CN106783902B - 图像传感器结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种图像传感器结构及其制作方法，所述图像传感器结构包括衬底、背栅、栅氧介质层和量子点层，所述衬底上设置有接触电极，所述背栅设置在所述衬底上，所述栅氧介质层覆盖在所述背栅上，所述量子点层设置在所述栅氧介质层上，所述量子点层与所述接触电极连接。在本发明提供的图像传感器结构及其制作方法中，所述图像传感器结构采用背栅来对量子点层的载流子迁移率进行控制，背栅上覆盖有栅氧介质层，通过在背栅上加不同的电压，来影响量子点层由光产生的载流子的迁移率，从而影响光敏电流的大小，进而可以调控光电效应的灵敏度，解决现有图像传感器中动态范围不足的问题。

Description

图像传感器结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种图像传感器结构及其制作方法。
背景技术
图像传感器是把光学图像信息转化成电信号的器件，传统的固态图像传感器可包括CCD(电荷耦合装置)图像传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器两大类，通常是采用光电二极管。
目前，新兴的图像传感器采用量子点(quantum dot)材料制成，其探测波长随量子点大小可调，同时具有较高的响应度，如现有技术中的图像传感器，通过接触电极收集量子点的电荷信息，从而获得图像信息。相比传统CMOS图像传感器，量子点图像传感器具有灵敏度高，串扰小，填充率高，快门速度快等优势。在图像传感器中的一个重要指标是动态范围，动态范围小则感光范围小，在高光强是容易过曝光，通常传感器的光电响应度灵敏度越高，则低光成像越好，但高光强越容易过曝光。现有技术的量子点图像传感器因为其探测器有很高的灵敏度所以在微光场景下成像不错，但带来的问题是高光强场景下则容易过曝光。
因此，图像传感器的动态范围不足是本领域技术人员需要解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种图像传感器结构及其制作方法，以解决现有技术中图像传感器的动态范围不足问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种图像传感器结构，包括衬底、背栅、栅氧介质层和量子点层，所述衬底上设置有接触电极，所述背栅设置在所述衬底上，所述栅氧介质层覆盖在所述背栅上，所述量子点层设置在所述栅氧介质层上，所述量子点层与所述接触电极连接。
可选的，在所述图像传感器结构中，所述图像传感器结构还包括信号器件，所述信号器件设置在所述衬底中，所述信号器件连接所述接触电极或所述背栅，所述信号器件包含晶体管和/或电容。
可选的，在所述图像传感器结构中，所述接触电极的材料包括功函数大于4.8eV的高功函数材料和功函数小于4.4eV的低功函数材料，所述高功函数材料包括金、钨、铜、氧化铟锡、氟化氧化锡或氮化钛中一种及其组合，所述低功函数材料包括铝、镁或氮化钽中一种及其组合。
可选的，在所述图像传感器结构中，所述背栅的材料为氮化钛、金、铝或氮化钽中一种及其组合，所述栅氧介质层的材料为二氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化锆或氧化铪中一种及其组合。
可选的，在所述图像传感器结构中，所述接触电极的厚度为50nm～500nm，所述背栅的厚度为100nm～500nm，所述栅氧介质层的厚度为50nm～200nm，所述量子点层的厚度为100nm～500nm。
可选的，在所述图像传感器结构中，所述量子点层上还设有保护层，所述保护层的材料为二氧化硅或氮化硅，所述保护层的厚度为100nm～500nm。
本发明还提供一种图像传感器结构的制作方法，包括：提供衬底，在所述衬底中形成信号器件以及与所述信号器件连接的若干导线；在所述衬底上形成接触电极，所述接触电极连接导线以连接所述信号器件；在所述衬底上形成背栅层，所述背栅连接导线以连接所述信号器件；在所述衬底上形成栅氧介质层，光刻所述栅氧介质层形成通孔；在所述栅氧介质层上形成量子点层，所述量子点层通过所述通孔连接所述接触电极。
可选的，在所述图像传感器结构的制作方法中，所述接触电极形成方法包括：在衬底上形成接触电极层，在接触电极层上涂覆光刻胶，并形成图案，通过该图案刻蚀接触电极层；或者，
在衬底上沉积光刻胶，并形成图案，通过该图案沉积接触电极，
所述背栅形成方法包括：在衬底上形成背栅层，在背栅层上涂覆光刻胶，并形成图案，通过该图案刻蚀背栅层；或者，
