JP5536517B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

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本発明は、固体撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device.

固体撮像装置として、互いに対向する第1主面及び第2主面を含むシリコン基板を備え、当該シリコン基板に、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の受光部が第1主面側に配列されているものが知られている(例えば、特許文献1公報参照)。   A plurality of light receiving units each including a silicon substrate including a first main surface and a second main surface facing each other as a solid-state imaging device, each having a photodiode that generates an amount of charge according to the intensity of incident light. Are arranged on the first main surface side (see, for example, Patent Document 1).

特開2001−309243号公報JP 2001-309243 A

シリコン基板を用いた固体撮像装置では、一般に、シリコン基板の厚みを大きく設定することにより、長波長側での感度特性を高めることは可能である。しかしながら、シリコン基板の厚みを十分に大きく設定した場合でも(例えば、500μm程度)、1100nmといった近赤外の波長帯域において、十分な感度特性を得ることは困難であった。これは、シリコンによる近赤外の波長帯域の光の吸収長が長い(例えば、1100nmの光では、シリコンの吸収長は50μm以上である)ために、シリコン基板の奥深くで光電変換される確率が高く、この奥深くで光電変換された電荷を受光部に集めることが難しいことによる。このため、シリコン基板を用いて、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する固体撮像装置を実現することは困難であるとされてきた。シリコン基板の光入射面と対向する面に反射膜を塗布した先行例も見られるが、反射率は低く、感度上昇率はそれほど大きくなかった。   In a solid-state imaging device using a silicon substrate, it is generally possible to improve sensitivity characteristics on the long wavelength side by setting the thickness of the silicon substrate to be large. However, even when the thickness of the silicon substrate is set sufficiently large (for example, about 500 μm), it has been difficult to obtain sufficient sensitivity characteristics in the near-infrared wavelength band of 1100 nm. This is because the absorption length of light in the near-infrared wavelength band by silicon is long (for example, in the case of 1100 nm light, the absorption length of silicon is 50 μm or more), so that the probability of photoelectric conversion deep in the silicon substrate is high. This is because it is difficult to collect the charges photoelectrically converted in this depth in the light receiving portion. For this reason, it has been difficult to realize a solid-state imaging device having practically sufficient sensitivity characteristics in a wavelength band including the near infrared using a silicon substrate. Although there is a prior example in which a reflective film is applied to the surface of the silicon substrate facing the light incident surface, the reflectance is low and the sensitivity increase rate is not so large.

本発明は、シリコン基板を用いた固体撮像装置であって、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する固体撮像装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device using a silicon substrate, which has practically sufficient sensitivity characteristics in a wavelength band including near infrared.

本発明に係る固体撮像装置は、互いに対向する第1主面及び第2主面を含むと共に、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の第1の受光部が第1主面側に配列されたシリコン基板を備える固体撮像装置であって、シリコン基板には、第2主面側に第1導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、第2主面における少なくとも第1の受光部に対向する領域に不規則な凹凸が形成され、シリコン基板の第2主面における第1の受光部に対向する領域は、光学的に露出しており、シリコン基板は、アイソレーション領域により、第1の受光部に対応する部分毎に光学的に実質的に分離されていることを特徴とする。   The solid-state imaging device according to the present invention includes a first main surface and a second main surface facing each other, and a plurality of first light receiving units each including a photodiode that generates an amount of electric charge according to an incident light intensity. A solid-state imaging device including a silicon substrate arranged on the first main surface side, wherein the silicon substrate has a first conductivity type accumulation layer formed on the second main surface side, and Irregular irregularities are formed at least in a region facing the first light receiving portion, a region facing the first light receiving portion in the second main surface of the silicon substrate is optically exposed, and the silicon substrate is The portion corresponding to the first light receiving portion is optically substantially separated by the isolation region.

本発明に係る固体撮像装置では、近赤外を含む長波長帯域の光は、シリコン基板に入射した後、シリコン基板内を進み、第2主面における少なくとも第1の受光部に対向する領域に形成された不規則な凹凸に到達する。到達した光は、この不規則な凹凸にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を更に進む。これにより、近赤外を含む長波長帯域の光は、その大部分がシリコン基板を透過することなく、シリコン基板で吸収されて、電荷を発生させる。近赤外を含む長波長帯域の光により発生した電荷は、フォトダイオード(第1の受光部)へ移動し、光電流として検出される。したがって、上記固体撮像装置では、シリコン基板に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。   In the solid-state imaging device according to the present invention, the light in the long wavelength band including the near infrared is incident on the silicon substrate, then travels through the silicon substrate, and is at least in a region facing the first light receiving unit on the second main surface. Reach the irregular irregularities formed. The reached light is reflected, scattered, or diffused by the irregular irregularities, and further travels in the silicon substrate. As a result, most of the light in the long wavelength band including the near infrared is absorbed by the silicon substrate without being transmitted through the silicon substrate and generates charges. The charge generated by light in a long wavelength band including near infrared moves to the photodiode (first light receiving unit) and is detected as a photocurrent. Therefore, in the solid-state imaging device, the travel distance of the light incident on the silicon substrate is increased and the distance at which the light is absorbed is also increased, so that the sensitivity characteristic in the near-infrared wavelength band is improved.

本発明に係る固体撮像装置では、シリコン基板の第2主面側に第1導電型のアキュムレーション層が形成されている。このため、第2主面側で光によらずに発生する不要電荷が再結合され、暗電流を低減できる。また、第1導電型の上記アキュムレーション層は、シリコン基板の第2主面付近で光により発生した電荷が該一主面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生した電荷は、フォトダイオード(第1の受光部)へ効率的に移動し、固体撮像装置の光検出感度を向上することができる。   In the solid-state imaging device according to the present invention, a first conductivity type accumulation layer is formed on the second main surface side of the silicon substrate. For this reason, the unnecessary electric charges generated regardless of light on the second main surface side are recombined, and the dark current can be reduced. Further, the accumulation layer of the first conductivity type suppresses trapping of charges generated by light near the second main surface of the silicon substrate on the one main surface. For this reason, the electric charge generated by light efficiently moves to the photodiode (first light receiving unit), and the light detection sensitivity of the solid-state imaging device can be improved.

ところで、上記不規則な凹凸に入射した光が反射、散乱、又は拡散することにより、第1の受光部(フォトダイオード)間でのクロストークが発生し、解像度が低下する懼れがある。しかしながら、本発明に係る固体撮像装置では、シリコン基板が、アイソレーション領域により、第1の受光部に対応する部分毎に光学的に実質的に分離されているので、第1の受光部間でのクロストークの発生を抑制することができる。したがって、本発明に係る固体撮像装置では、解像度が低下するのを防ぐことができる。   By the way, when light incident on the irregular irregularities is reflected, scattered, or diffused, crosstalk occurs between the first light receiving portions (photodiodes), and the resolution may decrease. However, in the solid-state imaging device according to the present invention, the silicon substrate is optically substantially separated for each part corresponding to the first light receiving part by the isolation region. The occurrence of crosstalk can be suppressed. Therefore, in the solid-state imaging device according to the present invention, it is possible to prevent the resolution from being lowered.

好ましくは、アイソレーション領域は、第2主面からシリコン基板の厚み方向に伸びるように形成されている。この場合、各第1の受光部を確実に光学的に分離することができる。   Preferably, the isolation region is formed to extend from the second main surface in the thickness direction of the silicon substrate. In this case, each 1st light-receiving part can be optically isolate | separated reliably.

好ましくは、アイソレーション領域は、第1主面に達している。この場合、各第1の受光部を完全に光学的に分離することができる。   Preferably, the isolation region reaches the first main surface. In this case, each first light receiving portion can be completely optically separated.

好ましくは、第1の受光部は、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタと、フォトダイオードで発生した電荷を増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する放電用トランジスタと、増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を更に有している。この場合、アクティブピクセル方式の固体撮像装置を実現することができる。   Preferably, the first light-receiving unit outputs a voltage value corresponding to the amount of charge input to the gate terminal, and transfer for transferring the charge generated by the photodiode to the gate terminal of the amplification transistor. A transistor for discharging, a discharging transistor for discharging the charge at the gate terminal of the amplifying transistor, and a selecting transistor for selectively outputting a voltage value output from the amplifying transistor. In this case, an active pixel type solid-state imaging device can be realized.

