JP2005203676A - Solid-state imaging device and method of manufacturing the same - Google Patents

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信一 瀧川
Kenji Orita
賢児 折田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging device which improves light condensing efficiency for the light of oblique incidence. <P>SOLUTION: The solid-state imaging device 200 comprises a light condensing part 6 for condensing incident light; a photonic crystal 7 which is formed on the light outgoing face of the light condensing part 6, receives the condensed light, and changes the traveling direction of the light of a predetermined wavelength region; and a light receiving part 2 which is formed on the light outgoing face of the photonic crystal 7, receives the guided wave in the photonic crystal 7, and converts the light into an electric charge. Since the photonic crystal 7 has a flat dispersion plane for the light of the predetermined wavelength region, the guided wave is shaped in parallel flux. The photonic crystal 7 guides the guided wave to the direction normal to the light receiving plane of the light receiving part 2. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、CCD、MOSイメージセンサー等に搭載される固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device mounted on a CCD, a MOS image sensor or the like.

1970年にBell研のBoyleとSmithによって発明されたCCDは、1985年頃から家庭用ビデオカメラに搭載され、1990年代にはほとんどのカメラに搭載された。特に、1990年半ばからデジタルスチルカメラが台頭し、パーソナルコンピュータの普及とあいまって、固体撮像素子(CCD、MOSイメージセンサ)の市場が大きく拡大した。さらに2000年代になると、携帯電話にカメラが内蔵されるようになり、固体撮像素子の市場は飛躍的に伸びている。   The CCD, invented by Boyle and Smith at Bell Labs in 1970, was installed in home video cameras around 1985, and in most cameras in the 1990s. In particular, since the mid-1990s, digital still cameras have emerged, and coupled with the spread of personal computers, the market for solid-state image sensors (CCD, MOS image sensors) has expanded significantly. In the 2000s, cameras began to be built in mobile phones, and the market for solid-state image sensors has grown dramatically.

固体撮像素子に対する要望は高感度化/高画素化などに変化してきたが、近年はデジタルスチルカメラ/携帯電話などの薄型化にともない、カメラ部分の薄型化に対応することが要望されている。これは言い換えれば、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像素子に入射する光が広角(固体撮像素子の入射面の垂直軸から測定して大きな角度)になることを意味する。   The demand for solid-state imaging devices has changed to higher sensitivity / higher pixels, but in recent years, with the reduction in thickness of digital still cameras / cell phones, etc., it has been demanded that the camera portion be made thinner. In other words, the lens used for the camera part has a short focal point, and the light incident on the solid-state image sensor has a wide angle (a large angle measured from the vertical axis of the incident surface of the solid-state image sensor). means.

従来の固体撮像素子の単位画素の断面構造を図16に示す。固体撮像素子230においては、シリコン基板101上に、入射光を電荷に変換するp/n接合からなる受光部102が形成されている(この他、受光素子の信号を転送する素子(電荷結合素子など)や多層配線があるが、本図では簡単のため省略している)。受光部102上には、アクリル平坦層111がある。平坦層111の役目は、電荷結合素子や多層配線のため凸凹になった表面を平坦にするものである。入射光が受光部102外のシリコンに照射して不要な電子正孔対が形成されないようにアルミニウム遮光層103が形成されている(不要な電子正孔対はスミアを発生させ、撮影画質を劣化させるため)。遮光層103の開口の大きさは受光部102の大きさとほぼ等しい。遮光層103の上にはアクリル層104が存在する。このアクリル層104の役目は後述する。その上には、カラーフィルタ層105が存在する。カラーフィルタ層105には一般に顔料または染料が用いられ、それらが光吸収することにより透過光の色(波長)が決定される。カラーフィルタ層105上には、マイクロレンズ106が存在する。マイクロレンズ106が無い場合、遮光層103上付近に光が入射されて無駄になる。マイクロレンズ106により光が遮光部103の開口部に集められ、受光部102に入射されることにより、無駄な光が無くなり、感度が向上する。アクリル層104の役目は、この光が集光する光路として必要である。   FIG. 16 shows a cross-sectional structure of a unit pixel of a conventional solid-state image sensor. In the solid-state imaging device 230, a light receiving unit 102 formed of a p / n junction that converts incident light into electric charges is formed on a silicon substrate 101 (in addition, an element that transfers a signal of the light receiving element (charge coupled device). Etc.) and multi-layer wiring, but they are omitted for simplicity in this figure). An acrylic flat layer 111 is present on the light receiving unit 102. The role of the flat layer 111 is to flatten the uneven surface due to the charge coupled device or the multilayer wiring. An aluminum light-shielding layer 103 is formed so that incident light does not irradiate silicon outside the light receiving unit 102 to form unnecessary electron-hole pairs (unnecessary electron-hole pairs generate smears and deteriorate image quality) To make it happen). The size of the opening of the light shielding layer 103 is substantially equal to the size of the light receiving unit 102. An acrylic layer 104 exists on the light shielding layer 103. The role of the acrylic layer 104 will be described later. On top of this, there is a color filter layer 105. A pigment or dye is generally used for the color filter layer 105, and the color (wavelength) of transmitted light is determined by absorbing light. On the color filter layer 105, a micro lens 106 is present. When there is no microlens 106, light is incident on the light shielding layer 103 and is wasted. Light is collected by the microlens 106 at the opening of the light-shielding portion 103 and is incident on the light-receiving portion 102, so that unnecessary light is eliminated and sensitivity is improved. The role of the acrylic layer 104 is necessary as an optical path for collecting this light.

図17に、従来のマイクロレンズ付固体撮像素子の製造フローを示す。まず、図17(a)に示すように基板101を用意し、次に図17(b)に示すように、基板101中に受光部102を形成する。この他、電荷結合素子や配線も形成されるが、ここでは図示を省略している。次に図17(c)に示すように、その上にアクリル層111を形成し、CMPにより表面を平坦化し、平坦層にしている。さらに図17(d)に示すように、その上にフォトリソグラフィで遮光層103を形成する。さらに図17(e)に示すように、その上にアクリル層104を形成する。さらに図17(f)に示すように、その上にカラーフィルタ層105を形成し、最後に図17(g)に示すように、その上にマイクロレンズ106を形成する。   FIG. 17 shows a manufacturing flow of a conventional solid-state imaging device with a microlens. First, a substrate 101 is prepared as shown in FIG. 17A, and then a light receiving portion 102 is formed in the substrate 101 as shown in FIG. In addition, charge coupled devices and wirings are also formed, but are not shown here. Next, as shown in FIG. 17C, an acrylic layer 111 is formed thereon, and the surface is flattened by CMP to form a flat layer. Further, as shown in FIG. 17D, a light shielding layer 103 is formed thereon by photolithography. Further, as shown in FIG. 17E, an acrylic layer 104 is formed thereon. Further, as shown in FIG. 17 (f), a color filter layer 105 is formed thereon, and finally, as shown in FIG. 17 (g), a microlens 106 is formed thereon.

また、フォトニック結晶を利用した固体撮像素子として、様々な技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1に開示された技術では、受光部の上に窓を構成し、窓を囲む領域に所定波長領域の光の侵入を許さないテ−パ形状を有するフォトニック結晶を備える。すなわち、フォトニック結晶は光を透過させない反射ミラーとして利用されている。
特開2003−133536号公報
Various techniques have been disclosed as solid-state imaging devices using photonic crystals (see, for example, Patent Document 1). In the technique disclosed in Patent Document 1, a window is formed on the light receiving section, and a photonic crystal having a taper shape that does not allow invasion of light in a predetermined wavelength region is provided in a region surrounding the window. That is, the photonic crystal is used as a reflection mirror that does not transmit light.
JP 2003-133536 A

しかしながら、従来の固体撮像素子には以下に述べるような問題がある。
図18は、従来の固体撮像素子に、光が入射した時の様子を示す図である。図18(a)は、固体撮像素子230に光が垂直に入射した場合、図18(b)は傾斜をもって入射した場合である。垂直入射光107に対してマイクロレンズ106の集光作用によって、光が受光部102に集まる。しかしながら、斜め入射光108の入射角(固体撮像素子の入射面の垂直軸から測定した角度)が非常に大きい場合には、集光位置は受光部102から外れ、まったく光は受光部102に入射されない。マイクロレンズ106の焦点距離をf、受光部102の辺をDとするとき、θ=arctan(D/2f)より大きな入射角をもつ斜め光は、集光されない。このため薄型カメラ用の焦点距離が短い光学系(入射角θが大きい光学系)に対しては、従来のマイクロレンズでは光を充分捉えることができず、感度が低下する。このため、撮影した画面が暗くなるという問題や、露光時間が長い場合に像がぶれるという問題がある。
However, the conventional solid-state imaging device has the following problems.
FIG. 18 is a diagram illustrating a state when light is incident on a conventional solid-state imaging device. 18A shows a case where light enters the solid-state image sensor 230 vertically, and FIG. 18B shows a case where light enters with an inclination. Light is collected at the light receiving unit 102 by the condensing action of the microlens 106 with respect to the normal incident light 107. However, when the incident angle of the oblique incident light 108 (an angle measured from the vertical axis of the incident surface of the solid-state imaging device) is very large, the light condensing position deviates from the light receiving unit 102, and no light enters the light receiving unit 102 at all. Not. When the focal length of the micro lens 106 is f and the side of the light receiving unit 102 is D, oblique light having an incident angle greater than θ = arctan (D / 2f) is not collected. For this reason, for an optical system with a short focal length (an optical system having a large incident angle θ) for a thin camera, the conventional microlens cannot capture light sufficiently, and the sensitivity decreases. For this reason, there is a problem that a photographed screen becomes dark or an image is blurred when the exposure time is long.

