CN107134468A - 三维图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维图像传感器及其制造方法,在像素晶圆上形成光栅透镜,所述光栅透镜能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆,由此可以避免增加专门的透镜组件,从而可以减小所形成的三维图像传感器的体积;此外,相对于增加专门的透镜组件,将具有波长选择和聚光作用的光栅透镜集成到三维图像传感器内也能够降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器制造技术领域,特别涉及一种三维图像传感器及其制造方法。
背景技术
传统的二维图像技术已不能满足人们的需求,越来越多的三维图像技术被应用在相关领域中,例如,海洋陆地勘测、机器视觉、视觉游戏、三维家庭影院、三维视频会议以及汽车移动控制等等。
在传统的三维成像技术中,三维成像系统由分立元器件实现的机器扫描与强大的信号处理芯片构成。这样构成的系统不仅笨拙体积大而且价格昂贵,此外它的功耗高也是其一大劣势。而单芯片CMOS图像传感器,基于飞行时间法(Time of Fly,TOF)测距原理,用一个约几十毫伏功率的激光脉冲代替了传统的机器扫描,并且将逻辑电路、存储电路与像素电路集成到单一芯片上,用标准的CMOS工艺来实现这一设计。
请参考图1,其为现有的三维图像传感器的结构示意图。如图1所示,在现有的三维图像传感器1中,包括逻辑晶圆10、键合于所述逻辑晶圆10上的存储晶圆11、键合于所述存储晶圆11上的像素晶圆12以及形成于所述像素晶圆12上的玻璃透镜13,其中,所述像素晶圆12主要包括光电二极管120、彩色滤光片121及微透镜122。在现有技术中,主要通过玻璃透镜13实现聚光作用,同时,在每个像素中,还通过微透镜122对玻璃透镜13透射出来的光线进行调整,通过彩色滤光片121实现波长的选择,通过光电二极管120进行光电的转换。彩色滤光片121和微透镜122均可以通过现有的CMOS工艺形成,而玻璃透镜13需要通过额外的工艺粘贴在像素晶圆12上。
现有的三维图像传感器仍旧存在一定的体积较大和成本较昂贵的问题,如何进一步降低三维图像传感器的体积和成本成了本领域技术人员需要解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维图像传感器及其制造方法,以解决现有技术中的三维图像传感器体积较大的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供一种三维图像传感器,所述三维图像传感器包括:逻辑晶圆、键合于所述逻辑晶圆的第一表面的存储晶圆、键合于所述存储晶圆的第二表面的像素晶圆及形成于所述像素晶圆的第三表面的光栅透镜,所述光栅透镜能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆。
可选的,在所述的三维图像传感器中,所述光栅透镜包括多个间隔的二氧化钛纳米砖块。
可选的,在所述的三维图像传感器中,所述二氧化钛纳米砖块的高度为500nm~700nm。
可选的,在所述的三维图像传感器中,所述二氧化钛纳米砖块的截面宽度为100nm~700nm。
可选的,在所述的三维图像传感器中,相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙为10nm~200nm。
可选的,在所述的三维图像传感器中,所述像素晶圆包括多个间隔的单光子雪崩二极管,相邻两个单光子雪崩二极管之间通过深沟槽隔离结构予以隔离。
本发明还提供一种三维图像传感器的制造方法,所述三维图像传感器的制造方法包括:
提供逻辑晶圆;
在所述逻辑晶圆的第一表面键合存储晶圆;
在所述存储晶圆的第二表面键合像素晶圆,所述像素晶圆的第三表面形成有光栅透镜,所述光栅透镜能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆。
可选的,在所述的三维图像传感器的制造方法中,通过如下方法在所述像素晶圆的第三表面形成光栅透镜:
在所述像素晶圆的第三表面形成二氧化钛层;
刻蚀所述二氧化钛层以形成光栅透镜。
可选的,在所述的三维图像传感器的制造方法中,所述光栅透镜包括多个间隔的二氧化钛纳米砖块;所述二氧化钛纳米砖块的高度为500nm~700nm;所述二氧化钛纳米砖块的截面宽度为100nm~700nm;相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙为10nm~200nm。
可选的,在所述的三维图像传感器的制造方法中,所述像素晶圆包括多个间隔的单光子雪崩二极管,相邻两个单光子雪崩二极管之间通过深沟槽隔离结构予以隔离。
在本发明提供的三维图像传感器及其制造方法中,在像素晶圆上形成光栅透镜,所述光栅透镜能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆,由此可以避免增加专门的透镜组件,从而可以减小所形成的三维图像传感器的体积;此外,相对于增加专门的透镜组件,将具有波长选择和聚光作用的光栅透镜集成到三维图像传感器内也能够降低成本。
附图说明
图1是现有的三维图像传感器的结构示意图;
图2是本发明实施例的三维图像传感器的结构示意图;
图3是本发明实施例的光栅透镜的一显微镜示意图;
图4是本发明实施例的光栅透镜的另一显微镜示意图;
