Light, Camera, (very fast) Action!

世界を変化させているグローバルシャッター CMOS イメージセンサ技術

By: Dr. Assaf Lahav    |   March 16, 2020   |   Category: Technology 

現在使われているほとんどすべてのカメラには、CMOSイメージセンサ(CIS)が入っています。ほとんどの場合、このCISは、シーンをスキャンするために、いわゆるローリングシャッター(RS)アーキテクチャを使用します。シーン情報は、通常、上から下へ、または下から上へのいずれかの方向で連続的に、ラインごとにセンサの外側でキャプチャ、処理されます。シーンが移動対象を含む場合、またはカメラが比較的静止した対象に対して移動している場合、またはフラッシュライトが、画像スキャンと完全に同期していない場合でも、RSスキャンは、移動対象と相互作用し、多くのタイプの画像アーティファクトを生成する可能性があります。

A straight fence appears skewed when photographed from a moving car

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A straight fence photographed in still position

ローリングシャッター(RS)からグローバルシャッター(GS)ピクセル技術への進化

RSベースのセンサおよびカメラのこのようなよく知られた制限により、世界中のイメージセンサのエンジニアは、センサのすべてのピクセルにわたって同時に(または全体的に)画像が取り込まれる、よりロバストなアーキテクチャを有するセンサを設計するようになりました。このセンサアーキテクチャは、グローバルシャッタ(GS)として知られています。GSセンサ技術開発の主な要因は次のとおりです。 

(1) 生産ラインの高速で動く物体を監視または検査するためにカメラが使用される成長産業市場(例、バーコードラベルの正確かつ迅速な読み取り)

(2) 自動車市場では、移動中の車からより良い画像を生成するためにGSセンサが必要とされ、高速道路の料金所、駐車場における車のナンバープレートの自動登録、道路のリアルタイム監視や自動速度登録および発券に必要とされています。

(3) スポーツカメラ、ドローンカメラ、エッジデバイスの顔認証などの商業用途では、レーザーフラッシュを用いて顔にドットのグリッドを投影し、カメラを投影パターンと完全に同期させる必要があります。

標準的なRSカメラでは、センサ内の各画素は、感光素子として、また読出し素子のための情報記憶素子として二重に機能するフォトダイオード(PD)を有します。画素設計者の仕事は、読み出しがPDにも記憶されている情報に(ほとんど)直接結合されている間に、感光領域に当たる光子の数を最大にすることです。一方、GS画素は、PDが読み出し素子から完全に分離されているときに最高クラスとみなされます。これは、しばしば、メモリノード(MN)と呼ばれる、読み出されるまで、適切に信号情報を記憶することができる追加の素子を各画素に必要とします。光に対して非常に感度が高く、多くの光子を電子に変換する必要があるPDとは異なり、MNは、2つの異なるフレームから来る情報が「混合」するのを回避するために、入射光からできるだけ隔離される必要があります。記憶された画像は、現在読み込まれている前のフレームからの情報であり、ライン毎に読みだされます。一方、新しい入射光子は現在のフレームの信号に寄与します。

ローリングシャッターとグローバルシャッターピクセルカメラで撮影したシーンの比較
Global Shutter Demonstration
Rolling Shutter Demonstration

2006年までは、電荷結合素子(CCD)が世界の主要なGSセンサ技術であり、CISはほとんどがRSアーキテクチャに追いやられていました。現在、CIS GSは、高速移動シーンを追跡、監視するための最適なソリューションとして広く受け入れられています。

その間、タワーセミコンダクターは、CISベースのGSセンサの産業市場への普及を加速させるいくつかの画期的なプロジェクトに従事し、その後続いて、高度道路交通システム(ITS)市場などからの強い需要が来ました。私たちは世界最高水準のGSセンサ技術とクラス最高のGS画素を実現するファンドリソリューションのロードマップを継続的にけん引しました。

Gen 1: 当社の第一世代のGSピクセルは、比較的大きな(~約5um)サイズ、約~20eのノイズ、および約60dBのPDとMN間のデカップリング比を有する生産に入りました。タワーセミコンダクターのGS技術は、当時の最高クラスのCCDピクセルより比較的性能が低かったものの、CCD技術では難しい高解像度で且つ非常に高い速度でサポートできたことが主な理由として、市場で大きな成功をおさめました。これにより、産業用カメラのCCD技術からCIS技術への移行が始まりました。
Gen 2: 第2世代のピクセルは、インテル初のRealSense™IRカメラと協力して開発されました。もともとジェスチャーコントロールや3Dレンダリングのような商業用アプリケーションを対象としたもので、画素内で180nmプロセスと110nm金属配線プロセスを組み合わせることにより、2014年に産業用アプリケーション向けにその技術を適用しました。このイノベーションにより、約3eのノイズと約65dBの除去比(最小ピクセル比)で、3.6umの微細画素を提供できるようになりました。

Gen 3: 第3世代のGSは、日本のTPSCoで110nmのCu配線技術を用いて開発されました。このバージョンでは、このピクセルの小さなダイオード領域に光を集中させるのに役立つ2つの埋め込みマイクロレンズがあり、光がMNに到達するのを防ぐのに役立つタングステンシールド(クラス最高のCCDとまったく同じ)も組み込まれました 。ピクセルサイズは2.7umまで減少し、ノイズはさらに2eに減少し、除去比は70dBに増加しました。

Gen 4: 当社の最新世代となる第4世代が、今年初めに発表されました。これは、当社の300mm、65nmライトパイプ技術と改良されたタングステンシールドに基づいており、Gen3の性能がさらに向上しています。この技術により、優れた性能を有する初の2.5um GSピクセル(参考文献IEDMIISW)を導入することができ、現在、ピクセルサイズをさらに2.2umに縮小する最終開発段階にあります。

次世代: 今後を見据え、BSI(Back-Side Illumination)技術をベースとした次世代GSピクセルの開発を進めています。この世代は、プロセス統合とデバイス設計の新しい革新を取り入れて、MNを不要な光から隔離し、フォトダイオードへの光入射を最大化します。

Tower Semiconductor Global Shutter Pixel Cross Section 

2.8umGS.jpg
2.8um GS pixel in 110nm node (used in 43MP, 16MP, 12MP, 8MP, 5MP, 2MP)
2.5um GS in 65nm node, used in 25MP, 67MP and more

最後に、GSベースのセンサは、数々の市場において急速に採用されており、イメージセンサ市場全体よりも速いTotal Addressable Market成長を経験しています。当社のピクセルポートフォリオは、当社の機能と組み合わせて、あらゆるファンドリ世界最高クラスのGS製品として認められており、世界クラスの製品を市場に投入するために、マーケットリーダーと密接に連携しています。

テクノロジーについての詳細は、こちらをご覧ください

Global Shutter Pixel Technology Roadmap

Dr. Assaf Lahav

CIS Research & Development  Expert and Tower Semiconductor Fellow

Dr. Lahav joined Tower Semiconductor in 2001 and became a Tower Semiconductor Fellow in 2018. He has worldwide responsibility over the Company’s CMOS image sensor (CIS) technology offering. His research is focused on low noise global shutter technology, high resolution NIR imaging and back side illumination devices.

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