DE102015105953B4 - Bildsensor und Verfahren zu seiner Ausbildung - Google Patents

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Abstract

Bildsensor, der Folgendes umfasst:ein Substrat (102) , wobei das Substrat (102) einen Pixelbereich (10), einen Randbereich (20) und einen Grenzbereich (30) umfasst und der Grenzbereich (30) zwischen dem Pixelbereich (10) und dem Randbereich (30) ausgebildet ist;eine erste Gatestapel-Struktur (110), die in dem Pixelbereich (10) ausgebildet ist; undeine zweite Gatestapel-Struktur (210), die in dem Randbereich (30) ausgebildet ist, wobei die zweite Gatestapel-Struktur (210) eine high-k-dielektrische Schicht (132) und eine erste Metallschicht (134) umfasst,eine Isolierstruktur (124), die in dem Substrat (102) in dem Grenzbereich (30) ausgebildet ist, wobei eine Vertiefung (170) in der Isolierstruktur (124) ausgebildet ist,eine dielektrische Schicht (160), die in dem Grenzbereich (30) ausgebildet ist, wobei ein erster Abschnitt der dielektrischen Schicht (160) in der Vertiefung (170) im Substrat (102) eingebettet ist und ein zweiter Abschnitt der dielektrischen Schicht (160) auf dem Substrat (102) ausgebildet ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • Halbleitervorrichtungen werden in einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen verwendet, beispielsweise PCs, Mobiltelefonen, Digitalkameras und anderer elektronischer Ausrüstung. Halbleitervorrichtungen werden üblicherweise hergestellt, indem isolierende oder dielektrische Schichten, leitende Schichten und Halbleiterschichten verschiedener Materialien nach einander über einem Halbleitersubstrat abgeschieden werden und die verschiedenen Materialschichten mittels Lithographie strukturiert werden, um Schaltungskomponenten und Elemente darauf auszubilden.
  • Ein Bildsensor ist eine Halbleitervorrichtung zum Umwandeln eines optischen Bildes in ein elektrisches Signal. Bildsensoren werden grob in CCD-Sensoren und CMOS-Bildsensoren (CIS) eingeteilt. Eine Art von CIS ist ein Bildsensor mit Front Side Illumination (FSI). Bei dem FSI-Bildsensor wandert Licht zu einem lichtempfindlichen Bereich durch die Vorderseite des Pixels. Dies bedeutet, dass das einfallende Licht zuerst durch dielektrische Schichten und Metallschichten wandern muss, bevor es auf den lichtempfindlichen Bereich trifft, was zu niedriger Quantenausbeute (QE), starkem Übersprechen zwischen Pixeln und Dunkelstrom führt. Eine weitere Art von CIS sind Bildsensoren mit Back Side Illumination (BSI). Anstatt einen CMOS-Bildsensor von der Oberseite (Vorderseite) des Silizium-Dies zu beleuchten, wendet ein BSI-Bildsensor die Farbfilter und die Mikrolinse auf die Rückseite der Pixels an, so dass das einfallende Licht von der Rückseite des Bildsensors gesammelt wird. Verglichen mit FSI-Bildsensoren weisen die BSI-Bildsensoren einen geringeren Lichtverlust, verringertes Übersprechen und bessere Quantenausbeute auf.
    Die US 2010 / 0 224 766 A1 beschreibt einen Bildsensor mit Grabenisolierungen zwischen den Bauelementen in einem Substrat. Zum weiteren Stand der Technik wird auf die US 2008 / 0 057 615 A1 und die US 2005 / 0 087 780 A1 verwiesen.
  • Obwohl bestehende Bildsensoren im Allgemeinen für ihre vorgesehenen Zwecke geeignet waren, waren sie nicht in allen Aspekten vollständig zufriedenstellend.
  • Die Erfindung sieht einen Bildsensor gemäß Anspruch 1, einen Bildsensor gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren gemäß Anspruch 16 vor. Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Figuren gelesen wird. Man beachte, dass in Übereinstimmung mit dem üblichen Vorgehen in der Branche verschiedene Einrichtungen nicht maßstabsgetreu gezeigt sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Einrichtungen zur Klarheit der Beschreibung beliebig vergrößert oder verkleinert werden.
    • 1A-1M zeigen Schnittansichten von verschiedenen Stufen beim Ausbilden eines Bildsensors in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung sieht viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele vor, um verschiedene Einrichtungen des vorgesehenen Gegenstands zu implementieren. Spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Das Ausbilden einer ersten Einrichtung über oder auf einer zweiten Einrichtung in der folgenden Beschreibung kann beispielsweise Ausführungsformen umfassen, in denen die erste und die zweite Einrichtung in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Einrichtungen zwischen der ersten Einrichtung und der zweiten Einrichtung ausgebildet sein können, so dass die erste und die zweite Einrichtung nicht in direktem Kontakt sein müssen. Zusätzlich kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und erzwingt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
  • Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „unten“, „unter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und ähnliche, hier zur Einfachheit der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder einer Einrichtung mit einem oder mehreren anderen Elementen oder Einrichtungen zu beschreiben, wie sie in den Figuren gezeigt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung, die verwendet oder betrieben wird, zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Orientierung umfassen. Die Vorrichtung kann anders orientiert sein (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Begriffe, die hier verwendet werden, können ebenfalls demgemäß interpretiert werden.
