CN105374831B - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了图像传感器和用于形成图像传感器的方法。该图像传感器包括：衬底，并且该衬底包括像素区、***区和边界区，并且边界区形成在像素区和***区之间。该图像传感器还包括形成在像素区中的第一栅极堆叠件结构以及形成在***区中的第二栅极堆叠件结构。第二栅极堆叠件结构包括高k介电层和第一金属层。

Description

图像传感器及其形成方法
技术领域
本发明涉及图像传感器及其形成方法。
背景技术
半导体器件用于各种电子应用，诸如个人电脑、手机、数码相机和其他电子设备。通常通过在半导体衬底上方依次沉积绝缘或介电层、导电层和半导体材料层，以及使用光刻图案化各个材料层以在其上形成电路部件和元件来制造半导体器件。
图像传感器是用于将光学图像转换成电信号的半导体器件。将图像传感器大致分类为电荷耦合器件(CCD)或CMOS图像传感器(CIS)。一种类型的CIS是前照式(FSI)图像传感器。在FSI图像传感器中，通过像素的前侧将光传输至光感测区。这意味着在入射光撞击光感测区之前，入射光首先必须穿过介电层和金属层，从而导致较低的量子效率(QE)、像素之间的严重串扰以及暗电流。另一种类型的CIS是背照式(BSI)图像传感器。与从硅管芯的顶(前)侧照射CMOS图像传感器不同，BSI图像传感器将滤色镜和微透镜应用至像素的背侧，从而使得从图像传感器的背侧收集入射光。与FSI图像传感器相比，BSI图像传感器具有较少的光损失、减少的串扰以及更好的量子效率。
虽然现有的图像传感器对于它们的预期目的通常已经足够，但是它们不是在所有方面都完全令人满意。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种图像传感器，包括：衬底，其中，所述衬底包括像素区、***区和边界区，并且所述边界区形成在所述像素区和所述***区之间；第一栅极堆叠件结构，形成在所述像素区中；以及第二栅极堆叠件结构，形成在所述***区中，其中，所述第二栅极堆叠件结构包括高k介电层和第一金属层。
在上述图像传感器中，其中，所述高k介电层和所述第一金属层未形成在所述像素区中。
在上述图像传感器中，还包括：介电层，形成在所述衬底中和所述边界区中；以及第二金属层，形成在所述边界区中的所述介电层中，其中，所述第二金属层嵌入在所述介电层中。
在上述图像传感器中，还包括：介电层，形成在所述衬底中和所述边界区中；以及第二金属层，形成在所述边界区中的所述介电层中，其中，所述第二金属层嵌入在所述介电层中；其中，所述边界区中的所述介电层从所述衬底的顶面延伸至在约至约的范围内的深度处。
在上述图像传感器中，还包括：介电层，形成在所述衬底中和所述边界区中；以及第二金属层，形成在所述边界区中的所述介电层中，其中，所述第二金属层嵌入在所述介电层中；还包括：隔离结构，形成在所述边界区中的所述衬底中，其中，所述介电层的一部分嵌入在所述隔离结构中。
在上述图像传感器中，还包括：介电层，形成在所述衬底中和所述边界区中；以及第二金属层，形成在所述边界区中的所述介电层中，其中，所述第二金属层嵌入在所述介电层中；其中，所述边界区中的所述第二金属层的顶面高于所述第二栅极堆叠件结构的所述第一金属层的顶面。
在上述图像传感器中，还包括：介电层，形成在所述衬底中和所述边界区中；以及第二金属层，形成在所述边界区中的所述介电层中，其中，所述第二金属层嵌入在所述介电层中；其中，所述第二金属层形成在所述***区中的所述第一金属层上。
在上述图像传感器中，其中，所述高k介电层未形成在所述边界区中。
在上述图像传感器中，还包括：密封层，形成在所述第二栅极堆叠件结构的侧壁上。
根据本发明的另一个方面，提供了一种图像传感器，包括：衬底，其中，所述衬底包括像素区、***区和边界区，并且所述边界区形成在所述像素区和所述***区之间；介电层，形成在所述边界区中的所述衬底上和所述衬底中；以及金属层，形成在所述边界区中，其中，所述金属层嵌入在所述介电层中。
在上述图像传感器中，还包括：第一栅极堆叠件结构，形成在所述像素区中；以及第二栅极堆叠件结构，形成在所述***区中，其中，所述第二栅极堆叠件结构包括高k介电层和位于所述高k介电层上的金属层。
在上述图像传感器中，还包括：第一栅极堆叠件结构，形成在所述像素区中；以及第二栅极堆叠件结构，形成在所述***区中，其中，所述第二栅极堆叠件结构包括高k介电层和位于所述高k介电层上的金属层；其中，所述边界区中的所述金属层的顶面与所述***区中的所述金属层的顶面平齐。
在上述图像传感器中，还包括：第一栅极堆叠件结构，形成在所述像素区中；以及第二栅极堆叠件结构，形成在所述***区中，其中，所述第二栅极堆叠件结构包括高k介电层和位于所述高k介电层上的金属层；其中，所述高k介电层未形成在所述边界区中。
