CN110047808A - 堆叠型背照式图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及堆叠型背照式图像传感器及其形成方法。提供了一种堆叠型背照式图像传感器，包括：像素晶片，包括用于基于光电转换生成信号的像素区域；逻辑晶片，包括用于处理该信号的逻辑电路；以及散热件，用于将逻辑电路产生的热量远离像素区域传导。
Description
技术领域
本公开涉及半导体领域，具体来说，涉及堆叠型背照式图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器是能够对辐射(例如，光辐射，包括但不限于可见光、红外线、紫外线等)进行感测并由此生成相应的电子信号的功能器件。图像传感器被广泛地应用于各种需要对辐射进行感测的电子产品中。
堆叠型背照式图像传感器可以包括堆叠在一起的像素晶片和逻辑晶片，其中像素晶片可以具有包含多个像素的像素区域(例如，像素阵列)，每个像素都具有诸如光电二极管之类的光电转换部件以基于感测生成信号，并且其中逻辑晶片可以包含逻辑电路，用于处理来自像素晶片的信号。堆叠型背照式图像传感器相比于将逻辑电路与像素区域布置在一个平面内的传统图像传感器，能够显著缩小图像传感器的产品尺寸、使产品集成更多功能并且大大提升产品性能。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种堆叠型背照式图像传感器，其包括：像素晶片，所述像素晶片包括用于基于光电转换生成信号的像素区域；逻辑晶片，所述逻辑晶片包括用于处理所述信号的逻辑电路；以及散热件，所述散热件用于将所述逻辑电路产生的热量远离所述像素区域传导。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件被构造成邻近所述逻辑电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被构造成邻近所述第一电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件被构造成邻近所述第一电路和所述第二电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件被构造成耦接到所述逻辑电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被构造成耦接到所述第一电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件被构造成耦接到所述第一电路和所述第二电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件耦接到所述逻辑电路的电源VDD节点。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件耦接到所述逻辑电路的接地GND节点。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件耦接到形成在所述逻辑晶片中的源极节点或漏极节点。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件由金属形成。
在根据本公开的一些实施例中，所述金属选自：金、银、铜、铁、铝、以及其中两种以上构成的合金。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件由以下材料中的一种形成：氮化铝、氧化铝、碳化硅或者氮化硅。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件由以下材料中的一种形成：多晶硅或者石墨。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件设置在所述逻辑晶片中。
在根据本公开的一些实施例中，所述堆叠型背照式图像传感器还包括贯通所述像素晶片并且耦接到所述散热件的第一通孔。
在根据本公开的一些实施例中，所述第一通孔在所述像素晶片的外表面处的横截面面积大于其在所述像素晶片内部的横截面面积。
在根据本公开的一些实施例中，所述像素晶片的外表面上存在所述第一通孔的位置处设置有散热装置。
在根据本公开的一些实施例中，所述堆叠型背照式图像传感器还包括从所述逻辑晶片的外表面延伸穿过所述逻辑晶片的一部分并且耦接到所述散热件的第二通孔。
在根据本公开的一些实施例中，所述第二通孔在所述逻辑晶片的外表面处的横截面面积大于其在所述逻辑晶片内部的横截面面积。
在根据本公开的一些实施例中，所述逻辑晶片的外表面上存在所述第二通孔的位置处设置有散热装置。
在根据本公开的一些实施例中，所述通孔内填充有用于导热的材料。
在根据本公开的一些实施例中，所述通孔内填充有与形成所述散热件的材料相同的材料。
根据本公开的另一个方面，提供了一种形成堆叠型背照式图像传感器的方法，其包括以下步骤：提供第一衬底，在所述第一衬底中形成用于基于光电转换生成信号的像素区域并且在所述第一衬底上形成第一金属布线层；提供第二衬底，在所述第二衬底中形成用于处理所述信号的逻辑电路并且在所述第二衬底上形成第二金属布线层；形成散热件，所述散热件用于将所述逻辑电路产生的热量远离所述像素区域传导；以及将所述第一衬底与所述第二衬底结合以形成所述堆叠型背照式图像传感器。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件形成在所述第一金属布线层中，并且所述散热件与所述第一金属布线层通过同一后段制程处理形成。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件形成在所述第二金属布线层中，并且所述散热件与所述第二金属布线层通过同一后段制程处理形成。