CN104518090A - 图像传感单元及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感单元及其形成方法，所述图像传感单元的形成方法包括：提供像素电极材料层；对所述像素电极材料层进行处理形成像素电极，所述像素电极的表面凹凸不平，具有凸起结构；在所述像素电极表面形成有机光电转换层。上述方法可以提高图像传感单元的性能。

Description

图像传感单元及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种图像传感单元及其形成方法。
背景技术
图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号，如摄像管（video camera tube）。如今，传统的图像传感器主要分为感光耦合元件（charge-coupled device,CCD）和互补式金属氧化物半导体有源像素传感器（CMOS Active pixel sensor）两种。上述图像传感器主要通过硅光电二极管接受光信号并将光信号转换成电信号。传统图像传感器的体积较大，并且灵敏度和受光范围都有待进一步的提高。
有机图像传感器是一种新型的图像传感器，现有的有机图像传感器采用有机光电转换层取代传统的硅光电二极管作为光电转换单元。有机光电转换层接收光信号后产生电子，通过位于有机光电转换层下方的像素电极与图像传感器下层的电路进行电学连接，将电信号转换成图像输出。
有机图像传感器不但具有更小的体积，而且提高了光线的入射角，有利于提高图像传感器的感光性能。并且与传统的图像传感器相比，有机图像传感器的工艺流程更加简单，可以降低生产成本。
现有的有机图像传感器的性能还有待进一步的提高。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种图像传感单元及其形成方法，提高有机图像传感器的性能。
为解决上述问题，本发明提供一种图像传感单元及其形成方法，包括：提供像素电极材料层；对所述像素电极材料层进行处理形成像素电极，所述像素电极的表面凹凸不平，具有凸起结构；在所述像素电极表面形成有机光电转换层。
可选的，形成所述像素电极的方法包括：在所述像素电极材料层表面形成岛状分布的图形化掩膜层；以所述图形化掩膜层为掩膜，刻蚀部分厚度的像素电极材料层，使所述像素电极材料层表面形成凹槽；然后去除所述图形化掩膜层。
可选的，所述凹槽的深度为30nm～50nm。
可选的，形成所述图形化掩膜层的方法包括：在所述像素电极材料层表面形成第一掩膜层；在所述第一掩膜层表面形成岛状分布的第二掩膜层；以所述第二掩膜层为掩膜刻蚀所述第一掩膜层，形成图形化掩膜层；去除第二掩膜层。
可选的，采用化学气相沉积工艺形成所述第二掩膜层。
可选的，所述第二掩膜层的材料为硅，所述第二掩膜层为硅岛。
可选的，所述硅岛的宽度为10nm～20nm，相邻硅岛之间的距离为10nm～30nm。
可选的，所述化学气相沉积工艺采用的反应气体包括硅源气体和刻蚀气体，所述硅源气体至少包括Si3H8、SiH4、Si2H6、Si5H10中的一种，所述刻蚀气体至少包括HCl、HF、Cl2中的一种，硅源气体与刻蚀气体的浓度比为1:0.2～1:0.8，反应温度为250℃～400℃，压强为0.05托～10托，反应时间为10s～30s。
可选的，形成所述像素电极的方法包括：在所述像素电极材料层表面形成氧化层；在所述自然氧化层表面形成岛状分布的金属颗粒。
可选的，将所述像素电极材料层置于空气中，使像素电极材料层表面自然氧化，形成氧化层。
可选的，所述氧化层的厚度为0.5nm～40nm。
可选的，所述金属颗粒的材料至少包括TiN、Ti、Ta或TaN中的一种。
可选的，所述岛状分布的金属颗粒的直径为10nm～20nm，相邻金属颗粒之间的距离为10nm～30nm。
可选的，所述金属颗粒的材料与像素电极材料层的材料相同。
可选的，形成所述金属颗粒的方法为化学气相沉积工艺。
可选的，所述化学气相沉积工艺采用的反应气体包括沉积气体和刻蚀气体，所述化学气相沉积工艺采用的沉积气体包括TiCl4和NH3，所述刻蚀气体包括HCl，其中TiCl4、NH3和HCl的浓度比为1:1:0.2～1:1:0.8，反应温度为250℃～400℃，反应时间为10s～30s。
可选的，所述像素电极材料层的材料至少包括TiN、Ti、Ta或TaN中的一种。
为解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种采用上述方法形成的图像传感器，包括：像素电极，所述像素电极表面凹凸不平，具有凸起结构位于所述像素电极表面的有机光电转换层。
