JPH10326885A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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Publication number
JPH10326885A
JPH10326885A JP9134612A JP13461297A JPH10326885A JP H10326885 A JPH10326885 A JP H10326885A JP 9134612 A JP9134612 A JP 9134612A JP 13461297 A JP13461297 A JP 13461297A JP H10326885 A JPH10326885 A JP H10326885A
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JP
Japan
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film
light
insulating film
receiving sensor
interlayer insulating
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Withdrawn
Application number
JP9134612A
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English (en)
Inventor
Takashi Fukusho
孝 福所
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 集光効率を高めて感度向上を図ると共に、受
光センサ部上に遮光膜を設けることなくスミアをなくす
ようにした固体撮像素子の提供が望まれている。 【解決手段】 シリコン基板(基体)2の表層部に設け
られて光電変換をなす受光センサ部3と、受光センサ部
3から読み出された信号電荷を転送する電荷転送部5
と、シリコン基板2上に絶縁膜を介して設けられた転送
電極8、10とを備えてなる。受光センサ部3上におけ
る、転送電極8、10の側壁面にはこれを覆って層間絶
縁膜11が設けられている。層間絶縁膜11に囲まれた
箇所には透明膜12が埋め込まれている。透明膜12の
屈折率は、層間絶縁膜11の屈折率より大である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、受光センサ部への
集光効率を高め、感度特性やスミア特性の向上を図った
固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、固体撮像素子においてはその小型
化や画素の高密度化が一層進み、これに伴って受光エリ
アが縮小され、感度低下やスミアの増加などの特性劣化
を招いている。感度低下の対策としては、例えばオンチ
ップレンズを設け、受光センサ部での集光効率を高める
といったことが提案され、一部に実施されている。ま
た、スミア対策としては、通常は遮光膜を受光センサ部
の直上にまで張り出して形成するといったことがなされ
ている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
オンチップレンズを設けて集光効率を上げたものにおい
ても、転送電極等の段差を解消しないと遮光膜やその上
のカラーフィルタ等の加工均一性が悪化してしまい、ス
ミアの増加や微少感度ムラの劣化を招いてしまう。ま
た、遮光膜を受光センサ部の直上にまで張り出して形成
したものについては、このように遮光膜を張り出して形
成すると当然受光センサ部での集光効率が低下してしま
い、やはり感度低下を招いてしまって前述した小型化や
画素の高密度化に対応するのが困難になってしまう。さ
らに、よりスミアを防ぐべく、遮光膜の張り出しを受光
センサ部の近傍位置となるように極端に低く形成すると
いったことも考えられるが、その場合には画像欠陥が増
加してしまい、しかも、この遮光膜形成のための加工に