好ましくは、シリコン基板には、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の第2の受光部が第1主面側に更に配列され、第1の受光部と第2の受光部とで一つの画素領域が構成されており、第2の受光部に対して、赤外光カットフィルタ及びカラーフィルタが設けられている。この場合、可視画像と近赤外画像とを取得することが可能な固体撮像装置を実現することができる。   Preferably, on the silicon substrate, a plurality of second light receiving parts each having a photodiode that generates an amount of electric charge according to the incident light intensity is further arranged on the first main surface side, and the first light receiving part and the first light receiving part The two light receiving portions constitute one pixel region, and an infrared light cut filter and a color filter are provided for the second light receiving portion. In this case, a solid-state imaging device that can acquire a visible image and a near-infrared image can be realized.

好ましくは、第2の受光部は、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタと、フォトダイオードで発生した電荷を増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する放電用トランジスタと、増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を更に有している。この場合、アクティブピクセル方式の固体撮像装置を実現することができる。   Preferably, the second light-receiving unit outputs a voltage value corresponding to the amount of charge input to the gate terminal, and transfers to transfer the charge generated by the photodiode to the gate terminal of the amplification transistor. A transistor for discharging, a discharging transistor for discharging the charge at the gate terminal of the amplifying transistor, and a selecting transistor for selectively outputting a voltage value output from the amplifying transistor. In this case, an active pixel type solid-state imaging device can be realized.

好ましくは、アイソレーション領域は、少なくとも第2主面側において、アイソレーション領域内に位置するアキュムレーション層とアイソレーション領域外に位置するアキュムレーション層とを接続するための不連続部分を有している。この場合、シリコン基板の第2主面側での電位を容易に取ることができる。   Preferably, the isolation region has a discontinuous portion for connecting an accumulation layer located in the isolation region and an accumulation layer located outside the isolation region at least on the second main surface side. In this case, the potential on the second main surface side of the silicon substrate can be easily taken.

本発明によれば、シリコン基板を用いた固体撮像装置であって、近赤外を含む波長帯域に実用上十分な感度特性を有する固体撮像装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device using a silicon substrate, which has practically sufficient sensitivity characteristics in a wavelength band including near infrared.

第1実施形態に係る固体撮像装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the solid-state imaging device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る固体撮像装置が含む受光部の回路図である。It is a circuit diagram of the light-receiving part which the solid-state imaging device concerning a 1st embodiment contains. 第1実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the cross-sectional structure of the solid-state imaging device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。It is a top view which shows the solid-state imaging device which concerns on 1st Embodiment. 図4(a)のV−V線に沿った断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure along the VV line of Fig.4 (a). シリコン基板に形成された不規則な凹凸を観察したSEM画像である。It is the SEM image which observed the irregular unevenness | corrugation formed in the silicon substrate. 第1実施形態に係る固体撮像装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the solid-state imaging device which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る固体撮像装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the solid-state imaging device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the cross-sectional structure of the solid-state imaging device which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。It is a top view which shows the solid-state imaging device which concerns on 2nd Embodiment. 図10(a)のXI−XI線に沿った断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure along the XI-XI line of Fig.10 (a). 第1及び第2実施形態の変形例に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the cross-sectional structure of the solid-state imaging device which concerns on the modification of 1st and 2nd embodiment. 第1実施形態の変形例に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the cross-sectional structure of the solid-state imaging device which concerns on the modification of 1st Embodiment. 第2実施形態の変形例に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the cross-sectional structure of the solid-state imaging device which concerns on the modification of 2nd Embodiment. 第2実施形態の変形例に係る固体撮像装置の断面構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the cross-sectional structure of the solid-state imaging device which concerns on the modification of 2nd Embodiment.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る固体撮像装置1Aを示す構成図である。この図に示されるように、固体撮像装置1Aは、シリコン基板上にM×N個の受光部P1,1〜PM,Nが形成されたものである。受光部P1,1〜PM,Nは、互いに同等の構成を有していて、M行N列に配列されている。受光部Pm,nは第m行第n列に位置する。ここで、M,Nそれぞれは2以上の整数であり、mは1以上M以下の任意の整数であり、nは1以上N以下の任意の整数である。なお、各受光部Pm,nの動作を制御するための制御信号を伝送する配線、その制御信号を発生する制御回路、各受光部Pm,nから出力される出力信号を伝送する配線、および、その出力信号を処理する信号処理回路については、図示が省略されている。各受光部Pm,nは、略矩形形状を呈しており、本実施形態においては、5μm×5μmサイズとされている。すなわち、各受光部Pm,nのピッチは、5μmとされる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a solid-state imaging device 1A according to the first embodiment. As shown in this figure, the solid-state imaging device 1A has M × N light receiving portions P 1,1 to P M, N formed on a silicon substrate. The light receiving portions P 1,1 to P M, N have the same configuration and are arranged in M rows and N columns. The light receiving part P m, n is located in the m-th row and the n-th column. Here, M and N are each an integer of 2 or more, m is an arbitrary integer of 1 to M, and n is an arbitrary integer of 1 to N. Incidentally, each of the light receiving portions P m, wiring for transmitting a control signal for controlling the operation of the n, the control circuit for generating the control signal, wiring for transmitting the light receiving unit P m, the output signal output from the n, The signal processing circuit that processes the output signal is not shown. Each of the light receiving portions P m, n has a substantially rectangular shape, and in the present embodiment, has a size of 5 μm × 5 μm. That is, the pitch of each light receiving part P m, n is 5 μm.

図2は、各受光部Pm,nの回路図である。この図に示される受光部Pm,nは、アクティブピクセル方式のものであって、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードPD、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタT、フォトダイオードPDで発生した電荷を増幅用トランジスタTのゲート端子へ転送する為の転送用トランジスタT、増幅用トランジスタTのゲート端子の電荷を放電する為の放電用トランジスタT、及び、増幅用トランジスタTから出力される電圧値を外部の配線Lへ出力する為の選択用トランジスタTを含む。 FIG. 2 is a circuit diagram of each light receiving unit P m, n . The light receiving part P m, n shown in this figure is of an active pixel type, and generates a charge corresponding to the incident light intensity, and corresponds to the amount of charge input to the gate terminal. and amplifying transistors T 1 which outputs a voltage value, the transfer transistor T 2 of the order to transfer the charges generated in the photodiode PD to the gate terminal of the amplifying transistors T 1, the charge of the gate terminal of the amplifying transistors T 1 A discharging transistor T 3 for discharging and a selecting transistor T 4 for outputting a voltage value output from the amplifying transistor T 1 to the external wiring L n are included.

フォトダイオードPDは、そのアノード端子が接地電位とされている。増幅用トランジスタTは、そのドレイン端子がバイアス電位とされている。転送用トランジスタTは、そのドレイン端子が増幅用トランジスタTのゲート端子に接続され、そのソース端子がフォトダイオードPDのカソード端子に接続されている。放電用トランジスタTは、そのソース端子が増幅用トランジスタTのゲート端子に接続され、そのドレイン端子がバイアス電位とされている。選択用トランジスタTは、そのソース端子が増幅用トランジスタTのソース端子と接続され、そのドレイン端子が配線Lと接続されている。配線Lには定電流源が接続される。増幅用トランジスタTおよび選択用トランジスタTは、ソースフォロワ回路を構成している。 The photodiode PD has an anode terminal at the ground potential. Amplifying transistors T 1 has its drain terminal is at a bias potential. Transferring transistor T 2 are, its drain terminal connected to the gate terminal of the amplifying transistor T 1, its source terminal is connected to the cathode terminal of the photodiode PD. Discharging transistor T 3 has its source terminal connected to the gate terminal of the amplifying transistor T 1, its drain terminal is at a bias potential. Selecting transistor T 4 has its source terminal connected to the source terminal of the amplifying transistor T 1, its drain terminal is connected to the wiring L n. The wiring L n constant current source is connected. Amplifying transistor T 1 and selection transistor T 4 constitute a source follower circuit.

