具有双重检测功能的多基底图像传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基底堆栈的图像传感器，其中根据本发明的基底堆栈图像传感器以如下方式设置：第一光电二极管形成于第一基底，第二光电二极管形成于第二基底，所述两个基底相互对齐和粘合以使得所述两个光电二极管相互电耦合，从而在一个像素内形成完整的光电二极管。
【专利说明】具有双重检测功能的多基底图像传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基底堆栈图像传感器，其中，通过分别在相互不同的基底上形成图像传感器像素的部分设置并且对基底进行三维堆栈和粘合，完成像素。更具体地，涉及一种具有双重检测功能的基底堆栈图像传感器，其中第一光电二极管设置于第一基底上，第二光电二极管设置于第二基底上，当基底进行堆栈并相互耦合时，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管相互耦合以形成一个像素的设置单元，并且其中，可以对基底堆栈图像传感器进行控制，从而在必要时选择性地或者整体地读取分别由各个光电二极管检测到的信号。
【背景技术】
[0002]【背景技术】可从两个方面加以描述。一方面是半导体集成电路的堆栈，另一方面是图像传感器的小型化。
[0003]下文中将会描述半导体集成电路堆栈的常规技术。由于半导体集成电路连续不断地小型化，半导体集成电路的封装技术也在连续不断的发展，以满足相应的小型化和安装稳定性的需求。近来，已经开发出具有三维(3D)结构基底堆栈的各种技术，其中对两个或者更多的半导体芯片或者半导体封装进行垂直堆栈。
[0004]使用此类基底堆栈的三维(3D)结构单元以如下方式制造:在基底堆栈之后，对堆栈后的基底的后表面进行研磨以便减少其厚度的修磨处理，然后进行后续处理，然后进行锯削处理，然后进行封装。
[0005]在各个领域中存在用于基底堆栈的非常多的常规技术。本申请的 申请人:同样尝试开发各种技术。例如，通过在基底的堆栈和粘合之后省略蚀刻步骤以降低成本的制造方法，由本 申请人:在韩国提出专利申请，申请号为N0.2010-0015632 (2010年2月2日)。
[0006]此外，用于使得基底相`互粘合时在各自的基底上粘合衬塾的不对准最小化的技术，也由本 申请人:在韩国提出专利申请，申请号为N0.2010-0046400 (2010年5月18日)。
[0007]此外，当堆栈基底时在各自基底上的衬底更加突出以促进粘合的制造方法同样公开在本 申请人:已授权的韩国专利N0.2010-53959 (2010年6月8日)中。
[0008]从图像传感器小型化的方面考虑现有技术，随着诸如便携式电话的移动装置的发展，需要其中的相机模块具有更低的高度，并需要包括在相机模块内的图像传感器具有更高的分辨率，从而增加移动装置的设计灵活性。正是由于这样的趋势，图像传感器中像素的大小同样不断地减小。
[0009]近来，随着半导体集成电路技术的发展，像素能够制造为具有近似于可见光波波长的大约1.4μ-- χ?.4μπι的尺寸。相应地，在常规的前面照度(FSI)机制的情况中，由于设置于像素上的金属线的阻碍，外部入射的光不充分集中于光电二极管的现象显著发生。为了解决该问题，使用光电二极管设置为尽可能靠近光的入射方向的背部照明(BSI)机制的图像传感器变得突出。
[0010]图1为使用上述背部照明(BSI)机制的图像传感器的概要说明的视图，其中由在立体空间中所示的红色、绿色和蓝色色彩过滤器11 (红色)、21 (绿色)、31 (蓝色)和41 (绿色)，以及光电二极管12、22、32和42构成四个单元像素。图2为从所述像素中分离和说明红色像素的视图。值得注意的是图1-3仅显示了包括在图像传感器的像素的一个色彩过滤器部分以及形成在半导体基底上的光电二极管部分。
[0011]随着半导体技术的持续发展，使用BSI机制的图像传感器中的像素变得小于这样的大小，即宽度为1.1 μ m，深度为3-5 μ m，如图2所示，从而在每个单元区域整合更多像素变得可能。在此情况下，之前不严重的信号干扰现象成为新的问题。
