TW200824111A - Active pixel sensor having two wafers - Google Patents

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TW200824111A TW096137589A TW96137589A TW200824111A TW 200824111 A TW200824111 A TW 200824111A TW 096137589 A TW096137589 A TW 096137589A TW 96137589 A TW96137589 A TW 96137589A TW 200824111 A TW200824111 A TW 200824111A
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Description

200824111 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般而言係關於主動式像素感測器之領域，且更 特定言之，其關於具有二分離半導體晶圓之主動式像素感 測器，其中每一晶圓包含電性電路的一部分。 一 . 【先前技術】 w CM〇s影像感測器（cis)遭遇以下問題：其要求深深地按 比例調整的次微米互補金氧半導體（CMOs)程序以實現可 • 與電荷麵合裝置（ccd)像素大小競爭之小像素一般而 言，當該CMOS程序按比例調整至較小尺寸時，該程序整 合之細節及結構改變，而且該像素效能降級。此類型之= 些辄例係淺溝渠隔離、及高摻雜倒退型井。兩者為建立深 次微米C圆裝置所需，但兩者具有關於像素之暗電流的 不利效應。結果，必須進行許多工作，以便於每一新深次 微米CMOS技術節點中再整合及再最佳化該光偵測器與像 素。 然而，設計師面臨相對於次微米€%〇§裝置之設計與製 作的-折衷。設計師可藉由以下維持像素影像品質^移 至更按比例調整的CMOS程序，但對於較小像幸盆導致一 較低填充因數，或者移至主動式小像素的一較小設計規則 程序，而導致需要再整合及再造該光偵測器以獲得可接受 之影像品質。 此等問題的-解決方案係與該#c_電路分離而建立 該光偵測器。可將該影像感測器例如建立於不同晶圓上， 125542.doc 200824111 而且使用三維整合或晶圓級互連技術將該等晶圓接合在一 起。美國專利6,927,432使用二半導體晶圓製造一主動式像 素感測器。一晶圓（該施體晶圓）包含該等光偵測器，而另 一晶圓（該主體晶圓）包含一互連層及用於像素内信號操作 及該等光偵測器之讀出的電性電路。像素互連將該施體晶 圓上之每一光偵測器直接連接至該主晶圓上的一個別節點 或電路。 雖然此途徑分離該光偵測器與電路之處理，但由於與該 光摘測器直接接觸或連接’所以其降級光镇測器效能。此 類效能降級之特定範例包含但不限於來自該接觸蝕刻程序 之損壞所致之增加的暗電流、該光偵測器中之增加的金屬 污染引起點缺陷，及連接至一高摻雜歐姆接觸區所致之高 暗電流。 【發明内容】 一種主動式像素感測器包含二半導體晶圓，一感測器晶 圓連接至一支援電路晶圓。可將該感測器晶圓實施為一前 面照明感測器晶圓或一背面照明感測器晶圓。在根據本發 明之一具體實施例中，該感測器晶圓包含一像素區陣列， 其中母一像素區包含一光福測器、一轉移閘極及一電荷至 電壓轉換機制。該感測器晶圓亦可包含用以提供一或多個 傳導互連的一互連層。 該支援電路晶圓包含一互連層及一 CMOS裝置層。該 CMOS裝置層包含該主動式像素感測器之支援電路。該 CMOS裝置層所使用之組件與電路之類型端視該主動式像 125542.doc -7- 200824111 素感測器之用途或使用。該支援電路可包含於該支援電路 晶圓上之每一像素區中，而且僅由該感測器晶圓上的一個 別像素區加以利用。或者，二或多個像素區可共用該感測 器晶圓上之支援電路之某些或全部。晶圓間連接器將該感 測器晶圓上之每一像素區中之電荷至電壓轉換機制連接至 該支援電路晶圓上的一個別節點或電路。該晶圓間連接器 將電荷從該電荷至電壓轉換機制轉移至該支援電路晶圓。
在根據本發明之另一具體實施例中，該感測器晶圓上之 每一像素區包含一光偵測器、讀出電路及傳導互連（附帶 之導線及接點）。該讀出電路的一範例係一轉移閘極、一 電4至電壓轉換機制、及連接至該電荷至電壓機制的一或 多個電晶體。根據本發明之其他具體實施例可使用不同像 素架構實施該感測器晶圓。 該支援晶BI包含傳導互連及由該主動式像素感測器所使 用之額外類比與數位電路。在該支援電路晶圓上形成之額 外電路之範例包含但不限於時序產生器、例如轉移閘極驅 動器控制電路、解碼器、輸出電路、及電源。晶圓間連接 器導線將例如時序與偏㈣路之支援電路晶圓上某些支援 電路之輸出連接至該感測器晶^ “口日日圓上之翰入。晶圓間連接器 導線亦將該感測器晶圓之輸出連接至例如讀出電路之支援 電路晶圓上某些支援電路之輸入。 