CN111697017B - 一种图像传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图像传感器及其制备方法，该方法包括以下步骤：CMOS处理器芯片的制备，光电二极管芯片的制备，将所述CMOS处理器芯片和所述光电二极管芯片键合在一起，对所述光电二极管芯片进行减薄处理；接着在所述光电二极管芯片上形成减反射薄膜；接着在所述减反射薄膜上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层中形成第一凹槽；接着在所述凹槽中形成栅格结构；接着在每个所述栅格结构所围绕的光刻胶层中形成纵横交错的第二凹槽，然后利用掩膜在在所述第二凹槽中沉积金属材料以形成金属网格，然后去除所述光刻胶层；接着在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光器，所述滤光器包裹所述金属网格；接着在每个所述滤光器上形成透镜结构。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，特别是涉及一种图像传感器及其制备方法。
背景技术
图像传感器从物体接收光信号且将光信号转化为电信号，接着电信号可以被传输用于进一步的处理，诸如数字化，然后在诸如存储器、光盘或磁盘的存储器件中存储，或用于在显示器上显示、打印等。图像传感器通常用于诸如数字相机、摄像机、扫描仪、传真机等装置。
图像传感器像素阵列中，一般包含感光像素阵列和遮光像素阵列两部分，其中，感光像素阵列用来感知并采集图像信息，而遮光像素阵列所采集到的信息用做图像信息处理中的基准信息校准，真实的图像信息等于感光像素阵列所采集的信息减去遮光像素采集的信息，即称为黑电平校准。为了保证黑电平校准的准确性，必须保证感光像素阵列和遮光像素阵列的稳定性。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种图像传感器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种图像传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)CMOS处理器芯片的制备：提供第一半导体晶片，在所述第一半导体晶片上形成多个间隔设置的CMOS功能区，接着在所述第一半导体晶片上形成第一重分布层，在所述第一重分布层上形成第一镶嵌式导电结构。
2)光电二极管芯片的制备：提供第二半导体晶片，在所述第二半导体晶片上形成多个间隔设置的光电二极管功能区，接着在所述第二半导体晶片上形成第二重分布层，在所述第二重分布层上形成第二镶嵌式导电结构。
3)将所述第一半导体晶片和所述第二半导体晶片键合在一起，进而使得所述第一镶嵌式导电结构与相应的第二镶嵌式导电结构相互键合。
4)接着对所述第二半导体晶片进行减薄处理。
5)接着在所述第二半导体晶片上形成减反射薄膜。
6)接着在所述减反射薄膜上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层中形成第一凹槽；接着在所述凹槽中形成栅格结构，所述栅格结构围绕各光电二极管功能区。
7)接着在每个所述栅格结构所围绕的光刻胶层中形成纵横交错的第二凹槽，然后利用掩膜在在所述第二凹槽中沉积金属材料以形成金属网格，然后去除所述光刻胶层。
8)接着在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光器，所述滤光器包裹所述金属网格。
9)接着在每个所述滤光器上形成透镜结构。
作为优选，在所述步骤1)中，所述第一重分布层包括第一介质层，以及形成在所述第一介质层中的一层或多层第一金属互连层，在所述第一重分布层上形成第一镶嵌式导电结构的具体步骤为：在所述第一重分布层上形成第一钝化层，刻蚀所述第一钝化层以形成暴露所述第一金属互连层的第一通孔，接着在所述第一通孔中沉积金属导电材料以形成所述第一镶嵌式导电结构。
作为优选，在所述步骤2)中，所述第二重分布层包括第二介质层，以及形成在所述第二介质层中的一层或多层第二金属互连层，在所述第二重分布层上形成第二镶嵌式导电结构的具体步骤为：在所述第二重分布层上形成第二钝化层，刻蚀所述第二钝化层以形成暴露所述第二金属互连层的第二通孔，接着在所述第二通孔中沉积金属导电材料以形成所述第二镶嵌式导电结构。
作为优选，在所述步骤4)中，将所述第二半导体晶片进行减薄至50-100微米。
作为优选，在所述步骤5)中，所述减反射薄膜的形成方法为热氧化法、ALD法或PECVD法，所述减反射薄膜的材质为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种。
作为优选，在所述步骤6)中，所述栅格结构的材料为金、银、铜、铝、钨、钛、钯、镍、铂中的一种或多种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀形成所述栅格结构。
作为优选，在所述步骤7)中，所述金属网格的材料为金、银、铜、铝中的一种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发或电镀工艺形成所述金属网格。
作为优选，在所述步骤8)中，所述滤光器包括有机材料。