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件被形成为邻近所述逻辑电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被形成为邻近所述第一电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件被形成为邻近所述第一电路和所述第二电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件被形成为耦接到所述逻辑电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被形成为耦接到所述第一电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件被形成为耦接到所述第一电路和所述第二电路。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件耦接到所述逻辑电路的电源VDD节点。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件耦接到所述逻辑电路的接地GND节点。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件耦接到形成在所述逻辑晶片中的源极节点或漏极节点。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件由金属形成。
在根据本公开的一些实施例中，所述金属选自：金、银、铜、铁、铝、以及其中两种以上构成的合金。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件由以下材料中的一种形成：氮化铝、氧化铝、碳化硅或者氮化硅。
在根据本公开的一些实施例中，所述散热件由以下材料中的一种形成：多晶硅或者石墨。
在根据本公开的一些实施例中，所述方法还包括形成贯通所述第一衬底和所述第一金属布线层并且耦接到所述散热件的第一通孔。
在根据本公开的一些实施例中，所述第一通孔在所述第一衬底的外表面处的横截面面积大于其在所述第一衬底内部的横截面面积。
在根据本公开的一些实施例中，所述方法还包括在所述第一衬底的外表面上存在所述第一通孔的位置处设置散热装置。
在一个实施例中，所述方法还包括形成贯通所述第二衬底并且耦接到所述散热件的第二通孔。
在根据本公开的一些实施例中，所述第二通孔在所述第二衬底的外表面处的横截面面积大于其在所述第二衬底内部的横截面面积。
在根据本公开的一些实施例中，所述方法还包括在所述第二衬底的外表面上存在所述第二通孔的位置处设置散热装置。
在根据本公开的一些实施例中，所述通孔内填充有用于导热的材料。
在根据本公开的一些实施例中，所述通孔内填充有与形成所述散热件的材料相同的材料。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据以下详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1A示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器的剖视图；
图1B示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器的剖视图；
图1C示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器的剖视图；
图2A示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器的剖视图；
图2B示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器的剖视图；
图2C示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器的剖视图；
图3示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器的剖视图；
图4示意性地示出了根据本公开的实施例的形成堆叠型背照式图像传感器的方法的流程图；以及
图5A至图5F示意性地示出了与图4所示的方法的部分步骤对应的堆叠型背照式图像传感器的剖视图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
在大多数情况下，暗阴影(dark shading)是由于光电二极管的传统暗特性造成的，温度的增加会使这种暗特性恶化。此外，暗阴影的额外来源可以来自像素外围的电路。这些电路(尤其是其中具有高功耗或相对高电流的电路)可以导致光电二极管阵列中的空间热偏差。在堆叠型背照式图像传感器中，由于相比于传统的图像传感器，逻辑电路与像素阵列的距离显著变近，使得相应的光电二极管阵列中的空间热偏差加剧。换言之，逻辑晶片中的逻辑电路工作时产生的大量热量传递到像素晶片中的像素阵列中，使得暗阴影的现象恶化，并且不同位置的像素受到该热量的影响程度不同，导致不同温度的像素表现出不同的暗度水平，从而使得堆叠型背照式图像传感器的图像质量容易不均匀。
下面参考图1A、图1B和图1C描述根据本公开的实施例的堆叠型背照式图像传感器(在下文中有时简称为图像传感器)的示例性结构。
根据本公开的实施例的堆叠型背照式图像传感器可以包括像素晶片、逻辑晶片和散热件，其中像素晶片包括用于基于光电转换生成电信号的像素区域，逻辑晶片包括用于处理该电信号的逻辑电路，散热件用于将逻辑电路产生的热量远离像素区域传导。
