一種圖像傳感器結構及其制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種圖像傳感器結構及其制作方法，通過在CMOS圖像傳感器結構中環繞接觸下電極設置導電屏蔽環，形成電場隔離，可利用施加在其上的電壓限制光敏量子點薄膜中光生載流子的流動方向，將連續的薄膜分成不同的區域，從而降低了像素間串擾；同時，通過施加不同的屏蔽電壓還可以改變分隔所成區域的大小，適應不同的應用場景，從而取得分辨率和靈敏度的平衡；本發明結構簡單，制作時可不增加額外工藝步驟與成本，且抗串擾效果顯著。
【專利說明】
一種圖像傳感器結構及其制作方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體集成電路制造技術領域，更具體地，涉及一種低串擾的圖像傳感器結構及其制作方法。
【背景技術】
[0002]圖像傳感器是把光學圖像信息轉化成電信號的器件。傳統的固態圖像傳感器可包括CCD(電荷耦合裝置)圖像傳感器和CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器兩大類。
[0003]CMOS圖像傳感器由于在像素陣列中采用了有源像素傳感器，且采用CMOS集成電路工藝制程，可將像素陣列光敏結構和其他CMOS模擬、數字電路集成到同一塊芯片上。高度集成不但可減少整機芯片數量，降低整機功耗和封裝成本，而且芯片內部直接信號連接還有利于信號傳輸的質量和速度，從而提高圖像轉換的質量。因此，CMOS圖像傳感器已成為目前市場上的主流技術。
[0004]然而，傳統的CMOS圖像技術仍具有一定的局限性。在CMOS圖像傳感器結構中，緊鄰于電路的光敏元件通常是注入硅襯底的Pn結。由于堆疊于襯底表面上的CMOS電路所需要的金屬層數量增加，pn結被放置在深阱的底部，為避免光串擾，必須使用昂貴又復雜的光學部件。另一方面，相鄰像素Pn結之間缺乏很好的電隔離措施，光生載流子可能會穿過襯底到達鄰近像素，造成像素間的串擾。
[0005]為克服上述問題，現有技術中提出了一種在襯底讀出電路之上制作光敏層的像素結構。請參閱圖1，圖1是現有的一種光敏層制作在襯底讀出電路之上的圖像傳感器結構示意圖。如圖1所示，該圖像傳感器自下而上包括制作有晶體管和電容201的硅基襯底101，制作有通孔202、金屬互連線203和接觸下電極204的金屬間介質層205，位于金屬間介質層205上、作為光敏層的光敏量子點薄膜301以及透明導電上電極401。
[0006]在圖1的圖像傳感器結構中，晶體管和電容201采用標準CMOS工藝制作在硅基襯底101上，完成像素電路重置、曝光、讀取等操作并存儲采集到的光生電荷;通過通孔202和金屬互連線203完成像素陣列間及與外圍控制電路的連接，同時將接觸下電極204與重置管和(或)存儲電容相連，便于光生電荷的采集與存儲，接觸下電極204要選擇具有合適功函數的金屬(例如TiN)，使之與其接觸的量子點薄膜301具有良好的歐姆接觸;量子點薄膜301由彼此獨立的量子點密集堆積而成，彼此間距一般小于0.5nm，以保證電子能在薄膜中有效地傳導;量子點薄膜可采用旋涂(spin coating)或噴涂(spray coating)量子點溶液的方式成膜，量子點溶液可通過化學合成的方法制成膠體溶液，量子點成分包括但不限于CdS、CdSe、卩(^、(:111113、111?及其殼層((30^-811611)結構；透明導電上電極401位于量子點薄膜之上，其材料包括但不限于氧化銦錫(ITO)、氟化氧化錫(FTO)。在透明導電上電極401上通常還可進一步制作鈍化層、濾鏡、微透鏡等結構。
[0007]上述圖像傳感器工作時，首先由硅基電路進行重置操作，此時接觸下電極將被重置為高電位，同時與之連接的晶體管和電容將被充電；之后是曝光操作，如圖3所示，由于上電極401接地，量子點薄膜301受到光照激發出電子空穴對，受到電場作用，空穴將向透明導電上電極401運動，電子匯聚于下電極204，從而改變與之相連的晶體管與電容電荷量;之后的讀出操作將電荷量轉化為電壓值傳輸到外圍電路。