在衬底上沉积光刻胶，并形成图案，通过该图案沉积背栅。
可选的，在所述图像传感器结构的制作方法中，所述量子点层形成后还包括对所述量子点层进行坚膜烘烤，所述坚膜烘烤的温度为50℃～250℃。
综上所述，在本发明提供的图像传感器结构及其制作方法中，所述图像传感器结构采用背栅来对量子点层的载流子迁移率进行控制，背栅上覆盖有栅氧介质层，通过在背栅上加不同的电压，来影响量子点层由光产生的载流子的迁移率，从而影响光敏电流的大小，进而可以调控光电效应的灵敏度，解决现有图像传感器中动态范围不足的问题。
附图说明
图1是本发明一实施例的图像传感器结构的剖示图；
图2是本发明另一实施例的图像传感器结构的剖示图；
图3是本发明实施例的图像传感器结构的制作方法的流程图；
图4至图10为本发明实施例的图像传感器结构的制作方法中每一步骤的图像传感器结构的剖示图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
本发明的核心思想在于，在现有技术中的基础上设计背栅结构，本发明的图像传感器结构通过背栅来对量子点层的载流子迁移率进行控制，从而解决现有图像传感器中动态范围不足的问题。在实际工作时，光线照射到量子点层时将产生光敏电流，并能从接触电极上检测到电流，电流的大小与光强成正比。在本发明的方案中，在量子点层下设置有背栅，通过在背栅金属上加不同的电压，通过不同大小的电压影响量子点层由光产生的载流子的迁移率，从而影响光敏电流的大小。
如图1所示，本发明提供一种图像传感器结构，包括衬底10、背栅20、栅氧介质层30和量子点层40，所述衬底10上设置有接触电极11，所述背栅20设置在所述衬底10上，所述栅氧介质层30覆盖在所述背栅20上，所述量子点层40设置在所述栅氧介质层30上，所述量子点层40与所述接触电极11连接。
如图2所示，在本实施例中，所述图像传感器结构还包括信号器件50，所述信号器件50设置在所述衬底10中，所述信号器件50连接所述接触电极11或所述背栅20，这样使得光电器件的输出和输入电信号的控制处理能通过信号器件50实现的电路结构来完成相应的信号处理，即通过输入电信号进行控制以及读取电信号进行记录，在具体的实施方式中，信号器件50是通过导线等连接线连接到触电极11或所述背栅20。可选的，所述信号器件50包括晶体管和/或电容，晶体管可通过开始开关控制信号来进行开关控制，电容可用来存储或读取电信号。
可选的，所述接触电极11的厚度为50nm～500nm，通过该厚度范围内的接触电极实现较佳的欧姆接触。可选的，所述接触电极11的材料包括功函数大于4.8eV的高功函数材料和功函数小于4.4eV的低功函数材料，针对不同运用和不同量子点材料选用不同功函数材料。可选的，所述高功函数材料包括金、钨、铜、氧化铟锡、氟化氧化锡或氮化钛中一种及其组合；所述低功函数材料包括铝、镁或氮化钽中一种及其组合。
可选的，所述背栅20的厚度为100nm～500nm，在该厚度范围内的背栅满足背栅对量子点层的控制。可选的，所述背栅20的材料为氮化钛、金、铝或氮化钽中一种及其组合，这些材料的金属功函数与量子点膜相匹配，使得背栅具有较佳的响应速度。
可选的，所述栅氧介质层30的厚度为50nm～200nm，通过该厚度范围内的栅氧介质层实现较佳的覆盖背栅。可选的，所述栅氧介质层30的材料为二氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化锆或氧化铪中一种及其组合。
可选的，所述量子点层40的厚度为100nm～500nm，该厚度范围内的量子点层具有较佳的光电特性。可选的，所述量子点层40的材料为PbS、InAs、CdS或CdSe中一种及其组合，针对不同的应用选用不同的量子点层的材料。
可选的，所述量子点层40上还设有保护层60，通过保护层60来对量子点层40进行防护。可选的，所述保护层60的厚度为100nm～500nm，该硬度范围内的保护层可以较佳的起保护作用，防止空气中的氧气或水蒸汽等影响到量子点层。可选的，所述保护层60的材料为二氧化硅或氮化硅，该材料的保护层对可见光和近红外波长透明，是较佳的选择。
本发明的优点在于采用了背栅结构的图像传感器结构，可通过背栅对载流子进行控制，从而实现调控光电效应的灵敏度。在光电探测器的不同应用场合，可以通过调解灵敏度来适用于各种场合。如在图像传感器中，通过调整图像传感器的灵敏度来调节该光电探测***的灵敏度，例如，在暗光场合采用高灵敏度图像传感器可以提升暗光场合的成像质量，而在强光场合，降低灵敏度可以防止过曝光，提升强光场合的成像质量。需要说明的是，实际的光电探测***具有多个一起工作的图像传感器结构，本发明仅示出了其中基础的部分结构，本发明的图像传感器结构可被应用到任一光电探测***中，由此在实际应用中本发明的结构也可以与其它无背栅的图像传感器结构一起工作，达到提升整个光电探测***的动态范围的目的。