一種用於製造一具有一成测55曰si s 、 為成1為日日®及一支援電路晶圓之 主動式像素感測器之方法包含使一 、_ 用了移式介面層將該感 測器晶圓附著至一處理晶圓。該八 』栘式；〖面層包含但不艰 125542.doc 200824111 於一有機或聚合物介面層。當於彩色濾光片陣列與微透鏡 處理後執行該背面薄化程序時，可在該感測器晶圓上施加 類似於晶片尺度封裝中使用的一保護層。然後使用一有機 或聚合物介面層將該處理晶圓附著至該保護層之頂部。 一旦將該感測器晶圓附著至該處理晶圓，則將該感測器 晶圓背面薄化至一給定厚度。然後將該支援電路晶圓附著 至該感測器晶圓。一旦將該支援電路晶圓附著至該感測器 晶圓’則將該處理晶圓與該感測器晶圓分離。可使用用以 /合解該有機或聚合物介面層之化學處理將該處理晶圓與該 感測器晶圓分離。 檢視該等較佳具體實施例及隨附申請專利範圍之下列詳 細說明，且簽考該等附圖，將更清楚地明白並瞭解本發明 之該些及其他方面、目的、特徵及優點。 發明之有利效應 本發明包含同時具有高影像品質及高填充因數之優點。 可最佳化該感測器晶圓之製程以利光㈣器效能，然而可 最佳化該支杈電路晶圓之製程以利CM〇s處理及電路效 能。該感測器晶圓可與多^支援電路晶圓設計或技術使 用，藉此提供改良式設計彈性及伴隨減低的成本之最佳 化。該感測器晶圓與該支援電路晶圓間之連接可透過該感 測器晶圓上之電荷至電壓轉換機制、一電壓域接點及該支 援電路晶圓上的-節點而達成，藉此避免該等光偵測器之 效能降級。 【實施方式】 125542.doc 200824111 在全篇之說明書及申請專利範圍中，下列術語採用明顯 關聯於本文之意義，除非上下文另外清楚指示。"一 ”、 個及該之思義包含複數參考，，，在…内"之意義包含 在内及在···上’’。術語"連接"表示連接項目間的一直 接電性連接，或者透過一或多個被動式或主動式中間裝置 • 的一間接連接。術語”電路，，表示連接在一起以提供一所需 w 功此之主動式或被動式的一單一組件或複數個組件。該術 語"彳§號”表示至少一電流、電壓或資料信號。參照該等圖 _ 式’在全篇圖式中，相似符號指示相似零件。 現在參照圖1，其中顯示根據本發明之一具體實施例中 一具有一半導體晶圓之影像感測器的一俯視圖。影像感測 器100係實施為例如一互補金氧半導體（CMOS)影像感測器 的一主動式像素感測器。一主動式像素感測器具有各包含 在像素單元内的一或多個主動式電性組件（例如電晶體）之 像素。 影像感測器1〇〇包含配置成一列與行陣列之像素區102。 影像感測器陣列100可具有例如1280行乘960列之像素區的 任何數目像素區。在根據本發明之一具體實施例中，周圍 晶圓間連接器104係沿著影像感測器100的一周圍邊緣而形 成。雖然顯示晶圓間連接器104僅在影像感測器1〇〇的一周 圍邊緣’但根據本發明之其他具體實施例可包含在影像感 測器100之二或多個周圍邊緣之周圍晶圓間連接器104。 圖2係沿著根據本發明之一具體實施例中之圖1中直線 Af-Af的一斷面圖。影像感測器100包含感測器晶圓2〇2及支 125542.doc -10- 200824111 援電路晶圓204。影像感測器100係實施為一前面照明主動 式像素感測器。在根據本發明之一具體實施例中，感測器 a曰圓2 0 2係實施為具有^一"11型晶圓層206及一 p型蠢晶層2 0 8 的一背後薄化CIS晶圓。 影像感測器100包含感測器晶圓202及支援電路晶圓2〇4 上之像素區210、212、214。感測器晶圓202上之各像素區 210、212、214包含光偵測器216、轉移閘極21 8、電荷至 電壓轉換機制220、及用以隔離光偵測器216與電荷至電壓 轉換機制220之隔離區222。在根據本發明之一具體實施例 中’光"ί貞測器216係實施為一針九光二極體，而且電荷至 電壓轉換機制220為一浮動擴散。在根據本發明之其他具 體實施例中，可相異地實施光偵測器216及電荷至電壓轉 換機制220。 在根據本發明之一具體實施例中，支援電路晶圓204包 含互連層224及CMOS裝置層226。互連層224係以一介電材 料所形成，而且圖2中顯示其具有四個金屬層228、230、 232、234。在根據本發明之其他具體實施例中，互連層 224可包含任何數目之金屬層。在根據本發明之一具體實 施例中’晶圓間連接器235係從金屬層228、230、232、 234的一組合所形成。為了易於表達，圖2中顯示每一晶圓 間連接器2 3 5為一連續區。 CMOS裝置層226包含分別像素區210、212、214之支援 電路236、23 8、240。支援電路236、238、240可專屬於各 像素區210、212、214，或者支援電路236、23 8、240之某 125542.doc -11- 200824111 些或全部可由二或多個像素區210、212、214加以共用。 