pas dont le facteur de remplissage est nécessairement réduit. La collection des charges dans ce cas met en jeu majoritairement le phénomène de diffusion. De plus, les multiples niveaux d’interconnexion des procédés CMOS et leur évolution, dictée par le besoin de réduire les capacités parasites, conduisent à une topologie de couches superficielles qui en réduit la transmission optique. Les photodétecteurs réalisés sur les procédés CMOS standards, s’ils permettent d’atteindre des performances en détection très honorables et d’adresser nombre d’applications (voir plus loin l’article sur les applications spatiales des CIS) n’atteignent pas le niveau des photodétecteurs optimisés des procédés CCD que ce soit sur le plan du rendement de détection ou du courant d’obscurité (typiquement de l’ordre de 0,5 à 1 nA/cm2 pour des procédés CMOS standard). Aussi, les fondeurs intéressés par les marchés de volumes de l’imagerie (webcam, mobiles, etc…), qui souhaitent des circuits de taille réduite pour obtenir de bons rendements et recherchent de petits pixels, ont ils, sur la base des cœurs des procédés, ajouté des modules permettant d’obtenir des photodiodes à performances améliorées en détection et à courant d’obscurité réduit (de 50 à 200pA/cm2). Ces améliorations sont pour la plupart issues des travaux sur les technologies CCD; ainsi, les CIS utilisent des microlentilles et des filtres couleurs identiques à ceux des CCD. Les procédés CIS tirent ainsi bénéfice de l’augmentation régulière de la finesse lithographique des technologies mères (développées pour les applications numériques) pour permettre la réduction du pas du pixel et la réalisation de circuits de plus grande résolution et /ou l’augmentation du facteur du remplissage du pixel; actuellement les développements s’effectuent sur des procédés 0,35µm ou 0,25µm mais la migration vers les procédés 0,18µm va commencer à s’opèrer en 2003. Ils restent compatibles avec les cœurs des procédés mixtes dont ils sont issus, et autorisent l’intégration monolithique de fonctions de séquencement et de traitement du signal du niveau de la caméra, parfois sous forme de cellules IP. La figure 16 montre des microphotographies qui illustrent la nature mixte des circuits capteurs d’images CMOS, où les parties purement numériques sont conçues selon les méthodologies des circuits purement numériques (description VHDL/VERILOG + synthèse + placement-routage automatique).Dans le capteur Kodak KAF 310 de format VGA pris en exemple, sont disponibles les fonctions de séquencement, de gain programmable pour le réglage de l’exposition (ou la balance des blancs dans le cas de capteurs couleur), la compensation des offsets et du FPN colonne, la génération interne des polarisations et un convertisseur A/N sur 10 bits. La mise en œuvre des capteurs CMOS est simplifiée par la compatibilité directe des niveaux de tension avec les circuits numériques et le haut degré d’intégration des fonctions de gestion du capteur et de la caméra, qui autorisent une interface simplifiée ( souvent un bus I2C). Le capteur apparaît comme un périphérique de micro-calculateur, qui fournit un signal d’image numérisé. Il en résulte une miniaturisation des caméras et une réduction importante de leur puissance dissipée. La figure 17 montre l’exemple d’une micro caméra (1" de côté) développée à SUPAERO sur la base d’un chipset AGILENT, pour être embarquée à bord d’un micro-aéronef d’observation et fournissant des images au format VGA (640 x 480 pixels) comprimées en JPEG, transmises (à 15 images/sec) par un modulateur numérique à saut de phase (BPSK/QPSK) réalisé dans un FPGA et véhiculées par une porteuse à 2,4 GHz. Les performances des capteurs des capteurs CMOS réalisés sur les procédés CIS sont très comparables à celle des CCD classiques éclairés par l’avant. La figure 18 montre le rendement de détection d’un capteur CMOS Megapixels (Kodak KAC1310) au pas de 6 µm avec un facteur de remplissage de 40%, sans microlentille. Si l’on met cette courbe à l’échelle d’un pixel de 9µm x 9 µm, le facteur de remplissage devient 73% et en première approximation, la courbe est multiplié par 1,8 et donne une valeur crête de l’ordre de 50%. Les produits CMOS qui utilisent des microlentilles (qui ramènent le facteur de remplissage équivalent à une valeur de l’ordre de 80 à 90%) présentent des efficacités de détection comprises entre 50 et 60%. Les dynamiques sont typiquement de l’ordre de 60 dB sous 3,3V avec une charge maximale typique de 50000 à 60000 électrons pour de pixels de 5,6µm à 7 µm de pas, et les sensibilités pour le domaine visible de 2 à 3 V/Lx.s. Un large choix de capteurs aux formats CIF,VGA et SXGA ( 1,3Mpixels) est maintenant disponible. Un capteur CMOS bimégapixel au pas de 5µm (avec microlentilles) introduit récemment par Rockwell pour la TV Haute définition (Réf. 6), présente un rendement de détection crête de 69% ( et supérieur à 55% sur la bande 450nm-700nm) et une dynamique est de 68 dB et prouve ainsi les énormes progrès accomplis dans l’intégration de photodétecteurs performants dans les procédés CMOS. Pour les applications exigeant une tenue élevée aux effets radiatifs (tant de dose que de déplacement) qui posent problème aux capteurs d’images CCD, les CIS offrent des avantages certains, les procédés CMOS fortement submicroniques présentant naturellement une tenue améliorée aux radiations. Des CIS ont ainsi sans design particulier atteint des niveaux de quelques dizaines de KRads et l’adoption des techniques de durcissement par design a permis d’atteindre des niveaux de plusieurs Mrads (Réf. 7). On peut noter enfin le développement de capteurs CMOS à double mode de réponse en flux linéaire / logarithmique, qui autorise des dynamiques de scènes extrêmement larges, supérieures à 100 dB, que l’on trouve typiquement dans les systèmes de vision pour l’automobile. 4 L’avenir des capteurs d’image CCD et CMOS Les capteurs d’image CCD et CMOS continuent tous les deux à faire l’objet de travaux soutenus afin d’améliorer leur performances. Les CCD poursuivent leur route vers la perfection : ceux à grilles en ITO associés à des microlentilles, présentés en début d’année, atteignent quasiment le rendement de détection des CCD amincis éclairés en face arrière et vont concurrencer sérieusement ces derniers. La mise au point par EEV d’un procédé de multiplication de porteurs par ionisation par impact dans le registre horizontal ouvre l’accès à des applications nécessitant auparavant des intensificateurs de lumière. Pour la photographie numérique, les CCD continuent, grâce notamment à leur supériorité en courant d’obscurité et en qualité de collection des charges, d’être le candidat le plus souvent retenu dans la course aux formats toujours plus grands avec des pixels toujours plus petits (qui tendent d’ailleurs à perdre en sensibilité). Les CIS sont apparus sur ce marché à la fois par le bas (produits 1,3Mpixels) et par le haut grâce à l’adoption par CANON d’un capteur CMOS d’abord à 3 puis à 6 Mpixels pour équiper ses reflex numériques de haut de gamme. L’adoption par SIGMA d’un capteur CMOS Foveon couleur sans filtres rapportés conforte l’entrée des CIS sur ce marché où la qualité de l’image est le critère majeur. On peut noter également la réalisation de CIS au format 24 mm x 36mm (Scitex/Fill Factory et STMicroelectronics) pour le remplacement du film 35 mm, à l’aide des techniques de stitching mentionnées plus haut. L’adoption des procédés CIS de génération 0,25µm et 0,18µm devrait permettre à moyen terme, outre la réalisation de pixels de pas inférieur à 3µm, le développement de techniques nouvelles de réduction du bruit KTC dont on sent les prémices (ref 8). A court terme, les photodiodes totalement déplétées ("pinned photodiodes" mises au