CN103378109A - 用于垂直集成的背照式图像传感器的装置 - Google Patents

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Abstract

一种背照式图像传感器包括光电二极管以及位于第一芯片中的第一晶体管，其中，第一晶体管电耦合至光电二极管。背照式图像传感器进一步包括在第二芯片中形成的第二晶体管以及在第三芯片中形成的多个逻辑电路，其中，第二芯片堆叠在第一芯片上并且第三芯片堆叠在第二芯片上。逻辑电路、第二晶体管和第一晶体管通过多个接合焊盘和通孔相互耦合。本发明还提供了用于垂直集成的背照式图像传感器的装置。

Description

用于垂直集成的背照式图像传感器的装置
技术领域
本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地来说，涉及图像传感器器件及其形成方法。
背景技术
随着技术的发展，由于CMOS图像传感器中固有的特定优点，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器超过传统的电荷耦合器件(CCD)获得普及。特别地，CMOS图像传感器可以具有高图像采集速率、较低操作电压、较低功耗以及较高抗扰性。此外，可以在与逻辑和存储器件相同的大规模晶圆加工线上制造CMOS图像传感器。结果，CMOS图像芯片可以包括图像传感器和全部必要的逻辑电路，诸如，放大器、A/D转换器等。
CMOS图像传感器是像素化金属氧化物半导体。CMOS图像传感器通常包括感光图像元件(像素)的阵列，每一个都可以包括晶体管(开关晶体管和复位晶体管)、电容器以及感光元件(例如，光电二极管)。CMOS图像传感器利用感光CMOS电路将光子转换成电子。感光CMOS电路通常包括在硅衬底中形成的光电二极管。当光电二极管暴露在光下时，在光电二极管感应出电荷。当光从主题场景(subject scene)入射在像素上时，每个像素可以生成与落在像素上的光量成比例的电子。而且，电子被转换成像素中的电压信号并且通过A/D转换器进一步转换成数字信号。多个外围电路可以接收数字信号并且处理这些数字信号以显示主题场景的图像。
CMOS图像传感器可以包括多个附加层，诸如，在衬底的顶部上形成的介电层和互连金属层，其中，互连层被用于耦合光电二极管和外围电路。具有CMOS图像传感器的附加层的一侧通常称为正面，而具有衬底的一侧称为后侧。根据光路差异，CMOS图像传感器可以进一步被分成两个主要种类，即，前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传感器。
在FSI图像传感器中，来自主题场景的光入射到CMOS图像传感器的正面，通过介电层和互连层，并且最后落在光电二极管上。在光路中的附加层(例如，不透明和反射金属层)可以限制由光电二极管吸收的光量，从而减少量子效率。相反，在BSI图像传感器中没有来自附加层(例如，金属层)的障碍物。光入射到CMOS图像传感器的背面。结果，光可以通过直接路径到达光电二极管。这样的直接路径帮助增加转换成电子的光子的数量。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种方法，包括：提供第一芯片，所述第一芯片包括光有源区和耦合至所述光有源区的图像传感器的第一晶体管；在所述第一芯片的第一侧上形成第一接合焊盘；提供第二芯片，所述第二芯片包括：所述图像传感器的第二晶体管；位于所述第二芯片的第一侧上的第二接合焊盘；位于所述第二芯片的第二侧上的输入/输出端子；以及耦合在所述输入/输出端子和所述第二接合焊盘之间的通孔；在所述第二芯片上堆叠所述第一芯片，其中，所述第一接合焊盘与所述第二接合焊盘对准；以及接合所述第一芯片和所述第二芯片，其中：所述第一芯片的第一侧上的所述第一接合焊盘电耦合至所述第二芯片的第一侧上的所述第二接合焊盘；以及所述图像传感器的所述第一晶体管电耦合至所述图像传感器的所述第二晶体管。
该方法进一步包括：在所述第二芯片的第一侧上形成第三接合焊盘，其中，所述第三接合焊盘耦合至所述第二芯片的逻辑电路；以及在所述第一芯片的第一侧上形成第四接合焊盘，其中，在接合所述第一芯片和所述第二芯片的步骤之后，所述第四接合焊盘电耦合至所述第三接合焊盘。
在该方法中，所述输入/输出端子是铝铜焊盘。
该方法进一步包括：在接合所述第一芯片和所述第二芯片的步骤之后，使所述第一芯片的第二侧变薄至第一厚度。
在该方法中，所述第一厚度在约2um至约2.15um的范围内。
