CN104092963B - 一种可重构的cmos图像传感器芯片及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构CMOS图像传感器芯片，包括多个图像传感器芯片单元，每个图像传感器芯片单元包括上下两层芯片，其中，上层芯片为背照感光式芯片，其正面具有像素阵列，背面形成硅通孔结构，所述硅通孔结构用于在上下两层芯片间形成垂直导通以将所述像素阵列输出的模拟信号引出；下层芯片的正面具有互连结构、数据处理电路以及数据输出电路；所述互连结构的顶层金属互连位于与所述硅通孔结构对应的位置并与硅通孔结构电连接；数据处理电路与所述互连结构相连并将所述模拟信号转换为数字信号；数据输出电路与所述数据处理电路相连，用于将数字信号输出。本发明能够提高图像传感器芯片的设计效率和可靠性。

Description

一种可重构的CMOS图像传感器芯片及其形成方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种可重构的CMOS图像传感器芯片。

背景技术

图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件)两大类。CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。

传统的CMOS图像传感器采用的前感光式(FSI，Front Side Illumination)技术，即前照技术。前照技术的主要特点是在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联以及光管孔(Light Pipe)。其优点是：工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低；光管孔填充材料折射率可调；有利于提高入射光的透射率，减少串扰等。然而，由于光线首先需要经过上层的金属互连层才能照射到下方的感光二极管，因此前照技术的填充因子和灵敏度通常较低。

随着像素尺寸的变小，提高填充因子越来越困难，目前另一种技术是从传统的前感光式变为背部感光式(BSI，Back Side Illumination)，即背照技术。背照技术的主要特点是首先在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联，然后对硅片背面进行减薄(通常需要减薄至20um以下)，并通过对于背部感光式CMOS传感器最重要的硅通孔技术(TSV，Through-Silicon-Via)将感光二极管进行互联引出。硅通孔技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。由于互联电路置于背部，前部全部留给光电二极管，这样就实现了尽可能大的填充因子。硅通孔技术的优点是照射到感光二极管的入射光不受金属互连影响，灵敏度较高，填充因子较高。

然而不论是背部感光式CMOS图像传感器还是传统的前感光式CMOS图像传感器，对于传感器芯片设计者来说，对于不同类型(例如不同像素分辨率或不同感光区域大小)的图像传感器都需要进行一次完整的芯片设计，比如，设计一款400万像素的图像传感器芯片与设计一款6400万像素的图像传感器芯片的工作量相当，虽然在设计过程中两者可以共享部分IP(例如用于信号处理的ADC、驱动缓冲器等)，但是每个设计仍然需要遵循整个设计流程，包括前端的芯片系统布局、后端的信号连线等，这样耗费了设计者大量的精力。如果提出一种可重构的图像传感器系统架构，将能够极大地简化设计者的工作量，同时也确保了大规模图像传感器芯片的设计成功率。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种提高设计效率及可靠性的图像传感器芯片。

为达成上述目的，本发明提供一种可重构CMOS图像传感器芯片，包括多一个图像传感器芯片单元，每个所述图像传感器芯片单元包括上下两层芯片，其中，上层芯片为背照感光式芯片，其正面具有像素阵列，背面形成硅通孔结构，所述硅通孔结构用于在所述上下两层芯片间形成垂直导通以将所述像素阵列输出的模拟信号引出；下层芯片的正面具有互连结构、数据处理电路以及数据输出电路；所述互连结构的顶层金属互连位于与所述硅通孔结构对应的位置并与所述硅通孔结构电连接；所述数据处理电路与所述互连结构相连并将所述模拟信号转换为数字信号；所述数据输出电路与所述数据处理电路相连，用于将所述数字信号输出。