point pour les CCD) sont amenées vraisemblablement à se généraliser, elles fournissent en effet une bonne réponse dans le bleu, un faible courant d’obscurité et permettent d’obtenir un facteur de conversion élevé par transfert de charge vers un nœud de conversion isolé par un transistor de transfert ( topologie de pixel presque identique à celle d’un pixel photogrille) ainsi qu’ une élimination du bruit KTC. La possibilité qu’offrent les capteurs CMOS de mélanger au sein du même circuit des fonctions de nature différente (capture d’image et traitement du signal) ouvre la voie à la possibilité de réaliser de nouvelles applications, soit sous forme de produits standards, soit sous forme de capteurs d’images dédiés (ASIC capteur d’images). Cette mixité des fonctions de détection et de traitement peut même intervenir au sein ou à proximité directe du pixel pour permettre la réalisation de rétines artificielles (Ref 9). De nouvelles configurations de capteurs non monolithiques dites " above IC" commencent à apparaître: - soit hybrides selon l’organisation des détecteurs hybridés pour l’Infrarouge, c’est à dire constitués de photodiodes réalisées sur une couche détectrice en silicium aminci et connectées à un circuit de lecture CMOS par des billes d’indium (produit Rockwell HiVisy). On atteint alors les performances des CCD amincis en rendement de détection et un niveau de bruit très bas grâce à l’architecture CIS. - par utilisation de film détecteur en silicium amorphe a-Si-H déposé sur le dessus d’un circuit de lecture CMOS (technologie TFA-Thin Film on ASIC) qui semble très prometteuse pour les applications du domaine visible. Il est vraisemblable que la concurrence des deux technologies CCD et CIS tirera chacune vers des performances encore plus élevées au service d’applications existantes ou nouvelles, mais aussi que la logique économique jouera un rôle important dans le devenir de ces deux filières. Références Réf. 1 Solid State Imaging with Charge-Coupled Devices , Albert J.P. Theuwissen, Kluwer Academic Publishing , 1995. Réf. 2 Scientific Charge-Coupled Devices, J. Janesick, SPIE Press 2001 Réf. 3 Analysis and reduction of signal readout temporal noise in CMOS image sensors for low-light level Y.Degerli, P.Magnan and al, IEEE Transactionson Electron devices, Vol47, n° 5, May 2000 Réf. 4 A smart CMOS Imager with On-Chip High Speed Windowed Centroiding Capability G.Yang and al, IEEE Workshop on CCD and Advanced Image Sensor, Nagano ,Juin 1999 Réf. 5 On-Chip Focal Plane Filtering for CMOS Imagers, J.Huppertz and al, IEEE Workshop on CCD and Advanced Image Sensor, Nagano ,Juin 1999 Réf. 6 Advanced imaging sensors at Rockwell Scientific Company, J. Montroy et al. SPIE proceeding vol. 4721, Avril 2002 Réf. 7 Multi-megarad(Si) radiation tolerant integrated CMIS imagers B.R Hancock al. SPIE Proceedings vol. 4306, Janvier 2001 Réf. 8 A four transitors capacitive feedback Reset Active Pixel and its Reset noise reduction capability. I.Takayanagi and al, IEEE Workshop on CCD and Advanced Image Sensor, Lake tahoe , Juin 2001 Réf. 9 A retina/V1 simple cell chip for physiology experiment design. T.Delbruck and al, IEEE Workshop on CCD and Advanced Image Sensor, Lake tahoe , Juin 2001 Biographie Pierre MAGNAN est actuellement Professeur d’Electronique à SUPAERO (Toulouse), où il dirige un laboratoire de recherche (CIMI) qui développe des capteurs d’images CMOS pour applications spécifiques, notamment du secteur aéronautique et spatial. Ancien élève de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, il est agrégé de Génie Electrique en 1981 puis, titulaire en 1982 d’un DEA de Microélectronique de l’Université d’Orsay, il travaille d’abord au LAAS-CNRS (Toulouse) sur la conception de circuit intégrés CMOS analogiques et rejoint SUPAERO en 1995 pour développer des capteurs d’images CMOS à pixels actifs. Il est membre de l’IEEE.