そこで本発明は、斜め入射光に対する感度向上を実現する固体撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that realizes an improvement in sensitivity to obliquely incident light and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、入射光を集光する集光部と、前記集光部の出射面側に形成され、前記集光された光を入射し、所定の波長領域の光の進行方向を変えるフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶の出射面側に形成され、前記フォトニック結晶内の導波光を入射し、電荷に変換する受光部とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention is formed on a condensing part that condenses incident light, and an exit surface side of the condensing part, and enters the condensed light, A photonic crystal that changes a traveling direction of light in a predetermined wavelength region; and a light receiving unit that is formed on an emission surface side of the photonic crystal and receives guided light in the photonic crystal and converts the light into a charge. It is characterized by.

さらに、前記フォトニック結晶は、前記所定の波長領域の光に対して平坦な分散面を有することにより、前記導波光を平行束にすることを特徴とする。
このようなフォトニック結晶を用いることによって、光の進行方向を自由に制御できる。従って、集光部で集光された光の進路を制御することができ、固体撮像素子に斜めに入射されて、フォトニック結晶がなければ受光部に入らない方向に向かう光をも制御し、受光部へ効率的に入射させることができるため、高感度な固体撮像素子が実現できる。
Further, the photonic crystal has a flat dispersion surface with respect to the light in the predetermined wavelength region, thereby making the guided light into a parallel bundle.
By using such a photonic crystal, the traveling direction of light can be freely controlled. Therefore, it is possible to control the path of the light collected by the light collecting unit, to control light that is incident obliquely on the solid-state imaging device and goes in a direction that does not enter the light receiving unit without a photonic crystal, Since the light can be efficiently incident on the light receiving portion, a highly sensitive solid-state imaging device can be realized.

さらに、前記フォトニック結晶は、前記導波光を前記受光部の受光面の法線方向に導波することを特徴とする。
これにより、フォトニック結晶がない場合に、受光部から外れてしまう斜め光が折り曲げられて受光部に到達するので、固体撮像素子の感度が大きくなる。
Further, the photonic crystal guides the guided light in a normal direction of a light receiving surface of the light receiving unit.
As a result, when there is no photonic crystal, the oblique light deviating from the light receiving portion is bent and reaches the light receiving portion, so that the sensitivity of the solid-state imaging device is increased.

さらに、前記集光部と前記フォトニック結晶との間に形成され、前記集光された光のうち所定の波長領域の光のみを通過させるカラーフィルタ層を備えることを特徴とする。
これにより、入射光のうち必要な色を選別できると同時に、集光部により光が絞られる空間を確保することができる。故に、スポットサイズが小さくなった後の小径の光がフォトニック結晶に入射されることになり、さらに効率的に入射光を受光部に入射させることができ、固体撮像素子の感度が向上する。
前記フォトニック結晶の出射面は、前記受光部の受光面と接していることを特徴とする。
In addition, a color filter layer is provided between the light condensing unit and the photonic crystal and allows only light in a predetermined wavelength region out of the condensed light to pass therethrough.
Thereby, it is possible to select a necessary color from the incident light, and at the same time, it is possible to secure a space in which the light is focused by the light collecting unit. Therefore, the light having a small diameter after the spot size is reduced is incident on the photonic crystal, and the incident light can be efficiently incident on the light receiving unit, thereby improving the sensitivity of the solid-state imaging device.
The exit surface of the photonic crystal is in contact with the light receiving surface of the light receiving unit.

これにより、フォトニック結晶の出射光の進行方向の制御を受光部の受光面ぎりぎりまで行うことができ、高感度な固体撮像素子が実現できる。なお、この構造ではない場合にはフォトニック結晶から出射される光の進行方向は制御されないため、出射光が十分に受光部に入らないこととなる。
前記フォトニック結晶の入射面が平坦であることを特徴とする。
As a result, it is possible to control the traveling direction of the emitted light of the photonic crystal up to the limit of the light receiving surface of the light receiving unit, thereby realizing a highly sensitive solid-state imaging device. If this structure is not used, the traveling direction of the light emitted from the photonic crystal is not controlled, so that the emitted light does not sufficiently enter the light receiving portion.
The incident surface of the photonic crystal is flat.

これにより、アクリルなどで配線や電子素子を形成したことによる表面凹凸を平らにするための平坦層を作る必要がなくなり、また製造工程が減るので、固体撮像素子の低価格化が実現できる。
前記所定の波長領域は、前記フォトニック結晶の構成材料の種類、大きさ、および配置間隔の中の少なくとも一つを変更することにより、異なる波長領域に設定されることを特徴とする。
As a result, it is not necessary to create a flat layer for flattening the surface irregularities due to the formation of wiring and electronic elements with acrylic or the like, and the manufacturing process is reduced, so that the price of the solid-state imaging device can be reduced.
The predetermined wavelength region is set to a different wavelength region by changing at least one of the type, size, and arrangement interval of the constituent material of the photonic crystal.

フォトニック結晶の性能は波長により変化するが、これにより、各色(波長)に対応する各画素に対して最適なフォトニック構造にすることができ、各画素に対して光の進行方向の制御を最適化することができる。
前記集光部の焦点位置が、前記フォトニック結晶の入射面上にあることを特徴とする。
これにより、遮光層で遮られる光を少なくすることができ、固体撮像素子の感度を向上させることができる。
The performance of the photonic crystal varies depending on the wavelength. This makes it possible to achieve an optimal photonic structure for each pixel corresponding to each color (wavelength), and to control the light traveling direction for each pixel. Can be optimized.
The focal position of the condensing part is on the incident surface of the photonic crystal.
Thereby, the light blocked by the light shielding layer can be reduced, and the sensitivity of the solid-state imaging device can be improved.

さらに、前記集光部の中心軸と前記受光部の開口の中心軸とは平行で、離れていることを特徴とする。
このように、集光部の中心位置と遮光層の開口部の中心位置が一致していない構造が有効な場合は、主に斜め光が主成分となっている場合であり、垂直入射光に対しては集光効率が低下するが、斜め光に対しては集光が向上する。すなわち、イメージセンサーの周辺画素ではこのような構造にすることにより感度を向上できる。
Furthermore, the central axis of the condensing part and the central axis of the opening of the light receiving part are parallel and separated from each other.
As described above, when the structure in which the center position of the light collecting portion and the center position of the opening portion of the light shielding layer do not coincide with each other is effective, it is mainly a case where oblique light is the main component, On the other hand, the light collection efficiency is reduced, but the light collection is improved for oblique light. That is, the sensitivity can be improved by using such a structure in the peripheral pixels of the image sensor.

さらに、前記フォトニック結晶の上部または内部に、前記受光部の上部に開口を有して形成され、前記受光部の周辺への光の侵入を防ぐ遮光層を備えることを特徴とする。
このような、フォトニック結晶と遮光層との形成構造により、フォトニック結晶は遮光層の開口に達した光または達する前の光を制御できるようになるので、固体撮像素子の感度が向上する。
Further, the photonic crystal is provided with a light shielding layer which is formed with an opening in the upper part of the light receiving part and which prevents light from entering the periphery of the light receiving part.
Such a formation structure of the photonic crystal and the light shielding layer enables the photonic crystal to control the light reaching the opening of the light shielding layer or the light before reaching the light shielding layer, thereby improving the sensitivity of the solid-state imaging device.