图1A示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器100A的剖视图，图1B示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器100B的剖视图，图1C示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器100C的剖视图。
如图1A所示，图像传感器100A可以包括像素晶片110，像素晶片110包括第一衬底111、形成在第一衬底111中的用于基于光电转换生成信号的像素区域112以及形成在第一衬底111上的第一金属布线层113。
像素区域112可以包括任意数量、以任意形式布置的多个像素(例如，包括像素阵列)，每个像素例如可以包括光电转换部件。像素区域112还可以具有包括用于基于光电转换产生的电荷生成电信号并将该电信号输出的多个像素晶体管(诸如，放大晶体管、复位晶体管、传输晶体管，以及可选地选择晶体管)的控制电路，控制电路可以分布在像素阵列的外围，也可以部分地分布在像素之间。像素晶体管一般为MOS晶体管，并且像素晶体管中的每一个都包括源极区域、漏极区域等。像素及其控制电路的结构和使用可以与本领域常用技术类似，因此省略其详细描述。
第一金属布线层113可以包括第一金属布线结构1131以及层间介质膜1132。应当注意的是，图1A中只是示意性地说明第一金属布线层113中具有第一金属布线结构1131，而并非旨在限制本公开，第一金属布线结构1131可以具有任何具体结构和任何数量，只要能够满足实现与第一衬底111中的像素区域112的部分的电连接的需要即可。第一金属布线结构1131的材料可以是铜、铝、金、银等或其组合物。层间介质膜1132的材料例如可以包括二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅、掺有氟、碳、氢、硼或磷杂质的硅基介质等。第一金属布线层113可以通过本领域常用的后端制程(back-end-of-line，BEOL)等工艺流程形成，因此省略其详细描述。
图像传感器100A还可以包括逻辑晶片120，逻辑晶片120包括第二衬底121、形成在第二衬底121中的用于处理该信号的逻辑电路122以及形成在第二衬底121上的第二金属布线层123。
逻辑电路122可以例如包括逻辑控制电路、锁相环(PLL)电路、模数转换器(ADC)电路等部件，并且可以包括例如用于控制电路的多个MOS晶体管，每个MOS晶体管都具有源极区域、漏极区域等。在一些实施例中，逻辑电路122包括电源(VDD)节点、接地(GND)节点以及分别对应于源极区域与漏极区域的源极节点与漏极节点等多个节点。
第二金属布线层123可以包括第二金属布线结构1231以及层间介质膜1232。应当注意的是，图1A中只是示意性地说明第二金属布线层123中具有第二金属布线结构1231，而并非旨在限制本公开，第二金属布线结构1231可以具有任何具体结构和任何数量，只要能够满足实现与第二衬底121中的逻辑电路122的部分的电连接的需要即可。第二金属布线结构1231的材料可以是铜、铝、金、银等或其组合物。层间介质膜1232的材料例如可以包括二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、碳化硅、掺有氟、碳、氢、硼或磷杂质的硅基介质等。第二金属布线层123也可以通过本领域常用的后端制程等工艺流程形成，因此省略其详细描述。
在一些实施例中，第一衬底111和第二衬底121包括但不限于半导体衬底，其可以包括一元半导体材料(诸如，硅或锗等)或化合物半导体材料(诸如碳化硅、硅锗、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟)或其组合。第一衬底111和第二衬底121的部分或全部还可以掺杂有一定浓度的杂质元素，例如，可以掺杂有N型或者P型的杂质。在根据本公开的实施例中，对于第一衬底和第二衬底没有特别的限制，只要其适于在其中形成用于实现相应功能的部件即可。
在图1A的示例中，图像传感器100A的第一衬底111和第二衬底121的材料为硅，其中像素晶片110和逻辑晶片120通过硅通孔(TSV)技术实现电耦接，并且像素晶片110和逻辑晶片120之间的结合可以通过等离子体结合技术、粘接剂结合技术等实现。如图1A所示，图像传感器100A可以包括耦接到第一金属布线结构1131和第二金属布线结构1231的TSV103，其中TSV 103内可以填充有金属材料。在一些示例中，图像传感器100A可以包括耦接到第一金属布线结构1131的第一TSV和耦接到第二金属布线结构1231的第二TSV，然后通过在外表面布线实现第一TSV和第二TSV之间的耦接，进而实现第一金属布线结构1131和第二金属布线结构之间的耦接。本文对TSV的数量和结构不作具体限制，只要能够满足像素晶片110和逻辑晶片120之间的电耦接需要即可。
此外，图像传感器还可以包括用于将逻辑电路产生的热量远离像素区域传导的散热件。图1B所示的图像传感器100B和图1C的所示的图像传感器100C的除了散热件之外的结构与图1A所示的图像传感器100A类似，在此不再赘述。下面将参考图1A、图1B和图1C详细描述根据本公开的实施例的图像传感器中的散热件。
在一些实施例中，例如图1A和图1B，散热件131可以设置在逻辑晶片120中。具体地，在一些实施例中，散热件131可以设置在第二金属布线层123中。为了将逻辑电路122产生的热量远离像素区域112传导，在一些实施例中，散热件131被构造为邻近逻辑电路122，使得逻辑电路122产生的热量可以被散热件131分流，而减少被传递到位于其上方的像素区域112中的部分。在一些示例中，逻辑电路122可以包括第一电路1221和第二电路1222，第一电路1221产生的热量大于第二电路1222产生的热量，第一电路1221的示例可以包括前述逻辑控制电路、PLL电路等，第二电路1222的示例可以包括ADC电路等，其中散热件131可以被构造成邻近第一电路1221。在其它一些示例中，散热件131可以被构造成邻近第一电路1221和第二电路1222。