本发明还提出一种图像传感器，其采用上述方法制备形成的。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
在本发明的图像传感器的制备过程中，通过先在每个所述栅格结构所围绕的光刻胶层中形成纵横交错的第二凹槽，然后利用掩膜在在所述第二凹槽中沉积金属材料以形成金属网格，在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光器，所述滤光器包裹所述金属网格，通过在滤光器中形成金属网格，将所述滤光器分隔成多个子区域，进而可以抑制在高温环境下滤光器发生热膨胀，进而有效提高了图像传感器中感光像素阵列和遮光像素阵列的稳定性。
且通过分别形成CMOS处理器芯片和光电二极管芯片，进而将CMOS处理器芯片键合在光电二极管芯片的下方，即上层的光电二极管将入射光转换为电信号，并且由每个像素下面的CMOS信号处理器完成像素信号的处理，由于二者上下叠置，不限制空间分辨率，可以同时实现高分辨率的目的。
附图说明
图1-图8为本发明的图像传感器的各制备工序的结构示意图。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节
本发明提出一种图像传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)CMOS处理器芯片的制备：提供第一半导体晶片，在所述第一半导体晶片上形成多个间隔设置的CMOS功能区，接着在所述第一半导体晶片上形成第一重分布层，在所述第一重分布层上形成第一镶嵌式导电结构，所述第一重分布层包括第一介质层，以及形成在所述第一介质层中的一层或多层第一金属互连层，在所述第一重分布层上形成第一镶嵌式导电结构的具体步骤为：在所述第一重分布层上形成第一钝化层，刻蚀所述第一钝化层以形成暴露所述第一金属互连层的第一通孔，接着在所述第一通孔中沉积金属导电材料以形成所述第一镶嵌式导电结构。
2)光电二极管芯片的制备：提供第二半导体晶片，在所述第二半导体晶片上形成多个间隔设置的光电二极管功能区，接着在所述第二半导体晶片上形成第二重分布层，在所述第二重分布层上形成第二镶嵌式导电结构，所述第二重分布层包括第二介质层，以及形成在所述第二介质层中的一层或多层第二金属互连层，在所述第二重分布层上形成第二镶嵌式导电结构的具体步骤为：在所述第二重分布层上形成第二钝化层，刻蚀所述第二钝化层以形成暴露所述第二金属互连层的第二通孔，接着在所述第二通孔中沉积金属导电材料以形成所述第二镶嵌式导电结构。
3)将所述第一半导体晶片和所述第二半导体晶片键合在一起，进而使得所述第一镶嵌式导电结构与相应的第二镶嵌式导电结构相互键合。
4)接着对所述第二半导体晶片进行减薄处理，将所述第二半导体晶片进行减薄至50-100微米。
5)接着在所述第二半导体晶片上形成减反射薄膜，所述减反射薄膜的形成方法为热氧化法、ALD法或PECVD法，所述减反射薄膜的材质为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种。
6)接着在所述减反射薄膜上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层中形成第一凹槽；接着在所述凹槽中形成栅格结构，所述栅格结构的材料为金、银、铜、铝、钨、钛、钯、镍、铂中的一种或多种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀形成所述栅格结构。
7)接着在每个所述栅格结构所围绕的光刻胶层中形成纵横交错的第二凹槽，然后利用掩膜在在所述第二凹槽中沉积金属材料以形成金属网格，然后去除所述光刻胶层，，所述金属网格的材料为金、银、铜、铝中的一种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发或电镀工艺形成所述金属网格。
8)接着在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光器，所述滤光器包裹所述金属网格，所述滤光器包括有机材料。
9)接着在每个所述滤光器上形成透镜结构。
本发明还提出一种图像传感器，其采用上述方法制备形成的。
下面结合图1至图8描述根据本公开的一个或多个示例性实施例的图像传感器的制备方法。
如图1所示，CMOS处理器芯片的制备：提供第一半导体晶片10，在所述第一半导体晶片10上形成多个间隔设置的CMOS功能区11，接着在所述第一半导体晶片10上形成第一重分布层12，在所述第一重分布层12上形成第一镶嵌式导电结构13，所述第一重分布层12包括第一介质层，以及形成在所述第一介质层中的一层或多层第一金属互连层，在所述第一重分布层12上形成第一镶嵌式导电结构13的具体步骤为：在所述第一重分布层上形成第一钝化层，刻蚀所述第一钝化层以形成暴露所述第一金属互连层的第一通孔，接着在所述第一通孔中沉积金属导电材料以形成所述第一镶嵌式导电结构13。
