CN107768394A - 一种图像传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图像传感器，从下往上依次包括：衬底、晶体管、金属连线、凹槽和微透镜，还包括填充在晶体管、金属连线和凹槽之间的层间介质；镶嵌在层间介质顶端的凹槽数量大于等于4，且每个凹槽被层间介质隔离开，所述凹槽包括白色像素凹槽、红色像素凹槽、绿色像素凹槽和蓝色像素凹槽，所述白色像素凹槽中填充全透光薄膜，其余凹槽中填充量子点薄膜；所述微透镜覆盖在凹槽上方，呈球形凸状结构，并和凹槽一一对应。本发明提供的一种图像传感器利用量子点薄膜可自身发光的性质，通过制备不同直径大小的量子点薄膜，发出红、绿、蓝三种基色，并采用了WRGB排布阵列，同时提高了输出图像的质量、分辨率、对比度和色彩饱和度。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种图像传感器及其制作方法。
背景技术
图像传感器是指利用光电器件的光-电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的图像电信号的一种功能器件，广泛应用于图像处理、电视、自动控制、测量和机器人等领域。目前广泛应用的主要有CCD图像传感器和CMOS图像传感器。
每个图像传感器都是由大量感光器件组成的感光器件阵列。每个感光器件对应图像传感器中的一个像点。硅基感光器件的结构为光电二极管，由于光电二极管只能感应光的强度，不能直接捕获入射光的色彩信息，因此必须在感光器件上方覆盖彩色滤光片来获得红、绿、蓝三种基色，如附图1所示。但是在感光器件上面制作彩色滤光片工艺过程中会产生颗粒、空洞、位错、混色以及表面损伤等问题，这些问题影响了感光元件对光线的接收和反馈，大大降低了传感器的整体性能和成品率。据统计，彩色滤光片的工艺可以造成传感器5％～10％的良率损失。
量子点(quantum dot)是准零维的纳米晶体，由少量的原子构成，形态上一般为球形或类球形，是由半导体材料(通常由II B～ⅥB或IIIB～VB元素组成)制成的、稳定直径在2～ 10nm的纳米粒子。量子点是纳米尺寸的半导体晶粒，它具有禁带宽度随尺寸可调的特性，其光吸收特性也是随之可调。它能在特定的波长下发光，通过选择合适的量子点材料和薄膜直径大小，量子点薄膜能发出不同颜色的单色光，若能在图像传感器中利用这个性质，就不需要添加彩色滤光片，从而避免了图像传感器的整体性能和成品率的降低以及良率的损失。同时现有技术中的RGB拜耳彩色排布阵列已经不能满足目前像素的灵敏度和动态范围，无法进一步提高输出图像的对比度和色彩饱和度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为提供一种图像传感器及其制作方法，所述图像传感器利用量子点薄膜可自身发光的性质，通过制备不同直径大小的量子点薄膜，发出红、绿、蓝三种基色，并采用了WRGB排布阵列，同时提高了输出图像的质量、分辨率、对比度和色彩饱和度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种图像传感器，从下往上依次包括：衬底、晶体管、金属连线、凹槽和微透镜，还包括填充在晶体管、金属连线和凹槽之间的层间介质；所述凹槽镶嵌在层间介质顶端，其数量大于等于4，且每个凹槽被层间介质隔离开，所述凹槽包括白色像素凹槽、红色像素凹槽、绿色像素凹槽和蓝色像素凹槽，且每个颜色的像素凹槽数量不少于一个，所述白色像素凹槽中填充全透光薄膜，其余凹槽中填充量子点薄膜，一个凹槽中的量子点薄膜由直径相同的量子点组成，且位于不同凹槽中的量子点的直径不完全相同；所述微透镜覆盖在凹槽上方，呈球形凸状结构，并和凹槽一一对应。
进一步地，所述全透光薄膜为热硬化树脂组合物或光硬化树脂组合物。
