CN104425533A - 堆栈式芯片封装图像传感器 - Google Patents

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Abstract

图像传感器单元可划分为两个芯片，以及用于抑制噪声的电容形成于与具有两个芯片耦合结构的堆栈式芯片封装图像传感器中的顶部晶片的像素单元相对应的底部晶片中，从而改进了图像传感器的噪声特性。堆栈式芯片封装图像传感器包括：第一半导体芯片，其包括光电二极管、传输晶体管以及第一导电衬垫并输出图像电荷，所述图像电荷通过第一导电衬垫从光电二极管输出；和第二半导体芯片，其包括激励晶体管、选择晶体管、复位晶体管以及第二导电衬垫并为相应的像素提供与通过第二导电衬垫从第一半导体芯片接收到的图像电荷相对应的输出电压。第二半导体芯片包括用于抑制噪声的电容。

Description

堆栈式芯片封装图像传感器
技术领域
本发明涉及图像传感器，更加特别地，涉及堆栈式芯片封装图像传感器，其中，用于抑制噪声的电容形成于与顶部晶片的像素单元相对应的底部晶片中，从而可改进图像传感器的噪声特性。
背景技术
通常，CMOS图像传感器(CIS)可划分为FSI(前侧照明)图像传感器和BSI(后侧照明)图像传感器。
在传统的FSI CMOS图像传感器中，由于结构问题，不可能在每个像素单元中安置用于抑制噪声的电容。近来，FSI CMOS图像传感器需求高像素以及像素小型化。然而，此类CMOS图像传感器没有充足的空间在每个像素单元中安置用于抑制噪声的电容。
撇开该问题，即便用于抑制噪声的电容安置在FSI CMOS图像传感器中时，用于抑制噪声的电容C可被安置在如图1所示的MIM(金属绝缘体金属)结构或者MOM(金属对金属)结构中的光电二极管PD的入射路径上。
在此情形下，存在的问题在于：光电二极管PD的光入射区域与用于抑制噪声的电容的安装区域呈相反比例的减少。因此，在FSI CMOS图像传感器中，不可能安置用于抑制噪声的电容。
然而，在传统的BSI CMOS图像传感器的情形下，用于抑制噪声的电容，通过基于入射光而使用具有MIM结构或者MOM结构的金属层，可被形成于光电二极管PD的背面方向上。因此，用于抑制噪声的电容可以形成，从而可防止光电二极管PD区域的减少。
然而，此时的问题在于：入射光可从金属层的表面反射，因而产生串音。进一步地，为了最大限度的减小图像传感器芯片的尺寸，由于用于抑制噪声的电容以MIM结构或者MOM结构形成，因而难以在期望值上设计用于抑制噪声的电容或者容量。
发明内容
多个实施例将图像传感器单元划分为两个芯片并在与具有两个芯片耦合结构的堆栈式芯片芯片封装图像传感器中的顶部晶片的像素单元相对应的底部晶片中形成用于抑制噪声的电容，进而改进了图像传感器的噪声特性。
在一实施例中，堆栈式芯片封装图像传感器包括：
第一半导体芯片，其包括光电二极管、传输晶体管以及第一导电衬垫并输出图像电荷，所述图像电荷通过第一导电衬垫从光电二极管输出；
第二半导体芯片，其包括激励晶体管、选择晶体管、复位晶体管以及第二导电衬垫并为相应的像素提供与通过第二导电衬垫从第一半导体芯片接收到的图像电荷相对应的输出电压，其中，第二半导体芯片包括：用于抑制噪声的电容，其降低附加到供应至像素的输出电压上的噪声分量。
在一实施例中，堆栈式芯片封装图像传感器包括第一半导体芯片和第二半导体芯片，第一半导体芯片包括光电二极管、传输晶体管、复位晶体管以及第一导电衬垫并输出图像电荷，所述图像电荷通过第一导电衬垫从光电二极管输出，并且进一步包括用于抑制噪声的第一电容、复位晶体管以及第一导电衬垫，用于抑制噪声的第一电容用于降低供电电源路径上存在的噪声；第二半导体芯片包括激励晶体管、选择晶体管以及第二导电衬垫并为相应的像素提供与通过第二导电衬垫从第一半导体芯片接收到的图像电荷相对应的输出电压，并且进一步包括用于抑制噪声的第二电容、激励晶体管、选择晶体管以及输出电压，所述用于抑制噪声的第二电容用于降低供电电源路径上存在的噪声。
根据本发明，图像传感器单元被划分为两个芯片，以及用于抑制噪声的电容形成于与具有两个芯片耦合结构的堆栈式芯片封装图像传感器中顶部晶片的像素单元相对应的底部晶片中，从而芯片的尺寸不会增加并且接收光的区域不会减少。
进一步地，用于抑制噪声的电容连接在与图像传感器的像素单元相连接的供电电源和接地端之间，从而可有效阻止噪声分量叠加至像素的信号线。
附图说明
图1为包括用于抑制噪声的电容的传统的FSI CMOS图像传感器的截面图。
图2为包括用于抑制噪声的电容的传统的BSI CMOS图像传感器的截面图。
图3为根据本发明的第一实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的电路图。