[0008]在上述的圖像傳感器結構中，量子點薄膜光敏層位于讀出電路的最上方，不會受互連導線的影響，可具有100%的填充系數；同時，光敏層很薄，可以抑制部分光生載流子的橫向擴散。但是，在此結構中，光敏層往往是一層連續的薄膜，像素之間沒有明顯界限，因而像素間串擾也不可能降到很低的水平。如圖2所示，各個接觸下電極204之間形成具有一定間距的陣列式布局，并在垂直方向上與一個個像素相對應。可以看出，由于相鄰像素之間(即圖示的接觸下電極之間)沒有電隔離結構，使得其上呈連續狀態的量子點薄膜也缺少明確的物理邊界。從而如圖3所示，介于兩像素之間的光生電子將可能流向任意一邊電極(如圖示兩側的斜向箭頭所指)，而遠離下電極的光生載流子還可能會流向相鄰像素的電極，從而不能明確像素的邊界，造成像素之間的串擾。
[0009]現有技術中采用的量子點薄膜雖然很薄，可以在一定程度上抑制像素間串擾效應，但要想進一步優化傳感器的性能，仍需要考慮在形成像素間有效電隔離方面引入新的改進設計。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種圖像傳感器結構及其制作方法，以解決現有CMOS圖像傳感器填充系數低、串擾大的問題。
[0011 ]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0012]一種圖像傳感器結構，自下而上包括:
[0013]半導體襯底，其采用標準CMOS工藝制作有晶體管、懸浮電容及其之間的通孔和金屬互連線；
[0014]接觸下電極，其按間隔的水平陣列式分布，并與像素對應；
[0015]導電屏蔽環，與接觸下電極同層設置，并環繞每個接觸下電極間隔分布，所述導電屏蔽環通過金屬互連線引出；
[0016]光敏量子點薄膜，覆蓋在接觸下電極和導電屏蔽環上；以及
[0017]透明導電上電極薄膜，覆蓋在光敏量子點薄膜上。
[0018]優選地，所述接觸下電極或導電屏蔽環制作材料包括:高功函數的金、鎢、銅、氧化銦錫、氟化氧化錫或氮化鈦，或者低功函數的鋁、鎂或氮化鉭，或者為了調節特定功函數而包含全部或部分上述元素的化合物。
[0019]優選地，所述接觸下電極和導電屏蔽環制作材料相同。
[0020]優選地，在工作狀態下，所述導電屏蔽環具有不同于接觸下電極的可調節電位，以調節其產生屏蔽作用的范圍和強度。
[0021]優選地，在所述透明導電上電極薄膜上還設有鈍化層、濾光片以及微透鏡。
[0022]—種上述的圖像傳感器結構的制作方法，包括以下步驟:
[0023]步驟SO1:提供一半導體襯底，在其上采用標準CMOS工藝形成晶體管、懸浮電容及其之間的通孔和金屬互連線；
[0024]步驟S02:沉積一導電薄膜并圖形化，形成接觸下電極陣列和環繞每個接觸下電極的導電屏蔽環結構；
[0025]步驟S03:在接觸下電極陣列上形成光敏量子點薄膜；
[0026]步驟S04:在光敏量子點薄膜上形成透明導電上電極薄膜。
[0027]優選地，所述接觸下電極和導電屏蔽環采用相同材料制作，包括:高功函數的金、鎢、銅、氧化銦錫、氟化氧化錫、氮化鈦，或低功函數的鋁、鎂、氮化鉭以及為了調節特定功函數而包含全部或部分上述元素的化合物。
[0028]優選地，所述光敏量子點薄膜采用0(15、0(156、？(15、(:111115或11^材料制作。
[0029]優選地，所述透明導電上電極薄膜材料包括氧化銦錫、氟化氧化錫或摻鋁氧化鋅。
[0030]優選地，還包括步驟S05:在透明導電上電極薄膜上形成鈍化層、濾光片以及微透
Ho
[0031]從上述技術方案可以看出，本發明通過在CMOS圖像傳感器結構中環繞接觸下電極設置導電屏蔽環，形成電場隔離，可利用施加在其上的電壓限制光敏量子點薄膜中光生載流子的流動方向，將連續的薄膜分成不同的區域，從而降低了像素間串擾；同時，通過施加不同的屏蔽電壓還可以改變分隔所成區域的大小，適應不同的應用場景，從而取得分辨率和靈敏度的平衡;本發明結構簡單，制作時可不增加額外工藝步驟與成本，且抗串擾效果顯著。