此外，散热件131还可以被构造成耦接到逻辑电路122。在一些示例中，例如参考图1A，散热件131可以通过耦接到第一金属布线结构1231来耦接到逻辑电路122。在一些示例中，例如参考图1B，散热件131可以通过耦接到逻辑电路122的通孔来耦接到逻辑电路122。在一些示例中，逻辑电路122可以包括第一电路1221和第二电路1222，并且第一电路1221产生的热量大于第二电路1222产生的热量，第一电路1221的示例可以包括逻辑控制电路、PLL电路等，第二电路1222的示例可以包括ADC电路等，其中散热件131可以被构造成耦接到第一电路1221。在其它一些示例中，散热件131可以被构造成耦接到第一电路1221和第二电路1222。
此外，在一个示例中，散热件131可以被构造成耦接到逻辑电路122的电源(VDD)节点。在一个示例中，散热件131可以被构造成耦接到逻辑电路122的接地(GND)节点。在一个示例中，散热件131可以被构造成耦接到逻辑电路122的源极节点或漏极节点。
此外，参考图1C，在一些实施例中，散热件131可以设置在像素晶片110中。具体地，在一些实施例中，散热件131可以设置在第一金属布线层113中。为了将逻辑电路122产生的热量远离像素区域112传导，在一些实施例中，散热件131可以被构造成耦接到第一金属布线结构1131。在另一些实施例中，散热件131可以被构造成邻近第一金属布线结构1131。
在前述各种实施例中，散热件131可以由导电材料形成。导电材料通常都具有较好的导热性能。例如，在一些示例中，散热件131可以由金属形成，例如由金、银、铜、铁、铝、以及前述两种以上构成的合金形成。在一些示例中，散热件131可以由多晶硅或者石墨。在前述各种实施例中，散热件131可以由导热的介电材料形成。在一些示例中，散热件131可以由例如氮化铝、氧化铝、碳化硅或者氮化硅形成。
在散热件131设置在像素晶片110中并且由金属形成的情况中，散热件131可以采用与形成第一金属布线结构1131类似的方法形成，并且也可以采用同一工艺流程同时形成第一金属布线结构1131和散热件131。在散热件131设置在逻辑晶片120中并且由金属形成的情况中，散热件131可以采用与形成第二金属布线结构1231类似的方法形成，并且也可以采用同一工艺流程同时形成第二金属布线结构1231和散热件131。
本领域技术人员应理解，虽然在图1A至图1C中示出了一个散热件，但是这仅仅是示例性和说明性的，并不意味着对本公开的限制。在其它实施例中，散热件例如可以包括多个子散热件，其中多个子散热件中的一个或多个子散热件可以设置在逻辑晶片中，多个子散热件中的剩余子散热件可以设置在像素晶片中。在一些示例中，多个子散热件可以全部设置在逻辑晶片中，或者全部设置在像素晶片中。这些子散热件的具体结构和设置方式可以类似于上面参考散热件131所讨论的进行布置。例如，在一个示例中，多个子散热件包括第一子散热件、第二子散热件、第三子散热件和第四子散热件，其中第一子散热件耦接到逻辑电路122的电源(VDD)节点，第二子散热件耦接到逻辑电路122的接地(GND)节点，第三子散热件耦接到逻辑电路122的源极节点，以及第四子散热件耦接到逻辑电路122的漏极节点。在一些示例中，多个子散热件包括第一子散热件和第二子散热件，其中第一子散热件邻近和/或耦接到逻辑电路122中的第一电路1221，第二子散热件邻近和/或耦接到逻辑电路122中的第二电路1222。在一些示例中，多个子散热件包括第一子散热件和第二子散热件，其中第一子散热件设置在像素晶片110中并且邻近和/或耦接到第一金属布线结构1131，第二子散热件设置在逻辑晶片120中并且邻近和/或耦接到第二金属布线结构1231。
下面参考图2A至图2C描述根据本公开的实施例的堆叠型背照式图像传感器的另一些示例。
图2A示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器200A的剖视图。图2B示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器200B的剖视图。图2C示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器200C的剖视图。
参考图2A可以看出，示例堆叠型背照式图像传感器200A与图像传感器100A的区别在于还包括贯通像素晶片110并且耦接到散热件131的第一通孔1321。
在一些示例中，例如图2A，第一通孔1321在像素晶片110的外表面处的横截面面积大于其在像素晶片110内部的横截面面积(横截面的方向为垂直于图2A所示的剖切面的方向)。增大第一通孔1321在像素晶片110的表面处的面积，可以增大散热面积，提高散热效率。在一些示例中，第一通孔1321可以在其各个位置具有一致的横截面面积。第一通孔1321的横截面的形状例如可以圆形、方形、矩形、椭圆形等合适的形状。本领域技术人员应理解，虽然在图2A中示出的第一通孔的数量为一个，但这仅仅是示例性和说明性的，并不意味着对本公开的限制。在其它实施例中，第一通孔的数量可以是两个、三个或者更多个，并且这些第一通孔的具体形状可以相同也可以不相同。在散热件包括多个子散热件的情况中，例如，多个子散热件中的部分或全部可以各自耦接到一个或多个第一通孔。
第一通孔1321内可以填充有用于导热的材料，例如如前所述的金属(诸如金、银、铜、铁、铝、以及前述两种以上构成的合金)、多晶硅、石墨、氮化铝、氧化铝、碳化硅或者氮化硅等等。在一些示例中，第一通孔1321内填充有与形成散热件131的材料相同的材料。在一些示例中，第一通孔1321可以通过类似于形成TSV 103的方法来形成，并且第一通孔1321的尺寸可以大于TSV 103的尺寸。