CMOS裝置層226中使用之組件與電路之類型端視影像感測 器100之用途或使用。僅藉由範例，在根據本發明之一具 體實施例中，CMOS裝置層226包含各像素區21〇、212、 214的一源極隨耦器電晶體、一重置電晶體、一列選擇電 晶體及一供應電壓。在根據本發明之其他具體實施例中， CMOS裝置層226包含額外或不同之類比與數位電路。此種 類比與數位電路之範例包含但不限於列與行解碼器與驅動 器、每行取樣與保持電路、類比信號處理鏈、數位影像處 理區塊、記憶體、時序與控制電路、輸入/輸出（1/〇)、及 接合墊。 晶圓間連接器242經由晶圓間連接器235將感測器晶圓 202上之電荷至電壓轉換機制220電性連接至支援電路晶圓 204上的一個別節點或電路。晶圓間連接器242係藉由隔離 244與感測器晶圓202中之其他區電性隔離。隔離244係實 施為例如二氧化矽之任何非傳導材料。 彩色濾光片246、248、250係於感測器晶圓202上形成， 並且用以過滤由每一光横測器216所接收之入射光之頻 寬。僅藉由範例，彩色濾光片246係組態成使得由光偵測 器216接收處於或靠近該紅光譜傳播之光。彩色濾、光片248 係組恶成使得由光偵測器216接收處於或靠近該綠光譜傳 播之光。而且彩色濾光片250僅允許由該光偵測器216接收 恰於或靠近該藍光譜傳播之光。組合之彩色濾光片246、 248、250形成一彩色濾光片陣列。微透鏡252係於彩色濾 125542.doc -12- 200824111 光片246、248、250上形成，而且用以將光往光偵測器216 引導。 現在參照圖3，其中顯示一可實施於根據本發明之一具 體實施例中一具有二半導體晶圓之影像感測器之主動式像 素的一示意圖。主動式像素3〇〇包含光偵測（PD)216、轉移 閘極（TG)218、電荷至電壓轉換機制220、重置閘極電晶體 (RG)302、電位VDD 3 04、源極隨耦器放大器電晶體 (SF)306、及列選擇電晶體（RSEL)308，該列選擇電晶體之 汲極係連接至SF 306之源極，而且其源極係連接至輸出 310。1^ 302及8? 306之沒極係維持在電位\^1) 304。11〇 302之源極及SF 306之閘極係連接至電荷至電壓轉換機制 220 〇 虛線3 12圍繞光偵測器216、轉移閘極218及電荷至電壓 轉換機制220，以描繪感測器晶圓202上包含之組件。在根 據本發明之一具體實施例中，未由虛線312所圍繞之重置 閘極電晶體3 02、電位VDD 3 04、源極隨麵器放大器電晶體 306、列選擇電晶體308及輸出3 10代表在支援電路晶圓2〇4 上形成之組件。以晶圓間連接器242及晶圓間連接器 235(圖2)所形成之晶圓間連接器314將感測器晶圓202上之 電荷至電壓轉換機制220電性連接至支援電路晶圓204上之 節點3 16。 圖4係沿著根據本發明之一具體實施例中之圖丨中直線 的一斷面圖。周圍晶圓間連接器1〇4將支援電路晶圓 204上之轉移閘極驅動器402的一輸出電性連接至轉移閘極 125542.doc -13- 200824111 互連404。轉移閘極互連4〇4分別連接至在感測器晶圓2〇2 上之像素區410、412中之轉移閘極400、408。轉移閘極驅 動器402之輸出提供電性信號給轉移閘極406、408。 現在參照圖5，其中顯示一共用放大器架構的一示意 圖’该共用放大器架構可實施於根據本發明之一具體實施 例中一具有二半導體晶圓之影像感測器。利用此架構的一 影像感測器包含具有像素區的一感測器晶圓，該等像素區 包含光偵測器（PD1)500、轉移閘極（TG1)502、電荷至電壓 轉換機制（n+)504、光偵測器（PD2)506、轉移閘極 (TG2)508、及電荷至電壓轉換機制（n+)51〇。光偵測器 (PD1)500、轉移閘極（Tgi)5〇2及電荷至電壓轉換機制 (n+)504係與像素區512相關聯，而光偵測器（pd2)506、轉 移閘極（TG2)508及電荷至電壓轉換機制（n+)51〇係與像素 區5 14相關聯。雖然圖5中僅顯示二個像素區512、514，但 在根據本發明之一具體實施例中，影像感測器包含多重像 素區。 在根據本發明之一具體實施例中，該感測器晶圓上之電 荷至電壓轉換機制504、5 10兩者係使用一晶圓間連接器 (亦即，235、242)電性連接至該支援電路晶圓上之節點 5 16。節點516連接至源極隨耦器放大器電晶體（sf)5 18之 閘極及重置閘極電晶體（RG)520之源極。rg 520及SF 518 之汲極係維持在電壓電位Vdd 522。SF 5 18之源極係連接 至列選擇電晶體（RSEL)524之沒極’而且RSEL 524之源極 係連接至輸出（Vout)526。 125542.doc -14· 200824111 圖6係可實施於根據本發明之一具體實施例中一具有二 半導體晶圓之影像感測器之另—像素架構的一示意圖。利 用此架構的-影像感測器包含具有像素區_、6〇2、6〇4 的一感測器晶圓。