一种CMOS图像传感器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种CMOS图像传感器芯片及其制备方法，通过分别在一个标准SOI硅片的外延硅层上制作形成包括感光二极管和控制晶体管在内的像素阵列区，在另一个标准体硅片上制作形成读出电路区，并通过金属键合将具有像素阵列的SOI硅片与具有读出电路等的体硅片堆叠在一起，可避免由于传统减薄工艺所导致的图像质量下降问题，并且在SOI硅片上制作像素单元只需低成本的微米级工艺就可以实现，节省了大量工艺成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体图像传感器
，更具体地，涉及一种采用堆叠技术的CMOS图像传感器芯片及其制备方法。
技术介绍
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(ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件)和CMOS(ComplementaryMetal-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。其中，作为CMOS图像传感器重要性能指标之一的像素灵敏度，主要由填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子效率(由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量)的乘积来决定。为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平，在CMOS图像传感器中应用了有源像素。然而有源像素(像素单元)的应用却不可避免地导致了填充因子的降低，这是因为像素表面相当大的一部分面积被放大器晶体管所占用，留给光电二极管的可用空间较小。所以，当今CMOS传感器的一个重要的研究方向就是扩大填充因子。传统的CMOS图像传感器采用的是前感光式(FSI，FrontSideIllumination)技术，即前照技术。前照技术的主要特点是在衬底硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互连以及光管孔(LightPipe)。其优点是：工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低；光管孔填充材料的折射率可调；有利于提高入射光的透射率，减少串扰等。前照技术是一种与CMOS标准工艺兼容的技术，广泛应用于各种(尤其是大像素)CMOS图像传感器芯片的制作。然而，在其结构中，由于光线首先需要经过上层的金属互连才能照射到下方的感光二极管，因此前照技术的填充因子和灵敏度通常较低。随着像素尺寸的变小，提高填充因子越来越困难。目前另一种技术是从传统的前感光式变为背部感光式(BSI，BackSideIllumination)，即背照技术。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，然后对硅片背面进行减薄(通常需要减薄至20μm以下)，并通过对于背部感光式CMOS传感器最重要的硅通孔技术(TSV，Through-Silicon-Via)将感光二极管进行互连引出。硅通孔技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。由于互连电路置于背部，前部全部留给光电二极管，这样就实现了尽可能大的填充因子。硅通孔技术的优点是照射到感光二极管的入射光不受金属互连影响，灵敏度较高，填充因子较高。然而，硅通孔技术难度较高，对设备的要求较高，其成本也相对较高。而且由于对于超薄硅片的减薄工艺的限制，通常背照技术应用于小像素的图像传感器中(目前应用于智能手机的中小像素摄像头普遍采用背照技术)。对图像传感器来说，最重要的参数之一是暗电流，暗电流表征在暗光情况下由于像素(Pixel)本身引起的噪声。通常来说，当传统采用体硅制作BSI时，在通过CMP对硅片背面进行减薄后，会带来均匀性问题(最多控制在微米精度)和晶格损伤。这不仅影响到器件的质量均匀性，也成为背照式图像传感器暗电流的主要来源。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种CMOS图像传感器芯片及其制备方法，以提高图像质量，节省工艺成本。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种CMOS图像传感器芯片，至少包括像素阵列区和读出电路区，所述像素阵列区和读出电路区在竖直方向上排布；所述像素阵列区设于一个标准SOI硅片的外延硅层上，其包括：像素阵列的各感光二极管和位于感光二极管周围的控制晶体管；所述控制晶体管包括：沿所述外延硅层的底面向其表面方向依次设置的第一多晶硅层和第一多层金属互连层；所述第一多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与所述外延硅层的表面平齐并露出；所述读出电路区设于一个标准体硅片上，其包括：沿所述体硅片的底面向其表面方向依次设置的第二多晶硅层和第二多层金属互连层；所述第二多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与所述体硅片的表面平齐并露出；像素阵列中每个像素的所述第一多晶硅层、第一多层金属互连层、第二多层金属互连层和第二多晶硅层在竖直方向上相对准；所述第一多晶硅层、第一多层金属互连层与感光二极管之间形成互连，所述第二多晶硅层、第二多层金属互连层之间形成互连；所述第一多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与所述第二多层金属互连层的最后一层金属互连层表面相连接，所述外延硅层的表面与所述体硅片的表面相连接。优选地，所述外延硅层的底面裸露或具有SOI硅片的埋氧层。优选地，还包括外围电路区，所述外围电路区设于读出电路区的外围，其包括：沿所述体硅片的底面向其表面方向依次设置的第三多晶硅层、第三多层金属互连层和焊盘；所述焊盘的表面与所述体硅片的表面平齐并露出于所述体硅片与外延硅层相连接的表面部分之外；所述第三多晶硅层、第三多层金属互连层与焊盘之间形成互连；所述外围电路区与像素阵列区和读出电路区之间形成互连。优选地，所述体硅片的表面具有凹槽，所述外延硅层的表面通过凹槽底面与所述体硅片的表面相连接，位于所述外延硅层表面的所述第一多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与位于所述凹槽底面的所述第二多层金属互连层的最后一层金属互连层表面相连接，所述焊盘位于所述凹槽之外的所述体硅片的表面。优选地，所述焊盘通过金属线进行引出，以实现对CMOS图像传感器芯片的封装。