图像传感器及其形成方法、内窥镜探测头与流程

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法、一种内窥镜探测头。

背景技术：

内窥镜是一种应用非常广泛的医疗及工业检测器械，目前的内窥镜探测头均包括光源和图像传感器。

如图1所示，现有的内窥镜探测头100的光源101和图像传感器102通常并列放置。光源发光，照亮目标物体，然后由图像传感器采集图像。

如果能够进一步降低内窥镜探测头的尺寸将进一步扩散内窥镜的使用范围。图1所示的光源101和图像传感器102的布局使得内窥镜探测头的面积过大。为了进一步降低内窥镜探测头的面积，可以通过减小图像传感器的像素面积或者缩小光源面积来实现，但是上述两种方法都会影响成像质量。

如何在不影响内窥镜的成像质量的同时，降低内窥镜探测头的尺寸，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，如何降低内窥镜探测头尺寸。

为了解决上述问题，本发明提供了一种图像传感器，包括：图像传感芯片；至少一个贯穿所述图像传感芯片的透光孔。

可选的，所述透光孔内填充有透光材料。

可选的，所述透光材料包括氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯以及氧化铝陶瓷中的一种或几种。

可选的，所述图像传感芯片包括像素区和逻辑区，所述逻辑区位于所述像素区外围；所述透光孔位于所述逻辑区和/或所述像素区。

可选的，所述像素区包括像素单元阵列，相邻像素单元之间具有隔离区域，位于所述像素区的透光孔贯穿所述隔离区域。

可选的，所述隔离区域包括浅沟槽隔离结构或掺杂隔离区。

可选的，所述图像传感芯片包括：第一衬底，所述第一衬底上形成有像素器件层；第二衬底，所述第二衬底上形成有逻辑器件层，所述第一衬底和第二衬底相对键合连接；所述透光孔贯穿所述第一衬底、像素器件层、逻辑器件层和第二衬底。

可选的，还包括：封装壳体；所述图像传感芯片位于所述封装壳体内；与所述图像传感芯片背面相对的部分封装壳体具有透光性。

为解决上述问题，本发明还提供一种图像传感器的形成方法，包括：提供图像传感芯片；形成贯穿所述图像传感芯片的透光孔。

可选的，采用深硅刻蚀工艺刻蚀所述图像传感芯片，形成所述透光孔。

可选的，所述透光孔的形成方法包括：采用深硅刻蚀工艺刻蚀子一侧表面刻蚀所述图像传感芯片，形成第一子透光孔，所述第一子透光孔底面位于所述图像传感芯片内；在所述第一子透光孔内填充透光材料；自所述图形传感器芯片的另一侧表面刻蚀所述图像传感芯片至暴露出所述透光材料层，形成与所述第一子透光孔贯通的第二子透光孔；在所述第二子透光孔内填充透光材料。

可选的，所述图像传感芯片包括像素区和逻辑区，所述逻辑区位于所述像素区外围；所述透光孔位于所述逻辑区和/或所述像素区。

可选的，相邻像素单元之间具有隔离区域，位于所述像素区的透光孔贯穿所述隔离区域。

可选的，所述隔离区域包括浅沟槽隔离结构或掺杂隔离区。

可选的，所述图像传感芯片包括：第一衬底，所述第一衬底上形成有像素器件层，所述像素器件层包括像素单元阵列；第二衬底，所述第二衬底上形成有逻辑器件层，所述第一衬底和第二衬底相对键合连接；所述透光孔贯穿所述第一衬底、像素器件层、逻辑器件层和第二衬底。