より受光センサ部がエッチングダメージや不純物汚染を
受けてしまって画質が劣化してしまう。
【0004】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、集光効率を高めて感度向
上を図るとともに、受光センサ部上に遮光膜を設けるこ
となくスミアをなくすようにした固体撮像素子を提供す
ることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像素子で
は、基体の表層部に設けられて光電変換をなす受光セン
サ部と、該受光センサ部から読み出された信号電荷を転
送する電荷転送部と、前記基体上の、前記電荷転送部の
略直上位置に絶縁膜を介して設けられた転送電極とを備
えてなり、前記受光センサ部上における、前記転送電極
の側壁面に該側壁面を覆って層間絶縁膜が設けられ、か
つ前記受光センサ部上における、前記層間絶縁膜に囲ま
れた箇所に透明膜が埋め込まれ、前記透明膜の屈折率
が、層間絶縁膜の屈折率より大であることを前記課題の
解決手段とした。
【0006】この固体撮像素子によれば、転送電極の側
壁面に層間絶縁膜が設けられ、該層間絶縁膜に囲まれた
箇所に透明膜が埋め込まれ、前記透明膜の屈折率が層間
絶縁膜の屈折率より大であることから、透明膜表面に斜
めに入射し、該透明膜表面と前記層間絶縁膜との間の界
面に到る光が、該界面で反射して受光センサ部上に入射
するようになる。また、このように透明膜の周りに層間
絶縁膜を配したことによって透明膜に入射した光が受光
センサ部の外に洩れるのを防止したことから、該透明膜
上に遮光膜を配する必要がなくなる。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の固体撮像素子を詳
しく説明する。図1(a)、(b)は本発明の固体撮像
素子の第1実施形態例を示す図であり、(a)は固体撮
像素子の概略構成を示す要部平面図、(b)は(a)の
A−A線矢視断面図である。図1(a)、(b)におい
て符号1は固体撮像素子、2はシリコン基板(基体)で
ある。シリコン基板2には、図1(b)に示すようにそ
の表層部に光電変換をなす受光部(図示略)が形成さ
れ、さらにこの受光部の上にホール蓄積部(図示略)が
形成されている。そして、これら受光部とホール蓄積部
とから、HAD(Holl Accumulation Diode )構造の受
光センサ部3が形成されている。
【0008】この受光センサ部3の一方の側には、読み
出しゲート4を介して電荷転送部5が形成され、他方の
側にはチャネルストップ6を介して別の電荷転送部5が
形成されている。そして、このような構成により受光セ
ンサ部3で光電変換されて得られた信号電荷は、読み出
しゲート4を介して電荷転送部5に読み出され、さらに
該電荷転送部5にて転送されるようになっている。
【0009】また、シリコン基板2の表面部には、熱酸
化法やCVD法等によって形成されたSiO2 からなる
絶縁膜7が設けられている。なお、この絶縁膜7につい
てはSiO2 膜からなる単層膜でなく、SiO2 膜−S
iN膜−SiO2 膜の三層からなるいわゆるONO構造
の積層膜としてもよい。絶縁膜7の上には前記電荷転送
部5の略直上位置に第1ポリシリコンからなる第1の転
送電極8が形成されている。この第1の転送電極8の表
面上には、該転送電極8を覆ってSiO2 からなる電極
絶縁膜9が形成されている。なお、図1(b)には示さ
ないものの、第1の転送電極8とは一部が重なり合う状
態で、図1(a)に示したように第2ポリシリコンから
なる第2の転送電極10が形成されており、この第1の
転送電極10の表面上にもこれ覆ってSiO2 からなる
電極絶縁膜(図示略)が形成されている。
【0010】また、これら第1の転送電極8、第2の転
送電極10の上面および側壁面には、図1(b)に示し
たようにこれらの面を覆って層間絶縁膜11が設けられ
ている。このような構成により層間絶縁膜11は、図1
(a)に示したように第1の転送電極8、第2の転送電
極10に囲まれた受光センサ部3の直上部分において
