CN110211984A - 堆叠型背照式图像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种堆叠型背照式图像传感器及其制造方法。一种堆叠型背照式图像传感器，包括：逻辑晶片和堆叠在所述逻辑晶片之上的像素晶片，其中所述逻辑晶片包括半导体基底和位于所述半导体基底上的逻辑器件，其中所述半导体基底中设置有导热件，用于将所述逻辑器件产生的热量传导离开所述堆叠型背照式图像传感器。
Description
技术领域
本公开涉及一种堆叠型背照式图像传感器及其制造方法。
背景技术
图像传感器可以将接收到的光信号转换为电信号，以实现对图像的感测，被广泛应用于各种成像装置中。根据光的入射方向的不同，可以将图像传感器分为前照式和背照式两种。在图像传感器中，通常包括用于接收并将光信号转换成电信号的光电转换器件和用于对像素晶片中产生的电信号实现进一步处理的逻辑器件。为了减小图像传感器所占的平面空间，使其结构更加紧凑，可以采用堆叠型的图像传感器，也就是采用堆叠的方式布置具有光电转换器件的像素晶片和具有逻辑器件的逻辑晶片。
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，包括：逻辑晶片和堆叠在所述逻辑晶片之上的像素晶片，其中所述逻辑晶片包括半导体基底和位于所述半导体基底上的逻辑器件，其中所述半导体基底中设置有导热件，用于将所述逻辑器件产生的热量传导离开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，所述散热件可以包括导热材料。
在根据本公开的一些实施例中，所述导热材料可以包括铜、钨、铝、碳化硅、金和银。
在根据本公开的一些实施例中，所述半导体基底可以包括硅基底。
在根据本公开的一些实施例中，所述逻辑晶片还可以包括位于所述半导体基底之上的半导体层。
在根据本公开的一些实施例中，所述逻辑器件可以位于所述半导体层中。
在根据本公开的一些实施例中，所述逻辑晶片还可以包括位于所述半导体层之上的介质层。
在根据本公开的一些实施例中，所述介质层中可以设置有一个或多个金属布线层。
在根据本公开的一些实施例中，所述逻辑器件可以包括第一逻辑器件和第二逻辑器件，其中，第一逻辑器件的发热量大于第二逻辑器件的发热量，所述导热件被布置在与所述第一逻辑器件对应的位置。
根据本公开的另一个方面，提供了一种制造堆叠型背照式图像传感器的方法，包括：提供像素晶片；提供逻辑晶片；以及将所述像素晶片与所述逻辑晶片堆叠，其中提供逻辑晶片的步骤可以包括：提供半导体基底；在所述半导体基底中形成导热件；以及在所述半导体基底上形成逻辑器件。
在根据本公开的一些实施例中，在所述半导体基底中形成导热件的步骤可以包括：在所述半导体基底中与所述逻辑器件对应的位置处形成沟槽；以及在所述沟槽中填充导热材料，形成所述导热件。
在根据本公开的一些实施例中，在所述半导体基底上形成逻辑器件的步骤可以包括：在所述导热件的表面形成半导体种子层；在所述种子层上形成半导体层；以及利用所述半导体层形成所述逻辑器件。
在根据本公开的一些实施例中，可以通过化学气相沉积或物理气相沉积在所述散热件的表面形成所述半导体种子层。
在根据本公开的一些实施例中，可以通过外延生长形成所述半导体层。
在根据本公开的一些实施例中，该方法还可以包括：对所述半导体基底进行减薄处理，使得所述导热件从所述半导体基底的背面暴露出来。
根据本公开的又一个方面，提供了一种成像装置，包括印刷电路板和上述根据本公开的堆叠型背照式图像传感器，其中，所述印刷电路板上设置有导热装置和散热装置，所述导热件被构造成热连接到所述导热装置，使得所述热量经由所述导热装置传递给所述散热装置。
在根据本公开的一些实施例中，所述导热件可以通过焊料凸起热连接到所述导热装置。
根据本公开的又一个方面，提供了一种成像装置，包括上述根据本公开的堆叠型背照式图像传感器。
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，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1示出了根据本公开的一个或多个示例性实施例的堆叠型背照式图像传感器的示意图。
图2A-2I示出了制造根据本公开的一个或多个示例性实施例的堆叠型背照式图像传感器的过程的示意图。
图3示出了根据本公开的一个或多个示例性实施例的堆叠型背照式图像传感器的示意图。
图4示出了根据本公开的一些实施例的成像装置中的印刷电路板与堆叠型背照式图像传感器的示意图。
图5示出了根据本公开的一些实施例的成像装置中的印刷电路板与堆叠型背照式图像传感器的示意图。
图6示出了根据本公开的一个或多个示例性实施例的成像装置的示意图。
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。
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。
图1示出了根据本公开的一个实施例的堆叠型背照式图像传感器的示意图。