[0012]该问题将会参考图3作出更加详细的描述，图3为连续设置的两个像素的截面图。图3中，经过绿色色彩过滤器21入射的光在对应的光电二极管22中产生光电子。绝大多数光电子在连接至所述绿色色彩过滤器21的光电二极管22的耗尽区中(图3中虚线所示的部分)被正常捕获，成为有用的电流分量。然而，一部分光电子横跨至相邻像素的光电二极管12中，其中，由于光电二极管12和22的宽度变窄，所以横跨至光电二极管12的光电子的数量增加。从连接至所述绿色色彩过滤器21的光电二极管22的角度来看，这些光电子为信号损耗，而从连接至红色色彩过滤器11的光电二极管12的角度来看，它们是不需要的信号，即色彩噪声。这就是所谓的串音现象。相应地，在宽度大约为1.1ym而深度达到3-5 μ m的像素中，串音现象变得严重，因此，BSI机制的优点不再出现。
[0013]在像素大小(即间距)为1.Ιμπι的状态下，基底可被制成为其厚度为一半或更小(例如从4μπι至2μπι)，以降低所述串音现象。然而，在此情况下，入射光不能被硅光电二极管充分吸收，并且所述光电二极管的透光率增加。也就是说，量子效率(QE)减小，以减小电信号的幅度。此处，量子效率(QE)为入射光，即入射光子，与由此产生/捕获的电荷之间的比例，为指示通过图像传感器将光信号转变为电信号的效率的指标。
[0014]同样地，在常规的背部照明类型的图像传感器中，相应的厚度被减少，以降低串音现象。然而，在此情况下，已经知道的是:尽管蓝色光绝大多数被光电二极管吸收，但是绿色光被第一基底的光电二极管部分吸收；尽管红色光也被部分吸收，但是红色光被吸收的数量小于绿色光。此外，红外光被吸收的量小于所述红色光。
[0015]因此，吸收光意味着光子被转换为电荷。因此，按照蓝色光、绿色光、红色光和红外光的顺序量子效率变低的问题在所述背部照明类型图像传感器中变得更加明显。此外，非吸收光成分被除了光电二极管外的其他部件所吸收，在与金属线碰撞后分散或者深入地传输至堆栈的基底，所以无论量子效率为多大，光都被浪费了。
【发明内容】
[0016]相应地，本发明用于解决相关领域所出现的问题，本发明的目的是为了提供一种具有双重检测功能的具有高的量子效率而不会导致串音的基底堆栈图像传感器。
[0017]本发明的另一个目的是为了提供一种具有双重检测入射光功能的基底堆栈图像传感器:在第一基底上设置第一光电二极管；在第二基底上设置第二光电二极管；当所述基底相互耦合时，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管相互耦合，从而作为像素组件形成完整的光电二极管。
[0018]本发明的目的不限于所述前面提及的目的。本发明的其它目的和优点从下面的描述中会更加明显。[0019]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有双重检测功能的基底堆栈图像传感器，所述传感器包括:
[0020]形成于第一基底上的第一光电二极管；
[0021]形成于第二基底上的第二光电二极管,其中所述第一光电二极管和所述第二光电二极管相互电接触。
[0022]根据本发明的另一方面，提供了一种具有双重检测功能的基底堆栈图像传感器，所述传感器包括:
[0023]形成于第一基底上的第一光电二极管和第一衬垫；
[0024]形成于第二基底上的第二光电二极管和第二衬垫，其中所述第一光电二极管和所述第二光电二极管通过所述第一衬垫和所述第二衬垫的接触而相互电耦合。
[0025]根据本发明的另一方面，提供了一种具有双重检测功能的基底堆栈图像传感器，所述传感器包括:
[0026]形成于第一基底上的第一光电二极管和第一转移晶体管；
[0027]形成于第二基底上的第二光电二极管和第二转移晶体管，其中所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、所述第一转移晶体管和所述第二转移晶体管相互电接触。