は、筒状(この例では四角筒状)に形成されたものとな
っている。層間絶縁膜11を形成する絶縁膜として具体
的には、BPSG(ホウ素リンシリケートガラス)やS
OG(スピンオングラス)、バイアス高密度P−SiO
等の屈折率が1.45程度のもの、あるいはこれらにF
(フッ素)を添加してその屈折率を少し小さくしたもの
などが用いられるが、この例では屈折率が1.45程度
のSiO2系酸化膜が用いられている。
【0011】この筒状に形成された層間絶縁膜11に囲
まれた箇所、すなわち図1(b)に示すように受光セン
サ部3の直上箇所には、透明膜12が埋め込まれてい
る。この透明膜12は、前記層間絶縁膜11の屈折率よ
り大きい屈折率を有する材料からなるもので、この例で
はバイアス高密度プラズマCVD法による平坦化P−S
iN膜(屈折率2.0)によって形成されている。な
お、この透明膜12としては、前記平坦化P−SiN膜
に代えて、酸素を多く含んだシリコンや、ポリシリコン
などからなる膜を用いることもできる。また、これら層
間絶縁膜11、透明膜12は、リフローやオーバーエッ
チング等の平坦化処理がなされており、これによってそ
の上面、さらには層間絶縁膜11の側面(透明膜12と
の界面側の面)が平滑化されている。
【0012】層間絶縁膜11の上には、これを覆ってア
ルミニウムやアルミニウム合金などからなる遮光膜13
が形成されており、これによって遮光膜13は、図1
(a)に示すように受光センサ部3の直上位置の大部分
を外側に臨ませた状態で、すなわち受光センサ部3の直
上に矩形の開口部を有した状態で形成されたものとなっ
ている。この遮光膜13および前記透明膜12の上に
は、これらを覆ってパッシベーション膜14が形成され
ている。また、パッシベーション膜14の上には樹脂等
からなるカラーフィルタ層15が形成され、さらにその
上にはオンチップレンズと称される凸状の透明樹脂等か
らなるレンズ層16が形成されている。ここで、カラー
フィルタ層15およびレンズ層16は、共に屈折率が
1.5〜1.6程度の材料によって形成されたものであ
る。
【0013】このような固体撮像素子1を作製するに際
し、特に層間絶縁膜11、透明膜12を形成するには、
第1の転送電極8、第2の転送電極10に熱酸化法等に
よって電極絶縁膜9を形成した後、前述したようにBP
SG(ホウ素リンシリケートガラス)やSOG(スピン
オングラス)、バイアス高密度P−SiO等から選ばれ
たSiO2 系酸化物をその成膜法に基づいて成膜しさら
にこれをリフロー処理などによって平坦化する。その
後、第1の転送電極8上、第2の転送電極10上、およ
びこれらの側壁面に堆積した部分を覆った状態でレジス
トパターンを形成し、さらにこのレジストパターンをマ
スクにして受光センサ部3上に堆積した膜をエッチング
により除去し、層間絶縁膜11を得る。
【0014】次いで、前述したようにバイアス高密度プ
ラズマCVD法によって平坦化P−SiN膜を堆積形成
し、さらにこれにCMP法やレジストエッチバック法に
よってグローバル平坦化処理を施し、図1(b)に示し
たように受光センサ部3の直上における、層間絶縁膜1
1に囲まれた箇所にのみこの平坦化P−SiN膜を残し
て透明膜12を得る。
【0015】このようにして層間絶縁膜11、透明膜1
2を形成した後には、従来と同様にして第1の転送電極
8、第2の転送電極10等を覆って遮光膜13をする。
なお、この遮光膜13については、固体撮像素子1の周
辺回路における配線と同一の層として形成することも可
能である。続いてP−SiN膜等からなるパッシベーシ
ョン膜14を形成し、さらに染色法やカラーレジスト塗
布によってカラーフィルタ層15を形成し、その後、レ
ンズ層16を形成する。ここで、レンズ層16の形成に
ついては、熱溶融性透明樹脂や常温無加熱でCVD可能
な高密度SiNを堆積させ、さらにその上部にレジスト
を設けた後、このレジストを熱リフロー処理して所望の
曲率を有する凸レンズ形状にし、さらにこれをマスクに
して前記堆積層をエッチングし、レジストを除去してレ
ンズ層16を得るといったエッチバック転写等が用いら
れる。
【0016】このようにして得られる固体撮像素子1に
