CN110010635A - 图像传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种图像传感器及其制作方法，图像传感器，包括：衬底，所述衬底中形成有信号器件，所述衬底上设置有接触下电极层，所述接触下电极层与所述信号器件电连接；多孔非晶硅薄膜层，所述多孔非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层，所述多孔非晶硅薄膜层包括非晶硅薄膜层、分布在所述非晶硅薄膜层中的若干孔，以及填充在若干所述孔中的量子点。本发明能有效检测红外波长，提高图像传感器的吸光率，图像传感器具有低暗电导，高开关比，高灵敏度，及更宽的响应光谱特性，且量子点填充率高，使图像传感器的质量更好。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，特别涉及一种图像传感器及其制作方法。
背景技术
图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置。目前广泛应用的主要有CCD图像传感器和CMOS图像传感器。
CMOS图像传感器指的是在硅衬底上采用CMOS工艺进行加工的图像传感器技术，由于其具有低功耗，低成本，技术成熟和与CMOS工艺兼容等特点，因此在各个领域得到了广泛的应用。
然而，一方面，CMOS图像传感器的优势在可见光的成像，对于短波红外等波长较长的入射光的检测需要特殊的制造工艺，制造成本较高，且转换效率较低。另一方面由于传统的CMOS图像传感器通过令像素变得更小来提高分辨率，这意味着每个像素对光线的敏感度更低，从而降低了图像传感器的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器及其制作方法，能有效检测红外波长，还提高图像传感器的质量。
为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器，包括：
衬底，所述衬底中形成有信号器件，所述衬底上设置有接触下电极层，所述接触下电极层与所述信号器件电连接；
多孔非晶硅薄膜层，所述多孔非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层，所述多孔非晶硅薄膜层包括非晶硅薄膜层、分布在所述非晶硅薄膜层中的若干孔，以及填充在若干所述孔中的量子点。
可选地，所述多孔非晶硅薄膜层的厚度为10nm～1000nm，所述多孔非晶硅薄膜层的孔隙率为60％～90％，每个所述孔的孔径范围为2nm～100nm，若干所述孔呈海绵网状，相邻的所述孔之间的间距小于等于2nm。
可选地，所述量子点的材料为PdS、CdS、CdSe、CuInS和InP中的任意一种或两种以上的组合。
可选地，所述量子点的半径范围为2nm～50nm，所述量子点响应红外波长的范围为900nm～3000nm。
可选地，所述衬底上还形成有金属互连层，所述接触下电极层设置于所述金属互连层远离所述衬底的一侧表面，所述接触下电极层通过所述金属互连层与所述信号器件电连接，所述信号器件包括晶体管和/或电容。
可选地，所述接触下电极层包括若干间隔设置的接触下电极，所述多孔非晶硅薄膜层包括若干间隔设置的多孔非晶硅薄膜单元，所述多孔非晶硅薄膜单元与所述接触下电极一一对应设置。
可选地，每个所述多孔非晶硅薄膜单元上设置有导电上电极层，所述导电上电极层与所述接触下电极层相对设置，每个所述多孔非晶硅薄膜单元的侧壁上设置有导电上电极层引线，所述导电上电极层引线与所述导电上电极层电连接。
本发明还提供一种图像传感器的制作方法，包括：
提供一衬底，所述衬底中形成有信号器件，所述衬底上设置有接触下电极层，所述接触下电极层与所述信号器件电连接；
形成多孔非晶硅薄膜层，所述多孔非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层，所述多孔非晶硅薄膜层包括非晶硅薄膜层、分布在所述非晶硅薄膜层中的若干孔，以及填充在若干所述孔中的量子点。
可选地，形成多孔非晶硅薄膜层的步骤包括：
形成非晶硅薄膜层，所述非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层；