该方法进一步包括：通过多个互连部件将第三芯片接合在所述第二芯片的顶部上，其中，所述第三芯片包括逻辑电路。
在该方法中，所述第一芯片包括所述图像传感器的转移晶体管；所述第二芯片包括所述图像传感器的复位晶体管、选择晶体管以及源极跟随器；以及所述第三芯片包括耦合至通过所述转移晶体管、所述复位晶体管、所述选择晶体管以及所述源极跟随器形成的四晶体管图像传感器电路的逻辑电路。
该方法进一步包括：在具有第一导电性的衬底上生长外延层；在所述外延层中注入具有第二导电性的离子以形成第一光有源区；在所述外延层中注入具有第一导电性的离子以形成第二光有源区；以及使所述衬底的背面变薄，直到暴露所述外延层为止。
根据本发明的另一方面，提供了一种装置，包括：背照式图像传感器芯片，包括：第一晶体管，邻近所述背照式图像传感器芯片的第一侧；第一接合焊盘，形成在所述背照式图像传感器芯片的第一侧中；和光有源区，邻近所述背照式图像传感器芯片的第二侧；以及第二芯片，包括：第二晶体管；输入/输出焊盘，形成在所述第二芯片的第二侧上；第二通孔，耦合在所述第二晶体管和所述输入/输出焊盘之间；和第二接合焊盘，形成在所述第二芯片的第一侧中，其中，所述第二芯片和所述背照式图像传感器芯片面对面地接合在一起，并且所述第一接合焊盘电耦合至所述第二接合焊盘。
该装置进一步包括：p+层，形成在所述背照式图像传感器芯片的第二侧上；滤色器层，形成在所述p+层上；以及微透镜层，形成在所述滤色器层上。
该装置进一步包括：第三芯片，堆叠在所述第二芯片上，其中，所述第三芯片包括通过导电沟道耦合至所述第二芯片的所述第二晶体管的逻辑电路，所述导电沟道通过所述第三芯片中的第三通孔、形成在所述第二芯片和所述第三芯片之间的互连部件以及所述第二芯片的第二通孔形成。
在该装置中，所述光有源区是光电二极管。
在该装置中，所述第一晶体管通过所述第一接合焊盘和所述第二接合焊盘电耦合至所述第二晶体管。
在该装置中，所述第一晶体管是四晶体管背照式图像传感器的转移晶体管。
在该装置中，所述第二晶体管是四晶体管背照式图像传感器的复位晶体管。
根据本发明的又一方面，提供了一种器件，包括：光电二极管，位于第一芯片中，所述光电二极管邻近所述第一芯片的第二侧；第一晶体管，形成在所述第一芯片中并且电耦合至所述光电二极管，所述第一晶体管耦合至形成在所述第一芯片的第一侧中的第一接合焊盘；第二晶体管，形成在第二芯片中并且耦合至形成在所述第二芯片的第一侧中的第二接合焊盘，其中：所述第二芯片与所述第一芯片接合；并且所述第二接合焊盘电耦合至所述第一接合焊盘；以及逻辑电路，形成在第三芯片中并且通过多个互连部件耦合至所述第二芯片的所述第二晶体管，其中，所述第三芯片堆叠在所述第二芯片上。
在该器件中，所述第一晶体管是转移晶体管；以及所述第二晶体管是复位晶体管。
该器件进一步包括：第三晶体管，形成在所述第二芯片中并且耦合至所述第二晶体管；以及第四晶体管，形成在所述第二芯片中并且耦合至所述第二晶体管。
在该器件中，所述第三晶体管是选择晶体管；以及所述第四晶体管是源极跟随器。
该器件进一步包括：在所述第三芯片的第二侧上形成的多个输入/输出端子，其中，所述输入/输出端子通过形成在所述第三芯片中的多个通孔耦合至所述逻辑电路。
附图说明
为了更完整地理解本公开内容以及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1示出根据一个实施例的四晶体管背照式图像传感器的示意图；
图2示出根据一个实施例的背照式图像传感器的横截面图；
图3示出根据另一个实施例的背照式图像传感器的横截面图；
图4具体示出根据一个实施例的图2所示的背照式图像传感器的像素及其相应逻辑电路的横截面图；
图5具体示出根据一个实施例的图3所示的背照式图像传感器的像素及其相应逻辑电路的横截面图；
图6是根据一个实施例的当对衬底实施正面离子注入工艺时的背照式图像传感器晶圆的横截面图；
图7示出根据一个实施例的在光有源区(photo active region)上方形成附加正面层之后的图6所示的半导体器件的横截面图。
图8是根据一个实施例的在晶圆被翻转并且接合在载具(carrier)上之后的背照式图像传感器晶圆的横截面图。
图9是根据一个实施例的在将变薄工艺应用于晶圆的背面之后的图8所示的背照式图像传感器晶圆的横截面图。
图10是根据一个实施例的在薄P+离子层应用于晶圆的背面之后的图9所示的背照式图像传感器晶圆的横截面图；
图11是根据一个实施例的在应用滤色器层之后的图10所示的背照式图像传感器晶圆的横截面图；
图12是根据一个实施例的在应用微透镜层之后的图11所示的背照式图像传感器晶圆的横截面图；
