CN105609513A - 双面cmos图像传感器芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双面CMOS图像传感器芯片，包括具有正面和背面的半导体衬底；形成于所述半导体衬底的正面的正面感光层，其包括从所述背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层；以及形成于所述半导体衬底的背面的背面感光层，其包括从所述正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管。本发明的双面CMOS图像传感器芯片既可以用于拍摄景物，也可以用于自拍，还能将原先两个摄像头模组合并成一个，减小了体积和成本开销。

Description

双面CMOS图像传感器芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种双面CMOS图像传感器芯片及其制造方法。

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(ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件)和CMOS(ComplementaryMetal-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。

CMOS图像传感器可分为前感光式(FSI，FrontSideIllumination)，即前照技术和背部感光式(BSI，BackSideIllumination)，即背照技术两种。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、金属互连层以及彩色滤镜。其优点是：工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低；彩色滤镜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。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、金属互连层，然后对硅片背面进行减薄(通常需要减薄至20um以下)，并通过硅通孔技术(TSV，Through-Silicon-Via)将感光二极管进行互连引出。

通常来说，以智能手机应用为例，一个图像传感器对应一款镜头，两者组成一个传感器模组应用在智能手机中。目前的智能手机通常具有前置摄像头和后置摄像头，前置摄像头用于自拍，通常分辨率较低，像素较大，可以采用FSI结构。后置摄像头用于拍摄景物，通常分辨率较高，通常采用BSI结构。两款不同的摄像头需要两款镜头及相应的图像传感器，由于传感器模组较大，因此智能手机为了实现较薄的机身，两款不同传感器模组通常错位设计。这不仅耗费了面积，也增加了成本开销。

发明内容

为克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种双面CMOS图像传感器芯片，包括：半导体衬底，其具有正面和与所述正面相对的背面；正面感光层，形成于所述半导体衬底的正面，其包括从所述背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层；以及背面感光层，形成于所述半导体衬底的背面，其包括从所述正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管。

可选的，所述背面感光层通过背照技术形成，所述正面感光层在所述背面感光层形成后通过前照技术形成。

可选的，所述正面感光层还包括正面滤镜层和正面微透镜层，所述背面感光层还包括背面滤镜层和背面微透镜层。

本发明还提供了一种双面CMOS图像传感器芯片的制造方法，包括：

在半导体衬底的背面形成背面感光层，所述背面感光层包括从正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管；以及

在所述半导体衬底的正面形成正面感光层，所述正面感光层包括从所述背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层。

可选的，通过背照技术形成所述背面感光层，在所述背面感光层形成后通过前照技术形成所述正面感光层。

可选的，通过背照技术形成所述背面感光层的步骤包括：

提供SOI衬底，所述SOI衬底包括薄体硅衬底，厚体硅衬底以及二氧化硅层；

在所述薄体硅衬底上依次形成多个所述背面感光二极管及第一金属键合层；

沿所述二氧化硅层将所述厚体硅衬底剥离；

提供体硅衬底，所述体硅衬底包括背面感光二极管对应区；

在所述体硅衬底上的背面感光二极管对应区依次形成背面MOS晶体管区、所述背面金属层，并在所述背面金属层的顶层金属互连层上方形成第二金属键合层；以及

对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合，金属键合后的所述薄体硅衬底与所述体硅衬底构成所述半导体衬底。

可选的，对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合的步骤包括：

将所述薄体硅衬底翻转；

将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准；

通过金属键合工艺对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合。

可选的，所述第一金属键合层和所述第二金属键合层包括Ti层和Au层，通过蒸镀金属膜形成所述第一金属键合层及所述第二金属键合层。

可选的，在所述背面感光层形成后通过前照技术形成所述正面感光层的步骤包括：将所述半导体衬底翻转使其正面朝上；在所述半导体衬底的正面形成多个所述正面感光二极管和正面MOS晶体管区；在所述正面MOS晶体管区上方形成所述正面金属层；以及在所述正面感光二极管上方形成光通路。

可选的，形成所述背面感光层还包括形成背面滤镜层和背面微透镜层的步骤；形成所述正面感光层还包括形成正面滤镜层和正面微透镜层的步骤。

本发明的有益效果在于，

(1)双面CMOS图像传感器芯片由对应的正面感光层和背面感光层共同构成，应用于智能手机时可将原先两个摄像头模组合并成一个，兼具拍摄景物和自拍的功能，同时也减小了体积；

(2)正面感光层和背面感光层分别由前照FSICIS工艺和背照BSICIS工艺制作完成，且以同一硅衬底作为半导体衬底来进行制作，节省了成本；

(3)双面CMOS图像传感器芯片的制造方法在避免使用复杂、高成本的超薄减薄工艺、硅通孔技术前提下，实现了像素单元高填充因子性能，突破了通常只能在中小像素图像传感器应用的限制，实现了可以广泛适用于各种(尤其是大像素)CMOS图像传感器的制作。