【附圖說明】
[0032]圖1是現有的一種光敏層制作在襯底讀出電路之上的圖像傳感器結構示意圖；
[0033]圖2是圖1中接觸下電極的平面布局示意圖；
[0034]圖3是圖1中現有圖像傳感器結構中串擾形成示意圖；
[0035]圖4是本發明一較佳實施例的一種圖像傳感器結構示意圖；
[0036]圖5是圖4中接觸下電極和導電屏蔽環的平面布局示意圖；
[0037]圖6是圖4中導電屏蔽環電壓比復位電壓高時降低串擾作用示意圖；
[0038]圖7是圖4中導電屏蔽環電壓比復位電壓低時降低串擾作用示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0040]需要說明的是，在下述的【具體實施方式】中，在詳述本發明的實施方式時，為了清楚地表示本發明的結構以便于說明，特對附圖中的結構不依照一般比例繪圖，并進行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應避免以此作為對本發明的限定來加以理解。
[0041]在以下本發明的【具體實施方式】中，請參閱圖4，圖4是本發明一較佳實施例的一種圖像傳感器結構示意圖。如圖4所示，本發明的一種圖像傳感器結構，自下而上可包括:半導體襯底101、接觸下電極204和導電屏蔽環206、光敏量子點薄膜301以及透明導電上電極401。
[0042]請參閱圖4。在硅基半導體襯底101上設置有采用標準CMOS工藝制作的晶體管和懸浮電容201，及其之間的多層通孔202和金屬互連線203，并通過金屬間介質層205進行金屬之間的隔離。
[0043]接觸下電極204位于金屬間介質層205上方。如圖5所示，各個接觸下電極204在水平方向上呈陣列式分布，且相鄰接觸下電極之間具有一定的間隔，與CMOS圖像傳感器的像素對應。
[0044]其中，圖像傳感器的讀出電路單元、模擬信號放大單元、模數轉換單元、數字處理單元和控制單元都集成在同一塊硅襯底上。晶體管和懸浮電容用于完成像素電路重置、曝光、讀取等操作，并存儲采集到的光生電荷;通過通孔和金屬互連線完成像素陣列間及與外圍控制電路的連接，同時將接觸下電極與重置管和(或)存儲電容相連，便于光生電荷的采集與存儲。
[0045]請參閱圖4和圖5。導電屏蔽環206與接觸下電極204同層設置，并且，每個導電屏蔽環206環繞一個接觸下電極204布置;導電屏蔽環與接觸下電極之間具有間隔;較佳地，每個導電屏蔽環與其兩側的接觸下電極之間可具有相等的間隔。導電屏蔽環將全部的接觸下電極進行分隔，其自身可連成網絡狀。所述導電屏蔽環通過金屬互連線引出。
[0046]作為可選的實施方式，接觸下電極和導電屏蔽環可采用相同的材料，以方便制作。接觸下電極應選擇具有合適功函數的金屬材料制備，使之與其接觸的光敏量子點薄膜具有良好的歐姆接觸。這些適用接觸下電極和/或導電屏蔽環制作的材料可包括但不限于:高功函數的金(Au)、鎢(W)、銅(Cu)、氧化銦錫(ITO)、氟化氧化錫(FTO)或氮化鈦(TiN)，或者低功函數的鋁(Al)、鎂(Mg)或氮化鉭(TaN)，或者為了調節特定功函數而形成的包含全部或部分上述元素的化合物。例如，可采用氮化鈦材料制備接觸下電極和導電屏蔽環。接觸下電極和導電屏蔽環周圍的空隙可采用金屬間介質層進行填平。
[0047]請繼續參閱圖4。光敏量子點薄膜301覆蓋在接觸下電極204和導電屏蔽環206上。光敏量子點薄膜301由彼此獨立的量子點密集堆積而成，量子點彼此間距通常小于0.5nm，以保證電子能在薄膜中有效地傳導。量子點成分(材料)包括但不限于CdS、CdSe、PdS、CuInS或InP及其殼層(core-shell)結構。
[0048]請繼續參閱圖4。透明導電上電極薄膜401覆蓋在光敏量子點薄膜301上。制備透明導電上電極的材料可包括但不限于氧化銦錫(ITO)、氟化氧化錫(FTO)或摻鋁氧化鋅(AZO)。
[0049]在透明導電上電極薄膜上還可以依次設置鈍化層、濾光片以及微透鏡等圖像傳感器其他附屬結構(圖略)。
