硅基与量子点全集成的图像传感器及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像传感器技术领域，具体涉及一种硅基与量子点全集成的图像传感器及制备方法。
【背景技术】
[0002]图像传感器是指将光信号转换为电信号的装置，其可以基于电荷耦合器件(CCD)技术、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感技术或基于量子点的光电探测技术进行制备得到。
[0003]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。CMOS图像传感器不仅被用于消费电子领域，例如微型数码相机(DSC)，手机摄像头，摄像机和数码单反(DSLR)中，而且在汽车电子，监控，生物技术和医学等领域也占据了重要的市场份额，在大部分应用场合CMOS图像传感器已经取代了(XD图像传感器。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。
[0004]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的特性，其光吸收特性也是随之可调。通过选择合适的量子点材料和尺寸，可以采用溶液法制备对可见光或红外高灵敏度的量子点膜，工艺简单。总体而言，量子点制备的光电探测器具有灵敏度高，波段易调制、工艺简单成本低等优势，市场前景广阔。同硅基的CMOS图像传感器比较，对于短波红外的检测，量子点具有成本低和性能优良的特点。
[0005]目前随着红外成像与光谱技术的日益发展，为满足多光谱成像与检测技术的需要，将可见光与红外探测技术结合在一起的宽光谱检测与成像技术越来越收到重视。国外已经出现的超光谱图像仪(也称为光谱图像仪)，具有超宽的光谱响应(同时包含可见光和短波红外)，能实现光谱与成像，能同时进行形状与材料识别，大大提高了目标的识别和分类，是当今公认的下一代工业检测、医学诊断和安全应用的关键技术。这一技术产品至少需要可见光和短波红外两种图像传感器芯片，使得整个光路和系统设计非常复杂。而且短波红外探测目前主要采用InGaAs红外二极管构成的短波红外探测器阵列，其价格非常昂贵。如果能实现短波红外与可见光图像传感器的单芯片集成，将大大简化相关产品的复杂程度，大幅降低相关产品成本。
【发明内容】
[0006]为了克服以上问题，本发明提供了一种硅基与量子点全集成的图像传感器结构，以实现可见光和短波红外图像传感器的单芯片集成。
[0007]为了实现上述目的，本发明硅基与量子点全集成的图像传感器，在同一硅衬底上包括硅基像素单元、以及与所述硅基像素单元水平排列的量子点像素单元；所述硅衬底表面从下向上依次具有栅氧层和层间介质，其中，
[0008]所述硅基像素单元包括:位于所述硅衬底中且在所述栅氧层下方的光电二极管、位于所述栅氧层且在所述光电二极管上方一侧的第一传输管栅极，位于所述栅氧层下方的所述硅衬底中且在所述第一传输管栅极下方与所述光电二极管相对的一侧的第一悬浮漏极，位于所述层间介质层中且在所述光电二极管和所述第一悬浮栅极外围上方的用于防止光学串扰的不相互连接的金属互连线；
[0009]所述量子点像素单元包括:位于所述硅衬底中且在所述栅氧层下方的N型源漏区、第二悬浮漏极、位于所述第二悬浮漏极靠近所述硅衬底边缘一侧的接地端，位于所述栅氧层上且在所述N型源漏区和所述第二悬浮漏极之间上方的第二传输管栅极，位于所述层间介质层中且在所述栅氧层上依次具有底部接触孔层、金属层和通孔层相间设置的多层相连接的金属互连，在所述金属互连具有第一顶层金属和第二顶层金属，所述第一顶层金属和所述第二顶层金属上分别具有顶层通孔和填充有对红外敏感的量子点薄膜的顶层凹槽，透明导电薄膜覆盖于所述顶层通孔、所述量子点薄膜及二者之间的介质层上；其中，所述顶层通孔与所述N型源漏区正上方的所述金属互连相连接，所述具有量子点薄膜的顶层凹槽与所述接地端上方的所述金属互连相连接，所述底部接触孔层具有与所述顶层通孔下方相对应的第--接触孔和与所述填充有量子点薄膜的顶层凹槽下方相对应的第一二接触孔，
所述第一一接触孔穿过所述栅氧层与所述第一一接触孔下方的所述N型源漏区相接触，所述第一二接触孔穿过所述栅氧层与所述第一二接触孔下方的所述接地端相接触；所述透明导电薄膜通过其下方的所述顶层通孔、所述多层相连接的金属互连和所述第一一接触孔与所述N型源漏区相连接，所述量子点薄膜下方的所述第二顶层金属通过所述第二顶层金属下方的所述多层相连接的金属互连和所述第一二接触孔层与所述接地端相连接，从而使所述量子点薄膜产生的电信号通过所述第二传输管栅极传输到所述第二悬浮漏极，实现电荷信号向电压信号的转换。
[0010]优选地，所述多层相连接的金属互连包括位于所述底部接触孔上的第一层金属、位于所述第一层金属上的第一层通孔层、位于所述第一层通孔层上的第二层金属、位于所述第二层金属上的第二层通孔、位于所述第二层通孔上的所述顶层金属；所述顶层通孔下方的所述顶层金属的长度小于所述填充有量子点薄膜的顶层凹槽的长度。
[0011]优选地，所述硅基像素单元中的所述不相互连接的金属互连线之间不具有通孔连接，且所述不相互连接的金属互连线与所述光电二极管、所述第一传输管栅极和所述第一悬浮漏极均不连接。
[0012]优选地，所述硅基像素单元中的所述不相互连接的金属互连线中的金属层与所述量子点像素单元中的所述多层相连接的金属互连中的所述金属层一一对应且位于相同的层中。
[0013]优选地，所述量子点薄膜用于探测900-1700nm的短波红外光。
[0014]优选地，所述第一悬浮漏极和所述第二悬浮漏极均为N型。
[0015]优选地，所述接地端为P型。
[0016]优选地，所述透明导电薄膜为ΙΤ0薄膜。
[0017]为了实现上述目的，本发明还提供了一种上述的硅基与量子点全集成的图像传感器的制备方法，其包括:
[0018]步骤01:采用CMOS前道制造工艺依次在所述硅衬底中制备所述光电二极管、在所述硅衬底上形成所述栅氧层、在所述栅氧层上制备所述第一传输管栅极和所述第二传输管栅极、以及通过离子注入工艺在所述第一传输管栅极下方与所述光电二极管相对的一侧形成所述第一悬浮漏极、在所述第二传输管栅极下方两侧分别形成所述N型源漏区和所述第二悬浮漏极、以及在所述第二悬浮漏极靠近所述硅衬底边缘一侧的所述接地端；
[0019]步骤02:采用CMOS后道金属互连工艺，通过光刻、刻蚀、沉积和化学机械抛光工艺，形成在所述硅衬底上的所述层间介质层、在所述层间介质层中且在所述栅氧层上的底部接触孔层、金属层和通孔层相间设置的多层相连接的金属互连；
[0020]步骤03:经光刻和刻蚀工艺，在对应于所述接地端上方且在所述多层相连接的金属互连的所述第二顶层金属上的所述层间介质层中形成用于填充量子点薄膜的顶层凹槽；
[0021]步骤04:在所述层间介质层表面和所述顶层凹槽中形成对红外敏感的量子点薄膜；其中，在所述顶层凹槽中的量子点薄膜顶部低于在所述层间介质层表面的量子点薄膜的顶部；
[0022]步骤05:采用化学机械抛光法研磨所述量子点薄膜，将所述层间介质层表面的量子点薄膜去除