图13示出根据一个实施例的制造图3所示的背照式图像传感器的一种方法；
图14至图21示出根据一个实施例的制造图3所示的背照式图像传感器的另一种方法；以及
图22示出根据一个实施例的用于形成背照式图像传感器的方法的流程图。
除了另外指出，否则在不同的图形中，相应数字和符号通常是指相应部分。绘制附图以清楚地示出多种实施例的相关方面并且不必须按比例绘制。
具体实施方式
以下详细论述本实施例的制造和使用。然而，应该理解，本公开内容提供许多可以在各种具体环境中实现的可应用发明思想。所论述的特定实施例仅说明制造和使用本公开内容的实施例的特定方式，并且不限制本公开内容的范围。
本公开内容将关于特定上下文中的实施例，即，垂直集成背照式图像传感器进行描述。然而，本公开内容的实施例也可以被应用于各种图像传感器和半导体器件。此后，将参考附图详细说明多种实施例。
图1示出了根据一个实施例的四晶体管背照式图像传感器的示意图。四晶体管背照式图像传感器100包括在第一晶圆(未示出)中制造的第一部分100A和在第二晶圆(未示出)中制造的第二部分100B。更特别地，通过将第二晶圆堆叠在第一晶圆的顶部上并且经由多个互连件(诸如，接合焊盘)将两个晶圆接合在一起，第一晶圆中的电路电耦合至第二晶圆中的电路。以下将关于图2详细论述堆叠管芯结构的详细说明。
第一部分100A包括光电二极管PD和串联连接的第一晶体管M1。尤其是，光电二极管PD具有耦合至地的阳极和耦合至第一晶体管M1的源极的阴极。根据一个实施例，第一晶体管M1是转移晶体管并且具有耦合至传输线的栅极。第一晶体管M1的漏极通过多个接合焊盘耦合至第二部分100B(未示出，但是在图2中示出)。
第二部分100B包括第二晶体管M2、第三晶体管M3以及第四晶体管M4。第一晶体管M1的漏极耦合至第二晶体管M2的源极和第三晶体管M3的栅极。用作复位晶体管的第二晶体管M2具有耦合至复位线RST的栅极。第二晶体管M2的漏极耦合至电压源VDD。第二晶体管M2用于预置在第三晶体管M3的栅极处的电压。第三晶体管M3的漏极耦合至电压源VDD，并且第三晶体管M3的源极耦合至第四晶体管M4。第三晶体管M3是提供用于四晶体管图像传感器100的高阻抗输出的源极跟随器。第四晶体管M4用作选择晶体管。第四晶体管M4的栅极耦合至选择线SEL。第四晶体管M4的源极耦合至输出线，该输出线耦合数据处理电路(未示出)。
在操作中，光到达光电二极管PD的光有源区。因而，光电二极管PD生成与光的强度或亮度成比例的电荷。通过经由应用于第一晶体管M 1的栅极的传输信号使能第一晶体管M1来传输电荷。通过第一晶体管M1从光电二极管PD传送的电荷使能第三晶体管M3，从而允许与由光电二极管PD产生的电荷成比例的电荷从电压源VDD通过第三晶体管M3传送至第四晶体管M4。当需要采样时，使能选择线SEL，允许电荷流经第四晶体管M4到达耦合至第四晶体管M4的输出的数据处理电路(未示出)。
应该注意，图1示出在背照式图像传感器中的单个像素的示意图。可以复制图1中所示的像素的示意图并且可以增加电路，以向多个像素提供背照式图像传感器。应该进一步注意，尽管图1示出四晶体管结构中的像素，但是本领域中的技术人员应该理解，四晶体管示意图仅是一个实例，其不应该过度地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员应该认识到多种改变、替换和更改。例如，多个实施例可以包括但是不限制于三晶体管像素、五晶体管像素等。
图2示出根据一个实施例的背照式图像传感器的横截面图。背照式图像传感器200包括四个像素。每个像素都包括第一部分100A和第二部分100B。第一部分100A和第二部分100B可以共同称为图像传感器100。如图2所示，图像传感器100嵌入第一半导体晶圆110中。
如图2所示，第二半导体晶圆120堆叠在第一半导体晶圆110的顶部上。多个接合焊盘分别形成在第一半导体晶圆110和第二半导体晶圆120中。此外，位于第二半导体晶圆120的第一侧的接合焊盘(例如，接合焊盘123)与位于第一半导体晶圆110(例如，接合焊盘113)中的其相应接合焊盘面对面对准。第一半导体晶圆110和第二半导体晶圆120通过合适接合技术(诸如，直接接合)接合在一起。以下将关于图8描述直接接合工艺。
根据一个实施例，图2中所示的接合焊盘可以是圆形形状。接合焊盘(例如，接合焊盘113)的直径小于图像传感器像素(例如，第一部分110A)的间距。然而，接合焊盘的直径可以大于图像传感器像素的间距。例如，相邻图像传感器像素的接合焊盘可以设置在不同行处以形成交错接合焊盘。这样的交错接合焊盘可以允许接合焊盘具有大于图像传感器像素的间距的直径。
