CN104106137B - 具有双重检测功能的基板堆放图像传感器 - Google Patents

具有双重检测功能的基板堆放图像传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其中，第一至第四光电二极管形成在第一基板中，第五光电二极管形成在第二基板中，以及将所述基板彼此堆放并结合，第一至第四光电二极管和第五光电二极管彼此结合以获得作为一个像素的元件的完整光电二极管，以及在每个光电二极管单独检测的信号根据需要选择性读取或累计读取。为此目的，第一至第四光电二极管形成在第一基板中，第五光电二极管形成在第二基板中，第一至第四光电二极管和第五光电二极管彼此电接触，第一基板和第二基板的像素阵列尺寸可彼此不同，从而使得第一基板的传感器分辨率与第二基板的传感器分辨率彼此不同。

Description

具有双重检测功能的基板堆放图像传感器
技术领域
本发明涉及一种基板堆放图像传感器，具体地，涉及一种基板堆放图像传感器，其中图像传感器像素的部分结构在彼此不同的基板中形成，基板三维地堆放并互彼此粘合从而完成像素，更具体地，涉及一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其中第一至第四光电二极管形成在第一基板中，第五光电二极管形成在第二基板中，以及将基板堆放并彼此结合，所述第一至第四光电二极管和第五光电二极管彼此结合从而得到作为一个像素的元件的完整光电二极管，以及在每个光电二极管单个检测的信号可以根据需要选择性读取或累计读取。
背景技术
将从两方面描述基板堆放图像传感器的背景技术。一方面为根据半导体集成电路的堆放，另一方面为图像传感器的小型化。
下文中，将描述半导体集成电路堆放的常规技术。由于半导体集成电路以微尺寸连续地制造，封装技术也得到了持续的发展以满足小型化和安装可靠性的需求。近来，已经开发了具有三维(3D)结构的基板堆放的各种技术，在所述三维(3D)结构中两个或更多个半导体芯片或半导体封装垂直地堆放。
具有使用此类基板堆放的三维(3D)结构的元件需经过以下工艺：基板堆放；在基板堆放之后，研磨堆放的基板后表面以减少厚度的工艺(薄化)；随后的制造工艺；锯切工艺；和封装工艺。
使用这种基板堆放的垂直堆放的图像传感器通过以下工艺制造：对第一基板和第二基板执行单独的工艺以完成元件制造；将需交迭的两个基板对齐；以及将所述两个基板电地和机械地彼此粘合。
堆放基板的许多常规技术存在于各种领域中，而且本申请的申请人已经尝试了多种技术。例如，在本申请的申请人于2010年2月2日提交的韩国专利申请2010-0015632中，公开了一种方法，其中通过省略粘合、堆放和蚀刻基板的工艺，可以更加经济地制造图像传感器。
此外，在本申请的申请人于2010年5月18日提交的韩国专利申请2010-0046400中，还公开了一种在粘合基板时，使在基板上粘合衬垫的对不准问题最小化的技术。
此外，在本申请的申请人于2010年6月8日提交的韩国专利申请2010-53959中，还公开了一种在粘合基板时，使基板上的衬垫突出以促进粘合的制造方法。
在根据图像传感器小型化的背景技术中，随着例如蜂窝电话的移动设备的发展，只有当降低嵌入在移动设备中的相机模块的高度被降低以及包括在相机模块中的图像传感器的分辨率被提高，才能提高移动设备的设计水平。通过这种趋势，图像传感器中的像素的尺寸也被持续地减小。
近来，随着半导体集成电路技术的发展，像素能够被制造为具有近似于可见光波段的大约1.4μm×1.4μm的尺寸。因此，在常规的前面照射(FSI)机制中，由于金属线的干涉，不能在光电二极管中充分地收集从外部入射的光。为了解决此种问题，还出现了背面照射(BSI)图像传感器，其中光电二极管被配置在尽可能接近光入射的方向。
图1示意性地说明了这种BSI图像传感器，并分别三立体显示了包括红色、绿色和蓝色滤色器11、21、31和41以及光电二极管12、22、32和42的四个单元像素。图2仅说明了像素中的红色像素。值得注意的是图1-3仅说明了在构成图像传感器像素的像素中形成在半导体基板中的滤色器部分和光电二极管部分。
此外，随着半导体技术的持续发展，在BSI图像传感器中，如图2所示，像素的深度达到约3μm至约5μm以及像素的宽度被减小到约1.1μm，从而每单位面积可以集成更多像素。在此情况下，在现有技术中不严重的信号干扰现象成为新的问题。
该问题将会参考图4作出更加详细的描述，图4为两个连续配置的像素的剖视图。
