采用量子点薄膜进行光电转换的图像传感器及制备方法与流程

本发明涉及图像传感器技术领域，具体涉及一种采用量子点薄膜进行光电转换的图像传感器及制备方法。

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。

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2～20nm的纳米粒子。它能在特定的波长下发光，采用量子点技术的屏幕在生产时更容易校准，拥有更准确的色彩表现，并且在色彩饱和度方面拥有明显的优势。因此，将量子点应用于传感器中所制备的量子薄膜传感器有着更轻薄的体积，更强的光线敏感度，更大的动态范围、和优化的成像稳定。

由于传统的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，从而降低了图像质量，而相比之下，量子点薄膜是涂在凸镜下面的，更接近镜头的特性使其能更充分地捕捉光线，从而能够有效改善镜头性能。这种新技术打造的传感器能够收集传统传感器芯片两倍的光线，并以两倍的效率将其转变为电信号，同时其生产成本很低。使用量子点薄膜后，一方面可以降低摄像头的厚度和体积，另一方面可以大大提高图像传感器低光拍摄性能和图像的动态范围等。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种采用量子点薄膜进行光电转换的图像传感器及制备方法，从而提高图像传感器的性能。

为了达到上述目的，一种采用量子点薄膜进行光电转换的图像传感器，其包括：

衬底，在衬底表面设置有底部隔离层；

位于底部隔离层上的N层隔离层；每层隔离层中设置有相应层的金属通孔，相邻的上层金属通孔和下层金属通孔一一对应且相连接；其中，N为整数且N≥2；

金属电极，位于最顶层金属通孔顶部；

量子点薄膜，位于金属电极和暴露的最顶层隔离层表面。

优选地，相邻的上层隔离层与下层隔离层之间还设置有氮化硅隔离层。

优选地，第N层隔离层表面上还设置有顶部隔离结构，顶部隔离结构位于第N层隔离层上的相邻像素的交界处。

优选地，所述顶部隔离结构底部与所述第N层隔离层表面之间、以及所述顶部隔离结构的顶部还设置有氮化硅保护层。

优选地，所述图像传感器还包括位于衬底边缘的最顶层金属通孔上的焊盘结构；所述焊盘结构包括底部隔离开口结构和填充在底部隔离开口结构中的金属铝；所述金属铝的顶部高于所述底部隔离开口结构的顶部；所述焊盘结构底部与所述第N层隔离层表面之间、所述底部隔离开口结构的顶部和金属铝的顶部还设置有氮化硅保护层，并且，在金属铝的顶部的氮化硅保护层设置有开口，用于暴露出部分金属铝的顶部。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种图像传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤01：提供一衬底；并且，在衬底表面形成底部隔离层；

步骤02：在底部隔离层表面形成一层隔离层；

步骤03：在该层隔离层中刻蚀出一层通孔，并且在该层通孔中填充金属，从而得到该层的金属通孔；

步骤04：在完成步骤03的衬底上再形成一层隔离层；

步骤05，重复步骤03～04，直至形成N层隔离层，且在每层隔离层中形成有相应层的金属通孔，相邻的上层金属通孔和下层金属通孔一一对应且相连接；其中，N为整数且N≥2；

步骤06：在第N层隔离层表面和第N层金属通孔上形成顶部隔离层；

步骤07：刻蚀顶部隔离层，以暴露出位于第N隔离层表面和第N层金属通孔顶部，并且保留位于第N层隔离层上的相邻像素的交界处的顶部隔离层，从而形成顶部隔离结构；

步骤08：在暴露出的第N层金属通孔顶部形成金属电极；

步骤09：在金属电极和暴露的第N层隔离层表面形成量子点薄膜。

优选地，在所述步骤03中，在形成该层金属通孔之后，还包括：在该层隔离层表面和该层金属通孔顶部形成一层氮化硅隔离层。

优选地，在所述步骤06中，在形成顶部隔离层之前，还包括：在所述第N层隔离层表面和所述第N层金属通孔顶部形成一层氮化硅保护层。

优选地，所述步骤06之后且在所述步骤07之前还包括：在顶部隔离层中且在所述衬底边缘区域的第N层金属通孔上制备出焊盘结构。

优选地，制备出焊盘结构的过程具体包括：

首先，刻蚀在衬底边缘区域的第N层金属通孔上方的顶部隔离层，以在衬底边缘区域的第N层金属通孔上方的顶部隔离层中形成沟槽，从而形成焊盘隔离开口结构；其中，沟槽底部暴露出衬底边缘区域的第N层金属通孔顶部；