さらに、前記集光部の焦点距離をf、前記入射光の入射角の最大値をθ、および前記遮光層の開口幅をWとするとき、f<W/(2tan(θ))の関係が満たされていることを特徴とする。
これにより、入射光をほぼ100%受光部に取り込むことができ、極めて高感度な固体撮像素子を実現できる。
Further, when the focal length of the light collecting unit is f, the maximum value of the incident angle of the incident light is θ, and the opening width of the light shielding layer is W, the relationship f <W / (2 tan (θ)) is established. It is characterized by being satisfied.
As a result, almost 100% of the incident light can be taken into the light receiving section, and an extremely sensitive solid-state imaging device can be realized.

さらに、前記フォトニック結晶は、前記受光部の上部に形成され、前記集光された光を入射し、平坦な分散面を有することにより、前記光を出射面と垂直方向に導波する第1のフォトニック結晶と、前記遮光層の下部に、前記第1のフォトニック結晶を取り囲んで形成され、前記第1のフォトニック結晶の平坦な分散面を有する光の波長域で光バンドギャップを有することにより、前記受光部の周辺への前記光の侵入を防ぐ第2のフォトニック結晶とを備えることを特徴とする。   Further, the photonic crystal is formed on the light receiving unit, and receives the collected light, and has a flat dispersion surface to guide the light in a direction perpendicular to the emission surface. And a light band gap in the wavelength region of light having a flat dispersion surface of the first photonic crystal and formed under the light shielding layer so as to surround the first photonic crystal. And a second photonic crystal that prevents the light from entering the periphery of the light receiving portion.

この構造によれば、第1のフォトニック結晶からわずかに洩れる光(遮光層と受光部の間に存在する光)が受光部以外の部分に達してスミアが発生することを抑制できるので、高品位な画質を得ることができる。
また、前記フォトニック結晶は、前記受光部の上部に形成され、前記集光された光を入射し、平坦な分散面を有することにより、前記光を出射面と垂直方向に導波する第1のフォトニック結晶と、前記第1のフォトニック結晶に上部を覆われ、かつ、前記受光部の上部を取り囲んで形成され、前記第1のフォトニック結晶の有する平坦な分散面に対応する光の波長域で光バンドギャップを有することにより、前記受光部の周辺への前記光の侵入を防ぐ第2のフォトニック結晶とを備えることを特徴とする。
According to this structure, light that slightly leaks from the first photonic crystal (light existing between the light shielding layer and the light receiving portion) can be prevented from reaching the portion other than the light receiving portion and generating smear. High quality image can be obtained.
In addition, the photonic crystal is formed on the light receiving unit, and receives the collected light, and has a flat dispersion surface to guide the light in a direction perpendicular to the emission surface. The photonic crystal and the first photonic crystal are formed so as to cover the upper part of the photonic crystal and surround the upper part of the light receiving unit, and correspond to a flat dispersion surface of the first photonic crystal. And a second photonic crystal that has an optical bandgap in a wavelength region to prevent the light from entering the periphery of the light receiving unit.

光バンドギャップを有するフォトニック結晶は、光を入射させないため遮光層と同じ働きがある。それゆえ、この構成により遮光層が不要となり、固体撮像素子の低価格化を実現できる。
さらに、前記集光部は、マイクロレンズ、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレートおよび分布屈折率型レンズのいずれかであることを特徴とする。
A photonic crystal having an optical band gap has the same function as a light shielding layer because it does not allow light to enter. Therefore, this configuration eliminates the need for a light-shielding layer and can reduce the price of the solid-state imaging device.
Furthermore, the condensing part is any one of a micro lens, a Fresnel lens, a Fresnel zone plate, and a distributed refractive index type lens.

マイクロレンズを固体撮像素子に集積することは、すでに量産的に確立された技術であり、固体撮像素子の低価格化を実現できる。また、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレート、または分布屈折率型レンズを用いることで固体撮像素子全体を薄く構成することができ、より進んだ薄膜構造を実現できる。   The integration of the microlens in the solid-state imaging device is a technology that has already been established in mass production, and can reduce the price of the solid-state imaging device. Further, by using a Fresnel lens, a Fresnel zone plate, or a distributed refractive index type lens, the entire solid-state imaging device can be made thin, and a more advanced thin film structure can be realized.

また、固体撮像素子の製造工程であって、半導体基板に前記受光部を形成する工程と、前記受光部の上部に前記フォトニック結晶を形成する工程と、前記フォトニック結晶の表面を平坦化する工程と、前記フォトニック結晶の上部に前記遮光層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
これにより、遮光層と受光部との間を完全にフォトニック結晶で埋めることができ、さらには、フォトニック結晶の表面が平らになっていることにより、従来の平坦化層を取り除いた構成にすることができる。
また、固体撮像素子の製造工程であって、半導体基板に前記受光部を形成する工程と、前記受光部の上部に前記第1のフォトニック結晶を形成する第1フォトニック結晶工程と、前記第1のフォトニック結晶の周囲に前記第2のフォトニック結晶を形成する工程とを含むことを特徴とする。
Also, a solid-state imaging device manufacturing process, the step of forming the light receiving portion on a semiconductor substrate, the step of forming the photonic crystal on the light receiving portion, and the surface of the photonic crystal are flattened. And a step of forming the light shielding layer on the photonic crystal.
As a result, the space between the light shielding layer and the light receiving portion can be completely filled with the photonic crystal, and the surface of the photonic crystal is flattened, thereby eliminating the conventional flattening layer. can do.
Also, a solid-state imaging device manufacturing process, the step of forming the light receiving portion on a semiconductor substrate, the first photonic crystal step of forming the first photonic crystal on the light receiving portion, the first Forming the second photonic crystal around one photonic crystal.

さらに、前記第1フォトニック結晶工程では、全面に前記第1のフォトニック結晶を形成した後、前記受光部の上部の前記第1のフォトニック結晶以外は除去することを特徴とする。
または、前記第1フォトニック結晶工程では、フォトニック結晶構造を指定する露光工程で前記第1のフォトニック結晶用のパターンを用いることを特徴とする。
このように、第2のフォトニック結晶の光バンドギャップを当該画素が扱う色の波長にすることにより、遮光層のない構造を作ることができ、固体撮像素子の低価格化が実現できる。
Further, in the first photonic crystal process, after the first photonic crystal is formed on the entire surface, the portions other than the first photonic crystal above the light receiving portion are removed.
Alternatively, in the first photonic crystal process, the pattern for the first photonic crystal is used in an exposure process for designating a photonic crystal structure.
Thus, by setting the optical band gap of the second photonic crystal to the wavelength of the color handled by the pixel, a structure without a light-shielding layer can be formed, and the price of the solid-state imaging device can be reduced.

また、固体撮像素子の製造方法であって、半導体基板に前記受光部を形成する工程と、前記受光部上に、平坦層および前記遮光層を形成する工程と、前記遮光層の開口部をマスクにして、前記受光部の受光面まで前記平坦層を削ることによって凹部を形成する工程と、前記凹部に前記フォトニック結晶を形成するフォトニック結晶工程とを含むことを特徴とする。
これにより、開口位置と受光面の位置を従来の固体撮像素子と同じ工程で製造することができ、固体撮像素子の低価格化を実現できる。
A method of manufacturing a solid-state imaging device, the step of forming the light receiving portion on a semiconductor substrate, the step of forming a flat layer and the light shielding layer on the light receiving portion, and a mask for the opening of the light shielding layer And forming a recess by cutting the flat layer to the light receiving surface of the light receiving section, and a photonic crystal process for forming the photonic crystal in the recess.
Thereby, the opening position and the position of the light receiving surface can be manufactured in the same process as the conventional solid-state imaging device, and the price of the solid-state imaging device can be reduced.

さらに、前記フォトニック結晶工程では、高分子微粒子による自己組織化を用いることを特徴とする。
これにより、約1μm凹んだ場所にフォトニック結晶が製造可能になるため、固体撮像素子を安定して製造することができる。
Furthermore, the photonic crystal process is characterized in that self-organization using polymer fine particles is used.
As a result, a photonic crystal can be manufactured in a place recessed by about 1 μm, and a solid-state imaging device can be manufactured stably.