进一步地，所述量子点薄膜包括能够显示蓝光的蓝光量子点薄膜、能够显示绿光的绿光量子点薄膜和能够显示红光的红光量子点薄膜，分别填充在蓝色像素凹槽、绿色像素凹槽和红色像素凹槽中。
进一步地，每个凹槽中的量子点薄膜或全透光薄膜具有相同的厚度。
进一步地，所述白色像素凹槽、红色像素凹槽、绿色像素凹槽和蓝色像素凹槽按照WRGB阵列排布。
进一步地，所述蓝光量子点薄膜中的量子点直径为2nm。
进一步地，所述绿光量子点薄膜中的量子点直径为3nm。
进一步地，所述红光量子点薄膜中的量子点直径为8nm。
本发明提供的一种图像传感器的制作方法，包括以下步骤：
S01：在衬底上形成晶体管；
S02：在晶体管周围及其上方形成层间介质，并在层间介质中填充金属连线；
S03：在金属连线上方制备镶嵌在层间介质顶端的凹槽，所述凹槽的数量大于等于4，且每个凹槽被层间介质隔离开；
S04：将全透光薄膜填充在白色像素凹槽中；
S05：制备直径不完全相同的量子点薄膜，在剩余凹槽中填充量子点薄膜，且一个凹槽中的量子点薄膜由直径相同的量子点组成，位于不同凹槽中的量子点的直径不完全相同；
S06：在每个凹槽上方制作球形凸状结构的微透镜，形成图像传感器。
进一步地，步骤S04中量子点薄膜的制作方法为金属有机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法、微乳液法、溶胶-凝胶法、溶剂热法以及共沉淀法中的一种。
本发明的有益效果为：利用量子点薄膜可自身发光的性质，通过制备不同直径大小的量子点薄膜，发出红、绿、蓝三种基色，取代了彩色滤光片的作用，避免了因制作彩色滤光片产生的良率损失问题，而且，量子点薄膜自身发出的光比采用采用滤光片发出的光更加的纯正，可大幅提高输出图像的质量和分辨率。同时，在像素排布方法上，采用了新的排布阵列，即在传统RGB拜尔彩色排布阵列中，将一个绿色光像素单元用白色光像素单元替代，形成WRGB排布，可提高像素的灵敏度和动态范围，从而提高输出图像的对比度和色彩饱和度。
附图说明
图1为现有技术中的图像传感器。
图2为本发明一种图像传感器的结构示意图。
图3为本发明采用的彩色排布阵列。
图4-9为本发明制作图像传感器的过程图。
图中：1衬底，21晶体管，2晶体管的栅氧化层，3晶体管的多晶硅栅极，4晶体管的源漏区，5层间介质，6金属连线，7凹槽，8顶层层间介质，9全透光薄膜，10白色像素凹槽，11红色像素凹槽，12绿色像素凹槽，13蓝色像素凹槽，14量子点薄膜，15微透镜，16入射光线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图2所示，本发明提供的一种图像传感器，从下往上依次包括：衬底1、晶体管21、金属连线6、凹槽7和微透镜15，还包括填充在晶体管、金属连线和凹槽之间的层间介质；镶嵌在层间介质顶端的凹槽数量大于等于4，且每个凹槽被层间介质隔离开，每种颜色的凹槽数量不少于一个。凹槽包括白色像素凹槽10、红色像素凹槽11、绿色像素凹槽12 和蓝色像素凹槽13，白色像素凹槽10中填充全透光薄膜9，其余凹槽中填充量子点薄膜 14，一个凹槽中的量子点薄膜由直径相同的量子点组成，且位于不同凹槽中的量子点的直径不完全相同；微透镜15覆盖在凹槽上方，呈球形凸状结构，并和凹槽一一对应，入射光从微透镜上方入射至图像传感器中。
本发明中的核心思想之一就是利用量子点薄膜可自身发光的性质，通过制备不同直径大小的量子点薄膜，发出红、绿、蓝三种基色，取代了彩色滤光片的作用，避免了因制作彩色滤光片产生的良率损失问题。同一凹槽中的量子点薄膜由同一直径的量子点组成，每个凹槽中需要填充的量子点直径根据该图像传感器的最终功能决定。本发明以彩色图像传感器为例，但不限于彩色图像传感器。当图像传感器显示彩色时，其中需要显示出图像中的红色、蓝色和绿色。本发明图像传感器中的量子点薄膜包括能够显示蓝光的蓝光量子点薄膜、能够显示绿光的绿光量子点薄膜和能够显示红光的红光量子点薄膜，分别填充在蓝色像素凹槽、绿色像素凹槽和红色像素凹槽中。其中，蓝光量子点薄膜由直径为2nm的量子点组成，绿光量子点薄膜由直径为3nm的量子点组成，红光量子点薄膜由直径为8nm 的量子点组成。
