图像传感器的像素结构及其形成方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图像传感器的像素结构及其形成方法。

背景技术：

图像传感器分为互补金属氧化物(cmos)图像传感器和电荷耦合器件(ccd)图像传感器，通常用于将光学信号转化为相应的电信号。ccd图像传感器的优点是对图像敏感度较高，噪声小，但是ccd图像传感器与其他器件的集成比较困难，而且ccd图像传感器的功耗较高。相比之下，cmos图像传感器具有工艺简单、易与其他器件集成、体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点。目前cmos图像传感器已经广泛应用于静态数码相机、照相手机、数码摄像机、医疗用摄像装置(例如胃镜)、车用摄像装置等。

根据曝光方式的不同，cmos图像传感器可以分为逐行曝光的cmos图像传感器和全局曝光的cmos图像传感器。逐行曝光(rollingshutter)的cmos图像传感器，由于各行曝光时间起始点不同，这种曝光方式存在运动图像的倾斜，扭曲等缺点；而全局曝光的cmos图像传感器一帧图像里的所有像素，在某时刻同时开始曝光，在另一时刻同时结束曝光，这种全局曝光的方式可以消除逐行曝光的缺陷，并实现高帧率的图像输出。

然而，现有技术的图像传感器的性能还有待提高。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种图像传感器的像素结构及其形成方法，能够有效提升图像传感器的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种图像传感器的像素结构形成的方法，包括：形成第一晶圆，所述第一晶圆内包括感光单元与第一导电结构，所述感光单元与所述第一导电结构电连接；形成第二晶圆，所述第二晶圆内包括存储节点单元与第二导电结构，所述存储节点单元与所述第二导电结构电连接；键合所述第一晶圆与所述第二晶圆，使所述第一导电结构与所述第二导电结构电连接。

可选的，所述第一晶圆包括第一衬底以及位于所述第一衬底上的第一绝缘层，所述第一晶圆具有相对立的第一面与第二面，所述第一面为所述第一绝缘层的顶部表面，所述第二面为所述第一衬底的底部表面。

可选的，所述第二晶圆包括第二衬底以及位于所述第二衬底上的第二绝缘层，所述第二晶圆具有相对立的第三面与第四面，所述第三面为所述第二绝缘层的顶部表面，所述第四面为所述第二衬底的底部表面。

可选的，键合所述第一晶圆与所述第二晶圆的方法包括：将所述第一晶圆的第二面朝向所述第二晶圆的第三面进行加压贴合；在对所述第一晶圆与所述第二晶圆加压贴合之后，对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行第一退火处理。

可选的，所述第一导电结构包括第一金属层与导电插塞，所述第一金属层位于所述第一绝缘层内，所述感光单元与所述第一金属层电连接；所述导电插塞包括相对立的第一端与第二端，所述第一端位于所述第一绝缘层内，且所述第一端与所述第一金属层电连接，所述第二端位于所述第一衬底内，且所述第二端上形成有第一凸点。

可选的，所述第二导电结构包括第二金属层，所述第二金属层位于所述第二绝缘层内，所述存储节点单元与所述第二金属层电连接，所述第二晶圆的第三面暴露出所述第二金属层表面，所述第二金属层表面形成有第二凸点；将所述第二凸点与所述第一凸点进行键合。

可选的，所述第一凸点的材料包括inag、incu、insn、inni、insncu、inau或insnau；所述第二凸点的材料包括inag、incu、insn、inni、insncu、inau或insnau。

可选的，所述第一退火处理的参数包括：退火温度范围为120℃～350℃，退火时间为10min～60min。

可选的，所述导电插塞形成的方法包括：在所述第一衬底与所述第一绝缘层内形成填充孔，所述填充孔包括相对立的第一端口与第二端口，所述第一端口位于所述第一绝缘层内，且所述第一端口与所述第一金属层接触，所述第二端口位于所述第一衬底内，且所述第二面暴露出所述第二端口；在所述填充孔内填充满金属材料形成所述导电插塞。