可选的，所述像素电极表面相邻凸起结构之间的间距为10nm～30nm，所述凸起结构的高度为30nm～50nm。
可选的，所述像素电极的材料至少包括TiN、Ti、Ta或TaN中的一种。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的技术方案，对所述像素电极材料层进行处理形成像素电极，所述像素电极的表面凹凸不平，具有凸起结构像素电极表面，与表面平坦的像素电极相比，可以提高像素电极与有机光电转换层之间的接触面积，提高了光电转换层中电子向像素电极中传输的效率，从而可以提高所述传感单元的性能。
进一步的，本发明的技术方案在像素电极材料层表面形成第一掩膜层，在第一掩膜层表面形成岛状分布的第二掩膜层，以所述第二掩膜层为掩膜刻蚀所述第一掩膜层，形成图形化掩膜层；然后以所述图形化掩膜层为掩膜，刻蚀像素电极材料层，形成凹槽和凸起结构。所述第二掩膜层采用化学气相沉积工艺形成，在沉积过程中加入刻蚀气体，从而形成岛状的第二掩膜层，可以通过沉积工艺的参数调整形成尺寸较小的第二掩膜层，从而尽可能大的提高后续形成的像素电极的表面积。
进一步的，本发明的技术方案，还可以在像素电极材料层表面形成氧化层之后，在所述氧化层表面形成岛状分布的金属颗粒，作为像素电极表面的突出结构。所述氧化层的厚度较低，不会影响像素电极材料层表面的导电性。所述金属颗粒、氧化层与像素电极材料层共同作为像素电极。所述像素电极表面具有凸起结构，即金属颗粒，可以提高像素电极与后续在所述像素电极表面形成的有机光电转换层之间的接触面积，提高传感单元的性能。
附图说明
图1至图7是本发明的第一实施例的图像传感单元的形成过程的结构示意图；
图8至图10是本发明的第二实施例的图像传感器单元的形成过程的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有技术中形成的有机图像传感器的性能还有待进一步提高。
研究发现，影响有机图像传感器的性能的一个主要因素是有机光电转换层与像素电极之间的接触面积，提高所述有机光电转换层与像素电极之间的接触面积可以提高像素电极对于有机光电转换层中的电荷的收集能力。在不增大像素电极体积的情况下，提高像素电极与有机光电转换层的接触面积，是提高有机图像传感器的有效方法。
本发明的实施例，提供一种图像传感单元，所述图像传感单元包括表面凹凸不平的像素电极，与表面平坦的像素电极相比，可以提高像素电极与有机光电转换层之间的接触面积，从而提高图像传感器的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
第一实施例
请参考图1，提供像素电极材料层100。
所述像素电极材料层100的材料为金属材料，至少包括TiN、Ti、Ta或TaN中的一种。所述像素电极材料层100形成于介质层表面，所述介质层内形成有与所述像素电极材料层连接的金属互连结构，以及位于所述金属互连结构下方电路结构。
所述像素电极材料层用于收集后续形成的有机光电转换层内形成的电子，并且通过互连结构传导至其下方的电路中。
所述像素电极材料层100可以采用化学气相沉积工艺或者溅射工艺形成。
本实施例中，所述像素电极材料层100的材料为TiN。
请参考图2，在所述像素电极材料层表面形成第一掩膜层101。
所述第一掩膜层101的材料为氮化硅或氧化硅，所述第一掩膜层101可以是单层结构或者是多层堆叠结构，例如ONO结构（氧化硅-氮化硅-氧化硅）结构。本实施例中，所述第一掩膜层101的材料为氮化硅，采用化学气相沉积工艺形成所述第一掩膜层101。
所述第一掩膜层101后续用于形成图形化掩膜层，作为刻蚀所述像素电极材料层的掩膜。
请参考图3和图4，在所述第一掩膜层101表面形成岛状分布的第二掩膜层102。所述图4为形成第二掩膜层102之后的俯视示意图。
所述第二掩膜层102呈岛状分散分布，暴露出部分第一掩膜层101的表面。后续以所述第二掩膜层102为掩膜刻蚀所述第一掩膜层，形成岛状分布的图形化掩膜层。相邻的第二掩膜层102之间的距离为10nm～30nm，第二掩膜层102的宽度为10nm～20nm。
所述第二掩膜层102采用化学气相沉积工艺形成。本实施例中所述第二掩膜层102的材料为硅，所述第二掩膜层102为硅岛。在本发明的其他实施例中，所述第二掩膜层102的材料还可以是Ge、SiGe等半导体材料或者其他易于沉积形成岛状结构的材料。
