双面cmos图像传感器芯片及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种双面CMOS图像传感器芯片及其制造方法。
【背景技术】
[0002]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 Devi ce，电荷親合元件)和 CMOS (Comp I ementary 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。
[0003]CMOS图像传感器可分为前感光式(FSI ,Front Side Illuminat1n)，即前照技术和背部感光式(BSI，Back Side Illuminat1n)，即背照技术两种。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、金属互连层以及彩色滤镜。其优点是:工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低;彩色滤镜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。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、金属互连层，然后对硅片背面进行减薄(通常需要减薄至20um以下)，并通过硅通孔技术(TSV，Through-Silicon-Via)将感光二极管进行互连引出。
[0004]通常来说，以智能手机应用为例，一个图像传感器对应一款镜头，两者组成一个传感器模组应用在智能手机中。目前的智能手机通常具有前置摄像头和后置摄像头，前置摄像头用于自拍，通常分辨率较低，像素较大，可以采用FSI结构。后置摄像头用于拍摄景物，通常分辨率较高，通常采用BSI结构。两款不同的摄像头需要两款镜头及相应的图像传感器，由于传感器模组较大，因此智能手机为了实现较薄的机身，两款不同传感器模组通常错位设计。这不仅耗费了面积，也增加了成本开销。
【发明内容】
[0005]为克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种双面CMOS图像传感器芯片，包括:半导体衬底，其具有正面和与所述正面相对的背面；正面感光层，形成于所述半导体衬底的正面，其包括从所述背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层；以及背面感光层，形成于所述半导体衬底的背面，其包括从所述正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管。
[0006]可选的，所述背面感光层通过背照技术形成，所述正面感光层在所述背面感光层形成后通过前照技术形成。
[0007]可选的，所述正面感光层还包括正面滤镜层和正面微透镜层，所述背面感光层还包括背面滤镜层和背面微透镜层。
[0008]本发明还提供了一种双面CMOS图像传感器芯片的制造方法，包括:
[0009]在半导体衬底的背面形成背面感光层，所述背面感光层包括从正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管；以及
[0010]在所述半导体衬底的正面形成正面感光层，所述正面感光层包括从所述背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层。
[0011]可选的，通过背照技术形成所述背面感光层，在所述背面感光层形成后通过前照技术形成所述正面感光层。
[0012]可选的，通过背照技术形成所述背面感光层的步骤包括:
[0013]提供SOI衬底，所述SOI衬底包括薄体硅衬底，厚体硅衬底以及二氧化硅层；
[0014]在所述薄体硅衬底上依次形成多个所述背面感光二极管及第一金属键合层；
[0015]沿所述二氧化硅层将所述厚体硅衬底剥离；
[0016]提供体硅衬底，所述体硅衬底包括背面感光二极管对应区；
[0017]在所述体硅衬底上的背面感光二极管对应区依次形成背面MOS晶体管区、所述背面金属层，并在所述背面金属层的顶层金属互连层上方形成第二金属键合层；以及
[0018]对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合，金属键合后的所述薄体硅衬底与所述体硅衬底构成所述半导体衬底。
[0019]可选的，对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合的步骤包括:
[0020]将所述薄体硅衬底翻转；