  • Einige Varianten der Ausführungsformen werden beschrieben. In den verschiedenen Ansichten und beispielhaften Ausführungsformen werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Es versteht sich, dass zusätzliche Vorgänge vor, während und nach dem Verfahren vorgesehen sein können und dass einige der beschriebenen Vorgänge für weitere Ausführungsformen des Verfahrens ersetzt werden oder fehlen können.
  • Es sind Ausführungsformen eines Bildsensors und ein Verfahren zum Ausbilden eines Bildsensors vorgesehen. 1A-1M zeigen Schnittansichten von verschiedenen Stufen zum Ausbilden eines Bildsensors in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Der Bildsensor ist ein komplementärer Metalloxid-Halbleiter. In einigen Ausführungsformen ist der Bildsensor ein Bildsensor mit Front Side Illumination (FSI) oder ein Bildsensor mit Back Side Illumination (BSI).
  • Mit Bezug auf 1A ist ein Substrat 102 vorgesehen. Das Substrat 102 kann aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien hergestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat 102 andere Elementhalbleitermaterialien wie Germanium umfassen. In einigen Ausführungsformen ist das Substrat 102 aus einem Verbundhalbleiter hergestellt, etwa Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Indiumarsenid oder Indiumphosphid. In einigen Ausführungsformen ist das Substrat 102 aus einem Legierungshalbleiter hergestellt, etwa Silizium-Germanium, Silizium-Germaniumkarbid, Gallium-Arsenid-Phosphid oder Gallium-Indium-Phosphid. In einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 102 eine epitaktische Schicht. Das Substrat 102 weist beispielsweise eine epitaktische Schicht über einem Bulk-Halbleiter auf.
  • Das Substrat 102 umfasst einen Pixelbereich 10, ein Randbereich 20 und einen Grenzbereich 30. Der Grenzbereich 30 wird zwischen dem Pixelbereich 10 und dem Randbereich 20 ausgebildet. Der Pixelbereich 10 ist aus einer Draufsicht von dem Randbereich 20 umgeben.
  • In dem Pixelbereich 10 werden eine oder mehrere Gatestapel-Strukturen 110 in dem Pixelbereich 10 ausgebildet. Die Gatestapel-Struktur 110 umfasst eine dielektrische Gateschicht 112, eine Gate-Elektrodenschicht 114, eine Hartmaskenschicht 116 und Gate-Abstandhalter 118. Die Gate-Elektrodenschicht 114 ist auf der dielektrischen Gateschicht 112 ausgebildet und die Hartmaskenschicht 116 ist auf der Gate-Elektrodenschicht 114 ausgebildet. Die Gate-Abstandhalter 118 werden auf den entgegengesetzten Seitenwänden der Gate-Elektrodenschicht 114 ausgebildet. In einigen anderen Ausführungsformen umfasst die Gatestapel-Struktur 110 zusätzliche Schichten, etwa Grenzschichten, Deckschichten, Diffusions-/Sperrschichten oder andere geeignete Schichten.
  • Die dielektrische Gateschicht 112 kann Dielektrika umfassen, etwa Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid oder Kombinationen daraus. Die Gate-Elektrodenschicht 114 kann Polysilizium umfassen.
  • Obwohl zwei Gatestapel-Strukturen 110 in dem Pixelbereich 10 ausgebildet werden, ist die Anzahl von Gatestapel-Strukturen 110 nicht auf Zwei beschränkt und kann gemäß einer konkreten Anwendung angepasst werden. Die Gatestapel-Struktur 110 kann ein Transfer-Transistor, ein Reset-Transistor, ein Source-Folger-Transistor oder ein Auswahltransistor sein.
  • Mindestens eine Fotodiode (PD) (nicht gezeigt) ist in dem Pixelbereich 10 angeordnet. Die Fotodiode empfängt üblicherweise das einfallende Licht und wandelt das Licht in Stromsignale um. Des Weiteren liegen verschiedene dotierte Bereiche in dem Substrat 102 in dem Pixelbereich 10. Die dotierten Bereiche entsprechen in der Gatestapel-Struktur 110 den Source/Drain-Bereichen.
  • Man beachte, dass die Vorrichtungen (etwa die Fotodiode oder die Gatestapel-Struktur 110) in dem Pixelbereich 10 zuerst ausgebildet werden und die Vorrichtungen in dem Randbereich 20 danach ausgebildet werden.
  • Eine Schutzschicht 120 wird auf der Gatestapel-Struktur 110 ausgebildet, um die Gatestapel-Struktur 110 zu bedecken. Die Schutzschicht 120 wird verwendet, um zu verhindern, dass die darunter liegenden Vorrichtungen während nachfolgender Verfahren geätzt werden. In einigen Ausführungsformen besteht die Schutzschicht 120 aus amorphem Silizium.
  • In dem Randbereich 20 und dem Grenzbereich 30 wird eine Oxidschicht 130 auf dem Substrat 102 ausgebildet. In einigen Ausführungsformen wird, wenn die Hochspannungsvorrichtungen in dem Randbereich 20 ausgebildet werden, eine dicke dielektrische Gateschicht benötigt. Daher wird die Oxidschicht 130 als dielektrische Gateschicht verwendet, um eine große Dicke bereitzustellen.
  • Mit Bezug auf 1B wird eine Isolierstruktur 124, etwa eine Grabenisolierungs-(STI)-Struktur, in dem Substrat 102 ausgebildet. Die Isolierstruktur 124 verhindert elektrische Störungen oder Übersprechen. Danach wird eine high-k-dielektrische Schicht 132 auf der Schutzschicht 120, dem Substrat 102, der Isolierstruktur 124 und der Oxidschicht 130 gleichförmig ausgebildet. Eine erste Metallschicht 134 wird auf der high-k-dielektrischen Schicht 132 ausgebildet. Eine Polysiliziumschicht 136 wird auf der ersten Metallschicht 134 ausgebildet.