雖然圖6中僅顯示三個像素區6〇〇、 6〇2。、604,但在根據本發明之—具體實施例中，一影像感 測二匕έ夕重像素區。各像素區6〇〇、包含光偵 . 測器_、轉移閘極_、及電荷至電壓轉換機制61〇。光 偵測器606、轉移閘極⑽及電荷至電壓轉換機制61〇係包 • 含於一感測器晶圓上。 在根據本發明之-具體實施例巾，該支援電路日日日圓上之 每一像素區包含一源極隨耦器電晶體（SF)、一重置閘極電 晶體（RG)、及一列選擇電晶體（RSEL)。晶圓間連接器 612 614、616將該感測器晶圓上之每一電荷至電壓轉換 機制610連接至该支杈電路晶圓上的一個別源極隨耦器電 晶體之閘極。一箱選擇電晶體（BSEL)618、62〇亦包含於該 φ 錢電路晶圓上，而且經由額外晶圓間連接ϋ將相鄰像素 區之電荷至電壓轉換機制6 i 〇選擇性連接在一起。 現在參圖7，其中顯示根據本發明之一具體實施例中 • 一具有二半導體晶圓之第二影像感測器的一斷面圖。影像 感測器700包含感測器晶圓702及支援電路晶圓704。影像 感測器700係實施為-背面照明主動式像素感;則器。在根 據本發明之一具體實施例中，感測器晶圓7〇2係實施為具 有一 P型磊晶層706及一互連層722的一背後薄化晶圓。互 連層722包含該轉移閘極佈線。 125542.doc •15- 200824111 影像感測器700包含感測器晶圓702及支援電路晶圓704 上之像素區708、710、712。感測器晶圓702上之各像素區 708、710、712包含光偵測器714、轉移閘極716、電荷至 電壓轉換機制718、及用以隔離光偵測器714與電荷至電壓 轉換機制718之隔離區720。在根據本發明之一具體實施例 中，光偵測714係實施為一針扎光二極體，而且電荷至電 壓轉換機制718為一浮動擴散。在根據本發明之其他具體 實施例中，可相異地實施光偵測器714及電荷至電壓轉換 機制71 8。 在根據本發明之一具體實施例中，支援電路晶圓704包 含互連層724及一 CMOS裝置層726。互連層724係以一介電 材料所形成，而且顯示具有四個材料層728、730、732、 734。在根據本發明之其他具體實施例中，互連層724可包 含任何數目之金屬層。 CMOS裝置層726分別包含像素區708、710、712之支援 電路73 6、73 8、740。支援電路736、738、740可專屬於各 像素區708、710、712，或者支援電路736、738、740之某 些或全部可由二或多個像素區708、710、712加以共用。 CMOS裝置層726中使用之組件與電路之類型端視影像感測 器700之用途或使用。僅藉由範例，在根據本發明之一具 體實施例中，CMOS裝置層726包含各像素區708、710、 712的一源極隨耦器電晶體、一重置電晶體、一列選擇電 晶體、及一供應電壓。在根據本發明之其他具體實施例 中，CMOS裝置層726可包含額外或不同之類比與數位電 125542.doc -16- 200824111 路。此種類比與數位電路之範例包含但不限於列與行解碼 器及驅動器、每行取樣與保持電路、類比信號處理鏈、數 位影像處理區塊、記憶體、時序與控制電路、輸入/輸出 (I/O)、及接合墊。 晶圓間連接器742係從互連層722、724中提供之金屬岸 所形成，而且使用晶圓至晶圓接點744電性連接感測器晶 圓702上之每一電荷至電壓轉換機制718與支援電路晶圓 704上的一個別節點或電路。在根據本發明之一具體實施 例中，晶圓至晶圓接點744亦從互連層722、724中提供之 金屬層所形成。在根據本發明之另一具體實施例中，晶圓 至晶圓接點744係從額外金屬層所形成，該等額外金屬芦 係特別沉積或形成以用於晶圓級堆疊與黏合技術。 一輸入/輸出（I/O)連接器746及一轉移閘極驅動器748的 一輸出亦包含於支援電路晶圓704上。接合墊75〇透過晶圓 間連接器752而連接至I/O連接器746。在根據本發明之其 他具體實施例中，接合墊750係於影像感測器7〇〇之表面 754上形成，而且晶圓間連接器752係穿透支援電路晶圓 704而形成’以便將接合墊750連接至1/〇連接器Mg。 圖8係根據本發明之一具體實施例中一具有二半導體晶 圓之第三影像感測器的一透視。影像感測器8〇〇可為一背 面照明影像感測器或一前面照明影像感測器。影像感測器 800包含感測器晶圓8〇2及支援電路晶圓8〇4。像素陣列8〇6 係包含於感測器晶圓802上。在根據本發明之一具體實施 例中，像素陣列嶋中之每一像素區包含一光錢器^ 125542.doc -17- 200824111 移閘極、電荷至電⑽換機制、及該光偵測器與電荷至電 壓轉換機制之隔離區（未顯示）。在根據本發明之一具體實 把例中，該轉移閘極、該電荷至電塵轉換機制及至少—電 晶體形成該讀出電路。根據本發明之其他具體實施例可使 用父替像素架構而相異地實施該讀出電路。 每一像素區亦可包含其他像素電晶體及傳導互連，其中 每互連包含傳導接點及一傳導信號導線（未顯示）。