本発明に係る固体撮像素子によれば、斜め入射光に対する感度向上を実現することができる。本固体撮像素子を用いることにより、短焦点の撮像光学装置、言い換えれば、超薄型の撮像光学装置を実現することができ、超薄型カメラ付携帯電話や超薄型デジタルスチルカメラ等が実現でき、さらにこれらのポータブル性が高まる。このことは画像を多く扱うユビキタスネットワークでは重要なことである。   According to the solid-state imaging device according to the present invention, it is possible to improve sensitivity to obliquely incident light. By using this solid-state imaging device, it is possible to realize a short-focus imaging optical device, in other words, an ultra-thin imaging optical device, such as a mobile phone with an ultra-thin camera or an ultra-thin digital still camera. In addition, these portability increases. This is important in a ubiquitous network that handles many images.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いてさらに具体的に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像素子の単位画素の断面図を示す図である。本固体撮像素子を用いたイメージセンサーは、実際には画素数として1280x1024画素を有する(約130万画素であり、所謂SXGA対応である。)。図1は、その中の単位画素の断面を示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional view of a unit pixel of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. An image sensor using this solid-state imaging device actually has 1280 × 1024 pixels as the number of pixels (about 1.3 million pixels, so-called SXGA compatible). FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a unit pixel therein.

図1に示された固体撮像素子200の上方から入射光が入る。固体撮像素子200においては、シリコン基板1上に受光素子2(シリコンp-i-n構造)が形成されている。受光素子2の上方の開口部以外には、スミア防止のためAl遮光層3が設けられている。Al遮光層3とシリコン基板1との間には、多数の配線(通常3〜4層で、材料はAlや多結晶シリコンなどある。)が存在するがここでは、図示を省略している。また、受光素子2で発生した電荷を搬送するための電荷結合素子(Charge-Coupled Device)も実際には形成されているが、図示を省略している。フォトニック結晶7は遮光層3を埋め込むように、シリコン基板1および受光素子2上に形成されている。フォトニック結晶7上には、集光距離を確保するためのアクリル層4、色分離のためのカラーフィルタ層5、集光のためのマイクロレンズ6が形成されている。マイクロレンズ6の焦点位置は、受光素子2の受光面になるように調整されている。なお、フォトニック結晶7の入射面の位置を、遮光層3とほぼ同じ位置にしても下記に述べる効果と同様の効果が得られる。   Incident light enters from above the solid-state imaging device 200 shown in FIG. In the solid-state imaging device 200, a light receiving element 2 (silicon p-i-n structure) is formed on a silicon substrate 1. In addition to the opening above the light receiving element 2, an Al light shielding layer 3 is provided to prevent smear. There are a large number of wirings (usually 3 to 4 layers, made of Al, polycrystalline silicon, or the like) between the Al light shielding layer 3 and the silicon substrate 1, but the illustration is omitted here. Further, although a charge-coupled device (Charge-Coupled Device) for carrying charges generated in the light receiving element 2 is actually formed, the illustration is omitted. The photonic crystal 7 is formed on the silicon substrate 1 and the light receiving element 2 so as to embed the light shielding layer 3. On the photonic crystal 7, an acrylic layer 4 for securing a condensing distance, a color filter layer 5 for color separation, and a microlens 6 for condensing are formed. The focal position of the microlens 6 is adjusted to be the light receiving surface of the light receiving element 2. Even if the position of the incident surface of the photonic crystal 7 is substantially the same as that of the light shielding layer 3, the same effects as described below can be obtained.

図2に、青用フォトニック結晶7の具体的な構造を示す。この図において、光は左から様々な角度で入射され、右側が出射側(受光面側)となっている。このような構造の一部に遮光層3やアルミ配線層などが形成されているが、この図では簡単のため、図示を省略している。フォトニック結晶7は、X方向およびZ方向に屈折率周期構造をもった二次元フォトニック結晶であり、Y方向には屈折率は一様である。屈折率1.45のSiO2の中に、半径0.113μmの球状のSi3N4(屈折率2.0)が、正方格子状に三次元配置されており、光の進行方向にはSi3N4が9層形成されている。なお、球状Si3N4の間隔は、0.25μmである。 FIG. 2 shows a specific structure of the blue photonic crystal 7. In this figure, light is incident at various angles from the left, and the right side is the emission side (light receiving surface side). A light shielding layer 3, an aluminum wiring layer, and the like are formed in a part of such a structure, but the illustration is omitted for simplicity. The photonic crystal 7 is a two-dimensional photonic crystal having a refractive index periodic structure in the X direction and the Z direction, and the refractive index is uniform in the Y direction. In SiO 2 with a refractive index of 1.45, spherical Si 3 N 4 (refractive index of 2.0) having a radius of 0.113 μm is three-dimensionally arranged in a square lattice shape, and 9 3 of Si 3 N 4 are arranged in the light traveling direction. Layers are formed. The interval between the spherical Si 3 N 4 is 0.25 μm.

このような構造を有する青用フォトニック結晶7の分散面は、図3のようになる(分散面に関しては、例えば、「フォトニック結晶研究の現状と将来展望」、光産業技術振興協会、Mar. 2002.参照。)。つまり、ほぼ青色である波長500nmの光に対しては、ほぼ正方の分散面を有する。ほぼ緑色である波長550nmの光に対してはややくぼんだ分散面、ほぼ赤色である波長600nmの光に対してはさらにくぼんだ分散面をもつ。このような分散面をもつフォトニック結晶7に対して、青色光が入射すると、入射角に無関係に分散面に垂直な方向に、光は進行する。固体撮像素子200においては、青色に対する分散面に垂直な方向に受光素子2が形成されているので、フォトニック結晶7に入射された青色光はフォトニック結晶7内で平行な導波光となり、すべて受光素子2に向かうようになる。   The dispersion surface of the blue photonic crystal 7 having such a structure is as shown in FIG. 3 (for the dispersion surface, for example, “Current State and Future Prospects of Photonic Crystal Research”, Optoelectronic Technology Promotion Association, Mar. See 2002.). That is, the light having a wavelength of 500 nm that is substantially blue has a substantially square dispersion surface. For light with a wavelength of 550 nm, which is almost green, it has a slightly concave dispersion surface, and for light with a wavelength of 600 nm, which is almost red, it has a further concave dispersion surface. When blue light is incident on the photonic crystal 7 having such a dispersion surface, the light travels in a direction perpendicular to the dispersion surface regardless of the incident angle. In the solid-state imaging device 200, since the light receiving element 2 is formed in a direction perpendicular to the blue dispersion surface, the blue light incident on the photonic crystal 7 becomes parallel guided light in the photonic crystal 7, and all It goes toward the light receiving element 2.

このフォトニック結晶の例では、青色波長500nmに対して分散面が正方になる例を示したが、球状Si3N4の大きさや配置間隔、または材料の種類を調整することにより、緑色波長と赤色波長に対して、それぞれ正方な分散面を有するフォトニック結晶を形成することも可能である。従って、これらのRGB用フォトニック結晶を用いることにより、それぞれRGB用画素が構成できるので、これらの画素を組み合わせることによりイメージセンサーを構成することができる。 In the example of this photonic crystal, an example in which the dispersion surface is square with respect to the blue wavelength of 500 nm is shown, but by adjusting the size and arrangement interval of the spherical Si 3 N 4 or the type of material, the green wavelength and It is also possible to form photonic crystals each having a square dispersion plane with respect to the red wavelength. Therefore, RGB pixels can be configured by using these RGB photonic crystals, and therefore, an image sensor can be configured by combining these pixels.

図4(a)、(b)は、この集光の様子を模式的に示した図である。図4(a)は固体撮像素子200に対して垂直入射光9が入った場合、図4(b)は斜め入射光10が入った場合を示している。図4(a)において、入射光9はマイクロレンズ6で集光され、カラーフィルタ層5およびアクリル層4を通過するに従い、スポット径が小さくなる。ところがフォトニック結晶7に入ると全ての光の進行が受光素子2の受光面に垂直方向に曲げられるため、すべての入射光は遮光層3の開口部を通過して、受光素子2に到達する。従来構造と比べ、集光は不完全(スポットサイズは大きい)であるが、全ての光が受光素子2に到達するという点で同じ機能を果たしている。一方、図4(b)において、斜め入射光10は、上記同様、マイクロレンズ6で集光され、カラーフィルタ層5およびアクリル層4を通過するに従い、スポット径が小さくなる。そして、アクリル層4とフォトニック結晶7の界面に達すると、光の進行方向を受光素子2の受光面の垂直方向に向ける。このため、従来構造では、図17(b)に示したように、(マイクロレンズの集光効果のため)全く受光素子に光が達しないものが、図4(b)に示すように、一部が遮光層で光が遮られるものの大部分が受光素子2に達するようになる。すなわち、固体撮像素子200の斜め光に対する感度が向上する。   4 (a) and 4 (b) are diagrams schematically showing the state of light collection. 4A shows a case where normal incident light 9 enters the solid-state imaging device 200, and FIG. 4B shows a case where oblique incident light 10 enters. In FIG. 4A, the incident light 9 is collected by the microlens 6 and the spot diameter becomes smaller as it passes through the color filter layer 5 and the acrylic layer 4. However, when the light enters the photonic crystal 7, all light travels in a direction perpendicular to the light receiving surface of the light receiving element 2, so that all incident light passes through the opening of the light shielding layer 3 and reaches the light receiving element 2. . Compared with the conventional structure, the light collection is incomplete (the spot size is large), but the same function is achieved in that all the light reaches the light receiving element 2. On the other hand, in FIG. 4B, the oblique incident light 10 is condensed by the microlens 6 as described above, and the spot diameter decreases as it passes through the color filter layer 5 and the acrylic layer 4. When reaching the interface between the acrylic layer 4 and the photonic crystal 7, the light traveling direction is directed to the direction perpendicular to the light receiving surface of the light receiving element 2. For this reason, in the conventional structure, as shown in FIG. 17B, the light does not reach the light receiving element at all (due to the condensing effect of the microlens), as shown in FIG. Most of the light that is blocked by the light blocking layer reaches the light receiving element 2. That is, the sensitivity of the solid-state imaging device 200 to oblique light is improved.