[0050]本發明的圖像傳感器工作時，首先由襯底上的硅基電路進行重置操作，此時接觸下電極將被重置為高電位，同時與之連接的晶體管和電容將被充電；之后是曝光操作，由于上電極401接地，量子點薄膜301受到光照激發出電子空穴對，受到電場作用，空穴將向透明導電上電極401運動，電子匯聚于下電極204，從而改變與之相連的晶體管與電容201的電荷量;之后的讀出操作將電荷量轉化為電壓值傳輸到外圍電路。
[0051]與此同時，可通過設置的導電屏蔽環206，采用電場隔離的辦法，控制光生載流子的流動方向，從而將連續的光敏量子點薄膜分成不同的區域。并且，只需在導電屏蔽環上施加不同的電位，就可以改變其分隔所成區域的大小，從而適應不同的應用場景。這樣，在工作狀態下，通過使導電屏蔽環具有不同于接觸下電極的可調節電位，就可以調節屏蔽環產生屏蔽作用的范圍和強度。
[0052]如圖6所示，當導電屏蔽環206電壓比接觸下電極204的重置電壓高時，量子點薄膜301分成不同的區域。相鄰像素的接觸下電極之間的量子點薄膜部分區域303的光生載流子將被吸引到屏蔽環上導走，而像素下電極采集的電荷則全是由量子點薄膜像素內區域302中量子點產生的(如圖示虛線框范圍所指)，從而可提高分辨率，降低串擾;但此時損失了很大一部分光生載流子，因此適合光照條件良好、光生載流子充足的模式下使用。
[0053]如圖7所示，當導電屏蔽環電壓比重置電壓低時，量子點薄膜也可以分成不同的區域。由于下電極的電壓更高，所以接觸下電極之間的量子點薄膜部分區域303產生的電荷也被吸引到了下電極上，相當于增加了感光面積(如圖示變大了的虛線框范圍所指的像素內區域302)，提高了靈敏度；同時，相鄰像素的電荷要想進入下電極，需要克服屏蔽環上的勢皇，這樣就減小了像素間的串擾，此時適用于低光照模式下。
[0054]也可根據光照條件施加合適的屏蔽電壓，完成量子點薄膜不同區域大小的劃分，從而實現靈敏度和分辨率的平衡。
[0055]下面通過【具體實施方式】，對本發明的一種針對上述圖像傳感器結構的制作方法進行詳細說明。
[0056]請參閱圖4和圖5。本發明的一種上述的圖像傳感器結構的制作方法，可包括以下步驟:
[0057]步驟S01:提供一半導體襯底，在其上采用標準CMOS工藝形成晶體管、懸浮電容及其之間的通孔和金屬互連線。
[0058]所述半導體襯底可采用標準CMOS工藝制作，并具有該技術節點CMOS工藝的所有特征。
[0059]首先，可使用常規的CMOS前道制造工藝，在硅襯底101上形成晶體管和懸浮電容201。
[0060]接著，進行CMOS后道金屬互連工藝，可通過光刻、刻蝕、淀積和化學機械拋光等工藝，形成通孔202和多層金屬互連線203，并通過金屬層間介質層205進行金屬之間的隔離。
[0061]上述步驟中將圖像傳感器的讀出電路單元、模擬信號放大單元、模數轉換單元、數字處理單元和控制單元都集成在同一塊硅襯底上。
[0062]步驟S02:沉積一導電薄膜并圖形化，形成接觸下電極陣列和環繞每個接觸下電極的導電屏蔽環結構。
[0063]隨后，可采用相同材料制作接觸下電極204和導電屏蔽環206。可通過濺射工藝，在襯底上沉積一層導電薄膜，該導電薄膜材料可包括高功函數的金(Au)、鎢(W)、銅(Cu)、氧化銦錫(ITO)、氟化氧化錫(FTO)或氮化鈦(TiN)，或者低功函數的鋁(Al)、鎂(Mg)或氮化鉭(TaN)，或者是為了調節特定功函數而形成的包含全部或部分上述元素的化合物。例如，可在襯底上濺射沉積一層TiN薄膜，并通過光刻、刻蝕以圖形化該薄膜，形成接觸下電極204和屏蔽環206，以形成像素陣列。
[0064]步驟S03:在接觸下電極陣列上形成光敏量子點薄膜。
[0065]接著，可采用旋涂(spincoating)或噴涂(spray coating)量子點溶液的方式使光敏量子點薄膜成膜。量子點溶液可通過化學合成的方法制成膠體溶液，量子點成分(即光敏量子點薄膜材料)包括但不限于CdS、CdSe，PdS、CuInS或InP，及其殼層(core-shell)結構。例如，可通過在接觸下電極上滴入PbS量子點膠體溶液，并進行旋涂，來形成量子點薄膜301。較佳地，所述量子點薄膜中，由彼此獨立的量子點密集堆積而成，量子點間距小于0.5納米，以保證電子能在薄膜中有效地傳導。