优选的，所述像素阵列包括多个像素，每个所述像素包括感光二极管及读出晶体管，所述硅通孔结构与各所述读出晶体管的输出端电连接。

优选的，所述硅通孔结构分别与所述像素阵列的每一行或每一列对应配置，每一所述硅通孔结构通过金属连线与其对应行或对应列的各所述像素的读出晶体管的输出端电连接。

优选的，所述数据处理电路至少包括模数转换模块。

优选的，所述数据输出电路纵向或横向设置于所述下层芯片中。

优选的，所述多个图像传感器芯片单元组成图像传感器芯片单元阵列，该阵列中同一列或同一行的各所述图像传感器芯片单元的数据输出电路依次连接以形成一纵向或横向的数据传输通道。

优选的，所述硅通孔结构位于所述像素阵列的两侧、单侧或四周。

本发明还提供了一种形成上述可重构的CMOS图像传感器芯片的方法，包括：提供第一衬底并在该第一衬底的正面形成所述像素阵列；对所述第一衬底的背面减薄并通过硅通孔技术形成所述硅通孔结构；提供第二衬底并在该第二衬底的正面形成所述数据处理电路、数据输出电路以及所述互连结构；以及将所述第一衬底的背面与所述第二衬底的正面相接合以使所述硅通孔结构与所述互连结构电连接。

本发明的有益效果在于，

(1)采用上下两层芯片结构封装成图像传感器芯片单元；上层芯片采用背照式图像传感技术，上层芯片的顶层全部留给感光二极管，可实现大的填充因子；采用硅通孔技术实现两层芯片互连，使感光二极管不受金属互连的影响，灵敏度高。

(2)通过图像传感器芯片单元的拼接可重构更大像素的图像传感器芯片，尤其是在图像传感器芯片单元已经设计成熟后，就能够通过将图像传感器芯片单元在横向、竖向进行任意扩展，所重构而成的图像传感器芯片不仅能满足用户的需求，而且还能够确保芯片的可靠性。

附图说明

图1所示为本发明一实施例的可重构的CMOS图像传感器芯片的图像传感器芯片单元的示意图。

图2所示为本发明一实施例的图像传感器芯片单元的上层芯片的示意图。

图3和图4所示为本发明一实施例的图像传感器芯片单元的下层芯片的示意图。

图5所示为本发明一实施例的可重构的CMOS图像传感器芯片的下层芯片的示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

下面参照图1至图5描述本发明的可重构CMOS图像传感器系统架构。

本发明提出的可重构的CMOS图像传感器系统架构包括多个图像传感器芯片单元。图1所示为一个图像传感器芯片单元的示意图，如图1所示，每个图像传感器芯片单元由上层芯片10和下层芯片20封装而成，其中上层芯片10为背照感光式芯片，其正面具有像素阵列101，背面形成有硅通孔结构102。硅通孔结构102用于在上层芯片10和下层芯片20之间形成垂直导通以将像素阵列101输出的模拟信号引出至下层芯片20。具体来说，像素阵列101包括多个像素，每个像素包括感光二极管和读出晶体管。感光二极管用于对接收的光信号进行光电转换。读出晶体管用于将经感光二极管输出的电信号输出，其包括传输管、行选通管、复位管、源跟随器。传输管与感光二极管相连，传输管的漏极、源跟随器的栅极和复位管的源极相连，行选通管的漏极与源跟随器的源极相连，行选通管的源极作为读出晶体管的输出端与硅通孔结构102通过金属连线相连。较佳的，硅通孔结构102分别与像素阵列的每一行或每一列对应配置，即像素阵列101中同一行或同一列的各像素的读出电路的输出端通过金属连线连接至一个硅通孔结构102。此外，如图2所示，硅通孔结构102是呈两列分布于像素阵列的左右两侧，在其他实施例中，硅通孔结构也可以位于像素阵列的单侧或四周。

