CN108269814A - 具有堆叠结构的cmos图像传感器芯片及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种器件，包括具有在其中的图像传感器的传感器芯片。读出芯片位于图像传感器芯片下方并且与图像传感器芯片接合，其中，读出芯片在其中包括从基本上由复位晶体管、源极跟随器、行选择器以及它们的组合所组成的组中选择的逻辑器件。逻辑器件和图像传感器相互电耦合并且是同一像素单元的部分。外围电路芯片位于读出芯片下方并且与读出芯片接合，其中，外围电路芯片包括逻辑电路。本发明还提供了具有堆叠结构的CMOS图像传感器芯片及其形成方法。
Description
本申请是分案申请，其母案申请的申请号为201210576637.6、申请日为2012年12月26号、发明名称为“具有堆叠结构的CMOS图像传感器芯片及其形成方法”。
相关申请的交叉参考
本申请涉及以下共同转让的美国专利申请：于2012年xx月xx日提交的名称为“xxxx”的序列号为xx/xxx,xxx的申请(代理人卷号TSM12-0273)；于2012年6月1日提交的名称为“Image Sensors with High Fill-Factor”的序列号为13/486,724的申请；以及于2012年4月27日提交的名称为“Apparatus for Vertical Integrated BacksideIlluminated Image sensors”的序列号为13/458,812的申请，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地来说，涉及一种半导体器件及其形成方法。
背景技术
由于其更高的捕获光子效率，背照式(BSI)图像传感器芯片正在取代前照式传感器芯片。在形成BSI图像传感器芯片的过程中，在晶圆的硅衬底上形成图像传感器(如光电二极管)和逻辑电路，随后在硅芯片的正面上形成互连结构。然后，减薄晶圆，并且在硅衬底的背面上形成诸如滤色器和微透镜的背面结构。
BSI图像传感器芯片中的图像传感器响应光子的激发生成电信号。电信号的大小(诸如电流)取决于通过相应的图像传感器所接收的入射光的强度。为了增加图像传感器的量子效率，图像传感器优选地占用更高比例的由像素单元使用的芯片面积，像素单元包括图像传感器。由于除了图像传感器以外，像素单元还包括附加的器件，例如，包括传输门晶体管、复位晶体管、源极跟随器和行选择器，所以限制了量子效率的改善。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种器件，包括：图像传感器芯片，其中包括图像传感器；读出芯片，位于所述图像传感器下方并与所述图像传感器接合，其中，在所述读出芯片中包括从基本上由复位晶体管、源极跟随器、行选择器以及它们的组合所组成的组中选择的逻辑器件，并且所述逻辑器件和所述图像传感器相互电耦合且是同一像素单元的一部分；以及外围电路芯片，位于所述读出芯片下方并与所述读出芯片接合，其中，所述外围电路芯片包括逻辑电路。
在该器件中，所述图像传感器芯片进一步包括：互连结构；通孔，与所述互连结构中的金属线电耦合；以及电连接件，位于所述图像传感器芯片的表面，其中，所述电连接件位于所述通孔上方并与所述通孔电耦合。
在该器件中，所述图像传感器芯片包括与所述电连接件平齐的半导体衬底。
在该器件中，所述图像传感器芯片包括半导体衬底，并且所述互连结构包括：第一部分，与所述半导体衬底重叠；以及第二部分，不与所述半导体衬底重叠，其中，所述电连接件与所述互连结构的所述第二部分重叠。
在该器件中，在所述图像传感器芯片中进一步包括传输门晶体管，其中，所述传输门晶体管与所述图像传感器电耦合，并且所述传输门晶体管是所述同一像素单元的一部分。
