JP4332917B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサから基板側に電荷の掃き捨てがなされる縦型オーバーフロードレイン構造を有する固体撮像素子、例えばHADセンサ構造を有するCCD固体撮像素子に係わる。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像素子において、動解像度を向上する目的で、1フィールド期間のある特定の時間に画素に蓄積された信号電荷を一旦掃き出し、そこから再度そのフィールドの終わりまで光電変換した電荷を蓄積し読み出すいわゆる電子シャッタ動作が行われている。
【0003】
そして、例えばオーバーフローバリアとオーバーフロードレインを設けて、不要な電荷を一旦掃き出す際に、オーバーフローバリアを除去してオーバーフロードレインに流すことにより電子シャッタ動作を行っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
空乏層が2μm以上となるセンサ構造を有する固体撮像素子において、上述の電子シャッタ動作を行う方法の1つとして、例えば半導体基板の表面側に転送レジスタに平行してオーバーフロードレインを配置したいわゆる横型オーバーフロードレイン構造を構成する方法がある。
【0005】
ところが、このときユニットセル内に横型オーバーフロードレインを設けるスペースが必要となるために、縦型オーバーフロードレイン構造と比較して、このスペースの分センサ開口が小さくなる欠点がある。
【0006】
また、半導体基板側に基板面に略平行に形成されたオーバーフロードレインを設けた縦型オーバーフロードレイン構造を構成することにより、上述の電子シャッタ動作を行う方法がある。
【0007】
このとき、一般に半導体基板の裏面に金を蒸着させて基板とコンタクトをとり、この金を通じて基板裏面から電子シャッタパルスを入力するように構成される。
この方法では、金を蒸着させる必要があることから材料費が高くなる欠点がある。
【0008】
また、上述の縦型オーバーフロードレイン構造のセンサにおける深さ方向のポテンシャル図を図9に示す。図9Aは入射光量が少ない状態、図9Bは入射光量が多い状態をそれぞれ示す。
【0009】
光電変換で発生した信号電荷(即ち電子)のうち、センサ毎の規定量以上即ち信号電荷の最大蓄積量以上の信号電荷(電子)は、オーバーフローバリアOFBを超えて基板電圧VSUB が印加された基板に掃き捨てられる。
【0010】
ところが、入射光量が多くなると、図9Bに示すように、掃き捨て電荷量の増加に伴いオーバーフローバリアOFBのポテンシャルが浅くなり、その結果上述の規定量が増えてしまい、信号電荷が最大蓄積量を超えて蓄積されるようになる。
この規定量の増加がいわゆるニー(KNEE)成分となる。
【0011】
センサに入射される光量と、規定の信号量の増加分即ちニー成分との関係を図10に示す。入射光量の増加によりニー成分が増加することが分かる。
【0012】
上述のニー成分の増加により、ダイナミックレンジやリニアリティを阻害し、またブルーミングを発生させる等の不都合を生じる。
【0013】
上述した問題の解決のために、本発明においては、センサ開口を大きくとることができ、ニー成分の発生を低減することができると共に、安価に電子シャッタを構成することができる固体撮像素子を提供するものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、縦型オーバーフロードレイン構造を有し、第1導電型半導体基板と、撮像領域の下の第1導電型半導体基板内に形成された第2導電型のオーバーフローバリア領域と、第2導電型のオーバーフローバリア領域上を含む撮像領域の外側の第1導電型半導体基板の表面の額縁状の部分に形成された第2導電型ウエル領域と、額縁状の部分に形成された第2導電型ウエル領域の上に延在するように形成され、かつ、第1導電型半導体基板の表面を覆う絶縁膜に形成されたコンタクトホール内で、第2導電型ウエル領域とコンタクトするように形成された、配線と、オーバーフローバリア領域と第2導電型ウエル領域との間に形成され、オーバーフローバリア領域と第2導電型ウエル領域とをコンタクトする第2導電型不純物導入領域とを有し、この第2導電型不純物導入領域が、配線と第2導電型ウエル領域とのコンタクト部分の直下に形成されているものである。
【0015】