本实施例中，形成所述第二掩膜层102的具体方法包括：采用化学气相沉积工艺，所述化学气相沉积工艺中采用的反应气体包括：硅源气体和刻蚀气体，所述硅源气体为Si3H8，刻蚀气体为HCl，以及氢气，氢气作为载气，硅源气体与刻蚀气体的浓度比为1:0.2～1:0.8，反应温度为250℃～400℃，可以是350℃；压强为0.05托～10托，例如0.1托；反应时间为10s～30s，可以是20s，在所述第一掩膜层101表面形成分散分布的硅岛，作为第二掩膜层102。所述硅岛的直径为10nm～20nm，相邻硅岛之间的距离为10nm～30nm。
在本发明的其他实施例中，所述硅源气体还可以是Si3H8、SiH4、Si2H6、Si5H10中的一种或几种，所述刻蚀气体可以包括HCl、HF、Cl2中的一种或几种。
所述化学气相沉积工艺中的硅源气体，用于沉积形成硅，所述刻蚀气体，用于刻蚀形成的硅，从而在沉积形成硅的过程中，不断进行刻蚀，最终形成呈岛状的分散分布的硅岛。
所述第二掩膜层102的形状可以是半球形、半椭球形或者其他不规则形状。
在本发明的其他实施例中，也可以采用光刻工艺，在所述第一掩膜层101表面形成第二掩膜材料层之后，在所述第二掩膜材料层表面形成图形化光刻胶层，以所述图形化光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第二掩膜材料层，形成岛状分布的第二掩膜层102。但是，由于光刻分辨率的限制，形成的岛状的第二掩膜层102的尺寸会较大，形成的岛状的第二掩膜层102的数量较少，对后续形成的像素电极的表面积的提高较少。而采用化学气相沉积工艺形成所述岛状的第二掩膜层102，可以通过沉积工艺的参数形成尺寸较小的第二掩膜层102，从而尽可能大的提高后续形成的像素电极的表面积。
请参考图5，以所述第二掩膜层102为掩膜刻蚀所述第一掩膜层101（请参考图3），形成图形化掩膜层111。
采用干法刻蚀工艺，刻蚀所述第一掩膜层101，所述刻蚀气体可以是氟基气体，例如CF4、CHF3、C2F6中的一种或几种组合。
刻蚀所述第一掩膜层101，将第二掩膜层102的图形转移到第一掩膜层101内，形成图形化掩膜层111，所述图形化掩膜层111暴露出部分像素电极材料层的部分表面。
请参考图6，去除第二掩膜层102（请参考图5），以所述图形化掩膜层111为掩膜，刻蚀部分厚度的像素电极材料层100（请参考图5），在所述像素电极材料层120表面形成凹槽130，形成像素电极120，所述像素电极120包括若干凸起结构121。
采用湿法刻蚀工艺去除所述第二掩膜层102（请参考图5），所述湿法刻蚀采用的溶液可以是KOH溶液或其他刻蚀溶液。
去除所述第二掩膜层102之后，采用各向异性刻蚀工艺，以所述图形化掩膜层111为掩膜，刻蚀所述像素电极材料层100（请参考图5），形成凹槽130。所述各向异性刻蚀工艺可以是干法刻蚀工艺，采用氟基或氯基气体作为刻蚀气体，刻蚀所述像素电极材料层，形成凸起结构121。
所述凹槽130的深度为30nm～50nm，所述凹槽暴露出像素电极120的突起结构121的侧壁，与表面平坦的像素电极相比，形成所述凸起结构121增加了像素电极120的表面面积，从而提高后续在像素电极表面形成的有机光电转换层与像素电极之间的接触面积，从而提高有机光电转换层中电子向像素电极中传输的效率。
请参考图7，去除所述图形化掩膜层111，在所述像素电极120表面形成有机光电转换层130。
采用湿法刻蚀工艺去除所述图形化掩膜层111，然后采用旋涂工艺，在所述像素电极102表面形成有机光电转换层130。
所述有机光电转换层130的材料为具有较高的光电转换效率的有机材料。在光照作用下，所述有机光电转换层130内会产生较多的电子载流子，从而将光信号转换成电信号。所述有机光电转换层130的材料可以是共轭高分子材料、含有特定金属络合物结构的高分子、含有大芳香杂环结构的聚合物等有机光导电材料。所述有机光电转换层130采用旋涂工艺形成，可以是单层或者多层的结构。本实施例中，所述有机光电转换层130为多层堆叠结构，包括：掺杂香豆素6（C6）的聚羟苯基硅烷(PHPPS)层、掺杂罗丹明6G（R6G）的聚甲基苯基硅烷（PMPS）层、掺杂酞菁锌（ZnPc）的8-羟基喹啉铝层。在本发明的其他实施例中，所述有机光电转换层130的材料也可以是其他合适的有机材料。
由于所述像素电极120表面具有凸起结构121，所述有机光电转换层130与像素电极120的接触表面包括凸起结构121的顶部表面和侧壁表面以及相邻凸起结构120之间的凹槽的底部表面，与表面平坦的像素电极结构相比，本实施例中的像素电极120与有机光电转换层130之间的接触面积增大，提高了有机光电转换层130中电子向像素电极120中传输的效率，从而可以提高在所述传感单元基础上形成的有机图像传感器的性能。
本实施例还提供一种采用上述方法形成的图像传感单元。
请参考图7，所述图像传感单元包括：像素电极120，所述像素电极120包括表面的凸起结构121，位于所述像素电极120表面的有机光电转换层130。
