CN107819000A - 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及其制作方法，该图像传感器从下往上依次包括：衬底、晶体管、金属连线、凹槽、量子点薄膜和微透镜，还包括填充在晶体管、金属连线和凹槽中的层间介质，用于隔离晶体管、金属连线和凹槽；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，所述凹槽的底面设置金属电极，所述量子点薄膜填充在凹槽中，所述每个凹槽中的量子点薄膜由同一直径的量子点组成，并且位于不同凹槽中的量子点的直径不完全相同；所述微透镜覆盖在所述量子点薄膜上方，呈球形凸状结构，并和量子点薄膜一一对应。本发明提供的一种图像传感器，避免了因制作彩色滤光片产生的良率损失问题。
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，因此若想获得彩色图像，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本色。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5％～10％的良率的损失。
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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种图像传感器及其制作方法，利用不同直径大小的量子点薄膜可发出不同种色光的这个性质，不使用彩色滤光片，通过采用不同直径的量子点薄膜直接产生红绿蓝三种基本色，达到图像输出的目的。避免了因制作彩色滤光片产生的良率损失问题。
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、量子点薄膜和微透镜，还包括填充在晶体管、金属连线和凹槽之间的层间介质，用于隔离晶体管、金属连线和凹槽；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，所述凹槽的底面设置金属电极，所述量子点薄膜填充在凹槽中，每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；所述微透镜覆盖在所述量子点薄膜上方，呈球形凸状结构，并和量子点薄膜一一对应。
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，分别填充在不同的凹槽中。
进一步地，所述蓝光量子点薄膜的直径为2nm。
进一步地，所述绿光量子点薄膜的直径为3nm。
进一步地，所述红光量子点薄膜的直径为8nm。
进一步地，所述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，所述第一金属层位于晶体管的上方，用于电性连接，所述第二金属层位于第一金属层和凹槽之间，用于电性连接；所述接触孔用于连接晶体管和第一金属层，所述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，所述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中的金属电极。
进一步地，所述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，所述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，所述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；所述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，所述顶层层间介质填充在凹槽之间，用于将凹槽彼此隔离开。
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金属电极以及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：制备直径不完全相同的量子点，并分别在同一凹槽中填充直径相同的量子点，形成量子点薄膜；
S05：在每个量子点薄膜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。
进一步地，步骤S04中量子点薄膜通过滴注法填充在凹槽中。
本发明的有益效果为：本发明中图像传感器利用不同直径大小的量子点薄膜可发出不同种色光的这个性质，不使用彩色滤光片，通过采用不同直径的量子点薄膜直接产生红绿蓝三种基本色，达到图像输出的目的。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。
附图说明
图1为本发明一种图像传感器的结构示意图。
图2为本发明一种图像传感器制作方法的流程图。
图3-图10为本发明制作图像传感器的过程图，
图中：1硅衬底，2栅氧化层，3多晶硅栅极，4晶体管的源漏区，21晶体管，5第一层间介质，6接触孔，7第一金属层，8第二层间介质，9第一层通孔，10第二金属层，11第三层间介质，12第二层通孔，13金属电极层，131金属电极，14顶层层间介质，15量子点薄膜，16微透镜，17金属连线，18层间介质。
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1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、晶体管21、金属连线、凹槽、量子点薄膜15和微透镜16，还包括填充在晶体管21、金属连线17和凹槽之间的层间介质18，用于隔离晶体管21、金属连线17和凹槽；凹槽的数量大于等于4，且每个凹槽被层间介质隔离开，凹槽的底面安装金属电极131，金属电极用于加载信号并传输电流，量子点薄膜15填充在凹槽中；每个量子点薄膜由同一直径的量子点组成，并且位于不同凹槽中的量子点的直径不完全相同，微透镜覆盖在量子点薄膜上方，呈球形凸状结构，并和量子点薄膜一一对应，入射光通过微透镜汇聚在量子点薄膜上。在彩色图像传感器中，图像传感器中的颜色排布通常按照拜耳阵列进行排布，因此至少需要2个绿色，1个蓝色和1个红色的像素排列。
其中，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，并且上述颜色在图像传感器中按照拜耳阵列或者类似阵列进行排布。因此，针对彩色图像的获得，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。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。
金属连线17从下往上依次包括接触孔6、第一金属层7、第一层通孔9、第二金属层10和第二层通孔12。第一金属层7位于晶体管21的上方，用于电性连接，第二金属层10位于第一金属层7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6位于晶体管21的两端，用于连接晶体管的源漏区与第一金属层7，第一层通孔9位于第一金属层7和第二金属层10之间，用于连接第一金属层7和第二金属层10，第二层通孔12位于第二金属层10和凹槽之间，用于连接第二金属层10和凹槽中的金属电极131。
层间介质18包括第一层间介质5、第二层间介质8、第三层间介质11和顶层层间介质14，第一层间介质5填充在晶体管21和第一金属层7之间，用于隔离晶体管21和第一金属层7，并将晶体管21以及接触孔6彼此隔离开。第二层间介质8填充在第一金属层7和第二金属层10之间，用于隔离第一金属层7和第二金属层10，并将位于第一金属层7和第二金属层10之间的第一层通孔9隔离开。第三层间介质11填充在第二金属层10和金属电极131之间，用于隔离第二金属层10和凹槽，并将位于第二金属层10和金属电极131之间的第二层通孔12彼此隔离开。顶层层间介质14填充在凹槽之间，用于将凹槽彼此隔离开。