然后，在顶部隔离层表面和沟槽中沉积金属铝，并且，刻蚀金属铝，只保留沟槽中和沟槽上方的金属铝；其中，金属铝的顶部高出顶部隔离层表面。

优选地，在制备出焊盘结构之后，还包括：在顶部隔离层表面以及暴露的金属铝表面和侧壁形成氮化硅保护层；

在步骤08之后，且在步骤09之前，还包括：在所述金属铝的顶部的氮化硅保护层中刻蚀出开口，以暴露出部分金属铝的顶部。

本发明的量子薄膜传感器具有有更强的光线敏感度，更大的动态范围和更优化的成像稳定性，此外，本发明通过采用量子点薄膜进行光线的吸收和转换，确保在小尺寸的像素的设计中，也可以获得高质量的输出图像。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的图像传感器的结构示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的图像传感器的制备方法的流程示意图

图3～17为本发明的一个较佳实施例的图像传感器的制备方法的各个制备步骤示意图

具体实施方式

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。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

以下结合附图1-17和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例的采用量子点薄膜进行光电转换的图像传感器，以具有两层隔离层和两层金属通孔为例来说明，但这不用于限制本发明的N层隔离层和N层金属通孔的范围。本实施例的图像传感器包括：

一衬底1，在衬底1表面设置有底部隔离层2；具体的，这里的衬底1可以但不限于为N型或P型双面抛光硅片。底部隔离层2的材料可以为二氧化硅，底部隔离层2的二氧化硅的生长可以但不限于采用高温氧化工艺，反应温度可以但不限于为900～1050℃，底部隔离层2的二氧化硅的厚度可以但不限于为0.5～1微米。

第一隔离层3，位于底部隔离层2上；具体的，第一隔离层3的材料可以但不限于为二氧化硅，可以但不限于采用化学气相沉积工艺，第一隔离层3的厚度可以但不限于为0.3～0.5微米。第一隔离层的材料还可以是硼玻璃、磷玻璃、硼磷玻璃或黑金刚(black diamond)。

位于第一隔离层3上的第二隔离层7；具体的，本实施例中，在第一隔离层3与第二隔离层7之间还设置有氮化硅隔离层6；第二隔离层7也可以的材料也可以为二氧化硅，第二隔离层7和氮化硅隔离层6的生长均可以但不限于采用化学气相沉积法来生长；第二隔离层7的厚度可以为0.3～0.5微米，氮化硅隔离层6的厚度可以为0.03～0.06微米，较佳的氮化硅隔离层6的厚度可以为0.05微米。

第一层金属通孔，设置于第一隔离层3中；具体的，第一层金属通孔的高度可以为0.8～1微米。第一层金属通孔包括沉积于第一层通孔侧壁和底部的第一层金属籽晶层4和第一层填充金属5。

第二层金属通孔，设置于第二隔离层7中；第一层金属通孔与第二层金属通孔一一对应且相连接；具体的，第二层金属通孔的高度可以为0.8～1微米。第二层金属通孔包括沉积于第二层通孔侧壁和底部的第二层金属籽晶层和第二层填充金属8。

金属电极14，位于第二层金属通孔顶部，并且与第二层金属通孔顶部相接触；金属电极14的材料可以但不限于为金属氮化钛。

量子点薄膜15，位于金属电极14和暴露的第二隔离层7表面；量子点薄膜15可以为红外感应量子点薄膜，通过选择不同的量子点来获得对不同光线的探测。

本实施例中，在第二隔离层7表面上还设置有顶部隔离结构13，顶部隔离结构13位于第二隔离层7上的相邻像素的交界处，用于隔离相邻像素，避免相邻像素之间的串扰。这里，为了避免刻蚀工艺对焊盘结构的损伤，在顶部隔离结构13底部与第二隔离层7表面之间设置有氮化硅保护层，以及顶部隔离结构13的顶部还设置有氮化硅保护层。较佳的，氮化硅保护层的厚度均可以为0.5～1微米。