在上述图像传感器中，还包括：第一栅极堆叠件结构，形成在所述像素区中；以及第二栅极堆叠件结构，形成在所述***区中，其中，所述第二栅极堆叠件结构包括高k介电层和位于所述高k介电层上的金属层；还包括：密封层，形成在所述第二栅极堆叠件结构的侧壁上。
在上述图像传感器中，其中，所述边界区中的所述介电层从所述衬底的顶面延伸至在约至约的范围内的深度处。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于形成图像传感器的方法，包括：提供衬底，其中，所述衬底包括像素区、***区和边界区，并且所述边界区形成在所述像素区和所述***区之间；在所述像素区中形成第一栅极堆叠件结构；在所述第一栅极堆叠件结构上形成保护层；在所述衬底中形成隔离结构，其中，所述隔离结构形成在所述边界区中；在所述衬底上形成高k介电层、第一金属层和多晶硅层；形成并图案化所述多晶硅层上的硬掩模层以形成图案化的硬掩模层；通过将所述图案化的硬掩模层用作掩模来去除所述高k介电层、所述第一金属层和所述多晶硅层的一部分，其中，所述高k介电层和所述第一金层保持在所述边界区中；以及去除所述边界区中的所述高k介电层和所述第一金属层。
在上述用于形成图像传感器的方法中，还包括：在所述硬掩模层上形成底层；在所述底层上形成中间层；以及在所述中间层上形成底部抗反射涂层(BARC)。
在上述用于形成图像传感器的方法中，在去除所述边界区中的所述高k介电层和所述第一金属层之后，还包括：使所述隔离结构凹进以形成凹槽，其中，所述凹槽从所述衬底的顶面延伸至在约至约的范围内的深度处。
在上述用于形成图像传感器的方法中，在去除所述边界区中的所述高k介电层和所述第一金属层之后，还包括：使所述隔离结构凹进以形成凹槽，其中，所述凹槽从所述衬底的顶面延伸至在约至约的范围内的深度处；还包括：在所述凹槽中和所述***区中形成所述介电层；去除所述***区中的所述硬掩模层以形成沟槽；在所述沟槽中填充第二金属层，其中，由所述第一金属层和所述第二金属层构成栅电极层。
在上述用于形成图像传感器的方法中，在去除所述边界区中的所述高k介电层和所述第一金属层之后，还包括：使所述隔离结构凹进以形成凹槽，其中，所述凹槽从所述衬底的顶面延伸至在约至约的范围内的深度处；还包括：在所述凹槽中和所述***区中形成所述介电层；去除所述***区中的所述硬掩模层以形成沟槽；在所述沟槽中填充第二金属层，其中，由所述第一金属层和所述第二金属层构成栅电极层；还包括：在所述边界区中的所述介电层中形成所述第二金属层。
附图说明
当结合附图阅读下面的详细说明书时，能够最好地理解本发明的各个方面。应该注意的是，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，可以任意增大或减小各个部件的尺寸。
图1A至图1M示出了根据本发明的一些实施例的形成图像传感器的各个阶段的截面图。
具体实施方式
为了实现所提供主题的不同特征，以下公开内容提供了多个不同实施例或实例。下面描述了部件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例而不旨在限制。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括以直接接触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，并且也可以包括第一部件和第二部件之间可以形成额外部件，使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。另外，在各个实例中，本发明可以重复参考标号和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，并且其本身并不表示所论述的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为便于描述，在本文中可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文中使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
描述了实施例的一些变化。贯穿各个视图和说明性实施例，相同的参考标号用于表示相同的元件。应该理解，在方法之前、期间和之后可以提供额外的操作，并且对于方法的其他实施例，可以替代或消除描述的一些操作。
提供了图像传感器和形成图像传感器的方法的实施例。图1A至图1M示出了根据本发明的一些实施例的形成图像传感器的各个阶段的截面图。图像传感器是互补金属氧化物半导体。在一些实施例中，图像传感器是前照式(FSI)图像传感器或背照式(BSI)图像传感器。
