一种近红外图像传感器结构及其制作方法与流程

1.本发明属于半导体技术领域，涉及一种近红外图像传感器结构及其制作方法。


背景技术：

[0002]“近红外光”（简称nir）是通常指波长范围介于700 nm-2500 nm之间的电磁波。对于基于硅的cmos来说能够响应的最大波长约为1100 nm，也就是说，cmos图像传感器对于波长超过1100 nm的电磁波，是没有响应的。由于人眼只对400-700 nm的电磁波敏感，近红外波段的光信号，人眼是不可见（或者人眼响应非常弱），但在很多应用中却非常有用，如具有夜视功能的安防相机或者近红外医学成像技术。
[0003]
因此，如何拓宽cmos图像传感器的光响应范围，实现图像传感器在近红外领域的应用，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。


技术实现要素：

[0004]
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种近红外图像传感器结构及其制作方法，用于解决现有技术cmos图像传感器的光响应范围较窄的问题。
[0005]
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种近红外图像传感器结构，包括：近红外光转换层，包括绝缘层及位于所述绝缘层中的多个感光槽，所述感光槽中设有稀土上转换纳米发光材料以将近红外光转化为可见光；光电二极管层，位于所述近红外光转换层下方，用于响应所述近红外光转换层发出的可见光。
[0006]
可选地，所述稀土上转换纳米发光材料包含稀土上转换纳米颗粒，所述稀土上转换纳米颗粒包括核结构、核壳结构及核多壳结构中的一种或多种。
[0007]
可选地，所述稀土上转换纳米发光材料包括绝缘基质及掺杂稀土离子，所述掺杂稀土离子包括yb
3
、tm
3
、er
3
、nd
3
、gd
3
、lu
3
、tb
3
、eu
3
、sm
3
及dy
3
中的一种或者多种。
[0008]
可选地，所述绝缘基质包括naref4基质。
[0009]
可选地，所述近红外图像传感器结构还包括导电互连层及透镜层，所述导电互连层位于所述近红外光转换层与所述光电二极管层之间，所述透镜层位于所述近红外光转换层上方。
[0010]
本发明还提供一种近红外图像传感器结构的制作方法，包括以下步骤：形成光电二极管层；形成近红外光转换层于所述光电二极管层上方，所述近红外光转换层包括绝缘层及位于所述绝缘层中的多个感光槽，所述感光槽中设有稀土上转换纳米发光材料以将近红外光转化为可见光，所述光电二极管层用于响应所述近红外光转换层发出的可见光。
[0011]
可选地，形成所述近红外光转换层包括以下步骤：形成所述绝缘层；形成多个所述感光槽于所述绝缘层中；
于所述感光槽中形成所述稀土上转换纳米发光材料。
[0012]
可选地，于所述感光槽中形成所述稀土上转换纳米发光材料包括以下步骤：将稀土上转换纳米颗粒分散于有机溶剂中以得到溶液，所述稀土上转换纳米颗粒包括核结构、核壳结构及核多壳结构中的一种或多种；通过旋涂法或喷墨打印法将所述溶液施加于所述感光槽中；去除所述感光槽外的稀土上转换纳米颗粒。
[0013]
可选地，所述稀土上转换纳米发光材料包括绝缘基质及掺杂稀土离子，所述掺杂稀土离子包括yb
3
、tm
3
、er
3
、nd
3
、gd
3
、lu
3
、tb
3
、eu
3
、sm
3
及dy
3
中的一种或者多种。
[0014]
可选地，还包括形成导电互连层及透镜层的步骤，所述导电互连层位于所述近红外光转换层与所述光电二极管层之间，所述透镜层位于所述近红外光转换层上方。
[0015]
如上所述，本发明的近红外图像传感器结构包括近红外光转换层及光电二极管层，所述近红外光转换层包括稀土上转换纳米发光材料以将近红外光转化为可见光，所述光电二极管层位于所述近红外光转换层下方以响应所述近红外光转换层发出的可见光。本发明通过引入稀土上转换纳米材料作为感光材料，利用其优异的上转换发光性能，将近红外光的光信号转化为可见光的光信号，并通过发光二极管将可见光的光信号转化为电信号以生成图像信号，可以拓宽cmos图像传感器的光响应范围，实现cmos图像传感器在近红外领域的应用。本发明的近红外图像传感器结构的制作方法形成的近红外光转换层中，稀土上转换纳米材料能够以稳定形式存在，能够满足稀土上转换纳米材料的器件应用。
附图说明
[0016]
图1显示为本发明的近红外图像传感器结构的剖面结构示意图。
[0017]
图2显示为一种稀土上转换纳米颗粒的透射电镜图。
[0018]
图3显示为一种稀土上转换纳米颗粒的粉末衍射图。
[0019]
图4显示为本发明的近红外图像传感器结构的制作方法的工艺流程图。