第二半导体晶圆120可以包括逻辑电路100C。逻辑电路100C可以是模数转换器。然而，逻辑电路100C仅代表多种类型的功能电路，可以在背照式图像传感器内利用多种类型的功能电路。例如，尽管逻辑电路100C可以是数据处理电路时，多种实施例还可以包括连接至背照式图像传感器的其他电路，诸如，存储器电路、偏压电路、参考电路等。
第二半导体晶圆120可以包括多个硅通孔152。可以通过合适光刻技术和蚀刻技术形成穿过第二半导体晶圆120的硅通孔152。通常，这些光刻技术涉及沉积光刻胶材料，光刻胶材料被掩蔽、曝光、显影以暴露将被去除的晶圆120的部分。剩余光刻胶材料保护下面的材料免受随后工艺步骤，诸如，蚀刻。
蚀刻工艺可以生成多个开口。根据一个实施例，开口的直径在约10um到约100um的范围内。根据硅通孔制造工艺，制造步骤可以包括沉积种子层，在种子层上电镀导电材料以及应用化学机械抛光(CMP)工艺。
逻辑电路100C可以耦合至多个输入/输出端子，诸如，铝铜焊盘132。如图2所示，铝铜焊盘132形成在第二半导体晶圆120的第二侧上。铝铜焊盘132可以通过由硅通孔152和互连金属线154形成的导电通路电耦合至逻辑电路100C。与具有被形成为邻近光电二极管的输入/输出端子的传统背照式图像传感器相比较，图2所示的结构可以通过在第二晶圆120的第二侧上形成铝铜焊盘132，进一步减小背照式图像传感器的形状因子。具有形成在第二晶圆120上的输入/输出端子的一个有益特征是密度，结果还可以改进背照式图像传感器200的量子效率。
图3示出根据另一个实施例的背照式图像传感器的横截面图。除了逻辑电路100C形成在第三晶圆130中之外，背照式图像传感器300类似于图2所示的背照式图像传感器200。如图3所示，第三晶圆130堆叠在第二晶圆120的顶部上。尤其是，第三晶圆130的第一侧通过多个互连部件125耦合至第二晶圆120的第二侧。根据一个实施例，可以通过多个微凸块来实现互连部件125。
逻辑电路100C可以耦合至多个输入/输出端子132。根据一个实施例，输入/输出端子132可以是多个铝铜焊盘。如图3所示，铝铜焊盘132形成在第三半导体晶圆130的第二侧上。铝铜焊盘132可以通过由硅通孔136和互连金属线134形成的导电通路电耦合至逻辑电路100C。另一方面，铝铜焊盘132还提供用于第二晶圆120的电路的信号通道。如图3所示，通过第三晶圆130中的硅通孔136、形成在第二晶圆120和第三晶圆130之间的微凸块以及第二晶圆120中的硅通孔形成这样的信号通道。
图4详细地示出根据一个实施例的图2所示的背照式图像传感器200的像素及其相应逻辑电路的横截面图。背照式图像传感器400形成在包括第一半导体晶圆110和第二半导体晶圆120的堆叠半导体结构中。通过本领域中已知的CMOS工艺技术制造第一半导体晶圆110。尤其是，第一半导体晶圆110包括位于硅衬底上方的外延层。根据背照式图像传感器的制造工艺，在背面变薄工艺中去除硅衬底，直到暴露外延层为止。如图4所示，外延层103的一部分保留。p-型光有源区105和n-型光有源区104形成在剩余外延层103中。
诸如，p-型光有源区105和n-型光有源区104的光有源区可以形成PN结，该PN结用作对应于图1所示的光电二极管PD的光电二极管。根据一个实施例，光有源区(例如，n-型光有源区104和p-型光有源区)形成在从p-型半导体衬底(未示出)生长的外延层103上。
第一半导体晶圆110进一步包括在外延层103上形成的隔离区114。如图4所示，光有源区104和105被隔离区包围。尤其是，隔离区帮助防止邻近像素(未示出)的串扰和干扰。根据一个实施例，隔离区114可以由P-型材料形成，诸如，硼、BF2等。另外，隔离区114可以包括浅沟槽隔离(STI)结构(未示出)。根据一个实施例，隔离区114具有约1012/cm3的掺杂浓度。隔离区114的掺杂深度在约0um到约2um范围内。
第一半导体晶圆110可以包括相对应于图1的第一晶体管M1的晶体管。晶体管包括栅电极204。尤其是，晶体管可以生成与照射在光有源区上的光的强度或亮度相关的信号。根据一个实施例，晶体管可以是转移晶体管。然而，晶体管可以是可以在背照式图像传感器内利用的多种类型的功能晶体管的一个实例。例如，尽管图4所示的晶体管是转移晶体管，但是多种实施例可以包括位于背照式图像传感器300内的其他晶体管，诸如，复位晶体管、源极跟随器晶体管或选择晶体管。可以在图像传感器中利用的所有合适晶体管和结构完全包括在实施例的范围内。
