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JP2014232761A - Solid-state imaging device - Google Patents

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JP2014232761A
JP2014232761A JP2013111841A JP2013111841A JP2014232761A JP 2014232761 A JP2014232761 A JP 2014232761A JP 2013111841 A JP2013111841 A JP 2013111841A JP 2013111841 A JP2013111841 A JP 2013111841A JP 2014232761 A JP2014232761 A JP 2014232761A
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photoelectric conversion
region
light guide
light
layer
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JP2013111841A
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政次 板橋
Masaji Itabashi
政次 板橋
一成 川端
Kazunari Kawabata
一成 川端
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Canon Inc
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Abstract

【課題】 ノイズの発生を抑制する。【解決手段】 光電変換部が配列された第1領域と、光電変換部が配列された第2領域とが、前記第2領域の前記光電変換部が配列された方向に垂直な方向にて重なり、前記第1領域と前記第2領域との間に絶縁領域が配された光電変換装置であって、前記絶縁領域に、各々が前記第1領域の前記光電変換部および前記第2領域の前記光電変換部の少なくとも一方に対応する導光路が配列されている。【選択図】 図1To suppress the generation of noise. A first region in which photoelectric conversion units are arranged and a second region in which photoelectric conversion units are arranged overlap in a direction perpendicular to the direction in which the photoelectric conversion units are arranged in the second region. , A photoelectric conversion device in which an insulating region is disposed between the first region and the second region, each of the photoelectric conversion unit of the first region and the photoelectric conversion unit of the second region in the insulating region A light guide path corresponding to at least one of the photoelectric conversion units is arranged. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、複数の光電変換層を有する撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging device having a plurality of photoelectric conversion layers.

光電変換層の分光特性を利用した光電変換装置として、特許文献1には複数段に積層された半導体チップごとに色分離を行う固体撮像装置が記載されている。   As a photoelectric conversion device using the spectral characteristics of the photoelectric conversion layer, Patent Literature 1 describes a solid-state imaging device that performs color separation for each semiconductor chip stacked in a plurality of stages.

特開2010−135700号公報JP 2010-135700 A

特許文献1に記載された技術では、適切な光電変換部で光電変換することに関して検討が十分でない。つまり、或る光電変換部において、本来、光電変換されるべきでない光が光電変換され、その結果として生成される信号によって、ノイズが生じる場合がある。   In the technique described in Patent Document 1, there is not enough study on photoelectric conversion by an appropriate photoelectric conversion unit. That is, in a certain photoelectric conversion unit, light that should not be photoelectrically converted is photoelectrically converted, and noise may be generated by a signal generated as a result.

上記課題を解決するための手段は、光電変換部が配列された第1領域と、光電変換部が配列された第2領域とが、前記第2領域の前記光電変換部が配列された方向に垂直な方向にて重なり、前記第1領域と前記第2領域との間に絶縁領域が配された光電変換装置であって、前記絶縁領域に、各々が前記第1領域の前記光電変換部および前記第2領域の前記光電変換部の少なくとも一方に対応する導光路が配列されていることを特徴とする。   Means for solving the above problem is that the first region in which the photoelectric conversion units are arranged and the second region in which the photoelectric conversion units are arranged are in the direction in which the photoelectric conversion units in the second region are arranged. A photoelectric conversion device that overlaps in a vertical direction and has an insulating region disposed between the first region and the second region, wherein each of the photoelectric conversion units in the first region and the photoelectric conversion unit in the insulating region A light guide path corresponding to at least one of the photoelectric conversion units in the second region is arranged.

本発明によれば、ノイズの発生が抑制された光電変換装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion apparatus with which generation | occurrence | production of noise was suppressed can be provided.