如图1所示，堆叠型背照式图像传感器(以下简称图像传感器)包括逻辑晶片、堆叠在逻辑晶片上的像素晶片、以及位于像素晶片背面的滤色片108和微透镜109。
逻辑晶片可以包括半导体基底101、半导体层103、逻辑器件107以及层间介电层104。
半导体基底101可以为例如硅基底，并且在半导体基底101中具有导热件102。导热件102可以由导热材料制成，例如铜、钨、铝、金、银等金属，或者例如SiC等导热率较高的材料。通过导热件102，可以将逻辑器件107产生的热量传导离开图像传感器，减小从逻辑晶片传导到像素晶片的热量，从而提高图像传感器的成像质量。
半导体层103位于半导体基底101上。半导体层103可以为例如硅层，并且在半导体层103上形成逻辑器件107。层间介电层104例如可以由氧化硅等介电材料形成，并且在层间介电层104中可以形成有多层金属布线层。
像素晶片可以包括层间介电层105和像素层106。层间介电层105中可以形成有多层金属布线层，像素层106中可以形成有多个光电转换器件，例如光电二极管。
根据本公开的一些实施例，堆叠型背照式图像传感器可以为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。
本公开还提供了制造上述堆叠型背照式图像传感器的方法。在根据本公开的一些实施例中，该方法可以包括：提供像素晶片；提供逻辑晶片；以及将所述像素晶片与所述逻辑晶片堆叠。其中提供逻辑晶片的步骤可以包括：提供半导体基底；在所述半导体基底中形成导热件；以及在所述半导体基底上形成逻辑器件。
下面结合图2A-图2H详细描述根据本公开的一个实施例的堆叠型背照式图像传感器的制造方法。
首先，如图2A所示，提供半导体基板101，例如硅基板。然后，在半导体基底101上形成沟槽201。例如，在根据本公开的一个实施例中，可以通过光刻技术在半导体基板101上形成图案化的掩膜。例如，可以在半导体基板101表面旋涂一层光刻胶，然后利用掩膜版对光刻胶进行曝光，经过显影后，形成图案化的掩膜。在该掩膜中，半导体基板101上与沟槽201对应的区域被暴露出来。利用图案化的掩膜，可以对半导体基板进行刻蚀，去除被暴露区域中的半导体材料，从而形成沟槽201。例如，可以通过干法刻蚀或湿法刻蚀，去除半导体材料。在形成了沟槽201之后，可以去除光刻胶掩膜。
然后，如图2B所示，在半导体基底101的表面上沉积一层导热材料。该导热材料可以是例如铜、钨、铝、金、银等金属材料，也可是例如SiC等导热率较高的非金属材料。例如，在根据本公开的一些实施例中，导热材料的导热率可以大于150W/m*K。在根据本公开的另一些实施例中，导热材料的导热率可以大于200W/m*K。在根据本公开的又一些实施例中，导热材料的导热率可以大于300W/m*K。在根据本公开的又一些实施例中，导热材料的导热率可以大于400W/m*K。
接下来，如图2C所示，对半导体基底101进行例如化学机械平坦化处理，去除沟槽201之外的导热材料，例如沟槽201两侧的导热材料202和导热材料203。沟槽201内剩余的导热材料构成了导热件102。
接下来，如图2D和图2E所示，在半导体基底101上通过例如外延生长形成半导体层103。在根据本公开的一些实施例中，为了更好地进行外延生长，可以例如图2D所示，先在半导体基底101上形成种子层204，然后在种子层204上进行外延生长，从而形成半导体层103。
接下来，如图2F所示，在半导体层103上形成逻辑器件107。逻辑器件107可以是例如输入/输出器件(I/O)、锁相环(PLL)、模数转换器(ADC)、逻辑处理电路(logic)、一次性可编程存储器(OTP)、复位信号处理电路(VRES)以及移动产业处理器接口(MIPI)等。
接下来，如图2G所示，在半导体层103上形成层间介电层104(即电介质层)。层间介电层104由例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介电材料形成。例如，可以通过化学气相沉积或物理沉积(例如原子层沉积)等方式形成层间介电层104的介电材料层。此外，层间介电层104中还可以设置有一层或多层金属布线层(未示出)，用于将逻辑器件107电连接到像素晶片和/或其它元件。
在根据本公开的一些实施例中，可以逐层形成层间介电层104。例如，可以先在半导体层103上形成第一层介电材料，然后在第一层介电材料上形成第一金属布线层，继续形成第二层介电材料。在具有多个金属布线层的情况下，可以接着在第二层介电材料上形成第二金属布线层，然后在第二金属布线层上形成第三层介电材料，如此继续下去，直到形成了全部的金属布线层和介电材料层为止。
接下来，如图2H所示，可以把逻辑晶片和像素晶片接合到一起。应当理解，像素晶片可以在单独的晶片上进行制造。像素晶片通常可以包括层间介电层105和像素层106。像素层106中可以设置有多个光电二极管，用于将入射到像素层106的光信号转换成电信号。在层间介电层105中可以设置有一层或多层金属布线层，这些金属布线层可以与逻辑电路、光电二极管或其它元件电连接。层间介电层105的制备方式与层间介电层104的制备方式类似，这里就不再赘述。