[0066]步驟S04:在光敏量子點薄膜上形成透明導電上電極薄膜。
[0067]透明導電上電極薄膜材料可包括但不限于氧化銦錫(ΙΤ0)、氟化氧化錫(FTO)或摻鋁氧化鋅(AZO)。例如，可通過在光敏量子點薄膜上以濺射方式沉積ITO薄膜，以形成透明導電上電極401。
[0068]最后，還可繼續實施步驟S05:在透明導電上電極薄膜上形成鈍化層、濾光片以及微透鏡，以完成CMOS圖像傳感器的其他輔助結構。
[0069]綜上所述，本發明通過在CMOS圖像傳感器結構中環繞接觸下電極設置導電屏蔽環，形成電場隔離，可利用施加在其上的電壓限制光敏量子點薄膜中光生載流子的流動方向，將連續的薄膜分成不同的區域，從而降低了像素間串擾；同時，通過施加不同的屏蔽電壓還可以改變分隔所成區域的大小，適應不同的應用場景，從而取得分辨率和靈敏度的平衡;本發明結構簡單，制作時可不增加額外工藝步驟與成本，且抗串擾效果顯著。
[0070]以上所述的僅為本發明的優選實施例，所述實施例并非用以限制本發明的專利保護范圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種圖像傳感器結構，其特征在于，自下而上包括: 半導體襯底，其采用標準CMOS工藝制作有晶體管、懸浮電容及其之間的通孔和金屬互連線； 接觸下電極，其按間隔的水平陣列式分布，并與像素對應； 導電屏蔽環，與接觸下電極同層設置，并環繞每個接觸下電極間隔分布，所述導電屏蔽環通過金屬互連線引出； 光敏量子點薄膜，覆蓋在接觸下電極和導電屏蔽環上；以及 透明導電上電極薄膜，覆蓋在光敏量子點薄膜上。2.根據權利要求1所述的圖像傳感器結構，其特征在于，所述接觸下電極或導電屏蔽環制作材料包括:高功函數的金、鎢、銅、氧化銦錫、氟化氧化錫或氮化鈦，或者低功函數的鋁、鎂或氮化鉭，或者為了調節特定功函數而包含全部或部分上述元素的化合物。3.根據權利要求1或2所述的圖像傳感器結構，其特征在于，所述接觸下電極和導電屏蔽環制作材料相同。4.根據權利要求1所述的圖像傳感器結構，其特征在于，在工作狀態下，所述導電屏蔽環具有不同于接觸下電極的可調節電位，以調節其產生屏蔽作用的范圍和強度。5.根據權利要求1所述的圖像傳感器結構，其特征在于，在所述透明導電上電極薄膜上還設有鈍化層、濾光片以及微透鏡。6.—種如權利要求1所述的圖像傳感器結構的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟SO1:提供一半導體襯底，在其上采用標準CMOS工藝形成晶體管、懸浮電容及其之間的通孔和金屬互連線； 步驟S02:沉積一導電薄膜并圖形化，形成接觸下電極陣列和環繞每個接觸下電極的導電屏蔽環結構； 步驟S03:在接觸下電極陣列上形成光敏量子點薄膜； 步驟S04:在光敏量子點薄膜上形成透明導電上電極薄膜。7.根據權利要求6所述的圖像傳感器結構的制作方法，其特征在于，所述接觸下電極和導電屏蔽環采用相同材料制作，包括:高功函數的金、鎢、銅、氧化銦錫、氟化氧化錫、氮化鈦，或低功函數的鋁、鎂、氮化鉭以及為了調節特定功函數而包含全部或部分上述元素的化合物。8.根據權利要求6所述的圖像傳感器結構的制作方法，其特征在于，所述光敏量子點薄膜采用CdS、CdSe、PdS、CuInS或InP材料制作。9.根據權利要求6所述的圖像傳感器結構的制作方法，其特征在于，所述透明導電上電極薄膜材料包括氧化銦錫、氟化氧化錫或摻鋁氧化鋅。10.根據權利要求6所述的圖像傳感器結構的制作方法，其特征在于，還包括步驟S05:在透明導電上電極薄膜上形成鈍化層、濾光片以及微透鏡。
【文檔編號】H01L27/146GK105914216SQ201610291955
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】耿陽, 胡少堅, 陳壽面
【申請人】上海集成電路研發中心有限公司