  • Die high-k-dielektrische Schicht 132 umfasst Hafniumoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Hafniumdioxid-Aluminiumoxid-Legierung, Hafnium-Siliziumoxid, Hafnium-Siliziumoxinitrid, Hafnium-Tantaloxid, Hafnium-Titanoxid, Hafnium-Zirkoniumoxid, ähnliche Materialien oder Kombinationen daraus. Die erste Metallschicht 134 umfasst Tantalnitrid (TaN), Nickel-Silizium (NiSi), Kobalt-Silizium (CoSi), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Wolfram (W), Aluminium (Al), Kobalt (Co), Zirkonium (Zr), Platin (Pt) oder andere geeignete Materialien. Die Gate-Abstandhalter 118 sind aus einer dielektrischen Schicht hergestellt, etwa einer Siliziumnitrid-Schicht, einer Siliziumoxinitrid-Schicht oder Kombinationen daraus.
  • In einigen anderen Ausführungsformen wird eine Grenzschicht (IL) zwischen der high-k-dielektrischen Schicht 132 und dem Substrat 102 ausgebildet, um die Haftung dazwischen zu verbessern.
  • Dann wird eine Hartmaskenschicht 138 auf der Polysiliziumschicht 136 in dem Randbereich 20 und dem Grenzbereich 30 ausgebildet. Die Hartmaskenschicht 138 wird verwendet, um die darunter liegenden Schichten (etwa die Polysiliziumschicht 136, die erste Metallschicht 134 und die high-k-dielektrische Schicht 132) zu strukturieren. Die Hartmaskenschicht 138 kann aus Tetraethylorthosilikat (TEOS), Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein.
  • Eine untere Schicht 140 wird auf der Hartmaskenschicht 138 und der Polysiliziumschicht 136 ausgebildet. Eine mittlere Schicht 142 wird auf der unteren Schicht 140 ausgebildet. Eine untere Antireflexbeschichtung (BARC) 144 wird auf der mittleren Schicht 142 ausgebildet. Die mittlere Schicht 142 ist aus einer dielektrischen Schicht hergestellt. Die untere Antireflexbeschichtung (BARC) 144 ist aus Siliziumnitrid (SiN), Siliziumkarbid (SiC), Siliziumoxinitrid (SiON) hergestellt. In einigen Ausführungsformen ist die untere Schicht 140 aus amorphem Kohlenstoff hergestellt, die mittlere Schicht 142 ist aus Siliziumoxinitrid hergestellt und die untere Antireflexbeschichtung (BARC) 144 ist aus Siliziumoxinitrid (SiON) hergestellt.
  • Die untere Schicht 140, die mittlere Schicht 142 oder die BARC 144 werden unabhängig durch Abscheidungsverfahren ausgebildet, etwa einem chemischen Gasphasenabscheidungs-(CVD)-Verfahren, einem chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren im hochdichten Plasma (HDPCVD), einem Rotationsbeschichtungsverfahren, einem Sputter-Verfahren oder anderen anwendbaren Verfahren.
  • Man beachte, dass in dem Pixelbereich 10 die high-k-dielektrische Schicht 132 auf der Schutzschicht 120 ausgebildet wird und in dem Randbereich 20 die high-k-dielektrische Schicht 132 auf dem Substrat 102 und der Oxidschicht 130 ausgebildet wird und daher eine obere Fläche der high-k-dielektrischen Schicht 132 in dem Pixelbereich 10 höher als eine obere Fläche der high-k-dielektrischen Schicht 132 in dem Randbereich 20 ist. Zusätzlich wird in dem Grenzbereich 30 die high-k-dielektrische Schicht 132 auf der geneigten Seitenwand der Schutzschicht 120 ausgebildet.
  • Nachdem die untere Antireflexbeschichtung (BARC) 144 ausgebildet wurde, wird eine Fotoresistschicht 146 auf der BARC 144 ausgebildet, wie in 1C gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Dann wird die Fotoresistschicht 146 durch ein Strukturierverfahren strukturiert, um eine strukturierte Fotoresistschicht 146 auszubilden. Die mittlere Schicht 142 und die BARC 144 werden mittels der strukturierten Fotoresistschicht 146 als Maske strukturiert. Dann wird die strukturierte Fotoresistschicht 146 entfernt.
  • Das Strukturierverfahren umfasst ein Fotolithographieverfahren und ein Ätzverfahren. Das Fotolithographieverfahren umfasst Fotoresistbeschichtung (z.B. Rotationsbeschichtung), Vorhärten, Maskenausrichtung, Belichtung, Aushärten nach dem Belichten, Entwickeln des Fotoresist, Spülen und Trocknen (z.B. Nachhärten). Das Ätzverfahren umfasst ein Trockenätz- oder Nassätzverfahren.
  • Nachdem die mittlere Schicht 142 und die BARC 144 strukturiert wurden, wird die untere Schicht 140 strukturiert, indem die strukturierte mittlere Schicht 142 und die strukturierte BARC 144 als Maske verwendet werden, wie in 1D gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung.