在图4中，经过绿色滤色器21入射\的光在对应的光电二极管22中产生光电子。大多数光电子在连接至所述绿色滤色器21的光电二极管22的耗尽区(图4中虚线所示)中被正常捕获，并形成有效电流分量。然而，部分光电子移动至相邻像素的光电二极管12，其中由于光电二极管12和22的宽度变窄，移动至光电二极管12的光电子的数量增加。这表示在连接至所述绿色滤色器21的光电二极管22中的信号的损耗，并作为不必要的信号，即，连接至红色滤色器11的光电二极管12中的颜色噪声。这就是所谓的串音现象。结果，在具有约3μm至约5μm的深度和约1.1μm的窄的宽度的像素中，因为串音现象变得严重，BSI机制的优势消失了。
在像素的尺寸(间距)为约1.1μm的情形下，为了降低串音现象，基板的厚度被降低为等于或小于其厚度的一半(例如，4μm的基板厚度→2μm的基板厚度)，导致不能被硅制光电二极管充分吸收并透过光电二极管的入射光的比例增加。也就是说，因为量子效率(QE)降低，电信号的振幅进一步减小了。量子效率(QE)为相对于入射光，通过入射光(即入射光子)产生/捕获的电荷的比率，并且为通过图像传感器将光信号有效地转变为电信号的关于效率的指标。
此外，在常规的BSI图像传感器中，当降低厚度以解决串音问题时，众所周知大部分的蓝色光被第一基板的光电二极管吸收，而绿色光被部分地吸收。尽管红色光也被部分地吸收，但是吸收量比绿色光的少。此外，与它们相比，红外光的吸收量很少。
因为光的吸收代表光子被转化为电荷，存在量子效率(QE)以蓝色光>绿色光>红色光>红外光的顺序降低的问题。此外，因为非吸收光成分被除了光电二极管外的部分所吸收，在与金属线碰撞后被散射，或者深入地传输至堆放的基板，并最终与量子效率无关，出现光浪费的问题。
发明内容
技术问题
因此，本发明旨在解决现有技术中的问题，并且本发明的目的是提供一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其在防止串音的同时具有高的量子效率。
本发明的另一目的是提供一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其中当第一至第四光电二极管形成在第一基板中时，第五光电二极管形成在第二基板中，以及将所述基板彼此结合，第一基板的像素阵列和第二基板的像素阵列允许彼此不一致，从而提高传感器的清晰度或分辨率。
本发明的又一目的是提供一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，允许形成在第一基板中的单元像素的尺寸不同于形成在第二基板中的单元像素的尺寸，提高了传感器的清晰度或分辨率。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其包括：第一至第四像素，其形成在第一基板中；和第五像素，其形成在第二基板中并具有不同于第一至第四像素的尺寸的尺寸，其中第一至第四像素与第五像素彼此电粘合，所述第一至第四像素的间距的总和可不同于第五像素的间距，从而使第一基板的传感器分辨率不同于第二基板的传感器分辨率。
此外，提供了一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其包括：第一像素，其形成在第一基板中；和第二像素，其形成在第二基板中并具有与第一像素的尺寸相同的尺寸，其中，当第一基板和第二基板彼此粘合时，第一像素和第二像素被配置为彼此偏移，从而使第一基板的传感器分辨率不同于第二基板的传感器分辨率。
此外，提供了一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其包括：形成在第一基板中的第一至第四光电二极管和第一衬垫；和形成在第二基板中的第五光电二极管和第二衬垫，其中第一至第四光电二极管与第五光电二极管通过在第一衬垫和第二衬垫之间的接触器彼此电连接。
此外，提供了一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其包括：形成在第一基板中的第一至第四光电二极管和第一至第四转移晶体管；和形成在第二基板中的第五光电二极管和第五转移晶体管，其中，第一至第四光电二极管、第五光电二极管、第一至第四转移晶体管和第五转移晶体管相互电接触。
在本发明中，通过基于第二基板的RGB焦点数据和第一基板的RG或者RG+IR焦点数据的图像色彩的频率成分分析，以及通过根据上层和下层的物理距离的图像色彩的频率成分分析，使用RGB或者RGB+IR以及外部光学系统(透镜)的色差计算图像中的物体的相对距离，并用作用于恢复三维图像的基础数据。
有益效果
根据本发明的具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，大部分的蓝色光、部分绿色光和部分红色光被第一基板的第一光电二极管吸收，以及很少的蓝色光、剩余部分绿色光、剩余部分红色光和红外光被第二基板的第二光电二极管再次吸收，从而提高量子效率并使入射光的浪费最小化。