可选的，所述导电插塞的材料包括铜、钛、铝或钨。

可选的，键合所述第一晶圆与所述第二晶圆的方法还包括：将所述第一晶圆的第一面朝向所述第二晶圆的第三面进行加压贴合；在对所述第一晶圆与所述第二晶圆加压贴合之后，对所述第一晶圆与所述第二晶圆进行第二退火处理。

可选的，所述第一导电结构包括第一金属层，所述第一金属层位于所述第一绝缘层内，所述感光单元与所述第一金属层电连接，所述第一晶圆的第一面暴露出所述第一金属层表面。

可选的，所述第二导电结构包括第二金属层，所述第二金属层位于所述第二绝缘层内，所述存储节点单元与所述第二金属层电连接，所述第二晶圆的第三面暴露出所述第二金属层表面；将所述第二金属层与所述第一金属层进行键合。

可选的，所述第一金属层的材料包括铜；所述第二金属层的材料包括铜。

可选的，所述第二退火处理的工艺参数包括：退火温度范围为150℃～400℃，退火时间为10min～90min。

可选的，在键合所述第一晶圆与所述第二晶圆之前，还包括：对所述第一衬底进行减薄处理。

可选的，其特征在于，减薄后的所述第一衬底的厚度为2μm～20μm。

可选的，所述感光单元包括光电二极管。

可选的，所述存储节点单元包括第一电容器和第二电容器，所述第一电容用于储存光电信号，所述第二电容用于储存复位信号。

相应的，本发明还提供了一种由上述方法所形成的图像传感器的像素结构，包括：第一晶圆，所述第一晶圆内具有感光单元与第一导电结构，所述感光单元与所述第一导电结构电连接；第二晶圆，所述第二晶圆内具有存储节点单元与第二导电结构，所述存储节点单元与所述第二导电结构电连接，所述第一导电结构与所述第二导电结构电连接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案中，通过提供第一晶圆，所述第一晶圆内具有感光单元与第一导电结构，所述感光单元与所述第一导电结构电连接，提供第二晶圆，所述第二晶圆内具有存储节点单元与第二导电结构，所述存储节点单元与所述第二导电结构电连接，然后再通过将所述第一导电结构与所述第二导电结构进行电连接，形成整体的像素结构，在该像素结构中，所述感光单元与所述存储节点单元分别位于不同的晶圆衬底中，彼此之间相互隔离，避免所述感光单元以及所述外界光线对所述存储节点单元的影响，减小寄生光感效应的产生，进而提升最终形成的图像传感器的性能。

进一步，在本发明的技术方案中，通过采用所述第一凸点与第二凸点键合实现所述感光单元与所述存储节点单元的电连接，该种方式制作工艺简单，制作成本较低。

进一步，在本发明的技术方案中，通过采用第一金属层与所述第二金属层直接键合实现所述感光单元与所述存储节点单元的电连接，该种方式电连接的接触面积较大，接触电阻较小，电连接后的电学性能更佳。

进一步，在本发明的技术方案中，通过对所述第一衬底进行减薄处理，能够使光能更好的照射感光单元，使光子更充分的转换为电子和空穴；另外经过减薄后的第一衬底与第二衬底有利于改善散热，同时减小了所述第一晶圆与第二晶圆的外形大小和尺寸，有利于封装要求。

附图说明

图1是一种图像传感器的全局曝光像素结构示意图；

图2至图7是本发明一实施例中图像传感器的像素结构形成方法各步骤结构示意图。

图8至图10是本发明另一实施例中图像传感器的像素结构形成方法各步骤结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中图像传感器的性能还有待提升，以下将结合具体附图进行说明。

请参考图1，图1是一种图像传感器的全局曝光像素结构示意图，由于在全局曝光的方式中，像素阵列产生的信号还是要逐行读取，所以像素单元中必须要有信号存储节点单元来暂存信号，使得在读取时每行的信号可以逐行分时读出到后端电路。