对所述非晶硅薄膜层进行多孔化处理，形成含若干孔的多孔非晶硅结构；
在若干所述孔中填充量子点。
可选地，采用化学气相沉积工艺沉积所述非晶硅薄膜层；
对所述非晶硅薄膜层进行电化学阳极多孔化处理，形成含若干孔的多孔非晶硅结构；
采用有机金属化学气相沉积工艺沉积所述量子点以填充若干所述孔。
在本发明提供的图像传感器及其制作方法中，图像传感器包括衬底和多孔非晶硅薄膜层。多孔非晶硅薄膜层设置在衬底上且覆盖接触下电极层，所述多孔非晶硅薄膜层包括非晶硅薄膜层、分布在所述非晶硅薄膜层中的若干孔，以及填充在若干所述孔中的量子点。本发明的图像传感器能有效检测红外波长，提高图像传感器的吸光率，图像传感器具有低暗电导，高开关比，高灵敏度，及更宽的响应光谱特性，且量子点填充率高，使图像传感器的质量更好。多孔非晶硅薄膜层表面平整,可以在上面沉积介质层以及金属等其它薄膜材料，与CMOS工艺可以很好的兼容。
附图说明
图1是本发明实施例的图像传感器的制作方法流程示意图。
图2是本发明实施例的衬底示意图。
图3是本发明实施例形成非晶硅薄膜层后的示意图。
图4是本发明实施例非晶硅薄膜层形成含若干孔的多孔非晶硅结构后的示意图。
图5是本发明实施例填充量子点后的示意图。
图6是本发明实施例形成导电上电极层后的示意图。
图7是本发明实施例形成多孔非晶硅薄膜单元后的示意图。
图8是本发明实施例形成导电上电极层引线后的示意图。
图9是本发明实施例形成隔离层后的示意图。
其中，附图标记如下：
101-衬底；201-信号器件；21-金属互连层；202-金属互连线；203-通孔；204-金属间介质层；301-接触下电极层；31-多孔非晶硅薄膜层；302-非晶硅薄膜层；303-孔；304-量子点；305-导电上电极层；306-导电上电极层引线；307-隔离层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的图像传感器及其制作方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明实施例提供一种图像传感器，包括：
衬底，所述衬底中形成有信号器件，所述衬底上设置有接触下电极层，所述接触下电极层与所述信号器件电连接；
多孔非晶硅薄膜层，所述多孔非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层，所述多孔非晶硅薄膜层包括非晶硅薄膜层、分布在所述非晶硅薄膜层中的若干孔，以及填充在若干所述孔中的量子点。
以下结合附图详细介绍本发明实施例的图像传感器。
如图9所示，衬底101例如是硅衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底等，衬底101的材料还可以包括锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓、镓化铟或其他Ⅲ、Ⅴ族化合物。衬底101中形成有信号器件201，信号器件201例如包括晶体管和/或电容。衬底101上设置有金属互连层21，金属互连层21上设置有接触下电极层301。信号器件201通过金属互连层21与接触下电极层301电连接。金属互连层21包括通孔203、金属互连线202和金属间介质层204。信号器件201例如包括晶体管和电容，采用标准CMOS工艺制作在衬底101中，完成图像传感器的像素电路重置、曝光、读取等操作并存储采集到的光生电荷；接触下电极层301要选择具有合适功函数的金属，使之与其接触的非晶硅薄膜层302具有良好的欧姆接触。接触下电极层301与金属互连线202接触形成阵列；接触下电极层301的材料例如包括：高功函数的金、钨、铜、氧化铟锡、氟化氧化锡、氮化钛，或低功函数的铝、镁、氮化钽及为了调节特定功函数而包含全部或部分上述元素的化合物。衬底101中还可形成有图像传感器的信号处理电路，信号处理电路可包括读出电路单元、模拟信号放大单元、模数转换单元、数字处理单元和控制单元。
结合如图4和图9所示，多孔非晶硅薄膜层31设置在金属互连层21上且覆盖所述接触下电极层301，多孔非晶硅薄膜层31包括非晶硅薄膜层302、分布在非晶硅薄膜层302中的若干孔303，以及填充在所述若干孔的3中的量子点304。若干孔303类似海绵网状孔，多孔非晶硅薄膜层31具有纳米非晶硅原子簇为骨架的“量子海绵”状微结构。多孔非晶硅薄膜层31的厚度例如为10nm～1000nm。多孔非晶硅薄膜层31中的孔隙率可为60％～90％，每个孔的孔径范围可为2nm～100nm，相邻的孔之间的间距小于等于2nm。
