CN109360834B - 一种堆叠式图像传感器像素结构与制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种堆叠式图像传感器像素结构与制备方法，采用键合方式将第一硅片～第三硅片上下堆叠在一起；其中，在位于中层的第一硅片上设有第一感光二极管阵列，在位于上层的第二硅片上设有第二感光二极管阵列，第二感光二极管阵列中各第二感光二极管的表面与对应的第一感光二极管阵列中各第一感光二极管的表面对准键合，使形成的堆叠式图像传感器芯片具有非常深的结深，特别适用于近红外感光，能在近红外波段有效提升量子效率；且可利用背照工艺，使得照射到感光二极管的入射光不受金属互连影响，灵敏度较高，填充因子较高，特别是对于小尺寸像元来说具有非常好的感光性能，从而既兼顾了近红外量子效率，也兼顾了小像素尺寸。

Description

一种堆叠式图像传感器像素结构与制备方法
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，涉及一种堆叠式近红外图像传感器像素结构及其制备方法。
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(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-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。
其中，作为CMOS图像传感器重要性能指标之一的像素灵敏度，主要由填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子效率(由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量)的乘积来决定。在CMOS图像传感器中，为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平，在CMOS图像传感器中应用了有源像素。然而有源像素(像素单元)的应用却不可避免地导致填充因子降低的结果，因为像素表面相当大的一部分面积被放大器晶体管等所占用，从而留给光电二极管的可用空间相对较小。所以，当今CMOS传感器的一个重要研究方向就是扩大填充因子。
传统的CMOS图像传感器采用了前感光式(FSI，Front Side Illumination)技术，即前照技术。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、金属互连层以及光管孔(Light Pipe)。其优点是工艺简单，与CMOS工艺完全兼容，成本较低，光管孔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。前照技术是一种与CMOS标准工艺兼容的技术，广泛应用于各种(尤其是大像素)CMOS图像传感器芯片的制作。然而，由于光线首先需要经过上层的金属互连层才能照射到下方的感光二极管，因此前照技术的填充因子和灵敏度通常都较低。
随着像素尺寸的变小，提高填充因子越来越困难。目前另一种技术是从传统的前感光式变为背部感光式(BSI，Back Side Illumination)，即背照技术。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、金属互联，然后对硅片背面进行减薄(通常需要减薄至20um以下)，并通过对于背部感光式CMOS传感器最重要的硅通孔技术(TSV，Through-Silicon-Via)将感光二极管进行互联引出。硅通孔技术是通过在芯片和芯片之间、硅片和硅片之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。由于互连电路置于背部，前部全部留给了光电二极管，这样就实现了尽可能大的填充因子。硅通孔技术的优点是照射到感光二极管的入射光不受金属互连层的影响，灵敏度较高，填充因子较高。然而，硅通孔技术难度较高，对设备的要求较高，其成本也相对较高。而且，由于对于超薄硅片的减薄工艺的限制，通常背照技术应用于小像素的图像传感器中。