上述の本発明の構成によれば、オーバーフローバリア領域とウエル領域とをコンタクトする第2導電型不純物導入領域を有することにより、ウエル領域に接続された配線に所定の電位、例えばグランド電位を印加すれば、オーバーフローバリア領域をグランド電位とすることができる。これによりオーバーフローバリア領域のポテンシャルの変化を抑制することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明は、センサから基板側に電荷の掃き捨てがなされる縦型オーバーフロードレイン構造を有する固体撮像素子であって、第1導電型半導体基板と、撮像領域の下の第1導電型半導体基板内に形成された第2導電型のオーバーフローバリア領域と、第2導電型のオーバーフローバリア領域上を含む撮像領域の外側の第1導電型半導体基板の表面の額縁状の部分に形成された第2導電型ウエル領域と、額縁状の部分に形成された第2導電型ウエル領域の上に延在するように形成され、かつ、第1導電型半導体基板の表面を覆う絶縁膜に形成されたコンタクトホール内で、第2導電型ウエル領域とコンタクトするように形成された、配線と、オーバーフローバリア領域と第2導電型ウエル領域との間に形成され、オーバーフローバリア領域と第2導電型ウエル領域とをコンタクトする第2導電型不純物導入領域とを有し、この第2導電型不純物導入領域が、配線と第2導電型ウエル領域とのコンタクト部分の直下に形成されている固体撮像素子である。
【0017】
また本発明は、上記固体撮像素子において、第2導電型ウエル領域より更に外側の平面位置の第1導電型半導体基板の表面に形成された第1導電型ウエル領域と、絶縁膜に形成されたコンタクトホール内で、第1導電型ウエル領域とコンタクトするように形成された、第2の配線と、第1導電型ウエル領域と第1導電型半導体基板との間に形成され、第1導電型ウエル領域と第1導電型半導体基板とをコンタクトする第1導電型不純物導入領域とをさらに有する構成とする。
【0019】
図1は本発明の一実施の形態として固体撮像素子の要部(受光部付近)の概略断面図を示す。
この固体撮像素子1は、撮像領域31(図5の平面図参照)内に、図示しないが画素となる複数の受光素子がマトリクス状に配列され、各受光素子の一側にCCD構造の垂直転送レジスタが設けられ、各垂直転送レジスタの終端に接続されてCCD構造の水平転送レジスタが設けられて構成されたCCD固体撮像素子に本発明を適用した場合である。
【0020】
図1に示すように、n型の半導体基板11に第1のp型半導体ウエル領域12が形成され、この第1のp型半導体ウエル領域12内に受光素子の構成要素となるn型不純物拡散領域13と垂直転送レジスタ3を構成するn型転送チャネル領域14並びにp型のチャネルストップ領域15が形成され、n型不純物拡散領域13上にp型の正電荷蓄積領域16が、n型の転送チャネル領域14の直下に第2のp型半導体ウエル領域17が夫々形成されている。
p型の正電荷蓄積領域16は、p型のチャネルストップ領域15に電気的に接して形成される。
【0021】
ここで、第1のp型半導体ウエル領域12と、n型不純物拡散領域13と、p型の正電荷蓄積領域16とによってHAD(ホール・アキュミュレイテッド・ダイオード)センサと呼ばれる受光素子2が構成される。
【0022】
垂直転送レジスタ3を構成する転送チャネル領域14、チャネルストップ領域15及び読み出しゲート部4上にゲート絶縁膜18を介して第1層及び第2層の多結晶シリコンからなる転送電極19が形成され、転送チャネル領域14、ゲート絶縁膜18及び転送電極19により、垂直転送レジスタ3が構成される。
さらに、層間絶縁膜20を介して受光素子(以下センサとする)2を除く垂直転送レジスタ3等の他部に例えばAl膜による遮光膜21が被着形成される。
【0023】
この固体撮像素子1では、受光素子(センサ)2で発生した信号電荷が読み出しゲート部4を通して垂直転送レジスタ3に読み出された後、垂直転送レジスタ3内を垂直方向に転送される。
更にその信号電荷が水平転送レジスタに転送され、水平転送レジスタ内を水平方向に転送されて、出力回路を通して出力されるようになされる。
【0024】
そして、n型半導体基板11内に形成された第1のp型半導体ウエル領域12により、後述するようにオーバーフロードレインが形成されて、縦型オーバーフロードレイン構造が形成されている。
【0025】
次に、図1に示した固体撮像素子1の製造工程の一形態を図2を用いて説明する。