图4为与根据本发明的堆栈式芯片封装图像传感器的电路相对应的堆栈式芯片封装图像传感器的截面图。
图5为根据本发明的第二实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的电路图。
图6为根据本发明的第二实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的截面图。
图7为根据本发明的第三实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的截面图。
图8为根据本发明的第四实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的电路图。
图9为根据本发明的第五实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的电路图。
具体实施例
典型实施例将会在下文中结合附图作出更加具体的描述。然而，公开可概括在多种模式中而不限于此处阐明的实施例。更确切的说，提供这些实施例是为了公开的彻底和完整，对本领域技术人员而言，完整地表达了公开的范围。本申请中，同样的附图标记对应相同的部件。
图3为根据本发明的第一实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的电路图，并且堆栈式芯片封装图像传感器包括第一半导体电路310和第二半导体电路320。
第一半导体电路310包括：光电二极管PD，传输晶体管Tx，第一浮动扩散区域FDT以及第一导电衬垫PADT。
光电二极管PD的阴极与传输晶体管Tx的一端相连，传输晶体管Tx的另一端与第一导电衬垫PADT相连，以及浮动扩散区域FDT连接在第一导电衬垫PADT以及接地端之间。
第二半导体电路320包括：复位晶体管Rx，激励晶体管Dx，选择晶体管Sx，用于抑制噪声的电容CNR以及第二浮动扩散区域FDB。
用于抑制噪声的电容CNR连接在供电电源VDD和接地端GND之间，供电电源VDD与CMOS图像传感器的像素单元相连，激励晶体管Dx与选择晶体管Sx彼此串行连接在用于抑制噪声的电容CNR的一端以及输出端Vout之间，用于抑制噪声的电容CNR的一端通过复位晶体管Rx与第二导电衬垫PADB以及激励晶体管Dx的栅极相连，以及第二导电衬垫PADB与激励晶体管Dx的连接点通过第二浮动扩散区域FDB与接地端相连。
图4为与图3中堆栈式芯片封装图像传感器的电路相对应的堆栈式芯片封装图像传感器的截面图。
参照图4，堆栈式芯片封装图像传感器300包括第一半导体芯片310T以及第二半导体芯片320B，并且通过安置在第一半导体芯片310T中的第一导电衬垫PADT以及安置在第二半导体芯片320B中的第二导电衬垫PADB传输/接收图像电荷，所述第一半导体芯片310T具有光电二极管PD、传输晶体管Tx以及第一浮动扩散区域FDT，以及所述第二半导体芯片320B具有复位晶体管Rx、激励晶体管Dx、选择晶体管Sx、用于抑制噪声的电容CNR以及第二浮动扩散区域FDB。
在第一半导体芯片310T中，光电二极管PD、传输晶体管Tx以及第一浮动扩散区域FDT形成在第一晶片(顶部晶片)311中，以及第一金属层间绝缘层(IMD)312堆放在第一晶片311上部。为了改进图像传感器的电气性能，经过相应处理的晶片的背面被抛光，以降低晶片的厚度，其中，抛光面位于第一半导体芯片310T的上部。由光电二极管PD产生的图像电荷通过传输晶体管Tx、第一浮动扩散区域FDT以及第一金属线313被传输至第一导电衬底PADT。
在第二半导体芯片320B中，复位晶体管Rx、激励晶体管Dx、选择晶体管Sx、用于抑制噪声的电容CNR以及第二浮动扩散区域FDB形成在第二晶片(底部晶片)321中，以及第二金属层间绝缘层322堆放在第二晶片321上部。用于抑制噪声的电容CNR为本发明的主要技术因素，其形成于第二半导体芯片320B的第二晶片321中的光电二极管PD的投影区域中，并通过相应的金属线连接至供电电源线(VDD Line)，光电二极管PD形成于第一半导体芯片310T的第一晶片311中。存在多种方法在第二晶片321中形成用于抑制噪声的电容CNR，在本发明的实施例中，用于抑制噪声的电容CNR形成为沟槽电容。
用于抑制噪声的电容CNR可以以一对一方式或者一对多的方式形成在与第一半导体芯片310T的像素单元相对应的区域中。
同样的，在第二半导体芯片320B中，与第一半导体芯片310T的情形相类似地，经过相应处理的晶片的背面被抛光，其中，抛光面位于第二半导体芯片320B下部。与通过第一导电衬底PADT以及第二导电衬底PADB的在激励晶体管Dx的栅极中接收到的图像电荷相一致，相应的电压从激励晶体管Dx输出，并且相应的电压通过选择晶体管Sx以及金属线(图中未示出)被传输至相应的像素。