其中，所述第一半导体晶片10可以由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如Si、SiC、SiGe等)制成。此外，第一半导体晶片10也可以为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗硅等各种复合衬底的半导体部分，所述第一半导体晶片10的掺杂类型可以是N型掺杂或P型掺杂。其中，所述第一介质层的材质氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述第一介质层通过PECVD法制备形成，所述第一金属互连层的材质为铜、铝、银、硅、钛、钯、金中的一种或多种的合金，具体为铝、硅铝合金、铜。所述第一金属互连层通过蒸镀、磁控溅射或电镀工艺形成。在所述第一重分布层12上形成第一镶嵌式导电结构13的具体步骤为：在所述第一重分布层12上形成第一钝化层，第一钝化层可以为氧化硅或氧化铝，且通过PECVD或ALD法形成，然后通过光刻、刻蚀工艺在所述第一重分布层12上的第一钝化层中形成通孔。接着溅射Ti/Cu形成种晶层，电镀铜形成金属层，所述金属层的厚度优选为2μm～10μm，进一步优选为5-8μm。接着对金属层进行化学机械抛光处理，得到镶嵌在通孔中的第一镶嵌式导电结构13。
如图2所示，光电二极管芯片的制备：提供第二半导体晶片20，在所述第二半导体晶片20上形成多个间隔设置的光电二极管功能区21，接着在所述第二半导体晶片20上形成第二重分布层22，在所述第二重分布层22上形成第二镶嵌式导电结构23，所述第二重分布层22包括第二介质层，以及形成在所述第二介质层中的一层或多层第二金属互连层，在所述第二重分布层上形成第二镶嵌式导电结构23的具体步骤为：在所述第二重分布层上形成第二钝化层，刻蚀所述第二钝化层以形成暴露所述第二金属互连层的第二通孔，接着在所述第二通孔中沉积金属导电材料以形成所述第二镶嵌式导电结构。
其中，所述第二半导体晶片20可以由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如Si、SiC、SiGe等)制成。此外，第二半导体晶片20也可以为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗硅等各种复合衬底的半导体部分，形成在第二半导体晶片20中的光电二极管功能区是通过在P型的第二半导体晶片20中形成N型的掺杂区域而形成的。其中，构成光电二极管的N型的掺杂区域可以是通过离子注入处理而形成的，即通过向P型的第二半导体晶片20中注入N型的掺杂剂而形成掺杂区域。本领域技术人员可以理解，第二半导体晶片20还可以是N型掺杂的，在这种情况下，形成光电二极管的掺杂区域为P型掺杂的。
其中，所述第二介质层的材质氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或多种，所述第二介质层通过PECVD法制备形成，所述第二金属互连层的材质为铜、铝、银、硅、钛、钯、金中的一种或多种的合金，具体为铝、硅铝合金、铜。所述第二金属互连层通过蒸镀、磁控溅射或电镀工艺形成。在所述第二重分布层22上形成第二镶嵌式导电结构23的具体步骤为：在所述第二重分布层22上形成第二钝化层，第二钝化层可以为氧化硅或氧化铝，且通过PECVD或ALD法形成，然后通过光刻、刻蚀工艺在所述第二重分布层22上的第二钝化层中形成通孔。接着溅射Ti/Cu形成种晶层，电镀铜形成金属层，所述金属层的厚度优选为2μm～10μm，进一步优选为5-8μm。接着对金属层进行化学机械抛光处理，得到镶嵌在通孔中的第二镶嵌式导电结构23。
如图3所示，将所述第一半导体晶片10和所述第二半导体晶片20键合在一起，进而使得所述第一镶嵌式导电结构13与相应的第二镶嵌式导电结构23相互键合。具体工艺为：将第一半导体晶片10的第一镶嵌式导电结构13与第二半导体晶片20的第二镶嵌式导电结构23相互对齐，接着使用3-6MPa的压力将二者键合，并在150-250℃下烘烤30-60分钟。
如图4所示，接着对所述第二半导体晶片20进行减薄处理，将所述第二半导体晶片20进行减薄至50-100微米，具体的通过化学机械抛光处理对所述第二半导体晶片20进行抛光处理，通过减薄处理以得到合适的厚度。
如图5所示，接着在所述第二半导体晶片上形成减反射薄膜30，所述减反射薄膜30的形成方法为热氧化法、ALD法或PECVD法，所述减反射薄膜30的材质为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种，所述减反射薄膜30用于减少反射光，增加透光量，进而提高图像传感器的灵敏度。
如图6所示，接着在所述减反射薄膜30上形成光刻胶层40，接着在所述光刻胶层40中形成第一凹槽41；接着在所述第一凹槽41中形成栅格结构50，所述栅格结构50的材料为金、银、铜、铝、钨、钛、钯、镍、铂中的一种或多种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀形成所述栅格结构50。
如图7所示，接着在每个所述栅格结构50所围绕的光刻胶层中形成纵横交错的第二凹槽，然后利用掩膜在所述第二凹槽中沉积金属材料以形成金属网格60，然后去除所述光刻胶层，，所述金属网格60的材料为金、银、铜、铝中的一种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发或电镀工艺形成所述金属网格60。