参考图1A，提供衬底102。衬底102可由硅或其他半导体材料制成。可选地或额外地，衬底102可以包括诸如锗的其他元素半导体材料。在一些实施例中，衬底102由诸如碳化硅、砷化镓、砷化铟、或磷化铟的化合物半导体制成。在一些实施例中，衬底102由诸如锗硅、碳化硅锗、磷砷化镓或磷化镓铟的合金半导体制成。在一些实施例中，衬底102包括外延层。例如，衬底102具有位于块状半导体上面的外延层。
衬底102包括像素区10、***区20和边界区30。边界区30形成于像素区10和***区20之间。当以顶视图看时，像素区10被***区20环绕。
在像素区10中，一个或多个栅极堆叠件结构110形成于像素区10中。栅极堆叠件结构110包括栅极介电层112、栅电极层114、硬掩模层116和栅极间隔件118。栅电极层114形成在栅极介电层112上，而硬掩模层116形成在栅电极层114上。栅极间隔件118形成在栅电极层114的相对侧壁上。在一些其他实施例中，栅极堆叠件结构110包括额外的层，诸如界面层、覆盖层、扩散层/阻挡层或其他适用的层。
栅极介电层112可以包括诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或它们的组合的介电材料。栅电极层114可以包括多晶硅。
虽然在像素区10中形成两个栅极堆叠件结构110，但是栅极堆叠件结构110的数量不限制于两个并且可以根据实际应用来调整。栅极堆叠件结构110可以是转移晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管或选择晶体管。
至少一个光电二极管(PD)(未示出)设置在像素区10中。光电二极管通常接收入射光并且将光转换成电流信号。此外，各种掺杂区位于像素区10中的衬底102中。掺杂区作为源极/漏极区对应于栅极堆叠件结构110。
应当注意的是，首先形成像素区10中的器件(诸如光电二极管或栅极堆叠件结构110)，之后形成***区20中的器件。
在栅极堆叠件结构110上形成保护层120以覆盖栅极堆叠件结构110。保护层120用于防止下面的器件在随后的工艺期间受到蚀刻。在一些实施例中，保护层120是非晶硅。
在***区20和边界区30中，在衬底102上形成氧化物层130。在一些实施例中，当在***区20中形成高压器件时，需要厚栅极介电层。因此，氧化物层130用作栅极介电层以提供较厚的厚度。
参考图1B，在衬底102中形成诸如浅沟槽隔离(STI)结构的隔离结构124。隔离结构124防止电干扰和串扰。之后，在保护层120、衬底102、隔离结构124和氧化物层130上共形地形成高k介电层132。在高k介电层132上形成第一金属层134。在第一金属层134上形成多晶硅层136。
高k介电层132包括氧化铪、氧化锆、氧化铝、二氧化铪-氧化铝合金、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化铪钽、氧化铪钛、氧化铪锆、类似的材料或它们的组合。第一金属层134包括氮化钽(TaN)、镍硅(NiSi)、钴硅(CoSi)、钼(Mo)、铜(Cu)、钨(W)、铝(Al)、钴(Co)、锆(Zr)、铂(Pt)或其他适用的材料。栅极间隔件118由诸如氮化硅层、氮氧化硅层或它们的组合的介电层制成。
在一些其他实施例中，在高k介电层132和衬底102之间形成界面层(IL)以提供它们之间的粘合性。
之后，在***区20和边界区30中的多晶硅层136上形成硬掩模层138。硬掩模层138用于图案化下面的层(诸如多晶硅层136、第一金属层134和高k介电层132)。硬掩模层138可以由正硅酸乙酯(TEOS)、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或其他适用的材料制成。
在硬掩模层138和多晶硅层136上形成底层140。在底层140上形成中间层142。在中间层142上形成底部抗反射涂层(BARC)144。中间层142由介电层制成。底部抗反射涂层(BARC)144由氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、氮氧化硅(SiON)制成。在一些实施例中，底层140由非晶碳制成，中间层142由氮氧化硅制成并且底部抗反射涂层(BARC)144由氮氧化硅(SiON)制成。
底层140、中间层142或BARC 144通过沉积工艺独立地形成，沉积工艺诸如化学汽相沉积(CVD)工艺、高密度等离子体化学汽相沉积(HDPCVD)工艺、旋涂工艺、溅射工艺或其他适用的工艺。
应该注意的是，在像素区10中，高k介电层132形成在保护层120上，而在***区20中，高k介电层132形成在衬底102和氧化物层130上，并且因此，像素区10中的高k介电层132的顶面高于***区20中的高k介电层132的顶面。此外，在边界区30中，高k介电层132形成在保护层120的倾斜侧壁上。