图2A中的虚线箭头指示了逻辑电路122产生的热量的传递方向。从图2A可以看到，在散热件131耦接到第二金属布线结构1231的情况中，逻辑电路122产生的热量可以经由第二金属布线结构1231、散热件131、第一通孔1321发散到图像传感器外部，从而减轻逻辑电路122产生的热量对像素区域112的影响并且改善暗阴影问题，使得图像传感器能够呈现更均匀的图像质量。
参考图2B可以看出，示例堆叠型背照式图像传感器200B与图像传感器100A的区别在于还包括从逻辑晶片120的外表面延伸穿过逻辑晶片120的一部分并且耦接到散热件131的第二通孔1322。
在一些示例中，例如图2B，第二通孔1322在逻辑晶片120的外表面处的横截面面积大于其在逻辑晶片120内部的横截面面积。在一些示例中，第二通孔1322可以在其各个位置具有一致的横截面面积。第二通孔1322的横截面的形状例如可以圆形、方形、矩形、椭圆形等合适的形状。本领域技术人员应理解，虽然在图2B中示出的第二通孔的数量为一个，但这仅仅是示例性和说明性的，并不意味着对本公开的限制。在其它实施例中，第二通孔的数量可以是两个、三个或者更多个，并且这些第二通孔的具体形状可以相同也可以不相同。在散热件包括多个子散热件的情况中，例如，多个子散热件中的部分或全部可以各自耦接到一个或多个第二通孔。
第二通孔1322内可以填充有用于导热的材料，例如如前所述的金属(诸如金、银、铜、铁、铝、以及前述两种以上构成的合金)、多晶硅、石墨、氮化铝、氧化铝、碳化硅或者氮化硅等等。在一些示例中，第一通孔1322内填充有与形成散热件131的材料相同的材料。在一些示例中，第二通孔1322可以通过类似于形成TSV 103的方法来形成，并且第二通孔1322的尺寸可以大于TSV 103的尺寸。
图2B中的虚线箭头指示了逻辑电路122产生的热量的传递方向。从图2B可以看到，在散热件131耦接到第二金属布线结构1231的情况中，逻辑电路122产生的热量可以经由第二金属布线结构1231、散热件131、第二通孔1322发散到图像传感器外部。在图2B的示例中，由于虚线箭头所示的热量传递路线完全分布在逻辑晶片中，进一步使得逻辑电路122产生的热量远离像素区域112传导，从而进一步减轻逻辑电路122产生的热量对像素区域112的影响并且改善暗阴影问题，使得图像传感器能够呈现更均匀的图像质量。
参考图2C，图像传感器还可以同时包括第一通孔1321和第二通孔1322。此外，可选地，图像传感器还可以包括设置在像素晶片110的外表面上存在第一通孔1321的位置处的第一散热装置1331和/或设置在逻辑晶片120的外表面上存在第二通孔1322的位置处的第二散热装置1332。在一些示例中，第一散热装置1331或第二散热装置1332可以具有鳍(fin)状或柱状等适于扩大散热面积的形状，使得来自逻辑电路122的热量能够更有效地消散。
根据本公开的实施例的堆叠型背照式图像传感器能够使得逻辑电路工作时产生的大量热量远离像素区域传导，避免像素区域温度增加过多并且温度分布不均匀而导致的图像质量不均匀，从而改善图像传感器的性能。
图3示意性地示出了根据本公开的实施例的示例堆叠型背照式图像传感器300的剖视图。
在图3的示例中，像素晶片110和逻辑晶片120通过混合键合技术同时实现机械连接和电连接，在混合键合界面HB处示出了像素晶片110和逻辑晶片120之间的金属键合区域104。可以看出，在通过混合键合技术实现的堆叠型背照式图像传感器中，与通过TSV技术实现的堆叠型背照式图像传感器相比，由于像素晶片110和逻辑晶片120各自的金属布线结构直接通过金属键合区域104连接起来，使得逻辑电路工作时产生的热量容易通过第二金属布线结构1231、金属键合区域104、第一金属布线结构1131快速地传递到像素区域112中，导致严重的暗阴影问题。而在图3所示的图像传感器300中，通过设置如前面所讨论的散热件131和/或第一通孔1321和/或第二通孔1322和/或第一散热装置1331和/或第二散热装置1332，能够有效地分流逻辑电路工作时产生的热量，使得热量远离像素区域传导，缓解暗阴影问题，从而得到更均匀的图像质量。另外，由于图像传感器300中不需要包括TSV来实现像素晶片110和逻辑晶片120之间的电耦接，所以节省了许多空间能够用来设置数量更多和/或尺寸更大的第一通孔1321和/或第一散热装置1331，从而更有效地促进热量的消散。
下面结合图4以及图5A至图5F描述根据本公开的实施例的制造堆叠型背照式图像传感器的方法400。其中，图4示意性地示出了根据本公开的实施例的形成堆叠型背照式图像传感器的方法的流程图，图5A至图5F示意性地示出了与图4所示的方法的部分步骤对应的堆叠型背照式图像传感器的剖视图。本领域技术人员将理解，结合图4以及图5A至图5F描述的堆叠型背照式图像传感器的形成方法可以适用于形成如图1A至1C、图2A至2C中的图像传感器，因此前述对于如图1A至1C、图2A至2C中的图像传感器的相应描述也适用于此。
根据本公开的实施例的形成堆叠型背照式图像传感器的方法400可以包括以下步骤。
在步骤402，提供第一衬底(参考图5A的第一衬底111)，在第一衬底111中形成用于基于光电转换生成信号的像素区域(参考图5A的像素区域112)，并且在第一衬底111上形成第一金属布线层(参考图5B的第一金属布线层113)。其中形成有像素区域112并且其上形成有第一金属布线层113的第一衬底111构成像素晶片110(参考图5B)。
在步骤S404，提供第二衬底121(参考图5A的第二衬底121)，在第二衬底121中形成用于处理该信号的逻辑电路122(参考图5A的逻辑电路122)，并且在第二衬底121上形成第二金属布线层123(参考图5B的第二金属布线层123)。其中形成有逻辑电路122并且其上形成有第二金属布线层123的第二衬底121构成逻辑晶片120(参考图5B)。