転送用トランジスタTは、そのゲート端子に第m行転送制御信号Strans,mを入力し、その第m行転送制御信号Strans,mがハイレベルであるときに、フォトダイオードPDで発生した電荷を増幅用トランジスタTのゲート端子へ転送する。放電用トランジスタTは、そのゲート端子に第m行放電制御信号Sreset,mを入力し、その第m行放電制御信号Sreset,mがハイレベルであるときに、増幅用トランジスタTのゲート端子の電荷を放電する。選択用トランジスタTは、そのゲート端子に第m行選択制御信号Saddress,mを入力し、その第m行選択制御信号Saddress,mがハイレベルであるときに、増幅用トランジスタTから出力される電圧値を外部の配線Lへ出力する。 Transferring transistor T 2 are, m-th row transfer control signal S trans at its gate terminal, type m, the m-th row transfer control signal S trans, when m is at a high level, generated by the photodiode PD transferring charge to the gate terminal of the amplifying transistor T 1. The discharge transistor T 3 receives the m-th row discharge control signal S reset, m at its gate terminal, and when the m-th row discharge control signal S reset, m is at a high level, the amplifying transistor T 1 Discharge the gate terminal charge. The selection transistor T 4 receives the m-th row selection control signal S address, m at its gate terminal, and when the m-th row selection control signal S address, m is at a high level, the amplification transistor T 1 and it outputs a voltage value output to the outside of the wiring L n.

このように構成される各受光部Pm,nは、第m行転送制御信号Strans,mがローレベルであって第m行放電制御信号Sreset,mがハイレベルとなることで、増幅用トランジスタTのゲート端子の電荷が放電され、第m行選択制御信号Saddress,mがハイレベルであれば、その初期化状態にある増幅用トランジスタTから出力される電圧値(暗信号成分)が選択用トランジスタTを経て配線Lに出力される。一方、第m行放電制御信号Sreset,mがローレベルであって、第m行転送制御信号Strans,mおよび第m行選択制御信号Saddress,mそれぞれがハイレベルであれば、フォトダイオードPDで発生した電荷は増幅用トランジスタTのゲート端子に入力して、その電荷の量に応じて増幅用トランジスタTから出力される電圧値(明信号成分)が選択用トランジスタTを経て配線Lに出力される。 Each light receiving unit P m, n configured as described above is amplified by the m-th row transfer control signal S trans, m being at a low level and the m-th row discharge control signal S reset, m being at a high level. the charge of the gate terminal of the use transistors T 1 is discharged, the m-th row selecting control signal S address, if m is at a high level, the voltage value outputted from the amplification transistors T 1 in its initial state (dark signal component) is output to the wiring L n via the select transistor T 4. On the other hand, if the m-th row discharge control signal S reset, m is at a low level and each of the m-th row transfer control signal S trans, m and the m-th row selection control signal S address, m is at a high level, the photodiode charge generated by the PD is input to the gate terminal of the amplifying transistors T 1, the voltage value outputted from the amplification transistors T 1 according to the amount of the charge (bright signal component) via a selection transistor T 4 is output to the wiring L n.

第m行転送制御信号Strans,m、第m行放電制御信号Sreset,m、及び第m行選択制御信号Saddress,mそれぞれは、不図示の制御回路から出力され配線を経て受光部Pm,nに入力する。各受光部Pm,nの選択用トランジスタTから配線Lに出力された電圧値(暗信号成分、明信号成分)は不図示の信号処理回路に入力し、この信号処理回路において差電圧値(=明信号成分−暗信号成分)が求められて出力される。 Each of the m-th row transfer control signal S trans, m , the m-th row discharge control signal S reset, m , and the m-th row selection control signal S address, m is output from a control circuit (not shown) and passes through the light receiving unit P. Enter in m and n . Each light receiving portion P m, the wiring from the selection transistor T 4 of n L n is output to the voltage value (dark signal component, bright signal component) is inputted to the signal processing circuit (not shown), the differential voltage in the signal processing circuit A value (= bright signal component−dark signal component) is obtained and output.

図3は、固体撮像装置1Aの断面構成を説明するための図である。図4(a)は、固体撮像装置1Aをシリコン基板10の第1主面10a側から見た平面図であり、図4(b)は、固体撮像装置1Aをシリコン基板10の第2主面10b側から見た平面図である。図5は、図4(a)のV−V線に沿った断面構成を示す図である。これらの図には、図2中のフォトダイオードPD及び転送用トランジスタTについて示されており、他のトランジスタT,T,Tを含む回路ついては、画素回路PCとして簡素化して図示されていると共に、各種配線については図示が省略されている。 FIG. 3 is a diagram for explaining a cross-sectional configuration of the solid-state imaging device 1A. 4A is a plan view of the solid-state imaging device 1A as viewed from the first main surface 10a side of the silicon substrate 10, and FIG. 4B is a second main surface of the solid-state imaging device 1A. It is the top view seen from 10b side. FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line V-V in FIG. In these drawings, the photodiode PD and the transfer transistor T 2 in FIG. 2 are shown, and the circuit including the other transistors T 1 , T 3 , T 4 is simply illustrated as a pixel circuit PC. In addition, illustration of various wirings is omitted.

固体撮像装置1Aは、シリコン(Si)基板10を備えている。シリコン基板10は、互いに対向する第1主面10a及び第2主面10bを含んでいる。シリコン基板10の第1主面10a側には、各受光部Pm,nが配列されている。シリコン基板10は、不純物濃度が比較的低いp型の領域である。シリコン基板10は、例えば、p型ウエル領域にて構成することができる。 The solid-state imaging device 1 </ b> A includes a silicon (Si) substrate 10. The silicon substrate 10 includes a first main surface 10a and a second main surface 10b that face each other. The light receiving parts P m, n are arranged on the first main surface 10a side of the silicon substrate 10. The silicon substrate 10 is a p-type region having a relatively low impurity concentration. The silicon substrate 10 can be constituted by, for example, a p-type well region.

各受光部Pm,nは、シリコン基板10の所定領域に形成されたn型の第1半導体領域11と、第1半導体領域11及びその周囲の上に形成されたp型の第2半導体領域12と、第1半導体領域11に対して間隔を置いて形成されたn型の第3半導体領域13と、シリコン基板10上であって第1半導体領域11と第3半導体領域13との間に絶縁膜15を介して設けられたゲート電極16と、を備えている。第1半導体領域11は、不純物濃度が比較的低いn型の領域である。第2半導体領域12は、不純物濃度が比較的高いp型の領域である。第3半導体領域13は、不純物濃度が比較的高いn型の領域である。 Each light receiving portion P m, n includes an n -type first semiconductor region 11 formed in a predetermined region of the silicon substrate 10, and a p + -type second semiconductor formed on the first semiconductor region 11 and its periphery. A semiconductor region 12, an n + -type third semiconductor region 13 formed at a distance from the first semiconductor region 11, and the first semiconductor region 11 and the third semiconductor region 13 on the silicon substrate 10; And a gate electrode 16 provided with an insulating film 15 interposed therebetween. The first semiconductor region 11 is an n-type region having a relatively low impurity concentration. The second semiconductor region 12 is a p-type region having a relatively high impurity concentration. The third semiconductor region 13 is an n-type region having a relatively high impurity concentration.

本実施形態では、「不純物濃度が比較的高い」とは例えば不純物濃度が1×1016cm−3程度以上のことであって、「+」を導電型に付けて示し、「不純物濃度が比較的低い」とは不純物濃度が1×1015cm−3程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。n型不純物としてはアンチモン(Sb)や砒素(As)などがあり、p型不純物としては硼素(B)などがある。各半導体領域の厚さ/不純物濃度は以下の通りである。
・シリコン基板10:厚さ3〜20μm/不純物濃度1×1014〜1017cm−3
・第1半導体領域11:厚さ0.1〜0.5μm/不純物濃度1×1018〜1021cm−3
・第2半導体領域12:厚さ0.2〜2μm/不純物濃度1×1016〜1018cm−3
・第3半導体領域13:厚さ0.1〜0.3μm/不純物濃度1×1018〜1021cm−3
In the present embodiment, “relatively high impurity concentration” means, for example, an impurity concentration of about 1 × 10 16 cm −3 or more, and “+” is attached to the conductivity type, and “impurity concentration is compared. “Low” means that the impurity concentration is about 1 × 10 15 cm −3 or less and “−” is attached to the conductivity type. Examples of n-type impurities include antimony (Sb) and arsenic (As), and examples of p-type impurities include boron (B). The thickness / impurity concentration of each semiconductor region is as follows.
Silicon substrate 10: thickness 3 to 20 μm / impurity concentration 1 × 10 14 to 10 17 cm −3
First semiconductor region 11: thickness 0.1 to 0.5 μm / impurity concentration 1 × 10 18 to 10 21 cm −3
Second semiconductor region 12: thickness 0.2-2 μm / impurity concentration 1 × 10 16 to 10 18 cm −3
Third semiconductor region 13: thickness 0.1 to 0.3 μm / impurity concentration 1 × 10 18 to 10 21 cm −3