如图3所示，本发明还提供一种图像传感器结构的制作方法，包括：
S10、提供衬底，在所述衬底中形成信号器件以及与所述信号器件连接的导线；
S20、在所述衬底上形成接触电极，所述接触电极连接导线以连接所述信号器件；
S30、在所述衬底上形成背栅层，所述背栅连接导线以连接所述信号器件；
S40、在所述衬底上形成栅氧介质层，光刻所述栅氧介质层形成通孔；
S50、在所述栅氧介质层上形成量子点层，所述量子点层通过所述通孔连接所述接触电极。
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。
首先，如图4所示，按步骤S10所述，提供衬底，在所述衬底中形成信号器件50以及与所述信号器件50连接的若干导线，本领域技术人员可以理解的是，使用互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺可以在衬底中形成信号器件以及与信号器件连接的导线，其中导线即芯片中连接各器件的互连导线，在具体的实施方式中，通过光刻、刻蚀、淀积和化学机械抛光等工艺形成通孔和多层互联导线，多层互联导线之间具有隔离作用的层间介质，互连导线可连接到信号器件，信号器件可采用晶体管和电容等。
接着，按步骤S20所述，在所述衬底上形成接触电极，所述接触电极连接导线，接触电极可通过对应的导线连接到信号器件。接触电极的形成方式为在接触电极层上采用光刻胶形成图案并通过刻蚀形成或在光刻胶形成图案后沉积接触电极形成。
可选的，在接触电极层上采用光刻胶形成图案并通过刻蚀形成的方式包括：在衬底上形成接触电极层，在接触电极层上涂覆光刻胶，并形成图案，通过该图案刻蚀接触电极层，去除光刻胶后形成所述需的接触电极。可选的，在光刻胶形成图案后沉积接触电极形成的方式包括：在衬底上沉积光刻胶，并形成图案，通过该图案沉积接触电极，去除光刻胶后形成所述需的接触电极。形成接触电极的一具体实施方法包括：首先，如图5所示，光刻胶涂胶，曝光，显影，形成第一光刻胶牺牲层110，厚度约为2um；随后，如图6所示，通过溅射方式形成接触电极11，例如溅射一层TiN薄膜作为接触电极，厚度为100nm左右；接着去除第一光刻胶牺牲层110，在其之上的接触电极材料也一并去除，从而形成TiN接触电极。
然后，按步骤S30所述，在所述衬底10上形成背栅20，所述背栅20连接导线70，背栅20可通过对应的导线70连接到信号器件50。可以理解的是，背栅可以采用与接触电极相同的形成方式，在背栅层上采用光刻胶形成图案并通过刻蚀形成或在光刻胶形成图案后沉积背栅形成。
可选的，在背栅层上采用光刻胶形成图案并通过刻蚀形成的方式包括：在衬底上形成背栅层，在背栅层上涂覆光刻胶，并形成图案，通过该图案刻蚀背栅层，去除光刻胶后形成所述需的背栅。可选的，在光刻胶形成图案后沉积背栅形成的方式包括：在衬底上沉积光刻胶，并形成图案，通过该图案沉积背栅，去除光刻胶后形成所述需的背栅。形成背栅的一具体实施方法包含：首先，如图7所示，光刻胶涂胶，曝光，显影，形成第二光刻胶牺牲层120，厚度约为2um；随后，如图8所示，通过溅射方式形成背栅20，例如溅射一层TiN(15nm)和Au(100nm)薄膜作为背栅；接着去除第二光刻胶牺牲层120，在其之上的背栅材料也一并去除，从而形成背栅。
随后，按步骤S40所述，在所述衬底上沉积栅氧介质层，光刻所述栅氧介质层形成通孔，所述通孔连接所述接触电极，通过栅氧介质层覆盖背栅并由通孔暴露接触电极。可选的，所述栅氧介质层通过原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)或化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)形成。形成栅氧介质层的一具体实施方式包括：首先，如图9所示，可采用CVD淀积厚度为20nm左右的SiO2，并采用ALD形成厚度为55nm左右的电极Al2O3；随后是光刻胶涂胶，曝光，显影，形成接触孔光刻所需第三光刻胶图形层130；接着，如图10所示，刻蚀掉露出来的SiO2和Al2O3，从而形成接触孔，再去除剩余的光刻胶即形成了栅氧介质层。