图4所示的晶体管包括在外延层103上方形成的栅极介电层202以及在栅极介电层202上方形成的栅电极204。可以通过本领域中已知的工艺形成并且图案化栅极介电层202和栅电极204。栅极介电层202可以是高-K介电材料，诸如，二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化物、含氮氧化物、氧化铝、氧化镧、氧化铪、氧化锆、氮氧化铪、它们的组合等。
根据一个实施例，栅极介电层202包括氧化物层，该氧化物层可以通过诸如湿或干热氧化的任何氧化工艺或通过使用四乙基正硅酸盐(TEOS)和氧作为前体的化学汽相沉积(CVD)技术形成。
栅电极204可以包括导电材料，诸如，金属(例如，钽、钛、钼、钨、铂、铝、铪、钌)、金属硅化物(例如，硅化钛、硅化钴、硅化镍、硅化钽)、金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽)、掺杂的多晶硅、其他导电材料或者它们的组合。根据一个实施例，通过由低压化学汽相沉积(LPCVD)沉积掺杂或未掺杂的多晶硅，栅电极204可以由多晶硅形成。
可以在外延层103中在栅极介电层202与光有源区104和105的相对侧上形成漏极/源极区206。根据一个实施例，漏极/源极区206可以通过注入诸如磷、砷、锑等的合适n-型掺杂剂形成。
如图4所示，层间介电(ILD)层208形成在包括光电二极管的衬底上方。ILD层208可以包括诸如硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)的材料，但是任何合适电介质都可以用于任一层。ILD层208可以使用诸如PECVD的工艺形成，但是可以可选地使用其他工艺，诸如，LPCVD。
可以存在耦合至栅电极204和漏极/源极206的多个接触件210。通过合适的光刻和蚀刻技术可以形成穿过ILD层208的接触件210。通常，这些光刻技术涉及沉积光刻胶材料，光刻胶材料被掩蔽、曝光和显影以暴露要去除的ILD层208的多部分。剩余光刻胶材料保护下面的材料免受随后工艺步骤，诸如，蚀刻。
接触件210可以包括势垒层/粘合层(未示出)以防止扩散并且提供用于接触件210的更好粘附性。在一个实施例中，势垒层是由一层或多层钛、氮化钛、钽、氮化钽等形成。势垒层可以通过化学汽相沉积形成，但是可以可选地使用其他技术。
接触件210可以由任何合适导电材料形成，诸如，高导电低阻抗金属、元素金属、过渡金属等。根据一个实施例，接触件210由钨形成，但是可以可选地利用其他材料，诸如铜。在接触件210由钨形成的实施例中，可以通过本领域中已知的CVD技术沉积接触件210，但是可以可选地使用任何形成方法。
在形成接触件210之后，可以存在形成在ILD层208上方的多个互连层。为了简单起见，只示出两个互连层，以表示多种实施例的发明方面。第一互连层212形成在ILD层208上方。如图4所示，第一互连层212可以包括分别耦合至栅电极204和漏极/源极区206的金属线214和216。可以通过任何合适形成工艺制造金属线214和216(例如，通过蚀刻、镶嵌、双镶嵌等的光刻)并且可以使用合适导电材料形成，诸如，铜、铝、铝合金、铜合金等。
第二互连层222形成在第一互连层212上方。第二互连层222可以包括接合焊盘224和226。根据一个实施例，接合焊盘224和226由诸如铜等的导电材料形成。如图3所示，接合焊盘224和226通过通孔228分别电耦合至金属线214和216。
图4所示的第二半导体晶圆120堆叠在第一半导体晶圆110的顶部上。第二半导体晶圆120可以包括逻辑电路100C。逻辑电路100C可以包括适用于图像处理的多种逻辑电路。根据一个实施例，第二半导体晶圆120包括数字电路。为了进一步减小形状因子和增加电路密度，可以在较小工艺节点上制造第二半导体晶圆120。
第二半导体晶圆120进一步包括接合焊盘254和256。如图4所示，接合焊盘254和256分别与接合焊盘224和226面对面对准。而且，诸如254的接合焊盘和诸如224的接合焊盘接合在一起，以形成均匀接合结构。换句话说，诸如254和224的接合焊盘是堆叠半导体结构的接合介质。以下关于图8详细描述第一半导体晶圆110和第二半导体晶圆120的接合工艺。
图4所示的堆叠半导体结构的有益特征在于，可以通过不同工艺节点制造光电二极管和诸如数据处理电路的逻辑电路。例如，可以在较小工艺节点中制造逻辑电路，使得可以相应地改进逻辑电路的成本和密度。另外，光电二极管和逻辑电路垂直集成到三维芯片中。这样的三维芯片帮助进一步减小形状因子。此外，基于三维芯片的图像传感器帮助削减功耗和防止寄生电容干扰。