図5(a)〜(d)は、本固体撮像素子の集光率の測定結果を示す図である。それぞれ、横軸は入射角、縦軸は集光率(入射光がすべて受光素子2に入る場合を100%としている。)である。入射角の測定は0°〜20°までの範囲で行った。図中に「MLのみ」と表記したものが、フォトニック結晶なしの構造の場合(フォトニック結晶のない部分はアクリルで埋め込んだ構造にしている。)であり、「ML+PhC」と表記したものが、フォトニック結晶ありの構造の場合である。   5A to 5D are diagrams showing measurement results of the light collection rate of the solid-state imaging device. In each case, the horizontal axis represents the incident angle, and the vertical axis represents the light collection rate (the case where all incident light enters the light receiving element 2 is 100%). The incident angle was measured in the range of 0 ° to 20 °. In the figure, “ML only” indicates a structure without a photonic crystal (the portion without a photonic crystal is embedded with acrylic), and “ML + PhC” indicates In the case of a structure with a photonic crystal.

なお、画素の一辺の長さ(ほぼマイクロレンズの直径に等しい。)は4μmであり、受光素子2と遮光層3との間は1.5μm、遮光層3の窓の幅(開口部の1辺の長さ)は2μmである。またカラーフィルタ層5の厚みは0.3μmである。またフォトニック結晶7の厚さは、受光素子2と遮光層3との間の距離1.5μmと等しくしている。   The length of one side of the pixel (approximately equal to the diameter of the microlens) is 4 μm, the space between the light receiving element 2 and the light shielding layer 3 is 1.5 μm, and the width of the window of the light shielding layer 3 (one side of the opening). Is 2 μm. The thickness of the color filter layer 5 is 0.3 μm. The thickness of the photonic crystal 7 is equal to the distance of 1.5 μm between the light receiving element 2 and the light shielding layer 3.

図5に示す4枚のグラフは、それぞれマイクロレンズ6の焦点距離を2〜4μmに変えたものに対応している。なお、マイクロレンズ6の焦点は受光素子2の受光面上の位置に一致させるために、焦点距離の変化はアクリル層4の厚さの変化として、固体撮像素子の構造を形成している。すなわち、マイクロレンズ6の焦点距離2μm、2.5μm、3μm、4μmに対して、アクリル層4の厚さは各々0.2μm、0.7μm、1.2μm、2.2μmである。図5からわかるように、あらゆるマイクロレンズ焦点距離において、フォトニック結晶ありの構造の場合のほうが、フォトニック結晶なしの構造の場合に比べ、集光率が向上していることがわかる。特に広角側では、常に20%程度向上しており、優れた集光特性を得ていることがわかる。
以上のように、本発明に係る固体撮像素子は、斜め入射光に対する集光効率の向上を実現している。
The four graphs shown in FIG. 5 correspond to those obtained by changing the focal length of the microlens 6 to 2 to 4 μm. In order to make the focal point of the microlens 6 coincide with the position on the light receiving surface of the light receiving element 2, the change in the focal length is the change in the thickness of the acrylic layer 4, thereby forming the structure of the solid-state imaging element. That is, the thickness of the acrylic layer 4 is 0.2 μm, 0.7 μm, 1.2 μm, and 2.2 μm with respect to the focal lengths of 2 μm, 2.5 μm, 3 μm, and 4 μm, respectively. As can be seen from FIG. 5, at any microlens focal length, the condensing rate is improved in the structure with the photonic crystal compared to the structure without the photonic crystal. In particular, on the wide-angle side, it is always improved by about 20%, and it can be seen that excellent condensing characteristics are obtained.
As described above, the solid-state imaging device according to the present invention achieves improvement in light collection efficiency with respect to obliquely incident light.

(実施の形態2)
図6に、本発明の実施の形態2に係る固体撮像素子の断面を示す。本固体撮像素子201の構造では、マイクロレンズ12の焦点位置が受光部2の受光面上ではなく、フォトニック結晶7の入射面上に設定されているところが本発明の実施の形態1とは異なる。
(Embodiment 2)
FIG. 6 shows a cross section of the solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention. The structure of the solid-state imaging device 201 is different from the first embodiment of the present invention in that the focal position of the microlens 12 is set not on the light receiving surface of the light receiving unit 2 but on the incident surface of the photonic crystal 7. .

図6(a)に示すように固体撮像素子201に垂直入射光9が入射した場合、入射光9はマイクロレンズ12で集光され、カラーフィルタ層5およびアクリル層4を通過するとき、スポットサイズが小さくなり、フォトニック結晶層7の表面上で焦点を結ぶ。フォトニック結晶7内では、画素の垂直方向に光が進行するため、焦点上の光はほぼスポットサイズが変化することなく、受光素子2へ進行する。   As shown in FIG. 6A, when the normal incident light 9 is incident on the solid-state imaging device 201, the incident light 9 is collected by the microlens 12, and when passing through the color filter layer 5 and the acrylic layer 4, the spot size Becomes smaller and focuses on the surface of the photonic crystal layer 7. In the photonic crystal 7, light travels in the vertical direction of the pixel, so that the light on the focal point travels to the light receiving element 2 with almost no change in spot size.

一方、図6(b)に示すような斜め入射光10に対しては、フォトニック結晶7の表面で最小スポットとなり、遮光層3になんら遮られることなく、受光素子2の方向へ進行を変えるので、ほぼすべての光が受光素子2に入射する。
また参考までに、同じマイクロレンズ焦点距離で受光素子2の受光面を焦点にした場合を図7に示す。ここで、焦点を受光素子2に合わせるため、アクリル層14の厚さを図6の示した固体撮像素子201のアクリル層4の厚さより薄くしている。図7に示す固体撮像素子202では光の一部が、遮光層3で遮られており、受光量が減ることがわかる。
On the other hand, with respect to the obliquely incident light 10 as shown in FIG. 6B, it becomes the minimum spot on the surface of the photonic crystal 7, and the progress is changed in the direction of the light receiving element 2 without being blocked by the light shielding layer 3. Therefore, almost all light is incident on the light receiving element 2.
For reference, FIG. 7 shows a case where the light receiving surface of the light receiving element 2 is focused at the same microlens focal length. Here, in order to focus on the light receiving element 2, the thickness of the acrylic layer 14 is made thinner than the thickness of the acrylic layer 4 of the solid-state imaging element 201 shown in FIG. In the solid-state imaging device 202 shown in FIG. 7, it can be seen that a part of the light is blocked by the light blocking layer 3 and the amount of received light is reduced.

このような構造においては、焦点距離fをある値以下にすることにより、入射光を100%受光することができる。すなわち、入射角をθとするとスポットは遮光層3開口の中心から、f・tan(θ)だけずれた位置に焦点を結ぶ。故に、この焦点位置fが、遮光層3の開口の内部に入っていれば100%受光できるから、開口部の大きさをWとするとき、
W/2>f・tan(θ)
の関係を満たせばよい。すなわち、f<W/(2・tan(θ))がほぼ満たされておれば、入射光はほぼ全て、受光素子2に到達する。
以上のように、本発明に係る固体撮像素子は、斜め入射光に対する集光効率の向上を実現する。
In such a structure, incident light can be received 100% by setting the focal length f to a certain value or less. That is, when the incident angle is θ, the spot is focused at a position shifted by f · tan (θ) from the center of the opening of the light shielding layer 3. Therefore, 100% light can be received if this focal position f is inside the opening of the light shielding layer 3, so when the size of the opening is W,
W / 2> f · tan (θ)
Satisfy this relationship. That is, substantially all of the incident light reaches the light receiving element 2 if f <W / (2 · tan (θ)) is substantially satisfied.
As described above, the solid-state imaging device according to the present invention realizes improvement in light collection efficiency with respect to obliquely incident light.