在监控、车载等典型应用中，暗光场景是非常常见的。对于暗光场景，通常需要采用红外补光来增加感光度，红外补光灯的波长范围通常在850～940nm。因此，要求图像传感器在该波长范围内具备较好的近红外感光性能，即期望量子效率有较大的提升。对于感光二极管区域而言，蓝色感光结深较浅，绿色感光结深居中，红色感光结深较深，而近红外感光的结深更深。由于受到工艺前置的影响，通常无法实现很深的结深，也就无法对近红外有很好的感光或者量子效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于芯片堆叠技术的堆叠式图像传感器像素结构与制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种堆叠式图像传感器像素结构，包括：
一第一硅片，其包括：
位于上层的第一感光二极管阵列及控制晶体管；
位于下层的金属互连层；
一第二硅片，其包括：
第二感光二极管阵列；
所述第二硅片与第一硅片上下堆叠并相键合；其中，
所述第一硅片、第二硅片分别为体硅硅片；
所述第一感光二极管阵列中各第一感光二极管的上表面露出于第一硅片的上表面并与其相平齐，所述第二感光二极管阵列中各第二感光二极管的上表面和下表面分别露出于第二硅片的上表面和下表面并与其相平齐，每一第一感光二极管的上表面与一对应的第二感光二极管的下表面对准并相键合，所述第一硅片上各第一感光二极管以外的上表面与对应的第二硅片上各第二感光二极管以外的下表面对准并相键合。
进一步地，所述第一感光二极管、第二感光二极管键合形成第三感光二极管，所述第三感光二极管的结深大于近红外感光时所需的感光深度。
进一步地，所述第一感光二极管、第二感光二极管的尺寸为1～9微米。
进一步地，围绕每个第一感光二极管设有第一隔离层，所述第一隔离层的上表面分别与第一感光二极管的上表面相平齐，围绕每个第二感光二极管设有第二隔离层，所述第二隔离层的上下表面分别与第二感光二极管的上下表面相平齐，所述第一隔离层的上表面与对应的第二隔离层的下表面对准并相键合。
进一步地，所述金属互连层为一至多层。
进一步地，还包括硅通孔，所述硅通孔穿设于相堆叠的所述第二硅片和第一硅片中，所述硅通孔的上端连接位于所述第二硅片上表面上的PAD层，所述硅通孔的下端连接位于所述第一硅片上层的控制晶体管。
进一步地，还包括第三硅片，所述第一硅片的下表面与第三硅片的上表面上下堆叠并相键合。
一种堆叠式图像传感器像素结构制备方法，包括以下步骤：
提供一第一硅片，在所述第一硅片的正面上制作第一感光二极管阵列，在所述第一感光二极管阵列中各第一感光二极管的周围和底部制作第一隔离层，制作控制晶体管，以及在所述第一感光二极管阵列和控制晶体管正面上方制作金属互连层；
提供一第二硅片，在所述第二硅片的正面上制作第二感光二极管阵列，在所述第二感光二极管阵列中各第二感光二极管的周围和底部制作第二隔离层；
将所述第一硅片翻转，并将所述第一硅片的正面与一第三硅片的正面对准进行键合；
对所述第一硅片的背面进行减薄处理，直至将第一感光二极管底部的第一隔离层去除干净，使第一感光二极管的底部完全露出；
继续将所述第二硅片的正面与所述第一硅片的背面对准进行键合；
对所述第二硅片的背面进行减薄处理，直至将第二感光二极管底部的第二隔离层去除干净，使第二感光二极管的底部完全露出；
在所述第二硅片和第一硅片中制作硅通孔并填充，使所述硅通孔的下端连接位于所述第一硅片上的控制晶体管，上端露出于第二硅片的背面；
在所述第二硅片的背面上制作PAD层，使PAD层与硅通孔的上端相连。
进一步地，将所述第二硅片的正面与所述第一硅片的背面对准进行键合时，包括将露出于所述第二硅片正面的第二感光二极管的表面与露出于所述第一硅片背面的第一感光二极管的表面对准，将露出于所述第二硅片正面的第二隔离层的表面与露出于所述第一硅片背面的第一隔离层的表面对准，然后进行键合。
进一步地，采用硅通孔或混合键合方式进行键合。
从上述技术方案可以看出，本发明的新型CMOS图像传感器芯片具备以下技术优势：
(1)所得到的堆叠式近红外图像传感器像素结构具有非常深的结深，特别适用于近红外感光，能在近红外波段有效提升量子效率。
(2)所得到的堆叠式近红外图像传感器像素结构属于背照(BSI)工艺，使得照射到感光二极管的入射光不受金属互连层的影响，从而灵敏度和填充因子都较高。