在步骤S406，形成用于将逻辑电路产生的热量远离像素区域传导的散热件(参考图5B的散热件131)。在一些实施例中，例如参考图5B，散热件131设置在逻辑晶片120中，并且具体地，可以设置在第二金属布线层123中。在这种情况下，在一些示例中，散热件131与第二金属布线层123通过同一后段制程处理形成。例如，在散热件131由铜制成的情况下，可以在形成第二金属布线层123中的金属布线结构1231的各层金属布线的同时，形成散热件131的各个层，并且在形成通孔连接金属布线结构1231的各层金属布线的同时，形成连接散热件131的各个层的通孔。形成各层和通孔的例如光刻和电镀等工艺步骤对本领域技术人员是熟知的，本公开就不再重复。
另外，在一些实施例中，散热件131可以设置在像素晶片110中，并且具体地，可以设置在第一金属布线层113中。在这种情况下，在一些示例中，散热件131与第一金属布线层113通过同一后段制程处理形成。
如前所述，在一些实施例中，散热件131可以邻近或者耦接到逻辑电路122。在一些示例中，逻辑电路122可以包括第一电路和第二电路，第一电路产生的热量大于第二电路产生的热量，第一电路的示例可以包括前述逻辑控制电路、PLL电路等，第二电路的示例可以包括ADC电路等，其中散热件131可以邻近或者耦接到第一电路。在其它一些示例中，散热件131可以邻近或者耦接到第一电路和第二电路。此外，在一些示例中，散热件131可以耦接到逻辑电路122的电源(VDD)节点、接地(GND)节点、源极节点或漏极节点。另外，散热件131可以由导热性能好并且导电性能好的材料形成。例如，在一些示例中，散热件131可以由金属形成，例如由金、银、铜、铁、铝、以及前述两种以上构成的合金形成。在一些示例中，散热件131可以由多晶硅或者石墨。在前述各种实施例中，散热件131可以由导热性能好但是导电性能不好的材料形成。在一些示例中，散热件131可以由氮化铝、氧化铝、碳化硅或者氮化硅形成。
在步骤S408，结合第一衬底与第二衬底，从而将像素晶片和逻辑晶片堆叠在一起(参考图5C)。例如，这种结合可以通过例如等离子体结合技术、粘接剂结合技术等实现。
方法400还可以包括步骤S410。在步骤S410中(参考图5D)，通过刻蚀等技术形成第一通孔和/或第二通孔。第一通孔从像素晶片110的外表面延伸直到暴露出散热件131，第二通孔从逻辑晶片120的外表面延伸直到暴露出散热件131。应当理解的是，第二通孔可以在步骤S406之后、步骤S408之前形成。
在一些示例中，第一通孔1321在像素晶片110的外表面处的横截面面积大于其在像素晶片110内部的横截面面积。在一些示例中，第一通孔1321可以在其各个位置具有一致的横截面面积。第一通孔1321的横截面的形状例如可以圆形、方形、矩形、椭圆形等合适的形状。在一些示例中，第二通孔1322在逻辑晶片120的外表面处的横截面面积大于其在逻辑晶片120内部的横截面面积。在一些示例中，第二通孔1322可以在其各个位置具有一致的横截面面积。第二通孔1322的横截面的形状例如可以圆形、方形、矩形、椭圆形等合适的形状。本领域技术人员应理解，虽然在图5D中示出的第一通孔或第二通孔的数量为一个，但这仅仅是示例性和说明性的，并不意味着对本公开的限制。在其它实施例中，第一通孔或第二通孔的数量可以是两个、三个或者更多个，并且这些通孔的具体形状可以相同也可以不相同。
另外，在刻蚀的步骤中，还可以形成用于实现逻辑电路与像素区域的电耦接的TSV。TSV103可以如图5D所示从像素晶片110的外表面延伸到暴露出第一金属布线结构并且其一部分继续延伸到暴露出第二金属布线结构，也可以包括第一TSV和第二TSV，其中第一TSV从像素晶片110的外表面延伸到暴露出第一金属布线结构并且第二TSV从像素晶片110的外表面延伸到暴露出第二金属布线结构。第一通孔、第二通孔与TSV的形成方法可以相同。应当注意的是，在通过混合键合技术形成堆叠型背照式图像传感器时，则不需要形成上述TSV。
方法400还可以包括步骤S412。在步骤S412中(参考图5E)，向通孔1321，1322内填充用于导热的材料。通孔内填充的材料可以是导电材料，例如金属(诸如金、银、铜、铁、铝、以及前述两种以上构成的合金)、多晶硅或者石墨等。通孔内填充的材料还可以是导热的介电材料，例如氮化铝、氧化铝、碳化硅或者氮化硅。在一些实施例中，通孔内填充的材料与形成散热件的材料相同。
例如，在向第一通孔、第二通孔、TSV内填充的材料为金属情况下，方法400还可以包括：在刻蚀之后、填充材料之前，在第一通孔、第二通孔、TSV的侧壁上依次形成绝缘层、扩散阻挡层、种子层。其中，绝缘层可以包括氧化物(例如，二氧化硅)、氮氧化物(例如，氮氧化硅)、聚合物或其它合适的材料，绝缘层的形成方法可以包括但不限于化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体沉积等。扩散阻挡层用于阻挡金属原子向外扩散，一般可以采用钛、氮化钛或其组合等作为阻挡材料，优选地可以包括钽、氮化钽或者其组合作为阻挡材料，更优选地，可以采用非晶态的氮化钽，并且可以采用物理气相沉积、原子层沉积等方法形成。种子层用于促进后续的金属沉积，其沉积和扩散阻挡层类似，可以采用物理气相沉积等方法，另外也可以采用电化学镀等工艺。
方法400还可以包括步骤S414。在步骤S414中(参考图5F)，在像素晶片110的外表面上存在第一通孔1321的位置处设置第一散热装置1331和/或在逻辑晶片120的外表面上存在第二通孔1322的位置处设置第二散热装置1332。在一些示例中，第一散热装置1331或第二散热装置1332可以具有鳍(fin)状或柱状等适于扩大散热面积的形状，使得来自逻辑电路122的热量能够更有效地消散。
