光学传感器及其制备方法与流程

本技术涉及半导体，具体地，涉及一种光学传感器及其制备方法。

背景技术：

1、cis(contact image sensor，接触式图像感应装置)是一种光学传感器，其功能是将光信号转换为电信号，并通过读出电路转为数字信号，广泛应用于视觉领域，是摄像头模组的核心元器件。目前制备cis光学传感器的工艺主要包括两种：

2、第一种，fsi(front-side illumination，前照式)工艺，请参见图1，光线首先通过图像传感器的金属线路和晶体管结构层，然后再到达像素，因此光线在传输过程中可能会发生一定程度的反射和吸收而导致光损失。这可能降低图像传感器的光量子效率(qe)，即转换光子到电子的效率。光通过的区域变得更小，衍射现象增强，导致图像中的颜色混合在一起。同时，每个像素的光敏电荷存储在感光区域下方的衬底中，由于衬底之间存在电学和光学耦合，可能产生像素间的串扰效应。这可能导致图像传感器中的相邻像素之间出现亮度、颜色或噪声的相互干扰，影响图像质量。

3、第二种，bsi(背照式)工艺，请参见图2，在制备过程中需要将衬底(图2中的硅层)薄化、在衬底背面进行器件制备和光学设计等，而这些步骤需要高度精确的控制和制造设备，增加了制造成本和复杂性；同时，由于需要进行器件翻转和背面制备很容易出现短路或故障的情况，增加器件故障风险，例如在背面注入介质或实施背面蚀刻时，可能会对器件的特性和性能造成不良影响等。

4、因此，目前的光电传感器的性能均较差。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本技术实施例中提供了一种光学传感器及其制备方法。

2、本技术实施例的第一个方面，提供了一种光学传感器，包括：

3、在底部衬底层表面自下而上依次设置的至少包含图像处理器件与第一电连接结构的第一器件层、至少包含像素处理器件与第二电连接结构的第二器件层，以及至少包含光电转换器件的第三器件层；其中，第一电连接结构与图像处理器件电性连接；

4、填充有导电物质的第一层间通孔，分别与第一电连接结构与第二电连接结构电性连接；

5、填充有导电物质的第二层间通孔，分别与第二电连接结构和光电传感器上表面的连接层电性连接。

6、在本技术一个可选实施例中，第一器件层包括：

7、第一绝缘层；

8、图像处理器件，设置于第一绝缘层；

9、第一电连接结构，设置于第一绝缘层，第一电连接结构的第一端与图像处理器件电性连接，第一电连接结构的第二端与第一层间通孔的第一端电性连接。

10、在本技术一个可选实施例中，第一电连接结构包括：相互交叠连接的第一钨通孔与第一金属互连线；其中，第一钨通孔沿光学传感器水平方向延伸，第一金属互连线沿光学传感器垂直方向延伸。

11、在本技术一个可选实施例中，第二器件层包括：

12、由下而上依次设置的薄硅层与第二绝缘层；

13、像素处理器件，设置于第二绝缘层；

14、第二电连接结构，设置于第二绝缘层，第二电连接结构的第一端与第一层间通孔电性连接，第二电连接结构的第二端与第二层间通孔的第一端电性连接，且与像素处理器件电性连接。