圖4中 之接點405係一傳導接點的一範例，而且圖4中之轉移閘極 互連404係一傳導信號導線的一範例。 支援電路晶圓804包含由該主動式像素感測器及傳導接 點所使用之額外類比與數位電路（未顯示）。在支援電路晶 圓804上形成之額外電路之範例包含但不限於時序產生 器、例如轉移閘極驅動器之控制電路、解碼器、輸出電 路、及電源。從感測器晶圓802至支援電路晶圓8〇4之電性 連接係使用晶圓間連接器導線808在像素陣列8〇6之周圍邊 緣作成。某些晶圓間連接器導線808將輸入信號從支援電 路晶圓804傳輸至感測器晶圓8〇2。例如，控制及時序信號 係傳輸至像素陣列806中之像素區。如另一範例，支援電 路晶圓804上之轉移閘極驅動器之輸出係使用一或多個信 號導線808連接至感測器晶圓8〇2上之對應轉移閘極互連導 線。 其他晶圓間連接器導線808將輸出信號從感測器晶圓8〇2 傳輸至支援電路晶圓8G4e在根據本發明之一具體實施例 中，感測器晶圓802上之行輸出導線係使用一或多個晶圓 125542.doc • 18 - 200824111 間連接器導線808連接至支援電路晶圓804上之行電路之對 應輸入（未顯示）。雖然圖8顯示將晶圓至晶圓互連定位在該 裝置之周圍，但根據本發明之其他具體實施例可將此等互 連遍佈於每一裝置之區域。 感測器晶圓802與支援電路晶圓804間之電性連接可使用 已知互連技術在該晶粒級或在一晶圓級作成。此類技術之 範例包含但不限於使用分散式背面凸塊以連接至支援電路 晶圓804上之頂側墊之感測器晶圓8〇2之晶粒至晶粒線接 合、晶片尺度封裝、及穿透晶圓通孔技術。穿透晶圓通孔 技術的一範例係圖4中之晶圓間連接器J 〇4。 在根據本發明之一具體實施例中，感測器晶圓8〇2上之 像素電晶體係例如NMOS或PMOS電晶體的一單一類型像 素電晶體。再者，感測器晶圓8〇2通常僅包含一或二個傳 導互連層，而該支援電路晶圓8〇4包含多重傳導互連層。 此簡化感測器晶圓802之製程，而且允許與支援電路晶圓 804之製程分離以最佳化該程序。 現在參照圖9,其中顯示一流程圖，其說明一種用於製 造根據本發明之一具體實施例中一具有二半導體晶圓之影 像感測器之第-方法。於背面薄化該感測器晶圓前，將一 處理晶圓附著至該感測器晶圓。如步驟9〇〇中所示，使用 -或多個介面層連接該處理晶圓與該感測器晶圓。僅藉由 範例，使用-聚合物或有機介面材料將該處理晶圓附著至 該感測器、晶圓。-旦將該感測H曰曰曰圓係連接至該處理晶 圓，則將該感測器晶圓背面薄化至'給定厚度(步驟9〇2)。 125542.doc -19- 200824111 在根據本發明之一具體實施例中，將該感測器晶圓背面薄 化至一近似三微米或以下之厚度。 如步驟904中所示，然後將該支援電路晶圓附著至該感 測器晶圓。|根據本發明之一具體實施例中，冑該支援電 路晶圓接合至該感測器晶圓。然後藉由化學處理溶解該有 •機或聚合物層將該處理晶圓與該感測器晶圓分離（步驟 - 906)。❿且最後’如步驟9〇8中所*，在該感測器晶圓上 形成一彩色濾光片陣列及微透鏡。 ⑩ 圖10係—第m统的—方塊圖，其可結合圖9中所 示之方法而使用。圖1〇說明於執行圖9之步驟9⑽後之系 統。處理晶圓1000係以一或多個介面層1〇〇4附著至感測器 晶圓1002。如圖9之步驟9〇2中所示，隨後將感測器晶圓 1002背面薄化至一給定厚度。 現在參照圖11’其中顯示一流程圖，其說明一種用於製 造根據本發明之-具體實施例中一具有二半導體晶圓之影 鲁 I感測器之第二方法·。如步驟！副中所示，起初在該感測 器晶圓上形成-彩色濾光片陣列及微透鏡。然後在該等微 透鏡、遠彩色滤光片陣列及該感測器晶圓上形成類似於晶 • Μ尺度封裝中使用之保護層類型的—保護層（步驟11〇2)。 #次’於步驟11G4，使用-或多個有機或聚合物介面層將 該處理晶圓附著至該保護層之頂部。 一將該處理曰曰圓附著至該保護層，則將該感測器晶圓 月面薄化至一給疋厚度（步驟11〇6)。如步驟η〇8中所示， 然後將該支援電路晶圓附著至該感測器晶圓。而且最後， 125542.doc • 20 - 200824111 透過化學處理以溶解該有機或聚合物層將該處理晶圓與該 感測器晶圓分離（步驟1110)。 圖12係一弟一製造系統的一方塊圖，其可結合圖11中所 示之方法而使用。圖12說明於已執行圖11中之步驟11〇〇、 1102及11 〇4後的一系統。彩色濾光片陣列及微透鏡12〇〇係 於感測器晶圓1202上形成。保護層1204係於彩色濾光片陣 列與微透鏡1200及感測器晶圓1202上形成。使用一或多個 介面層1206將處理晶圓12〇8附著至保護層1204。如圖11之 步驟1106中所示，隨後將感測器晶圓1202背面薄化至一給 定厚度。 參照圖13，其中顯示一成像系統的一方塊圖，其可利用 根據本發明之一具體實施例中一具有二半導體晶圓之影像 區域。成像系統1300包含數位相機電話U02及計算裝置 1304。