在该器件中，除像素单元中的传输门晶体管以外，所述图像传感器芯片基本上没有额外的晶体管。
在该器件中，在所述图像传感器芯片中进一步包括浮置扩散电容器，其中，所述浮置扩散电容器与所述图像传感器电耦合，并且所述浮置扩散电容器是所述同一像素单元的部分。
在该器件中，所述读出芯片包括所述复位晶体管、所述源极跟随器以及所述行选择器。
在该器件中，所述外围电路芯片中的所述逻辑电路进一步包括位于所述读出芯片中的图像信号处理(ISP)电路，其中，所述ISP电路包括从基本上由模数转换器(ADC)、相关双采样(CDS)电路、行译码器以及它们的组合所组成的组中选择的电路。
根据本发明的另一方面，提供了一种器件，包括：图像传感器芯片，所述图像传感器芯片包括：传感器阵列，包括多个图像传感器；多个传输门晶体管，所述多个传输门晶体管中的每一个都与所述多个图像传感器中的一个电耦合；和电连接件，位于所述图像传感器芯片的顶面；读出芯片，位于所述图像传感器芯片的下方并与所述图像传感器芯片接合，其中，所述读出芯片包括：多个复位晶体管；多个源极跟随器；和多个行选择器，与所述多个图像传感器和所述多个传输门晶体管电耦合以形成包括多个像素单元的像素单元阵列；以及外围电路芯片，位于所述读出芯片的下方并与所述读出芯片接合，其中，所述外围电路芯片包括从基本上由模数转换器(ADC)、相关双采样(CDS)电路、行译码器以及它们的组合所组成的组中选择的电路。
在该器件中，通过包括金属与金属接合和氧化物与氧化物接合的混合接合来接合所述图像传感器芯片和所述读出芯片。
在该器件中，所述图像传感器芯片进一步包括多个浮置扩散电容器，并且所述多个浮置扩散电容器中的每一个都与所述多个图像传感器中的一个电耦合并且形成所述多个像素单元中的相应一个的一部分。
在该器件中，所述多个传输门晶体管被配置成从所述读出芯片接收控制信号。
该器件进一步包括位于所述图像传感器芯片中并位于所述传感器阵列上方的滤色器和微透镜。
根据又一方面，提供了一种方法，包括：实施第一接合步骤以将图像传感器芯片接合至读出芯片并且使所述图像传感器芯片位于所述读出芯片的上方，其中，所述图像传感器芯片包括：第一半导体衬底；和图像传感器，设置为紧邻所述第一半导体衬底的表面；其中，所述读出芯片包括：第二半导体衬底；和逻辑器件，位于所述第二半导体衬底的表面并且从基本由复位晶体管、源极跟随器、行选择器以及它们的组合所组成的组中进行选择，其中，所述逻辑器件和所述图像传感器相互电耦合并形成同一像素单元的一部分；实施第二接合步骤以将外围电路芯片接合至所述读出芯片并且使所述外围电路芯片位于所述读出芯片的下方，其中，所述外围电路芯片包括：第三半导体衬底；和逻辑电路，位于所述第三半导体衬底的表面；以及在所述图像传感器芯片的顶面处形成电连接件。
在该方法中，以晶圆级实施所述第一接合步骤和所述第二接合步骤，其中，所述图像传感器芯片、所述读出芯片以及所述外围电路芯片位于相应的未切割的晶圆中。
该方法进一步包括：在所述第二接合步骤之后，在所述图像传感器芯片的顶面处形成滤色器和微透镜。
该方法进一步包括：在形成所述电连接件的步骤之前，蚀刻所述第一半导体衬底的边缘部分；并且在所述图像传感器芯片的互连结构中形成深通孔，其中，所述电连接件形成在所述第一半导体衬底中被蚀刻的所述边缘部分所留下的空间中，并且所述电连接件通过所述深通孔电耦合至所述外围电路芯片中的所述逻辑电路。
在该方法中，在所述图像传感器芯片和所述读出芯片中基本上没有图像信号处理(ISP)电路。
在该方法中，通过包括金属与金属接合和氧化物与氧化物接合的混合接合来接合所述图像传感器芯片和所述读出芯片。
附图说明
为了更好地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1示出了根据一些示例性实施例的堆叠图像传感器管芯(或晶圆)的堆叠结构；