根据具有此种结构的本发明的额外效果，当上层基板和下层基板的两个光电二极管被物理地放置在基于外部光学系统(外部透镜)不同距离时，通过外部透镜的三种色彩(绿色、蓝色和红色)的偏差、上层基板的三种色彩的捕获图像的频率成分分析以及下层基板的三种色彩的捕获图像的频率成分分析，测量图像中最终捕获的物体的相对距离，从而通过完全不同于用于生成三维图像的现有的立体相机的机制，能够产生用于恢复三维图像的基础图像数据并用于生成三维图像。
附图说明
在结合附图阅读了以下详细描述以后，本发明的上述目的、其他特征和优点将变得更加显而易见，在附图中，
图1为图像传感器像素部分的立体示意图；
图2说明了选自图1中的仅一个像素的尺寸；
图3为示意性地说明了根据本发明的实施例的具有双重检测功能的基板堆放图像传感器结构的电路图；
图4为解释串音现象的图；
图5说明了本发明的第一基板的像素阵列；
图6说明了本发明的第二基板的像素阵列，其具有不同于第一基板的像素阵列尺寸的尺寸；
图7说明了图5和图6的像素阵列的结合；
图8说明了结合的第一基板和第二基板的剖视图；以及
图9为说明按了彼此不一致制造的第一基板和第二基板的像素阵列的图。
具体实施方式
发明的优选实施例的参考将会更加详细的做出，每个实施例伴随着附图阐明。只要有可能，附图和说明书中涉及相同或者类似部件使用相同的附图标记。
图3为示意性地说明了根据本发明的具有双重检测功能的基板堆放图像传感器结构的电路图，如图3所示，第一基板包括第一至第四光电二极管211至214，第一至第四转移晶体管215至218，第一衬垫260，复位晶体管230，跟随晶体管240和选择晶体管250；以及第二基板包括第五光电二极管221、第五转移晶体管222和第二衬垫270。
由于第一至第五转移晶体管215至218和222、复位晶体管230、跟随晶体管240和选择晶体管250等通过光电二极管使电信号转化为像素输出，它们被称作接入晶体管(access transistor)。
使用众所周知的半导体制造工艺，制造各自在第一基板中形成的元件和在第二基板中形成的元件，将两个基板中的一个翻转，然后将两个基板彼此粘合。此时，第一衬垫260和第二衬垫270应严格对齐以使它们不会彼此偏移。
根据本发明的主要特征，当第一至第四光电二极管211至214形成在第一基板中时，第五光电二极管221形成在第二基板中，然后将第一基板和第二基板彼此粘合，第一至第四光电二极管211至214与第五光电二极管221电接触。
当将第一和第二基板彼此对齐并粘合时，第一至第四转移晶体管215至218也与第五转移晶体管222电接触。
在此情况下，“晶体管的交叠”表示两个晶体管的门极和漏极彼此短路。当然，TX作为各晶体管的门极信号，被普遍地应用。
因此，通过交叠，电流驱动性能也通过各晶体管的宽度/长度的比例(W/L比例)而提升。当然，电路设计者，基于通过交叠提高驱动性能的事实，提出各晶体管的宽度/长度的比例(W/L比例)。
此外，可单独地和独立地控制门极信号TX，以使得可以根据需要选择性地控制第一至第四转移晶体管215至218以及第五转移晶体管222。
图5至图7说明了本发明的实施例，其中第一基板的像素阵列配置与具有不同尺寸的单元像素的第二基板的像素阵列配置彼此交叠。
图5说明了第一基板的像素阵列和滤色器，并且为方便起见没有单独地说明滤色器。
图6说明了第二基板的像素阵列，并说明了第二基板的单元像素的尺寸不同于第一基板的单元像素的尺寸。
图7说明了图5所示第一基板与图6所示第二基板交叠。
图8说明了根据本发明的剖视图。参照图8，入射至图像传感器的光通常从第一基板的后表面入射，通过显微透镜收集，经由第二缓冲层通过滤色器被选择，以及经过第一缓冲层、P型杂质区等到达第一至第四光电二极管212的P-N结区域。应注意到为了方便起见图8仅说明了一个光电二极管。由于显微透镜、第二缓冲层、滤色器、第一缓冲层和P型杂质区等的顺序是常规的并且不是本发明的主要特征，省略其细节描述。
当选择的光为蓝色光B时，大部分的蓝色光B在第一至第四光电二极管212被吸收并被转化为光电荷。当选择的光为绿色光G和红色光R时，部分的绿色光G和部分的红色光R在第一至第四光电二极管211至214被吸收并被转化为光电荷。
在第一至第四光电二极管211至214未被吸收的光被金属线部分地散射(未示出)，但是通过连续地透过基板能充分地到达第二基板的第五光电二极管221。因此，非常少的残留蓝色光B、部分的残留绿光G和部分的残留红光R通过第五光电二极管221被再次转化为光电荷。
也就是说，进行了双重的光检测。尤其地，在红外光的情形下，由于其高的传输特性，通过第五光电二极管22转化的光电荷的量比通过第一至第四光电二极管212转化的光电荷的量大。
图9说明了本发明的另一实施例，并且为下列情形的对照图，其中第一基板的像素阵列和第二基板的像素阵列彼此不一致地粘合的情形(右侧)，和其中第一基板的像素阵列和第二基板的像素阵列彼此一致地粘合的情形(左侧)。
