[发明专利]用于垂直集成的背照式图像传感器的装置

说明书

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，涉及图像传感器器件及其形成方法。

背景技术

随着技术的发展，由于CMOS图像传感器中固有的特定优点，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器超过传统的电荷耦合器件(CCD)获得普及。特别地，CMOS图像传感器可以具有高图像采集速率、较低操作电压、较低功耗以及较高抗扰性。此外，可以在与逻辑和存储器件相同的大规模晶圆加工线上制造CMOS图像传感器。结果，CMOS图像芯片可以包括图像传感器和全部必要的逻辑电路，诸如，放大器、A/D转换器等。

CMOS图像传感器是像素化金属氧化物半导体。CMOS图像传感器通常包括感光图像元件(像素)的阵列，每一个都可以包括晶体管(开关晶体管和复位晶体管)、电容器以及感光元件(例如，光电二极管)。CMOS图像传感器利用感光CMOS电路将光子转换成电子。感光CMOS电路通常包括在硅衬底中形成的光电二极管。当光电二极管暴露在光下时，在光电二极管感应出电荷。当光从主题场景(subject scene)入射在像素上时，每个像素可以生成与落在像素上的光量成比例的电子。而且，电子被转换成像素中的电压信号并且通过A/D转换器进一步转换成数字信号。多个外围电路可以接收数字信号并且处理这些数字信号以显示主题场景的图像。

CMOS图像传感器可以包括多个附加层，诸如，在衬底的顶部上形成的介电层和互连金属层，其中，互连层被用于耦合光电二极管和外围电路。具有CMOS图像传感器的附加层的一侧通常称为正面，而具有衬底的一侧称为后侧。根据光路差异，CMOS图像传感器可以进一步被分成两个主要种类，即，前照式(FSI)图像传感器和背照式(BSI)图像传感器。

在FSI图像传感器中，来自主题场景的光入射到CMOS图像传感器的正面，通过介电层和互连层，并且最后落在光电二极管上。在光路中的附加层(例如，不透明和反射金属层)可以限制由光电二极管吸收的光量，从而减少量子效率。相反，在BSI图像传感器中没有来自附加层(例如，金属层)的障碍物。光入射到CMOS图像传感器的背面。结果，光可以通过直接路径到达光电二极管。这样的直接路径帮助增加转换成电子的光子的数量。

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，提供了一种方法，包括：提供第一芯片，所述第一芯片包括光有源区和耦合至所述光有源区的图像传感器的第一晶体管；在所述第一芯片的第一侧上形成第一接合焊盘；提供第二芯片，所述第二芯片包括：所述图像传感器的第二晶体管；位于所述第二芯片的第一侧上的第二接合焊盘；位于所述第二芯片的第二侧上的输入/输出端子；以及耦合在所述输入/输出端子和所述第二接合焊盘之间的通孔；在所述第二芯片上堆叠所述第一芯片，其中，所述第一接合焊盘与所述第二接合焊盘对准；以及接合所述第一芯片和所述第二芯片，其中：所述第一芯片的第一侧上的所述第一接合焊盘电耦合至所述第二芯片的第一侧上的所述第二接合焊盘；以及所述图像传感器的所述第一晶体管电耦合至所述图像传感器的所述第二晶体管。

该方法进一步包括：在所述第二芯片的第一侧上形成第三接合焊盘，其中，所述第三接合焊盘耦合至所述第二芯片的逻辑电路；以及在所述第一芯片的第一侧上形成第四接合焊盘，其中，在接合所述第一芯片和所述第二芯片的步骤之后，所述第四接合焊盘电耦合至所述第三接合焊盘。

在该方法中，所述输入/输出端子是铝铜焊盘。

该方法进一步包括：在接合所述第一芯片和所述第二芯片的步骤之后，使所述第一芯片的第二侧变薄至第一厚度。

在该方法中，所述第一厚度在约2um至约2.15um的范围内。

该方法进一步包括：通过多个互连部件将第三芯片接合在所述第二芯片的顶部上，其中，所述第三芯片包括逻辑电路。

在该方法中，所述第一芯片包括所述图像传感器的转移晶体管；所述第二芯片包括所述图像传感器的复位晶体管、选择晶体管以及源极跟随器；以及所述第三芯片包括耦合至通过所述转移晶体管、所述复位晶体管、所述选择晶体管以及所述源极跟随器形成的四晶体管图像传感器电路的逻辑电路。

该方法进一步包括：在具有第一导电性的衬底上生长外延层；在所述外延层中注入具有第二导电性的离子以形成第一光有源区；在所述外延层中注入具有第一导电性的离子以形成第二光有源区；以及使所述衬底的背面变薄，直到暴露所述外延层为止。