各受光部Pm,nにおいて、シリコン基板10、第1半導体領域11、及び第2半導体領域12は、埋込型の上記フォトダイオードPDを構成している。また、シリコン基板10、第1半導体領域11、第3半導体領域13、及びゲート電極16は、電界効果型の転送用トランジスタTを構成している。すなわち、ゲート電極16は転送用トランジスタTのゲート端子に相当し、第1半導体領域11は転送用トランジスタTのソース端子に相当し、第3半導体領域13は転送用トランジスタTのドレイン端子に相当する。ゲート電極16は、絶縁膜17を介して、シリコン基板10の第1主面10a側に配置されている。 In each light receiving portion P m, n , the silicon substrate 10, the first semiconductor region 11, and the second semiconductor region 12 constitute the buried photodiode PD. Further, the silicon substrate 10, first semiconductor region 11, the third semiconductor region 13 and the gate electrode 16, constitute a transfer transistor T 2 of the field effect. That is, the gate electrode 16 corresponds to the gate terminal of the transfer transistor T 2, the first semiconductor region 11 corresponds to the source terminal of the transfer transistor T 2, the third semiconductor region 13 is the drain terminal of the transfer transistor T 2 It corresponds to. The gate electrode 16 is disposed on the first main surface 10a side of the silicon substrate 10 with the insulating film 17 interposed therebetween.

第3半導体領域13(転送用トランジスタTのドレイン端子)に接続される配線は、画素回路PC(他のトランジスタT,T,T)と接続される。また、ゲート電極16(転送用トランジスタTのゲート端子)に接続される配線は、不図示の制御回路と接続される。 Wire connected to the third semiconductor region 13 (the drain terminal of the transfer transistor T 2) is connected to the pixel circuit PC (other transistors T 1, T 3, T 4 ). Further, the wiring connected to the gate electrode 16 (the gate terminal of the transfer transistor T 2) is connected to the control circuit (not shown).

シリコン基板10の第2主面10bには、不規則な凹凸20が形成されている。シリコン基板10の第2主面10b側には、アキュムレーション層21が形成されており、第2主面10bは光学的に露出している。第2主面10bが光学的に露出しているとは、第2主面10bが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第2主面10b上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。   Irregular irregularities 20 are formed on the second main surface 10 b of the silicon substrate 10. An accumulation layer 21 is formed on the second main surface 10b side of the silicon substrate 10, and the second main surface 10b is optically exposed. The second main surface 10b is optically exposed that not only the second main surface 10b is in contact with atmospheric gas such as air, but also an optically transparent film is formed on the second main surface 10b. This includes cases where

アキュムレーション層21は、シリコン基板10内において第2主面10b側からp型不純物をシリコン基板10よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入又は拡散させることにより、形成される。アキュムレーション層21の厚みは、例えば1μm程度である。アキュムレーション層21は、不規則な凹凸20を形成する前に形成してもよく、また、不規則な凹凸20を形成した後に形成してもよい。なお、シリコン基板10を熱処理して、アキュムレーション層21を活性化させることが好ましい。熱処理は、例えば、Nガスといった雰囲気下で、800〜1000℃程度の範囲で、0.5〜1.0時間程度にわたって行なう。このとき、シリコン基板10の結晶性も回復することとなる。 The accumulation layer 21 is formed by ion-implanting or diffusing p-type impurities in the silicon substrate 10 from the second main surface 10 b side so as to have an impurity concentration higher than that of the silicon substrate 10. The thickness of the accumulation layer 21 is, for example, about 1 μm. The accumulation layer 21 may be formed before the irregular irregularities 20 are formed, or may be formed after the irregular irregularities 20 are formed. Note that it is preferable to activate the accumulation layer 21 by heat-treating the silicon substrate 10. The heat treatment is performed, for example, in the range of about 800 to 1000 ° C. for about 0.5 to 1.0 hour in an atmosphere such as N 2 gas. At this time, the crystallinity of the silicon substrate 10 is also recovered.

不規則な凹凸20は、シリコン基板10の第2主面10b側にパルスレーザ光を照射することにより、形成される。例えば、シリコン基板をガス導入部及びガス排出部を有するチャンバ内に配置し、チャンバの外側に配置されたパルスレーザ発生装置からパルスレーザ光をシリコン基板10に照射する。チャンバ内には、不活性ガス(例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど)をガス導入部から導入してガス排出部から排出することにより、不活性ガス流が形成される。これにより、パルスレーザ光を照射した際に生じる塵などが不活性ガス流によりチャンバ外に排出され、シリコン基板10への加工屑や塵などの付着を防ぐことができる。   The irregular irregularities 20 are formed by irradiating the second main surface 10b side of the silicon substrate 10 with pulsed laser light. For example, a silicon substrate is placed in a chamber having a gas inlet and a gas outlet, and pulsed laser light is irradiated onto the silicon substrate 10 from a pulse laser generator disposed outside the chamber. An inert gas flow is formed in the chamber by introducing an inert gas (for example, nitrogen gas or argon gas) from the gas introduction unit and exhausting the gas from the gas discharge unit. Thereby, dust generated when the pulse laser beam is irradiated is discharged out of the chamber by the inert gas flow, and adhesion of processing waste and dust to the silicon substrate 10 can be prevented.

本実施形態では、パルスレーザ発生装置としてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、第2主面10bの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。第2主面10bはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図6に示されるように、不規則な凹凸20が第2主面10bの全面に形成される。不規則な凹凸20は、第1主面10aに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸20の高低差は、例えば0.5〜10μm程度であり、凹凸20における凸部の間隔は0.5〜10μm程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば50fs〜2ps程度であり、強度は例えば4〜16GW程度であり、パルスエネルギーは例えば200〜800μJ/pulse程度である。より一般的には、ピーク強度は、3×1011〜2.5×1013(W/cm)、フルエンスは、0.1〜1.3(J/cm)程度である。図6は、第2主面10bに形成された不規則な凹凸20を観察したSEM画像である。 In the present embodiment, a picosecond to femtosecond pulse laser generator is used as the pulse laser generator, and the entire second main surface 10b is irradiated with picosecond to femtosecond pulse laser light. The second main surface 10b is roughened by picosecond to femtosecond pulse laser light, and irregular irregularities 20 are formed on the entire surface of the second main surface 10b as shown in FIG. The irregular irregularities 20 have a surface that intersects the direction orthogonal to the first major surface 10a. The height difference of the unevenness 20 is, for example, about 0.5 to 10 μm, and the interval between the convex portions in the unevenness 20 is about 0.5 to 10 μm. The pulse time width of the picosecond to femtosecond pulse laser beam is, for example, about 50 fs to 2 ps, the intensity is, for example, about 4 to 16 GW, and the pulse energy is, for example, about 200 to 800 μJ / pulse. More generally, the peak intensity is about 3 × 10 11 to 2.5 × 10 13 (W / cm 2 ), and the fluence is about 0.1 to 1.3 (J / cm 2 ). FIG. 6 is an SEM image obtained by observing irregular irregularities 20 formed on the second major surface 10b.

不規則な凹凸20を形成した後、シリコン基板10を熱処理することが好ましい。熱処理は、例えば、Nガスといった雰囲気下で、800〜1000℃程度の範囲で、0.5〜1.0時間程度にわたって行なう。熱処理により、シリコン基板10における結晶損傷の回復及び再結晶化が図れ、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。なお、アキュムレーション層21の形成後の熱処理を省略し、不規則な凹凸20の形成後の熱処理のみとしてもよい。 It is preferable to heat-treat the silicon substrate 10 after forming irregular irregularities 20. The heat treatment is performed, for example, in the range of about 800 to 1000 ° C. for about 0.5 to 1.0 hour in an atmosphere of N 2 gas. By the heat treatment, the crystal damage in the silicon substrate 10 can be recovered and recrystallized, and problems such as an increase in dark current can be prevented. Note that the heat treatment after the formation of the accumulation layer 21 may be omitted, and only the heat treatment after the irregular irregularities 20 may be formed.

