JP2008181973A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Mikiya Uchida
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Abstract

【課題】固体撮像装置の入射光方向の膜厚を薄くして、集光効率の劣化を防ぎ、製造コストを上昇させない固体撮像装置を提供する。
【解決手段】半導体基板1にフォトダイオード3を有する画素セルが配列された画素領域と、下層配線に接続されたパッド14が形成されたパッド領域と、フォトダイオード3からの信号を転送する周辺回路領域とを備え、画素領域は、フォトダイオードの周辺部に遮光膜13aを有し、画素領域、パッド領域及び周辺回路領域は、半導体基板1の上部に形成された多層配線6、13a、13bを有する。パッド14および遮光膜13aは、多層配線の最上層により形成される。
【選択図】図2

Description

本発明は、増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置において、特に、パッド耐性を兼ね備えた配線構造を有する固体撮像装置に関する。
固体撮像装置の一つとして、増幅型MOSセンサを用いた固体撮像装置が、注目されている。この固体撮像装置は、画素セルごとに、フォトダイオードで検出した画素信号をトランジスタで増幅するものであり、高感度という特徴をもつ。このような固体撮像装置では、二次元に配列された画素セルを有する画素領域に対して、水平走査または垂直走査を行う回路としてダイナミック型シフトレジスタが用いられ、回路の簡素化、高密度化及び低消費電力化が図られている。フォトダイオードで検出した信号は、読み出しトランジスタと呼ばれる固体撮像装置特有のトランジスタで読み出され、フローティングディフュージョン部にその信号電荷が蓄積される。蓄積された信号電荷は、増幅トランジスタにより増幅され、信号として出力される。
近年、固体撮像装置において、多画素化、画素セルの微細化、高機能化に伴い、配線数が増加している。画素セル領域において、配線の配置可能位置は限られ、配線数の増加に対して、配線の多層化が行われている。
また、近年、微細化に伴い、配線に使用される金属材料は、Alを主成分とする合金からCuへと変更されてきている(例えば、参考文献1参照)。一般に、CMOSシステムLSIにCuが使われてきているため、CMOS回路を使用するMOSセンサにおいても配線にCuが使われるようになってきている。配線にCuを用いると、層間絶縁膜にCuを埋め込むダマシン構造で作られるため、層間膜厚を薄く作ることができ、層間膜による入射光の減衰を抑えることができる。
図10は、従来の多層配線が形成された固体撮像装置における(a)は画素領域、(b)は固体撮像装置の外部に信号を取り出すためのパッド領域、(c)は周辺回路領域の断面構造を示す断面図である。まず、画素領域の構成について説明する。シリコン基板101に素子分離102が形成されており、素子分離102の間に光電変換を行うフォトダイオード103が形成されている。フォトダイオード103は、画素領域に二次元アレイ状に配列されている。フォトダイオード103の上層、つまり、シリコン基板101の表面領域には、P型不純物で形成された表面シールド層104が形成されている。シリコン基板101上には、層間膜105が形成され、層間膜105上にCuを用いて形成された第一配線106及び、第一配線層間膜107が形成されている。
第一配線106及び、第一配線層間膜107上に、Cu原子の拡散を防止する第一拡散防止膜108が形成され、第一拡散防止膜108上に、第二配線層間膜109及びCuの第二配線110が形成されている。さらに、第二配線層間膜109及びCuの第二配線110上に第二拡散防止膜111が形成され、第二拡散防止膜111上に第三配線層間膜112、及びCuの第三配線113が形成されて、多層配線層を形成している。
第三配線層間膜112、及び第三配線113上に、第三拡散防止膜114が形成され、第三拡散防止膜114上に層間膜115が形成されている。層間膜115上に保護膜116、カラーフィルター117が形成されている。なお、層間膜105、115及び配線層間膜107、109、112には、SiO2膜、拡散防止膜108、111、114にはSiC膜、保護膜116にはSiN膜が用いられている。
つぎに、図10(b)に示すパッド領域の構成について説明する。素子分離102に挟まれたシリコン基板101上の活性領域には、サリサイド膜118が形成されている。サリサイド膜118には、TiやCoといった金属とシリコン基板101が反応して形成されたTiSi、CoSiが用いられている。シリコン基板101上には、画素領域と同様、層間膜105、第一配線106、第一配線層間膜107、第一拡散防止膜108、第二配線層間膜109、第二配線110、第二拡散防止膜111、第三配線層間膜112、第三配線113、第三拡散防止膜114、層間膜115、保護膜116、カラーフィルター117が順に形成されている。
層間膜115上には、電源電圧を印加するために、Al合金膜が用いられたパッド120が形成されている。