图5是本发明实施例的三维图像传感器的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的三维图像传感器及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
考虑到玻璃透镜体积较大并且价格比较昂贵,本申请的核心思想在于:在像素晶圆上形成光栅透镜,所述光栅透镜能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆,由此可以避免增加专门的透镜组件,从而可以减小所形成的三维图像传感器的体积;此外,相对于增加专门的透镜组件,将具有波长选择和聚光作用的光栅透镜集成到三维图像传感器内也能够降低成本。
请参考图2,其为本发明实施例的三维图像传感器的结构示意图。如图2所示,在本申请实施例中,所述三维图像传感器2包括:逻辑晶圆20、键合于所述逻辑晶圆20的第一表面的存储晶圆21、键合于所述存储晶圆21的第二表面的像素晶圆22及形成于所述像素晶圆22的第三表面的光栅透镜23,所述光栅透镜23能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆22。
优选的,所述光栅透镜23包括多个间隔的二氧化钛纳米砖块。即在本申请实施例中,所述光栅透镜23由二氧化钛材料制成,且其形式为多个间隔的纳米砖块。具体的,所述二氧化钛纳米砖块的高度(即图2所示的Y方向上的一个二氧化钛纳米砖块的两侧边之间的距离)为500nm~700nm,所述二氧化钛纳米砖块的截面宽度(即图2所示的X方向上的一个二氧化钛纳米砖块的两侧边之间的距离)为100nm~700nm,相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙/间隔为10nm~200nm。
例如,所述二氧化钛纳米砖块的高度为500nm、550nm、580nm、600nm、620nm、650nm或者700nm等;所述二氧化钛纳米砖块的截面宽度为100nm、120nm、150nm、200nm、350nm、500nm或者700nm等;相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙/间隔为10nm、15nm、20nm、50nm、60nm、80nm、100nm、150nm或者200nm等。
在本申请实施例中,多个二氧化钛纳米砖块之间的高度相同或者基本相同,即也可以由于工艺条件的限制,而存在一定的高度差,通常的,最高的二氧化钛纳米砖块的高度与最低的二氧化钛纳米砖块的高度之差小于等于20nm。
进一步的,多个二氧化钛纳米砖块之间的截面宽度可以相同也可以不相同。对于多个二氧化钛纳米砖块之间的截面宽度不相同的情况,可以是由于各二氧化钛纳米砖块采用了不同的尺寸而致,也可以是由于各二氧化钛纳米砖块采用了(相对于X方向的)不同的倾斜角度而致(对此可具体参考图3和图4)。
相应的,相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙/间隔可以相同也可以不相同。当相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙/间隔相同时,相邻两个所述二氧化钛纳米砖块各处之间的间隙/间隔均相同或者基本相同(即差别主要是由于工艺条件的限制);当相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙/间隔不相同时,相邻两个所述二氧化钛纳米砖块各相应位置中只要有一个位置处的间隙/间隔与其他位置处的间隙/间隔不相同即可。
其中,所述二氧化钛纳米砖块的高度、所述二氧化钛纳米砖块的截面宽度以及相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙/间隔具体可根据需要聚焦的光线的位置,也即光电二极管(在本申请实施例中,具体为单光子雪崩二极管,即SPAD)的位置以及需要选择的波长而定,本申请实施例对此不作限定。较佳的,所述二氧化钛纳米砖块的高度为500nm~700nm,所述二氧化钛纳米砖块的截面宽度为100nm~700nm,相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙/间隔为10nm~200nm。
在本申请实施例中,所述逻辑晶圆20的第一表面为所述逻辑晶圆20的背面,所述存储晶圆21的第二表面为所述存储晶圆21的背面,所述像素晶圆22的第三表面为所述像素晶圆22的正面。
进一步的,所述存储晶圆21的第四表面(即所述存储晶圆21的正面)键合于所述逻辑晶圆20的第一表面,所述像素晶圆22的第五表面(即所述像素晶圆22的背面)键合于所述存储晶圆21的第二表面。其中,所述存储晶圆21的第二表面和所述像素晶圆22的第五表面均为经过减薄后的表面。
请继续参考图2,在本申请实施例中,所述像素晶圆22包括多个间隔的单光子雪崩二极管(SPAD)220,相邻两个单光子雪崩二极管220之间通过深沟槽隔离结构(DTI)221予以隔离。其中,所述单光子雪崩二极管220可以采用现有的任何一种工艺形成,本申请实施例对此不作限定。进一步的,所述深沟槽隔离结构221可以采用金属隔离,也可以采用非金属隔离,其只要能够实现对于相邻两个单光子雪崩二极管220之间的隔离,防止串扰即可。进一步的,所述像素晶圆22还可包括微透镜222,对于每个像素而言,也可通过所述微透镜222对光栅透镜23透射出来的光线进行调整,以提高三维图像传感器的成像质量。