一种上述的CMOS图像传感器芯片的制备方法，包括像素阵列区、读出电路区的制备及连接；其中，所述像素阵列区的制备包括：提供一标准SOI硅片，所述标准SOI硅片依次具有衬底硅层、埋氧层、外延硅层，在所述标准SOI硅片的外延硅层上使用常规的CMOS前道制造工艺形成构成像素阵列结构的感光二极管、第一多晶硅层结构；使用后道制造工艺在所述第一多晶硅层之上形成第一多层金属互连层的各层金属互连层结构；所述读出电路区的制备包括：提供一标准体硅片，在所述标准体硅片上使用前道制造工艺形成构成像素阵列结构的第二多晶硅层结构；使用后道制造工艺在所述第二多晶硅层之上形成第二多层金属互连层的各层金属互连层结构；将上述SOI硅片外延硅层的表面与体硅片的表面相对，并使第一多层金属互连层的最后一层金属互连层与第二多层金属互连层的最后一层金属互连层的图形对准，然后，进行金属键合，从而使第一多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与第二多层金属互连层的最后一层金属互连层表面相连接、外延硅层的表面与体硅片的表面相连接。优选地，还包括：将所述SOI硅片的衬底硅层剥离，并保留SOI硅片的埋氧层。优选地，在制备读出电路区的同时，还包括在读出电路区的外围制备外围电路区，其包括：在所述第二多晶硅层的外围使用前道制造工艺形成第三多晶硅层结构；使用后道制造工艺在所述第三多晶硅层之上形成第三多层金属互连层的各层金属互连层结构，以及在第三多层金属互连层的最后一层金属互连层之上形成焊盘；在上述过程中，使所述焊盘的表面与体硅片的表面平齐，并露出于体硅片与外延硅层相连接的表面部分之外，并使所述第三多晶硅层、第三多层金属互连层与焊盘之间形成互连，以及在进行金属键合后使所述外围电路区与像素阵列区和读出电路区之间形成互连。优选地，在制备读出电路区和外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CMOS图像传感器芯片，其特征在于，至少包括像素阵列区和读出电路区，所述像素阵列区和读出电路区在竖直方向上排布；所述像素阵列区设于一个标准SOI硅片的外延硅层上，其包括：像素阵列的各感光二极管和位于感光二极管周围的控制晶体管；所述控制晶体管包括：沿所述外延硅层的底面向其表面方向依次设置的第一多晶硅层和第一多层金属互连层；所述第一多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与所述外延硅层的表面平齐并露出；所述读出电路区设于一个标准体硅片上，其包括：沿所述体硅片的底面向其表面方向依次设置的第二多晶硅层和第二多层金属互连层；所述第二多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与所述体硅片的表面平齐并露出；像素阵列中每个像素的所述第一多晶硅层、第一多层金属互连层、第二多层金属互连层和第二多晶硅层在竖直方向上相对准；所述第一多晶硅层、第一多层金属互连层与感光二极管之间形成互连，所述第二多晶硅层、第二多层金属互连层之间形成互连；所述第一多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与所述第二多层金属互连层的最后一层金属互连层表面相连接，所述外延硅层的表面与所述体硅片的表面相连接。

【技术特征摘要】
1.一种CMOS图像传感器芯片，其特征在于，至少包括像素阵列区和读出电路区，所述像素阵列区和读出电路区在竖直方向上排布；所述像素阵列区设于一个标准SOI硅片的外延硅层上，其包括：像素阵列的各感光二极管和位于感光二极管周围的控制晶体管；所述控制晶体管包括：沿所述外延硅层的底面向其表面方向依次设置的第一多晶硅层和第一多层金属互连层；所述第一多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与所述外延硅层的表面平齐并露出；所述读出电路区设于一个标准体硅片上，其包括：沿所述体硅片的底面向其表面方向依次设置的第二多晶硅层和第二多层金属互连层；所述第二多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与所述体硅片的表面平齐并露出；像素阵列中每个像素的所述第一多晶硅层、第一多层金属互连层、第二多层金属互连层和第二多晶硅层在竖直方向上相对准；所述第一多晶硅层、第一多层金属互连层与感光二极管之间形成互连，所述第二多晶硅层、第二多层金属互连层之间形成互连；所述第一多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与所述第二多层金属互连层的最后一层金属互连层表面相连接，所述外延硅层的表面与所述体硅片的表面相连接。2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述外延硅层的底面裸露或具有SOI硅片的埋氧层。3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，还包括外围电路区，所述外围电路区设于读出电路区的外围，其包括：沿所述体硅片的底面向其表面方向依次设置的第三多晶硅层、第三多层金属互连层和焊盘；所述焊盘的表面与所述体硅片的表面平齐并露出于所述体硅片与外延硅层相连接的表面部分之外；所述第三多晶硅层、第三多层金属互连层与焊盘之间形成互连；所述外围电路区与像素阵列区和读出电路区之间形成互连。4.根据权利要求3所述的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述体硅片的表面具有凹槽，所述外延硅层的表面通过凹槽底面与所述体硅片的表面相连接，位于所述外延硅层表面的所述第一多层金属互连层的最后一层金属互连层表面与位于所述凹槽底面的所述第二多层金属互连层的最后一层金属互连层表面相连接，所述焊盘位于所述凹槽之外的所述体硅片的表面。5.根据权利要求3或4所述的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述焊盘通过金属线进行引出，以实现对CMOS图像传感器芯片的封装。6.一种权利要求1所述的CMOS图像传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括像素阵列区、读出电路区的制备及连接；其中，所述像素阵列区的制备包括：提供一标准SOI硅片，所述标准SOI硅片依次具有衬底硅层、埋氧层、外延硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：李琛，任铮，皮常明，顾学强，范春晖，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，成都微光集电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31