(実施の形態3)
本発明の実施の形態3に係る固体撮像素子の断面を、図8に示す。図8に示す固体撮像素子203では、マイクロレンズ16のセンターが、斜め光10が来る方向に、遮光層3の開口のセンターとずれて設置されている。これにより、斜め光10はほぼ全て受光素子2に入射されるようになる。このような構造は、入射光において斜め光が主成分である場合に有効であり、例えばイメージセンサーを構成する画素のうち、周辺部分の画素に対しては特に有効である。
(Embodiment 3)
FIG. 8 shows a cross section of the solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention. In the solid-state imaging device 203 illustrated in FIG. 8, the center of the microlens 16 is disposed so as to be shifted from the center of the opening of the light shielding layer 3 in the direction in which the oblique light 10 comes. Thereby, almost all the oblique light 10 enters the light receiving element 2. Such a structure is effective when the oblique light is the main component in the incident light, and is particularly effective for the peripheral pixels among the pixels constituting the image sensor, for example.

また、製造工程上マイクロレンズ16がずれて製造されてしまう場合もあるが、その場合にもフォトニック結晶7の作用により光が効率的に受光素子2に導かれるので、従来よりも固体撮像素子の歩留りが良くなる。   In some cases, the microlens 16 may be manufactured with a deviation in the manufacturing process. In this case as well, the light is efficiently guided to the light receiving element 2 by the action of the photonic crystal 7, so that the solid-state imaging element is more than conventional. Yield is improved.

(実施の形態4)
本発明の実施の形態4に係る固体撮像素子の断面を、図9に示す。固体撮像素子204において、遮光層3の下にはフォトニック結晶7がほとんど存在せず、そこにはアクリル層17が形成されているところが、上記の実施の形態とは異なっている。このような構造にすることにより、後述のように、現在の固体素子撮像素子の製造工程がそのまま使用できるので、低コストで固体撮像素子を製造できる。
(Embodiment 4)
FIG. 9 shows a cross section of the solid-state imaging device according to Embodiment 4 of the present invention. In the solid-state imaging device 204, the photonic crystal 7 hardly exists under the light shielding layer 3, and the acrylic layer 17 is formed there, which is different from the above embodiment. By adopting such a structure, as will be described later, since the current manufacturing process of the solid-state image sensor can be used as it is, a solid-state image sensor can be manufactured at a low cost.

(実施の形態5)
本発明の実施の形態5に係る固体撮像素子の断面を、図10に示す。固体撮像素子205において、遮光層3の下にはフォトニック結晶7とは異なる他のフォトニック結晶18が形成されているところが、上記の実施の形態とは異なっている。フォトニック結晶18は、この固体撮像素子が取り扱う色(波長域)に対して、光バンドギャップを有しており、光がフォトニック結晶18の方向に洩れることを防ぐことができるので、より集光効率を高めることができる。
(Embodiment 5)
FIG. 10 shows a cross section of the solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention. The solid-state imaging device 205 is different from the above-described embodiment in that another photonic crystal 18 different from the photonic crystal 7 is formed under the light shielding layer 3. The photonic crystal 18 has an optical band gap with respect to the color (wavelength region) handled by the solid-state imaging device, and can prevent light from leaking in the direction of the photonic crystal 18. Light efficiency can be increased.

(実施の形態6)
本発明の実施の形態6に係る固体撮像素子の断面を、図11に示す。固体撮像素子206は、図10に示した固体撮像素子205の遮光層3がない構造であるところが、上記の実施の形態5とは異なっている。フォトニック結晶18は光バンドギャップを有しているので遮光層の代用にもなるため、遮光層を形成する必要がなくなる。これにより、固体撮像素子を低コストで製造できる。
(Embodiment 6)
FIG. 11 shows a cross section of the solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention. The solid-state image sensor 206 has a structure without the light shielding layer 3 of the solid-state image sensor 205 shown in FIG. Since the photonic crystal 18 has an optical band gap, the photonic crystal 18 can be used as a substitute for the light shielding layer, so that it is not necessary to form the light shielding layer. Thereby, a solid-state image sensor can be manufactured at low cost.

(実施の形態7)
図12は、本発明に係る固体撮像素子の第1の製造方法を説明するための図である。
まず、図12(a)に示すように、シリコン基板1上に受光素子2および各種配線(図では省略している)を形成する。
その後、図12(b)に示すように、その上に後述するようにフォトニック結晶7を電子線ビーム露光法とCVDを繰り返すことにより形成する。なお、フォトニック結晶7の表面の平坦の度合いを向上させるため、CMP(化学機械的ポリッシュ)を用いており、表面荒さ(RMS)は2nm以下に平坦化している。このようにすることにより、フォトニック結晶7で平坦層を代用させることができるため、フォトニック結晶7の上に平坦化層を形成する必要がない。このため、製造工数を減らすことができる。
(Embodiment 7)
FIG. 12 is a diagram for explaining the first manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present invention.
First, as shown in FIG. 12A, the light receiving element 2 and various wirings (not shown in the figure) are formed on the silicon substrate 1.
Thereafter, as shown in FIG. 12B, a photonic crystal 7 is formed thereon by repeating electron beam exposure and CVD, as will be described later. In order to improve the degree of flatness of the surface of the photonic crystal 7, CMP (chemical mechanical polishing) is used, and the surface roughness (RMS) is flattened to 2 nm or less. By doing so, it is possible to substitute the flat layer with the photonic crystal 7, so that it is not necessary to form a flattening layer on the photonic crystal 7. For this reason, manufacturing man-hours can be reduced.

その後、図12(c)に示すように、フォトニック結晶7の上の受光部2の開口以外の部分にアルミニウム遮光層3を形成し、図12(d)に示すように、その上にアクリル層4、カラーフィルタ層5およびマイクロレンズ層6を順次形成して完成する。
なお、フォトニック結晶7の構造の周期を増やすため、遮光層3を形成した後、再びその上にフォトニック結晶7を形成しても構わない。そうした場合には、図1に示したような固体撮像素子の構造が完成する。
Thereafter, as shown in FIG. 12 (c), an aluminum light-shielding layer 3 is formed on the photonic crystal 7 in a portion other than the opening of the light-receiving portion 2, and an acrylic film is formed thereon as shown in FIG. 12 (d). Layer 4, color filter layer 5, and microlens layer 6 are sequentially formed to complete.
In order to increase the period of the structure of the photonic crystal 7, the photonic crystal 7 may be formed again after forming the light shielding layer 3. In such a case, the structure of the solid-state imaging device as shown in FIG. 1 is completed.

(実施の形態8)
図13は、本発明に係る固体撮像素子の第2の製造方法を説明するための図である。図13(a)および(b)に示すように、フォトニック結晶7を形成するところまでは図12(a)および(b)と同じであるが、図13(c)に示すように、フォトニック結晶7において、受光部2より上の部分のみを残し、その他の部分を除去する。その後、図13(d)に示すように、そのフォトニック結晶7の周囲に第2のフォトニック結晶18を形成する。これにより、受光部2上のフォトニック結晶7とその周辺の第2のフォトニック結晶18に異なる機能(すなわち、第2のフォトニック結晶18は、遮光層の代用機能を有する。)をもたせることができる。
(Embodiment 8)
FIG. 13 is a diagram for explaining a second manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present invention. As shown in FIGS. 13A and 13B, the steps up to the formation of the photonic crystal 7 are the same as those in FIGS. 12A and 12B. However, as shown in FIG. In the nick crystal 7, only the part above the light receiving part 2 is left and the other part is removed. Thereafter, as shown in FIG. 13D, a second photonic crystal 18 is formed around the photonic crystal 7. Accordingly, the photonic crystal 7 on the light receiving unit 2 and the second photonic crystal 18 around the photonic crystal 7 have different functions (that is, the second photonic crystal 18 has a function of substituting the light shielding layer). Can do.

なお、フォトニック結晶のパターンをフォトリソグラフィなどの露光によって作製する場合、図13(c)のようにフォトニック結晶7を削ることを行わなくても、単に露光パターンを変えるだけで、同様の構造を製造することができる。   Note that when a photonic crystal pattern is produced by exposure such as photolithography, the same structure can be obtained by simply changing the exposure pattern without cutting the photonic crystal 7 as shown in FIG. 13C. Can be manufactured.