在本申请实施例中,所述逻辑晶圆20具体可包括逻辑电路等结构,所述存储晶圆21具体可包括存储电路等结构,此外,所述逻辑晶圆20和所述存储晶圆21还可包括隔离结构(主要为介质层)等。其中,所述逻辑晶圆20和所述存储晶圆21只要能够实现逻辑控制和存储功能即可,其可采用现有的任何一种结构。
进一步的,所述逻辑晶圆20和所述存储晶圆21之间的键合可以通过复合键合工艺实现(即可同时包括金属和金属之间的键合以及非金属和非金属之间的键合);所述存储晶圆21和所述像素晶圆22之间的键合亦可通过复合键合工艺实现。
相应的,本实施例还提供一种三维图像传感器的制造方法,具体可参考图5,其为本发明实施例的三维图像传感器的制造方法的流程示意图。结合参考图2和图5,所述三维图像传感器的制造方法包括:
步骤S30:提供逻辑晶圆20;
步骤S31:在所述逻辑晶圆20的第一表面键合存储晶圆21;
步骤S32:在所述存储晶圆21的第二表面键合像素晶圆22,所述像素晶圆22的第三表面形成有光栅透镜23,所述光栅透镜23能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆。
即在本申请实施例中,可以先在所述像素晶圆22的第三表面形成光栅透镜23,然后再将逻辑晶圆20的第一表面和存储晶圆21的第四表面键合,再将存储晶圆21的第二表面和像素晶圆22的第五表面键合。其中,在执行存储晶圆21的第二表面和像素晶圆22的第五表面键合之前,可先对所述存储晶圆21和所述像素晶圆22执行背面减薄工艺。
在本申请实施例中,可通过如下方法在所述像素晶圆22的第三表面形成光栅透镜23:在所述像素晶圆22的第三表面形成二氧化钛层;刻蚀所述二氧化钛层以形成光栅透镜23。具体的,可通过干法刻蚀工艺或者湿法刻蚀工艺刻蚀所述二氧化钛层,形成多个间隔的二氧化钛纳米砖块。其中,所述二氧化钛纳米砖块的高度可以为500nm~700nm;所述二氧化钛纳米砖块的截面宽度可以为100nm~700nm;相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙可以为10nm~200nm。
综上可见,在本发明实施例提供的三维图像传感器及其制造方法中,在像素晶圆上形成光栅透镜,所述光栅透镜能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆,由此可以避免增加专门的透镜组件,从而可以减小所形成的三维图像传感器的体积;此外,相对于增加专门的透镜组件,将具有波长选择和聚光作用的光栅透镜集成到三维图像传感器内也能够降低成本。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述,并非对本发明范围的任何限定,本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰,均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种三维图像传感器,其特征在于,所述三维图像传感器包括:逻辑晶圆、键合于所述逻辑晶圆的第一表面的存储晶圆、键合于所述存储晶圆的第二表面的像素晶圆及形成于所述像素晶圆的第三表面的光栅透镜,所述光栅透镜能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆。
2.如权利要求1所述的三维图像传感器,其特征在于,所述光栅透镜包括多个间隔的二氧化钛纳米砖块。
3.如权利要求2所述的三维图像传感器,其特征在于,所述二氧化钛纳米砖块的高度为500nm~700nm。
4.如权利要求3所述的三维图像传感器,其特征在于,所述二氧化钛纳米砖块的截面宽度为100nm~700nm。
5.如权利要求4所述的三维图像传感器,其特征在于,相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙为10nm~200nm。
6.如权利要求1~5中任一项所述的三维图像传感器,其特征在于,所述像素晶圆包括多个间隔的单光子雪崩二极管,相邻两个单光子雪崩二极管之间通过深沟槽隔离结构予以隔离。
7.一种三维图像传感器的制造方法,其特征在于,所述三维图像传感器的制造方法包括:
提供逻辑晶圆;
在所述逻辑晶圆的第一表面键合存储晶圆;
在所述存储晶圆的第二表面键合像素晶圆,所述像素晶圆的第三表面形成有光栅透镜,所述光栅透镜能够选择波长,并对选择后的波长进行聚光后传递至所述像素晶圆。
8.如权利要求7所述的三维图像传感器的制造方法,其特征在于,通过如下方法在所述像素晶圆的第三表面形成光栅透镜:
在所述像素晶圆的第三表面形成二氧化钛层;
刻蚀所述二氧化钛层以形成光栅透镜。
9.如权利要求7或8所述的三维图像传感器的制造方法,其特征在于,所述光栅透镜包括多个间隔的二氧化钛纳米砖块;所述二氧化钛纳米砖块的高度为500nm~700nm;所述二氧化钛纳米砖块的截面宽度为100nm~700nm;相邻两个所述二氧化钛纳米砖块之间的间隙为10nm~200nm。
10.如权利要求7或8所述的三维图像传感器的制造方法,其特征在于,所述像素晶圆包括多个间隔的单光子雪崩二极管,相邻两个单光子雪崩二极管之间通过深沟槽隔离结构予以隔离。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170905 |