よれば、レンズ層16で集光され、さらにカラーフィル
タ層15、パッシベーション膜14を透過して透明膜1
2に入射した光がさらに絶縁膜7を透過した後受光セン
サ部3に到り、ここで光電変換がなされる。また、図1
(b)中二点鎖線による矢印で示したごとく、透明層1
2の表面に対して斜めに入射し、そのまま該透明膜12
表面と層間絶縁膜11との間の界面に到る光も、該界面
で反射して受光センサ部3上に入射するようになってい
る。
【0017】すなわち、この例では、透明膜12の表面
と受光センサ部3の表面および絶縁膜7の表面とが平行
であり、透明膜12の表面と層間絶縁膜11の側面(透
明膜12との界面)とのなす角が直角であるとした場合
に、レンズ層16の曲率や該レンズ層16、カラーフィ
ルタ層15、パッシベーション膜14の屈折率が、透明
膜12に入射した光の該透明膜12表面に対する角度θ
1 が46.5°より大きい角度となるように予め調整さ
れている。
【0018】そして、このようにθ1 が46.5°より
大きい角度となるように調整され、したがって層間絶縁
膜11の側面に対する入射角θ1 (図1(b)中二点鎖
線で示した入射光と一点鎖線で示した層間絶縁膜11の
側面に対する法線とのなす角)が46.5°より大きい
角度となるように調整されており、また、透明膜12の
屈折率n1 が2.0、層間絶縁膜11の屈折率n2
1.45であることから、以下の式に示されるスネルの
法則により、前述したように透明膜12を透過してこれ
と層間絶縁膜11との界面に到った光が、全て全反射し
て受光センサ部3に入射するのである。 n1 ・sinθ1 =n2 ・sinθ2 (スネルの法則)
【0019】つまり、図2に示すスネルの法則の説明図
において、屈折角θ2 が90°を越えると光が全反射に
なるとすれば、θ2 に90°を代入し、さらにn1
2.0、n2 =1.45とすることにより、2.0×s
inθ1 =1.45×sin90°となり、sin90
°=1であることから、sinθ1 =1.45/2.0
となり、これから全反射するための臨界的な角度である
θ1 =46.5°が求まるのである。よって、前述した
ごとく透明膜12に入射した光の該透明膜12表面に対
する角度θ1 が前記の臨界的な角度である46.5°よ
り大きい角度となることにより、透明膜12を透過して
これと層間絶縁膜11との界面に到った光が、全て全反
射して受光センサ部3に入射するようになる。
【0020】したがって、この固体撮像素子1にあって
は、透明膜12に入射した光を全て受光センサ部3に入
射させることができることにより、集光効率を高めて感
度を格段に向上させることができる。また、受光センサ
部3上に透明膜12が埋め込まれてこれが平坦化されて
いることにより、該透明膜12と層間絶縁膜11とがほ
ぼ面一となり、したがって第1の転送電極8、第2の転
送電極10による段差が解消されてこれらの上に形成さ
れる遮光膜13やカラーフィルタ層15などの加工均一
性が向上し、スミアの増加や微少感度ムラの劣化を防止
することができる。
【0021】さらに、透明膜12の周りに層間絶縁膜1
1を配したことによって透明膜12に入射した光が受光
センサ部3の外に洩れるのを防止したことから、該透明
膜12上に遮光膜13を配する必要がなくなり、これに
より従来のごとく遮光膜を受光センサ部3の直上にまで
張り出す必要がなくなる。よって、遮光膜13の開口部
を広く形成することができ、その分この開口部内に臨む
受光センサ部3の面積を大きくして集光効率を高めるこ
とができる。また、このように遮光膜13に張り出しを
設けていないので、従来のごとくこれが受光センサ部3
の近傍位置となるように極端に低く形成された場合に、
画像欠陥が増加してしまい、しかも、この遮光膜形成の
ための加工により受光センサ部3がエッチングダメージ
や不純物汚染を受けてしまって画質が劣化してしまうと
いった不都合も防ぐことができる。
【0022】また、光の入射経路(光路)となる、受光
センサ部3の直上部においては、レンズ層16の外側か
ら順に、屈折率が1.0の空気、屈折率が1.5〜1.