图5详细地示出根据一个实施例的图3所示的背照式图像传感器300的像素及其相应逻辑电路的横截面图。除了在第三晶圆130中形成逻辑电路100C之外，背照式图像传感器500类似于图4所示的背照式图像传感器400。如图5所示，第三晶圆130堆叠在第二晶圆120的顶部上。可以存在在第二晶圆120和第三晶圆130之间形成的多个互连部件125。
图6至图12示出根据一个实施例的制造背照式图像传感器的一种方法。图6是根据一个实施例的当对衬底实施正面离子注入工艺时的背照式图像传感器的横截面图。背照式图像传感器晶圆600包括具有第一传导率的衬底102。根据一个实施例，衬底102是P-型衬底。衬底102可以由硅、锗、硅锗、分级硅锗(graded silicon germanium)、绝缘体上半导体、碳、石英、蓝宝石、玻璃等形成，并且可以分为多层(例如，应变层)。在p-型衬底102上生长p-型外延层103。
可以通过本领域中已知的离子注入或扩散工艺实现图6所示的光有源区。根据一个实施例，将p-型杂质离子从晶圆的正面注入到p-型外延层103中以形成p-型光有源区105。另外，从晶圆的正面注入n-型杂质离子，以形成n-型光有源区104。
背照式图像传感器晶圆600可以包括多个像素(未示出)，多个像素中的每个都包括由p-型光有源区(例如，光有源区105)和n-型光有源区(例如，光有源区104)形成的PN结。为了防止邻近像素之间的串扰和干扰，采用隔离区114来包围光有源区104和105。
根据一个实施例，隔离区114可以包括STI结构(未示出)。可以通过蚀刻衬底的一部分以形成沟槽并且用氧化物和/或其他介电材料填充该沟槽来形成STI结构。隔离区114帮助防止来自邻近像素的反射光到达光有源区104和光有源区105的影响。
图7示出根据一个实施例的在附加正面层形成在光有源区上方之后的图6所示的半导体器件的横截面图。ILD层208形成在外延层103上方。第一互连层212可以形成在ILD层208上方。第二互连层222形成在第一互连层212上方。第一互连层212的金属线和第二互连层222的接合焊盘可以通过等离子体蚀刻或镶嵌工艺进行图案化并且可以由适用于特殊应用的任何导电材料形成。合适的材料包括例如铝、铜、掺杂的多晶硅等。可以形成接触件210和通孔228，以提供在互连层212和诸如栅电极204和漏极/源极区206的下部电路之间的电连接。
图8是根据一个实施例的在晶圆被翻转和接合在载具250上之后的背照式图像传感器的横截面图。一旦形成互连层212和222，背照式图像传感器晶圆600被翻转并且进一步接合在载具250上。尤其是，背照式图像传感器晶圆600的正面面对载具250的正面。根据一个实施例，载具250是包括背照式图像传感器的逻辑电路的半导体晶圆。尤其是，在载具250上制造诸如像素电路、存储电路、数据处理电路等的复位晶体管的多种逻辑电路。
多种接合技术可以被用于实现在背照式图像传感器晶圆200和载具250之间的接合。根据一个实施例，合适接合技术可以包括直接接合、混合接合等。根据一个实施例，通过诸如接合卡盘(未示出)的接合结构，背照式图像传感器晶圆600被堆叠在室(未示出)中的载具250的顶部上。尤其是，背照式图像传感器晶圆600的接合焊盘(例如，接合焊盘224和226)与位于载具250处的它们相应的接合焊盘(例如，接合焊盘254和256)面对面对准。
可以对堆叠晶圆结构实施热压工艺。这样的热压法工艺可能导致铜间扩散。更具体地，接合焊盘的铜原子获得足够的能量以在两个邻近接合焊盘之间扩散。结果，均质铜层形成在两个邻近接合焊盘之间。这样的均质铜层帮助诸如224的接合焊盘和诸如254的接合焊盘形成均匀接合部件。均匀接合部件在背照式图像传感器晶圆600和载具晶圆250之间建立导电路径。另外，均匀接合部件还提供机械接合，以支持背面照度照式图像传感器晶圆600和载具晶圆250。
根据一个实施例，两个接合焊盘之间的对准精度小于0.9um。可以通过X方向移位、Y方向移位以及旋转角来限定对准精度。根据一个实施例，两个接合焊盘之间的X方向移位小于0.8um。两个接合焊盘之间的Y方向移位小于0.8um。两个接合焊盘之间的旋转角在约1度到约2度的范围内。
可以用诸如氩、氮、氦等的惰性气体在室中对堆叠半导体结构实施接合后退火工艺。堆叠半导体结构在大于150度的温度下被烘焙约三小时。结果，背照式图像传感器晶圆的接合焊盘和载具250的接合焊盘通过接合后退火工艺被可靠地接合在一起。
载具250包括多种功能电路。通过接合工艺，功能电路耦合至图像传感器像素，使得可以通过功能电路处理由图像传感器像素产生的电子。另外，载具250可以提供足够的机械支持，以抵抗由于变薄工艺的研磨步骤所产生的力。