(実施の形態9)
図14は本発明に係る固体撮像素子の第3の製造方法を説明するための図である。まず図14(a)に示すように、シリコン基板1上に受光部2および各種配線(図では省略している)を形成する。その後、図14(b)に示すように、その上にアクリル樹脂17を形成したのち、図14(c)に示すように、その上の受光部2の開口以外の部分に遮光層3を形成する。ここまでは通常の固体撮像素子の工程と同じであり、極めて安定した工程である。その後、図14(d)に示すように、受光部2の上のアクリル層17のみをドライエッチングにより除去する。このとき、遮光膜3をマスクに使用できる。次に図14(e)に示すように、その上に高分子微粒子の自己組織化によってフォトニック結晶7を形成している(自己組織化については例えば、K. Fukuda, H. -B. Sun, S. Matsuno, and H. Misawa, "Self-organizing three-dimensional colloidal photonic structure with argumented dielectric contrast," Jpn, J. Appl. Phys. 37, (1998) L508参照。)。このような窪みにフォトニック結晶7を作製するには、高分子微粒子の自己組織化が最適である。最後に図14(f)に示すように、その上にアクリル層4、カラーフィルタ層5およびマイクロレンズ層6を順次形成して完成する。
(Embodiment 9)
FIG. 14 is a diagram for explaining a third manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present invention. First, as shown in FIG. 14A, the light receiving portion 2 and various wirings (not shown in the figure) are formed on the silicon substrate 1. Thereafter, as shown in FIG. 14 (b), an acrylic resin 17 is formed thereon, and then, as shown in FIG. 14 (c), the light shielding layer 3 is formed in a portion other than the opening of the light receiving portion 2 thereon. To do. Up to this point, the process is the same as that of a normal solid-state imaging device, and is a very stable process. Thereafter, as shown in FIG. 14D, only the acrylic layer 17 on the light receiving portion 2 is removed by dry etching. At this time, the light shielding film 3 can be used as a mask. Next, as shown in FIG. 14 (e), a photonic crystal 7 is formed thereon by self-assembly of polymer fine particles (for example, K. Fukuda, H. -B. Sun , S. Matsuno, and H. Misawa, “Self-organizing three-dimensional colloidal photonic structure with argumented dielectric contrast,” Jpn, J. Appl. Phys. 37, (1998) L508.). In order to produce the photonic crystal 7 in such a depression, self-organization of polymer fine particles is optimal. Finally, as shown in FIG. 14 (f), the acrylic layer 4, the color filter layer 5 and the microlens layer 6 are sequentially formed thereon to complete.

(実施の形態10)
本発明に係るフォトニック結晶の製造には主に次に示す手法を用いる。
図15に、多層膜層のエッチングによってフォトニック結晶構造を製造する方法を示す。図15(a)に示すように、まずSiO基板906上に、CVD法を用いて、Si34層904とSiO層905のペアを1セットとして、9セット堆積した多層膜構造を形成する。次に、電子線リソグラフィを用いて、円形のレジスト903を形成した後、図15(b)に示すように、通常のエッチングプロセスを用いて、円柱状の多層膜が残るようにエッチングを行う。次に、図15(c)に示すように、アセトンを用いて、レジストを剥離した後、スピンコートによってSiOコート材料を塗布・加熱して、SiOマトリックス907中にSi34微粒子904が規則的に並んでいるフォトニック結晶を形成する。
(Embodiment 10)
The following method is mainly used for manufacturing the photonic crystal according to the present invention.
FIG. 15 shows a method of manufacturing a photonic crystal structure by etching a multilayer film layer. As shown in FIG. 15A, first, a multilayer film structure in which 9 sets are deposited on a SiO 2 substrate 906 by using a CVD method with a pair of Si 3 N 4 layer 904 and SiO 2 layer 905 as one set. Form. Next, after forming a circular resist 903 using electron beam lithography, as shown in FIG. 15B, etching is performed using a normal etching process so that a cylindrical multilayer film remains. Next, as shown in FIG. 15C, after removing the resist using acetone, a SiO 2 coating material is applied and heated by spin coating, and Si 3 N 4 fine particles 904 are placed in the SiO 2 matrix 907. Form a photonic crystal regularly arranged.

なお、上記の説明において、マイクロレンズ6の集光のため、アクリル層4を設けているが、これをカラーフィルタ層5で代用する方法、すなわちカラーフィルタ層5を厚くする方法をとってももちろん構わない。
なお、本実施の形態では、CCDを用いているが、MOSセンサを用いてももちろんよい。また、説明を行った以外の製造方法を用いて固体撮像素子を製造してももちろんよい。
In the above description, the acrylic layer 4 is provided for condensing the microlens 6. However, a method of substituting this with the color filter layer 5, that is, a method of increasing the thickness of the color filter layer 5 may of course be used. .
In this embodiment, a CCD is used, but a MOS sensor may of course be used. Of course, the solid-state imaging device may be manufactured using a manufacturing method other than that described.

本発明に係る固体撮像素子によれば、広角の光学系に対しても感度の高い固体撮像素子を実現することができるので、今後ますます薄型化が進むカメラ付携帯電話や超薄型デジタルスチルカメラ等に適用できる。   According to the solid-state imaging device according to the present invention, a solid-state imaging device having high sensitivity can be realized even for a wide-angle optical system. Applicable to cameras.

本発明の実施の形態1に係る固体撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るフォトニック結晶の構造図である。1 is a structural diagram of a photonic crystal according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1に係るフォトニック結晶の光学機能を示す図である。It is a figure which shows the optical function of the photonic crystal which concerns on Embodiment 1 of this invention. (a)および(b)は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像素子における集光の様子を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the mode of condensing in the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像素子と従来構造の固体撮像素子の集光率を比較した図である。(A)-(d) is the figure which compared the condensing rate of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention, and the solid-state image sensor of a conventional structure. (a)および(b)は、本発明の実施の形態2に係る固体撮像素子の断面図である。(A) And (b) is sectional drawing of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る固体撮像素子の断面図で、マイクロレンズ焦点距離が短い場合の図である。It is sectional drawing of the solid-state image sensor concerning Embodiment 2 of this invention, and is a figure in case a microlens focal distance is short. 本発明の実施の形態3に係る固体撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に係る固体撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5に係る固体撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態6に係る固体撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 6 of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施の形態7に係る固体撮像素子の第1の製造方法を示す図である。(A)-(d) is a figure which shows the 1st manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 7 of this invention. (a)〜(d)は、本発明の実施の形態8に係る固体撮像素子の第2の製造方法を示す図である。(A)-(d) is a figure which shows the 2nd manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 8 of this invention. (a)〜(f)は、本発明の実施の形態9に係る固体撮像素子の第3の製造方法を示す図である。(A)-(f) is a figure which shows the 3rd manufacturing method of the solid-state image sensor which concerns on Embodiment 9 of this invention. (a)〜(c)は、本発明の実施の形態10に係るフォトニック結晶の製造方法を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the manufacturing method of the photonic crystal which concerns on Embodiment 10 of this invention. 従来の固体撮像素子の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the conventional solid-state image sensor. (a)〜(g)は、従来の固体撮像素子の製造方法を示す図である。(A)-(g) is a figure which shows the manufacturing method of the conventional solid-state image sensor. (a)および(b)は、従来の固体撮像素子の集光の様子を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the mode of condensing of the conventional solid-state image sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1、101 シリコン基板
2、102 受光素子
3、103 遮光層
4、14、104、111 アクリル層
5、105 カラーフィルタ層
6、12、16、106 マイクロレンズ
7、17、18 フォトニック結晶
9、107 画素に垂直に入射する光
10、108 画素に斜めに入射する光
200〜206、230 固体撮像素子
903 レジスト
904 Si34
905 SiO
906 SiO基板
907 SiO
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Silicon substrate 2,102 Light receiving element 3,103 Light-shielding layer 4,14,104,111 Acrylic layer 5,105 Color filter layer 6,12,16,106 Micro lens 7,17,18 Photonic crystal 9,107 Light vertically incident on the pixel 10, 108 Light obliquely incident on the pixel 200 to 206, 230 Solid-state imaging device 903 Resist 904 Si 3 N 4 layer 905 SiO 2 layer 906 SiO 2 substrate 907 SiO 2

Claims (21)