继续如图9所示，量子点304填充在若干孔303中。量子点304为纳米尺寸，它具有光吸收特性随尺寸可调的特性。通过设计合适的量子点的材料和尺寸，可以制备对可见光或红外光高灵敏度的图像传感器。量子点304的材料例如为PdS、CdS、CdSe，CuInS和InP中的任意一种或两种以上的组合。量子点的粒径大小与要响应的近红外光的波长对应，可根据要响应的近红外光的波长设置量子点304的粒径大小。例如量子点304的半径范围为2nm～50nm，可响应的近红外光的波长范围为900nm～3000nm。
如图4和图9所示，所述接触下电极层301包括若干间隔设置的接触下电极，所述多孔非晶硅薄膜层31包括若干间隔设置的多孔非晶硅薄膜单元，所述多孔非晶硅薄膜单元与所述接触下电极一一对应设置。多孔非晶硅薄膜单元作为图像传感器的光敏电阻阵列，将有效提高图像传感器的吸光率，图像传感器具有低暗电导，高开关比，高灵敏度，及更宽的响应光谱(例如900nm～3000nm)特性，且量子点填充率高。所述多孔非晶硅薄膜单元与所述接触下电极对应设置。所述多孔非晶硅薄膜单元由隔离层307隔开。每个所述多孔非晶硅薄膜单元上设置有导电上电极层305，所述导电上电极层305与所述接触下电极相对设置。优选的，所述导电上电极层305的材料为透明材料，以使光线很好照射。所述导电上电极层305的材料包括氧化铟锡、氟化氧化锡或掺铝氧化锌，导电上电极层305的厚度例如为50～500nm。每个所述多孔非晶硅薄膜单元的侧壁上设置有导电上电极层引线306，所述导电上电极层引线306与所述导电上电极层305电连接。导电上电极层引线306将导电上电极层305引入图像传感器的信号处理电路中。在导电上电极层305上还可以形成钝化层、滤光片以及微透镜。
本发明实施例还提供一种图像传感器的制作方法，如图1所示，包括：
提供一衬底，所述衬底中形成有信号器件，所述衬底上设置有接触下电极层，所述接触下电极层与所述信号器件电连接；
形成多孔非晶硅薄膜层，所述多孔非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层，所述多孔非晶硅薄膜层包括非晶硅薄膜层、分布在所述非晶硅薄膜层中的若干孔，以及填充在若干所述孔中的量子点。
具体的，形成多孔非晶硅薄膜层的步骤包括：
形成非晶硅薄膜层，所述非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层；可采用化学气相沉积工艺沉积所述非晶硅薄膜层；
对所述非晶硅薄膜层进行多孔化处理，形成含若干孔的多孔非晶硅结构；可采用电化学阳极多孔化处理；
在若干所述孔中填充量子点；可采用有机金属化学气相沉积工艺沉积所述量子点以填充若干所述孔。
以下结合图2至图9详细介绍本发明实施例的图像传感器的制作方法。
如图2和图9所示，提供一衬底101，所述衬底上形成有信号器件201，信号器件201例如包括晶体管和/或电容。衬底101上设置有金属互连层21，金属互连层21上设置有接触下电极层301。信号器件201通过金属互连层21与接触下电极层301电连接，例如形成传感器读写电路，可采用标准CMOS工艺在衬底101上制造传感器件读写数字电路晶体管、电容、电阻等。进行CMOS后道金属互联工艺，通过光刻、刻蚀、淀积和化学机械抛光等工艺形成通孔203和金属互连线202，并通过金属间介质层204进行金属之间的隔离。接触下电极层301例如可采用物理气相沉积工艺沉积接触电极材料；采用光刻、干法刻蚀工艺形成接触下电极层图案，接触下电极层301间隔设置。
接着，如图3所示，形成非晶硅薄膜层302；可采用等离子体化学气相沉积(PECVD)工艺沉积非晶硅薄膜层302，沉积温度小于400℃，沉积的非晶硅薄膜层302的厚度例如为10nm～1000nm。非晶硅薄膜层302采用非晶硅材料制成，非晶硅材料具有高吸光率，相对于单晶及多晶硅材料，其暗电导低，光电导高。