また、上記従来の固体撮像装置において、多層配線層(一般的にSLSIで用いられる配線層)と電源用のパッド120は別々に形成されており、多層配線層を形成した後に、パッド120が形成される。これは、画素領域に使用される配線層は、集光効率を考慮すると、できるだけ薄い方が良いため、パッド120に使用される厚い膜厚を配線層にそのまま使用することが出来ないためである。
パッド120上には、開口部121が形成されている。ヴィア119は、パッド120と第三配線113を接続し、外部電源電圧をCuの第三配線113へ伝達する。
つぎに、図10(c)に示す周辺回路領域の構成について説明する。素子分離102に挟まれたシリコン基板101上の活性領域には、サリサイド膜118が形成されている。シリコン基板101上の活性領域には、サリサイド膜118が形成されている。シリコン基板101上には、画素領域と同様、層間膜105、第一配線106、第一配線層間膜107、第一拡散防止膜108、第二配線層間膜109、第二配線110、第二拡散防止膜111、第三配線層間膜112、第三配線113、第三拡散防止膜114、層間膜115、保護膜116、カラーフィルター117が順に形成されている。
コンタクト122は、第一配線層106とサリサイド層118を接続している。コンタクト122は、デュアルダマシン法による製造が可能である(周辺回路領域には、様々なトランジスタが存在し、コンタクト122を介して第一配線層106と接続されているが、ここでは明記していない。)。ヴィア123は、第二配線110と第一配線106とを接続している。ヴィア124は、第三配線113と第二配線110を接続している。ヴィア123、124は、デュアルダマシン法による形成が可能である。
画素領域において、第一配線106及び第二配線110は、信号の電荷の読み出し制御のために用いられる。第三配線113は、周辺回路領域に入射光が漏れないようにするための遮光膜として用いられる。また、パッド領域において、第一配線106、第二配線110及び第三配線113は、周辺回路用配線の引き回しなどに用いられる。パッド120は、外部からの電圧印加に用いられる。また、周辺回路領域において、第一配線106、第二配線110及び第三配線113は、水平・垂直信号線などに用いられる。
特開2005−311015号公報
しかしながら、上記従来の固体撮像装置は、多層配線化により、固体撮像装置の入射光の方向に厚くなり、入射光のフォトダイオードへの集光効率が低下する。
また、集光効率が低下するという問題に対し、層内レンズを設けることで集光効率を上げる構成の固体撮像装置が提案されている。また、フォトダイオードの直上の拡散防止膜を取り除いて、屈折率を一定にし、入射光の反射あるいは多重干渉の影響を低減させる構成の固体撮像装置が提案されている。しかし、製造プロセスが複雑となりコストが増大する。
本発明は、固体撮像装置の入射光方向の膜厚を薄くして、集光効率の劣化を防ぎ、製造コストを上昇させない固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像装置は、半導体基板にフォトダイオードを有する画素セルが配列された画素領域と、下層配線に接続されたパッドが形成されたパッド領域と、前記フォトダイオードからの信号を転送する周辺回路領域とを備え、前記画素領域は、フォトダイオードの周辺部に遮光膜を有し、前記画素領域、前記パッド領域及び前記周辺回路領域は、前記半導体基板の上部に形成された多層配線を有する。上記課題を解決するために、前記パッドおよび前記遮光膜は、前記多層配線の最上層により形成されたことを特徴とする。
本発明によれば、パッドと同じ層に配線を設けることにより、固体撮像装置の入射光方向の膜厚を薄くして、集光効率の劣化を防ぎ、製造コストを上昇させない固体撮像装置を提供することができる。
本発明の固体撮像装置において、前記遮光膜は、配線として用いられる構成にすることもできる。
また、前記多層配線は、前記半導体基板に近い層の配線がCuを用いて形成され、前記多層配線の最上層がAlまたはAlを主成分とする材料により形成された構成にすることもできる。
また、前記半導体基板に形成されたトランジスタのゲート電極が配線を形成する構成にすることもできる。
また、前記パッドは、厚さが400nm以上である構成にすることもできる。
また、0.18μm以下のプロセス技術を用いて形成された構成にすることもできる。
また、前記多層配線は、前記画素領域においては2層であり、前記周辺回路領域においては3層以上である構成にすることもできる。
また、前記周辺回路領域における最上層配線層の一層下の配線層は0.25μm以上のプロセス技術に対応する線幅で形成されている構成にすることもできる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置の画素領域の構成を示す平面図である。なお、見やすくするため、パッド、カラーフィルターなど一部の構成を省略している。フォトダイオード3は、入射光量を電荷量に変換する。読み出しトランジスタゲート電極33は、フォトダイオード3で生成された電荷の読み出し制御を行う。フローティングディフュージョン部41は、読み出された電荷量に応じた電圧を増幅トランジスタ42に印加し、増幅トランジスタ42により画素信号が生成される。リセットトランジスタゲート電極34は、印加される電圧により、フローティングディフュージョン部41の電圧をリセット制御する。また、リセットトランジスタゲート電極34を形成する導電層は、リセット配線として用いられる。