如图4所示，第一半导体芯片310T被翻转并被堆放在第二半导体芯片320B上，从而第一半导体芯片310T和第二半导体芯片320B的相应的衬垫PADT和PADB彼此电连接，从而根据本发明的堆栈式芯片封装得以实现。
在图4中，第二浮动扩散区域FDB与第二半导体芯片320B的复位晶体管Rx的另一端以及与第二导电衬垫PADB相连。复位晶体管Rx的另一端与用于抑制噪声的电容CNR的一端相连。用于抑制噪声的电容CNR与第二浮动扩散区域FDB以及第二导电衬垫PADB不相连接。
图5为根据本发明第二实施例堆栈式芯片封装图像传感器的电路图。图3显示了具有单一像素结构的堆栈式芯片封装图像传感器，而图5中显示了具有共享像素结构的堆栈式芯片封装图像传感器。也就是说，当将图5与图3对比时，图5中的第二半导体电路520与图3中的第二半导体电路320相同。然而，图3中的第一半导体电路310具有的结构中一套包括彼此串行连接的光电二极管PD和传输晶体管Tx连接至第一导电衬垫PADT，但是图5中的第一半导体电路510具有的结构中多套包括彼此串行连接的光电二极管PD和传输晶体管Tx共同连接至第一导电衬垫PADT。
图6为根据本发明的第二实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的截面图。对比图6与图4，图6与图4的不同之处在于：用于抑制噪声的电容CNR，作为第二半导体芯片620B的金属层间绝缘层622中的堆栈式电容，形成于光电二极管PD的投影区域中，光电二极管PD形成于第一半导体芯片610T的晶片611中。
图7为根据本发明的第三实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的截面图。对比图7与图6，图7与图6的不同之处在于：用于抑制噪声的电容CNR形成为MOS电容。
图8为根据本发明的第四实施例堆栈式芯片封装图像传感器的电路图。对比图8与图3，图8与图3的不同之处在于：复位晶体管Rx形成于第一半导体电路810中，而非第二半导体电路820中。进一步地，图8与图3的不同之处在于：用于抑制噪声的第一电容CNRT形成于第一半导体电路810中，以及用于抑制噪声的第二电容CNRB形成于第二半导体电路820中，其中，用于抑制噪声的第一电容CNRT和第二电容CNRB可以以MIM(金属绝缘体金属)或者MOM(金属对金属)电容结构形成。
图9为根据本发明的第五实施例的堆栈式芯片封装图像传感器的电路。对比图9与图8，图9与图8的不同之处在于：彼此串行连接的多个光电二极管PD和多个传输晶体管Tx被形成并被共同连接至复位晶体管Rx的栅极。
在本发明中，用于抑制噪声的电容的执行的实施例不限于电容，以及用于抑制噪声的电容可采用多种电容结构并且这些电容可以是堆栈式的。
在描述上述多个实施例的同时，本领域技术人员应当理解描述实施例仅以例举的方式进行。相应地，此处描述的公开不仅限于基于描述的实施例。

Claims (22)

1.一种堆栈式芯片封装图像传感器，其包括：
第一半导体芯片，其包括光电二极管、传输晶体管以及第一导电衬底，以及输出图像电荷，所述图像电荷通过第一导电衬垫从光电二极管输出；以及
第二半导体芯片，其包括激励晶体管、选择晶体管、复位晶体管以及第二导电衬垫，以及为相应的像素提供与通过第二导电衬垫从第一半导体芯片所接收到的图像电荷相对应的输出电压；
其中，第二半导体芯片包括：
用于抑制噪声的电容，其降低添加到供应至像素的输出电压上的噪声分量。
2.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第一半导体芯片以及第二半导体芯片以堆栈式结构形成。
3.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第一半导体芯片的光电二极管和传输晶体管彼此串行连接，并连接至第一导电衬垫。
4.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第一半导体芯片包括彼此串行连接的多个光电二极管和多个传输晶体管，并且彼此串行连接的多个光电二极管和多个传输晶体管共同连接至第一导电衬垫。
5.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第一半导体芯片包括：
第一晶片，其包括光电二极管；以及
第一金属层间绝缘层，其包括金属线、传输晶体管以及第一导电衬垫，用于从光电二极管将图像电荷输出至第二半导体芯片，并且与第一晶片相耦合。
6.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第二半导体芯片包括：
