堆叠半导体芯片RGBZ传感器制造技术

本发明专利技术描述了一种装置，其包括具有第一像素阵列的第一半导体芯片。第一像素阵列具有可见光敏感像素。该装置包括具有第二像素阵列的第二半导体芯片。第一半导体芯片堆叠在第二半导体芯片上，使得第二像素阵列位于第一像素阵列下方。第二像素阵列具有用于基于飞行时间的深度检测的IR光敏像素。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的领域整体上涉及电子领域，更具体地，涉及堆叠半导体芯片RGBZ传感器。
技术介绍
诸多现有计算系统包括一个或多个传统图像采集相机作为集成的外围设备。当前的趋势是通过将深度采集集成到其成像组件中来增强计算系统的成像能力。深度采集可以用于例如执行各种智能对象识别功能，如面部识别(例如用于安保系统解锁)或手部姿势识别(例如用于非接触式用户界面功能)。一种被称为“飞行时间”成像的深度信息采集方法将光从系统发射到物体上，并且对于图像传感器的多个像素中的每一个，测量光的发射和反射图像的接收之间的时间。由飞行时间像素产生的图像对应于物体的三维轮廓，其表征为在不同像素位置中的每一个处(x，y)的特定深度测量值(z)。由于诸多具有成像能力的计算系统(例如膝上型计算机、平板计算机、智能电话等)本质上是可移动的，飞行时间操作与传统图像采集的集成呈现出许多设计挑战，如成本挑战和封装挑战。
技术实现思路
本专利技术描述了一种装置，其包括具有第一像素阵列的第一半导体芯片。第一像素阵列具有可见光敏感像素。该装置包括具有第二像素阵列的第二半导体芯片。第一半导体芯片堆叠在第二半导体芯片上，使得第二像素阵列位于第一像素阵列下方。第二像素阵列具有用于基于飞行时间的深度检测的IR光敏像素。本专利技术描述了一种装置，其包括用于在第一像素阵列的表面处接收可见光和IR光的器件。该装置还包括用于利用第一像素阵列感测可见光但不感测IR光的器件，其中IR光穿过第一像素阵列。该装置还包括利用位于第一像素阵列下方的第二像素阵列感测IR光的器件。附图说明以下说明和附图用于说明本专利技术的实施例。在附图中：图1a和1b示出了堆叠半导体芯片RGBZ传感器的实施例；图2示出了堆叠半导体芯片RGBZ传感器的操作的图示；图3a至3i示出了制造堆叠半导体芯片RGBZ传感器的方法；图4a至4d示出了不同的图像传感器电路分布；图5示出了由堆叠半导体芯片RGBZ传感器执行的方法；图6示出了2D/3D相机系统的实施例。图7示出了具有2D/3D相机系统的计算系统的实施例。具体实施方式“RGBZ”图像传感器是用于在同一相机封装体内实现传统图像采集和飞行时间深度分析二者的有吸引力的解决方案。RGBZ图像传感器是包括不同种类的像素的图像传感器，其中一些像素(RGB像素)对可见光敏感，而其它像素(飞行时间像素或“Z”像素)用于测量深度信息。在通常的实施方式中，飞行时间像素被设计为对IR光敏感，因为如上所述，IR光用于飞行时间测量，使得飞行时间测量不干扰传统的RGB像素的成像功能。飞行时间像素还具有特殊的相关时钟和/或定时电路，以测量在像素处接收到光的时间。然而，因为飞行时间像素对IR光敏感，所以它们也可以被构想为用作(例如在第二模式中)IR像素而不是飞行时间像素(即IR信息被采集，但是不进行飞行时间测量)。与将RGB像素和Z像素包括在分开的封装中的解决方案相比，将RGB像素和Z像素二者集成到同一封装中会减小尺寸并降低成本。图1a和1b示出了“堆叠”RGBZ图像传感器100，其中，第一类型的像素阵列101(例如RGB像素阵列)堆叠在第二类型的像素阵列102(例如IR或Z像素阵列)的顶部上。这里，堆叠结构100包括堆叠在第二类型的功能像素108(Z)的下层上的与单纯滤光器相反的第一类型的功能像素107(RGB)。如将在下面进一步详细讨论的，在操作中，上像素阵列101被实施为背侧照明像素阵列，下像素阵列102被实施为前侧照明像素阵列。如图1a和1b的实施例中所示，背侧互连金属化层109、RGB滤光层110和微透镜阵列112位于上像素阵列101的半导体晶片104的背侧上。背侧金属化层109有助于支持在像素阵列对101、102之间的芯片到芯片的过孔116。RGB滤光层110包括不同颜色滤光器111_1、111_2，以限定上像素阵列101的RGB像素。微透镜阵列112与引线结合焊盘118一起形成在整个结构100的上表面上。形成在引线结合焊盘118上的引线结合件可以布置在封装基体上。在一些实施例中，下基体114对应于封装基体，而在其它实施例中，下基体114对应于安装在封装基体上的另一半导体芯片(在后者的实施例中，封装基体在图1b中未示出)。上像素阵列101还包括前侧金属化层103，以形成晶体管部件(如栅极和源极/漏极电极)和对应的互连层(一个或多个)，其一起形成集成在上像素阵列101上的电路。特别地，上像素阵列101包括延伸穿过上像素阵列101的半导体基体104的贯穿基体过孔115，以将金属化层103的节点连接到金属化层109的节点。下像素阵列102包括前侧互连金属化层106，其面对上像素阵列101的前侧互连金属化层103。前侧金属化层106用于形成晶体管部件(如栅极和源极/漏极电极)和对应的互连层(一个或多个)，其一起形成集成在下像素阵列102上的电路。