如图1C所示，根据本发明的一些实施例，在形成底部抗反射涂层(BARC)144之后，在BARC 144上形成光刻胶层146。之后，通过图案化工艺图案化光刻胶层146以形成图案化光刻胶层146。通过将图案化光刻胶层146用作掩模来图案化中间层142和BARC 144。之后，去除图案化光刻胶层146。
图案化工艺包括光刻工艺和蚀刻工艺。光刻工艺包括光刻胶涂布(例如，旋涂)、软烘烤、掩模对准、曝光、曝光后烘烤、显影光刻胶、冲洗和干燥(例如，硬烘)。蚀刻工艺包括干蚀刻工艺或湿蚀刻工艺。
如图1D所示，根据本发明的一些实施例，在图案化中间层142和BARC 144之后，通过将图案化中间层142和图案化BARC 144用作掩模来图案化底层140。
之后，如图1E所示，根据本发明的一些实施例，去除中间层142和BARC 144，并且获得图案化底层140。在一些实施例中，通过诸如干蚀刻工艺或湿蚀刻工艺的蚀刻工艺去除中间层142和BARC 144。
如图1F所示，根据本发明的一些实施例，在获得图案化底层140之后，通过将图案化底层140用作掩模来图案化硬掩模层138以形成图案化硬掩模层138。之后，通过干蚀刻工艺或湿蚀刻工艺去除图案化底层140。
如图1G所示，根据本发明的一些实施例，在去除图案化底层140之后，通过将图案化硬掩模层138用作掩模来图案化氧化物层130、高k介电层132、第一金属层134和多晶硅层136。***区20中的图案化高k介电层132用作栅极介电层，并且图案化第一金属层134用作栅电极层的一部分。
如图1G所示，去除像素区10中的高k介电层132和第一金属层134，而保留保护层120上的高k介电层132和第一金属层134。应该注意的是，边界区30中的高k介电层132和第一金属层134形成在保护层120和***区20中的堆叠件结构(包括图案化多晶硅层136和图案化硬掩模层138)之间，并且因此，高k介电层132和第一金属层134难以去除。结果，高k电介电层132和第一金属层134保留在边界区30中。
然而，边界区30中的剩余的高k介电层132和第一金属层134可能使图像传感器的性能退化。因此，在随后的工艺中去除边界区30中的剩余的高k介电层132和第一金属层134。
之后，如图1H所示，根据本发明的一些实施例，在***区20中的硬掩模层138上、边界区130中的多晶硅层136上和像素区10中的保护层120上形成密封层150。应该注意的是，在图1G的***区20中形成一个或多个堆叠件结构，并且在两个邻近的堆叠件结构之间形成多个空腔148。因此，之后，如图1H所示，沿着堆叠件结构的图案共形地形成密封层150。密封层150也形成在空腔148的侧壁和底部中。
密封层150由介电材料制成。例如，介电材料可以包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、其他合适的材料和/或它们的组合。通过使用诸如化学汽相沉积(CVD)工艺的合适的工艺在***区20中的堆叠件结构的表面上沉积密封层150。
之后，在密封层150上形成光刻胶层152。应当注意的是，光刻胶层152形成在像素区10和***区20中以保护像素区10和***区20中的器件。
如图1I所示，根据本发明的一些实施例，在形成光刻胶层152之后，去除暴露的密封层150。之后，分别且依次去除硬掩模层138、多晶硅层136、第一金属层134和高k介电层132。
通过干蚀刻工艺或湿蚀刻工艺分别去除硬掩模层138、多晶硅层136、第一金属层134和高k介电层132。在一些实施例中，干蚀刻气体包括氯气(Cl2)、氯化硼(BCl3)或基于氟(F)的气体。在一些实施例中，湿蚀刻溶液包括基于HF的溶液、NH4OH溶液、NH4OH/H2O2溶液、HCl/H2O2溶液、H2SO4/H2O2溶液。
为了完全地去除第一金属层134和高k介电层132，对隔离结构124的一部分实施过蚀刻工艺。因此，通过去除隔离结构124的一部分而形成凹槽170。
应该注意的是，凹槽170不应深于隔离结构124。凹槽170从衬底102的顶面延伸至深度D1处。在一些实施例中，深度D1是从约到约的范围内。如果深度D1太大，则去除过多的隔离结构124。如果深度D1太小，则可能会剩余第一金属层134和高k介电层132。
如图1J所示，根据本发明的一些实施例，在过蚀刻工艺之后，在***区20和边界区30中形成光刻胶层154。之后，去除像素区10中的密封层150和保护层120以暴露硬掩模层116。之后，去除光刻胶层154。
如图1K所示，根据本发明的一些实施例，在去除光刻胶层154之后，去除***区20中的密封层150的一部分、像素区10中的硬掩模层116以及***区20中的硬掩模层138。因此，在像素区10中，暴露出栅电极层114的顶面。在边界区30中，暴露出隔离结构124。在***区20中，暴露出多晶硅层136的顶面。