因此，本发明对于小尺寸像元来说具有非常好的感光性能，既兼顾了近红外量子效率，也兼顾了小像素尺寸。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种堆叠式图像传感器像素结构示意图。
图2-图8是本发明一较佳实施例的一种堆叠式图像传感器像素结构制备方法的工艺步骤示意图。
图9是一种量子效率对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参考图1，图1是本发明一较佳实施例的一种堆叠式图像传感器像素结构示意图。如图1所示，本发明的一种堆叠式图像传感器像素结构，建立在上下堆叠并相互键合在一起的一个第一硅片、一个第二硅片和一个第三硅片(Si)上。其中，第二硅片位于上层，第一硅片位于中层，第三硅片位于下层，形成上下堆叠并相互键合在一起的三层硅片(wafer)结构。第一硅片～第三硅片可分别由一体硅硅片所构成。
请参考图1。在第一硅片上设置有第一感光二极管阵列及控制晶体管。第一感光二极管阵列由多个第一感光二极管按规则排布所组成。第一隔离层围绕每个第一感光二极管进行设置；即在每个第一感光二极管的四周都围绕设有一个第一隔离层。任意两个相邻的第一隔离层之间可以相分离设置。
第一隔离层可以采用氧化层、SiN等材料制作形成。
在第一感光二极管的周围设置有控制晶体管，图中显示位于第一感光二极管周围的控制晶体管的多晶硅(POLY)栅极结构。第一感光二极管阵列及控制晶体管位于第一硅片上的相对上层；在第一硅片上的相对下层、即第一感光二极管阵列及控制晶体管的下方位置设置有金属互连层。
金属互连层可以设置一至多层。例如，金属互连层可包括图示的设置在介质层中的三层金属互连层M1、M2、M3结构。金属互连层M1、M2、M3可由铜等互连金属制作形成。
周围部分的电路主要用于IO、信号引出、以及一些噪声较大电路。其中，多晶硅(POLY)、金属互连层M1/M2/M3与第一感光二极管互连，用于后续第一感光二极管电信号的引出和控制信号的连接。
第一感光二极管单元的尺寸(宽度)可为1.0～9.0微米，优选2.0微米。
请参考图1。在第二硅片上设置有第二感光二极管阵列。第二感光二极管阵列由多个第二感光二极管按规则排布所组成，且第二感光二极管的数量和尺寸、位置等都与第一感光二极管对应。
第二感光二极管单元的尺寸(宽度)可为1.0～9.0微米，优选2.0微米。
第一感光二极管和第二感光二极管可以为正方体形。
第二隔离层围绕每个第二感光二极管进行设置；即在每个第二感光二极管的四周都围绕设有一个第二隔离层。任意两个相邻的第二隔离层之间可以相分离设置。
第二隔离层可以采用氧化层、SiN等材料制作形成。
请参考图1。第二硅片与第一硅片上下堆叠并相键合。其中，
第一感光二极管阵列中各第一感光二极管的上表面露出于第一硅片的上表面并与第一硅片的上表面相平齐。第二感光二极管阵列中各第二感光二极管的上表面露出于第二硅片的上表面，并与第二硅片的上表面相平齐；各第二感光二极管的下表面露出于第二硅片的下表面，并与第二硅片的下表面相平齐。每一个第一感光二极管的上表面与一个与第一感光二极管相对应的第二感光二极管的下表面对准，并相键合。同时，
第一隔离层的上表面与第一感光二极管的上表面相平齐，即第一隔离层的上表面与第一硅片的上表面相平齐；第二隔离层的上表面与第二感光二极管的上表面相平齐，第二隔离层的下表面与第二感光二极管的下表面相平齐，即第二隔离层的上下表面分别与第二硅片的上下表面相平齐。每一个第一感光二极管周围的第一隔离层的上表面与对应的一个第二感光二极管周围的第二隔离层的下表面对准，并相键合。同时，
第一硅片上各第一感光二极管和第一隔离层占据位置以外的第一硅片的硅层上表面与对应的第二硅片上各第二感光二极管和第二隔离层占据位置以外的第二硅片的硅层下表面对准，并相键合。
请参考图1。第一感光二极管和第二感光二极管通过键合形成第三感光二极管，即第三感光二极管由第二感光二极管和第一感光二极管上下键合形成。这使得本发明的堆叠式图像传感器像素的感光二极管的尺寸成倍增加，因而所形成的第三感光二极管的结深将大于近红外感光时所需的感光深度。