如图8所示，接着在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光器70，所述滤光器包裹所述金属网格60，所述滤光器70包括有机材料，具体工艺为：在所述第二半导体晶片20上旋涂含有染料的光刻胶材料，进而形成所述滤光器70，接着在每个所述滤光器70上形成透镜结构80，所述透镜结构80用于改变光学路径，使得光线沿特定的光路进入滤光器7中。
在本发明的图像传感器的制备过程中，通过先在每个所述栅格结构所围绕的光刻胶层中形成纵横交错的第二凹槽，然后利用掩膜在在所述第二凹槽中沉积金属材料以形成金属网格，在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光器，所述滤光器包裹所述金属网格，通过在滤光器中形成金属网格，将所述滤光器分隔成多个子区域，进而可以抑制在高温环境下滤光器发生热膨胀，进而有效提高了图像传感器中感光像素阵列和遮光像素阵列的稳定性。
且通过分别形成CMOS处理器芯片和光电二极管芯片，进而将CMOS处理器芯片键合在光电二极管芯片的下方，即上层的光电二极管将入射光转换为电信号，并且由每个像素下面的CMOS信号处理器完成像素信号的处理，由于二者上下叠置，不限制空间分辨率，可以同时实现高分辨率的目的。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种图像传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)CMOS处理器芯片的制备：提供第一半导体晶片，在所述第一半导体晶片上形成多个间隔设置的CMOS功能区，接着在所述第一半导体晶片上形成第一重分布层，在所述第一重分布层上形成第一镶嵌式导电结构；
2)光电二极管芯片的制备：提供第二半导体晶片，在所述第二半导体晶片上形成多个间隔设置的光电二极管功能区，接着在所述第二半导体晶片上形成第二重分布层，在所述第二重分布层上形成第二镶嵌式导电结构；
3)将所述第一半导体晶片和所述第二半导体晶片键合在一起，进而使得所述第一镶嵌式导电结构与相应的第二镶嵌式导电结构相互键合；
4)接着对所述第二半导体晶片进行减薄处理；
5)接着在所述第二半导体晶片上形成减反射薄膜；
6)接着在所述减反射薄膜上形成光刻胶层，接着在所述光刻胶层中形成第一凹槽；接着在所述凹槽中形成栅格结构，所述栅格结构围绕各光电二极管功能区；
7)接着在每个所述栅格结构所围绕的光刻胶层中形成纵横交错的第二凹槽，然后利用掩膜在在所述第二凹槽中沉积金属材料以形成金属网格，然后去除所述光刻胶层；
8)接着在每个所述栅格结构所围绕区域中形成滤光器，所述滤光器包裹所述金属网格；
9)接着在每个所述滤光器上形成透镜结构。
2.根据权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤1)中，所述第一重分布层包括第一介质层，以及形成在所述第一介质层中的一层或多层第一金属互连层，在所述第一重分布层上形成第一镶嵌式导电结构的具体步骤为：在所述第一重分布层上形成第一钝化层，刻蚀所述第一钝化层以形成暴露所述第一金属互连层的第一通孔，接着在所述第一通孔中沉积金属导电材料以形成所述第一镶嵌式导电结构。
3.根据权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤2)中，所述第二重分布层包括第二介质层，以及形成在所述第二介质层中的一层或多层第二金属互连层，在所述第二重分布层上形成第二镶嵌式导电结构的具体步骤为：在所述第二重分布层上形成第二钝化层，刻蚀所述第二钝化层以形成暴露所述第二金属互连层的第二通孔，接着在所述第二通孔中沉积金属导电材料以形成所述第二镶嵌式导电结构。
4.根据权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤4)中，将所述第二半导体晶片进行减薄至50-100微米。
5.根据权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤5)中，所述减反射薄膜的形成方法为热氧化法、ALD法或PECVD法，所述减反射薄膜的材质为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤6)中，所述栅格结构的材料为金、银、铜、铝、钨、钛、钯、镍、铂中的一种或多种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀形成所述栅格结构。
7.根据权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤7)中，所述金属网格的材料为金、银、铜、铝中的一种，通过热蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发或电镀工艺形成所述金属网格。
8.根据权利要求1所述的图像传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤8)中，所述滤光器包括有机材料。
9.一种图像传感器，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的方法制备形成的。
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