第二晶片，其包括用于抑制噪声的电容；以及
第二金属层间绝缘层，其包括激励晶体管、选择晶体管以及复位晶体管，用于为相应的像素提供与从第一半导体芯片接收到的电荷相对应的输出电压。
7.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，用于抑制噪声的电容连接于供电电源和接地端之间。
8.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，激励晶体管和选择晶体管彼此串行连接在用于抑制噪声的电容的一端与输出电压端之间。
9.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，用于抑制噪声的电容形成于光电二极管的投影区域中，并且通过金属线与供电电源相连。
10.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，用于抑制噪声的电容包括沟槽电容、堆栈式电容以及MOS电容中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，用于抑制噪声的电容以一对一方式或者一对多方式形成于第一半导体芯片的像素单元中。
12.一种堆栈式芯片封装图像传感器，其包括：
第一半导体芯片，其包括光电二极管、传输晶体管、复位晶体管以及第一导电衬垫，并且输出图像电荷，所述图像电荷通过第一导电衬垫从光电二极管输出，并进一步包括用于抑制噪声的第一电容、复位晶体管以及第一导电衬垫，用于抑制噪声的第一电容用于降低供电电源路径上存在的噪声；以及
第二半导体芯片，其包括激励晶体管、选择晶体管以及第二导电衬垫，并且为相应的像素提供与通过第二导电衬垫从第一半导体芯片接收到的图像电荷相对应的输出电压；并且进一步包括用于抑制噪声的第二电容、激励晶体管、选择晶体管以及输出电压，用于抑制噪声的第二电容用于降低供电电源的路径上存在的噪声。
13.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第一半导体芯片和第二半导体芯片以堆栈式结构形成。
14.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第一半导体芯片的光电二极管和传输晶体管彼此串行连接并且与复位晶体管的栅极相连，以及复位晶体管的一端以及另一端分别与供电电源以及第一导电衬垫相连。
15.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第一半导体芯片的多个光电二极管和多个传输晶体管彼此串行连接并且共同连接至复位晶体管的栅极，并且复位晶体管的一端以及另一端分别连接至供电电源以及第一导电衬垫。
16.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第一半导体芯片包括：
第一晶片，其包括光电二极管、复位晶体管以及用于抑制噪声的第一电容；
第一金属层间绝缘层，其包括金属线、传输晶体管以及第一导电衬垫，用于从光电二极管将图像电荷输出至第二半导体芯片，以及与第一晶片相耦合。
17.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，第二半导体芯片包括：
第二晶片，其包括用于抑制噪声的第二电容；以及
第二金属层间绝缘层，其包括激励晶体管以及选择晶体管，用于为相应的像素提供与从第一半导体芯片接收到的图像电荷相对应的输出电压。
18.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，用于抑制噪声的第一电容形成于光电二极管的投影区域中，并通过金属线连接至供电电源。
19.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，用于抑制噪声的第一电容以一对一方式或者一对多方式形成于第一半导体芯片的像素单元中。
20.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，每个用于抑制噪声的第一电容和用于抑制噪声的第二电容包括沟槽电容、堆栈式电容和MOS电容中的至少一种。
21.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，激励晶体管和选择晶体管彼此串行连接在供电电源以及输出电压端之间。
22.根据权利要求12所述的堆栈式芯片封装图像传感器，其中，用于抑制噪声的第二电容与供电电源以及激励晶体管的一端相连。
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