所述凸起结构121的高度为30nm～50nm，相邻凸起结构121之间的距离为10nm～30nm，凸起结构121的宽度为10nm～20nm。
本实施例中的像素电极120与有机光电转换层130之间的接触面积增大，提高了有机光电转换层130中电子向像素电极120中传输的效率，从而可以提高在所述传感单元基础上形成的有机图像传感器的性能。
第二实施例
本实施例中，提供了另一种传感单元的形成方法。
请参考图8，在所述像素电极材料层100表面形成氧化层200。
本实施例中，将所述像素电极材料层100至于空气中，使所述像素电极材料层100表面自然氧化，形成氧化层200。自然氧化的步骤较为简单，并且所形成的氧化层200的厚度较低，不会影响所述像素电极材料层100表面的导电性能。所述氧化层200的厚度为0.5nm～40nm。
请参考图9，在所述氧化层200表面形成岛状分布的金属颗粒201。
所述金属颗粒201分散分布在氧化层200的表面，暴露出部分氧化层200的表面。
所述金属颗粒201的材料至少包括TiN、Ti、Ta或TaN中的一种。本实施例中，所述金属颗粒201的材料与像素电极材料层100的材料相同，均为TiN。
采用化学气相沉积工艺，形成所述金属颗粒201。具体的，所述化学气相沉积工艺采用的反应气体包括沉积气体和刻蚀气体，所述化学气相沉积工艺采用的沉积气体包括TiCl4和NH3，所述刻蚀气体包括HCl；其中TiCl4、NH3和HCl的浓度比为1:1:0.2～1:1:0.8，可以是1:1:0.5；反应温度为250℃～400℃，可以是300℃；反应时间为10s～30s，可以是20s。所述岛状分布的金属颗粒201的直径为10nm～20nm，相邻金属颗粒201之间的距离为10nm～30nm。
所述化学气相沉积工艺中的沉积气体，用于沉积形成TiN，所述刻蚀气体，用于刻蚀形成的TiN，从而在沉积形成TiN的过程中，不断进行刻蚀，最终形成呈岛状的分散分布的金属颗粒。
并且，在所述像素电极材料层100表面形成一层氧化层200，可以避免沉积过程中，所述刻蚀气体对像素电极材料层100进行刻蚀。并且，所述氧化层200的厚度较薄，并不会影响像素电极材料层100与金属颗粒201之间的导电性。
所述金属颗粒201、氧化层200与像素电极材料层100共同作为像素电极。所述像素电极表面具有凸起结构，即金属颗粒201，可以提高像素电极与后续在所述像素电极表面形成的有机光电转换层之间的接触面积，提高传感单元的性能。
请参考图10，在所述像素电极表面形成有机光电转换层202。
所述有机光电转换层202的材料为具有较高的光电转换效率的有机材料。在光照作用下，所述有机光电转换层202内会产生较多的电子载流子，从而将光信号转换成电信号。所述有机光电转换层202可以采用旋涂工艺形成。所述有机光电转换层202与像素电极之间的接触面增大，可以提高图像传感单元的性能。
本实施例还提供一种采用上述方法形成的图像传感单元。
请参考图10，所述图像传感单元包括：像素电极材料层100、位于所述像素电极材料层100表面的氧化层200，所述氧化层200用于保护所述像素电极材料层100的表面、位于所述氧化层200表面的岛状分布的金属颗粒201、覆盖所述氧化层200、金属颗粒201表面的有机光电转换层202。
所述岛状分布的金属颗粒201的直径为10nm～20nm，相邻金属颗粒201之间的距离为10nm～30nm。
所述金属颗粒201的材料至少包括TiN、Ti、Ta或TaN中的一种。本实施例中，所述金属颗粒201的材料与像素电极材料层100的材料相同，均为TiN。
所述金属颗粒201、氧化层200与像素电极材料层100共同作为像素电极。所述像素电极表面具有凸起结构，即金属颗粒201，可以提高像素电极与有机光电转换层202之间的接触面积，提高传感单元的性能。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (20)

1.一种图像传感单元的形成方法，其特征在于，包括：
提供像素电极材料层；
对所述像素电极材料层进行处理形成像素电极，所述像素电极的表面凹凸不平，具有若干凸起结构；
在所述像素电极表面形成有机光电转换层。
2.根据权利要求1所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，形成所述像素电极的方法包括：在所述像素电极材料层表面形成岛状分布的图形化掩膜层；以所述图形化掩膜层为掩膜，刻蚀部分厚度的像素电极材料层，使所述像素电极材料层表面形成凹槽；然后去除所述图形化掩膜层。
3.根据权利要求2所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述凹槽的深度为30nm～50nm。