図2は、図1におけるA−A'断面の(a)は入射光を受光する画素領域、(b)はパッド領域、(c)は画素領域で得られた画素信号を転送する周辺回路領域における構成を示す断面図である。図3は、図1におけるB−B'断面の(a)は画素領域、(b)はパッド領域、(c)は画素信号を転送する周辺回路領域における構成を示す断面図である。
図2(a)は、画素領域の断面構成を示す。シリコン基板1に素子分離2が形成されており、素子分離2に挟まれたシリコン基板1に光電変換を行うフォトダイオード3が形成されている。フォトダイオード3を有する画素セルが、二次元アレイ状に配列されている。フォトダイオード3の上層、つまり、シリコン基板1の表面領域には、P型不純物が含まれた表面シールド層4が形成されている。
シリコン基板1上には、層間膜5が形成され、層間膜5上にCuの第一配線6及び、第一配線層間膜7が形成されている。第一配線6及び、第一配線層間膜7上に、第一配線6のCu原子の拡散を防止する第一拡散防止膜8が形成され、第一拡散防止膜8上に、層間膜12が形成されている。
層間膜12上にAlを用いて形成された遮光膜13aが形成されている。遮光膜13aは、入射光が周辺回路領域に入射して誤動作を起こさせることのないように、フォトダイオード3上以外の領域(フォトダイオードの周辺部)に配置されている。また、遮光膜13aは、配線としても用いられている。層間膜12及び遮光膜13aの上に、SiN膜が用いられた保護膜15が形成されている。保護膜15上に、特定波長(色)を透過させるカラーフィルター16が形成されている。層間膜5、第一層間絶縁膜7及び層間膜12にはSiO2膜が用いられている。第一配線層6は、Cuを用いて形成され、第一配線層6の膜厚は約200nm程度である。
図2(b)は、パッドが形成されたパッド領域の断面構成を示す。素子分離2に挟まれたシリコン基板1上の活性領域には、サリサイド膜18が形成されている。サリサイド膜18には、TiやCoといった金属とシリコン基板が反応して形成されたTiSi、CoSiが用いられている。シリコン基板1上には、画素領域と同様、層間膜5、第一配線6、第一配線層間膜7、第一拡散防止膜8、層間膜12、保護膜15、カラーフィルター16が順に形成されている。
層間膜12上には、電源電圧を印加するために、Alが用いられたパッド14が形成されている。パッド14は、検査工程におけるプローブカードに付随するプローブ針の接触圧力や組立のワイヤーボンディングにおけるダメッジに対して強度を持たせるために、十分な膜厚が必要であり、400nm以上あることが望ましい。パッド14上の保護膜15およびカラーフィルター16には、プローブ針がパッド14に接触可能とするために、開口部17が設けられている。
図2(c)は、周辺回路領域における断面構成を示す。素子分離2に挟まれたシリコン基板1上の活性領域には、サリサイド膜18が形成されている。シリコン基板1上には、画素領域と同様、層間膜5、第一配線6、第一配線層間膜7、第一拡散防止膜8、層間膜12が順に形成されている。層間膜12上に、Alを用いて形成された最上配線13bが形成されている。最上配線13b上に保護膜15およびカラーフィルター16が順に形成されている。
コンタクト19は、第一配線層6とサリサイド層18を接続している。コンタクト19は、デュアルダマシン法による製造が可能である。ヴィア21は、最上配線13bと第一配線6を接続している。ヴィア21は、デュアルダマシン法による製造が可能である。
図3(a)に示すように、画素領域における図1に示すB−B'断面の構成は、半導体基板1の素子分離2の間の一部にフォトダイオード3が形成されている。フォトダイオード3が形成された領域の半導体基板1の表面には、表面シールド層4が形成されている。表面シールド層4に隣接した領域に、読み出しトランジスタ31が形成されている。読み出しトランジスタ31は、フォトダイオード3で生成された信号電荷を読み出し制御する。読み出しトランジスタ31は、半導体基板1上に形成されたゲート酸化膜32とゲート酸化膜32上に形成された読み出しトランジスタゲート電極33を有している。
半導体基板1の読み出しトランジスタ31に隣接した領域には、信号電荷の電荷量を電圧に変換するためのフローティングディフュージョン部41が形成されている。リセットトランジスタゲート電極34は、素子分離2上に配線として形成され、電圧が印加されることにより、フローティングディフュージョン部41の電荷量のリセットを制御する。
図3(b)に示すように、パッド領域については、図2(b)と同様である。