6程度のレンズ層16およびカラーフィルタ層15、屈
折率が2.0の透明層12、屈折率が3.8のシリコン
からなる受光センサ部3と、該受光センサ部3側に行く
にしたがってその屈折率が高くなっているので、これら
光の経路内においては、斜めに入射した光についても材
質の異なる層間の界面を透過する際に全反射が起こら
ず、受光センサ部3の表面に対しより垂直に近い角度で
入射するように屈折していく。したがって、より高い集
光効率を得ることができるとともに、反射に起因する特
性の低下などを防止することができる。また、受光セン
サ部3の直上に位置する透明膜12をP−SiN膜から
形成していることから、該P−SiN膜が水素化を促進
することによってダーク成分の低減化を図ることができ
る。
【0023】図3は本発明の固体撮像素子の第2実施形
態例を示す図であり、図1(a)のB−B線矢視断面に
相当する図である。図3において符号20は固体撮像素
子であり、この固体撮像素子20が図1(a)、(b)
に示した固体撮像素子1と異なるところは、主に、受光
センサ部3と透明膜12との間に、図1(b)に示した
絶縁層7に代えて減圧CVD法による窒化ケイ素膜(以
下、SiN膜と記す)21を設けた点である。このよう
に絶縁層7に代えてSiN膜21を設けたことにより、
このSiN膜21はその屈折率が2.0であることか
ら、同じく屈折率が2.0の平坦化P−SiN膜からな
る透明層12との間の界面で屈折が起こらず、したがっ
てここでの反射を確実に防止することができる。れてな
【0024】また、このようなSiN膜21を設けた固
体撮像素子20を作製するには、シリコン基板2にイオ
ン注入等によって不純物を注入しさらにこれを拡散さ
せ、受光センサ部3、読み出しゲート4、電荷転送部
5、チャネルストップ6をそれぞれ形成する。続いて、
熱酸化法やCVD法によりシリコン基板2表面にSiO
2膜、あるいはSiO2 膜−SiN膜−SiO2 膜の三
層からなるONO構造の積層膜を形成して絶縁膜7を得
る。
【0025】次いで、CVD法によって第1ポリシリコ
ンを堆積し、さらにこれを公知のフォトリソグラフィー
技術、エッチング技術によってパターニングし、第1の
転送電極8を形成する。続いて、熱酸化法やCVD法等
によって該第1の転送電極8の表面に電極絶縁膜9を形
成する。さらに、第1の転送電極8の形成と同様にし
て、第2ポリシリコンからなる第2の転送電極8を加工
形成し、さらにこれの表面に電極絶縁膜(図示略)を形
成する。なお、転送電極を三層以上の構造とする場合に
は、このような工程を層分繰り返すことによってこれを
形成する。
【0026】次いで、公知のフォトリソグラフィー技
術、エッチング技術によって受光センサ部3上の絶縁膜
7を除去し、さらに減圧CVD法によってSiN膜21
を全面に形成する。次いで、先の第1実施形態例の場合
と同様にして層間絶縁膜11を形成する。このとき、第
1の転送電極8と第2の転送電極10との間にはマスク
の合わせずれなどに起因して、図3に示したようにその
側壁面がずれて形成されてしまうことがある。しかし、
本実施形態例では、先の第1実施形態例と同様に、層間
絶縁膜11にリフロー処理などを施し、これにより図3
に示したように、特に第1の転送電極8、第2の転送電
極10の側壁面に堆積した膜を平坦化する。
【0027】次いで、第1実施形態例と同様にして受光
センサ部3上に堆積した膜をエッチングにより除去し、
層間絶縁膜11を得る。このとき、先にSiN膜21を
全面に形成していることにより、このSiN膜21がエ
ッチングストッパとして機能し、これにより受光センサ
部3などにエッチングダメージが与えられることが防が
れている。このようにして層間絶縁膜11を形成した
ら、第1実施形態例と同様にして透明層12を形成し、
さらに遮光膜13、パッシベーション膜14、カラーフ
ィルタ層15、レンズ層16を順次形成する。
【0028】このように、第2実施形態例の固体撮像素
子20にあっては、透明層12と受光センサ部3との間
に、絶縁層7に代えてSiN膜21を設けたことから、
前述したように透明層12と該SiN膜21との間の界
面での屈折を防止することができ、しかも、層間絶縁膜
11形成時の受光センサ部3上のエッチングの際に、S
iN膜21をエッチングストッパとして機能させること
ができるとともに、受光センサ部3などにエッチングダ
メージが与えられるのを防止するものとしても機能させ
ることができる。
【0029】なお、前記実施形態例では遮光膜13を設
けたが、レンズ層16等により固体撮像素子に入射した