シリコン基板10は、アイソレーション領域23により、各受光部Pm,nに対応する部分毎に光学的に分離されている。アイソレーション領域23は、シリコン基板10の厚み方向に伸びており、シリコン基板10の第1主面10aから第2主面10bまで貫通して形成されている。アイソレーション領域23は、受光部Pm,nに対応する各部分を完全に囲うように、第2主面10b側から見て、格子状に形成されている。したがって、シリコン基板10における各受光部Pm,nに対応する部分は、アイソレーション領域23により、光学的だけでなく、電気的にも分離される。 The silicon substrate 10 is optically separated for each part corresponding to each light receiving part P m, n by the isolation region 23. The isolation region 23 extends in the thickness direction of the silicon substrate 10 and is formed so as to penetrate from the first main surface 10 a to the second main surface 10 b of the silicon substrate 10. The isolation region 23 is formed in a lattice shape when viewed from the second main surface 10b side so as to completely surround each portion corresponding to the light receiving portion Pm, n . Therefore, the portions of the silicon substrate 10 corresponding to the light receiving portions Pm, n are separated not only optically but also electrically by the isolation region 23.

図に示されているように、光学的に透明な導電膜24が、シリコン基板10の第2主面10b上に形成されている。これにより、シリコン基板10における各受光部Pm,nに対応する部分のアキュムレーション層21の電位を、周囲の電位と同じにできる。 As shown in the drawing, an optically transparent conductive film 24 is formed on the second main surface 10 b of the silicon substrate 10. Thereby, the potential of the accumulation layer 21 in the portion corresponding to each light receiving portion Pm , n in the silicon substrate 10 can be made the same as the surrounding potential.

アイソレーション領域23は、例えばトレンチアイソレーションにより構成される。アイソレーション領域23は、シリコン基板10をエッチング等によりトレンチ溝を形成した後、トレンチ溝とシリコン基板10との界面においてシリコン基板10が吸収する波長帯域の光を反射させる物質(例えば、SiO等の絶縁性材料)でトレンチ溝を埋めることにより、形成される。アイソレーション領域23の内側には、各受光部Pm,nを囲むように、シャロートレンチアイソレーション(ShallowTrench Isolation:STI)25が形成されている。 The isolation region 23 is configured by, for example, trench isolation. The isolation region 23 is a substance that reflects light in a wavelength band absorbed by the silicon substrate 10 at the interface between the trench groove and the silicon substrate 10 after the trench groove is formed by etching or the like in the silicon substrate 10 (for example, SiO 2 or the like). The trench groove is filled with an insulating material). A shallow trench isolation (STI) 25 is formed inside the isolation region 23 so as to surround each light receiving portion P m, n .

実際に固体撮像装置1Aを作製する際には、シリコン基板10の第1主面10a側には、支持基板(図示せず)が接着剤により張り合わされている。これにより、シリコン基板10の強度が増し、アイソレーション加工などに対応できるようになる。アイソレーション領域23が格子状に形成されているため、アキュムレーション層21が画素ごとに分離することとなる。アキュムレーション層21間の導通をとるために、シリコン基板10の第2主面10b側には、図に示されるように、光学的に透明な導電膜24が形成されている。導電膜24は、導電性樹脂等からなる。支持基板は工程終了後、シリコン基板10から分離される。   When the solid-state imaging device 1A is actually manufactured, a support substrate (not shown) is bonded to the first main surface 10a side of the silicon substrate 10 with an adhesive. Thereby, the intensity | strength of the silicon substrate 10 increases and it can respond to an isolation process etc. now. Since the isolation regions 23 are formed in a lattice shape, the accumulation layer 21 is separated for each pixel. In order to establish conduction between the accumulation layers 21, an optically transparent conductive film 24 is formed on the second main surface 10 b side of the silicon substrate 10 as shown in the figure. The conductive film 24 is made of a conductive resin or the like. The support substrate is separated from the silicon substrate 10 after completion of the process.

固体撮像装置1Aでは、第2主面10bに不規則な凹凸20が形成されているために、シリコン基板10の第1主面10a側からシリコン基板10に入射した光Lは、図7に示されるように、シリコン基板10内を進み、凹凸20にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板10内を長い距離進む。   In the solid-state imaging device 1A, since irregular irregularities 20 are formed on the second main surface 10b, the light L incident on the silicon substrate 10 from the first main surface 10a side of the silicon substrate 10 is shown in FIG. As shown, the light travels through the silicon substrate 10 and is reflected, scattered, or diffused by the unevenness 20 and travels through the silicon substrate 10 for a long distance.

通常、Siの屈折率n=3.5に対して、空気の屈折率n=1.0である。固体撮像装置では、光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、シリコン基板内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分と固体撮像装置を透過する光成分に分かれる。固体撮像装置を透過した光は、固体撮像装置の感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、シリコン基板内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。   Usually, the refractive index n of air is 1.0 while the refractive index n of Si is 3.5. In a solid-state imaging device, when light is incident from a direction perpendicular to the light incident surface, the light component that is not absorbed in the silicon substrate is reflected by the back surface of the light incident surface and transmitted by the solid-state imaging device. Divided into The light transmitted through the solid-state imaging device does not contribute to the sensitivity of the solid-state imaging device. If the light component reflected on the back surface of the light incident surface is absorbed in the silicon substrate, it becomes a photocurrent, and the light component not absorbed is the light component that has reached the back surface of the light incident surface on the light incident surface. Similarly, it is reflected or transmitted.

固体撮像装置1Aでは、光入射面(第1主面10a)に垂直な方向から光Lが入射した場合、第2主面10bに形成された不規則な凹凸20に到達すると、凹凸20からの出射方向に対して16.6°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸20にて全反射される。凹凸20は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、シリコン基板10内部で吸収される光成分もあれば、アイソレーション領域23との界面や第1主面10aに到達する光成分もある。   In the solid-state imaging device 1A, when the light L enters from a direction perpendicular to the light incident surface (first main surface 10a), when the light reaches the irregular unevenness 20 formed on the second main surface 10b, the light from the unevenness 20 The light component that reaches at an angle of 16.6 ° or more with respect to the emission direction is totally reflected by the unevenness 20. Since the irregularities 20 are irregularly formed, they have various angles with respect to the emission direction, and the totally reflected light component diffuses in various directions. Therefore, the totally reflected light component includes a light component absorbed inside the silicon substrate 10 and a light component reaching the interface with the isolation region 23 and the first main surface 10a.

アイソレーション領域23との界面や第1主面10aに到達する光成分は、凹凸20での拡散により様々な方向に進むため、アイソレーション領域23との界面や第1主面10aに到達した光成分がアイソレーション領域23との界面や第1主面10aにて全反射する可能性は極めて高い。アイソレーション領域23との界面や第1主面10aにて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、固体撮像装置1Aに入射した光は、シリコン基板10の内部を長い距離進むうちに、シリコン基板10で吸収され、光電流として検出されることとなる。   The light component that reaches the interface with the isolation region 23 and the first main surface 10a travels in various directions due to the diffusion of the irregularities 20, and thus the light that reaches the interface with the isolation region 23 and the first main surface 10a. The possibility that the component is totally reflected at the interface with the isolation region 23 or the first main surface 10a is very high. The light component totally reflected at the interface with the isolation region 23 and the first main surface 10a repeats total reflection on different surfaces, and the travel distance is further increased. As described above, the light incident on the solid-state imaging device 1A is absorbed by the silicon substrate 10 and detected as a photocurrent while traveling through the silicon substrate 10 for a long distance.

このように、固体撮像装置1Aに入射した光Lは、その大部分が固体撮像装置1Aを透過することなく、走行距離が長くされて、シリコン基板10で吸収されることとなる。したがって、固体撮像装置1Aでは、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。   Thus, most of the light L incident on the solid-state imaging device 1 </ b> A is absorbed by the silicon substrate 10 without being transmitted through the solid-state imaging device 1 </ b> A, having a longer travel distance. Therefore, in the solid-state imaging device 1A, the sensitivity characteristic in the near-infrared wavelength band is improved.