图2至图9是根据一些示例性实施例制造堆叠图像传感器晶圆/芯片的中间阶段的截面图；
图10示出了根据一些可选示例性实施例的像素单元的示意性电路图；以及
图11示出了分离成两个堆叠芯片的示例性像素单元的俯视图。
具体实施方式
以下详细讨论了本发明的实施例的制造和使用。然而，应该理解，本实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的创造性概念。所讨论的具体实施例仅为说明性的，并且没有限定本发明的范围。
根据各种示例性实施例提供堆叠图像传感器芯片/晶圆及其形成方法。示出了形成堆叠图像传感器芯片和相应的堆叠晶圆的中间阶段。讨论了实施例的变型例。在各个附图和所有说明性实施例中，相同的参考标号用于指定相同的元件。
图1示意性地示出了根据一些示例性实施例的堆叠图像传感器管芯(或晶圆)的堆叠结构。例如，背照式(BSI)图像传感器芯片20通过金属与金属接合或包括金属与金属接合和氧化物与氧化物接合的混合接合接合至读出芯片100。读出芯片100进一步接合至是专用集成电路(ASIC)芯片的外围电路芯片200。外围电路芯片200可以包括图像信号处理(ISP)电路，并且可以或不可以进一步包括涉及BSI应用的其他电路。芯片20、100和200的接合可以是晶圆级。在晶圆级接合中，分别包括芯片20、100和200的晶圆22、102和202接合在一起，然后切割成管芯。可选地，可以以芯片级实施接合。
图2至图9示出了根据一些示例性实施例堆叠BSI图像传感器芯片/晶圆和外围电路芯片/晶圆的中间阶段的截面图。图2示出了图像传感器芯片20，图像传感器芯片是在其中包括多个图像传感器芯片20的晶圆22的一部分。图像传感器芯片20包括半导体衬底26，半导体衬底可以是晶体硅衬底或由其他半导体材料形成的半导体衬底。在通篇描述中，表面26A被称为半导体衬底26的正面，而表面26B被称为半导体衬底26的背面。图像传感器24形成在半导体衬底26的正面26A处。图像传感器24被配置成将光信号(光子)转换成电信号，图像传感器可以是感光金属氧化物半导体(MOS)晶体管或感光二极管。因此，在通篇描述中，图像传感器24可选地被称为光电二极管24，但是图像传感器可以是其他类型的图像传感器。在一些示例性实施例中，光电二极管24从正面26A延伸到半导体衬底26中，并形成在图11所示的俯视图中示出的图像传感器阵列。
在一些实施例中，每个光电二极管24电耦合至包括栅极30的传输门晶体管28的第一源极/漏极区。可以通过连接的光电二极管24共用传输门晶体管28的第一源极/漏极区。例如，通过注入衬底以形成用作浮置扩散电容器32的p-n结，在衬底26中形成浮置扩散电容器32。可以在传输门晶体管28的第二源极/漏极区中形成浮置扩散电容器32，因此浮置扩散电容器32的一个电容器极板电耦合至传输门晶体管28的第二源极/漏极区。光电二极管24、传输门晶体管28和浮置扩散电容器32形成像素单元300的部分45(在图2中未示出，请参考图4和图10)。
在一些实施例中，图像传感器芯片20和晶圆22没有或基本上没有除了传输门晶体管28以外的额外的逻辑器件(例如，逻辑晶体管)。此外，图像传感器芯片20和晶圆22可以没有图像传感器芯片的外围电路，例如，其外围电路包括图像信号处理(ISP)电路，其中，图像信号处理(ISP)电路包括模拟-数字转换器(ADC)、相关双采样(CDS)电路、行译码器等。
再次参考图2，正面互连结构34形成在半导体衬底26上方，并且用于电互连图像传感器芯片20中的器件。正面互连结构34包括介电层36以及介电层36中的金属线38和通孔40。在通篇描述中，同一介电层36中的金属线38统称为金属层。互连结构34可以包括多个金属层。介电层36可以包括低k介电层和可能位于低k介电层上方的钝化层。低k介电层具有低k值，例如，低于约3.0。钝化层可以由具有大于3.9的k值的非低k介电材料形成。
