[发明专利]一种CMOS图像传感器像素单元结构和形成方法

说明书

本发明公开了一种CMOS图像传感器像素单元结构，设于上下堆叠的上层硅衬底和下层硅衬底上；所述上层硅衬底上设有上层光电二极管，所述下层硅衬底上设有下层光电二极管，所述上层光电二极管与所述下层光电二极管上下对应，且其之间设有光通道；其中，任意一对所述上层光电二极管和所述下层光电二极管分别接收的光信号，在进行光电转换后通过同一像素单元进行信号输出。本发明通过两片CMOS图像传感器芯片的混合键合，实现了上下像素单元之间的互连，从而可以利用位于下层的光电二极管对近红外入射光线的收集，提高像素单元的量子效率。

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种CMOS图像传感器像素单元结构和形成方法。

背景技术

图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，通常大规模商用的图像传感器芯片包括电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器芯片两大类。

CMOS图像传感器和传统的CCD传感器相比，具有低功耗，低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到越来越广泛的应用。现在CMOS图像传感器不仅用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也得到了广泛的应用。

CMOS图像传感器的像素单元是图像传感器实现感光的核心器件。最常用的像素单元为包含一个光电二极管和多个晶体管的有源像素结构。这些器件中光电二极管是感光单元，实现对光线的收集和光电转换，其它的MOS晶体管是控制单元，主要实现对光电二极管的选中，复位，信号放大和读出的控制。

硅材料对入射光的吸收系数随波长的增强而减小。常规像素单元通常使用红、绿、蓝三原色的滤光层。其中蓝光的波长为450纳米，绿光的波长为550纳米，红光的波长为650纳米。因此红光在硅片中的吸收位置最深，而蓝光最浅。蓝光在最靠近硅片表面的位置被吸收，其吸收系数最高；红光进入硅片最深，大约可以进入硅片2.3微米左右，其吸收系数最低；绿光的吸收系数介于蓝光和红光两者之间，而近红外光的吸收需要大于2.3微米的吸收厚度。

一种常规的背照式CMOS图像传感器像素单元的结构如图1所示。其中，在硅衬底12中形成的光电二极管13为像素单元的感光器件，入射光线中的蓝光、绿光和红光部分由于波长较短，其被吸收的位置通常在硅衬底12的3微米以内，因此可以在光电二极管13中实现光电转换。而近红外光的波长较长，因此需要大于3微米的硅衬底厚度才能被吸收。如图1所示，入射光中的近红外部分(近红外光)将直接穿过硅衬底12，然后进入层间介质14。由于半导体工艺中的层间介质14通常使用二氧化硅等透光材料，因此近红外入射光线将直接穿过硅衬底12和层间介质14进入载片15，无法实现正常的光电转换，因此量子效率极低。

硅衬底12中的光电二极管13深度通常在3微米左右，主要受限于离子注入工艺和像素单元的电荷传输特性。光电二极管13需要通过离子注入工艺来形成，而通常的高能注入机或者超高能注入机在硅衬底12中的注入极限深度在3微米左右。同时，光电二极管13中收集的电荷需要通过传输管11输出，当像素单元的硅衬底12厚度大于3微米时，电荷通过传输管11和金属互连层10进行输出变得困难，容易造成图像的拖影现象。

同时，在目前的安防监控、机器视觉和智能交通系统的应用中，夜晚红外补光的光线波长集中在850纳米至940纳米，故常规背照式像素单元对这一波段的光线不敏感，这将对应用效果造成影响。

因此，需要设计新的CMOS图像传感器像素单元结构和形成方法，以提高近红外波段的灵敏度和量子效率，并提升产品的夜视效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种CMOS图像传感器像素单元结构和形成方法，通过两片CMOS图像传感器芯片的混合键合，实现了上下像素单元之间的互连，从而可以利用位于下层的光电二极管对近红外入射光线的收集，提高像素单元的量子效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：