图9是根据一个实施例的在变薄工艺被应用于晶圆的背面之后的图8所示的背照式图像传感器晶圆的横截面图。根据背照式图像传感器的制造工艺，使衬底变薄，直到去除衬底102(在图8中示出)并且暴露外延层103为止。更具体地，背照式图像传感器晶圆600的衬底的背面(例如，p-型外延层103的剩余部分)可以被变薄至在约2um到2.15um范围内的厚度。这样的薄衬底层允许光穿过衬底(未示出)并且到达嵌入衬底中的光电二极管，而没有被衬底吸收。
变薄工艺可以通过使用诸如研磨、抛光和/或机械蚀刻的合适技术实现。根据一个实施例，变薄工艺可以使用化学机械抛光(CMP)工艺实现。在CMP处理中，蚀刻材料和研磨材料的结合与衬底的背面接触，并且研磨焊盘(未示出)被用于研磨掉衬底的背面，直到达到期望厚度为止。
图10是根据一个实施例的在薄p+离子层应用于晶圆的背面之后的图9中所示的背照式图像传感器晶圆的横截面图。此外，薄p+离子层802可以形成在薄衬底的背面上，以增加转换成电子的光子的数量。p+离子注入工艺可能引起晶体缺陷。为了修复晶体缺陷并且激活注入的p+离子，可以对背照式图像传感器晶圆600的背面实施激光退火工艺。
图11是根据一个实施例的在应用滤色器层之后的图10所示的背照式图像传感器的横截面图。滤色器层902可以用于允许特定波长的光通过，而反射其他波长的光，因此允许图像传感器确定由光有源区104接收的光的颜色。滤色器层902可以改变，诸如红色、绿色、以及蓝色滤色器。也可以使用其他组合，诸如青色、黄色、洋红。滤色器902的不同颜色的数量也可以改变。
根据一个实施例，滤色器层902可以包括有着色或染色材料，诸如，丙烯酸。例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMS)是合适材料，可以通过该合适材料添加颜料或染料以形成滤色器层902。然而，可以使用其他材料。可以由本领域中已知的任何合适的方法形成滤色器层902。
图12是根据一个实施例的在应用微透镜层之后的图11所示的背照式图像传感器晶圆的横截面图。微透镜层1002可以由可以图案化和形成透镜的任何材料形成，诸如，高透光率丙烯酸聚合物。微透镜层1002的厚度为约0.1um到约2.5um。根据一个实施例，可以使用本领域中已知的液态材料以及旋涂技术来形成微透镜层1002。发现这种方法制造基本平坦的表面和具有基本均匀厚度的微透镜层1002，从而在微透镜中提供更好的均匀性。还可以使用诸如类似化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)等的沉积技术的其他方法。
图13示出根据一个实施例的图3所示的制造背照式图像传感器300的方法。再次参考图12，在通过直接接合将第一晶圆和第二晶圆接合在一起之后形成背照式传感器600。第三晶圆280可以通过多个互连部件125接合在第二晶圆上。根据一个实施例，互连部件125是形成在第二晶圆和第三晶圆之间的多个微凸块。
图14至图21示出根据一个实施例的图3所示的制造背照式图像传感器300的另一种方法。除了在图18所示的背面变薄工艺之前，第三晶圆280接合在图17的第二晶圆上之外，图14至图21与图6至图12相似。关于图6至图12描述诸如正面离子注入、正面互连层形成、变薄工艺的其他工艺，因此没有再次进行论述以避免不必要的重复。
图22示出根据一个实施例的用于形成背照式图像传感器的方法的流程图。在步骤2202中，将正面注入工艺应用于CMOS图像传感器晶圆以形成多个掺杂区，诸如，光有源区和隔离区。根据一个实施例，光有源区可以具有约2um的深度。
在步骤2204中，CMOS图像传感器晶圆被翻转并且被接合在载具上，其中，载具包括用于COMS图像传感器的逻辑电路。根据背照式图像传感器晶圆的制造工艺，对衬底的背面实施衬底变薄工艺，使得衬底的厚度被减小到2um。这种变薄衬底帮助允许光从衬底的背面传播。
在步骤2206中，通过离子注入工艺，可以在变薄衬底上形成薄p+离子层以改进量子效率。根据一个实施例，薄p+离子层具有在约
Figure BDA00001962992200161
到约1um范围内的厚度。在步骤2208中，对衬底的背面实施激光退火工艺，以修复由于p+离子注入造成的缺陷和激活p+离子。
虽然详细描述了本公开内容的实施例及其优点，但是应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开内容的精神和范围的情况下，可以在本文中进行多种改变、替换和更改。