  • Dann werden die mittlere Schicht 142 und die BARC 144 entfernt und eine strukturierte untere Schicht 140 wird erhalten, wie in 1E gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. In einigen Ausführungsformen werden die mittlere Schicht 142 und die BARC 144 durch ein Ätzverfahren entfernt, etwa ein Trockenätzverfahren oder ein Nassätzverfahren.
  • Nachdem die strukturierte untere Schicht 140 erhalten wurde, wird die Hartmaskenschicht 138 strukturiert, indem die strukturierte untere Schicht 140 als Maske verwendet wird, um eine strukturierte Hartmaskenschicht 138 auszubilden, wie in 1F gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Dann wird die strukturierte untere Schicht 140 durch ein Trockenätzverfahren oder ein Nassätzverfahren entfernt.
  • Nachdem die strukturierte untere Schicht 140 entfernt wurde, werden die Oxidschicht 130, die high-k-dielektrische Schicht 132, die erste Metallschicht 134 und die Polysiliziumschicht 136 strukturiert, indem die strukturierte Hartmaskenschicht 138 als Maske verwendet wird, wie in 1G gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Die strukturierte high-k-dielektrische Schicht 132 in dem Randbereich 20 wird als dielektrische Gateschicht verwendet und die strukturierte erste Metallschicht 134 wird als Teil einer Gate-Elektrodenschicht verwendet.
  • Wie in 1G gezeigt ist, werden die high-k-dielektrische Schicht 132 und die erste Metallschicht 134 in dem Pixelbereich 10 entfernt, während die high-k-dielektrische Schicht 132 und die erste Metallschicht 134 auf der Schutzschicht 120 verbleiben. Man beachte, dass die high-k-dielektrische Schicht 132 und die erste Metallschicht 134 in dem Randbereich 30 zwischen der Schutzschicht 120 und den Stapelstrukturen in dem Randbereich 20 (einschließlich der strukturierten Polysiliziumschicht 136 und der strukturierten Hartmaskenschicht 138) ausgebildet werden, und daher ist es schwer, die high-k-dielektrische Schicht 132 und die erste Metallschicht 134 zu entfernen. Im Ergebnis verbleiben die high-k-dielektrische Schicht 132 und die erste Metallschicht 134 in dem Grenzbereich 30.
  • Die Leistungsfähigkeit des Bildsensors kann jedoch durch die verbleibende high-k-dielektrische Schicht 132 und die erste Metallschicht 134 in dem Grenzbereich 30 verschlechtert werden. Daher werden die verbleibende high-k-dielektrische Schicht 132 und die erste Metallschicht 134 in dem Grenzbereich 30 in dem nachfolgenden Verfahren entfernt.
  • Dann wird eine Abdichtungsschicht 150 auf der Hartmaskenschicht 138 in dem Randbereich 20, auf der Polysiliziumschicht 136 in dem Grenzbereich 30 und auf der Schutzschicht 120 in dem Pixelbereich 10 ausgebildet, wie in 1H gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Man beachte, dass eine oder mehrere Stapelstrukturen in dem Randbereich 20 von 1G ausgebildet werden und mehrere Vertiefungen 148 zwischen zwei benachbarten Stapelstrukturen ausgebildet werden. Daher wird danach, wie in 1H gezeigt ist, die Abdichtungsschicht 150 entlang der Struktur der Stapelstruktur gleichförmig ausgebildet. Die Abdichtungsschicht 150 wird auch in den Seitenwänden und der Unterseite der Vertiefung 148 ausgebildet.
  • Die Abdichtungsschicht 150 ist aus einem Dielektrikum hergestellt. Das Dielektrikum kann beispielsweise Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid, andere geeignete Materialien und/oder Kombinationen daraus umfassen. Die Abdichtungsschicht 150 wird auf den Oberflächen der Stapelstrukturen in dem Randbereich 20 abgeschieden, indem ein geeignetes Verfahren wie ein chemisches Gasphasenabscheidungs-(CVD)-Verfahren verwendet wird.
  • Dann wird die Fotoresistschicht152 auf der Abdichtungsschicht 150 ausgebildet. Man beachte, dass die Fotoresistschicht 152 in dem Pixelbereich 10 und dem Randbereich 20 ausgebildet wird, um die Vorrichtungen in dem Pixelbereich 10 und dem Randbereich 20 zu schützen.
  • Nachdem die Fotoresistschicht 152 ausgebildet wurde, wird die freigelegte Abdichtungsschicht 150 entfernt, wie in 11 gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Dann werden die Hartmaskenschicht 138 und die Polysiliziumschicht 136, die erste Metallschicht 134 und die high-k-dielektrische Schicht 132 jeweils nach einander entfernt.
  • Die Hartmaskenschicht 138 und die Polysiliziumschicht 136, die erste Metallschicht 134 und die high-k-dielektrische Schicht 132 werden jeweils durch ein Trockenätzverfahren oder ein Nassätzverfahren entfernt. In einigen Ausführungsformen umfasst das Trockenätzgas Chlor-(Cl2)-, Borchlorid-(BCl3)- oder Fluor-(F)-basiertes Gas. In einigen Ausführungsformen umfasst die Nassätzlösung HF-basierte Lösung, NH4OH-Lösung, NH4OH/H2O2-Lösung, HCl/H2O2-Lösung oder H2SO4/H2O2-Lösung.
  • Um die erste Metallschicht 134 und die high-k-dielektrische Schicht 132 vollständig zu entfernen, wird ein Überätzverfahren auf einen Abschnitt der Isolierstruktur 124 angewendet. Dadurch wird eine Vertiefung 170 ausgebildet, indem der Abschnitt der Isolierstruktur 124 entfernt wird.