4.根据权利要求2所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，形成所述图形化掩膜层的方法包括：在所述像素电极材料层表面形成第一掩膜层；在所述第一掩膜层表面形成岛状分布的第二掩膜层；以所述第二掩膜层为掩膜刻蚀所述第一掩膜层，形成图形化掩膜层；去除第二掩膜层。
5.根据权利要求4所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，采用化学气相沉积工艺形成所述第二掩膜层。
6.根据权利要求5所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述第二掩膜层的材料为硅，所述第二掩膜层为硅岛。
7.根据权利要求6所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述硅岛的宽度为10nm～20nm，相邻硅岛之间的距离为10nm～30nm。
8.根据权利要求6所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述化学气相沉积工艺采用的反应气体包括硅源气体和刻蚀气体，所述硅源气体至少包括Si3H8、SiH4、Si2H6、Si5H10中的一种，所述刻蚀气体至少包括HCl、HF、Cl2中的一种，硅源气体与刻蚀气体的浓度比为1:0.2～1:0.8，反应温度为250℃～400℃，压强为0.05托～10托，反应时间为10s～30s。
9.根据权利要求1所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，形成所述像素电极的方法包括：在所述像素电极材料层表面形成氧化层；在所述自然氧化层表面形成岛状分布的金属颗粒。
10.根据权利要求9所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，将所述像素电极材料层置于空气中，使像素电极材料层表面自然氧化，形成氧化层。
11.根据权利要求10所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述氧化层的厚度为0.5nm～40nm。
12.根据权利要求9所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述金属颗粒的材料至少包括TiN、Ti、Ta或TaN中的一种。
13.根据权利要求12所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述岛状分布的金属颗粒的直径为10nm～20nm，相邻金属颗粒之间的距离为10nm～30nm。
14.根据权利要求12所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述金属颗粒的材料与像素电极材料层的材料相同。
15.根据权利要求12所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，形成所述金属颗粒的方法为化学气相沉积工艺。
16.根据权利要求15所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述金属颗粒的材料为TiN时，所述化学气相沉积工艺采用的反应气体包括沉积气体和刻蚀气体，所述化学气相沉积工艺采用的沉积气体包括TiCl4和NH3，所述刻蚀气体包括HCl，其中TiCl4、NH3和HCl的浓度比为1:1:0.2～1:1:0.8，反应温度为250℃～400℃，反应时间为10s～30s。
17.根据权利要求1所述的图像传感单元的形成方法，其特征在于，所述像素电极材料层的材料至少包括TiN、Ti、Ta或TaN中的一种。
18.一种图像传感单元，其特征在于，包括:
像素电极，所述像素电极表面凹凸不平，具有凸起结构；
位于所述像素电极表面的有机光电转换层。
19.根据权利要求18所述的图像传感单元，其特征在于，所述像素电极表面相邻凸起结构之间的间距为10nm～30nm，所述凸起结构的高度为30nm～50nm。
20.根据权利要求18所述的图像传感单元，其特征在于，所述像素电极的材料至少包括TiN、Ti、Ta或TaN中的一种。
CN201310455828.1A 2013-09-29 2013-09-29 图像传感单元及其形成方法 Active CN104518090B (zh)

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