數位相機電話1302係一可利用一具有二半導體晶圓 之影像感測器之影像捕獲裝置的一範例。例如數位靜態相 機及數位攝錄影機之其他類型影像捕獲裝置可與本發明使 用。 在根據本發明之一具體實施例中，數位相機電話13〇2係 可攜式、手持、電池操作裝置。數位相機電話〗3 〇2產生 數位影像’其係儲存於可為例如一内部快閃EPROM記憶 體或可移式七憶卡之記憶體1306中。可替代使用例如磁 性硬碟機、磁帶或光碟之其他類型數位影像儲存媒體實施 記憶體1306。 數位相機電話1302使用透鏡1308將來自一場景（未顯示） 125542.doc -21 · 200824111 之光聚焦至主動式像素感測器13 12之影像感測器陣列131〇 上。在根據本發明之一具體實施例中，影像感測器陣列 13 10使用該貝爾（Bayer)彩色濾光片圖案提供彩色影像資 訊。影像感測器陣列1310係由時序產生器1314所控制，該 時序產生器亦控制快閃1316，以便於周遭照明為低時照明 該場景。 將輸出自該影像感測器陣列1310之類比輸出信號放大， 並藉由類比至數位（A/D)轉換器電路1318轉換至數位資 料。該數位資料係儲存於緩衝區記憶體132〇中，而且隨後 由數位處理器1322加以處理。數位處理器1322係由儲存於 早刃體記憶體1324中之韌體所控制，該韌體記憶體可為快閃 EPROM記憶體。數位處理器1322包含即時時脈1326，即 使當數位相機電話1302及數位處理器1322在一低功率狀態 時，該即時時脈仍保留該日期及時間。已處理之數位影像 檔案係儲存於記憶體1306。記憶體13〇6亦可儲存例如音樂 檔案（例如MP3檔案）、鈐聲、電話號碼、行事曆及待辦事 項清單之其他類型資料。 在根據本發明之一具體實施例中，數位相機電話13〇2捕 獲靜態影像。數位處理器1322執行彩色内插，繼而色調校 正，以便產生顯現之SRGB影像資料。然後將顯現之sRgb 影像資料錢，並且作為—影像㈣料於記憶體i3〇6 中。僅藉由範例’可依據JPEG格式壓縮該影像資料，該 JPEG格式使用已知"Exif，，影像格式。此格式包含一 &⑽ 用私式片段’其使用各種TIFF標籤儲存特定影像元資料。 125542.doc -22- 200824111 可使用分離之TTFF , 間、透r隹^ * 儲存所捕獲®像之f料與時 門透鏡焦數與其他相施μ — ^ /“丄 彳目機^ ’及儲存影像標題。 在根據本發明之一且者 —貝施例中，數位處理器1322產生 該使用者所選出之不同 ^ f ., 门〜像大小。一此類大小係低解析度 认 極小大小之影像說明於共同讓渡 =:人，專利第5，164,831號，名稱，，提供完全
/ &斤度影像之多重格式儲存器之電子靜態相機"。 該極小影像係儲存於RAM記㈣1328並且 1330，該顯示器可^ ^ l 35 為例如一主動式矩陣LCD或有機發光二 極體（OLED)。產哇托,丄 β小大小衫像允許在彩色顯示器133〇 上快速檢視捕獲之影像。 在根據本發明之另-具體實施例中，數位相機電話⑽ 亦產生及儲存視訊韵輯。一視訊剪輯係藉由將影像感測器 陣列13 10之多重像素加總在一起（例如加總該影像感測器 陣列1310之每一 4行Χ 4列區域内相同色彩之像素）以建立一 較低解析度視訊影像框而產生。該視訊影像框係以正規間 Μ例如，使用-每秒15框之讀出率）從影像感測器陣列 13 10讀取。 音訊編解碼11 1332係連接至數位處理器132G，而且接收 來自麥克風（Mie)1334的一音訊信號。音訊編解碼器m2 亦提供一音訊信號給揚聲器1336。此等組件同時用於電話 交談及記錄並播放伴隨一視訊序列或靜態影像的一音軌。 在根據本發明之一具體實施例中，揚聲器1336亦用以通 知該使用者傳人之電話呼十此可使用儲存於動體記憶體 125542.doc -23- 200824111 1324中的一標準鈐聲或者藉由使用下載自行動電話網路 1338並且儲存於記憶體1306中的一定製鈐聲而完成。此 外’可使用一振動裝置（未顯示）提供一傳入之電話呼叫的 靜曰（例如不可聽見）通知。 數位處理器1322係連接至無線數據機1340，該無線數據 機1340致能數位相機電話1302經由射頻（RF)通道1342傳輸 及接收資訊。無線數據機1340使用另一RF鏈路（未顯示）與 例如一 3GSM網路之行動電話網路1338進行通信。行動電 話網路1338與相片服務提供者1344進行通信，該相片服務 提供者儲存上載自數位相機電話13〇2之數位影像。包含計 算裝置1304之其他裝置經由該網際網路1346存取此等影 像。在根據本發明之一具體實施例中，行動電話網路1338 亦連接至一標準電話網路（未顯示），以便提供正常電話服 務。 一圖形使用者介面（未顯示）係顯示於顯示器1330並且由 使用者控制1348加以控制。