[发明专利]一种可重构的CMOS图像传感器芯片及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种可重构的CMOS图像传感器芯片。

背景技术

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(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，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。

传统的CMOS图像传感器采用的前感光式(FSI，Front Side Illumination)技术，即前照技术。前照技术的主要特点是在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联以及光管孔(Light Pipe)。其优点是：工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低；光管孔填充材料折射率可调；有利于提高入射光的透射率，减少串扰等。然而，由于光线首先需要经过上层的金属互连层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，Back Side Illumination)，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、金属互联，然后对硅片背面进行减薄(通常需要减薄至20um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联引出。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。由于互联电路置于背部，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。

然而不论是背部感光式CMOS图像传感器还是传统的前感光式CMOS图像传感器，对于传感器芯片设计者来说，对于不同类型(例如不同像素分辨率或不同感光区域大小)的图像传感器都需要进行一次完整的芯片设计，比如，设计一款400万像素的图像传感器芯片与设计一款6400万像素的图像传感器芯片的工作量相当，虽然在设计过程中两者可以共享部分IP(例如用于信号处理的ADC、驱动缓冲器等)，但是每个设计仍然需要遵循整个设计流程，包括前端的芯片系统布局、后端的信号连线等，这样耗费了设计者大量的精力。如果提出一种可重构的图像传感器系统架构，将能够极大地简化设计者的工作量，同时也确保了大规模图像传感器芯片的设计成功率。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种提高设计效率及可靠性的图像传感器芯片。

为达成上述目的，本发明提供一种可重构CMOS图像传感器芯片，包括多一个图像传感器芯片单元，每个所述图像传感器芯片单元包括上下两层芯片，其中，上层芯片为背照感光式芯片，其正面具有像素阵列，背面形成硅通孔结构，所述硅通孔结构用于在所述上下两层芯片间形成垂直导通以将所述像素阵列输出的模拟信号引出；下层芯片的正面具有互连结构、数据处理电路以及数据输出电路；所述互连结构的顶层金属互连位于与所述硅通孔结构对应的位置并与所述硅通孔结构电连接；所述数据处理电路与所述互连结构相连并将所述模拟信号转换为数字信号；所述数据输出电路与所述数据处理电路相连，用于将所述数字信号输出。

优选的，所述像素阵列包括多个像素，每个所述像素包括感光二极管及读出晶体管，所述硅通孔结构与各所述读出晶体管的输出端电连接。

优选的，所述硅通孔结构分别与所述像素阵列的每一行或每一列对应配置，每一所述硅通孔结构通过金属连线与其对应行或对应列的各所述像素的读出晶体管的输出端电连接。

优选的，所述数据处理电路至少包括模数转换模块。

优选的，所述数据输出电路纵向或横向设置于所述下层芯片中。

优选的，所述多个图像传感器芯片单元组成图像传感器芯片单元阵列，该阵列中同一列或同一行的各所述图像传感器芯片单元的数据输出电路依次连接以形成一纵向或横向的数据传输通道。

优选的，所述硅通孔结构位于所述像素阵列的两侧、单侧或四周。