光を確実に透明膜12に入射させることができる場合に
は、この遮光膜13を設けなくてもよい。また、絶縁膜
7を三層からなるONO構造とした場合には、層間絶縁
膜11の形成に先立ち、最上部のSiO2 膜を除去して
二層目のSiN膜を露出させておき、このSiN膜を層
間絶縁膜11形成時のエッチングストッパとして機能さ
せてもよい。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子は、転送電極の側壁面に層間絶縁膜を設け、該層間絶
縁膜に囲まれた箇所に透明膜を埋め込み、前記透明膜の
屈折率を層間絶縁膜の屈折率より大としたものであるか
ら、透明膜表面に斜めに入射し、該透明膜表面と前記層
間絶縁膜との間の界面に到る光を、該界面で反射させて
受光センサ部上に入射させることができ、これにより集
光効率を高めて感度を格段に向上させることができる。
したがって、特性低下を招くことなく、固体撮像素子の
小型化や画素の高密度化を図ることができる。
【0031】また、このように透明膜の周りに層間絶縁
膜を配したことによって透明膜に入射した光が受光セン
サ部の外に洩れるのを防止したことから、該透明膜上に
遮光膜を配する必要がなくなり、これにより従来のごと
く遮光膜を受光センサ部の直上にまで張り出す必要がな
くなる。よって、遮光膜の開口部を広く形成することが
でき、その分この開口部内に臨む受光センサ部の面積を
大きくして集光効率を高めることができる。また、この
ように遮光膜に張り出しを設ける必要がないので、従来
のごとくこれが受光センサ部の近傍位置となるように極
端に低く形成された場合に、画像欠陥が増加してしま
い、しかも、この遮光膜形成のための加工により受光セ
ンサ部がエッチングダメージや不純物汚染を受けてしま
って画質が劣化してしまうといった不都合も防ぐことが
できる。さらに、受光センサ部上に位置する遮光膜の張
出部分については通常その上面、下面の両方に低反射膜
を設ける必要があるが、本発明の固体撮像素子にあって
は遮光膜に張り出しを設ける必要がないので、当然低反
射膜を設ける工程が不要になり、したがって生産性を向
上してコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体撮像素子の第1実施形態例を示す
図であり、(a)は固体撮像素子の概略構成を示す要部
平面図、(b)は(a)のA−A線矢視断面図である。
【図2】スネルの法則の説明図である。
【図3】本発明の固体撮像素子の第2実施形態例を示す
図であり、図1(a)のB−B線矢視断面に相当する図
である。
【符号の説明】
1、20 固体撮像素子 2 シリコン基板(基体)
3 受光センサ部 5 電荷転送部 7 絶縁膜 8 第1の電荷転送
電極 10 第2の電荷転送電極 11 層間絶縁膜 1
2 透明膜 15 カラーフィルタ層 16 レンズ層 21 窒化ケイ素膜(SiN膜)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基体の表層部に設けられて光電変換をな
    す受光センサ部と、該受光センサ部から読み出された信
    号電荷を転送する電荷転送部と、前記基体上の、前記電
    荷転送部の略直上位置に絶縁膜を介して設けられた転送
    電極とを備えてなり、 前記受光センサ部上における、前記転送電極の側壁面に
    該側壁面を覆って層間絶縁膜が設けられ、かつ前記受光
    センサ部上における、前記層間絶縁膜に囲まれた箇所に
    透明膜が埋め込まれ、 前記透明膜の屈折率が、層間絶縁膜の屈折率より大であ
    ることを特徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項2】 前記基体がシリコンからなり、かつ、前
    記透明膜上にカラーフィルタ層、レンズ層が設けられて
    なり、 レンズ層およびカラーフィルタ層、透明層、受光センサ
    部は、レンズ層およびカラーフィルタ層側から受光セン
    サ部側に行くにしたがってその屈折率が高くなっている
    ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
  3. 【請求項3】 前記受光センサ部と透明膜との間に、減
    圧CVD法による窒化ケイ素膜が形成されてなることを
    特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
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