金属焊盘42位于晶圆22的前表面处，前表面可以具有通过诸如化学机械抛光(CMP)的平坦化步骤实现的高表面平坦度。金属焊盘42的顶面与介电层36的顶面基本上平齐，并且基本上没有凹陷和侵蚀。金属焊盘42可以包括铜、铝以及可能包括其他金属。在一些实施例中，传输门晶体管28的每个栅极30都电耦合至一个金属焊盘42。因此，栅极30通过金属焊盘42接收传输信号。每个浮置扩散电容器32都电耦合至一个金属焊盘42，使得存储在扩散电容器32中的电荷可以通过相应的耦合金属焊盘42向芯片100(在图2中未示出，请参考图4)放电。因此，每个像素单元300(参考图4)都可以包括两个金属焊盘42。应该理解，每个像素单元300中的金属焊盘42的数量与像素单元300的配置有关。因此，每个像素单元300都可以包括不同数量(诸如3、4、5等)的金属焊盘42。
图3示出了器件芯片100的截面图，器件芯片处于包括与器件芯片100相同的多个相同的器件芯片的晶圆102中。器件芯片100包括衬底120以及形成在衬底120前表面上的逻辑电路122。在一些实施例中，衬底120是硅衬底。可选地，衬底120由诸如硅锗、硅碳、III-V族化合物半导体材料等的其他半导体材料形成。根据一些实施例，逻辑电路122包括具有行选择器126、源极跟随器128和复位晶体管130的多个晶体管。行选择器126、源极跟随器128和复位晶体管130可以形成多个像素单元部分124，其中，每个像素单元部分124都包括一个行选择器126、一个源极跟随器128和一个复位晶体管130。
在一些实施例中，芯片100没有或基本上没有在像素单元300(请参考图4)中不包括的逻辑器件(如逻辑晶体管)。例如，芯片100可以基本上没有可以包括ADC、CDS电路、行译码器等的ISP电路。在可选实施例中，可以在芯片100中形成一些逻辑电路。例如，可以在芯片100中形成行译码器，而在芯片100中没有形成ADC和CDS电路。
互连结构134形成在像素单元部分124上方，并将像素单元部分124电耦合至芯片200的外围电路204(在图3中未示出，请参考图4)。互连结构134包括位于多个介电层136中的多个金属层。金属线138和通孔140设置在介电层136中。在一些示例性实施例中，介电层136包括低k介电层。低k介电层可以具有低于约3.0的低k值。介电层136可以进一步包括由具有大于3.9的k值的非低k介电材料形成的钝化层。在一些实施例中，钝化层包括氧化硅层、未掺杂硅酸盐玻璃层等。
金属焊盘142形成在晶圆102的表面处，其中，金属焊盘142可以具有通过相对于顶部介电层136的顶面具有基本上较低的凹陷或侵蚀作用的CMP获得的高表面平坦度。金属焊盘142也可以包括铜、铝和/或其他金属。在一些实施例中，每个像素单元部分124都电连接至一个或多个金属焊盘142。
参考图4，晶圆22和102通过金属焊盘42接合至相应的金属焊盘142而相互接合。接合可以是没有施加额外的压力的混合接合，并且可以在室温(例如，约21℃)下实施该接合。当金属焊盘42接合至金属焊盘142时，晶圆22的顶部氧化层通过氧化物与氧化物接合而接合至晶圆102的顶部氧化层。作为接合的结果，光电二极管24、传输门晶体管28、浮置扩散电容器32、行选择器126、源极跟随器128以及复位晶体管130耦合以形成多个像素单元300。在一些实施例中，如图11所示，像素单元300形成与图像传感器阵列相对应的阵列。金属焊盘42和142也可以被布局成阵列。