第2主面10bに規則的な凹凸を形成した場合、第1主面10aや側面に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、アイソレーション領域23との界面や第1主面10aに到達した光成分がアイソレーション領域23との界面や第1主面10aにて全反射する可能性は低くなる。このため、アイソレーション領域23との界面や第1主面10a、更には第2主面10bにて透過する光成分が増加し、固体撮像装置に入射した光の走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での感度特性を向上することは困難となる。   When regular irregularities are formed on the second main surface 10b, the light components that reach the first major surface 10a and the side surfaces are diffused by the irregularities, but proceed in a uniform direction. The possibility that the light component that has reached the interface with the first main surface 10a is totally reflected at the interface with the isolation region 23 or the first main surface 10a is low. For this reason, the light component which permeate | transmits in the interface with the isolation area | region 23, 1st main surface 10a, and also 2nd main surface 10b increases, and the traveling distance of the light which injected into the solid-state imaging device will become short. For this reason, it is difficult to improve sensitivity characteristics in the near-infrared wavelength band.

固体撮像装置1Aでは、シリコン基板10の第2主面10b側にアキュムレーション層21が形成されている。これにより、第2主面10b側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層21は、第2主面10b付近で光により発生した電荷が当該第2主面10bでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生した電荷は、フォトダイオードPD(受光部Pm,n)へ効率的に移動し、固体撮像装置1Aの光検出感度を更に向上することができる。 In the solid-state imaging device 1 </ b> A, the accumulation layer 21 is formed on the second main surface 10 b side of the silicon substrate 10. Thereby, unnecessary carriers generated regardless of light on the second main surface 10b side are recombined, and dark current can be reduced. In addition, the accumulation layer 21 suppresses charges generated by light near the second main surface 10b from being trapped by the second main surface 10b. For this reason, the electric charge generated by light efficiently moves to the photodiode PD (light receiving part P m, n ), and the light detection sensitivity of the solid-state imaging device 1A can be further improved.

ところで、不規則な凹凸20に入射した光が反射、散乱、又は拡散することにより、受光部Pm,n(フォトダイオードPD)間でのクロストークが発生し、解像度が低下する懼れがある。しかしながら、固体撮像装置1Aでは、シリコン基板10が、アイソレーション領域23により、受光部Pm,nに対応する部分毎に光学的に実質的に分離されているので、受光部Pm,n間でのクロストークの発生を抑制することができる。したがって、固体撮像装置1Aでは、解像度が低下するのを防ぐことができる。 By the way, when light incident on the irregular irregularities 20 is reflected, scattered, or diffused, crosstalk occurs between the light receiving portions P m, n (photodiode PD), and the resolution may be lowered. . However, in the solid-state imaging device 1A, since the silicon substrate 10 is optically substantially separated for each part corresponding to the light receiving part P m, n by the isolation region 23 , between the light receiving parts P m, n The occurrence of crosstalk can be suppressed. Therefore, in the solid-state imaging device 1A, it is possible to prevent the resolution from being lowered.

アイソレーション領域23は、第2主面10bからシリコン基板10の厚み方向に伸びるように形成されている。これにより、各受光部Pm,nを確実に光学的に分離することができる。アイソレーション領域23は、第1主面10aに達していることが好ましい。この場合、各受光部Pm,nを完全に光学的に分離することができる。 The isolation region 23 is formed to extend in the thickness direction of the silicon substrate 10 from the second major surface 10b. Thereby, each light-receiving part Pm, n can be reliably optically separated. The isolation region 23 preferably reaches the first main surface 10a. In this case, each light receiving part P m, n can be completely optically separated.

各受光部Pm,nは、増幅用トランジスタTと、転送用トランジスタTと、放電用トランジスタTと、選択用トランジスタTと、を有している。これにより、アクティブピクセル方式の固体撮像装置1Aを実現することができる。 Each light receiving portion P m, n and amplifying transistor T 1, a transfer transistor T 2, the discharge transistor T 3, has a selecting transistor T 4, the. Thereby, an active pixel type solid-state imaging device 1A can be realized.

(第2実施形態)
図8は、第2実施形態に係る固体撮像装置1Bを示す構成図である。この図に示されるように、固体撮像装置1Bは、シリコン基板上にそれぞれM×N個の、第1の受光部P1,1〜PM,N及び第2の受光部PR1,1〜PRM,N,PG1,1〜PGM,N,PB1,1〜PBM,Nが形成されたものである。各受光部P1,1〜PM,N,PR1,1〜PRM,N,PG1,1〜PGM,N,PB1,1〜PBM,Nは、互いに同等の構成を有していて、それぞれがM行N列に配列されている。受光部Pm,n,PRm,n,PGm,n,PBm,nはそれぞれ第m行第n列に位置する。ここで、M,Nそれぞれは2以上の整数であり、mは1以上M以下の任意の整数であり、nは1以上N以下の任意の整数である。なお、各受光部Pm,n,PRm,n,PGm,n,PBm,nの動作を制御するための制御信号を伝送する配線、その制御信号を発生する制御回路、各受光部Pm,n,PRm,n,PGm,n,PBm,nから出力される出力信号を伝送する配線、および、その出力信号を処理する信号処理回路については、図示が省略されている。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a configuration diagram illustrating a solid-state imaging device 1B according to the second embodiment. As shown in this figure, the solid-state imaging device 1B includes M × N first light receiving parts P 1,1 to P M, N and second light receiving parts PR 1,1 to P, respectively on a silicon substrate. PRM , N , PG1,1 to PGM , N , PB1,1 to PBM , N are formed. Each light receiving portions P 1,1 ~P M, N, P R1,1 ~P RM, N, P G1,1 ~P GM, N, P B1,1 ~P BM, N is have a same structure with each other Each of them is arranged in M rows and N columns. Receiving portion P m, n, P Rm, n, P Gm, n, P Bm, n is positioned in the m-th row and the n-th column, respectively. Here, M and N are each an integer of 2 or more, m is an arbitrary integer of 1 to M, and n is an arbitrary integer of 1 to N. Each light receiving portion P m, n, P Rm, n, P Gm, n, P Bm, wiring for transmitting a control signal for controlling the operation of the n, the control circuit for generating the control signal, the light receiving portions The wiring for transmitting the output signal output from P m, n , PRm, n , PGm, n , and P Bm, n and the signal processing circuit for processing the output signal are not shown. .

各受光部Pm,n,PRm,n,PGm,n,PBm,nは、アクティブピクセル方式のものであって、その図示は省略するが、第1実施形態における受光部Pm,nと同じ構成である。すなわち、各受光部Pm,n,PRm,n,PGm,n,PBm,nは、フォトダイオード、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタ、フォトダイオードで発生した電荷を増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する為の転送用トランジスタ、増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する為の放電用トランジスタ、及び、増幅用トランジスタから出力される電圧値を外部の配線へ出力する為の選択用トランジスタを含む。 Each of the light receiving portions P m, n , PRm, n , P Gm, n , and P Bm, n is of an active pixel type, and although not shown in the drawings, the light receiving portions P m, n in the first embodiment The configuration is the same as n . That is, the light receiving portion P m, n, P Rm, n, P Gm, n, P Bm, n includes a photodiode, an amplifying transistor for outputting a voltage value according to the amount of charge that is input to the gate terminal A transfer transistor for transferring the charge generated in the photodiode to the gate terminal of the amplification transistor, a discharge transistor for discharging the charge at the gate terminal of the amplification transistor, and a voltage output from the amplification transistor Includes a selection transistor for outputting values to external wiring.

第1の受光部Pm,nは、近赤外の波長帯域の光を検出するための領域である。第2の受光部PRm,nは、可視光、特に、赤の光成分を検出するための領域である。第2の受光部PGm,nは、可視光、特に、緑の光成分を検出するための領域である。第2の受光部PBm,nは、可視光、特に、青の光成分を検出するための領域である。受光部Pm,n,PRm,n,PGm,n,PBm,nで、一つの画素領域が構成される。固体撮像装置1Bでは、可視画像と近赤外画像とを取得することが可能である。可視画像と近赤外画像とを取得する固体撮像装置としては、特開2009−89158号公報に記載された固体撮像装置が存在する。 The first light receiving portion P m, n is a region for detecting light in the near-infrared wavelength band. The second light receiving part PRm, n is an area for detecting visible light, in particular, a red light component. The second light receiving unit P Gm, n is an area for detecting visible light, particularly a green light component. The second light receiving portion P Bm, n is an area for detecting visible light, particularly, a blue light component. Receiving portion P m, n, P Rm, n, P Gm, n, P Bm, with n, one pixel region is formed. In the solid-state imaging device 1B, it is possible to acquire a visible image and a near-infrared image. As a solid-state imaging device that acquires a visible image and a near-infrared image, there is a solid-state imaging device described in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-89158.