接着，如图4所示，对非晶硅薄膜层302进行多孔化工艺处理形成多孔非晶硅结构；具体例如为采用电化学阳极氧化处理，形成含若干孔303的多孔非晶硅结构；具体过程为：在非晶硅薄膜层302边缘形成宽例如5～10mm的钛或氮化钛圆环电极作为导电层，非晶硅薄膜层302作为阳极,在1％～5％的HF溶液中进行电化学腐蚀。采用恒电流模式,合理设计工艺参数，使非晶硅薄膜层302中形成2nm～100nm的空隙，空隙率为60％～90％。
接着，如图4和图5所示，填充量子点；可采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)工艺沉积所述量子点以填充若干所述孔，使量子点304有序镶嵌若干所述孔303中。形成多孔非晶硅薄膜层31，沉积温度小于400℃。所述量子点的材料为PdS、CdS、CdSe、CuInS和InP中的任意一种或任意两种以上的组合。通过调整量子点304的尺寸，可实现更宽的光谱响应，结合非晶硅材料的高吸光特性，制作的图像传感器灵敏度、开关比都会有大幅提升。所述量子点304的半径范围例如为2～50nm，所述量子点304响应红外波长的范围例如为900nm～3000nm。若干孔303类似海绵网状孔，多孔非晶硅薄膜层31具有纳米非晶硅原子簇为骨架的“量子海绵”状微结构。完成沉积之后，可采用化学机械抛光工艺平整多孔非晶硅薄膜层31表面，同时可去除多余厚度的多孔非晶硅薄膜层31，达到目标厚度。而且多孔非晶硅材料表面结构、性能和非晶体硅相差较小,多孔非晶硅薄膜层31表面平整,可以在上面沉积介质层以及金属等其它薄膜材料，与CMOS工艺可以很好的兼容。
接着，如图6所示，形成导电上电极层305；优选的，所述导电上电极层305的材料为透明材料，以使光线很好照射。利用化学气相沉积工艺,沉积透明导电层材料，形成导电上电极层305。
接着，如图4和图7所示，形成多孔非晶硅薄膜单元；对导电上电极层305和多孔非晶硅薄膜层31光刻刻蚀，形成多孔非晶硅薄膜单元(即光敏电阻器件阵列)。光线通过导电上电极层305照射至多孔非晶硅薄膜单元，产生光电子，接触下电极层301与导电上电极层305二者有电压差，形成电场，光电子在电场的作用下定向运动，光照时多孔非晶硅薄膜单元的电阻变小，无光照时多孔非晶硅薄膜单元的电阻最大。
接着，如图8和图9所示，形成导电上电极层引线306和隔离层307；采用化学气相沉积工艺依次沉积导电上电极层引线306与隔离层307，填充多孔非晶硅薄膜单元之间的间隔空隙，之后采用化学机械抛光工艺去除导电上电极层305上表面的多余的隔离层材料和导电上电极层引线材料，形成分布在多孔非晶硅薄膜单元侧壁的导电上电极层引线306和隔离层307。隔离层307的材料例如为二氧化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铪中的任意一种或任意两种以上的组合。
接着，在导电上电极层305上制作钝化层，可采用物理气相沉积或化学气相沉积钝化层工艺沉积钝化层，钝化层优选透明材料。之后可在钝化层上制作滤光膜和微透镜阵列等结构。
综上所述，在本发明提供的图像传感器及其制作方法中，图像传感器包括衬底和多孔非晶硅薄膜层。多孔非晶硅薄膜层设置在衬底上且覆盖接触下电极层，所述多孔非晶硅薄膜层包括非晶硅薄膜层、分布在所述非晶硅薄膜层中的若干孔，以及填充在若干所述孔中的量子点。本发明的图像传感器能有效检测红外波长，提高图像传感器的吸光率，图像传感器具有低暗电导，高开关比，高灵敏度，及更宽的响应光谱特性，且量子点填充率高。多孔非晶硅薄膜层表面平整,可以在上面沉积介质层以及金属等其它薄膜材料，与CMOS工艺可以很好的兼容，可以实现全集成的宽光谱响应的光电类型的图像传感器。
本发明提供的图像传感器相对传统CMOS图像传感器而言，具有更高的灵敏度，更大的动态范围，更小的串扰，接近100％的填充率，更高快门速度等优势。本发明提供的图像传感器显著的低成本优势未来可能会抢占已有的工业、医疗、国防领域的市场，而且会迅速拓展到大消费等各个领域，未来市场潜力巨大。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的产品相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种图像传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底中形成有信号器件，所述衬底上设置有接触下电极层，所述接触下电极层与所述信号器件电连接；