可选的，对所述图像传感芯片进行封装，在所述图像传感芯片外形成封装壳体；与所述图像传感芯片背面相对的部分封装壳体具有透光性。

本发明的技术方案还提供一种内窥镜探测头，包括：上述的图像传感器；光源，所述光源的发光方向朝向所述图像传感器的背面。

本发明的图像传感器的传感芯片上形成有贯穿所述图像传感芯片的透光孔，使得位于图像传感芯片背面的照明光能够透过所述图像传感芯片照亮目标物体。

进一步的，所述透光孔内填充有透光材料，能够抵消形成透光孔对图像传感芯片产生的应力，避免芯片发生应力形变。

进一步，所述透光孔可以形成于图像传感芯片的像素单元之间的隔离区域，不会影响像素单元，且能够提高像素单元之间的隔离性能。

本发明的内窥镜探头，包括光源和图像传感器，所述光源的发光方向朝向所述图像传感器的传感芯片背面。所述光源垂直叠加在图像传感器背后，可以降低探测头的横截面积。

附图说明

图1为现有技术的内窥镜探测头的结构示意图；

图2a至图9为本发明的具体实施方式的图像传感器的结构示意图；

图10a至图10e为本发明的具体实施方式的图像传感器的形成过程的示意图；

图11为本发明的具体实施方式的内窥镜探测头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的图像传感器及其形成方法、内窥镜探测头的具体实施方式做详细说明。

请参考图2a和图2b，为本发明一具体实施方式的图像传感器的局部结构示意图。图2b为沿图2a中割线aa’的剖面示意图。

所述图形传感器包括：图像传感芯片200；至少一个贯穿所述图像传感芯片200的透光孔203。

该具体实施方式中，所述图像传感芯片200包括像素区202和逻辑区201，所述逻辑区201位于所述像素区202的外围。

所述像素区202内形成有像素单元阵列，每个像素单元至少包括一个极管及若干mos管结构。若干像素单元以阵列形式排列，形成像素单元阵列。

所述逻辑区201内形成有逻辑电路，例如行选择电路、列选择电路、模拟信号处理电路、a/d转换电路等。

该具体实施方式中，所述透光孔203位于所述逻辑区201内，所述透光孔203的截面为长条形。所述透光孔203可以形成于所述逻辑区201内未形成有器件的区域，例如，在设计逻辑区201的器件分布时，可以预留形成所述透光孔的位置。所述逻辑区201还可以形成于所述逻辑区201内的隔离结构，例如浅沟槽隔离结构等。在一个具体实施方式中，所述透光孔203贯穿所述逻辑区201内的浅沟槽隔离结构。

该具体实施方式中，形成有四个透光孔203，均匀分布于所述像素区202的四周，以提高透光的均匀性。所述透光孔203的截面长度为10nm～1mm，宽度为10μm～100μm。在其他具体实施方式中，也可以仅形成有一个或其他数量的透光孔，可以根据实际应用对于亮度的需要以及逻辑区201内的器件分布情况，合理设置所述透光孔203的数量、位置和尺寸，使得芯片背后的光源可以从所述透光孔入射到目标物体，使得所述像素区202有足够的亮度进行成像。

为了避免所述透光孔203对芯片的应力分布造成影响，而使得芯片发生翘曲等应力形变问题，在一些具体实施方式，所述透光孔203内还填充有透光材料，可以为无机透光材料，例如氧化硅或者氧化铝陶瓷等透明陶瓷材料中的一种或几种，还可以为有机透光材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等。

所述图像传感芯片上形成有透光孔，使得位于图像传感芯片背面的照明光能够透过所述图像传感芯片照亮目标物体

请参考图3，为本发明另一具体实施方式的图像传感器的局部结构示意图。

该具体实施方式中，所述图像传感芯片300的像素区302和逻辑区301内分别形成有透光孔303b和透光孔303a。在其他具体实施方式中，也可以仅在所述像素区302内形成有透光孔303b。

该具体实施方式中，所述透光孔303b可以位于所述像素区302的中心位置处；在其他具体实施方式中，所述透光孔303b还可以分布于所述像素区302的边缘区域。所述像素区302内可以形成有单个尺寸较大的透光孔，也可以为多个尺寸较小的透光孔。所述多个尺寸较小的透光孔还可以呈阵列排列，以提高透过光源的分布均匀性。

该具体实施方式中，所述像素区302内的透光孔303b横截面为两条相互垂直的长条形所构成的十字形。在其他具体实施方式中，所述透光孔303a和303b的横截面还可以为交叉形(如图4中透光孔303c)、米字形、田字形、井子形等，或多个透光孔按行或列平行排列。