入射光を集光する集光部と、
前記集光部の出射面側に形成され、前記集光された光を入射し、所定の波長領域の光の進行方向を変えるフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶の出射面側に形成され、前記フォトニック結晶内の導波光を入射し、電荷に変換する受光部とを備える
ことを特徴とする固体撮像素子。
A condensing part for condensing incident light;
A photonic crystal that is formed on the exit surface side of the condensing unit, enters the condensed light, and changes the traveling direction of light in a predetermined wavelength region;
A solid-state imaging device, comprising: a light receiving portion that is formed on an emission surface side of the photonic crystal and that receives guided light in the photonic crystal and converts the light into a charge.
前記フォトニック結晶は、前記所定の波長領域の光に対して平坦な分散面を有することにより、前記導波光を平行束にする
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the photonic crystal has a flat dispersion surface with respect to light in the predetermined wavelength region, thereby making the guided light a parallel bundle. 3.
前記フォトニック結晶は、前記導波光を前記受光部の受光面の法線方向に導波する
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the photonic crystal guides the guided light in a normal direction of a light receiving surface of the light receiving unit.
さらに、前記集光部と前記フォトニック結晶との間に形成され、前記集光された光のうち所定の波長領域の光のみを通過させるカラーフィルタ層を備える
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
Furthermore, the color filter layer which is formed between the said condensing part and the said photonic crystal, and allows only the light of a predetermined wavelength area among the condensed light is provided is provided. The solid-state imaging device according to any one of 3.
前記フォトニック結晶の出射面は、前記受光部の受光面と接している
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an emission surface of the photonic crystal is in contact with a light receiving surface of the light receiving unit.
前記フォトニック結晶の入射面が平坦である
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an incident surface of the photonic crystal is flat.
前記所定の波長領域は、前記フォトニック結晶の構成材料の種類、大きさ、および配置間隔の中の少なくとも一つを変更することにより、異なる波長領域に設定される
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The predetermined wavelength region is set to a different wavelength region by changing at least one of the type, size, and arrangement interval of the constituent material of the photonic crystal. The solid-state image sensor of any one of -6.
前記集光部の焦点位置が、前記フォトニック結晶の入射面上にある
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein a focal position of the condensing part is on an incident surface of the photonic crystal.
前記集光部の中心軸と前記受光部の開口の中心軸とは平行で、離れている
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
9. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a central axis of the light collecting unit and a central axis of the opening of the light receiving unit are parallel and separated.
さらに、前記フォトニック結晶の上部または内部に、前記受光部の上部に開口を有して形成され、前記受光部の周辺への光の侵入を防ぐ遮光層を備える
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
Furthermore, the photonic crystal is provided with a light shielding layer which is formed with an opening in the upper part of the light receiving part and prevents light from entering the periphery of the light receiving part. The solid-state image sensor of any one of -9.
前記集光部の焦点距離をf、前記入射光の入射角の最大値をθ、および前記遮光層の開口幅をWとするとき、
f<W/(2tan(θ))
の関係が満たされている
ことを特徴とする請求項10記載の固体撮像素子。
When the focal length of the condensing part is f, the maximum value of the incident angle of the incident light is θ, and the opening width of the light shielding layer is W,
f <W / (2tan (θ))
The solid-state imaging device according to claim 10, wherein the relationship is satisfied.
さらに、前記遮光層の下部に、前記受光部上の前記フォトニック結晶を取り囲んで形成されたアクリル層を備える
ことを特徴とする請求項10または11記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 10, further comprising an acrylic layer formed so as to surround the photonic crystal on the light receiving portion, below the light shielding layer.
前記フォトニック結晶は、
前記受光部の上部に形成され、前記集光された光を入射し、平坦な分散面を有することにより、前記光を出射面と垂直方向に導波する第1のフォトニック結晶と、
前記遮光層の下部に、前記第1のフォトニック結晶を取り囲んで形成され、前記第1のフォトニック結晶の平坦な分散面を有する光の波長域で光バンドギャップを有することにより、前記受光部の周辺への前記光の侵入を防ぐ第2のフォトニック結晶とを備える
ことを特徴とする請求項10〜12のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The photonic crystal is
A first photonic crystal formed on an upper portion of the light receiving unit, which receives the condensed light and has a flat dispersion surface, thereby guiding the light in a direction perpendicular to the emission surface;
A light band gap is formed below the light shielding layer so as to surround the first photonic crystal and has a light band gap in a light wavelength region having a flat dispersion surface of the first photonic crystal, thereby allowing the light receiving unit to The solid-state imaging device according to claim 10, further comprising: a second photonic crystal that prevents the light from entering the periphery of the solid-state image sensor.
前記フォトニック結晶は、
前記受光部の上部に形成され、前記集光された光を入射し、平坦な分散面を有することにより、前記光を出射面と垂直方向に導波する第1のフォトニック結晶と、
前記第1のフォトニック結晶に上部を覆われ、かつ、前記受光部の上部を取り囲んで形成され、前記第1のフォトニック結晶の有する平坦な分散面に対応する光の波長域で光バンドギャップを有することにより、前記受光部の周辺への前記光の侵入を防ぐ第2のフォトニック結晶とを備える
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The photonic crystal is
A first photonic crystal formed on an upper portion of the light receiving unit, which receives the condensed light and has a flat dispersion surface, thereby guiding the light in a direction perpendicular to the emission surface;
An optical band gap in the wavelength region of light that is covered with the first photonic crystal and surrounds the upper portion of the light receiving portion and corresponds to a flat dispersion surface of the first photonic crystal. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a second photonic crystal that prevents the light from entering the periphery of the light receiving unit.
前記集光部は、マイクロレンズ、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレートおよび分布屈折率型レンズのいずれかである
ことを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the condensing unit is any one of a micro lens, a Fresnel lens, a Fresnel zone plate, and a distributed refractive index type lens.
請求項10記載の固体撮像素子の製造工程であって、
半導体基板に前記受光部を形成する工程と、
前記受光部の上部に前記フォトニック結晶を形成する工程と、
前記フォトニック結晶の表面を平坦化する工程と、
前記フォトニック結晶の上部に前記遮光層を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
It is a manufacturing process of the solid-state image sensing device according to claim 10,
Forming the light receiving portion on a semiconductor substrate;
Forming the photonic crystal on the light receiving portion;
Planarizing the surface of the photonic crystal;
And a step of forming the light shielding layer on the photonic crystal.
請求項14記載の固体撮像素子の製造工程であって、
半導体基板に前記受光部を形成する工程と、
前記受光部の上部に前記第1のフォトニック結晶を形成する第1フォトニック結晶工程と、
前記第1のフォトニック結晶の周囲に前記第2のフォトニック結晶を形成する工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
It is a manufacturing process of the solid-state image sensing device according to claim 14,
Forming the light receiving portion on a semiconductor substrate;
A first photonic crystal step of forming the first photonic crystal on the light receiving portion;
Forming the second photonic crystal around the first photonic crystal. A method for manufacturing a solid-state imaging device.
前記第1フォトニック結晶工程では、全面に前記第1のフォトニック結晶を形成した後、前記受光部の上部の前記第1のフォトニック結晶以外は除去する
ことを特徴とする請求項17記載の固体撮像素子の製造方法。
18. In the first photonic crystal process, after the first photonic crystal is formed on the entire surface, parts other than the first photonic crystal above the light receiving portion are removed. Manufacturing method of solid-state image sensor.
前記第1フォトニック結晶工程では、フォトニック結晶構造を指定する露光工程で前記第1のフォトニック結晶用のパターンを用いる
ことを特徴とする請求項17記載の固体撮像素子の製造方法。
The method for manufacturing a solid-state imaging device according to claim 17, wherein, in the first photonic crystal process, the pattern for the first photonic crystal is used in an exposure process for designating a photonic crystal structure.
請求項12記載の固体撮像素子の製造方法であって、
半導体基板に前記受光部を形成する工程と、
前記受光部上に、平坦層および前記遮光層を形成する工程と、
前記遮光層の開口部をマスクにして、前記受光部の受光面まで前記平坦層を削ることによって凹部を形成する工程と、
前記凹部に前記フォトニック結晶を形成するフォトニック結晶工程と
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the solid-state image sensing device according to claim 12,
Forming the light receiving portion on a semiconductor substrate;
Forming a flat layer and the light shielding layer on the light receiving portion;
Forming a recess by scraping the flat layer to the light receiving surface of the light receiving portion using the opening of the light shielding layer as a mask;
And a photonic crystal process for forming the photonic crystal in the recess.
前記フォトニック結晶工程では、高分子微粒子による自己組織化を用いる
ことを特徴とする請求項20記載の固体撮像素子の製造方法。
21. The method of manufacturing a solid-state imaging device according to claim 20, wherein the photonic crystal process uses self-assembly by polymer fine particles.
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