之后，在栅电极层114的暴露表面、暴露的隔离结构124和多晶硅层136的暴露表面上形成层间介电(ILD)层160。
ILD层160由氧化硅、掺杂和未掺杂的氧化硅、未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)、磷掺杂的硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷掺杂的硅酸盐玻璃(BPSG)、苯基三乙氧基硅酸盐(PTEOS)或硼磷硅酸四乙酯(BPTEOS)制成。ILD 160通过化学汽相沉积(CVD)工艺、高密度等离子体CVD工艺(HDP CVD)、旋涂或沉积炉形成。
如图1L所示，根据本发明的一些实施例，在沉积ILD层160之后，对ILD层160实施平坦化工艺。在一些实施例中，平坦化工艺是化学机械抛光(CMP)工艺。在平坦化工艺之后，在像素区10中的ILD层160的顶面上形成光刻胶层162。
应该注意的是，由于在衬底210中形成凹槽170，因此ILD层160在边界区30中具有凹进的表面。在平坦化工艺之后，边界区30中的ILD层160的顶面低于像素区10中或***区20中的ILD层160的顶面。换句话说，边界区30中的ILD层160的一部分从衬底102的顶面延伸至深度D1处，深度D1介于从约到约的范围内。
如图1M所示，根据本发明的一些实施例，在像素区10中的ILD层160的顶面上形成光刻胶层162之后，去除多晶硅层136。因此，形成多个沟槽(未示出)并且将第二金属层166填充在沟槽中。此外，第二金属层166也形成在边界区30中的ILD层160的凹进的表面上。应当注意的是，在边界区30中，第二金属层166嵌入在ILD层160中。
第二金属层166由导电材料制成。导电材料可以包括金属(例如，钽(Ta)、钛(Ti)、钼(Mo)、钨(W)、铂(Pt)、铝(Al)、铪(Hf)、钌(Ru))、金属硅化物(例如，硅化钛、硅化钴、硅化镍、硅化钽)或金属氮化物(例如，氮化钛、氮化钽)。在一些实施例中，第二金属层166通过化学汽相沉积(CVD)工艺或物理汽相沉积(PVD)工艺形成。
在一些实施例中，第一金属层134和第二金属层166由相同的材料制成。在一些其他实施例中，第一金属层134和第二金属层166由不同材料制成。第一金属层134的厚度小于第二金属层166的厚度。
应该注意的是，在沉积第二金属层166之后，对第二金属材料实施平坦化工艺以去除位于各沟槽外侧的过量的第二金属材料。因此，***区20中的第二金属层166的顶面与边界区30中的第二金属层166的顶面平齐。换句话说，边界区30中的第二金属层166的顶面高于***区20中的第一金属层134的顶面。
在对第二金属材料实施平坦化工艺之后，在第二金属层166、栅极堆叠件结构110和210上形成第二ILD层168。之后，金属化结构(未示出)包括诸如接触插塞和导电部件的互连结构。导电部件嵌入在第二ILD层168中。
如图1M所示，由高k介电层132、第一金属层134和第二金属层166构成栅极堆叠件结构210。高k介电层132用作栅极介电层，而第一金属层134和第二金属层166用作栅电极层。此外，密封层150形成在栅极堆叠件结构210的相对侧壁上。
尽管栅极堆叠件结构210形成在***区20中，但是栅极堆叠件结构210的数量不限于三个，并且可以根据实际应用来调整。
如图1M所示，高k介电层132、第一金属层134和第二金属层166形成在***区20中，但没有剩余的高k介电层132和第一金属层134形成在边界区30中。更重要的是，没有剩余的高k介电层132和第一金属层134形成在像素区10中。
如果在形成像素区中的器件(诸如光电二极管(PD))之前形成***区中的具有高k介电层和金属层(或称为HK/MG)的器件，则光电二极管对金属离子敏感并且由于金属离子的污染，光电二极管的性能可能会降低。此外，在高温下实施像素区中的光电二极管的形成，因此，由于高温，***区中的金属层可能会受到破坏。
应该注意的是，根据本发明的一些实施例，为了避免金属层的污染和衰退，首先形成像素区10中的器件(诸如栅极堆叠件结构110和光电二极管)，然后形成***区20中的器件(诸如栅极堆叠件结构210)。因此，***区20中的金属层(诸如第一金属层134和/或第二金属层166)不受高温的影响。此外，通过过蚀刻工艺完全地去除了边界区30中的高k介电层和金属层(又称为HK/MG)，并因此避免了金属污染。此外，提高了像素区10中的器件(诸如光电二极管)的性能。