図9は、固体撮像装置1Bの断面構成を説明するための図である。図10(a)は、固体撮像装置1Bをシリコン基板10の第1主面10a側から見た平面図であり、図10(b)は、固体撮像装置1Bをシリコン基板10の第2主面10b側から見た平面図である。図11は、図10(a)のXI−XI線に沿った断面構成を示す図である。これらの図には、フォトダイオード及び転送用トランジスタについて示されており、他のトランジスタを含む回路ついては、画素回路PCとして簡素化して図示されていると共に、各種配線については図示が省略されている。   FIG. 9 is a diagram for explaining a cross-sectional configuration of the solid-state imaging device 1B. 10A is a plan view of the solid-state imaging device 1B as viewed from the first main surface 10a side of the silicon substrate 10, and FIG. 10B is a second main surface of the silicon substrate 10 where the solid-state imaging device 1B is viewed. It is the top view seen from 10b side. FIG. 11 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line XI-XI in FIG. In these drawings, photodiodes and transfer transistors are shown. Circuits including other transistors are simplified as pixel circuits PC, and various wirings are not shown.

固体撮像装置1Bは、シリコン(Si)基板10を備えている。シリコン基板10の第1主面10a側には、各受光部Pm,n,PRm,n,PGm,n,PBm,nが配列されている。各受光部Pm,n,PRm,n,PGm,n,PBm,nは、第1実施形態における受光部PM,Nと同じく、第1半導体領域11と、第2半導体領域12と、第3半導体領域13と、ゲート電極16と、を備えている。各第2の受光部PRm,n,PGm,n,PBm,nに対して、赤外光カットフィルタ30及びカラーフィルタ31が設けられている。赤外光カットフィルタ30は、近赤外の波長帯域の光成分をカットするフィルタである。カラーフィルタ31は、各第2の受光部PRm,n,PGm,n,PBm,nにて検出する光成分に対応する波長帯域の光を透過させるフィルタである。 The solid-state imaging device 1B includes a silicon (Si) substrate 10. The first principal surface 10a side of the silicon substrate 10, the light receiving portion P m, n, P Rm, n, P Gm, n, P Bm, n are arranged. Each light receiving portion P m, n, P Rm, n, P Gm, n, P Bm, n is the light receiving portion P M in the first embodiment, N Like, the first semiconductor region 11, the second semiconductor region 12 A third semiconductor region 13 and a gate electrode 16. An infrared light cut filter 30 and a color filter 31 are provided for each of the second light receiving portions PRm, n , PGm, n , and PBm, n . The infrared light cut filter 30 is a filter that cuts light components in the near-infrared wavelength band. The color filter 31 is a filter that transmits light in a wavelength band corresponding to a light component detected by each of the second light receiving parts PRm, n , PGm, n , and PBm, n .

シリコン基板10の第2主面10bには、不規則な凹凸20が形成されている。シリコン基板10の第2主面10b側には、アキュムレーション層21が形成されており、第2主面10bは光学的に露出している。   Irregular irregularities 20 are formed on the second main surface 10 b of the silicon substrate 10. An accumulation layer 21 is formed on the second main surface 10b side of the silicon substrate 10, and the second main surface 10b is optically exposed.

シリコン基板10は、アイソレーション領域23により、各受光部Pm,nに対応する部分毎に光学的に実質的に分離されている。アイソレーション領域23は、シリコン基板10の厚み方向に伸びており、シリコン基板10の第1主面10aから第2主面10bまで貫通して形成されている。アイソレーション領域23は、受光部Pm,nに対応する各部分を完全に囲うように、第2主面10b側から見て、矩形枠状に形成されている。 The silicon substrate 10 is optically substantially separated for each portion corresponding to each light receiving part P m, n by the isolation region 23. The isolation region 23 extends in the thickness direction of the silicon substrate 10 and is formed so as to penetrate from the first main surface 10 a to the second main surface 10 b of the silicon substrate 10. The isolation region 23 is formed in a rectangular frame shape when viewed from the second main surface 10b side so as to completely surround each portion corresponding to the light receiving portion Pm, n .

固体撮像装置1Bでは、各第2の受光部PRm,n,PGm,n,PBm,nに対して、赤外光カットフィルタ30及びカラーフィルタ31が設けられているので、各第2の受光部PRm,n,PGm,n,PBm,nには近赤外の波長帯域の光成分が入射することなく、各第2の受光部PRm,n,PGm,n,PBm,nにて検出する光成分に対応する波長帯域の光成分が入射する。したがって、各第2の受光部PRm,n,PGm,n,PBm,nでは、近赤外の波長帯域の光成分が検出されることなく、対応する波長帯域の光が検出されることとなる。一方、各第1の受光部Pm,nに対しては、赤外光カットフィルタ30が設けられていないため、近赤外の波長帯域の光が入射することとなる。 In the solid-state imaging device 1B, the second light receiving portion P Rm, n, P Gm, n, P Bm, with respect to n, since the infrared light cut filter 30 and the color filter 31 is provided, each second The light receiving parts P Rm, n , P Gm, n , P Bm, n are not incident on the light components in the near-infrared wavelength band, and the second light receiving parts P Rm, n , P Gm, n , The light component in the wavelength band corresponding to the light component detected by P Bm, n is incident. Therefore, in each of the second light receiving parts PRm, n , PGm, n , and PBm, n , light in the corresponding wavelength band is detected without detecting the light component in the near infrared wavelength band. It will be. On the other hand, since the infrared light cut filter 30 is not provided for each first light receiving part P m, n , light in the near-infrared wavelength band is incident.

第1の受光部Pm,nに入射した近赤外の波長帯域の光は、固体撮像装置1Aと同様に、その走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなる。このため、固体撮像装置1Bにおいて、近赤外の波長帯域での感度特性を向上することができる。 As in the solid-state imaging device 1A, the near-infrared wavelength band light incident on the first light receiving unit P m, n has a longer travel distance and a longer distance for light absorption. For this reason, in the solid-state imaging device 1B, the sensitivity characteristic in the near-infrared wavelength band can be improved.

各受光部Pm,n,PRm,n,PGm,n,PBm,nは、増幅用トランジスタと、転送用トランジスタと、放電用トランジスタと、選択用トランジスタと、を有している。これにより、アクティブピクセル方式の固体撮像装置1Bを実現することができる。 Each light receiving portion P m, n, P Rm, n, P Gm, n, P Bm, n is an amplifying transistor has a transfer transistor, a discharge transistor, a selection transistor. Thus, an active pixel type solid-state imaging device 1B can be realized.

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not necessarily limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

上記実施形態では、アイソレーション領域23は、シリコン基板10の第1主面10aから第2主面10bまで貫通して形成されているが、これに限られない。例えば、図12に示されるように、アイソレーション領域23は、シリコン基板10の第2主面10b側からシリコン基板10の途中部分まで伸びるように、すなわち第1主面10aに達しないように形成されていてもよい。   In the above embodiment, the isolation region 23 is formed to penetrate from the first main surface 10a to the second main surface 10b of the silicon substrate 10, but is not limited thereto. For example, as shown in FIG. 12, the isolation region 23 is formed so as to extend from the second main surface 10b side of the silicon substrate 10 to a middle portion of the silicon substrate 10, that is, not to reach the first main surface 10a. May be.

アイソレーション領域23は、不規則な凹凸20にて反射、散乱、又は拡散された光によるクロストークを抑制するためのものであり、第2主面10bに達していることが極めて好ましい。すなわち、アイソレーション領域23が第2主面10bに達していることにより、クロストークを確実に防ぐことができる。シリコン基板10は、アイソレーション領域23により、受光部Pm,nに対応する各部分毎に光学的に実質的に分離されていればよい。例えば、アイソレーション領域23は、第2主面10bに必ず達している必要はなく、第2主面10bから離れて形成されていてもよい。この場合は、クロストークを確実に防ぐことはできないが、クロストークを抑制する効果は得ることができる。 The isolation region 23 is for suppressing crosstalk due to light reflected, scattered, or diffused by the irregular irregularities 20, and it is extremely preferable that the isolation region 23 reaches the second main surface 10b. That is, since the isolation region 23 reaches the second main surface 10b, crosstalk can be reliably prevented. The silicon substrate 10 only needs to be substantially optically separated for each part corresponding to the light receiving part P m, n by the isolation region 23. For example, the isolation region 23 does not necessarily reach the second main surface 10b, and may be formed away from the second main surface 10b. In this case, crosstalk cannot be reliably prevented, but the effect of suppressing crosstalk can be obtained.