接下来，如图2I所示，对逻辑晶片的背面进行减薄处理，使得导热件102从逻辑晶片的背面暴露出来。这样，像素晶片产生的热量可以通过导热件102被传导离开图像传感器，从而降低像素晶片的温度，提高成像质量。
最后，还可以对图像传感器进行其它处理。例如通过硅通孔(through siliconvia,TSV)将逻辑晶片中的金属布线层与像素晶片中的金属布线层电连接；在图像传感器的背面(即接收入射光的一面)形成焊盘，用于将图像传感器电连接到印刷电路板；以及在像素层106上依次形成滤色片108和微透镜109等。
图3示出了根据本公开的一些实施例的堆叠型背照式图像传感器的示意图。如图3所示，在根据本公开的一些实施例中，也可以在半导体基底101中设置多个导热件，例如导热件301和导热件302。逻辑晶片中的各个逻辑器件的发热量可能并不相同。例如，在通常情况下，锁相环(PLL)304和逻辑处理电路303(即第一逻辑器件)产生的热量可能大于其它逻辑器件305(即第二逻辑器件)。因此，可以在半导体基底101中与发热量较大的逻辑器件对应的位置设置导热件。例如，在图3中，导热件301设置在锁相环304下方，导热件302设置在逻辑处理电路303下方。采用图3所示的构造，可以在保持散热效果基本不变的情况下减小导热件，从而降低成本。
图4示出了根据本公开的一些实施例的成像装置中的印刷电路板与堆叠型背照式图像传感器的示意图。如图4所示，该成像装置包括印刷电路板402和图1所示的堆叠型背照式图像传感器。其中，印刷电路板402和图像传感器的半导体基底101可以通过例如树脂粘接到一起。例如，该树脂可以为导热的环氧树脂，从而有助于热量从导热件102向印刷电路板402的传递。
此外，印刷电路板402可以设置有导热装置(未示出)和散热装置(未示出)。例如，在印刷电路板402上与导热件102对应的位置上设置导热装置(例如金属片)，导热件102的热量通过该导热装置可以传递给散热装置，并经由散热装置将热量散发到周围环境中。
图5示出了根据本公开的一些实施例的成像装置中的印刷电路板与堆叠型背照式图像传感器的示意图。如图5所示，该成像装置包括印刷电路板402和图1所示的堆叠型背照式图像传感器。其中，印刷电路板402和图像传感器的半导体基底101可以通过例如树脂粘接到一起。例如，该树脂可以为导热的环氧树脂，从而有助于热量从导热件102向印刷电路板402的传递。
此外，如图5所示，为了使热量更快地从导热件102传递到印刷电路板，可以在导热件102和印刷电路板402的导热装置上分别设置一个或多个焊盘，并通过焊料凸起(solderbump)502将对应的焊盘连接，从而使得热量能够更快地从导热件102传递到印刷电路板，进一步降低图像传感器的温度。
图6示出了根据本公开的一些实施例的成像装置的示意图。
如图6所示，该成像装置包括镜头601、图像传感器602、控制器603、处理器604和存储器605。其中，图像传感器602是上面根据本公开的实施例的堆叠型背照式图像传感器。入射光606经过镜头601后在图像传感器602上成像。图像传感器中的各个像素根据感测到的入射光生成对应的像素信号并将像素信号发送给处理器604。处理器604在控制器603的控制下，可以根据来自图像传感器602的像素信号生成图像。生成的图像可以被存储在存储器605中。
此外，根据本公开的一些实施例还可以包含以下技术方案：
1、一种堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，包括：
逻辑晶片和堆叠在所述逻辑晶片之上的像素晶片，
其中所述逻辑晶片包括半导体基底和位于所述半导体基底上的逻辑器件，其中所述半导体基底中设置有导热件，用于将所述逻辑器件产生的热量传导离开所述堆叠型背照式图像传感器。
2、根据1所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述散热件包括导热材料。
3、根据2所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述导热材料包括铜、钨、铝、碳化硅、金和银。
4、根据1所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述半导体基底包括硅基底。
5、根据1所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑晶片还包括位于所述半导体基底之上的半导体层。
6、根据5所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑器件位于所述半导体层中。
7、根据5或6所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑晶片还包括位于所述半导体层之上的介质层。
8、根据7所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述介质层中设置有一个或多个金属布线层。