[0028]根据本发明的另一方面，提供了一种具有双重检测功能基底堆栈的图像传感器，所述传感器包括:
[0029]形成于第一基底上的第一光电二极管和第一转移晶体管；
`[0030]形成于第二基地上的第二光电二极管，其中所述第一光电二极管和所述第二光电二极管相互电接触。
[0031]根据本发明的另一方面，提供了一种具有双重检测功能的基底堆栈图像传感器，所述传感器包括:
[0032]形成于第一基底上的第一光电二极管；
[0033]形成于第二基底上的第二光电二极管和第二转移晶体管，其中所述第一光电二极管和所述第二光电二极管相互电接触。
[0034]根据与本发明实施例相一致的基底堆栈图像传感器设置，绝大多数蓝色光、部分绿色光和部分红色光被第一基底的第一光电二极管所吸收；所述蓝色光的极小部分、所述绿色光的残留部分、所述红色光的残留部分和红外光被第二基底的第二光电二极管第二次吸收，因此，所述量子效率增加，入射光的浪费最小化。
[0035]根据本发明的实施例，因为上层和下层基底的两个光电二极管被放置为物理上与外部光学系统(即外部透镜)不同的距离，最终捕获的作为图像的目标(subject)的相对距离可通过以下要素进行测量:外部透镜所具有的三种色彩(即绿色、蓝色和红色)的色差?’三种色彩的上层基底上捕获到的图像的频率成分分析；三种色彩的下层基底上捕获到的图像的频率成分分析，这样可以产生恢复立体图像的基本图像数据。
[0036]本发明以与常规立体相机产生立体图像所采用的机制完全不同的机制被用于产生立体图像。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]本发明的上述目的、特征和优点在阅读结合附图的下文详细描述后会更加明显。[0038]图1为图像传感器的像素的横截面的立体示意图；
[0039]图2为选自图1的一个像素的示意图，标示了其尺寸；
[0040]图3为描述串音现象的视图；
[0041]图4为根据本发明实施例的基底堆栈图像传感器的设置的电路示意图；
[0042]图5为图4所不的电路图所实施的半导体基底的截面图；
[0043]图6为概要说明根据本发明的另一个实施例的基底堆栈图像传感器的设置的电路图；
[0044]图7为概要说明根据本发明的另一个实施例的基底堆栈图像传感器的设置的电路图；
[0045]图8为说明根据本发明的实施例的光电二极管之间形成的沟槽(trench)的示意图。
具体实施例
[0046]下面将参考附图对本发明的优选实施例进行详细描述。只要有可能，附图和说明书中涉及相同或者类似部件使用相同的附图标记。
[0047]图4为说明根据本发明实施例的本发明技术构思的电路示意图。为了描述方便，假设一个像素包括一个光电二极管和四个晶体管。根据情况，一个像素可以包括一个二极管和三个晶体管。然而，晶体管的数量与本发明的主要构思没有关系。无论一个像素包括几个晶体管，本发明的特征都能够被等同实现。
[0048]第二基底具有第二光电二极管212、第二转移晶体管222和第二衬垫270。第一基底具有第一光电二极管211、第一转移晶体管221、复位晶体管230、跟随晶体管240、选择晶体管250和第一衬垫260。
[0049]所述第一转移晶体管221、所述第二转移晶体管222、所述复位晶体管230、跟随晶体管240和选择晶体管250能够将光电二极管转换的电信号作为像素输出，由此所述晶体管可统称为“接入晶体管”。
[0050]所述第一基底上形成的部件和所述第二基底上形成的部件通过已知的半导体制造方法分别制造，然后将两个基底中的一个翻过来实现两个基底的粘合。在此情况下，所述第一衬垫和所述第二衬垫必须精确地对齐，以避免彼此不成一直线。
[0051 ] 本发明的主要特征是在第一基底上形成第一光电二极管，在第二基底上形成第二光电二极管，然后当粘合基底时将第一光电二极管和第二光电二极管电结合成一个。