附图说明

图1所示为本发明的双面CMOS图像传感器芯片的示意图；

图2所示为具有本发明的双面CMOS图像传感器芯片的图像传感器模组的示意图；

图3所示为本发明的双面CMOS图像传感器芯片的剖视图；

图4a-4d所示为双面CMOS图像传感器芯片背面感光层制造步骤的剖视图。

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。

请参照图1，本发明的双面CMOS图像传感器芯片包括半导体衬底、正面感光层和背面感光层。其中，半导体衬底具有正面和与正面相对的背面。正面感光层形成在半导体衬底的正面，其包括从背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层。背面感光层形成在半导体衬底的背面，其包括从正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管。从图1可以看出，本发明的CMOS图像传感器芯片为一种双面CMOS图像传感器芯片，通过将两个图像传感器结构并成为一个，减小了体积开销和成本开销。

在一优选实施例中，双面CMOS图像传感器芯片的正面感光层在通过FSI前照技术形成，即正面为FSI结构，通常像素尺寸较大(例如2um～5um，优选4.2um)，具有较好的暗光响应和拍摄帧率，其可对应于正面镜头(前置摄像头)；芯片的背面感光层通过BSI背照技术形成，即背面为BSI结构，通常像素分辨率较高(例如800万～2000万，优选1600万像素)，具有清晰的图像表现力，其对应背面镜头(后置摄像头)。如图2所示，双面CMOS图像传感器芯片与两个镜头组成一个图像传感器模组，兼具前置摄像头和后置摄像头的功能。正面感光层和背面感光层的信号均可以通过信号传输路径输出至数字图像信号处理器(ISP)进行算法和图像处理。

图3显示了本发明的双面CMOS图像传感器芯片的剖视图。正面感光层形成在半导体衬底的正面，其包括，从背面向正面方向依次设置的，多个正面感光二极管和正面MOS晶体管区、位于正面MOS晶体管区上方用于将光电转换的电信号输出的正面金属层M1-M3和位于正面感光二极管上方的光通路、位于光通路上方的正面彩色滤镜层和正面微透镜层。背面感光层形成在半导体衬底的背面，其包括，从正面向背面方向依次设置的，背面MOS晶体管区、用于将电信号输出的背面金属层M1’-M3’、进行光电转换的多个背面感光二极管、背面彩色滤镜层(图中未示)和背面微透镜层(图中未示)。

值得注意的是，本发明的双面CMOS图像传感器芯片是在以背照技术形成背面感光层之后再以前照技术形成正面感光层。下面将对本发明双面CMOS图像传感器芯片的制造方法加以说明。双面CMOS图像传感器芯片的制造方法包括以下步骤。

步骤S1：在半导体衬底的背面形成背面感光层，背面感光层包括从正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管。

其中，背面感光层通过背照技术形成，图4a-4d显示了背面感光层的各制造步骤的结构剖视试图，以下将结合图4a-4d加以说明。

参考图4a，首先，提供SOI衬底，包括薄体硅衬底1，厚体硅衬底3以及薄体硅衬底和厚体硅衬底之间引入的一层二氧化硅层2。接着在薄体硅衬底1上形成用于感光的背面感光二极管，并在感光二极管的上方形成第一金属键合层Mx，第一金属键合层Mx与背面感光二极管互连。

接下来，请参考图4b，沿二氧化硅层将厚体硅衬底剥离，剩余的薄体硅衬底1用于下一步工艺。

请参考图4c，接着，提供另一个标准的体硅衬底4，该体硅衬底4包括背面感光二极管对应区。在背面感光二极管对应区依次形成用于将光电转换的电信号输出的MOS晶体管以及多层金属层M1’-M3’。在除感光二极管对应区以外的其他电路区域还可形成读取电路(如ADC)，控制电路(如数字连线等)，互连线、IO及焊盘PAD等。感光二极管对应区的MOS晶体管、第一金属互连层M1’、第二金属互连层M2’、顶层金属互连层M3’间通过互连线互连。

接着，在标准体硅衬底4的背面感光二极管对应区的上方，形成第二金属键合层My，第二金属键合层My与顶层金属互连层M3’通过互连线互连。

其中，第一金属键合层Mx和第二金属键合层My都可通过蒸镀金属膜形成，较佳的金属膜可为Ti膜和Au膜。具体来说，先蒸镀Ti膜，再蒸镀Au膜，由于Ti膜的粘附性较好，还可作为扩散阻挡层防止Au及键合缺陷进入器件。当然，在本发明的其他实施例中，金属膜也可为Pt膜，In膜，In/Sn膜，Cu/Ti膜，Cr/Au膜等，本发明并不限于此。

接下来，请参考图4d，将薄体硅衬底1和标准的体硅衬底4进行金属键合。具体来说，首先将上述制备有背面感光二极管和第一金属键合层Mx的薄体硅衬底1进行翻转，为后续金属键合工艺做准备。之后将已翻转的薄体硅衬底1与标准体硅衬底4进行对准。较佳的，对准方法是通过对准标记来进行。在对准了薄体硅衬底1与标准体硅衬底4后，通过金属键合工艺将薄体硅衬底上的第一金属键合层Mx与标准体硅衬底上的第二金属键合层My对应键合实现薄体硅衬底1与标准体硅衬底4的结合。其中金属键合工艺可采用金属扩散键合或熔化共熔晶键合技术。之后，还可在背面感光二极管上方形成彩色滤镜(ColorFilter)，以及通过微透镜工艺，在每个彩色滤镜上方形成微透镜(MicroLens)。由此，最终形成背面感光层，背面感光层位于由薄体硅衬底1与标准体硅衬底4所结合的、作为本发明的半导体衬底的背面。