位于衬底1边缘的第二层金属通孔上的焊盘结构。具体的，焊盘结构包括底部隔离开口结构10和填充在焊盘隔离开口结构10中的金属铝11；金属铝11的顶部高于焊盘隔离开口结构10的顶部；焊盘结构底部与第二隔离层7表面之间、焊盘隔离开口结构10的顶部和金属铝11的顶部还可以设置有氮化硅保护层12，该氮化硅保护层12、顶部隔离结构13底部与第二隔离层7表面之间的氮化硅保护层、以及顶部隔离结构13的顶部的氮化硅保护层的厚度可以相同，且氮化硅保护层12与顶部隔离结构13的顶部的氮化硅保护层可以采用同一成膜工艺同时制备。

并且，在金属铝11的顶部的氮化硅保护层12设置有开口，用于暴露出部分金属铝11的顶部，以便后续电性测试和封装。

需要说明的是，本实施例以具有两层隔离层3、7和两层金属通孔为例来说明，然在本发明的其它实施例的三层或以上金属隔离层和三层或以上金属通孔的堆叠结构以及每层金属通孔的关系，与本实施例的两层隔离层和两层金属通孔的堆叠结构以及每层金属通孔的关系相同。

接下来，请查阅图2，本实施例的上述具有两层隔离层和两层金属通孔的图像传感器的制备方法包括以下步骤：

步骤01：请参阅图3，提供一衬底1；并且，在衬底1表面形成底部隔离层2；

具体的，底部隔离层2的材料可以为二氧化硅，底部隔离层2的二氧化硅的生长可以但不限于采用高温氧化工艺，反应温度可以但不限于为900～1050℃，底部隔离层2的二氧化硅的厚度可以但不限于为0.5～1微米。

步骤02：请参阅图4，在底部隔离层2表面形成第一层隔离层3；

具体的，在底部隔离层2表面形成第一层隔离层3；第一隔离层3的材料可以但不限于为二氧化硅，可以但不限于采用化学气相沉积工艺，第一隔离层3的厚度可以但不限于为0.3～0.5微米。

步骤03：请参阅图5，在第一层隔离层3中刻蚀出第一层通孔，并且在第一层通孔中填充金属，从而得到第一层金属通孔；

具体的，第一层金属通孔中的填充金属15可以为铜，可以采用光刻和各向异性干法刻蚀工艺，在第一层隔离层3中刻蚀出第一层通孔，然后，去除光刻胶，接着，采用物理气相沉积工艺在第一层通孔中生长铜籽晶层4，再采用ECP方法在第一层通孔内的铜籽晶层4表面生长铜金属5，直至铜金属5填充满第一层通孔，并且采用化学机械研磨工艺平坦化第一层通孔内的铜金属5顶部，直至铜金属5顶部与第一层隔离层3表面齐平。

这里，在形成该第一层金属通孔之后，还包括：请参阅图6，在该第一层隔离层3表面和该第一层金属通孔顶部形成一层氮化硅隔离层6；氮化硅隔离层6的生长可以但不限于采用化学气相沉积法来生长；氮化硅隔离层6的厚度可以为0.03～0.06微米，较佳的氮化硅隔离层6的厚度可以为0.05微米。

步骤04：在完成步骤03的衬底上再形成一层隔离层；

步骤05：重复步骤03～04，直至形成N层隔离层，且在每层金属隔离层中形成有相应层的金属通孔，相邻的上层金属通孔和下层金属通孔一一对应且相连接；其中，N为整数且N≥2；

具体的，这里的N为2；首先，请参阅图7，在氮化硅隔离层6表面沉积第二层隔离层7，第二隔离层7也可以的材料也可以为二氧化硅，第二隔离层7的生长均可以但不限于采用化学气相沉积法来生长；第二隔离层7的厚度可以为0.3～0.5微米。