9、根据1所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑器件包括第一逻辑器件和第二逻辑器件，其中，第一逻辑器件的发热量大于第二逻辑器件的发热量，所述导热件被布置在与所述第一逻辑器件对应的位置。
10、一种制造堆叠型背照式图像传感器的方法，其特征在于，包括：
提供像素晶片；
提供逻辑晶片；以及
将所述像素晶片与所述逻辑晶片堆叠，
其中提供逻辑晶片的步骤包括：
提供半导体基底；
在所述半导体基底中形成导热件；以及
在所述半导体基底上形成逻辑器件。
11、根据10所述的方法，其特征在于，在所述半导体基底中形成导热件的步骤包括：
在所述半导体基底中与所述逻辑器件对应的位置处形成沟槽；以及
在所述沟槽中填充导热材料，形成所述导热件。
12、根据10所述的方法，其特征在于，在所述半导体基底上形成逻辑器件的步骤包括：
在所述导热件的表面形成半导体种子层；
在所述种子层上形成半导体层；以及
利用所述半导体层形成所述逻辑器件。
13、根据12所述的方法，其特征在于，通过化学气相沉积或物理气相沉积在所述散热件的表面形成所述半导体种子层。
14、根据12所述的方法，其特征在于，通过外延生长形成所述半导体层。
15、根据10所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述半导体基底进行减薄处理，使得所述导热件从所述半导体基底的背面暴露出来。
16、一种成像装置，其特征在于，包括印刷电路板和权利要求1-9中任一项所述的堆叠型背照式图像传感器，
其中，所述印刷电路板上设置有导热装置和散热装置，所述导热件被构造成热连接到所述导热装置，使得所述热量经由所述导热装置传递给所述散热装置。
17、根据16所述的成像装置，其特征在于，所述导热件通过焊料凸起热连接到所述导热装置。
18、一种成像装置，其特征在于，包括根据1-9中任一项所述的堆叠型背照式图像传感器。
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他取向上操作。
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，本公开不受在上述技术领域、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，前面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，并且在其他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：
逻辑晶片和堆叠在所述逻辑晶片之上的像素晶片，
其中所述逻辑晶片包括半导体基底和位于所述半导体基底上的逻辑器件，其中所述半导体基底中设置有导热件，用于将所述逻辑器件产生的热量传导离开所述堆叠型背照式图像传感器。
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，所述散热件包括导热材料。
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，所述导热材料包括铜、钨、铝、碳化硅、金和银。
4.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，所述半导体基底包括硅基底。
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，所述逻辑晶片还包括位于所述半导体基底之上的半导体层。
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，所述逻辑器件位于所述半导体层中。
7.根据权利要求5或6所述的堆叠型背照式图像传感器，其特征在于，所述逻辑晶片还包括位于所述半导体层之上的介质层。
8.一种制造堆叠型背照式图像传感器的方法，其特征在于，包括：
提供像素晶片；
提供逻辑晶片；以及
将所述像素晶片与所述逻辑晶片堆叠，
其中提供逻辑晶片的步骤包括：
提供半导体基底；
在所述半导体基底中形成导热件；以及
在所述半导体基底上形成逻辑器件。
9.一种成像装置，其特征在于，包括印刷电路板和权利要求1-7中任一项所述的堆叠型背照式图像传感器，
其中，所述印刷电路板上设置有导热装置和散热装置，所述导热件被构造成热连接到所述导热装置，使得所述热量经由所述导热装置传递给所述散热装置。
10.一种成像装置，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的堆叠型背照式图像传感器。
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| CN201910534060.4A CN110211984A (zh) | 2019-06-20 | 2019-06-20 | 堆叠型背照式图像传感器及其制造方法 |
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