本发明提供了图像传感器和用于形成图像传感器的方法的实施例。图像传感器是前照式(FSI)图像传感器或背照式(BSI)图像传感器。该图像传感器包括：衬底，并且该衬底包括像素区、***区和边界区，并且边界区形成在像素区和***区之间。高k介电层和金属层(也称为HK/MG)形成在***区中。然而，高k介电层和金属层没有形成在像素区和边界区中。因此，避免了金属污染问题。此外，由于在形成***区中的器件之前形成像素区中的器件，所以高k介电层和金属层(也称为HK/MG)不受由形成像素区中的器件引起的高温的影响。因此，提高了图像传感器的照明效率。
在一些实施例中，提供了一种图像传感器。图像传感器包括：衬底，并且该衬底包括像素区、***区和边界区，并且边界区形成在像素区和***区之间。该图像传感器还包括形成在像素区中的第一栅极堆叠件结构，以及形成在***区中的第二栅极堆叠件结构。第二栅极堆叠件结构包括高k介电层和第一金属层。
在一些实施例中，提供了一种图像传感器。图像传感器包括：衬底，并且该衬底包括像素区、***区和边界区，并且边界区形成在像素区和***区之间。该图像传感器还包括形成在边界区中的衬底上和衬底中的介电层。该图像传感器还包括形成在边界区中的金属层，并且金属层嵌入在介电层中。
在一些实施例中，提供了一种用于形成图像传感器的方法。该方法包括：提供衬底，并且衬底包括像素区、***区和边界区，并且边界区形成在像素区和***区之间。该方法还包括在像素区中形成第一栅极堆叠件结构和在第一栅极堆叠件结构上形成保护层。该方法还包括：在衬底中形成隔离结构，并且隔离结构形成在边界区中。该方法包括在衬底上形成高k介电层、第一金属层和多晶硅层。该方法还包括形成并图案化多晶硅层上的硬掩模层以形成图案化硬掩模层。该方法包括通过将图案化硬掩模层用作掩模来去除高k介电层、第一金属层和多晶硅层的一部分，并且高k介电层和第一金层保持在边界区中。该方法还包括去除边界区中的高k介电层和第一金属层。
以上概述了多个实施例的特征，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改其他用于执行与在此所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的工艺和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，在此他们可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (18)

1.一种图像传感器，包括：
衬底，其中，所述衬底包括像素区、***区和边界区，并且所述边界区形成在所述像素区和所述***区之间；
第一栅极堆叠件结构，形成在所述像素区中；以及
第二栅极堆叠件结构，形成在所述***区中，其中，所述第二栅极堆叠件结构包括高k介电层和第一金属层，
所述图像传感器还包括：
介电层，形成在所述衬底中和所述边界区中；以及
第二金属层，形成在所述边界区中的所述介电层中，其中，所述第二金属层嵌入在所述介电层中，所述第二金属层还形成在所述***区中的所述第一金属层上。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述高k介电层和所述第一金属层未形成在所述像素区中。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述边界区中的所述介电层从所述衬底的顶面延伸至在至的范围内的深度处。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
隔离结构，形成在所述边界区中的所述衬底中，其中，所述介电层的一部分嵌入在所述隔离结构中。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述边界区中的所述第二金属层的顶面高于所述第二栅极堆叠件结构的所述第一金属层的顶面。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述高k介电层未形成在所述边界区中。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
密封层，形成在所述第二栅极堆叠件结构的侧壁上。
8.一种图像传感器，包括：
衬底，其中，所述衬底包括像素区、***区和边界区，并且所述边界区形成在所述像素区和所述***区之间；
介电层，形成在所述边界区中的所述衬底上和所述衬底中；以及
金属层，形成在所述边界区中，其中，所述金属层嵌入在所述介电层中；
所述图像传感器还包括形成在所述***区中的栅极堆叠件结构，所述栅极堆叠件结构包括高k介电层、另一金属层和形成在所述***区中的所述金属层，所述另一金属层位于所述高k介电层和所述金属层之间。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，还包括：