然而，在现有技术中，全局曝光像素结构用于感光的感光单元和暂存信号的存储节点单元在同一衬底上，该衬底既用来感光也用来存放存储节点信号。当所述感光单元与所述存储节点单元位于同一个衬底时，所述存储节点单元极容易受到所述感光单元或外界光线的影响，从而产生寄生光感效应，这个不良效应会导致存储节点单元漏电，使得逐行读取时，后读取的像素信号失真，进而影响图像传感器的性能。

在此基础上，本发明提供一种图像传感器的像素结构及其形成方法，通过将感光单元与存储节点单元分别设置于不同的晶圆内，然后将所述感光单元与所述存储节点单元进行电连接，通过该种方式能够将所述感光单元与所述存储节点单元进行隔离，避免所述感光单元以及外界光线对所述存储节点单元的影响，减小寄生光感效应的产生，进而提升最终形成的图像传感器的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。

图2至图7，是本发明一实施例中图像传感器的像素结构的形成过程的结构示意图。

请参考图2，形成第一晶圆200，所述第一晶圆200内包括感光单元201与第一导电结构202，所述感光单元201与所述第一导电结构202电连接。

在本实施例中，所述第一晶圆200包括第一衬底203以及位于所述第一衬底203上的第一绝缘层204，所述第一晶圆200具有相对立的第一面与第二面，所述第一面为所述第一绝缘层204的顶部表面，所述第二面为所述第一衬底203的底部表面。

所述第一衬底203的材料包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。在本实施例中，所述第一衬底203的材料为硅。

在本实施例中，在形成所述第一晶圆200之后，对所述第一衬底203进行减薄处理，减薄后的所述第一衬底203的厚度为2μm～20μm。

通过对所述第一衬底203进行减薄处理，能够使光能更好的照射感光单元201，使光子更充分的转换为电子和空穴；另外经过减薄后的第一衬底203有利于改善散热，同时减小了所述第一晶圆200的外形大小和尺寸，有利于封装要求。

所述感光单元201至少包括光电二极管。

在本实施例中，请参考图3，图3是图2中感光单元201电路结构图，所述感光单元201包括光电二极管ppd、传输晶体管tx、复位晶体管rst、第一源极跟随晶体管sf1、信号放大晶体管ams以及第一像素电源vddpixel1，所述光电二极管ppd的阳极连接所述传输晶体管tx的漏极，所述传输晶体管tx的源极连接所述复位晶体管rst的源极，所述传输晶体管tx的源极还连接所述第一源极跟随晶体管sf1的栅极，所述第一源极跟随晶体管sf1的源极连接所述信号放大晶体管ams的漏极，所述复位晶体管rst的漏极与所述第一源极跟随晶体管sf1的漏极均连接所述第一像素电源vddpixel1。

在本实施例中，请继续参考图2，所述第一导电结构202包括第一金属层205与导电插塞206，所述第一金属层205位于所述第一绝缘层204内，所述感光单元201与所述第一金属层205电连接；所述导电插塞206包括相对立的第一端与第二端，所述第一端位于所述第一绝缘层204内，且所述第一端与所述第一金属层205电连接，所述第二端位于所述第一衬底203内，且所述第二端上形成有第一凸点207。

具体的，所述第一金属层205与所述感光单元201中的信号放大晶体管ams的源极连接。

在本实施例中，在形成所述第一绝缘层204之后，形成所述导电插塞206，所述导电插塞206形成的方法包括：在所述第一衬底203与所述第一绝缘层204内形成填充孔(未图示)，所述填充孔包括相对立的第一端口与第二端口，所述第一端口位于所述第一绝缘层204内，且所述第一端口与所述第一金属层205接触，所述第二端口位于所述第一衬底203内，且所述第二面暴露出所述第二端口；在所述填充孔内填充满金属材料形成所述导电插塞206。

所述导电插塞206的材料包括铜、钛、铝或钨。在本实施例中，所述导电插塞206的材料采用铜。

在本实施例中，所述第一凸点207的形成方法包括：在所述第一晶圆200的第二面上形成第一钝化层(未标示)，所述第一钝化层内具有暴露出部分所述第一金属层205的第一开口(未标示)；在所述第一开口内形成所述第一凸点207，所述第一凸点207与所述第一金属层205接触。