[0052]所述第一转移晶体管221和所述第二转移晶体管222同样安排在两个基底上，当粘合基底时被电结合成一个。此处，“晶体管的结合”是指，一个晶体管的门极和漏极分别短路至另一个晶体管的门极和漏极。自然地，意味着各自晶体管的门极信号TG共同使用。因此，通过该结合，电流驱动能力依据每个晶体管的宽度/长度(W/L)比得以增加。此外，自然地，电路设计者考虑到通过结合所述驱动能力相应增加的事实可预先设置每个晶体管的宽度/长度(W/L)比。
[0053]另外，为了根据需要有选择地控制第一转移晶体管221和第二转移晶体管222，门极信号TG可分开控制。
[0054]所述第一基底中第一光电二极管211占用的区域可与所述第二基底中所述第二光电二极管212占用的区域不同。这是因为，不仅第二光电二极管212而且其它的接入晶体管都必须设置于第二基底的有限像素区域中的同一平面上。因此，第一基底上形成的单元像素的一些部件之间的斜度(pitch)与第二基底上形成的单元像素的其它部件之间的斜
度精确一致。
[0055]下面将参照图5的截面视从另一个角度详细描述本发明的另一个实施例。
[0056]自然地，用于分别分隔蓝色光、绿色光和红色光的色彩过滤器被单独设置。图5代表性地描述了对应于三种主要色彩的蓝色、绿色和红色(BGR)中的一种色彩的一个像素。
[0057]入射至图像传感器的光通常从第二基底的后表面入射，通过显微透镜集中，经由第二缓冲层由色彩过滤器单独地进行选择，经过第一缓冲层、P型杂质区域等等，然后到达P-N结合区域，所述结合区域为第二光电二极管212。显微透镜、第二缓冲层、第一缓冲层和P型杂质区域的顺序是正常的，不是本发明的主要特征，所以相应的细节描述被省略。值得注意的是，在图5的截面视图中，所述第二基底设置于所述第一基底上。
[0058]在此情况下，当光为蓝色光时绝大多数选择光、当光为绿色光时的部分选择光、当光为红色光时的部分选择光被吸收至所述第二光电二极管212中，并被转换成光电子。
[0059]尽管部分未被吸收至所述第二光电二极管中的残留光被金属线散射(图中未示出)，但是残留光的其它部分连续传输至足够到达所述第一光电二极管211。相应地，残留蓝色光的极小部分、残留绿色光的部分以及残留红色光的部分被所述第一光电二极管211第二次转换为光电子。也就是说，光的检测执行了两次。特别地，在红外光的情况下，由于所述红外光的高透光率，其被所述第一光电二极管211转换的光电子比所述第二光电二极管212转换的光电子多。
[0060]依照上述描述，所述第二光电二极管212的P-N结合区域宽于所述第一光电二极管211。这是由于大多数接入晶体管必须进一步地设置于所述第一基底上，而所述第一基底和所述第二基底必须具有相同的像素区域。为了方便的目的，图5仅示出了第一基底上的第一转移晶体管221，这是因为，虽然接入晶体管位于相同平面上，但是由于其设置的原因，所有的接入晶体管不可能显示在一个截面上。
[0061]如果大多数接入晶体管设置在第二基底上，则第二光电二极管的P-N结合区域窄于第一基底的P-N结合区域，此为本发明所示的多个特征中的一个。
[0062]图6为示意性地表示本发明的另一个实施例的电路图。图6中显示的实施例，除了第二转移晶体管不存在以及第二基底上仅存在第二光电二极管212和第二衬垫270之外，与图4中显示的相同。由于仅存在一个转移晶体管221，所以与图2中显示的实施例不同，不可能从所述第一和第二光电二极管211和212中选择一个。根据本实施例，仅一个光电二极管被设置于所述第二基底上，没有转移晶体管和转移晶体管的接线，所以光电二极管的面积能够最大化。
[0063]图7为概要说明本发明的另一实施例的电路图。参照图7，第一基底上不存在第一转移晶体管。值得注意的是，两个衬垫280和290被加入以用于第一光电二极管211和第二光电二极管212的电连接。由于所述实施例同样仅包含一个转移晶体管222，所以与图4中所示的实施例不同，不可能从所述第一和第二光电二极管211和212中选择一个。根据所述实施例，所述第一基底上不需要转移晶体管和用于转移晶体管的接线，因此所述第一光电二极管的面积能够增加。[0064]由于本领域技术人员能够轻易的得出对应于图6和图7的截面图，所以其截面图予以省略。图4中使用的同样的附图标记被用在图6和图7中，从而可以理解，相同的附图标记代表相同的组成部件。