この製造工程は特に空乏層が2μm以上のセンサ構造を有する場合に好適な製造工程である。
【0026】
まず、図2Aに断面図を示すように、例えばn型のシリコンから成る半導体基板11のイメージ領域(撮像領域)31となる領域全体に、B(ボロン)を1MeV以上の高い加速エネルギーでイオン注入する。
【0027】
その後、900℃以上の温度で半導体基板11をアニールさせることにより、図2Bに示すようにBを拡散させて、表面から例えば2μm以上の深さに第1のp型半導体ウエル領域12即ちオーバーフローバリア領域を形成する。
【0028】
図2C以降はセンサ2となる領域周辺の断面図を示す。
次に、同様な方法で、図2Cに示すように各センサ2となる領域に、P(リン)を1MeV以上の高い加速エネルギーでイオン注入する。
さらに、その後900℃以上の温度で基板11をアニールさせることにより、図2Dに示すようにPを拡散させてセンサ2の蓄積領域となるn型の不純物拡散領域13を形成する。
【0029】
次に、図2Eに示すように、各センサ2となる領域に高濃度のB(ボロン)を低い加速エネルギーでイオン注入することにより、p+ 領域即ち正電荷蓄積領域16を形成し、いわゆるHADセンサを構成する。
【0030】
このようにして、図3にセンサ2の深さ方向のポテンシャル図を示すようなpnpn構造のHADセンサを形成することができる。第1のp型半導体ウエル領域12によりオーバーフローバリアOFBが形成されて縦型オーバーフローバリア構造が構成されている。
【0031】
このようなポテンシャルを有するHADセンサにおいて、図4に示すように、基板電圧VSUB をΔVSUB 増加させることにより、オーバーフローバリアOFBをつぶして不要な電荷(電子)の排出を行うことができ、電子シャッタ動作を行うことができる。
【0032】
さらに、本実施の形態の固体撮像素子1においては、特にこの電荷の排出を行う過程以外の過程におけるオーバーフローバリアOFBのポテンシャルを安定化させるための構成を有する。
【0033】
図5に本実施の形態の固体撮像素子1の概略平面図を示す。
撮像領域31下に図中鎖線で示すオーバーフローバリア領域即ち第1のp型半導体ウエル領域12が形成されている。
そして、この第1のp型半導体ウエル領域12上、撮像領域31の外側の図中実線で囲まれた額縁状の部分に第3のp型半導体ウエル領域32が形成されている。
33は、第3のp型半導体ウエル領域32に配線を接続するためのコンタクト部を示す。このコンタクト部33は配線を通じてパッド35に接続される。
【0034】
さらに、第3のp型半導体ウエル領域32が形成された部分より半導体基板の外縁側に後述するn型半導体ウエル領域と接続されたコンタクト部34が設けられ、このコンタクト部34は配線を通じてパッド36に接続される。
【0035】
図5のI−I′線における断面図を図6に、II−II′線における断面図を図7にそれぞれ示す。
本実施の形態の固体撮像素子1においては、特に第3のp型半導体ウエル領域32とオーバーフローバリア領域即ち第1のp型半導体ウエル領域12との間に、図6に示すように、p型不純物導入領域52を形成する。このp型不純物導入領域52を形成することにより、第3のp型半導体ウエル領域32と第1のp型半導体ウエル領域12とのコンタクトがなされる。
【0036】
第3のp型半導体ウエル領域32のコンタクト部33は、半導体表面を覆う絶縁膜(例えば酸化シリコン膜)41に形成されたコンタクトホールにより構成され、このコンタクト部33において第3のp型半導体ウエル領域32とAl等の配線42とのコンタクトがなされている。
尚、第3のp型半導体ウエル領域32内にはp+ 領域51が形成されて、このコンタクト部33におけるコンタクト抵抗を低減している。
【0037】
そして、配線42に所定の電位、この場合はグランド電位GNDを与えることにより、第3のp型半導体ウエル領域32、並びにp型不純物導入領域52を通じてコンタクトされたオーバーフローバリア領域12の電位をグランド電位に抑えることができる。
【0038】
p型不純物導入領域52は、1MeV以上の高い加速エネルギーでB(ボロン)をイオン注入することにより形成することができる。
【0039】
上述のようにオーバーフローバリア領域12をグランド電位GNDに抑えることができるため、光量が大きい時に、図8Bに示したように掃き捨て電荷によってオーバーフローバリアOFBが浅くなる現象を抑制することができ、いわゆるKNEE成分を小さくすることができる効果を有する。