图10示出了示例性像素单元300的电路图。像素单元300包括位于芯片20中的部分45和位于芯片200中的部分124。在一些示例性实施例中，光电二极管24具有耦合至电接地的阳极以及耦合至传输门晶体管28的源极的阴极，该传输门晶体管具有耦合至单条线的栅极30。单条线也在图4中被示出并且被标记为“Transfer”。像素单元300的传输线可以连接至图7中的ISP电路204以接收控制信号。传输门晶体管28的漏极可以耦合至复位晶体管130的漏极和源极跟随器128的栅极。复位晶体管130具有耦合至复位线RST的栅极，复位线RST可以连接至ISP电路204(图7)以接收进一步的控制信号。复位晶体管130的源极可以耦合至像素电源电压VDD。浮置扩散电容器32可以耦合传输门晶体管28的源极/漏极和源极跟随器128的栅极。复位晶体管130用于将浮置扩散电容器32的电压预置为VDD。源极跟随器128的漏极耦合至电源电压VDD。源极跟随器128的源极耦合至行选择器126。源极跟随器128为像素单元300提供高阻抗输出。行选择器126用作相应的像素单元300的选择晶体管，并且行选择器126的栅极耦合至选择线SEL，选择线SEL可以电耦合至ISP电路204。行选择器126的漏极耦合至输出线，输出线耦合至图7中的ISP电路204以输出在光电二极管24中生成的信号。
在像素单元300的工作过程中，当光电二极管24接收到光时，光电二极管24生成电荷，其中，电荷量与入射光的强度或亮度有关。由通过施加给传输门晶体管28的栅极的传输信号的使能传输门晶体管28来传输电荷。电荷可以存储在浮置扩散电容器32中。电荷使能源极跟随器128，因此允许光电二极管24生成的电荷通过源极跟随器128传输至行选择器126。当期望采样时，选择线SEL有效，允许电荷流经行选择器126到达诸如ISP电路204的数据处理电路，该ISP电路204耦合至行选择器126的输出。
应该注意，虽然图4和图10示出了BSI图像传感器芯片中的示例性像素单元300的示意图，但是分离至芯片20和100中的像素单元300也可以用在其他类型的图像传感器芯片中，诸如前照式图像传感器芯片。还应该注意，虽然图10示出了四晶体管结构的像素，但是本领域的技术人员应该意识到四晶体管图仅仅是实例，其不应该不适当地限制本实施例的范围。本领域的技术人员将意识到很多变形、选择和更改。例如，各种实施例可以包括但不限于三晶体管像素、五晶体管像素等。
图5示出了在衬底120顶面上的氧化层144的形成。对于如图6所示的TSV 146工艺来说，在氧化层144形成之前，可以实施将衬底120减薄至最优厚度。在一些实施例中，通过氧化衬底120来实施氧化层144的形成。在可选实施例中，氧化层144沉积在衬底120上。例如，氧化层144可以包括氧化硅。
接下来，如图6所示，形成衬底通孔(TSV)146或有时被称为通孔(TV)146。形成工艺可以包括蚀刻芯片100中的氧化层144、衬底120以及一些介电层以形成TSV开口，直到暴露金属焊盘138A。金属焊盘138A可以位于最接近器件126、128及130的底部金属层中，或可以位于距离器件126、128及130比底部金属层的金属层中。然后，用诸如金属或金属合金的导电材料填充TSV开口，随后进行化学机械抛光(CMP)以去除导电材料的多余部分。作为CMP的结果，TSV 146的顶面可以与氧化层144的顶面基本上平齐，从而能够进行如图7所示的晶圆102与晶圆202的混合接合。
在图7中，晶圆102接合至晶圆202，晶圆202在其中包括芯片200。晶圆202包括半导体衬底220，以及紧邻半导体衬底220的表面形成的逻辑电路204。在一些实施例中，逻辑电路包括用于处理从芯片20和100获取的图像相关信号的一个或多个ISP电路。示例性ISP电路包括ADC、CDS电路、行译码器等。逻辑电路204也可以包括为某些应用定制的专用电路。通过这种设计，如果生成的包括堆叠芯片20/100/200的封装件要重新设计为不同应用，则可以重新设计芯片200，而不需要改变芯片20和100的设计。