在第二硅片和第一硅片中还设有硅通孔(TSV)。硅通孔自第二硅片的上表面穿过第二硅片进入第一硅片中，并一直到接触第一硅片中控制晶体管的多晶硅(POLY)。同时，在第二硅片的上表面上设有PAD层，硅通孔的上端连接PAD层，下端连接控制晶体管的多晶硅(POLY)。TSV用于通过金属垂直互连，将堆叠式图像传感器芯片信号通过PAD连接至片外。
请参考图1。第三硅片设于第一硅片的下方；第一硅片的下表面与第三硅片的上表面上下堆叠，并相键合。其中，在第三硅片的上表面上也可设有氧化层和金属互连层，在与第一硅片键合时，将两者的氧化层与氧化层对准键合、金属与金属对准键合，从而使第一硅片的下表面与第三硅片的上表面键合在一起。
下面通过具体实施方式及附图，对本发明的一种堆叠式图像传感器像素结构制备方法进行详细说明。
请参考图2-图8，图2-图8是本发明一较佳实施例的一种堆叠式图像传感器像素结构制备方法的工艺步骤示意图。如图2-图8所示，本发明的一种堆叠式图像传感器像素结构制备方法，可用于制作上述的堆叠式图像传感器像素结构，并可包括以下步骤：
请参考图2。步骤S01：提供一个第一硅片，例如可以是体硅硅片(wafer)，采用CMOS标准工艺，在第一硅片的正面上制作形成第一感光二极管阵列；并在第一感光二极管阵列中各第一感光二极管的周围和底部制作形成第一隔离层，第一隔离层从第一感光二极管的四周和底部将第一感光二极管完全包围起来。在第一感光二极管的周围对应制作形成控制晶体管，包括制作形成控制晶体管的多晶硅(POLY)栅极结构。在第一感光二极管阵列和控制晶体管的正面上方制作形成金属互连层M1～M3。
请参考图3。步骤S02：提供一第二硅片，采用CMOS标准工艺，在第二硅片的正面上制作形成第二感光二极管阵列；并在在第二感光二极管阵列中各第二感光二极管的周围和底部制作形成第二隔离层，第二隔离层从第二感光二极管的四周和底部将第二感光二极管完全包围起来。
请参考图4。步骤S03：将第一硅片翻转(倒扣)，使第一硅片的正面向下，即使第一硅片上第一感光二极管阵列和控制晶体管的多晶硅位于上方、金属互连层M1～M3位于下方。
请参考图5。步骤S04：将第一硅片的正面与一个第三硅片的正面对准进行键合。进行键合时，包括将露出于第一硅片正面的氧化层(SiN)表面与露出于第三硅片正面的氧化层(SiN)表面对准键合，将第一硅片正面的金属互连层M3表面与露出于第三硅片正面的金属互连层(图略)表面对准键合，以及将露出于第一硅片正面的其他体硅表面与露出于第三硅片正面的其他体硅表面对准键合。
上述第一硅片与第三硅片之间的键合可以采用硅通孔(TSV)或混合键合(hybrid-bonding)等方式进行。
请参考图6。步骤S05：对上述制作完的键合硅片进行减薄处理，即对第一硅片的背面进行减薄处理，例如可以采用研磨CMP处理方式，研磨深度至第一感光二极管区域，直至正好将第一感光二极管底部(此时位于上方)的第一隔离层研磨去除干净，使第一感光二极管的底部完全露出。
请参考图7。步骤S06：接着，将第二硅片的正面与第一硅片的背面对准，并进行键合。
进行键合时，包括将露出于第二硅片正面的第二感光二极管的表面与露出于第一硅片背面的第一感光二极管的表面对准键合，将露出于第二硅片正面的第二隔离层的表面与露出于第一硅片背面的第一隔离层的表面对准键合，以及将露出于第二硅片正面的其他体硅表面与露出于第一硅片背面的其他体硅表面对准键合。
上述第一硅片与第二硅片之间的键合可以采用硅通孔(TSV)或混合键合(hybrid-bonding)等方式进行。
请参考图8。步骤S08：对上述制作完的键合硅片进行减薄处理，即对第二硅片的背面进行减薄处理，例如可以采用研磨CMP处理方式，研磨深度至第二感光二极管区域，直至正好将第二感光二极管底部(此时位于上方)的第二隔离层研磨去除干净，使第二感光二极管的底部完全露出。从而从上方入射的近红外光可以由第二感光二极管一直深入到第一感光二极管区域。
步骤S09：之后，在第二硅片和第一硅片中制作硅通孔(TSV)，并进行硅通孔金属填充，使硅通孔的下端连接位于第一硅片上控制晶体管的多晶硅(POLY)栅极结构，并使硅通孔的上端露出于第二硅片的背面。
步骤S10：最后，在第二硅片的背面上制作PAD层，使PAD层与硅通孔的上端相连，完成所有工艺步骤制作，形成如图1所示的本发明的堆叠式图像传感器像素的最终芯片结构。
