[發(fā)明專利]一種堆疊式全局曝光像素單元結(jié)構(gòu)及其形成方法

有效

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• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN107240593B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙宇航;顧學強;周偉;王言虹;范春暉
• 申請（專利權(quán)）人: 上海集成電路研發(fā)中心有限公司;成都微光集電科技有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 31275 上海天辰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)
• 代理人: 吳世華;張磊

本發(fā)明公開了一種堆疊式全局曝光像素單元結(jié)構(gòu)及其形成方法，通過在堆疊的第一芯片和第二芯片的頂層介質(zhì)層和粘合層中利用頂層金屬形成電容的下極板和上極板，以取代原有位于第一芯片硅襯底中的MOS電容，而電容介質(zhì)層也可使用高介電常數(shù)制作，因此可大幅增加電容的有效面積，從而增加全局曝光像素單元的存儲電容值，并有效降低讀出噪聲；同時，通過使用不透光的頂層金屬材料制作電容下極板作為遮光結(jié)構(gòu)，可避免穿透硅襯底和后道介質(zhì)層的入射光線對電容存儲信號造成影響；此外，由于無需再在第一芯片的硅襯底中形成MOS電容結(jié)構(gòu)，因而光電二極管的感光區(qū)域可以增加至原來MOS電容占據(jù)的位置，從而提高了像素單元的靈敏度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種使用背照工藝的堆疊式CMOS圖像傳感器全局曝光像素單元的結(jié)構(gòu)及其形成方法。

背景技術(shù)

圖像傳感器是指將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，通常大規(guī)模商用的圖像傳感器芯片包括電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器芯片兩大類。

CMOS圖像傳感器和傳統(tǒng)的CCD傳感器相比具有低功耗、低成本以及與CMOS工藝兼容等特點，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在CMOS圖像傳感器不僅用于微型數(shù)碼相機(DSC)、手機攝像頭、攝像機和數(shù)碼單反(DSLR)等消費電子領(lǐng)域，而且在汽車電子、監(jiān)控、生物技術(shù)和醫(yī)學等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

為了監(jiān)控高速物體，CMOS圖像傳感器需要使用全局曝光的像素單元，全局曝光式電子快門的每一行在同一時間曝光，然后同時將電荷信號存儲在像素單元的存儲電容節(jié)點上，最后將存儲節(jié)點的信號逐行輸出。由于所有行在同一時間進行曝光，所以不會造成拖影現(xiàn)象。

在實際應(yīng)用中，根據(jù)每個像素單元使用晶體管的數(shù)目，全局曝光像素單元有4T、5T、6T、8T和12T等。雖然各種像素單元中的晶體管數(shù)目不同，但它們對其中的存儲電容的防漏光要求是相同的。

請參閱圖1，圖1是現(xiàn)有的一種8T全局曝光像素單元的電路結(jié)構(gòu)。如圖1所示，以8T全局曝光像素單元為例，電荷存儲節(jié)點就是其中的MOS電容C1和C2。存儲節(jié)點的光源寄生響應(yīng)是指存儲節(jié)點電容對入射光的寄生響應(yīng)。對于像素單元而言，入射到像素單元表面的光線如果入射到存儲節(jié)點C1和C2上，存儲節(jié)點C1和C2在入射光的照射下，也可以像光電二極管一樣產(chǎn)生光電響應(yīng)。由于入射光的照射而在存儲節(jié)點C1和C2上產(chǎn)生的電荷，會影響原來存儲在上面的由光電二極管產(chǎn)生的電壓信號，因而造成了信號的失真。

由于手機、筆記本電腦等便攜式設(shè)備的普及，需要的管芯越來越小型化，但功能卻越來越復雜和全面。為了滿足在一定的芯片面積內(nèi)實現(xiàn)復雜功能的要求，我們可以采用堆疊式芯片結(jié)構(gòu)，即通過硅片之間的鍵合、減薄和劃片等工藝將不同功能的芯片堆疊在一起。這樣就可以在不增加芯片面積的情況下將不同功能的芯片組合在一起。芯片堆疊技術(shù)可以同時節(jié)約芯片的面積和提高性能，這種將兩種或兩種以上芯片堆疊在一起的技術(shù)也就是3D(Three Dimension)堆疊芯片技術(shù)。

以CMOS圖像傳感器芯片為例，其通常包括用于感光的圖像傳感器陣列以及信號控制、讀出和處理等邏輯電路。使用3D堆疊芯片技術(shù)，我們可以在一塊芯片上形成用于感光的像素單元陣列結(jié)構(gòu)，而在另一塊芯片上形成信號控制、讀出和處理電路；然后，將這兩種不同的芯片通過混合式鍵合工藝堆疊在一起，形成一塊完整的CMOS圖像傳感器芯片。全局曝光像素單元和堆疊式芯片技術(shù)相結(jié)合，可以在較小的芯片面積上實現(xiàn)全局曝光的功能，是CMOS圖像傳感器未來應(yīng)用的一個重要方向。

由于使用堆疊式結(jié)構(gòu)，入射光線必須從硅襯底進入感光陣列，因此堆疊式全局曝光像元必須同時使用背照式工藝。