[0020]
图5显示为本发明的近红外图像传感器结构的制作方法形成光电二极管于所述衬底中，并于所述衬底上方形成导电互连层的示意图。
[0021]
图6显示为本发明的近红外图像传感器结构的制作方法形成绝缘层于所述导电互连层上的示意图。
[0022]
图7显示为本发明的近红外图像传感器结构的制作方法形成多个感光槽于所述绝缘层中的示意图。
[0023]
图8显示为本发明的近红外图像传感器结构的制作方法将包含稀土上转换纳米发光材料的溶液施加于晶圆表面的示意图。
[0024]
图9显示为呈纳米颗粒状的稀土上转换纳米发光材料填充于所述感光槽中的示意图。
[0025]
图10显示为本发明的近红外图像传感器结构的制作方法去除所述感光槽以外的稀土上转换纳米颗粒的示意图。
[0026]
图11显示为本发明的近红外图像传感器结构的制作方法形成多个微透镜的示意图。
[0027]
元件标号说明：1 近红外光转换层，101 稀土上转换纳米发光材料，102 绝缘层，
103感光槽，2 光电二极管层，201 衬底，202 光电二极管，3 导电互连层，301 绝缘介质层，302 金属连线，4 透镜层，401 微透镜，5 溶液，6 晶圆，s1~s2 步骤。
具体实施方式
[0028]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0029]
请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0030]
实施例一本实施例中提供一种近红外图像传感器结构，请参阅图1，显示为该近红外图像传感器结构的剖面结构示意图，包括近红外光转换层1及光电二极管层2，其中，所述近红外光转换层1包括稀土上转换纳米发光材料101以将近红外光转化为可见光；所述光电二极管层2位于所述近红外光转换层1下方，用于响应所述近红外光转换层1发出的可见光。
[0031]
具体的，所述光电二极管层2包括衬底201及形成于所述衬底201中的光电二极管202，所述衬底201可包括硅衬底或其它合适的半导体衬底，所述光电二极管202用于将可见光的光信号转化为电信号。一般来说，半导体材料吸收光时，会从化学键中释放电子，并且该电子会处于一种自由漫游的状态，然后传感器会捕捉这些电子并生成图像信号。
[0032]
作为示例，所述近红外图像传感器结构还包括导电互连层3，所述导电互连层3位于所述近红外光转换层1与所述光电二极管层2之间，用于传输电信号。所述导电互连层3包括绝缘介质层301及位于所述绝缘介质层301中的至少一层金属连线302。
[0033]
需要指出的是，在其它实施例中，所述导电互连层3也可以根据需要配置于所述光电二极管层2下方，以适应不同的封装方式。
[0034]
作为示例，所述近红外图像传感器结构还包括透镜层4，所述透镜层4位于所述近红外光转换层1上方，用于聚焦近红外线。
[0035]
作为示例，所述近红外光转换层1包括绝缘层102及位于所述绝缘层102中的多个感光槽103，所述稀土上转换纳米发光材料101位于所述感光槽103中。每个所述感光槽103所在区域作为一个红外光转换单元。多个所述感光槽103的具体排布方式可以根据所需的像素排列方式进行设置。
[0036]
具体的，稀土上转换发光的原理在于稀土离子可通过吸收两个或者多个近红外光子，将近红外光转换成可见光发出，其主要机理包括激发态吸收(esa)、能量传递上转换(etu)、光子雪崩(pa)、能量传递调控上转换(emu)及协同敏化上转换(csu)等类型。稀土离子吸收近红外光的范围可以涵盖800 nm~1535 nm，而传统硅基cmos图像传感器仅到1100 nm。
[0037]
作为示例，所述稀土上转换纳米发光材料101包含稀土上转换纳米颗粒，所述稀土上转换纳米颗粒可以包括核结构、核壳结构及核多壳结构中的一种或多种。请参阅图2与图
3，其中，图2显示为一种稀土上转换纳米颗粒的透射电镜图，图3显示为一种稀土上转换纳米颗粒的粉末衍射图（xrd）。
[0038]
作为示例，所述稀土上转换纳米发光材料包括绝缘基质及掺杂稀土离子，也就是说，稀土离子是掺杂在绝缘基质的材料中，有利于提高上转换效率。所述绝缘基质包括naref4基质或其它合适的基质材料，所述掺杂稀土离子包括yb
3
、tm
3
、er
3
、nd
3
、gd
3
、lu
3
、tb
3
、eu
3
、sm
3
及dy
3
中的一种或者多种。
[0039]
本实施例的近红外图像传感器结构通过引入稀土上转换纳米材料作为感光材料，利用其优异的上转换发光性能，将近红外光的光信号转化为可见光的光信号，并通过发光二极管将可见光的光信号转化为电信号以生成图像信号，可以拓宽cmos图像传感器的光响应范围，实现cmos图像传感器在近红外领域的应用。