另一栅极堆叠件结构，形成在所述像素区中。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述边界区中的所述金属层的顶面与所述***区中的所述金属层的顶面平齐。
11.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述高k介电层未形成在所述边界区中。
12.根据权利要求9所述的图像传感器，还包括：
密封层，形成在所述栅极堆叠件结构的侧壁上。
13.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述边界区中的所述介电层从所述衬底的顶面延伸至在至的范围内的深度处。
14.一种用于形成图像传感器的方法，包括：
提供衬底，其中，所述衬底包括像素区、***区和边界区，并且所述边界区形成在所述像素区和所述***区之间；
在所述像素区中形成第一栅极堆叠件结构；
在所述第一栅极堆叠件结构上形成保护层；
在所述衬底中形成隔离结构，其中，所述隔离结构形成在所述边界区中；
在所述衬底上形成高k介电层、第一金属层和多晶硅层；
形成并图案化所述多晶硅层上的硬掩模层以形成图案化的硬掩模层；
通过将所述图案化的硬掩模层用作掩模来去除所述高k介电层、所述第一金属层和所述多晶硅层的一部分，其中，所述高k介电层和所述第一金属层保持在所述边界区中；以及
去除所述边界区中的所述高k介电层和所述第一金属层。
15.根据权利要求14所述的用于形成图像传感器的方法，还包括：
在所述硬掩模层上形成底层；
在所述底层上形成中间层；以及
在所述中间层上形成底部抗反射涂层(BARC)。
16.根据权利要求14所述的用于形成图像传感器的方法，在去除所述边界区中的所述高k介电层和所述第一金属层之后，还包括：
使所述隔离结构凹进以形成凹槽，其中，所述凹槽从所述衬底的顶面延伸至在至的范围内的深度处。
17.根据权利要求16所述的用于形成图像传感器的方法，还包括：
在所述凹槽中和所述***区中形成介电层；
去除所述***区中的所述硬掩模层以形成沟槽；
在所述沟槽中填充第二金属层，其中，由所述第一金属层和所述第二金属层构成栅电极层。
18.根据权利要求17所述的用于形成图像传感器的方法，还包括：
在所述边界区中的所述介电层中形成所述第二金属层。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9935139B2 (en) * 2014-08-22 2018-04-03 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Image sensor and method for forming the same
CN108734071A (zh) * 2017-04-24 2018-11-02 上海箩箕技术有限公司 图像传感器的形成方法
KR102342550B1 (ko) * 2017-06-09 2021-12-23 삼성전자주식회사 반도체 장치
KR102506837B1 (ko) * 2017-11-20 2023-03-06 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 그 제조 방법
US10923594B2 (en) * 2018-12-20 2021-02-16 Globalfoundries U.S. Inc. Methods to reduce or prevent strain relaxation on PFET devices and corresponding novel IC products

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010232284A (ja) * 2009-03-26 2010-10-14 Sony Corp 固体撮像装置、および、その製造方法、電子機器
CN102479793A (zh) * 2010-11-29 2012-05-30 格科微电子（上海）有限公司 Cmos图像传感器及其制造方法
JP2013089707A (ja) * 2011-10-17 2013-05-13 Sony Corp 撮像素子、撮像装置、並びに、撮像装置および方法
JP2014072237A (ja) * 2012-09-27 2014-04-21 Renesas Electronics Corp 半導体装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7038259B2 (en) * 2003-10-22 2006-05-02 Micron Technology, Inc. Dual capacitor structure for imagers and method of formation