図3(c)に示すように、周辺回路領域には、トランジスタ35が形成されている。トランジスタ35のチャネル領域には、サリサイド膜18が形成されていない。トランジスタ35は、半導体基板1上に形成されたゲート酸化膜32と、ゲート酸化膜32上に形成されたゲート電極36を有している。ゲート電極36は、コンタクト19により第一配線6と接続され、コンタクト19との接続部には、サリサイド膜36aが形成されている。
以上のように、多層配線の最上層は、画素領域において、遮光膜および最上配線13aとして機能し、パッド領域においては、パッド14として機能し、周辺回路領域では、最上配線13bとして機能している。
また、リセットトランジスタゲート電極34を形成する導電層が、配線として用いられている。従来、固体撮像装置において、画素セル内のゲート電極は、配線として用いられずに、ゲート電極からその上層のAlなどからなる配線へ引き上げ、裏打ちして使用されている。本実施の形態では、延長されて形成されたリセットトランジスタゲート電極34を配線として用いることで配線数を低減している。
そのため、それぞれに対応した配線層を個別に形成する必要がなく、図10に示す従来の固体撮像装置において、層間絶縁膜が5層必要であったのに対し、本実施の形態に係る固体撮像装置においては3層あればよく、固体撮像装置を薄くすることができる。したがって、層間絶縁膜による入射光の吸収および散乱を抑制し、入射光の受光量を向上することができるとともに、製造コストを低減することができる。
また、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法においては、層間膜12上にAlの層を形成し、パターニングすることにより、最上配線13a、13b及びパッド14を同一工程で形成する。このため、工程数を減らすことができる。
(実施の形態2)
図4は、実施の形態2における固体撮像装置の、(a)は画素領域、(b)はパッド領域、(c)は周辺回路領域の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る固体撮像装置において、実施の形態1に係る固体撮像装置と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
図4(a)に示すように、画素領域において、第一拡散防止膜8上に第二配線層間膜9が形成され、第二配線層間膜9と層間膜12上に最上配線13a及び保護膜15が形成されている。第二配線層間膜9は、層間膜12と同様にSiO2膜が用いられている。
図4(b)に示すように、パッド領域において、第二配線層間膜9上に、Cuを用いた第二配線10が形成されている。第二配線10上には、第二配線10のCu原子の拡散を抑える第二拡散防止膜11が形成されている。第二拡散防止膜11上には、層間膜12が形成されている。
図4(c)に示すように、周辺回路領域において、層間膜9上に、第二配線10が形成され、第二配線10上に第二拡散防止膜11が形成されている。ヴィア20は、第一配線層6と第二配線10を電気的に接続する。第二拡散防止膜11上には、層間膜12が形成され、層間膜12上には最上配線13b及び保護膜15が形成されている。ヴィア21は、第二配線10と最上配線13bを電気的に接続する。
第二配線10は、0.25μm以上のプロセス技術により形成され、第一配線層6は、0.18μm以下のプロセス技術により形成されている。
以上のように周辺回路部では、第一配線6、第二配線10、最上配線13bによって多層配線層が形成されており、パッド14と最上配線13a、13bは同一金属膜より形成されている。図4(a)における最上配線13aは、周辺回路を構成する配線、及び入射光が周辺回路領域に入らないように遮光膜としての役割を担っている。
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。図5〜図9は、本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図である。
図5は、第二配線層間膜9が形成された直後の状態を示し、この構成は上記したとおりであるから説明を省略する。つぎに、図6に示すように、第二配線層間膜9に第二配線10、第二拡散防止膜11を形成する。つぎに、フォトレジストを用いて、パターンニングを行い、図7に示すように、画素領域に形成された第二拡散防止膜11を選択的に除去する。つぎに、図8に示すように層間膜12を形成する。画素領域においては、第二配線層間膜9の上に層間膜12が直接形成されることになる。
つぎに、層間膜12上にAl膜を形成し、パターンニングすることにより、図9に示すように、画素領域および周辺回路領域に、最上配線13a、13bを形成し、パッド領域に、パッド14を形成する。最上配線13a、13bとパッド14は、同一工程により形成される。画素領域における最上配線13aは、入射光がフォトダイオード3のみに入射するように、フォトダイオード3上にのみ開口している。このように形成されることにより、最上配線13aは、カラーフィルター16を通過した入射光が周辺回路領域に入るのを防ぐ、遮光膜としても機能する。