多孔非晶硅薄膜层，所述多孔非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层，所述多孔非晶硅薄膜层包括非晶硅薄膜层、分布在所述非晶硅薄膜层中的若干孔，以及填充在若干所述孔中的量子点。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述多孔非晶硅薄膜层的厚度为10nm～1000nm，所述多孔非晶硅薄膜层的孔隙率为60％～90％，每个所述孔的孔径范围为2nm～100nm，若干所述孔呈海绵网状，相邻的所述孔之间的间距小于等于2nm。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述量子点的材料为PdS、CdS、CdSe、CuInS和InP中的任意一种或两种以上的组合。
4.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述量子点的半径范围为2nm～50nm，所述量子点响应红外波长的范围为900nm～3000nm。
5.如权利要求1至4任意一项所述的图像传感器，其特征在于，所述衬底上还形成有金属互连层，所述接触下电极层设置于所述金属互连层远离所述衬底的一侧表面，所述接触下电极层通过所述金属互连层与所述信号器件电连接，所述信号器件包括晶体管和/或电容。
6.如权利要求1至4任意一项所述的图像传感器，其特征在于，所述接触下电极层包括若干间隔设置的接触下电极，所述多孔非晶硅薄膜层包括若干间隔设置的多孔非晶硅薄膜单元，所述多孔非晶硅薄膜单元与所述接触下电极一一对应设置。
7.如权利要求6所述的图像传感器，其特征在于，每个所述多孔非晶硅薄膜单元上设置有导电上电极层，所述导电上电极层与所述接触下电极相对设置，每个所述多孔非晶硅薄膜单元的侧壁上设置有导电上电极层引线，所述导电上电极层引线与所述导电上电极层电连接。
8.一种图像传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，所述衬底中形成有信号器件，所述衬底上设置有接触下电极层，所述接触下电极层与所述信号器件电连接；
形成多孔非晶硅薄膜层，所述多孔非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层，所述多孔非晶硅薄膜层包括非晶硅薄膜层、分布在所述非晶硅薄膜层中的若干孔，以及填充在若干所述孔中的量子点。
9.如权利要求8所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，形成多孔非晶硅薄膜层的步骤包括：
形成非晶硅薄膜层，所述非晶硅薄膜层设置在所述衬底上且覆盖所述接触下电极层；
对所述非晶硅薄膜层进行多孔化处理，形成含若干孔的多孔非晶硅结构；
在若干所述孔中填充量子点。
10.如权利要求9所述的图像传感器的制作方法，其特征在于，
采用化学气相沉积工艺沉积所述非晶硅薄膜层；
对所述非晶硅薄膜层进行电化学阳极多孔化处理，形成含若干孔的多孔非晶硅结构；
采用有机金属化学气相沉积工艺沉积所述量子点以填充若干所述孔。
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|---|---|---|---|---|
| WO2023197480A1 (zh) * | 2022-04-11 | 2023-10-19 | 东莞市中麒光电技术有限公司 | 色转换结构制作方法、色转换结构、晶粒制作方法及晶粒 |
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| CN106115603A (zh) * | 2016-07-19 | 2016-11-16 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种多孔/量子点复合结构红外探测器单元及制备方法 |
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