[发明专利]一种堆叠式图像传感器像素结构与制备方法

说明书

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。

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。