接下来，如图8所示，实施背面研磨以减薄半导体衬底26，并且衬底26的厚度减少至期望值。通过半导体衬底26具有较小的厚度，光可以穿透背面26B进入半导体衬底26中，并且到达图像传感器24。在减薄工艺中，晶圆102和202用作为晶圆22提供机械支撑的载具，并且在减薄工艺过程中和之后，即使晶圆22具有很小的厚度，也可以防止晶圆22破裂，。因此，在背面研磨过程中，无需额外的载具。
图8进一步示出了衬底26的蚀刻以及电连接件46的形成。电连接件46可以是接合焊盘，例如，用于形成引线接合的引线接合焊盘。通过电连接件46，相应的芯片20、100和200可以电耦合至外部电路元件(未示出)。
如图8所示，可以在与衬底26相同层中形成电连接件46。在一些示例性形成工艺中，首先蚀刻衬底26。例如，蚀刻衬底26的边缘部分，而未蚀刻图像传感器24形成于其中的衬底26的中心部分。因此，互连结构延伸至衬底26的相应边缘26C之外。例如，互连结构34的左边缘34A进一步位于衬底26的左边缘26C的左侧，和/或互连结构34的右边缘34A进一步衬底26的右边缘26C的右侧。
在示例性形成工艺中，在去除衬底26的部分之后，暴露了下面的介电层。在一些实施例中，暴露的介电层是层间介电层(ILD)、接触蚀刻停止层(CESL)等。接下来，深通孔48形成在芯片20的介电层中，并且电耦合至互连结构34。形成工艺包括蚀刻介电层以形成开口，以及用导电材料填充生成的开口以形成深通孔48。然后，例如通过沉积步骤和随后的图案化步骤来形成电连接件46。
接下来，如图9所示，在半导体衬底26的背面上形成上层50(有时也被称为缓冲层)。在一些示例性实施例中，上层50包括底部抗反射涂层(BARC)、氧化硅层以及氮化硅层中一个或多个。在后序工艺步骤中，在晶圆22的背面上进一步形成诸如金属网(metalgrid)(未示出)、滤色器56、微透镜58等的额外的元件。然后，生成的堆叠晶圆22、102和202被切割成管芯，其中，每个管芯都包括一个芯片20、一个芯片100以及一个芯片200。
在实施例中，通过将行选择器126、源极跟随器128、复位晶体管130中至少一些或可能全部移出芯片20，提高了像素单元300的填充因子，其中，填充因子可以计算为光电二极管24所占用的芯片面积除以相应的像素单元300的总芯片面积。填充因子的改进导致像素量子效率的提高。此外，由于行选择器126、源极跟随器128、复位晶体管130以及外围电路204是其形成与光电二极管24和传输门晶体管28的形成分离(decouple)的逻辑器件，所以消除了由逻辑电路的形成所导致的对光电二极管24的性能的不利影响，并且提高了像素的信噪比、灵敏度和动态范围。
此外，通过进一步将不是像素单元的部分的逻辑电路移出芯片100并且移进芯片200，减小了生成的堆叠图像传感器芯片的俯视图尺寸。此外，为该应用的专门定制电路可以置于芯片200中。因此，对于不同的应用，可以重新设计芯片200，而不需要重新设计芯片20和100。因此改善了设计和制造周期。
根据实施例，器件包括具有在其中的图像传感器的传感器芯片。读出芯片位于图像传感器芯片下方并且接合至图像传感器芯片，其中，读出芯片在其中包括从基本上由复位晶体管、源极跟随器、行选择器以及它们的组合所组成的组中选择的逻辑器件。逻辑器件和图像传感器相互电耦合，是同一像素单元的部分。外围电路芯片位于读出芯片下方并且接合至读出芯片，其中，外围电路芯片包括逻辑电路。
根据其他实施例，器件包括图像传感器芯片、读出芯片和外围电路芯片。图像传感器芯片包括具有多个图像传感器和多个传输门晶体管的传感器阵列，其中，多个传输门晶体管中的每一个都电耦合至多个图像传感器中的一个。图像传感器进一步包括位于顶面处的电连接件。读出芯片位于图像传感器芯片的下方并且接合至图像传感器芯片。读出芯片包括电耦合至多个图像传感器和多个传输门晶体管的多个复位晶体管、多个源极跟随器以及多个行选择器，以形成包括多个像素单元的像素单元阵列。外围电路芯片位于读出芯片下方并接合至读出芯片。外围电路芯片包括从基本上由ADC、CDS电路、行译码器以及它们的组合所组成的组中选择的电路。