在根據本發明之一具體實施例 中，使用者控制1348包含用以播接一電話號碼之專屬按鈕 (例如一電活小鍵盤）、用以設定模式（例如"電話"模式、 "行事曆’’模式、”相機"模式）的一控制、包含4方向控制 (上、下、左、右）與一按鈕中心"OK"或”選擇”開關的一操 縱桿控制器。 底座1350再充電數位相機電話1302中之電池（未顯示）。 底座1350經由底座介面1352將數位相機電話13 02連接至計 算裝置1304。在根據本發明之一具體實施例中，底座介面 125542.doc -24· 200824111 1352係實施為例如一 USB介面之佈線介面。或者，在根據 本發明之其他具體實施例中，底座介面1352係實施為例如 一藍芽或一IEEE 802· 11b無線介面的一無線介面。底座介 面1352用以將影像從記憶體13〇6下載至計算裝置13〇4。底 座介面1352亦用以將行事曆資訊從計算裝置13〇4轉移至數 位相機電話1302中之記憶體13〇6。 【圖式簡單說明】
圖1係一包含於根據本發明之一具體實施例中一具有二 半導體晶圓之影像感測器之感測器晶圓的一俯視圖； 圖2係沿著根據本發明之一具體實施例中之圖丨中直線 A’-A’的一斷面圖； 圖3係一可實施於根據本發明之一具體實施例中一具有 一半‘體μ圓之影像感測器之主動式像素的一示意圖； 圖4係沿著根據本發明之一具體實施例中之圖丨中直線 的一斷面圖； 圖5係一可實施於根據本發明之一具體實施例中一具有 二半導體晶圓之影像感測器之共用放大器架構的一示意 圖； 圖6係可實施於根據本發明之一具體實施例中一具有二 半導體晶圓之影像感測器之另一像素架構的一示意圖； 圖7係根據本發明之一具體實施例中一具有二半導體晶 圓之第二影像感測器的一斷面圖； 圖8係根據本發明之一具體實施例中一具有二半導體晶 圓之第三影像感測器的一透視； 125542.doc -25 · 200824111 圖9係說明一種用於製造枳 才、根據本發明之一具體眘 一具有二半導體晶圓之影 焉施例中 心像感測器之第一方法的 圖； 〜流程 圖10係一種可結合圖9中 統的一方塊圖； 所示方法而使用之第〜 製造系 圖， 圖11係說明一種用於製造枳 、根據本發明之一具體 具有二半導體晶圓之影俊 ^ 像感測器之第二方法 的
圖12係一種可結合圖η中所 丫所不方法而使用之第二 統的一方塊圖；以及 〜 施例中 製造系 圖13係一種可利用根據本發 二半導體晶圓之影像感測器之 【主要元件符號說明】 明之一具體實施例中一 成像系統的一方塊圖。 具有
100 影像感測器 102 像素區 104 周圍晶圓間連接器 202 感測1§晶圓 204 支援電路晶圓 206 晶圓層 208 蠢晶層 210 像素區 212 像素區 214 像素區 216 光偵測器 125542.doc -26- 200824111 218 轉移閘極 220 電荷至電壓轉換機制 222 隔離區 224 互連層 226 CMOS裝置層 228 金屬層 23 0 金屬層 232 金屬層
234 金屬層 235 晶圓間連接器 236 支援電路 23 8 支援電路 240 支援電路 242 晶圓間連接器 244 隔離 246 彩色濾光片 248 彩色濾光片 250 彩色濾光片 252 微透鏡 300 主動式像素 302 重置閘極電晶體
304 電位VDD 306 源極隨耦器放大器電晶體 308 列選擇電晶體 125542.doc -27- 200824111 310 輸出 312 虛線 314 晶圓間連接器 316 節點 402 轉移閘極驅動器之輸出 404 轉移閘極互連 405 轉移閘極接點 406 轉移閘極
408 轉移閘極 410 像素區 412 像素區 500 光偵測器 502 轉移閘極 504 電荷至電壓轉換機制 506 光偵測器 508 轉移閘極 510 電荷至電壓轉換機制 512 像素區 514 像素區 516 節點 518 源極隨耦器放大器電晶體 520 重置閘極電晶體
522 電位VDD 524 列選擇電晶體 125542.doc -28 - 200824111 526 輸出 600 像素區 602 像素區 604 像素區 606 光偵測器 608 轉移閘極 610 電荷至電壓轉換機制 612 晶圓間連接器
614 晶圓間連接器 616 晶圓間連接器 618 箱選擇電晶體 620 箱選擇電晶體 700 影像感測器 702 感測器晶圓 704 支援電路晶圓 706 磊晶層 708 像素區 710 像素區 712 像素區 714 光偵測器 716 轉移閘極 718 電荷至電壓轉換機制 720 隔離區 722 互連層 125542.doc -29- 200824111 724 互連層 726 CMOS裝置層 728 金屬層 730 金屬層 732 金屬層 734 金屬層 736 支援電路 73 8 支援電路