当第一基板和第二基板如图8左侧所示时，下层基板的像素，其对应于入射蓝色光B的上层基板的像素，几乎接收不到光。
其原因是因为所有的蓝色光B在上侧被吸收。
与绿色光G相比，由于在下层基板可以获得相对较大量的绿光G以及在下层基板可以获得相对较大量的红光R，分别得到不均匀的数值。
当第一基板和第二基板如图8右侧所示时，由于在第二基板中的所有像素的状态是彼此相同的，能得到的第二基板的像素数据作为y值，从而能够产生提高分辨率的基准值。
用于分开蓝光B、绿光G和红光R的滤色器独立地设置。
根据本发明的另一特征，通过基于第二基板的RGB焦点数据和第一基板的RG或者RG+IR焦点数据的图像色彩的频率成分分析，以及通过根据上层和下层的物理距离的图像色彩的频率成分分析，使用RGB或者RGB+IR以及外部光学系统(透镜)的色差计算图像中的物体的相对距离。
在本领域中众所周知，色差表示根据波长的折射率的差异而引起的偏差。由于与别的光相比，当具有长波长的光穿过透镜并被聚焦在远离透镜的点时，会出现色差，当制造用于光学设备的透镜时，将多个透镜相互组合以纠正色差。
色差通常在具有强对比度的照片中被发现，并且未聚焦的部分可以更清晰地看到。
尽管本发明的优选实施例为了阐述目的而被描述，本领域技术人员能够理解各种可能的修饰、附加和替换，并不脱离如伴随的权利要求书所公开的本发明的范围和精神。

Claims (5)

1.一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其包括：
第一至第四像素，其形成在第一基板中；和
第五像素，其形成在第二基板中并具有不同于第一至第四像素的尺寸的尺寸，
其中，第一至第四像素与第五像素彼此电粘合，第一至第四像素的间距的总和等于第五像素的间距；
通过基于第二基板的RGB焦点数据以及第一基板的RG或者RG+IR焦点数据的图像色彩的频率成分分析，以及通过根据上层和下层的物理距离的图像色彩的频率成分分析，使用RGB或者RGB+IR和外部光学系统的色差，计算图像中的物体的相对距离，并用作用于恢复三维图像的基础数据。
2.根据权利要求1所述的具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其中，通过第一至第四像素和第五像素之间的接触器，第一基板的传感器分辨率和第二基板的传感器分辨率彼此不同。
3.一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其包括：
第一像素，其形成在第一基板中；和
第二像素，其形成在第二基板中并具有与第一像素的尺寸相同的尺寸，
其中，当所述第一基板和所述第二基板彼此粘合时，所述第一像素和所述第二像素被配置为彼此偏移；
通过基于第二基板的RGB焦点数据以及第一基板的RG或者RG+IR焦点数据的图像色彩的频率成分分析，以及通过根据上层和下层的物理距离的图像色彩的频率成分分析，使用RGB或者RGB+IR和外部光学系统的色差，计算图像中的物体的相对距离，并用作用于恢复三维图像的基础数据。
4.一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其包括：
形成在第一基板中的第一至第四光电二极管和第一衬垫；
形成在第二基板中的第五光电二极管和第二衬垫，
其中，第一至第四光电二极管与第五光电二极管，通过在第一衬垫和第二衬垫之间的接触器，彼此电连接；
通过基于第二基板的RGB焦点数据以及第一基板的RG或者RG+IR焦点数据的图像色彩的频率成分分析，以及通过根据上层和下层的物理距离的图像色彩的频率成分分析，使用RGB或者RGB+IR和外部光学系统的色差，计算图像中的物体的相对距离，并用作用于恢复三维图像的基础数据。
5.一种具有双重检测功能的基板堆放图像传感器，其包括：
形成在第一基板中的第一至第四光电二极管和第一至第四转移晶体管；和
形成在第二基板中的第五光电二极管和第五转移晶体管，
其中，第一至第四光电二极管、第五光电二极管、第一至第四转移晶体管和第五转移晶体管相互电接触；
通过基于第二基板的RGB焦点数据以及第一基板的RG或者RG+IR焦点数据的图像色彩的频率成分分析，以及通过根据上层和下层的物理距离的图像色彩的频率成分分析，使用RGB或者RGB+IR和外部光学系统的色差，计算图像中的物体的相对距离，并用作用于恢复三维图像的基础数据。
CN201280056844.7A 2011-11-17 2012-11-08 具有双重检测功能的基板堆放图像传感器 Active CN104106137B (zh)

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