  • Man beachte, dass die Vertiefung 170 nicht tiefer als die Isolierstruktur 124 sein sollte. Die Vertiefung 170 erstreckt sich von einer oberen Fläche des Substrats 102 auf eine Tiefe D1. In einigen Ausführungsformen liegt die Tiefe D1 in einem Bereich zwischen etwa 1 nm und etwa 500 nm. Wenn die Tiefe D1 zu groß ist, wird zu viel der Isolierstruktur 124 entfernt. Wenn die Tiefe D1 zu klein ist, können die erste Metallschicht 134 und die high-k-dielektrische Schicht 132 verbleiben.
  • Nach dem Überätzverfahren wird eine Fotoresistschicht 154 in dem Randbereich 20 und dem Grenzbereich 30 ausgebildet, wie in 1J gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Dann werden die Abdichtungsschicht 150 und die Schutzschicht 120 in dem Pixelbereich 10 entfernt, um die Hartmaskenschicht 116 freizulegen. Dann wird die Fotoresistschicht 154 entfernt.
  • Nachdem die Fotoresistschicht 154 entfernt wurde, werden ein Abschnitt der Abdichtungsschicht 150 in dem Randbereich 20, die Hartmaskenschicht 116 in dem Pixelbereich 10 und die Hartmaskenschicht 138 in dem Randbereich 20 entfernt, wie in 1K gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Daher wird in dem Pixelbereich 10 eine obere Fläche der Gate-Elektrodenschicht 114 freigelegt. In dem Grenzbereich 30 wird die Isolierstruktur 124 freigelegt. In dem Randbereich 20 wird eine obere Fläche der Polysiliziumschicht 136 freigelegt.
  • Dann wird eine Zwischendielektrikums-(IILD)-Schicht 160 auf der freigelegten Oberfläche der Gate-Elektrodenschicht 114, der freigelegten Isolierstruktur 124 und der freigelegten Oberfläche der Polysiliziumschicht 136 ausgebildet.
  • Die ILD-Schicht 160 ist aus Siliziumoxid, dotiertem oder undotiertem Siliziumoxid, undotiertem Silikatglas (USG), Phosphor-dotiertem Silikatglas (PSG), Bor-Phosphor-Silikatglas (BPSG), Phenyltriethoxysilan (PTEOS) oder Bor-Phosphor-Tetraethylsilikat (BPTEOS) hergestellt. Die ILD 160 wird durch ein chemisches Gasphasenabscheidungs-(CVD)-Verfahren, ein CVD-Verfahren in hochdichtem Plasma (HDPCVD), eine Rotationsbeschichtung oder einen Abscheidungsofen ausgebildet.
  • Nachdem die ILD-Schicht 160 abgeschieden wurde, wird ein Planarisierungsverfahren auf die ILD-Schicht 160 angewendet, wie in 1L gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. In einigen Ausführungsformen ist das Planarisierungsverfahren ein chemisch-mechanisches Polier-(CMP)-Verfahren. Nach dem Planarisierungsverfahren wird eine Fotoresistschicht 162 auf der oberen Fläche der ILD-Schicht 160 in dem Pixelbereich 10 ausgebildet.
  • Man beachte, dass da die Vertiefung 170 in dem Substrat 102 ausgebildet wird, die ILD-Schicht 160 eine vertiefte Oberfläche in dem Grenzbereich 30 aufweist. Nach dem Planarisierungsverfahren liegt eine obere Fläche der ILD-Schicht 160 in dem Grenzbereich 30 niedriger als die in dem Pixelbereich 10 oder dem Randbereich 20. Mit anderen Worten erstreckt sich ein Abschnitt der ILD-Schicht 160 in dem Grenzbereich 30 von einer oberen Fläche des Substrats 102 auf eine Tiefe D1 in einem Bereich zwischen etwa 1 nm und etwa 500 nm.
  • Nachdem die Fotoresistschicht 162 auf der oberen Fläche der ILD-Schicht 160 in dem Pixelbereich 10 ausgebildet wurde, wird die Polysiliziumschicht 136 entfernt, wie in 1M gezeigt ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. So werden mehrere Gräben (nicht gezeigt) ausgebildet und eine zweite Metallschicht 166 wird in die Gräben gefüllt. Zusätzlich wird die zweite Metallschicht 166 auch auf der vertieften Oberfläche der ILD-Schicht 160 in dem Grenzbereich 30 ausgebildet. Man beachte, dass in dem Grenzbereich 30 die zweite Metallschicht 166 in der ILD-Schicht 160 eingebettet ist.
  • Die zweite Metallschicht 166 ist aus einem leitenden Material hergestellt. Das leitende Material kann Metall (z.B. Tantal (Ta), Titan (Ti), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Platin (Pt), Aluminium (Al), Hafnium (Hf), Ruthenium (Ru)), ein Metallsilizid (z.B. Titansilizid, Kobaltsilizid, Nickelsilizid, Tantalsilizid) oder ein Metallnitrid (z.B. Titannitrid, Tantalnitrid) umfassen. In einigen Ausführungsformen wird die zweite Metallschicht 166 durch ein chemisches Gasphasenabscheidungs-(CVD)-Verfahren oder ein physikalisches Gasphasenabscheidungs-(PVD)-Verfahren ausgebildet.