请参考图3和图4，下层芯片20的正面具有互连结构201、数据处理电路202和数据输出电路203。其中，互连结构可以包括多层金属互连，但其顶层金属互连位于与硅通孔结构102对应的位置，并且与硅通孔结构102电连接。如图所示，在本实施例中顶层金属互连也以两列分布于下层芯片的两侧，并且位于数据处理电路202和数据输出电路203外侧。数据处理电路202与互连结构201相连，从而将像素阵列101输出的模拟信号转换为数字信号；数据输出电路203与数据处理电路202相连，用于将数字信号输出。数据处理电路202中至少包括模数转换模块，此外也可包括放大器等模拟电路器件。可选的，选择模块(Token)也可以设置在数据处理电路202中，用于发出控制信号进行像素阵列中像素行或列的选择。数据输出电路203可包括移位寄存器模块，LVDS模块等，用于将数据处理电路输出的数字信号串行输出。较佳的，数据输出电路203是以纵向或横向的方式设置于下层芯片中。

参考图4，下层芯片的数据输出电路203纵向设置于下层芯片的一侧(如左侧)，为后续芯片间拼接做的准备。对于该图像传感器芯片单元来说，最终的数据由下层芯片的左下方输出，占用一个数据通道。

参考图5，其所示为本发明另一较佳实施例的可重构的CMOS图像传感器芯片的下层芯片的示意图。CMOS图像传感器芯片包括多个图像传感器芯片单元，这些图像传感器芯片单元组成一个图像传感器芯片单元阵列。也即是本实施例的图像传感器芯片是在设计上述一个包含上层芯片与下层芯片的图像传感器芯片单元之后，在横向和纵向进行扩展，从而重构并形成更大像素的CMOS图像传感器芯片。在本实施例中，图像传感器芯片单元阵列以4行和4列为例。对于每个图像传感器芯片单元其下层芯片中数据输出电路为纵向设置，同一列的4个图像传感器芯片单元的数据输出电路依次连接，如此形成一个纵向的数据传输通道。可以理解的是，当下层芯片中数据输出电路为横向设置，则CMOS图像传感器芯片单元阵列同一行的4个图像传感器芯片单元的数据输出电路依次连接，形成一个横向的数据传输通道。如图5所示，新的图像传感器芯片形成4个纵向的数据通道(通道1～通道4)。

假设一个图像传感器芯片单元具有2000*2000即400万的有效像素，该芯片的上下两层芯片的面积均为a mm*b mm。将16个该图像传感器芯片单元进行横向4个、竖向4个拼接，其中同一列的芯片单元的下层芯片的数据输出电路依次电连接，如此拼接以后形成新的图像传感器芯片，其面积为4a mm*4b mm，具有400*4*4＝6400万有效像素。该款6400万像素的图像传感器芯片具备四个通道的数据输出接口。如果一个图像传感器芯片单元将所有400万像素数据传输完毕的时间为T，那么对于该重构而成的图像传感器芯片来说，需要4T时间将所有6400万个像素的数据通过4个数据传输通道传输出来，每个通道在4T时间内传输1600万个像素的数据。

此外，由于图像传感器芯片单元采用上下两层芯片通过硅通孔技术互连并且将传感器的功能电路(包括数据处理电路和数据输出电路)制作在图像传感器芯片单元的下层芯片中，可以避免在上层芯片中实现传感器读取、处理和输出数据的功能。不仅可避免在像素阵列周围耗费芯片面积来实现改写功能，且也可使得后续重构而成的图像传感器芯片的总像素阵列连续无缝，避免成像后在每个传感器芯片单元周围出现“黑边”。

接下来，将对本发明的可重构的CMOS图像传感器芯片的形成方法加以说明。

上层芯片采用背照式图像传感器技术实现。首先，提供第一衬底并在该第一衬底的正面形成像素阵列。通常可采用一层POLY层、三层金属层(1P3M)的后道工艺在第一衬底正面按顺序制作感光二极管、金属互连等从而制造像素阵列层，可采用成本较低的工艺(如0.18um CMOS工艺)实现。然后对第一衬底背面进行减薄(通常需要减薄至20～50um以下)，并采用硅通孔技术形成硅通孔结构，用于将感光二极管的信号进行互连引出。