上記実施形態では、アイソレーション領域23は、シリコン基板10における受光部Pm,nに対応する各部分を完全に囲うように形成されているが、これに限られない。アイソレーション領域23は、図13(a)及び(b)並びに図14(a)及び(b)に示されるように、少なくとも第2主面10b側において、アイソレーション領域23内に位置するアキュムレーション層21とアイソレーション領域23外に位置するアキュムレーション層21とを接続するための不連続部分を有している、すなわち、第2主面10b側から見て、アイソレーション領域23は、断続的に形成されていてもよい。いずれの場合においても、シリコン基板10の第2主面10b側での電位を容易に取ることができる。これらの場合、導電膜24は不要となる。 In the above embodiment, the isolation region 23 is formed so as to completely surround each portion corresponding to the light receiving portion P m, n in the silicon substrate 10 , but is not limited thereto. As shown in FIGS. 13A and 13B and FIGS. 14A and 14B, the isolation region 23 is an accumulation layer located in the isolation region 23 at least on the second main surface 10b side. 21 and a discontinuous portion for connecting the accumulation layer 21 located outside the isolation region 23, that is, the isolation region 23 is intermittently formed when viewed from the second main surface 10b side. May be. In either case, the potential on the second main surface 10b side of the silicon substrate 10 can be easily taken. In these cases, the conductive film 24 is not necessary.

第2実施形態では、不規則な凹凸20は、シリコン基板10の第2主面10bの略全面にわたって形成されているが、これに限られない。例えば、不規則な凹凸20は、図15に示されるように、シリコン基板10の第2主面10bにおける第1の受光部Pm,nに対応する領域のみに形成されていてもよい。 In the second embodiment, the irregular irregularities 20 are formed over substantially the entire second main surface 10b of the silicon substrate 10, but the present invention is not limited to this. For example, the irregular irregularities 20 may be formed only in a region corresponding to the first light receiving portion P m, n in the second main surface 10b of the silicon substrate 10, as shown in FIG.

本実施形態に係る固体撮像装置1A,1Bは、表面入射型の固体撮像装置であるが、これに限られることなく、裏面入射型の固体撮像装置であってもよい。   The solid-state imaging devices 1A and 1B according to the present embodiment are front-illuminated solid-state imaging devices, but are not limited thereto and may be back-illuminated solid-state imaging devices.

本実施形態に係る固体撮像装置1A,1Bにおけるp型及びn型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。   The p-type and n-type conductivity types in the solid-state imaging devices 1 </ b> A and 1 </ b> B according to the present embodiment may be interchanged so as to be opposite to those described above.

1A,1B…固体撮像装置、10…シリコン基板、10a…第1主面、10b…第2主面、11…第1半導体領域、12…第2半導体領域、13…第3半導体領域、16…ゲート電極、20…不規則な凹凸、21…アキュムレーション層、23…アイソレーション領域、30…赤外光カットフィルタ、31…カラーフィルタ、PD…フォトダイオード、P1,1〜PM,N…受光部(第1の受光部)、PR1,1〜PRM,N,PG1,1〜PGM,N,PB1,1〜PBM,N…第2の受光部、T…増幅用トランジスタ、T…転送用トランジスタ、T…放電用トランジスタ、T…選択用トランジスタ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A, 1B ... Solid-state imaging device, 10 ... Silicon substrate, 10a ... 1st main surface, 10b ... 2nd main surface, 11 ... 1st semiconductor region, 12 ... 2nd semiconductor region, 13 ... 3rd semiconductor region, 16 ... Gate electrode 20 Irregular irregularities 21 Accumulation layer 23 Isolation region 30 Infrared light filter 31 Color filter PD Photodiode P 1,1 to P M, N Light reception part (a first light receiving portion), P R1,1 ~P RM, N , P G1,1 ~P GM, N, P B1,1 ~P BM, N ... second light receiving portions, T 1 ... amplifier Transistor, T 2 ... transfer transistor, T 3 ... discharge transistor, T 4 ... selection transistor.

Claims (7)

互いに対向する第1主面及び第2主面を含むと共に、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の第1の受光部が前記第1主面側に配列されたシリコン基板を備える固体撮像装置であって、
前記シリコン基板には、前記第2主面側に第1導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、前記第2主面における少なくとも前記第1の受光部に対向する領域に不規則な凹凸が形成され、
前記シリコン基板の前記第2主面における前記第1の受光部に対向する前記領域は、光学的に露出しており、
前記シリコン基板は、アイソレーション領域により、前記第1の受光部に対応する部分毎に光学的に実質的に分離されていることを特徴とする固体撮像装置。
A plurality of first light receiving portions each including a first main surface and a second main surface facing each other and each having a photodiode that generates an amount of electric charge according to an incident light intensity are arranged on the first main surface side. A solid-state imaging device comprising a silicon substrate,
The silicon substrate has a first conductivity type accumulation layer formed on the second main surface side, and irregular irregularities in at least a region of the second main surface facing the first light receiving portion. Formed,
The region facing the first light receiving portion on the second main surface of the silicon substrate is optically exposed,
The solid-state imaging device, wherein the silicon substrate is optically substantially separated for each portion corresponding to the first light receiving portion by an isolation region.
前記アイソレーション領域は、前記第2主面から前記シリコン基板の厚み方向に伸びるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the isolation region is formed to extend from the second main surface in a thickness direction of the silicon substrate. 前記アイソレーション領域は、前記第1主面に達していることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the isolation region reaches the first main surface. 前記第1の受光部は、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタと、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、前記増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する放電用トランジスタと、前記増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を更に有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体撮像装置。   The first light receiving unit outputs a voltage value corresponding to the amount of electric charge input to the gate terminal, and transfers the electric charge generated by the photodiode to the gate terminal of the amplifying transistor. A transistor for discharging, a discharging transistor for discharging a charge at a gate terminal of the amplifying transistor, and a selecting transistor for selectively outputting a voltage value output from the amplifying transistor. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3. 前記シリコン基板には、入射光強度に応じた量の電荷を発生するフォトダイオードをそれぞれ有する複数の第2の受光部が前記第1主面側に更に配列され、前記第1の受光部と前記第2の受光部とで一つの画素領域が構成されており、
前記第2の受光部に対して、赤外光カットフィルタ及びカラーフィルタが設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
The silicon substrate further includes a plurality of second light receiving portions each having a photodiode that generates an amount of charge corresponding to an incident light intensity, on the first main surface side, and the first light receiving portion and the One pixel region is configured with the second light receiving unit,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an infrared light cut filter and a color filter are provided for the second light receiving unit.
前記第2の受光部は、ゲート端子に入力している電荷の量に応じた電圧値を出力する増幅用トランジスタと、前記フォトダイオードで発生した電荷を前記増幅用トランジスタのゲート端子へ転送する転送用トランジスタと、前記増幅用トランジスタのゲート端子の電荷を放電する放電用トランジスタと、前記増幅用トランジスタから出力される電圧値を選択的に出力する選択用トランジスタと、を更に有していることを特徴とする請求項5に記載の固体撮像装置。   The second light receiving unit outputs a voltage value corresponding to the amount of charge input to the gate terminal, and transfers the charge generated by the photodiode to the gate terminal of the amplification transistor. A transistor for discharging, a discharging transistor for discharging a charge at a gate terminal of the amplifying transistor, and a selecting transistor for selectively outputting a voltage value output from the amplifying transistor. The solid-state imaging device according to claim 5, wherein 前記アイソレーション領域は、少なくとも前記第2主面側において、前記アイソレーション領域内に位置する前記アキュムレーション層と前記アイソレーション領域外に位置する前記アキュムレーション層とを接続するための不連続部分を有していることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体撮像装置。

The isolation region has a discontinuous portion for connecting the accumulation layer located in the isolation region and the accumulation layer located outside the isolation region at least on the second main surface side. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is provided.

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