【0040】
また、本実施の形態においては、さらに、図7に示すように、半導体基板11の外縁側の表面にn型半導体ウエル領域55を形成し、このn型半導体ウエル領域55下にn型不純物導入領域57を形成する。このn型不純物導入領域57を形成することにより、n型半導体ウエル領域55と基板11とのコンタクトがなされる。
【0041】
n型半導体ウエル領域55のコンタクト部34は、半導体表面を覆う絶縁膜(例えば酸化シリコン膜)41に形成されたコンタクトホールにより構成され、このコンタクト部34においてn型半導体ウエル領域55とAl等の配線43とのコンタクトがなされている。
尚、n型半導体ウエル領域55内にはn+ 領域56が形成されて、このコンタクト部34におけるコンタクト抵抗を低減している。
【0042】
そして、配線43に基板電位VSUB を与えることにより、n型半導体ウエル領域55、並びにn型不純物導入領域57を通じてコンタクトされた基板11に基板電位VSUB を印加することができる。
【0043】
これにより、配線層から基板電位VSUB を入力することができ、基板11の裏面に金を蒸着して基板電位VSUB を入力する必要がなくなるので、材料費が低減される。
【0044】
n型不純物導入領域57は、1MeV以上の高い加速エネルギーでP(リン)又はAs(砒素)をイオン注入することにより形成することができる。
【0045】
上述の本発明の実施の形態の固体撮像素子1によれば、オーバーフローバリア領域12を例えばグランド電位GNDに抑えることができるため、信号のKNEE成分を抑制することができる。
従って、ダイナミックレンジや良好なリニアリティを得ることができ、ブルーミングの発生を低減することができる。
【0046】
さらに、基板電位VSUB を入力するために、基板11の裏面に金を蒸着する必要がなく、縦型オーバーフロードレイン構造を安価に構成することができる。
【0047】
また、横型オーバーフロードレイン構造を用いず縦型オーバーフロードレイン構造を用いることができるので、センサ開口を大きくとることができる。
【0048】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
図8は、本発明の他の実施の形態の固体撮像素子の一製造工程の断面図を示す。
【0049】
n型の導体基板11の比較的浅い位置にB(ボロン)のイオン注入を行って第1のp型半導体ウエル領域12を形成した後、n型もしくはn- のエピタキシャル層61を結晶成長させる。
そして、このエピタキシャル層61に、図8に示すようにn型不純物拡散領域13、p+ の正電荷蓄積領域16を順次形成してHADセンサを形成することができる。
【0050】
本実施の形態によれば、第1のp型半導体ウエル領域12を形成するためのB(ボロン)のイオン注入において、加速エネルギーを高くしなくても、エピタキシャル層61の分だけ深い位置に第1のp型半導体ウエル領域12を形成することができる。
即ち空乏層が2μm以上と深いセンサ構造を比較的容易に形成することができる。
【0051】
上述の本発明の固体撮像素子は、特に2μm以上の空乏層を有する固体撮像素子に適用して好適である。
空乏層が2μm以上であると、2μm以上の深さに形成されたオーバーフローバリア領域と、配線が接続される基板表面側とのコンタクトを通常の構成ではコンタクトすることができない。
【0052】
これに対して本発明を適用して、第2導電型の不純物導入領域を形成することにより、コンタクトされるように構成してオーバーフローバリア領域に所定の電位例えばグランド電位GNDを印加して、オーバーフローバリア領域のポテンシャルの変動を抑制することができる。
【0053】
また、オーバーフローバリア領域に印加される所定の電位は、グランド電位GND以外でもよい。
グランド電位GNDを印加する構成とすると、単純な構成でオーバーフローバリア領域に電位を印加することができるという利点を有する。
【0054】
本発明の固体撮像素子は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【0055】
【発明の効果】