请参考图5，为图3中像素区302的局部放大示意图。该具体实施方式中，所述透光孔303b占据了像素区302内的像素单元3021的位置，通过牺牲一定数量的像素单元3021来形成透光孔303b。透光孔303b的宽度尺寸可以选择小于单个像素单元3021的变长尺寸，从而尽量减少牺牲的像素单元3021的数量。在一些具体还是方式中，所述透光孔303b的宽度一般为1微米～100微米，长度一般为1微米～1毫米。可以根据实际应用对于亮度的需求、以及对像素的要求合理设置所述透光孔303b的位置和尺寸。

请参考图6，为另一具体实施方式的图像传感器的像素区的局部放大示意图。

该具体实施方式中，所述透光孔603形成于相邻像素单元601之间。

所述像素单元601包括二极管604，该具体实施方式中，所述二极管604通常通过对p型掺杂区内进行n形掺杂而形成。相邻像素单元601的二极管604之间可以形成有p形掺杂区，作为相邻二极管604之间的p形掺杂隔离区602。所述透光孔603形成于所述p形掺杂隔离区602内，不用影响像素区面积，而且，所述透光孔603还能够进一步提供相邻像素单元601之间的隔离。可以根据实际需求，在多个像素单元之间均形成所述透光孔603。所述透光孔603的宽度小于相邻像素单元601之间的间距，例如长度可以为10纳米～500纳米，宽度可以为10纳米～100纳米。可以根据实际应用对于亮度的需求，以及p型掺杂隔离区602的实际尺寸设置透光孔603的数量、位置和尺寸。

在其他具体实施方式中，所述二极管604可以通过对n型掺杂区内进行p型掺杂而形成，相邻像素单元601之间的掺杂隔离区为n型掺杂隔离区。

请参考图7，为另一具体实施方式的图像传感芯片的像素区的局部放大示意图。

该具体实施方式中，相邻像素单元701之间不仅可以通过掺杂隔离区702进行隔离，还可以通过浅沟槽隔离结构704进行隔离。该具体实施方式中，所述透光孔703可以形成于所述浅沟槽隔离结构704内，既不影响像素单元701，又能够提高所述浅沟槽隔离结构704的隔离性能。在另一具体实施方式中，所述浅沟槽隔离结构704以及掺杂隔离区702内可以均形成有透光孔。

在其他具体实施方式中，还可以在图像传感芯片的其他位置的浅沟槽隔离结构，例如逻辑区内的浅沟槽隔离结构或者用于隔离逻辑区与像素区的浅沟槽隔离结构。

请参考图8，为另一具体实施方式的图像传感器的图像传感芯片的结构示意图。

所述图像传感芯片包括第一衬底810，所述第一衬底810上形成有像素器件层811；第二衬底820，所述第二衬底820上形成有逻辑器件层821，所述第一衬底810和第二衬底820相对键合连接；所述透光孔830贯穿所述第一衬底810、像素器件层811、逻辑器件层821和第二衬底820。

所述像素器件层811包括介质层、形成与所述介质层内的半导体器件结构，例如晶体管栅极结构813。所述像素器件层811内还形成有连接各半导体器件结构的金属布线层812。

所述逻辑器件层821包括介质层以及形成与所述介质层内的半导体器件结构以及金属布线层822。

所述第一衬底810和第二衬底820相对键合连接，该具体实施方式中，所述图像传感器为背照式图像传感器，所述像素器件层811的表面与所述逻辑器件层821的表面连接，使得所述第一衬底810的底面作为图像传感芯片的正面。在其他具体实施方式中，也可以是所述第一衬底810的底面与所述逻辑器件层821的表面连接，或者所述第二衬底820的底面与所述像素器件层811的表面连接。

所述第一衬底810内形成有各像素单元之间的隔离区域814，所述隔离区域814可以为浅沟槽隔离结构或者掺杂隔离区。该具体实施方式中，所述透光孔830贯穿所述隔离区域814。

在另一具体实施方式中，所述图像传感器还包括封装壳体，所述图像传感芯片位于所述封装壳体内；与所述图像传感芯片背面相对的部分封装壳体具有透光性，以使得光源可以射入所述封装壳体内并通过图像传感芯片内的透光孔照射至目标上。所述图像传感芯片的正面为接收光信号的一侧表面，背面则为与所述正面相对的另一侧表面。