然后，请参阅图8，在第二层隔离层7中刻蚀出第二层通孔，并且在第二层通孔中填充金属8，从而得到第二层金属通孔；具体的，第二层填充金属8可以为铜，可以采用光刻和各向异性干法刻蚀工艺，在第二层隔离层7中刻蚀出第二层通孔，然后，去除光刻胶，接着，采用物理气相沉积工艺在第二层通孔中生长铜籽晶层，再采用ECP方法在第二层通孔内的铜籽晶层表面生长铜金属8，直至铜金属8填充满第二层通孔，并且采用化学机械研磨工艺平坦化第二层通孔内的铜金属顶部，直至铜金属顶部与第二层隔离层7表面齐平。需要说明的是，对于本发明的其它实施例中的三层或以上隔离层以及三层或以上金属通孔，可以参照本实施例的步骤03和04的过程来制备，这里不再赘述。

步骤06：在第N层隔离层表面和第N层金属通孔顶部形成顶部隔离层；具体的，包括：

首先，在形成顶部隔离层之前，首先，请参阅图9，为了避免后续刻蚀工艺对所制备的焊盘结构以及顶部隔离结构的损伤，在第二层隔离层7表面和第二层金属通孔顶部形成一层氮化硅保护层9；较佳的，氮化硅保护层9的厚度可以为0.5～1微米。

然后，请参阅图10～11，在第二层隔离层7表面和第二层金属通孔上形成顶部隔离层10'，并且图案化顶部隔离层10'，在顶部隔离层10'中且在衬底1边缘区域的第二层金属通孔上制备出焊盘结构；

这里，焊盘结构的制备过程具体包括：

步骤A，请参阅图10，在第二层隔离层7表面和第二层金属通孔顶部形成顶部隔离层10'，并且，可以但不限于采用光刻和等离子体各向异性干法刻蚀工艺来刻蚀在衬底1边缘区域的第二层金属通孔上方的顶部隔离层10'，以在衬底1边缘区域的第二层金属通孔上方的顶部隔离层10'中形成沟槽；其中，沟槽底部暴露出衬底边缘区域的第二层金属通孔顶部；

步骤B，请参阅图11，在顶部隔离层10'表面和沟槽中沉积金属铝11，并且，刻蚀金属铝11，只保留沟槽中和沟槽上方的金属铝11；其中，金属铝11的顶部高出顶部隔离层10'表面；

在制备焊盘结构之后，还包括：请参阅图12，在顶部隔离层10'表面以及暴露的金属铝11表面和侧壁形成氮化硅保护层12。

步骤07：刻蚀顶部隔离层，以暴露出位于第N隔离层表面和第N层金属通孔顶部；

具体的，请参阅图13，可以但不限于采用光刻和等离子体各向异性刻蚀工艺来刻蚀非焊盘结构区域的顶部隔离层10'，同时保留位于第二层隔离层7上的相邻像素的交界处的顶部隔离层10'，从而在焊盘结构区域中形成焊盘隔离开口10，在相邻像素的交界处的第二层隔离层7上形成顶部隔离结构13。这里，顶部隔离结构13以及焊盘结构的焊盘隔离开口10均可以用于相邻的像素之间的隔离，防止像素之间的串扰。

步骤08：在暴露出的第N层金属通孔顶部形成金属电极；

具体的，请参阅图14，可以但不限于采用物理气相沉积工艺在暴露的第二层金属通孔顶部、第二层隔离层7、焊盘结构表面通过溅射形成金属电极14，并且，请参阅图15，可以但不限于通过光刻和各向异性干法刻蚀工艺刻蚀去除第二隔离层7和焊盘结构表面的金属电极14，从而形成仅位于第二层金属通孔顶部的金属电极14；金属电极14的材料可以为氮化钛。

在形成金属电极14之后，还包括：请参阅图16，可以但不限于采用光刻和各向异性干法刻蚀工艺在金属铝11的顶部的氮化硅保护层12中刻蚀出开口，以暴露出部分金属铝11的顶部，以便于后续典型测试和封装。最后，还要去除光刻工艺中所采用的光刻胶残留。

步骤09：在金属电极和暴露的第N层隔离层表面形成量子点薄膜。

具体的，请参阅图17，可以但不限于采用旋涂法在金属电极14和暴露的第二层隔离层7表面形成量子点薄膜15。

需要说明的是，本发明其它实施例中的三层或以上隔离层和三层或以上金属通孔的图像传感器的制备，可以采用本实施例的上述步骤01～09所描述的方法，区别在于，对于三层或以上隔离层和三层或以上金属通孔可以通过重复步骤03～04来完成，这里不再赘述。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。