上述の本発明による固体撮像素子によれば、ウエル領域に接続された配線に所定の電位、例えばグランド電位を印加すれば、第2導電型不純物導入領域を通じてコンタクトされたオーバーフローバリア領域をグランド電位とすることができる。これによりオーバーフローバリア領域のポテンシャルの変化を抑制することができるので、信号のKNEE成分を抑制することができる。
【0056】
従って、ダイナミックレンジや良好なリニアリティを確保することができ、ブルーミングの発生を低減することができる。
【0057】
また、第2導電型ウエル領域より更に外側の平面位置の第1導電型半導体基板の表面に形成された第1導電型ウエル領域と、第1導電型半導体基板との間に形成され、2つの領域をコンタクトする第1導電型不純物導入領域をさらに有する構成としたときには、第1導電型ウエル領域から即ち基板表面側から基板電位を入力することができ、基板電位を入力するために基板裏面に金を蒸着する必要がなく、縦型オーバーフロードレイン構造を安価に構成することができる。
【0058】
また、横型オーバーフロードレインを用いず縦型オーバーフロードレインを用いるため、センサ開口を大きくとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の固体撮像素子の要部の概略断面図である。
【図2】A〜E 図1の固体撮像素子の製造工程を示す断面図である。
【図3】図1の固体撮像素子のセンサにおける深さ方向のポテンシャル図である。
【図4】図1の固体撮像素子における電子シャッタ動作を説明する図である。
【図5】図1の固体撮像素子の概略平面図である。
【図6】図5のI−I′における断面図である。
【図7】図5のII−II′における断面図である。
【図8】本発明の他の実施の形態の固体撮像素子の一製造工程を示す断面図である。
【図9】縦型オーバーフロードレイン構造のセンサにおける深さ方向のポテンシャル図である。A 入射光量が少ない状態のポテンシャル図である。B 入射光量が多い状態のポテンシャル図である。
【図10】ニー(KNEE)成分を説明する図である。
【符号の説明】
1 固体撮像素子、2 受光素子(センサ)、3 垂直転送レジスタ、4 読み出しゲート部、11 半導体基板、12 第1のp型半導体ウエル領域、13n型不純物拡散領域、14 n型転送チャネル領域、15 チャネルストップ領域、16 正電荷蓄積領域、17 第2のp型半導体ウエル領域、18 ゲート絶縁膜、19 転送電極、20 層間絶縁膜、21 遮光膜、31 撮像領域(イメージ領域)、32 第3のp型半導体ウエル領域、33,34 コンタクト部、35,36 パッド、41 絶縁膜、42,43 配線、51 p+ 領域、52 p型不純物導入領域、55 n型半導体ウエル領域、56 n+ 領域、57 n型不純物導入領域、61 エピタキシャル層、OFB オーバーフローバリア、GND グランド電位、VSUB 基板電位
Claims (2)
- センサから基板側に電荷の掃き捨てがなされる縦型オーバーフロードレイン構造を有する固体撮像素子であって、
第1導電型半導体基板と、
撮像領域の下の上記第1導電型半導体基板内に形成された第2導電型のオーバーフローバリア領域と、
上記第2導電型のオーバーフローバリア領域上を含む上記撮像領域の外側の上記第1導電型半導体基板の表面の額縁状の部分に形成された第2導電型ウエル領域と、
上記額縁状の部分に形成された上記第2導電型ウエル領域の上に延在するように形成され、かつ、上記第1導電型半導体基板の表面を覆う絶縁膜に形成されたコンタクトホール内で、上記第2導電型ウエル領域とコンタクトするように形成された、配線と、
上記オーバーフローバリア領域と上記第2導電型ウエル領域との間に形成され、上記オーバーフローバリア領域と上記第2導電型ウエル領域とをコンタクトする第2導電型不純物導入領域とを有し、
上記第2導電型不純物導入領域が、上記配線と上記第2導電型ウエル領域とのコンタクト部分の直下に形成されている
固体撮像素子。 - 上記第2導電型ウエル領域より更に外側の平面位置の上記第1導電型半導体基板の表面に形成された第1導電型ウエル領域と、
上記絶縁膜に形成されたコンタクトホール内で、上記第1導電型ウエル領域とコンタクトするように形成された、第2の配線と、
上記第1導電型ウエル領域と上記第1導電型半導体基板との間に形成され、上記第1導電型ウエル領域と上記第1導電型半導体基板とをコンタクトする第1導電型不純物導入領域とをさらに有する、請求項1に記載の固体撮像素子。
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