所述第一凸点207的材料包括inag、incu、insn、inni、insncu、inau或insnau。在本实施例中，所述第一凸点207的材料采用inau。

请参考图4，形成第二晶圆208，所述第二晶圆208内包括存储节点单元209与第二导电结构210，所述存储节点单元209与所述第二导电结构210电连接。

在本实施例中，所述第二晶圆208包括第二衬底211以及位于所述第二衬底211上的第二绝缘层212，所述第二晶圆208具有相对立的第三面与第四面，所述第三面为所述第二绝缘层212的顶部表面，所述第四面为所述第二衬底211的底部表面。

所述第二衬底211的材料包括硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。在本实施例中，所述第二衬底211的材料为硅。

在本实施例中，在形成所述第二晶圆208之后，对所述第二衬底211进行减薄处理，经过减薄后的第二衬底211有利于改善散热，同时减小了所述第二晶圆208的外形大小和尺寸，有利于封装要求。

在其他实施例中，所述第二晶圆形成之后，若所述第二晶圆的厚度符合封装要求，则不需要对所述第二衬底进行减薄处理。

所述存储节点单元209至少包括第一电容与第二电容，所述第一电容用于储存光电信号，所述第二电容用于储存复位信号。

在本实施例中，请参考图5，图5是图4中存储节点单元209电路结构图，所述存储节点单元209包括第一电容cs、第二电容cr、储存复位信号开关管swr、储存光电信号开关管sws、行选择晶体管sel、第二源极跟随晶体管sf2、dc开关管dc以及第二像素电源vddpixel2，所述dc开关管dc的漏极分别连接所述储存光电信号开关管sws的漏极、储存复位信号开关管swr的漏极以及第二源极跟随晶体管sf2的栅极，所述储存复位信号开关管swr的源极连接所述第二电容cr的正极，所述储存光电信号开关管sws的源级连接所述第一电容cs的正极，所述第二源极跟随晶体管sf2的源级连接所述行选择晶体管sel的漏极，所述第二源极跟随晶体管sf2的栅极连接第二像素电源vddpixel2。

在本实施例中，所述第二导电结构210包括第二金属层213，所述第二金属层213位于所述第二绝缘层212内，所述存储节点单元209与所述第二金属层213电连接，所述第二晶圆208的第三面暴露出所述第二金属层213表面，所述第二金属层213表面形成有第二凸点214。

具体的，所述第二金属层213与所述存储节点单元209中的dc开关管dc的漏极连接。

在本实施例中，所述第二凸点214的形成方法包括：在所述第二晶圆208的第三面上形成第二钝化层(未标示)，所述第二钝化层内具有暴露出部分所述第二金属层213的第二开口(未标示)；在所述第二开口内形成所述第二凸点214，所述第二凸点214与所述第二金属层213接触。

所述第二凸点214的材料包括inag、incu、insn、inni、insncu、inau或insnau。在本实施例中，所述第二凸点214的材料采用inau。

请参考图6，键合所述第一晶圆200与所述第二晶圆208，使所述第一导电结构202与所述第二导电结构210电连接。

在本实施例中，键合所述第一晶圆200与所述第二晶圆208的方法包括：将所述第一晶圆200的第二面朝向所述第二晶圆208的第三面进行加压贴合；在对所述第一晶圆200与所述第二晶圆208加压贴合之后，对所述第一晶圆200与所述第二晶圆208进行第一退火处理。

具体的，将所述第二凸点214与所述第一凸点207进行键合。

在本实施例中，所述第一退火处理的参数包括：退火温度范围为120℃～350℃，退火时间为10min～60min。

结合参考图7，图7是图6中感光单元201与存储节点单元209电连接后电路结构示意图，通过将所述感光单元201与所述存储节点单元209分别位于所述第一衬底203与所述第二衬底211中，彼此之间相互隔离，避免所述感光单元201以及所述外界光线对所述存储节点单元209的影响，减小寄生光感效应的产生，进而提升最终形成的图像传感器的性能；另外通过采用第一凸点207与第二凸点214键合实现所述感光单元201与所述存储节点单元209的电连接，形成整体的像素结构，而且该种键合方式制作工艺简单，制作成本较低。