下像素阵列102的前侧金属化层106还包括连接到过孔116的节点，过孔116连接至上像素阵列101的背侧金属化层109的节点。这些过孔116，如过孔115那样，也被实施为上像素阵列101的贯穿基体过孔。下像素阵列102的前侧金属化层106还包括连接到过孔117的附加节点，过孔117连接到结合焊盘118。类似于过孔115和116，过孔117也被实施为上像素阵列101的贯穿基体过孔。虽然图1b显示，到/来自上像素阵列101的所有输入/输出信号必须通过下像素阵列102的前侧金属化层106，但是在各个实施例中，上像素阵列101的背侧金属化层109可以支持直接连接到接合焊盘118的过孔，从而允许信号在接合焊盘和上像素阵列101之间传递，而不必横穿下像素阵列102的金属化层106。注意，图1b示出了沿着特定剖切面的堆叠RGBZ图像传感器的实施例，示出了RGB像素阵列的第一水平轴线。例如，如果对同一结构的描绘沿着更接近或更远离图1b的GBGB...轴线的下一水平轴线示出，则上像素阵列101的可见像素将替代地示出为以例如GRGR...样式替代GBGB...样式。还要注意，在图1b的实施例中，Z像素108比RGB像素大，因为例如，与可见光相比，硅具有较低的IR光灵敏度，和/或，Z像素需要更大的阱电容(wellcapacitance)。上和下像素阵列101、102的前侧金属化层103、106还可以包括相应的光导结构113、114，以将流过上像素阵列101的RGB像素的入射光耦合到下像素阵列102的Z像素中。图2描绘了图1a和1b的堆叠像素阵列结构的操作方法。如图2所示，由可见光和IR光组成的光210入射在上RGB像素阵列201的(例如背侧)表面上。如本领域中已知的，形成在上像素阵列201上的RGB滤光层110(一个或多个)包括单独瓦状(tile-like)的绿色滤光器111_1和蓝色滤光器111_2，通常以如拜耳(Bayer)图案的图案布置。每个单独的RGB滤光器不仅使具有其自身特定颜色的可见光(例如在R像素的情况下为红色，在B像素的情况下为蓝色等)通过，而且也使IR光通过。特定颜色的可见光和IR光照射在上像素阵列201的半导体基体104(例如背侧)上。上像素阵列201的像素107_1、107_2吸收可见光，并且相应于此吸收而产生针对它们相应的颜色本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：第一半导体芯片，其具有第一像素阵列，所述第一像素阵列具有可见光敏感像素；以及第二半导体芯片，其具有第二像素阵列，所述第一半导体芯片堆叠在所述第二半导体芯片上，使得所述第二像素阵列位于所述第一像素阵列下方，所述第二像素阵列具有用于基于飞行时间的深度检测的IR光敏感像素。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.22 US 14/579,8821.一种装置，包括：第一半导体芯片，其具有第一像素阵列，所述第一像素阵列具有可见光敏感像素；以及第二半导体芯片，其具有第二像素阵列，所述第一半导体芯片堆叠在所述第二半导体芯片上，使得所述第二像素阵列位于所述第一像素阵列下方，所述第二像素阵列具有用于基于飞行时间的深度检测的IR光敏感像素。2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一半导体芯片比所述第二半导体芯片薄。3.如权利要求1所述的装置，其中，所述第二半导体芯片堆叠在第三半导体芯片上。4.如权利要求3所述的装置，其中，所述第三半导体芯片包括以下中的任意项：联接到所述第一像素阵列的像素阵列电路；联接到所述第二像素阵列的像素阵列电路；联接到所述第一像素阵列的ADC电路；联接到所述第二像素阵列的ADC电路；联接到所述第一像素阵列的定时和控制电路；联接到所述第二像素阵列的定时和控制电路。5.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一半导体芯片包括以下中的任意项：联接到所述第一像素阵列的像素阵列电路；联接到所述第一像素阵列的ADC电路；联接到所述第一像素阵列的定时和控制电路。6.如权利要求1所述的装置，其中，所述第二半导体芯片包括以下中的任意项：联接到所述第二像素阵列的像素阵列电路；联接到所述第二像素阵列的ADC电路；联接到所述第二像素阵列的定时和控制电路。7.如权利要求1所述的装置，其中，所述第二半导体芯片安装在封装基体上。8.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一半导体芯片包括贯穿基体过孔。9.如权利要求1所述的装置，还包括形成在所述第一半导体芯片上的微透镜阵列。10.如权利要求9所述的装置，其中，所述第二半导体芯片不具有形成在其上的微透镜阵列。11.一种方法，包括：在第一像素阵列的表面处接收可见光和IR光；利用所述第一像素阵列感测所述可见光但不感测所述IR光，所述IR光穿过所述第一像素阵列；利用位于所述第一像素阵列下方的第二像素阵列感测所述IR光。...

【专利技术属性】
技术研发人员：温宗晋，
申请(专利权)人：谷歌公司，
类型：发明
国别省市：美国;US