  • In einigen Ausführungsformen sind die erste Metallschicht 134 und die zweite Metallschicht 166 aus dem gleichen Material hergestellt. In einigen anderen Ausführungsformen sind die erste Metallschicht 134 und die zweite Metallschicht 166 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Die Dicke der ersten Metallschicht 134 ist kleiner als die der zweiten Metallschicht 166.
  • Man beachte, dass nach dem Abscheiden der zweiten Metallschicht 166 ein Planarisierungsverfahren auf das zweite Metallmaterial angewendet wird, um das überschüssige zweite Metallmaterial außerhalb der Gräben zu entfernen. Daher ist eine obere Fläche der zweiten Metallschicht 166 in dem Randbereich 20 plan mit einer oberen Fläche der zweiten Metallschicht 166 in dem Grenzbereich 30. Mit anderen Worten ist eine obere Fläche der zweiten Metallschicht 166 in dem Grenzbereich 30 höher als die obere Fläche der ersten Metallschicht 134 in dem Randbereich 20.
  • Nachdem das Planarisierungsverfahren auf das zweite Metallmaterial angewendet wurde, wird eine zweite ILD-Schicht 168 auf der zweiten Metallschicht 166, der Gatestapel-Struktur 110 und 210 ausgebildet. Danach umfasst die Metallisierungsstruktur (nicht gezeigt) eine Verbindungsstruktur, etwa Kontaktstöpsel und leitende Einrichtungen. Die leitenden Einrichtungen sind in der zweiten ILD-Schicht 168 eingebettet.
  • Wie in 1M gezeigt ist, wird eine Gatestapel-Struktur 210 durch die high-k-dielektrische Schicht 132, die erste Metallschicht 132 und die zweite Metallschicht 134 errichtet. Die high-k-dielektrische Schicht 132 wird als dielektrische Gateschicht verwendet und die erste Metallschicht 132 und die zweite Metallschicht 134 werden als Gate-Elektrodenschicht verwendet. Zusätzlich werden Abdichtungsschichten 150 auf den entgegengesetzten Seitenwänden der Gatestapel-Struktur 210 ausgebildet.
  • Obwohl drei Gatestapel-Strukturen 210 in dem Randbereich 20 ausgebildet werden, ist die Anzahl von Gatestapel-Strukturen 210 nicht auf Drei beschränkt und kann gemäß einer konkreten Anwendung angepasst werden.
  • Wie in 1M gezeigt ist, werden die high-k-dielektrische Schicht 132, die erste Metallschicht 134 und die zweite Metallschicht 166 in dem Randbereich 20 ausgebildet, aber es wird kein Anteil der high-k-dielektrischen Schicht 132 und der ersten Metallschicht 134 in dem Grenzbereich 30 ausgebildet. Wichtiger noch wird kein Anteil der high-k-dielektrischen Schicht 132 und der ersten Metallschicht 134 in dem Pixelbereich 10 ausgebildet.
  • Wenn die Vorrichtungen mit der high-k-dielektrischen Schicht und der Metallschicht (auch HK/MG genannt) in dem Randbereich vor den Vorrichtungen (etwa der Fotodiode (PD)) in dem Pixelbereich ausgebildet werden, ist die Fotodiode für die Metallionen empfindlich und die Leistungsfähigkeit der Fotodiode kann aufgrund der Verunreinigung der Metallionen verschlechtert werden. Zusätzlich wird das Ausbilden der Fotodiode in dem Pixelbereich bei hoher Temperatur ausgeführt, weswegen sich die Metallschicht in dem Randbereich aufgrund der hohen Temperatur verschlechtern kann.
  • Man beachte, dass um die Verunreinigung und Verschlechterung der Metallschicht zu vermeiden, die Vorrichtungen (etwa die Gatestapel-Struktur 110 und eine Fotodiode) in dem Pixelbereich 10 zuerst ausgebildet werden und die Vorrichtungen (etwa die Gatestapel-Struktur 210) in dem Randbereich 20 danach ausgebildet werden, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Offenbarung. Daher ist die Metallschicht (etwa die erste Metallschicht 134 und/oder die zweite Metallschicht 166) in dem Randbereich 20 nicht von der hohen Temperatur betroffen. Des Weiteren werden die high-k-dielektrische Schicht und die Metallschicht (auch als HK/MG bezeichnet) in dem Grenzbereich 30 vollständig durch ein Überätzverfahren entfernt und daher wird Metallverunreinigung vermieden. Zusätzlich wird die Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen (etwa der Fotodiode) in dem Pixelbereich 10 verbessert.
  • Es sind Ausführungsformen eines Bildsensors und ein Verfahren zum Ausbilden eines Bildsensors vorgesehen. Der Bildsensor ist ein Bildsensor mit Front Side Illumination (FSI) oder ein Bildsensor mit Back Side Illumination (BSI). Der Bildsensor umfasst ein Substrat und das Substrat umfasst einen Pixelbereich, einen Randbereich und einen Grenzbereich und der Grenzbereich ist zwischen dem Pixelbereich und dem Randbereich ausgebildet. Eine high-k-dielektrische Schicht und eine Metallschicht (auch als HK/MG bezeichnet) werden in dem Randbereich ausgebildet. Die high-k-dielektrische Schicht und die Metallschicht werden jedoch nicht in dem Pixelbereich und dem Grenzbereich ausgebildet. Daher werden Probleme mit Metallverunreinigung vermieden. Zusätzlich werden, da die Vorrichtungen in dem Pixelbereich ausgebildet werden, bevor die Vorrichtungen in dem Randbereich ausgebildet werden, die high-k-dielektrische Schicht und die Metallschicht (auch als HK/MG bezeichnet) nicht durch die hohe Temperatur beeinflusst, die durch das Ausbilden der Vorrichtungen in dem Pixelbereich hervorgerufen wird. Daher wird die Beleuchtungseffektivität des Bildsensors verbessert.