根据本公开的一些实施例，还可以包括以下技术方案：
1、一种堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，包括：
像素晶片，所述像素晶片包括用于基于光电转换生成信号的像素区域；
逻辑晶片，所述逻辑晶片包括用于处理所述信号的逻辑电路；以及
散热件，所述散热件用于将所述逻辑电路产生的热量远离所述像素区域传导。
2、根据1所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件被构造成邻近所述逻辑电路。
3、根据2所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被构造成邻近所述第一电路。
4、根据3所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件被构造成邻近所述第一电路和所述第二电路。
5、根据1所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件被构造成耦接到所述逻辑电路。
6、根据5所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被构造成耦接到所述第一电路。
7、根据6所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件被构造成耦接到所述第一电路和所述第二电路。
8、根据5所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件耦接到所述逻辑电路的电源VDD节点。
9、根据5所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件耦接到所述逻辑电路的接地GND节点。
10、根据5所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件耦接到形成在所述逻辑晶片中的源极节点或漏极节点。
11、根据1至10中任一项所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件由金属形成。
12、根据11所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述金属选自：金、银、铜、铁、铝、以及其中两种以上构成的合金。
13、根据1至10中任一项所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件由以下材料中的一种形成：氮化铝、氧化铝、碳化硅或者氮化硅。
14、根据1至10中任一项所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件由以下材料中的一种形成：多晶硅或者石墨。
15、根据5所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件设置在所述逻辑晶片中。
16、根据15所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述堆叠型背照式图像传感器还包括贯通所述像素晶片并且耦接到所述散热件的第一通孔。
17、根据16所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述第一通孔在所述像素晶片的外表面处的横截面面积大于其在所述像素晶片内部的横截面面积。
18、根据17所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述像素晶片的外表面上存在所述第一通孔的位置处设置有散热装置。
19、根据15所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述堆叠型背照式图像传感器还包括从所述逻辑晶片的外表面延伸穿过所述逻辑晶片的一部分并且耦接到所述散热件的第二通孔。
20、根据19所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述第二通孔在所述逻辑晶片的外表面处的横截面面积大于其在所述逻辑晶片内部的横截面面积。
21、根据20所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑晶片的外表面上存在所述第二通孔的位置处设置有散热装置。
22、根据16至21中任一项所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述通孔内填充有用于导热的材料。
23、根据22所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述通孔内填充有与形成所述散热件的材料相同的材料。
24、一种形成堆叠型背照式图像传感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供第一衬底，在所述第一衬底中形成用于基于光电转换生成信号的像素区域并且在所述第一衬底上形成第一金属布线层；
提供第二衬底，在所述第二衬底中形成用于处理所述信号的逻辑电路并且在所述第二衬底上形成第二金属布线层；
形成散热件，所述散热件用于将所述逻辑电路产生的热量远离所述像素区域传导；以及
将所述第一衬底与所述第二衬底结合以形成所述堆叠型背照式图像传感器。
25、根据24所述的方法，其特征在于，所述散热件形成在所述第一金属布线层中，并且所述散热件与所述第一金属布线层通过同一后段制程处理形成。
26、根据24所述的方法，其特征在于，所述散热件形成在所述第二金属布线层中，并且所述散热件与所述第二金属布线层通过同一后段制程处理形成。