740 支援電路 742 晶圓間連接器 744 晶圓至晶圓接點 746 輸入/輸出連接器 748 一轉移閘極驅動器之輸出 750 接合墊 752 晶圓間連接器 754 表面 800 影像感測器 8 02 感測晶圓 804 支援電路晶圓 806 像素陣列 808 晶圓間連接器導線 1000 處理晶圓 1002 感測器晶圓 1004 介面層 125542.doc -30 - 200824111 1200 微透鏡與彩色濾光片陣列 1202 感測器晶圓 1204 保護層 1206 介面層 1208 處理晶圓 1300 成像系統 1302 相機電話 1304 計算裝置
1306 記憶體 1308 透鏡 1310 影像感測器陣列 1312 主動式像素感測器 1314 時序產生器 1316 快閃 1318 類比至數位轉換器 1320 緩衝區記憶體 1322 數位處理器 1324 韌體記憶體 1326 時脈 1328 RAM記憶體 1330 顯示器 1332 音訊編解碼器 1334 麥克風 1336 揚聲器 125542.doc -31 - 200824111 1338 1340 1342 1344 1346 1348 1350 1352 行動電話網路 無線數據機 RF通道 相片服務提供者 網際網路 使用者控制 底座 底座介面 125542.doc -32-

Claims (1)

  1. 200824111 十、申請專利範圍： 1· 一種主動式像素感測器，其包括： (a) —感測器晶圓，其包括： 一像素區之第一陣列，每一像素區包含： 一光偵測器，其用於收集電荷以回應入射光； • 一轉移閘極，其用於轉移來自該光偵測器之電荷； ， 以及 電荷至電壓轉換機制，其用於經由該轉移閘極接 _ 收來自該光偵測器之電荷； (b) 一支援電路晶圓，其連接至該感測器晶圓，且包 含： 一像素區之第二陣列，其具有該第一陣列中之每一 像素區之支援電路，其中該第二陣列中之每一像素區係 與該第一陣列中的一或多個像素區相關聯；以及 (0—晶圓間連接器，其介於該感測器晶圓上之每一電 荷至電壓轉換機制與該支援電路晶圓上之一個別像素區 _ 中的一電性節點間，用於將電荷從該電荷至電壓轉換機 制轉移至該支援電路晶圓。 . 2·如請求項1之主動式像素感測器，其中該電荷至電壓轉 . 換機制包含一浮動擴散。 3·如請求項1之主動式像素感測器，其中該支援電路晶圓 包含一互連層及一互補金氧半導體裝置層。 4·如請求項3之主動式像素感測器，其中該互補金氧半導 體裝置層包含該第一陣列中之一或多個像素區之支援電 125542.doc 200824111 路。 5.如睛求項4之主動式像素感測器，其中該支援電路包含 至少一電晶體。
    如吻求項1之主動式像素感測器，其中該主動式像素感 測器係置放於一影像捕獲裝置中。 如清求項1之主動式像素感測器，其中該感測器晶圓包 括一背面照明感測器晶圓。 如清求項1之主動式像素感測器，其中該感測器晶圓包 括一前面照明感測器晶圓。 種主動式像素感測器，其包括： 〇)—感測器晶圓，其包含·· 一主動式像素區之陣列，每一主動式像素區具有： 一光债測器，其用於收集電荷以回應光； 讀出電路’其用於從該光偵測器讀取電荷；以及 第一複數個互連，其連接至該讀出電路； (b)—支援電路晶圓，其連接至該感測器晶圓，其中該 支援電路晶圓包含： 支援電路，其用於主動式像素區之陣列；以及 第二複數個互連；以及 (勹複數個晶圓間連接器導線，其用於介於該感測器晶 圓與該支援電路晶圓間轉移一或多個信號，其中每一晶 圓間連接器導線係連接於該感測器晶圓上的一第一互連 與該支援電路晶圓上的一對應互連之間。 1 〇·如明求項9之主動式像素感測器，其中該感測器晶圓包 125542.doc 200824111 括一背面照明感測器晶圓。 11 ·如响求項9之主動式像素感測器，其中該感測器晶圓包 括一前面照明感測器晶圓。 12·如请求項9之主動式像素感測器，其中該主動式像素感 測器係置放於一影像捕獲裝置中。 -13. —種用於製造一包括一感測器晶圓及一支援電路晶圓之 -主動式像素感測器之方法，該方法包含： 使用一可移式介面層將該感測器晶圓附著至一處理晶 • 圓； 將該感測器晶圓背面薄化至一預定厚度； 將該支援電路晶圓附著至該感測器晶圓；以及 將該處理晶圓與該感測器晶圓分離。 .14·如請求項丨3之方法，其中該介面層包括一有機介面層。 15·如請求項13之方法，其中該介面層包括一聚合物介面 層。 16·如請求項13之方法，其進一步包含在該感測器晶圓的一 • 表面上形成一彩色濾光片陣列及複數個微透鏡。 17·如請求項16之方法，其進一步包含於將該感測器晶圓附 • 著至該處理晶圓前在該複數個微透鏡、該彩色濾光片陣 列及該感測器晶圓之表面上施加一保護層。 ' 18.如請求項17之方法，其中使用一可移式介面層將該感測 器晶圓附著至一處理晶圓包含使用一可移式介面層將該 保遵層附者至該處理晶圓。 19.如請求項13之方法，其中分離該處理晶圓與該感測器晶 圓包含溶解該介面層。 125542.doc
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