图像传感器结构及其形成方法与流程

本发明涉及半导体，尤其涉及一种图像传感器结构及其形成方法。

背景技术：

1、图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以cmos图像传感器(cmos image sensors，cis)器件为例，其具有低功耗和高信噪比的优点，在各种领域内得到了广泛应用。

2、传统的图像传感器采用二维(2d)架构，其中感光区与逻辑电路区被布局在二维平面，芯片面积中的相当一部分为非感光区，导致感光区的面积有限，可设置的像素数量被限制，影响图像质量。并且，由于感光区的像素和逻辑电路区的处理电路通过二维平面内的线路互联，存在线路设计复杂、线长增加以及线路布局限制等因素，容易造成信号干扰和延迟。

技术实现思路

1、为了解决二维架构的图像传感器存在的缺陷，本发明提供一种图像传感器结构及其形成方法。

2、一方面，本发明提供一种图像传感器结构的形成方法，包括：

3、提供像素基板，所述像素基板包括相背的第一表面和第二表面以及位于所述第一表面和所述第二表面之间的多个感光单元，在所述第一表面依次形成第一互连结构以及连接所述第一互连结构的第一键合层，所述第一键合层包括第一金属键合垫；

4、形成至少一个芯片单元，所述芯片单元包括各所述感光单元的信号处理电路和/或存储元件、第二互连结构以及连接所述第二互连结构的第二键合层，所述第二键合层包括第二金属键合垫；

5、通过接合所述第一键合层和所述第二键合层将所述至少一个芯片单元与所述像素基板连接，其中所述第一金属键合垫和所述第二金属键合垫电性连接；以及

6、在所述第二表面形成金属格栅。

7、可选的，将所述至少一个芯片单元与所述像素基板连接后，还在所述像素基板的第二表面形成金属焊盘，所述金属焊盘连接至所述第一互连结构。

8、可选的，在形成所述金属格栅之前，从所述第二表面减薄所述像素基板；并且，在减薄所述像素基板之前，在所述第一键合层未被所述芯片单元覆盖的区域形成填充层，以及，在所述芯片单元和所述填充层上键合一承载基板。

9、可选的，形成所述填充层包括：

10、在所述像素基板上沉积介质材料，使所述介质材料填充在所述第一键合层未被所述芯片单元覆盖的区域，所述介质材料的顶表面高于所述芯片单元的顶表面；以及

11、对所述介质材料的顶表面进行平坦化处理，并露出所述芯片单元的顶表面。

12、可选的，所述芯片单元包括经过切割的半导体衬底，并且，在切割所述半导体衬底之前，所述半导体衬底从远离所述第二键合层的一侧被减薄。

13、可选的，在将所述至少一个芯片单元与所述像素基板连接后，至少部分所述芯片单元在所述第一表面的正投影与所述像素基板的感光区在所述第一表面的正投影至少部分重合，所述感光区用于布置各所述感光单元。

14、可选的，接合所述第一键合层和所述第二键合层采用混合键合(hybridbonding)。

15、一方面，本发明提供一种图像传感器结构，所述图像传感器结构包括：

16、像素基板，所述像素基板包括相背的第一表面和第二表面以及位于所述第一表面和所述第二表面之间的多个感光单元，所述第二表面形成有金属格栅；

17、第一互连结构以及连接所述第一互连结构的第一键合层，依次形成于所述第一表面，所述第一键合层包括第一金属键合垫；以及

18、至少一个芯片单元，所述芯片单元包括所述感光单元的信号处理电路和/或存储元件、第二互连结构以及连接所述第二互连结构的第二键合层，所述第二键合层包括第二金属键合垫，其中，利用所述第一键合层和所述第二键合层接合，所述至少一个芯片单元与所述像素基板连接。

19、可选的，所述图像传感器结构还包括：

20、填充层，填充在所述第一键合层未被所述芯片单元覆盖的区域；以及

21、金属焊盘，形成在所述像素基板的第二表面一侧，所述金属焊盘连接至所述第一互连结构。

22、可选的，与所述像素基板连接的所述芯片单元中，至少一个所述芯片单元为包括所述信号处理电路的逻辑电路单元，至少一个所述芯片单元为包括所述存储元件的存储单元；其中，所述逻辑电路单元和所述存储单元通过所述第一互连结构互连。

23、本发明提供的图像传感器结构的形成方法及图像传感器结构中，通过接合所述第一键合层和所述第二键合层将所述至少一个芯片单元与所述像素基板连接，所述芯片单元包括所述像素基板中的感光单元的信号处理电路和/或存储元件，通过使所述芯片单元与像素基板连接，所述信号处理电路和/或存储元件与所述像素基板中的感光单元耦合，可实现图像传感器的信号处理功能和/或存储功能而不占用像素基板的面积，相对于感光区与逻辑电路区全部被布局在二维平面的结构，本发明的图像传感器结构在同样面积的像素基板上可以设置更多的感光单元和采用较大的感光范围，并且可以减少在像素基板二维平面上的布线，有助于减少信号干扰和延迟，能够提高图像质量。

技术特征：

1.一种图像传感器结构的形成方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，将所述至少一个芯片单元与所述像素基板连接后，还在所述像素基板的第二表面形成金属焊盘，所述金属焊盘连接至所述第一互连结构。

3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在形成所述金属格栅之前，从所述第二表面减薄所述像素基板；并且，在减薄所述像素基板之前，在所述第一键合层未被所述芯片单元覆盖的区域形成填充层，以及，在所述芯片单元和所述填充层上接合一承载基板。

4.如权利要求3所述的形成方法，其特征在于，形成所述填充层包括：

5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述芯片单元包括经过切割的半导体衬底，并且，在切割所述半导体衬底之前，所述半导体衬底从远离所述第二键合层的一侧被减薄。

6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在将所述至少一个芯片单元与所述像素基板连接后，至少部分所述芯片单元在所述第一表面的正投影与所述像素基板的感光区在所述第一表面的正投影至少部分重合，所述感光区用于布置各所述感光单元。

7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，接合所述第一键合层和所述第二键合层采用混合键合。

8.一种图像传感器结构，其特征在于，所述图像传感器结构包括：

9.如权利要求8所述的图像传感器结构，其特征在于，所述图像传感器结构还包括：

10.如权利要求8所述的图像传感器结构，其特征在于，与所述像素基板连接所述芯片单元中，至少一个所述芯片单元为包括所述信号处理电路的逻辑电路单元，至少一个所述芯片单元为包括所述存储元件的存储单元；其中，所述逻辑电路单元和所述存储单元通过所述第一互连结构互连。

技术总结
本发明涉及一种图像传感器结构及其形成方法，其中，通过接合所述第一键合层和所述第二键合层将所述至少一个芯片单元与所述像素基板连接，所述芯片单元包括所述像素基板中的感光单元的信号处理电路和/或存储元件，通过使芯片单元与像素基板连接，所述信号处理电路和/或存储元件与所述像素基板中的感光单元耦合，可实现图像传感器的信号处理功能和/或存储功能而不占用像素基板的面积，在同样面积的像素基板上可以设置更多的感光单元和采用较大的感光范围，并且可以减少在像素基板二维平面上的布线，有助于减少信号干扰和延迟，能够提高图像质量。

技术研发人员：叶国梁,宋胜金,胡胜,王颖
受保护的技术使用者：武汉新芯集成电路制造有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12