27、根据26所述的方法，其特征在于，所述散热件被形成为邻近所述逻辑电路。
28、根据27所述的方法，其特征在于，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被形成为邻近所述第一电路。
29、根据28所述的方法，其特征在于，所述散热件被形成为邻近所述第一电路和所述第二电路。
30、根据26所述的方法，其特征在于，所述散热件被形成为耦接到所述逻辑电路。
31、根据30所述的方法，其特征在于，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被形成为耦接到所述第一电路。
32、根据31所述的方法，其特征在于，所述散热件被形成为耦接到所述第一电路和所述第二电路。
33、根据30所述的方法，其特征在于，所述散热件耦接到所述逻辑电路的电源VDD节点。
34、根据30所述的方法，其特征在于，所述散热件耦接到所述逻辑电路的接地GND节点。
35、根据30所述的方法，其特征在于，所述散热件耦接到形成在所述逻辑晶片中的源极节点或漏极节点。
36、根据24至35中任一项所述的方法，其特征在于，所述散热件由金属形成。
37、根据36所述的方法，其特征在于，所述金属选自：金、银、铜、铁、铝、以及其中两种以上构成的合金。
38、根据24至35中任一项所述的方法，其特征在于，所述散热件由以下材料中的一种形成：氮化铝、氧化铝、碳化硅或者氮化硅。
39、根据24至35中任一项所述的方法，其特征在于，所述散热件由以下材料中的一种形成：多晶硅或者石墨。
40、根据30所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成贯通所述第一衬底和所述第一金属布线层并且耦接到所述散热件的第一通孔。
41、根据40所述的方法，其特征在于，所述第一通孔在所述第一衬底的外表面处的横截面面积大于其在所述第一衬底内部的横截面面积。
42、根据41所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第一衬底的外表面上存在所述第一通孔的位置处设置散热装置。
43、根据30所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成贯通所述第二衬底并且耦接到所述散热件的第二通孔。
44、根据43所述的方法，其特征在于，所述第二通孔在所述第二衬底的外表面处的横截面面积大于其在所述第二衬底内部的横截面面积。
45、根据44所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第二衬底的外表面上存在所述第二通孔的位置处设置散热装置。
46、根据40至45中任一项所述的方法，其特征在于，所述通孔内填充有用于导热的材料。
47、根据46所述的方法，其特征在于，所述通孔内填充有与形成所述散热件的材料相同的材料。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，本文的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，包括：
像素晶片，所述像素晶片包括用于基于光电转换生成信号的像素区域；
逻辑晶片，所述逻辑晶片包括用于处理所述信号的逻辑电路；以及
散热件，所述散热件用于将所述逻辑电路产生的热量远离所述像素区域传导。
2.根据权利要求1所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件被构造成邻近所述逻辑电路。
3.根据权利要求2所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被构造成邻近所述第一电路。
4.根据权利要求3所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件被构造成邻近所述第一电路和所述第二电路。
5.根据权利要求1所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件被构造成耦接到所述逻辑电路。
6.根据权利要求5所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑电路包括第一电路和第二电路，其中所述第一电路产生的热量大于所述第二电路产生的热量，并且所述散热件被构造成耦接到所述第一电路。
7.根据权利要求6所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件被构造成耦接到所述第一电路和所述第二电路。
8.根据权利要求5所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件耦接到所述逻辑电路的电源VDD节点。
9.一种形成堆叠型背照式图像传感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供第一衬底，在所述第一衬底中形成用于基于光电转换生成信号的像素区域并且在所述第一衬底上形成第一金属布线层；
提供第二衬底，在所述第二衬底中形成用于处理所述信号的逻辑电路并且在所述第二衬底上形成第二金属布线层；
形成散热件，所述散热件用于将所述逻辑电路产生的热量远离所述像素区域传导；以及
将所述第一衬底与所述第二衬底结合以形成所述堆叠型背照式图像传感器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述散热件形成在所述第一金属布线层中，并且所述散热件与所述第一金属布线层通过同一后段制程处理形成。
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