  • In einigen Ausführungsformen ist ein Bildsensor vorgesehen. Der Bildsensor umfasst ein Substrat und das Substrat umfasst einen Pixelbereich, einen Randbereich und einen Grenzbereich und der Grenzbereich ist zwischen dem Pixelbereich und dem Randbereich ausgebildet. Der Bildsensor umfasst auch eine erste Gatestapel-Struktur, die in dem Pixelbereich ausgebildet ist, und eine zweite Gatestapel-Struktur, die in dem Randbereich ausgebildet ist. Die zweite Gatestapel-Struktur umfasst eine high-k-dielektrische Schicht und eine erste Metallschicht.
  • In einigen Ausführungsformen ist ein Bildsensor vorgesehen. Der Bildsensor umfasst ein Substrat und das Substrat umfasst einen Pixelbereich, einen Randbereich und einen Grenzbereich und der Grenzbereich ist zwischen dem Pixelbereich und dem Randbereich ausgebildet. Der Bildsensor umfasst auch eine dielektrische Schicht, die auf und in dem Substrat in dem Grenzbereich ausgebildet ist. Der Bildsensor umfasst weiter eine Metallschicht, die in dem Grenzbereich ausgebildet ist, und die Metallschicht ist in der dielektrischen Schicht eingebettet.
  • In einigen Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Bildsensors vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats und das Substrat umfasst einen Pixelbereich, einen Randbereich und einen Grenzbereich und der Grenzbereich ist zwischen dem Pixelbereich und dem Randbereich ausgebildet. Das Verfahren umfasst auch das Ausbilden einer ersten Gatestapel-Struktur in dem Pixelbereich und das Ausbilden einer Schutzschicht auf der ersten Gatestapel-Struktur. Das Verfahren umfasst weiter das Ausbilden einer Isolierstruktur in dem Substrat und die Isolierstruktur wird in dem Grenzbereich ausgebildet. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer high-k-dielektrischen Schicht, einer ersten Metallschicht und einer Polysiliziumschicht auf dem Substrat. Das Verfahren umfasst auch das Ausbilden und Strukturieren einer Hartmaskenschicht auf der Polysiliziumschicht, um eine strukturierte Hartmaskenschicht auszubilden. Das Verfahren umfasst das Entfernen eines Abschnitts der high-k-dielektrischen Schicht, der ersten Metallschicht und der Polysiliziumschicht, indem die strukturierte Hartmaskenschicht als Maske verwendet wird, und die high-k-dielektrische Schicht und die erste Metallschicht verbleiben in dem Grenzbereich. Das Verfahren umfasst weiter das Entfernen der high-k-dielektrischen Schicht und der ersten Metallschicht in dem Grenzbereich.

Claims (20)

  1. Bildsensor, der Folgendes umfasst: ein Substrat (102) , wobei das Substrat (102) einen Pixelbereich (10), einen Randbereich (20) und einen Grenzbereich (30) umfasst und der Grenzbereich (30) zwischen dem Pixelbereich (10) und dem Randbereich (30) ausgebildet ist; eine erste Gatestapel-Struktur (110), die in dem Pixelbereich (10) ausgebildet ist; und eine zweite Gatestapel-Struktur (210), die in dem Randbereich (30) ausgebildet ist, wobei die zweite Gatestapel-Struktur (210) eine high-k-dielektrische Schicht (132) und eine erste Metallschicht (134) umfasst, eine Isolierstruktur (124), die in dem Substrat (102) in dem Grenzbereich (30) ausgebildet ist, wobei eine Vertiefung (170) in der Isolierstruktur (124) ausgebildet ist, eine dielektrische Schicht (160), die in dem Grenzbereich (30) ausgebildet ist, wobei ein erster Abschnitt der dielektrischen Schicht (160) in der Vertiefung (170) im Substrat (102) eingebettet ist und ein zweiter Abschnitt der dielektrischen Schicht (160) auf dem Substrat (102) ausgebildet ist.
  2. Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die high-k-dielektrische Schicht (132) und die erste Metallschicht (134) nicht in dem Pixelbereich (10) ausgebildet sind.
  3. Bildsensor nach Anspruch 1 oder 2, der weiter Folgendes umfasst: eine zweite Metallschicht (166), die in der dielektrischen Schicht (160) in dem Grenzbereich (30) ausgebildet ist, wobei die zweite Metallschicht (166) in der dielektrischen Schicht (160) eingebettet ist.
  4. Bildsensor nach Anspruch 3, wobei die dielektrische Schicht (160) in dem Grenzbereich (30) sich von einer oberen Fläche des Substrats (102) in eine Tiefe im Bereich zwischen 1 nm und 500 nm erstreckt.
  5. Bildsensor nach Anspruch 1 bis 4, der weiter Folgendes umfasst: wobei eine obere Fläche der dielektrischen Schicht (160) in dem Grenzbereich (30) höher als eine obere Fläche der ersten Metallschicht (134) der zweiten Gatestapel-Struktur (210) liegt.
  6. Bildsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei eine obere Fläche der zweiten Metallschicht (166) in dem Grenzbereich (30) höher als eine obere Fläche der ersten Metallschicht (134) der zweiten Gatestapel-Struktur (210) liegt.