15、在本技术一个可选实施例中，第二器件层还包括：

16、金属通孔，开设于第二绝缘层，用于连接像素处理器件与第二电连接结构。

17、在本技术一个可选实施例中，第二绝缘层为低介电常数绝缘层。

18、在本技术一个可选实施例中，第三器件层包括：

19、第三绝缘层，设置于第二器件层的表面；

20、感光器件层，设置于光学传感器的上表面，用于采集光信号；

21、光电转换层，设置于第三绝缘层，与感光器件层信号连接，并通过第二层间通孔与第二电连接结构电性连接，光电转换层用于将光信号转换为电信号。

22、在本技术一个可选实施例中，第三绝缘层为厚硅层，厚硅层的厚度大于第二器件层中的薄硅层。

23、在本技术一个可选实施例中，厚硅层的厚度为10～25um。

24、在本技术一个可选实施例中，第三器件层还包括：

25、隔离深沟槽，贯穿光电转换层，并延伸至第三绝缘层。

26、在本技术一个可选实施例中，隔离深沟槽，内壁具有一层欧姆接触薄层。

27、在本技术一个可选实施例中，第三器件层还包括：

28、滤光层，滤光层包含多个滤光单元，滤光单元与感光器件层中的感光器件位置在垂直方向一一对应，且与隔离深沟槽间隔设置。

29、在本技术一个可选实施例中，第一层间通孔内的导电物质的熔点高于图像处理器件的第一退火温度；和/或，第二层间通孔内的导电物质的熔点高于像素处理器件的第二退火温度。

30、在本技术一个可选实施例中，第一层间通孔与第二层间通孔为tsv钨通孔或者tsv铜通孔。

31、在本技术一个可选实施例中，第一器件层、第二器件层与第三器件层之间均设置有孤岛隔离层。

32、本技术实施例的第二个方面，提供了一种光学传感器的制备方法，用于制备如上任一项的光学传感器，该光学传感器的制备方法包括：

33、在底部衬底层制备包含图像处理器件与第一电连接结构的第一器件层；

34、在第一器件层表面形成孤岛隔离层；

35、在孤岛隔离层表面采用低热预算制造工艺制备至少包含像素处理器件与第二电连接结构的第二器件层，至少包含光电转换器件的第三器件层，以及填充有导电物质的第一层间通孔和第二层间通孔；其中，第一电连接结构与图像处理器件电性连接，第一层间通孔分别与第一电连接结构和第二电连接结构电性连接，第二层间通孔，分别与第二电连接结构和光电传感器上表面的连接层电性连接。

36、第一方面，本技术实施例在底部衬底层表面自下而上依次设置的至少包含图像处理器件与第一电连接结构的第一器件层、至少包含像素处理器件与第二电连接结构的第二器件层，以及至少包含光电转换器件的第三器件层；为垂直堆叠结构，集成度更高；第二方面，相对于传统方式中将图像处理电路和光电转换电路设置于同一片晶圆上的方案，本技术实施例中光电转换器件与图像处理器件分别处于第三器件层与第二器件层，相互独立，在表面积一定的情况下光电转换器件的感光面更大，光信号的采集与转换效率更高，可以大大提高光学传感器的光电转换效率；第三方面，本技术实施提供的光学传感器为自下而上的堆叠式结构，可以自下而上依次制备得到各片内器件层，无需进行器件的翻转，从而避免了传统fis工艺需要将器件进行翻转而造成器件损坏情况的发生，工艺更为稳定，可以进一步提高产品的良率；同时，可以自下而上制备得到个片内器件层，无需进行额外封装，工艺更为简单，大大节省制备成本；第四方面，由于图像处理器件以及所在的第二器件层中可能会铺设一些信号金属线，而这些信号金属线可能会对光电二极管中光信号的吸收造成影响而产生噪声，本技术实施例提供的光学传感器中光电转换器件与图像处理器件分别处于第三器件层与第二器件层，相互独立，图像处理器件中的信号金属线对光电转换器件中光子吸收的影响大大减小，进而大大降低了光学传感器的噪声，提高光学传感器的性能；第五方面，本技术实施例提供的光学传感器为堆叠式结构，具有垂直方向上的散热通道(由第一电连接结构、第二电连接结构、第一层间通孔，第二层间通孔构成)采用耐高温的材料制成，光学传感器的稳定性更高。综上，本技术实施例提供的光学传感器从提高集成度，提高光电转换效率，提高产品良率，降低产品噪声，提高散热五个方面提高光学传感器的性能，从而解决了目前的光电传感器的性能均较差的技术问题，达到了提高光电传感器性能的技术效果。