相应的，请继续参考图6，本发明还提供了一种由上述方法所形成的图像传感器的像素结构，包括：第一晶圆200，所述第一晶圆200内具有感光单元201与第一导电结构202，所述感光单元201与所述第一导电结构202电连接；第二晶圆208，所述第二晶圆208内具有存储节点单元209与第二导电结构210，所述存储节点单元209与所述第二导电结构210电连接，所述第一导电结构202与所述第二导电结构210电连接。

图8至图10是本发明另一实施例中图像传感器的像素结构形成方法各步骤结构示意图。

请参考图8，形成第一晶圆300，所述第一晶圆300内包括感光单元301与第一导电结构302，所述感光单元301与所述第一导电结构302电连接。

在本实施例中，所述第一晶圆300包括第一衬底303以及位于所述第一衬底303上的第一绝缘层304，所述第一晶圆300具有相对立的第一面与第二面，所述第一面为所述第一绝缘层304的顶部表面，所述第二面为所述第一衬底303的底部表面。

所述第一衬底303的材料、处理以及感光单元301的结构如实施例图2与图3及相关说明所述，在此不做赘述。

在本实施例中，所述第一导电结构302包括第一金属层305，所述第一金属层305位于所述第一绝缘层304内，所述感光单元301与所述第一金属层305电连接，所述第一晶圆300的第一面暴露出所述第一金属层305表面。

在本实施例中，所述第一金属层305的材料采用铜。

请参考图9，形成第二晶圆306，所述第二晶圆306内包括存储节点单元307与第二导电结构308，所述存储节点单元307与所述第二导电结构308电连接。

在本实施例中，所述第二晶圆306包括第二衬底309以及位于所述第二衬底309上的第二绝缘层310，所述第二晶圆306具有相对立的第三面与第四面，所述第三面为所述第二绝缘层304的顶部表面，所述第四面为所述第二衬底309的底部表面。

所述第二衬底309的材料、处理以及所述存储节点单元307的结构如实施例图4与图5及相关说明所述，在此不做赘述。

在本实施例中，所述第二导电结构308包括第二金属层311，所述第二金属层311位于所述第二绝缘层310内，所述存储节点单元307与所述第二金属层311电连接，所述第二晶圆306的第三面暴露出所述第二金属层311表面。

在本实施例中，所述第二金属层311的材料采用铜。

请参考图10，键合所述第一晶圆300与所述第二晶圆306，使所述第一导电结构302与所述第二导电结构308电连接。

在本实施例中，键合所述第一晶圆300与所述第二晶圆306的方法包括：将所述第一晶圆300的第一面朝向所述第二晶圆306的第三面进行加压贴合；在对所述第一晶圆300与所述第二晶圆306加压贴合之后，对所述第一晶圆300与所述第二晶圆306进行第一退火处理。

具体的，将所述第二金属层311与所述第一金属层305进行键合。

在本实施例中，所述第二退火处理的参数包括：退火温度范围为150℃～400℃，退火时间为10min～90min。

通过将所述感光单元301与所述存储节点单元307分别位于所述第一衬底303与所述第二衬底309中，彼此之间相互隔离(请参考图7)，避免所述感光单元301以及所述外界光线对所述存储节点单元307的影响，减小寄生光感效应的产生，进而提升最终形成的图像传感器的性能；另外通过采用第一金属层305与第二金属层311键合实现所述感光单元301与所述存储节点单元307的电连接，形成整体的像素结构，而且该种键合方式的电连接接触面积较大，接触电阻较小，电连接后的电学性能更佳。

相应的，在本实施例中还提供一种如图10所示的图像传感器的像素结构。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。