此外，本申请的范围不旨在限于工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的组合的特定实施例。因为本领域普通技术人员根据本公开内容可以容易理解，根据本公开内容可以利用执行与在此描述的相应实施例基本相同的功能或者实现与其基本相同的结果的当前存在或随后开发的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。从而，所附权利要求旨在包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
提供第一芯片，所述第一芯片包括光有源区和耦合至所述光有源区的图像传感器的第一晶体管；
在所述第一芯片的第一侧上形成第一接合焊盘；
提供第二芯片，所述第二芯片包括：
所述图像传感器的第二晶体管；
位于所述第二芯片的第一侧上的第二接合焊盘；
位于所述第二芯片的第二侧上的输入/输出端子；以及
耦合在所述输入/输出端子和所述第二接合焊盘之间的通孔；
在所述第二芯片上堆叠所述第一芯片，其中，所述第一接合焊盘与所述第二接合焊盘对准；以及
接合所述第一芯片和所述第二芯片，其中：
所述第一芯片的第一侧上的所述第一接合焊盘电耦合至所述第二芯片的第一侧上的所述第二接合焊盘；以及
所述图像传感器的所述第一晶体管电耦合至所述图像传感器的所述第二晶体管。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述第二芯片的第一侧上形成第三接合焊盘，其中，所述第三接合焊盘耦合至所述第二芯片的逻辑电路；以及
在所述第一芯片的第一侧上形成第四接合焊盘，其中，在接合所述第一芯片和所述第二芯片的步骤之后，所述第四接合焊盘电耦合至所述第三接合焊盘。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入/输出端子是铝铜焊盘。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在接合所述第一芯片和所述第二芯片的步骤之后，使所述第一芯片的第二侧变薄至第一厚度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一厚度在约2um至约2.15um的范围内。
6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：
通过多个互连部件将第三芯片接合在所述第二芯片的顶部上，其中，所述第三芯片包括逻辑电路。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述第一芯片包括所述图像传感器的转移晶体管；
所述第二芯片包括所述图像传感器的复位晶体管、选择晶体管以及源极跟随器；以及
所述第三芯片包括耦合至通过所述转移晶体管、所述复位晶体管、所述选择晶体管以及所述源极跟随器形成的四晶体管图像传感器电路的逻辑电路。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在具有第一导电性的衬底上生长外延层；
在所述外延层中注入具有第二导电性的离子以形成第一光有源区；
在所述外延层中注入具有第一导电性的离子以形成第二光有源区；以及
使所述衬底的背面变薄，直到暴露所述外延层为止。
9.一种装置，包括：
背照式图像传感器芯片，包括：
第一晶体管，邻近所述背照式图像传感器芯片的第一侧；
第一接合焊盘，形成在所述背照式图像传感器芯片的第一侧中；和
光有源区，邻近所述背照式图像传感器芯片的第二侧；以及
第二芯片，包括：
第二晶体管；
输入/输出焊盘，形成在所述第二芯片的第二侧上；
第二通孔，耦合在所述第二晶体管和所述输入/输出焊盘之间；和
第二接合焊盘，形成在所述第二芯片的第一侧中，其中，所述第二芯片和所述背照式图像传感器芯片面对面地接合在一起，并且所述第一接合焊盘电耦合至所述第二接合焊盘。
10.一种器件，包括：
光电二极管，位于第一芯片中，所述光电二极管邻近所述第一芯片的第二侧；
第一晶体管，形成在所述第一芯片中并且电耦合至所述光电二极管，所述第一晶体管耦合至形成在所述第一芯片的第一侧中的第一接合焊盘；
第二晶体管，形成在第二芯片中并且耦合至形成在所述第二芯片的第一侧中的第二接合焊盘，其中：
所述第二芯片与所述第一芯片接合；并且
所述第二接合焊盘电耦合至所述第一接合焊盘；以及
逻辑电路，形成在第三芯片中并且通过多个互连部件耦合至所述第二芯片的所述第二晶体管，其中，所述第三芯片堆叠在所述第二芯片上。
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