然后进行步骤S2：在半导体衬底的正面形成正面感光层，正面感光层包括从所述背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层。

具体的，正面感光层通过前照式技术制作，方法如下：

首先，将半导体衬底(即结合的薄体硅衬底1与标准体硅衬底4)翻转，使其不具有背面感光层的一面(即正面)朝上。

然后，在半导体衬底上形成正面感光二极管和正面MOS晶体管区。具体的，包括如下步骤：形成有源区和STI浅槽隔离、阱区掺杂工艺，包括感光二极管表面的P+掺杂和MOS晶体管(复位管RX、传输管TX、源跟随器SF、行选管RS)阈值电压的掺杂、制作MOS晶体管的栅氧层和栅极、进行感光二极管的N+掺杂，形成PN结从而完成正面感光二极管的制作、进行常规的LDD掺杂、形成侧墙、源漏掺杂以及硅化物自对准工艺完成正面MOS晶体管的制作。

之后在正面MOS晶体管区上方完成后道金属互联工艺而形成正面金属层。

接下来，进行深槽刻蚀去除正面感光二极管上方的介质层并填充透光介质以形成光通路，可选的在光通路上沉积特定厚度的氮化硅钝化层。

最后，在光通路上方形成正面彩色滤镜/微透镜。

需要说明的是，本发明的双面CMOS图像传感器芯片的正面感光层的制造方法并不限于上述方法步骤，也可采用业界通用的其他FSI前照技术制造。同样的，背面感光层的制造方法也不限于上述方法步骤，可采用其他BSI背照技术来制造。

综上所述，本发明双面CMOS图像传感器芯片由正面感光层和背面感光层共同构成，应用于智能手机时可将原先两个摄像头模组合并成一个，兼具拍摄景物和自拍的功能，同时也减小了体积。此外，正面感光层和背面感光层以同一硅衬底作为半导体衬底来进行制作，节省了成本。并且双面CMOS图像传感器芯片的制造方法在避免使用复杂、高成本的超薄减薄工艺、硅通孔技术前提下，实现了像素单元高填充因子性能，突破了通常只能在中小像素图像传感器应用的限制，实现了可以广泛适用于各种(尤其是大像素)CMOS图像传感器的制作。

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 (10)

1.一种双面CMOS图像传感器芯片，其特征在于，包括：

半导体衬底，其具有正面和与所述正面相对的背面；

正面感光层，形成于所述半导体衬底的正面，其包括从所述背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层；以及

背面感光层，形成于所述半导体衬底的背面，其包括从所述正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管。

2.根据权利要求1所述的双面CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述背面感光层通过背照技术形成，所述正面感光层在所述背面感光层形成后通过前照技术形成。

3.根据权利要求1所述的双面CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述正面感光层还包括正面滤镜层和正面微透镜层，所述背面感光层还包括背面滤镜层和背面微透镜层。

4.一种双面CMOS图像传感器芯片的制造方法，其特征在于，包括：

在半导体衬底的背面形成背面感光层，所述背面感光层包括从正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管；以及

在所述半导体衬底的正面形成正面感光层，所述正面感光层包括从所述背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，通过背照技术形成所述背面感光层，在所述背面感光层形成后通过前照技术形成所述正面感光层。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，通过背照技术形成所述背面感光层的步骤包括：

提供SOI衬底，所述SOI衬底包括薄体硅衬底，厚体硅衬底以及二氧化硅层；

在所述薄体硅衬底上依次形成多个所述背面感光二极管及第一金属键合层；

沿所述二氧化硅层将所述厚体硅衬底剥离；

提供体硅衬底，所述体硅衬底包括背面感光二极管对应区；

在所述体硅衬底上的背面感光二极管对应区依次形成背面MOS晶体管区、所述背面金属层，并在所述背面金属层的顶层金属互连层上方形成第二金属键合层；以及

对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合，金属键合后的所述薄体硅衬底与所述体硅衬底构成所述半导体衬底。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合的步骤包括：

将所述薄体硅衬底翻转；

将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准；

通过金属键合工艺对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第一金属键合层和所述第二金属键合层包括Ti层和Au层，通过蒸镀金属膜形成所述第一金属键合层及所述第二金属键合层。

9.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述背面感光层形成后通过前照技术形成所述正面感光层的步骤包括：

将所述半导体衬底翻转使其正面朝上；

在所述半导体衬底的正面形成多个所述正面感光二极管和正面MOS晶体管区；

在所述正面MOS晶体管区上方形成所述正面金属层；以及

在所述正面感光二极管上方形成光通路。

10.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，形成所述背面感光层还包括形成背面滤镜层和背面微透镜层的步骤；形成所述正面感光层还包括形成正面滤镜层和正面微透镜层的步骤。