  7. Bildsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die zweite Metallschicht (166) auf der ersten Metallschicht (134) in dem Randbereich (20) ausgebildet ist.
  8. Bildsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die high-k-dielektrische Schicht (132) nicht in dem Grenzbereich (30) ausgebildet ist.
  9. Bildsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der weiter Folgendes umfasst: Abdichtungsschichten (150), die auf den Seitenwänden der zweiten Gatestapel-Struktur (210) ausgebildet sind.
  10. Bildsensor, der Folgendes umfasst: ein Substrat (102), wobei das Substrat (102) einen Pixelbereich (10), einen Randbereich (20) und einen Grenzbereich (30) umfasst und der Grenzbereich (30) zwischen dem Pixelbereich (10) und dem Randbereich (20) ausgebildet ist; eine dielektrische Schicht (160), die auf und in dem Substrat (102) in dem Grenzbereich (30) ausgebildet ist; und eine Metallschicht (166), die in dem Grenzbereich (30) ausgebildet ist, wobei die Metallschicht (166) in der dielektrischen Schicht (160) eingebettet ist.
  11. Bildsensor nach Anspruch 10, der weiter Folgendes umfasst: eine erste Gatestapel-Struktur (110), die in dem Pixelbereich (10) ausgebildet ist; und eine zweite Gatestapel-Struktur (210), die in dem Randbereich (20) ausgebildet ist, wobei die zweite Gatestapel-Struktur (210) eine high-k-dielektrische Schicht (132) und die Metallschicht auf der high-k-dielektrischen Schicht (132) umfasst.
  12. Bildsensor nach Anspruch 11, wobei eine obere Fläche der Metallschicht (166) in dem Grenzbereich (30) plan mit einer oberen Fläche der Metallschicht (166) in dem Randbereich ist.
  13. Bildsensor nach Anspruch 11 oder 12, wobei die high-k-dielektrische Schicht (132) nicht in dem Grenzbereich (30) ausgebildet ist.
  14. Bildsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, der weiter Folgendes umfasst: Abdichtungsschichten (150), die auf den Seitenwänden der zweiten Gatestapel-Struktur (210) ausgebildet sind.
  15. Bildsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die dielektrische Schicht (160) in dem Grenzbereich (30) sich von einer oberen Fläche des Substrats (102) in eine Tiefe im Bereich zwischen 1 nm und 500 nm erstreckt.
  16. Verfahren zum Ausbilden eines Bildsensors, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrats (102), wobei das Substrat (102) einen Pixelbereich (10), einen Randbereich (20) und einen Grenzbereich (30) umfasst und der Grenzbereich (30) zwischen dem Pixelbereich (10) und dem Randbereich (20) ausgebildet ist; Ausbilden einer ersten Gatestapel-Struktur (110) in dem Pixelbereich (10); Ausbilden einer Schutzschicht (120) auf der ersten Gatestapel-Struktur (110); Ausbilden einer Isolierstruktur (124) in dem Substrat (102), wobei die Isolierstruktur (124) in dem Grenzbereich (30) ausgebildet wird; Ausbilden einer high-k-dielektrischen Schicht (132), einer ersten Metallschicht (134) und einer Polysiliziumschicht (136) auf dem Substrat (102); Ausbilden und Strukturieren einer Hartmaskenschicht (138) auf der Polysiliziumschicht (136), um eine strukturierte Hartmaskenschicht (138) auszubilden; Entfernen eines Abschnitts der high-k-dielektrischen Schicht (132), der ersten Metallschicht (134) und der Polysiliziumschicht (136), indem die strukturierte Hartmaskenschicht (138) als Maske verwendet wird, wobei die high-k-dielektrische Schicht (132) und die erste Metallschicht (134) in dem Grenzbereich (30) verbleiben; und Entfernen der high-k-dielektrischen Schicht (132) und der ersten Metallschicht (134) in dem Grenzbereich (30), Vertiefen der Isolierstruktur (124), um eine Vertiefung (170) auszubilden, Ausbilden der dielektrischen Schicht (160) in der Vertiefung (170) und auf dem Substrate (102).
  17. Verfahren zum Ausbilden des Bildsensors nach Anspruch 16, das weiter Folgendes umfasst: Ausbilden einer unteren Schicht (140) auf der Hartmaskenschicht (138); Ausbilden einer mittleren Schicht (142) auf der unteren Schicht (140); und Ausbilden einer unteren Antireflexbeschichtung (BARC) (144) auf der mittleren Schicht (142).
  18. Verfahren zum Ausbilden des Bildsensors nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Vertiefung sich von einer oberen Fläche des Substrats auf eine Tiefe im Bereich zwischen 1 nm und 500 nm erstreckt.
  19. Verfahren zum Ausbilden des Bildsensors nach Anspruch 18, das weiter Folgendes umfasst: Ausbilden der dielektrischen Schicht (160) in der Vertiefung (170) und in dem Randbereich (20); Entfernen der Hartmaskenschicht (138) in dem Randbereich (20), um einen Graben auszubilden; Füllen der zweiten Materialschicht (166) in den Graben, wobei eine Gate-Elektrodenschicht durch die erste Metallschicht (134) und die zweite Metallschicht (166) errichtet wird.
  20. Verfahren zum Ausbilden eines Bildsensors nach Anspruch 19, das weiter Folgendes umfasst: Ausbilden der zweiten Metallschicht (166) in der dielektrischen Schicht (160) in dem Grenzbereich (30).
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