根据又一些实施例，方法包括实施第一接合步骤以将图像传感器接合至读出芯片和使图像传感器位于读出芯片上方。图像传感器芯片包括第一半导体衬底、并且图像传感器被设置成紧邻第一半导体衬底的表面。读出芯片包括第二半导体衬底和位于第二半导体衬底的表面处的逻辑器件，该逻辑器件从基本上由复位晶体管、源极跟随器、行选择器以及它们的组合所组成的组中进行选择。逻辑器件和图像传感器相互电耦合，并形成同一像素单元的部分。方法进一步包括实施第二接合步骤以将外围电路芯片接合至读出芯片并且外围电路芯片位于读出芯片下方。外围电路芯片包括第三半导体衬底和位于第三半导体衬底表面处的逻辑电路。在图像传感器的顶面处形成电连接件。
尽管已经详细地描述了本实施例及其优势，但是应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本实施例的主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。此外，每条权利要求构成单独的实施例，并且多个权利要求和实施例的组合在本发明的范围内。
Claims (19)
1.一种半导体器件，包括：
图像传感器芯片，其中包括图像传感器；
读出芯片，位于所述图像传感器下方并与所述图像传感器接合，其中，在所述读出芯片中包括从由复位晶体管、源极跟随器、行选择器以及它们的组合所组成的组中选择的逻辑器件，并且所述逻辑器件和所述图像传感器相互电耦合且是同一像素单元的一部分；以及
外围电路芯片，位于所述读出芯片下方并与所述读出芯片接合，其中，所述外围电路芯片包括逻辑电路，其中，所述逻辑电路进一步包括图像信号处理(ISP)电路。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述图像传感器芯片进一步包括：
互连结构；
通孔，与所述互连结构中的金属线电耦合；以及
电连接件，位于所述图像传感器芯片的表面，其中，所述电连接件位于所述通孔上方并与所述通孔电耦合。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述图像传感器芯片包括与所述电连接件平齐的半导体衬底。
4.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述图像传感器芯片包括半导体衬底并且所述互连结构包括：
第一部分，与所述半导体衬底重叠；以及
第二部分，不与所述半导体衬底重叠，其中，所述电连接件与所述互连结构的所述第二部分重叠。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，在所述图像传感器芯片中进一步包括传输门晶体管，其中，所述传输门晶体管与所述图像传感器电耦合，并且所述传输门晶体管是所述同一像素单元的一部分。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，除像素单元中的传输门晶体管以外，所述图像传感器芯片没有额外的晶体管。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，在所述图像传感器芯片中进一步包括浮置扩散电容器，其中，所述浮置扩散电容器与所述图像传感器电耦合，并且所述浮置扩散电容器是所述同一像素单元的部分。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述读出芯片包括所述复位晶体管、所述源极跟随器以及所述行选择器。