本发明的核心思想之二采用了新的排布阵列，即在传统RGB拜尔彩色排布阵列中，将一个绿色光像素单元用白色光像素单元替代，形成WRGB排布，如附图3所示。这就使得本发明含有白色像素凹槽，并且在白色像素凹槽中填充全透光薄膜，本发明中的全透光薄膜为热硬化树脂组合物或光硬化树脂组合物。从而使得本发明中白色像素凹槽、红色像素凹槽、绿色像素凹槽和蓝色像素凹槽按照WRGB阵列排布。
其中，本发明中层间介质和金属连线的层数以及连接关系可以有多种实现方式，以能够实现本发明中的连接以及隔离目的为准，以下举例说明其中一种连接关系：金属连线从下往上依次包括接触孔、第一金属层、第一层通孔、第二金属层和第二层通孔。第一金属层位于晶体管的上方，用于电性连接，第二金属层位于第一金属层和凹槽之间，用于电性连接；接触孔用于连接晶体管和第一金属层，具体地，接触孔位于晶体管的两端，用于连接晶体管的源漏区与第一金属层，第一层通孔位于第一金属层和第二金属层之间，用于连接第一金属层和第二金属层，第二层通孔位于第二金属层和凹槽之间，用于连接第二金属层和凹槽。
层间介质包括第一层间介质、第二层间介质、第三层间介质和顶层层间介质，第一层间介质填充在晶体管和第一金属层之间，用于隔离晶体管和第一金属层，并将晶体管以及接触孔彼此隔离开。第二层间介质填充在第一金属层和第二金属层之间，用于隔离第一金属层和第二金属层，并将位于第一金属层和第二金属层之间的第一层通孔隔离开。第三层间介质填充在第二金属层和金属电极之间，用于隔离第二金属层和凹槽，并将位于第二金属层和金属电极之间的第二层通孔彼此隔离开。顶层层间介质填充在凹槽之间，用于将凹槽彼此隔离开。
本发明一种图像传感器制作方法的流程图，包括以下步骤：
S01：如图4所示，在衬底上形成晶体管；采用CMOS前道制造工艺依次在硅衬底1 上形成传输晶体管、复位晶体管、行选晶体管和源跟随器晶体管的栅氧化层2、多晶硅栅极3和源漏区4。
S02：如图5所示，在晶体管周围及其上方形成层间介质，并在层间介质中填充金属连线；采用CMOS后道金属互连制造工艺，通过光刻、刻蚀、沉积和化学机械抛光等工艺，在步骤01的基础上依次形成层间介质5和金属连线6。需要说明的是，本发明中层间介质和金属连线的层数不局限于附图中所列举的层数，本实施例以两层金属连线为例，层间介质包括第一层间介质、第二层间介质、第三层间介质和顶层层间介质，金属连线从下往上依次包括接触孔、第一金属层、第一层通孔、第二金属层和第二层通孔，具体连接方式参考上述描述，在此不做详述介绍。
S03：如图6所示，在金属连线上方采用光刻和刻蚀工艺，制备镶嵌在层间介质顶端的凹槽7，且所有凹槽均镶嵌在层间介质顶端，数量大于等于4，且每个凹槽被顶层层间介质8隔离开，凹槽包括白色像素凹槽10、红色像素凹槽11、绿色像素凹槽12和蓝色像素凹槽13，且每个颜色的像素凹槽数量不少于一个。
S04：如图7所示，将全透光薄膜9填充在白色像素凹槽10中，全透光薄膜为热硬化树脂组合物或光硬化树脂组合物。
S05：如图8、图9所示，制备直径不完全相同的量子点薄膜，在剩余凹槽中填充量子点薄膜，且一个凹槽中的量子点薄膜由直径相同的量子点组成，位于不同凹槽中的量子点的直径不完全相同。其中，采用但不限于金属有机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法、微乳液法、溶胶-凝胶法、溶剂热法以及共沉淀法等制备不同晶粒尺寸的量子点。其中，晶粒尺寸为2nm的量子点薄膜显示蓝色，晶粒尺寸为3nm的量子点薄膜显示绿色，晶粒尺寸为8nm的量子点薄膜显示红色。采用但不限于滴注法，将上述制备好的蓝光量子点薄膜填充在蓝色像素凹槽13中，绿光量子点薄膜填充在绿色像素凹槽12中，红光量子点薄膜填充在红色像素凹槽11中，且本发明中白色像素凹槽、红色像素凹槽、绿色像素凹槽和蓝色像素凹槽按照WRGB阵列排布。