つぎに、図4に示すように、層間膜12、最上配線13a、13b、パッド14上に保護膜15を形成する。つぎに、保護膜15上にフォトレジストを形成し、パッド領域における保護膜15をパターンニングすることにより、開口部17を形成する。つぎに、保護膜15上にカラーフィルター16を形成し、開口部17に対応する箇所のカラーフィルター16をエッチングにより除去する。以上のような製造方法により、本実施の形態に係る固体撮像装置が製造される。
本実施の形態の固体撮像装置は、配線が第一配線層6、第二配線10及び最上配線13a、13bで形成され、最上配線13a、13bは、パッド14と同一工程により形成される。そのため、それぞれに対応した配線層を個別に形成する必要がなく、従来5層必要であった層間絶縁膜が、層間膜5、第一配線層間膜7、第二配線層間膜9、層間膜12の4層に低減でき、層間膜厚全体を薄くすることができる。したがって、フォトダイオード3の受光量が増加し、感度を向上する。
また、周辺回路領域における第二配線層(例えば、0.25μm以上のプロセス技術)10は、一般的に第一配線層(例えば、0.18μm以下のプロセス技術)6よりも設計寸法が緩和されたルールで設計されているため、配線幅が大きくなり、ヴィア21と接触する面積が増加する。したがって、ヴィア21とのコンタクト性能が向上し、信頼性を高めることができる。
なお、本実施の形態において、最上配線13a、13bおよびパッド14は、Alで形成された場合を示したが、Al合金膜にようにAlを主成分とする材料であってもよい。
また、本実施の形態では、画素領域では、配線が2層、周辺回路領域では配線が3層である場合を示したが、これらの場合に限定せず、周辺回路領域に配線が4層以上あってもよい。
本発明は、信頼性の高いパッド耐性を有し、高感度であるという利点を有し、固体撮像装置として利用可能である。
本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置の平面図 同上固体撮像装置のA−A'断面の構成を示す断面図 同上固体撮像装置のB−B'断面の構成を示す断面図 本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置の構成を示す断面図 同上固体撮像装置の製造方法を示す工程断面図 図5に示す工程のつぎの工程を示す断面図 図6に示す工程のつぎの工程を示す断面図 図7に示す工程のつぎの工程を示す断面図 図8に示す工程のつぎの工程を示す断面図 従来の固体撮像装置の構成を示す断面図
符号の説明
1 半導体基板
2 素子分離
3 フォトダイオード
4 表面シールド層
5、12 層間膜
6 第一配線
7 第一配線層間膜
8 第一拡散防止膜
9 第二配線層間膜
10 第二配線
11 第二拡散防止膜
13a 遮光膜
13b 最上配線
14 パッド
15 保護膜
16 カラーフィルター
17 開口部
18、36a サリサイド膜
19 コンタクト
20、21 ヴィア
31 読み出しトランジスタ
32 ゲート酸化膜
33 読み出しトランジスタゲート電極
34 リセットトランジスタゲート電極
35 トランジスタ
36 ゲート電極
41 フローティングディフュージョン部
42 増幅トランジスタ

Claims (8)

  1. 半導体基板にフォトダイオードを有する画素セルが配列された画素領域と、
    下層配線に接続されたパッドが形成されたパッド領域と、
    前記フォトダイオードからの信号を転送する周辺回路領域とを備え、
    前記画素領域は、前記フォトダイオードの周辺部に遮光膜を有し、
    前記画素領域、前記パッド領域及び前記周辺回路領域は、前記半導体基板の上部に形成された多層配線を有する固体撮像装置において、
    前記パッドおよび前記遮光膜は、前記多層配線の最上層により形成されたことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記遮光膜は、配線として用いられる請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記多層配線は、前記半導体基板に近い層の配線がCuを用いて形成され、前記多層配線の最上層がAlまたはAlを主成分とする材料により形成され請求項1または2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記半導体基板に形成されたトランジスタのゲート電極が配線を形成する請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記パッドは、厚さが400nm以上である請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  6. 0.18μm以下のプロセス技術を用いて形成された請求項1〜5のいずれかに記載の固体撮像装置。
  7. 前記多層配線は、前記画素領域においては2層であり、前記周辺回路領域においては3層以上である請求項6に記載の固体撮像装置。
  8. 前記周辺回路領域における最上層配線層の一層下の配線層は0.25μm以上のプロセス技術に対応する線幅で形成されている請求項6または7に記載の固体撮像装置。
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