请参考图9。其显示本发明的堆叠式图像传感器像素与现有的图像传感器像素之间在R(红)光区的量子效率对比图。如图9所示，图中横坐标为波长(nm)，纵坐标为量子效率(％)。其中的曲线1代表本发明的堆叠式图像传感器像素的量子效率响应曲线，曲线2代表现有的图像传感器像素的量子效率响应曲线。由图中可以看出，在红色波段，尤其是近红外波段(850nm以上)，本发明提出的新型堆叠式图像传感器像素，具有更好的近红外响应特性。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种堆叠式图像传感器像素结构，其特征在于，包括：
一第一硅片，其包括：
位于上层的第一感光二极管阵列及控制晶体管；
位于下层的金属互连层；
一第二硅片，其包括：
第二感光二极管阵列；
所述第二硅片与第一硅片上下堆叠并相键合；其中，
所述第一硅片、第二硅片分别为体硅硅片；
所述第一感光二极管阵列中各第一感光二极管的上表面露出于第一硅片的上表面并与其相平齐，所述第二感光二极管阵列中各第二感光二极管的上表面和下表面分别露出于第二硅片的上表面和下表面并与其相平齐，每一第一感光二极管的上表面与一对应的第二感光二极管的下表面对准并相键合，所述第一硅片上各第一感光二极管以外的上表面与对应的第二硅片上各第二感光二极管以外的下表面对准并相键合；其中，所述第一感光二极管、第二感光二极管键合形成第三感光二极管，所述第三感光二极管的结深大于近红外感光时所需的感光深度。
2.根据权利要求1所述的堆叠式图像传感器像素结构，其特征在于，所述第一感光二极管、第二感光二极管的尺寸为1～9微米。
3.根据权利要求1所述的堆叠式图像传感器像素结构，其特征在于，围绕每个第一感光二极管设有第一隔离层，所述第一隔离层的上表面与第一感光二极管的上表面相平齐，围绕每个第二感光二极管设有第二隔离层，所述第二隔离层的上下表面分别与第二感光二极管的上下表面相平齐，所述第一隔离层的上表面与对应的第二隔离层的下表面对准并相键合。
4.根据权利要求1所述的堆叠式图像传感器像素结构，其特征在于，所述金属互连层为一至多层。
5.根据权利要求1所述的堆叠式图像传感器像素结构，其特征在于，还包括硅通孔，所述硅通孔穿设于相堆叠的所述第二硅片和第一硅片中，所述硅通孔的上端连接位于所述第二硅片上表面上的PAD层，所述硅通孔的下端连接位于所述第一硅片上层的控制晶体管。
6.根据权利要求1所述的堆叠式图像传感器像素结构，其特征在于，还包括第三硅片，所述第一硅片的下表面与第三硅片的上表面上下堆叠并相键合。
7.一种堆叠式图像传感器像素结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一第一硅片，在所述第一硅片的正面上制作第一感光二极管阵列，在所述第一感光二极管阵列中各第一感光二极管的周围和底部制作第一隔离层，制作控制晶体管，以及在所述第一感光二极管阵列和控制晶体管正面上方制作金属互连层；
提供一第二硅片，在所述第二硅片的正面上制作第二感光二极管阵列，在所述第二感光二极管阵列中各第二感光二极管的周围和底部制作第二隔离层；
将所述第一硅片翻转，并将所述第一硅片的正面与一第三硅片的正面对准进行键合；
对所述第一硅片的背面进行减薄处理，直至将第一感光二极管底部的第一隔离层去除干净，使第一感光二极管的底部完全露出；
继续将所述第二硅片的正面与所述第一硅片的背面对准进行键合；
对所述第二硅片的背面进行减薄处理，直至将第二感光二极管底部的第二隔离层去除干净，使第二感光二极管的底部完全露出；
在所述第二硅片和第一硅片中制作硅通孔并填充，使所述硅通孔的下端连接位于所述第一硅片上的控制晶体管，上端露出于第二硅片的背面；
在所述第二硅片的背面上制作PAD层，使PAD层与硅通孔的上端相连。
8.根据权利要求7所述的堆叠式图像传感器像素结构制备方法，其特征在于，将所述第二硅片的正面与所述第一硅片的背面对准进行键合时，包括将露出于所述第二硅片正面的第二感光二极管的表面与露出于所述第一硅片背面的第一感光二极管的表面对准，将露出于所述第二硅片正面的第二隔离层的表面与露出于所述第一硅片背面的第一隔离层的表面对准，然后进行键合。
9.根据权利要求7所述的堆叠式图像传感器像素结构制备方法，其特征在于，采用硅通孔或混合键合方式进行键合。
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