S06：在每个凹槽上方制作球形凸状结构的微透镜，形成图像传感器。
利用量子点薄膜可自身发光的性质，通过制备不同直径大小的量子点薄膜，发出红、绿、蓝三种基色，取代了彩色滤光片的作用，避免了因制作彩色滤光片产生的良率损失问题，而且，量子点薄膜自身发出的光比采用采用滤光片发出的光更加的纯正，可大幅提高输出图像的质量和分辨率。同时，在像素排布方法上，采用了新的排布阵列，即在传统 RGB拜尔彩色排布阵列中，将一个绿色光像素单元用白色光像素单元替代，形成WRGB 排布，可提高像素的灵敏度和动态范围，从而提高输出图像的对比度和色彩饱和度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种图像传感器，其特征在于，从下往上依次包括：衬底、晶体管、金属连线、凹槽和微透镜，还包括填充在晶体管、金属连线和凹槽之间的层间介质；所述凹槽镶嵌在层间介质顶端，其数量大于等于4，且每个凹槽被层间介质隔离开，所述凹槽包括白色像素凹槽、红色像素凹槽、绿色像素凹槽和蓝色像素凹槽，且每个颜色的像素凹槽数量不少于一个，所述白色像素凹槽中填充全透光薄膜，其余凹槽中填充量子点薄膜，一个凹槽中的量子点薄膜由直径相同的量子点组成，且位于不同凹槽中的量子点的直径不完全相同；所述微透镜覆盖在凹槽上方，呈球形凸状结构，并和凹槽一一对应。
2.根据权利要求1所述的一种图像传感器，其特征在于，所述全透光薄膜为热硬化树脂组合物或光硬化树脂组合物。
3.根据权利要求1所述的一种图像传感器，其特征在于，所述量子点薄膜包括能够显示蓝光的蓝光量子点薄膜、能够显示绿光的绿光量子点薄膜和能够显示红光的红光量子点薄膜，分别填充在蓝色像素凹槽、绿色像素凹槽和红色像素凹槽中。
4.根据权利要求3所述的一种图像传感器，其特征在于，每个凹槽中的量子点薄膜或全透光薄膜具有相同的厚度。
5.根据权利要求3所述的一种图像传感器，其特征在于，所述白色像素凹槽、红色像素凹槽、绿色像素凹槽和蓝色像素凹槽按照WRGB阵列排布。
6.根据权利要求3所述的一种图像传感器，其特征在于，所述蓝光量子点薄膜中的量子点直径为2nm。
7.根据权利要求3所述的一种图像传感器，其特征在于，所述绿光量子点薄膜中的量子点直径为3nm。
8.根据权利要求3所述的一种图像传感器，其特征在于，所述红光量子点薄膜中的量子点直径为8nm。
9.一种图像传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：在衬底上形成晶体管；
S02：在晶体管周围及其上方形成层间介质，并在层间介质中填充金属连线；
S03：在金属连线上方制备镶嵌在层间介质顶端的凹槽，所述凹槽的数量大于等于4，且每个凹槽被层间介质隔离开；
S04：将全透光薄膜填充在白色像素凹槽中；
S05：制备直径不完全相同的量子点薄膜，在剩余凹槽中填充量子点薄膜，且一个凹槽中的量子点薄膜由直径相同的量子点组成，位于不同凹槽中的量子点的直径不完全相同；
S06：在每个凹槽上方制作球形凸状结构的微透镜，形成图像传感器。
10.根据权利要求9所述的一种图像传感器的制作方法，其特征在于，步骤S04中量子点薄膜的制作方法为金属有机合成法、水相合成法、连续离子层吸附反应法、微乳液法、溶胶-凝胶法、溶剂热法以及共沉淀法中的一种。
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