然后，按步骤S50所述，在所述栅氧介质层上形成量子点层(可相应参考图2)，所述量子点层通过所述通孔连接所述接触电极。可选的，所述量子点层的形成方式包括旋涂或喷涂的方式，所述量子点层的材料为PbS、InAs、CdS或CdSe中一种及其组合。可选的，在形成量子点层之后还包括：在所述量子点层上形成保护层，例如在形成量子点层后，淀积SiO2作为保护层501，厚度约200nm，如图2所示，最后形成了带背栅的图像传感器结构。可选的，所述量子点层形成后还包括对所述量子点层进行坚膜烘烤，通过坚膜烘烤使量子点层尽快固化从而辅助量子点层成型。可选的，所述坚膜烘烤的温度为50℃～250℃，在此温度范围内使量子点层更为快速的成型。
综上所述，在本发明提供的图像传感器结构及其制作方法中，所述图像传感器结构采用背栅来对量子点层的载流子迁移率进行控制，背栅上覆盖有栅氧介质层，通过在背栅上加不同的电压，来影响量子点层由光产生的载流子的迁移率，从而影响光敏电流的大小，进而可以调控光电效应的灵敏度，解决现有图像传感器中动态范围不足的问题。
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)

1.一种图像传感器结构，其特征在于，所述图像传感器结构包括：
衬底，所述衬底上设置有接触电极，且所述接触电极仅设置在所述衬底上；
背栅，所述背栅设置在所述衬底上；
栅氧介质层，所述栅氧介质层覆盖在所述背栅上；
量子点层，所述量子点层设置在所述栅氧介质层上，所述量子点层与所述接触电极连接；
工作时在所述背栅上加不同的电压，用于调控光电效应的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述图像传感器结构还包括信号器件，所述信号器件设置在所述衬底中，所述信号器件连接所述接触电极或所述背栅，所述信号器件包含晶体管和/或电容。
3.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述接触电极的材料包括功函数大于4.8eV的高功函数材料和功函数小于4.4eV的低功函数材料，所述高功函数材料包括金、钨、铜、氧化铟锡、氟化氧化锡或氮化钛中一种及其组合，所述低功函数材料包括铝、镁或氮化钽中一种及其组合。
4.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述背栅的材料为氮化钛、金、铝或氮化钽中一种及其组合，所述栅氧介质层的材料为二氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化锆或氧化铪中一种及其组合。
5.根据权利要求1所述的图像传感器结构，其特征在于，所述接触电极的厚度为50nm～500nm，所述背栅的厚度为100nm～500nm，所述栅氧介质层的厚度为50nm～200nm，所述量子点层的厚度为100nm～500nm。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的图像传感器结构，其特征在于，所述量子点层上还设有保护层，所述保护层的材料为二氧化硅或氮化硅，所述保护层的厚度为100nm～500nm。
7.一种图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述图像传感器结构的制作方法包括：
提供衬底，在所述衬底中形成信号器件以及与所述信号器件连接的若干导线；
在所述衬底上形成接触电极，所述接触电极连接导线以连接所述信号器件，且所述接触电极仅设置在所述衬底上；
在所述衬底上形成背栅层，所述背栅连接导线以连接所述信号器件，工作时在所述背栅上加不同的电压，用于调控光电效应的灵敏度；
在所述衬底上形成栅氧介质层，光刻所述栅氧介质层形成通孔；
在所述栅氧介质层上形成量子点层，所述量子点层通过所述通孔连接所述接触电极。
8.根据权利要求7所述的图像传感器结构的制作方法，其特征在于，在形成量子点层之后还包括：在所述量子点层上形成保护层。
9.根据权利要求7所述的图像传感器结构的制作方法，其特征在于，
所述接触电极形成方法包括：
在衬底上形成接触电极层，在接触电极层上涂覆光刻胶，并形成图案，通过该图案刻蚀接触电极层；或者，
在衬底上沉积光刻胶，并形成图案，通过该图案沉积接触电极，
所述背栅形成方法包括：
在衬底上形成背栅层，在背栅层上涂覆光刻胶，并形成图案，通过该图案刻蚀背栅层；或者，
在衬底上沉积光刻胶，并形成图案，通过该图案沉积背栅。
10.根据权利要求7所述的图像传感器结构的制作方法，其特征在于，所述量子点层形成后还包括对所述量子点层进行坚膜烘烤，所述坚膜烘烤的温度为50℃～250℃。
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