下层芯片可采用常规的多层后道(如1P8M)以及先进工艺(如55nm CMOS工艺)实现。具体来说，提供第二衬底并在第二衬底正面形成数据处理电路、数据输出电路以及互连结构。采用常规工艺可降低芯片成本。其中，互连结构可包括多层金属互连，其顶层金属互连的位置应与硅通孔结构相对应。此外，数据输出电路较佳是以纵向或横向的方式形成于第二衬底。

为形成具有芯片单元阵列的CMOS图像传感器芯片，将多个图像传感器芯片单元的上层芯片进行横向和纵向拼接。在第一衬底中形成多个上层芯片的像素阵列和硅通孔结构，在第二衬底中形成多个下层芯片的互连结构、数据处理电路和数据输出电路。其中，若数据输出电路是以纵向方式形成于第二衬底，则需使同一列的芯片阵列的数据输出电路依次电连接；而若数据输出电路是以横向方式形成于第二衬底，则需使同一行的芯片阵列的数据输出电路依次电连接。

之后，将第一衬底的背面与第二衬底的正面相接合，使硅通孔结构与对应的互连结构的顶层金属互连对准相接，由此上层芯片与下层芯片通过硅通孔结构与互连结构的电连接也实现了互连，从而形成了一个新的图像传感器芯片。上层芯片与下层芯片的接合可通过金属键合工艺实现，其为本领域技术人员所熟知，在此不做赘述。

综上所述，本发明提供了一种可重构的CMOS图像传感器芯片，采用上下两层芯片封装成一个图像传感器芯片单元，并通过该图像传感器芯片单元在横向、竖向进行任意扩展组成图像传感器芯片阵列，能够极大简化设计者的工作量，同时也确保了大规模图像传感器芯片的设计成功率。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (6)

1.一种可重构的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，包括多个图像传感器芯片单元，每个所述图像传感器芯片单元包括上下两层芯片，其中，

上层芯片为背照感光式芯片，其正面具有像素阵列，背面形成硅通孔结构，所述硅通孔结构用于在所述上下两层芯片间形成垂直导通以将所述像素阵列输出的模拟信号引出；

下层芯片的正面具有互连结构、数据处理电路以及数据输出电路；所述互连结构的顶层金属互连位于与所述硅通孔结构对应的位置并与所述硅通孔结构电连接；所述数据处理电路与所述互连结构相连并将所述模拟信号转换为数字信号；所述数据输出电路与所述数据处理电路相连，其纵向或横向设置于所述下层芯片中，用于将所述数字信号输出；

其中，所述多个图像传感器芯片单元组成图像传感器芯片单元阵列，该阵列中同一列或同一行的各所述图像传感器芯片单元的数据输出电路依次连接以形成一纵向或横向的数据传输通道。

2.根据权利要求1所述的可重构的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述像素阵列包括多个像素，每个所述像素包括感光二极管及读出晶体管，所述硅通孔结构与各所述读出晶体管的输出端电连接。

3.根据权利要求2所述的可重构的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述硅通孔结构分别与所述像素阵列的每一行或每一列对应配置，每一所述硅通孔结构通过金属连线与其对应行或对应列的各所述像素的读出晶体管的输出端电连接。

4.根据权利要求1所述的可重构的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述数据处理电路至少包括模数转换模块。

5.根据权利要求1所述的可重构的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述硅通孔结构位于所述像素阵列的两侧、单侧或四周。

6.一种形成如权利要求1至5任一项所述的可重构的CMOS图像传感器芯片的方法，其特征在于，包括：

提供第一衬底并在该第一衬底的正面形成所述像素阵列；

对所述第一衬底的背面减薄并通过硅通孔技术形成所述硅通孔结构；

提供第二衬底并在该第二衬底的正面形成所述数据处理电路、数据输出电路以及所述互连结构；

将所述第一衬底的背面与所述第二衬底的正面相接合以使所述硅通孔结构与所述互连结构电连接。