[0021 ]将所述薄体硅衬底与所述体硅衬底对准；
[0022]通过金属键合工艺对所述薄体硅衬底与所述体硅衬底进行金属键合。
[0023]可选的，所述第一金属键合层和所述第二金属键合层包括Ti层和Au层，通过蒸镀金属膜形成所述第一金属键合层及所述第二金属键合层。
[0024]可选的，在所述背面感光层形成后通过前照技术形成所述正面感光层的步骤包括:将所述半导体衬底翻转使其正面朝上；在所述半导体衬底的正面形成多个所述正面感光二极管和正面MOS晶体管区；在所述正面MOS晶体管区上方形成所述正面金属层；以及在所述正面感光二极管上方形成光通路。
[0025]可选的，形成所述背面感光层还包括形成背面滤镜层和背面微透镜层的步骤;形成所述正面感光层还包括形成正面滤镜层和正面微透镜层的步骤。
[0026]本发明的有益效果在于，
[0027](I)双面CMOS图像传感器芯片由对应的正面感光层和背面感光层共同构成，应用于智能手机时可将原先两个摄像头模组合并成一个，兼具拍摄景物和自拍的功能，同时也减小了体积；
[0028](2)正面感光层和背面感光层分别由前照FSI CIS工艺和背照BSI CIS工艺制作完成，且以同一硅衬底作为半导体衬底来进行制作，节省了成本；
[0029](3)双面CMOS图像传感器芯片的制造方法在避免使用复杂、高成本的超薄减薄工艺、硅通孔技术前提下，实现了像素单元高填充因子性能，突破了通常只能在中小像素图像传感器应用的限制，实现了可以广泛适用于各种(尤其是大像素)CMOS图像传感器的制作。
【附图说明】
[0030]图1所示为本发明的双面CMOS图像传感器芯片的示意图；
[0031]图2所示为具有本发明的双面CMOS图像传感器芯片的图像传感器模组的示意图；
[0032]图3所示为本发明的双面CMOS图像传感器芯片的剖视图；
[0033]图4a_4d所示为双面CMOS图像传感器芯片背面感光层制造步骤的剖视图。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0035]请参照图1，本发明的双面CMOS图像传感器芯片包括半导体衬底、正面感光层和背面感光层。其中，半导体衬底具有正面和与正面相对的背面。正面感光层形成在半导体衬底的正面，其包括从背面向正面方向依次设置的用于将光信号转换为电信号的多个正面感光二极管和用于将电信号输出的正面金属层。背面感光层形成在半导体衬底的背面，其包括从正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管。从图1可以看出，本发明的CMOS图像传感器芯片为一种双面CMOS图像传感器芯片，通过将两个图像传感器结构并成为一个，减小了体积开销和成本开销。
[0036]在一优选实施例中，双面CMOS图像传感器芯片的正面感光层在通过FSI前照技术形成，即正面为FSI结构，通常像素尺寸较大(例如2um?5um，优选4.2um)，具有较好的暗光响应和拍摄帧率，其可对应于正面镜头(前置摄像头)；芯片的背面感光层通过BSI背照技术形成，即背面为BSI结构，通常像素分辨率较高(例如800万?2000万，优选1600万像素)，具有清晰的图像表现力，其对应背面镜头(后置摄像头)。如图2所示，双面CMOS图像传感器芯片与两个镜头组成一个图像传感器模组，兼具前置摄像头和后置摄像头的功能。正面感光层和背面感光层的信号均可以通过信号传输路径输出至数字图像信号处理器(ISP)进行算法和图像处理。
[0037]图3显示了本发明的双面CMOS图像传感器芯片的剖视图。正面感光层形成在半导体衬底的正面，其包括，从背面向正面方向依次设置的，多个正面感光二极管和正面MOS晶体管区、位于正面MOS晶体管区上方用于将光电转换的电信号输出的正面金属层M1-M3和位于正面感光二极管上方的光通路、位于光通路上方的正面彩色滤镜层和正面微透镜层。背面感光层形成在半导体衬底的背面，其包括，从正面向背面方向依次设置的，背面MOS晶体管区、用于将电信号输出的背面金属层ΜΓ-Μ3’、进行光电转换的多个背面感光二极管、背面彩色滤镜层(图中未示)和背面微透镜层(图中未示)。
[0038]值得注意的是，本发明的双面CMOS图像传感器芯片是在以背照技术形成背面感光层之后再以前照技术形成正面感光层。下面将对本发明双面CMOS图像传感器芯片的制造方法加以说明。双面CMOS图像传感器芯片的制造方法包括以下步骤。
[0039]步骤S1:在半导体衬底的背面形成背面感光层，背面感光层包括从正面向背面方向依次设置的用于将电信号输出的背面金属层和用于将光信号转换为电信号的多个背面感光二极管。
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