9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述图像信号处理电路包括从由模数转换器(ADC)、相关双采样(CDS)电路、行译码器以及它们的组合所组成的组中选择的电路。
10.一种半导体器件，包括：
图像传感器芯片，所述图像传感器芯片包括：
传感器阵列，包括多个图像传感器；
多个传输门晶体管，所述多个传输门晶体管中的每一个都与所述多个图像传感器中的一个电耦合；和
电连接件，位于所述图像传感器芯片的顶面；
读出芯片，位于所述图像传感器芯片的下方并与所述图像传感器芯片接合，其中，所述读出芯片包括：
多个复位晶体管；
多个源极跟随器；和
多个行选择器，与所述多个图像传感器和所述多个传输门晶体管电耦合以形成包括多个像素单元的像素单元阵列；以及
外围电路芯片，位于所述读出芯片的下方并与所述读出芯片接合，其中，所述外围电路芯片包括从由模数转换器(ADC)、相关双采样(CDS)电路、行译码器以及它们的组合所组成的组中选择的电路。
11.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，通过包括金属与金属接合和氧化物与氧化物接合的混合接合来接合所述图像传感器芯片和所述读出芯片。
12.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述图像传感器芯片进一步包括多个浮置扩散电容器，并且所述多个浮置扩散电容器中的每一个都与所述多个图像传感器中的一个电耦合并且形成所述多个像素单元中的相应一个的一部分。
13.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述多个传输门晶体管被配置成从所述读出芯片接收控制信号。
14.根据权利要求10所述的半导体器件，进一步包括位于所述图像传感器芯片中并位于所述传感器阵列上方的滤色器和微透镜。
15.一种形成半导体器件的方法，包括：
实施第一接合步骤以将图像传感器芯片接合至读出芯片并且使所述图像传感器芯片位于所述读出芯片的上方，其中，所述图像传感器芯片包括：
第一半导体衬底；和
图像传感器，设置为紧邻所述第一半导体衬底的表面；
其中，所述读出芯片包括：
第二半导体衬底；和
逻辑器件，位于所述第二半导体衬底的表面并且从由复位晶体管、源极跟随器、行选择器以及它们的组合所组成的组中进行选择，其中，
所述逻辑器件和所述图像传感器相互电耦合并形成同一像素单元的一部分；
实施第二接合步骤以将外围电路芯片接合至所述读出芯片并且使所述外围电路芯片位于所述读出芯片的下方，其中，所述外围电路芯片包括：
第三半导体衬底；和
逻辑电路，位于所述第三半导体衬底的表面；以及
在所述图像传感器芯片的顶面处形成电连接件，
在所述图像传感器芯片和所述读出芯片中没有图像信号处理(ISP)电路。
16.根据权利要求15所述的形成半导体器件的方法，其中，以晶圆级实施所述第一接合步骤和所述第二接合步骤，其中，所述图像传感器芯片、所述读出芯片以及所述外围电路芯片位于相应的未切割的晶圆中。
17.根据权利要求15所述的形成半导体器件的方法，进一步包括：在所述第二接合步骤之后，在所述图像传感器芯片的顶面处形成滤色器和微透镜。
18.根据权利要求15所述的形成半导体器件的方法，进一步包括：
在形成所述电连接件的步骤之前，蚀刻所述第一半导体衬底的边缘部分；并且
在所述图像传感器芯片的互连结构中形成深通孔，其中，所述电连接件形成在所述第一半导体衬底中被蚀刻的所述边缘部分所留下的空间中，并且所述电连接件通过所述深通孔电耦合至所述外围电路芯片中的所述逻辑电路。
19.根据权利要求15所述的形成半导体器件的方法，其中，通过包括金属与金属接合和氧化物与氧化物接合的混合接合来接合所述图像传感器芯片和所述读出芯片。
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