如图2所示，为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3所示，在衬底上形成晶体管；衬底选用硅衬底，在硅衬底上，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、以上晶体管的多晶硅栅极3、以上晶体管的源漏区4。
S02：如图4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。本实施例以两层金属连线为例，金属连线包括接触孔6、第一金属层7、第一层通孔9、第二金属层10和第二层通孔12，相对应的层间介质包括第一层间介质5、第二层间介质8、第三层间介质11和顶层层间介质14，但金属连线的层数不局限于本实施例中的层数，本实施例中，采用光刻、刻蚀、沉积和化学机械抛光等工艺，在S01的基础上依次形成第一层间介质5，用于晶体管与第一金属层7之间的隔离；接触孔6，用于连接晶体管与第一金属层7；第一金属层7，用于电性连接；第二层间介质8，用于第一金属层7和第二金属层10之间的隔离；第一层通孔9，用来连接第一金属层7与第二金属层10。第二金属层10，用于电性连接；第三层间介质11，用于第二金属层10与凹槽之间的隔离；第二层通孔12，用于第二金属层10与金属电极之间的连接。
S03：在金属连线上方制备金属电极以及位于镶嵌在层间介质顶端的凹槽，凹槽的数量大于等于4，且每个凹槽被层间介质隔离开。具体包括以下步骤：
S0301：如图5所示，在顶层层间介质11上方，用金属溅射的方法形成金属电极层13，其中，金属电极层选用TiN材料，厚度为1微米。
S0302：如图6所示，通过光刻、刻蚀方法将金属电极层图形化，去除多余的TiN，形成金属电极131。
S0303：如图7所示，用化学气相沉积方法在金属电极131上方继续沉积顶层层间介质14。
S0304：如图8所示，采用光刻和刻蚀工艺将绝缘介质14图形化，形成用于填充量子点薄膜的凹槽，凹槽底部与第二层金属之间有第三层间介质14隔离，且每个凹槽之间有顶层层间介质14相互隔离。
S04：如图9所示，制备直径不完全相同的量子点，并分别在同一凹槽中填充直径相同的量子点，形成量子点薄膜15。
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，将上述制备好的不同晶粒尺寸的量子点分别按照拜耳阵列的排布填充在凹槽中。当然，也可以按照其他需要的阵列进行填充，在此不做详细阐述。
S05：如图10所示，在每个量子点薄膜上方制作球形凸状结构的微透镜16，形成图像传感器。现有技术中制作微透镜的方法均适用于本发明，在此不做详细阐述。
采用上述方法制备的图像传感器，利用不同直径大小的量子点薄膜可发出不同种色光的这个性质，不使用彩色滤光片，通过采用不同直径的量子点薄膜直接产生红绿蓝三种基本色，达到图像输出的目的。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。
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、量子点薄膜和微透镜，还包括填充在晶体管、金属连线和凹槽之间的层间介质，用于隔离晶体管、金属连线和凹槽；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，所述凹槽的底面设置金属电极，所述量子点薄膜填充在凹槽中，每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；所述微透镜覆盖在所述量子点薄膜上方，呈球形凸状结构，并和量子点薄膜一一对应。
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，分别填充在不同的凹槽中。
3.根据权利要求2所述的一种图像传感器，其特征在于，所述蓝光量子点薄膜的直径为2nm。
4.根据权利要求2所述的一种图像传感器，其特征在于，所述绿光量子点薄膜的直径为3nm。
5.根据权利要求2所述的一种图像传感器，其特征在于，所述红光量子点薄膜的直径为8nm。
6.根据权利要求1所述的一种图像传感器，其特征在于，所述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，所述第一金属层位于晶体管的上方，用于电性连接，所述第二金属层位于第一金属层和凹槽之间，用于电性连接；所述接触孔用于连接晶体管和第一金属层，所述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，所述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中的金属电极。
7.根据权利要求6所述的一种图像传感器，其特征在于，所述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，所述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，所述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；所述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，所述顶层层间介质填充在凹槽之间，用于将凹槽彼此隔离开。
8.一种制作权利要求1所述的图像传感器的方法，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金属电极以及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：制备直径不完全相同的量子点，并分别在同一凹槽中填充直径相同的量子点，形成量子点薄膜；
S05：在每个量子点薄膜上方制作球形凸状结构的微透镜，形成图像传感器。
9.根据权利要求8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。
10.根据权利要求8所述的一种图像传感器，其特征在于，步骤S04中量子点薄膜通过滴注法填充在凹槽中。
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| CN (1) | CN107819000A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050101049A1 (en) * | 2003-11-12 | 2005-05-12 | Magnachip Semiconductor, Ltd. | Method for manufacturing CMOS image sensor |
| CN104516149A (zh) * | 2015-01-16 | 2015-04-15 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种液晶显示面板及显示装置 |
| US20160013232A1 (en) * | 2014-07-11 | 2016-01-14 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Image sensor device with improved quantum efficiency |
| CN106601766A (zh) * | 2016-12-20 | 2017-04-26 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种量子点薄膜图像传感器结构及其制造方法 |
| CN106816447A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-06-09 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 采用量子点薄膜进行光电转换的图像传感器及制备方法 |
-
2017
- 2017-09-26 CN CN201710879159.9A patent/CN107819000A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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