[0040]
实施例二本实施例中提供一种近红外图像传感器结构的制作方法，请参阅图4，显示为该方法的工艺流程图，包括以下步骤：s1：形成光电二极管层；s2：形成近红外光转换层于所述光电二极管层上方，所述近红外光转换层包括绝缘层及位于所述绝缘层中的多个感光槽，所述感光槽中设有稀土上转换纳米发光材料以将近红外光转化为可见光，所述光电二极管层用于响应所述近红外光转换层发出的可见光。
[0041]
首先请参阅图5，执行所述步骤s1：形成光电二极管层2。
[0042]
具体的，如图5所示，提供一衬底201，例如洁净的硅衬底，通过离子注入等cmos集成电路制造工艺形成光电二极管202于所述衬底201中以得到所述光电二极管层2。本实施例中，可进一步于所述衬底201中形成cmos图像传感器的读出电路、控制电路等，于所述衬底201上方形成用于传输电信号的导电互连层3，所述导电互连层3包括绝缘介质层301及位于所述绝缘介质层301中的至少一层金属连线302。
[0043]
再请参阅图6至图11，执行所述步骤s2：形成近红外光转换层1于所述光电二极管层2上方，所述近红外光转换层1包括稀土上转换纳米发光材料101以将近红外光转化为可见光，所述光电二极管层2用于响应所述近红外光转换层1发出的可见光。
[0044]
具体的，如图6所示，采用化学气相沉积法、物理气相沉积法或其它合适的方法形成绝缘层102于所述导电互连层3上，所述绝缘层102的材质包括但不限于二氧化硅。
[0045]
如图7所示，采用光刻、刻蚀等半导体工艺形成多个感光槽103于所述绝缘层102中，所述感光槽103用于容纳稀土上转换纳米发光材料，以实现稀土上转换纳米发光材料与cmos图像传感器的了一体化。所述感光槽103的具体形状与排布方式可以根据需要进行调整。
[0046]
如图8所示，通过旋涂法、喷墨打印法或其它合适的方式将包含稀土上转换纳米发光材料的溶液5施加于晶圆6表面以使稀土上转换纳米发光材料填充于所述感光槽103中。
[0047]
作为示例，可预先使用高温热分解、高温共沉淀法或者水热法得到稀土离子掺杂的上转换纳米颗粒，掺杂稀土离子包括yb
3
、tm
3
、er
3
、nd
3
、gd
3
、lu
3
、tb
3
、eu
3
、sm
3
及dy
3
中的一种或者多种，纳米颗粒为核结构或者核壳结构或者核多壳结构中的一种或者多种，然后将稀土上转换纳米颗粒分散溶解于溶剂中以得到所述溶液，所述溶剂可包括环乙烷或其它合适的有机溶剂。
[0048]
如图9所示，为呈纳米颗粒状的稀土上转换纳米发光材料101填充于所述感光槽103中的示意图，其中，所述稀土上转换纳米发光材料101还覆盖于所述感光槽103外的所述绝缘层102上表面。
[0049]
如图10所示，以所述绝缘层102为停止层，对晶圆表面进行化学机械研磨（cmp），使所述感光槽103以外的稀土上转换纳米颗粒全部冲洗掉。
[0050]
如图11所示，进一步沉积透镜材料层于所述绝缘层102上及所述稀土上转换纳米发光材料101上，并通过光刻、刻蚀等半导体工艺图形化所述透镜材料层以得到多个微透镜401，多个所述微透镜401与多个所述感光槽103的位置一一对应，使得近红外线聚焦于所述感光槽103处。
[0051]
需要指出的是，所述感光槽103中可不仅填充有所述稀土上转换纳米发光材料101，还可以根据需要填充其它所需的感光材料，此处不应过分限制本发明的保护范围。
[0052]
具体的，在完成后续所需工艺后，可对所述晶圆进行切割并封装以得到多个近红外传感芯片。
[0053]
至此，制作得到一种近红外图像传感器结构，本实施例的制作方法形成的近红外光转换层中，稀土上转换纳米材料能够以稳定形式存在，能够满足稀土上转换纳米材料的器件应用。
[0054]
综上所述，本发明的近红外图像传感器结构包括近红外光转换层及光电二极管层，所述近红外光转换层包括稀土上转换纳米发光材料以将近红外光转化为可见光，所述光电二极管层位于所述近红外光转换层下方以响应所述近红外光转换层发出的可见光。本发明通过引入稀土上转换纳米材料作为感光材料，利用其优异的上转换发光性能，将近红外光的光信号转化为可见光的光信号，并通过发光二极管将可见光的光信号转化为电信号以生成图像信号，可以拓宽cmos图像传感器的光响应范围，实现cmos图像传感器在近红外领域的应用。本发明的近红外图像传感器结构的制作方法形成的近红外光转换层中，稀土上转换纳米材料能够以稳定形式存在，能够满足稀土上转换纳米材料的器件应用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0055]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。