JP2006100620A (ja) 2004-09-30 2006-04-13 Sony Corp 固体撮像素子及び半導体装置
JP4224036B2 (ja) * 2005-03-17 2009-02-12 富士通マイクロエレクトロニクス株式会社 フォトダイオード領域を埋め込んだイメージセンサ及びその製造方法
US20070187787A1 (en) 2006-02-16 2007-08-16 Ackerson Kristin M Pixel sensor structure including light pipe and method for fabrication thereof
JP5305622B2 (ja) * 2006-08-31 2013-10-02 キヤノン株式会社 光電変換装置の製造方法
KR100869744B1 (ko) * 2006-12-29 2008-11-21 동부일렉트로닉스 주식회사 씨모스 이미지 센서 및 그 제조방법
KR100872719B1 (ko) * 2007-04-17 2008-12-05 동부일렉트로닉스 주식회사 이미지 센서 및 그의 제조방법
JP2009088447A (ja) 2007-10-03 2009-04-23 Sony Corp 固体撮像素子およびその製造方法
KR100936102B1 (ko) 2007-12-27 2010-01-11 주식회사 동부하이텍 이미지 센서 및 그 제조방법
US8598630B2 (en) 2008-10-06 2013-12-03 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Photo alignment mark for a gate last process
US8309419B2 (en) * 2009-02-04 2012-11-13 Freescale Semiconductor, Inc. CMOS integration with metal gate and doped high-K oxides
JP5428395B2 (ja) * 2009-03-04 2014-02-26 ソニー株式会社 固体撮像装置およびその製造方法、および撮像装置
US8440540B2 (en) * 2009-10-02 2013-05-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Method for doping a selected portion of a device
JP5253674B2 (ja) 2010-08-30 2013-07-31 シャープ株式会社 半導体装置およびその製造方法
JP6026914B2 (ja) * 2013-02-12 2016-11-16 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置の製造方法
US9006080B2 (en) * 2013-03-12 2015-04-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Varied STI liners for isolation structures in image sensing devices
US9935139B2 (en) * 2014-08-22 2018-04-03 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Image sensor and method for forming the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010232284A (ja) * 2009-03-26 2010-10-14 Sony Corp 固体撮像装置、および、その製造方法、電子機器
CN102479793A (zh) * 2010-11-29 2012-05-30 格科微电子（上海）有限公司 Cmos图像传感器及其制造方法
JP2013089707A (ja) * 2011-10-17 2013-05-13 Sony Corp 撮像素子、撮像装置、並びに、撮像装置および方法
JP2014072237A (ja) * 2012-09-27 2014-04-21 Renesas Electronics Corp 半導体装置

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