[0065]图8显不了一个实施例,其中根据本发明的实施例,在第一和第二光电二极管中的至少一个光电二极管中的各个像素之间形成沟槽87，沟槽87填充有不可渗透的材料。相应地，通过色彩过滤器81和82产生的光电子仅停留在各个光电二极管85和86的内部，从而被阻止跨越至相邻的光电二极管中。也就是说，可以减少像素之间的串音现象。
[0066]尽管本发明的优选实施例为了描述目的而被描述，本领域技术人员能够理解各种可能的修饰、附加和替换，并不脱离所附权利要求书所公开的本发明的范围和精神。
【权利要求】
1.一种具有双重检测功能的多基底图像传感器，所述传感器包括: 形成于第一基底上的第一光电二极管； 形成于第二基底上的第二光电二极管； 其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管互相电接触。
2.一种具有双重检测功能的多基底图像传感器，所述传感器包括: 形成于第一基底上的第一光电二极管和第一衬垫； 形成于第二基底上的第二光电二极管和第二衬垫； 其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管通过所述第一衬垫和所述第二衬垫的接触相互电耦合。
3.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中，所述第一基底和所述第二基底由硅、锗或者砷化镓制成。
4.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中，在所述第二基底上形成全部或者部分接入晶体管。
5.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中，转移晶体管选择性形成于所述第一基底和第二基底中的一个上。
6.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中，接入晶体管的第一转移晶体管形成于所述第一基底上，第二转移晶体管形成于所述第二基底上。
7.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管通过接触组合为一个像素中的完整光电二极管。
8.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的P-N结合区域的尺寸互不相同。
9.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管中的至少一个光电二极管在其周围形成有沟槽。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述沟槽填充有不可渗透的材料。
11.一种具有双重检测功能的多基底图像传感器，所述传感器包括: 形成于第一基底上的第一光电二极管和第一转移晶体管； 形成于第二基底上的第二光电二极管和第二转移晶体管； 其中，所述第一光电二极管、所述第二光电二极管、所述第一转移晶体管和所述第二转移晶体管相互电接触。
12.—种具有双重检测功能的多基底图像传感器，所述传感器包括: 形成于第一基底上的第一光电二极管和第一转移晶体管； 形成于第二基底上的第二光电二极管； 其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管相互电接触。
13.一种具有双重检测功能的多基底图像传感器，所述传感器包括: 形成于第一基底上的第一光电二极管； 形成于第二基底上的第二光电二极管和第二转移晶体管； 其中，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管相互电接触。
【文档编号】H01L27/146GK103733342SQ201280038912
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年8月8日 优先权日:2011年8月8日
【发明者】李道永 申请人:（株）赛丽康