本发明的具体实施方式，还提供一种图像传感器的形成方法，包括提供图像传感芯片；形成贯穿所述图像传感芯片的透光孔。

在所述透光孔之前，可以对所述图像传感芯片背面进行减薄处理，以减小芯片的厚度，降低形成所述透光孔的难度。

可以采用深硅刻蚀工艺刻蚀所述图像传感芯片，形成所述透光孔。所述深硅刻蚀工艺可以采用感应耦合等离子体(icp)刻蚀技术，以形成高深宽比的透光孔。

请参考图9，在一个具体实施方式中，所述图像传感芯片为背照式图像传感芯片，逻辑区901和像素区902形成于同一衬底900上。

采用深硅刻蚀工艺，在逻辑区某一位置处，将整个芯片刻穿。

还可以在像素区902内的隔离区域904将整个芯片刻穿，形成透光孔。

在另一具体实施方式中，所述图像传感芯片为堆栈式图像传感芯片，在已经完成晶圆键合以及所有晶圆背面工艺的图像传感芯片上形成透光孔。具体的，请参考图8，通过刻穿所述第一衬底810、像素器件层811、逻辑器件层821以及第二衬底820，形成所述透光孔830。

在一些具体实施方式中，还包括在透光孔内填充透光材料。

请参考图10a至图10e，为本发明一具体实施例的图像传感器的形成过程的结构示意图。

请参考图10a，提供图像传感芯片1000，刻蚀所述图像传感芯片1000，形成第一子透光孔1001，所述第一子透光孔1001底面位于所述图像传感芯片1000内。该步骤中，不能将所述图像传感芯片1000刻穿，以便后续在所述第一子透光孔1001内填充透光材料。

请参考图10b，在所述第一子透光孔1001内填充透光材料1002。可以根据透光材料1002的材质选择合理的填充方式，例如沉积工艺或旋涂工艺。该具体实施方式中，所述透光材料为氧化硅，采用化学气相沉积工艺在所述第一透光孔1001内沉积氧化硅，并通过化学机械研磨工艺，使得所述图像传感芯片1000表面平坦。

请参考图10c，将所述图像传感芯片1000翻转。

请参考图10d，自所述图形传感器芯片1000的另一侧表面刻蚀所述图像传感芯片1000至暴露出所述透光材料层1002，形成与所述第一子透光孔1001贯通的第二子透光孔1003。所述第二子透光孔1003与所述第一子透光孔1001尺寸一致，边缘对齐。在其他具体实施方式中，由于工艺限制，所述第二子透光孔1003与所述第一子透光孔1001的尺寸可以略有差异，边缘也可以略有偏移。

请参考图10e，在所述第二子透光孔1003(请参考图10d)内填充满透光材料1002，并进行平坦化。

在其他具体实施方式中，还包括对形成有透光孔的图像传感芯片进行封装。在所述图像传感芯片外形成封装壳体，并且确保与所述图像传感芯片背面相对的部分封装壳体具有透光性。

在一个具体实施方式中，所述封装壳体部分为玻璃基板，所述图像传感芯片背面固定于所述玻璃基板上。

在上述图像传感器的基础上，本发明的一个具体实施方式，还提供一种内窥镜探测头。

请参考图11，为所述内窥镜探测头的剖面结构示意图。

所述内窥镜探测头包括图像传感器1102以及光源1101。所述图像传感器1102的图像传感芯片内形成有透光孔(请参考上述具体实施方式)。

光源1101的发光方向朝向所述图像传感器背面，即朝向所述图像传感芯片的背面，所述图像传感器1102靠近所述光源1101的一侧封装壳体具有透光性，为透明或高透光性材料。

光源1101发出的照明光通过所述图像传感器1102内的透光孔和镜头，照亮目标物体1103。

所述光源1101垂直的叠加在图像传感器1102的背后，可以降低所述探测头的横截面积，使得所述探测头能够通过更为狭窄的区域进行探测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。