光電変換装置の一例の断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an example of a photoelectric conversion device. 光電変換装置の製造方法の一例の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of an example of the manufacturing method of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の一例の断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an example of a photoelectric conversion device. 光電変換装置の一例の断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an example of a photoelectric conversion device. フィルタ層のパターンの一例の平面模式図。The plane schematic diagram of an example of the pattern of a filter layer. 光電変換装置の一例の断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an example of a photoelectric conversion device.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の説明および図面において、複数の図面を相互に参照することができる。また、同一、あるいは類似の構成については共通の符号を付しており、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the following description and drawings, a plurality of drawings can be referred to each other. The same or similar components are denoted by common reference numerals, and the description of the elements denoted by the common reference numerals is omitted as appropriate.

図1(a)、(b)はそれぞれが光電変換装置の第1実施形態の一例の断面模式図である。図1(a)と(b)では後述する導光路の構造が異なるが、まずは図1(a)と図1(b)の光電変換装置に共通の事項について説明する。   FIGS. 1A and 1B are schematic cross-sectional views of examples of the first embodiment of the photoelectric conversion device. 1A and 1B are different in the structure of a light guide path to be described later. First, matters common to the photoelectric conversion devices in FIGS. 1A and 1B will be described.

光電変換装置100は、光の入射側から順に、第1光電変換層101、第2光電変換層102および第3光電変換層103の3つの光電変換層が積層された構成となっている。ここでは光電変換層を3層としているが、複数層であれば、光電変換層を2層としてもよいし、4層以上としてもよい。   The photoelectric conversion device 100 has a configuration in which three photoelectric conversion layers of a first photoelectric conversion layer 101, a second photoelectric conversion layer 102, and a third photoelectric conversion layer 103 are stacked in order from the light incident side. Here, the photoelectric conversion layer has three layers. However, as long as there are a plurality of layers, the photoelectric conversion layer may have two layers, or may have four or more layers.

光電変換層の材料は、無機材料であっても有機材料であってもよい。無機材料としては例えば単結晶または多結晶の半導体材料であり、SiやGeなどの元素半導体やGaAsやZnOなどの化合物半導体が用いられる。光電変換層毎にその構成材料が異なっていてもよい。   The material of the photoelectric conversion layer may be an inorganic material or an organic material. The inorganic material is, for example, a single crystal or polycrystalline semiconductor material, and an elemental semiconductor such as Si or Ge or a compound semiconductor such as GaAs or ZnO is used. The constituent material may be different for each photoelectric conversion layer.

各光電変換層には複数の光電変換部が配列されている。各光電変換部は、フォトダイオードやフォトゲート等の半導体素子によって構成することができる。図1(a)、(b)には第1光電変換層101の光電変換部として第1光電変換部1011,1012を示している。同様に第2光電変換層102の光電変換部として第2光電変換部1021,1022を示し、第3光電変換層103の光電変換部として第3光電変換部1031,1032を示している。各光電変換層に配列される光電変換部の数はここでは2であるが、1万以上あるいは1千万以上の光電変換部を例えば行列状に配列することができる。或る光電変換層において光電変換部が配列される方向を配列方向と称する。この配列方向は、光電変換層の主面に沿った方向、すなわち光電変換層の面内方向である。   A plurality of photoelectric conversion units are arranged in each photoelectric conversion layer. Each photoelectric conversion unit can be configured by a semiconductor element such as a photodiode or a photogate. 1A and 1B show first photoelectric conversion units 1011 and 1012 as photoelectric conversion units of the first photoelectric conversion layer 101. FIG. Similarly, the second photoelectric conversion units 1021 and 1022 are shown as the photoelectric conversion units of the second photoelectric conversion layer 102, and the third photoelectric conversion units 1031 and 1032 are shown as the photoelectric conversion units of the third photoelectric conversion layer 103. Although the number of photoelectric conversion units arranged in each photoelectric conversion layer is two here, 10,000 or more or 10 million or more photoelectric conversion units can be arranged in a matrix, for example. A direction in which the photoelectric conversion units are arranged in a certain photoelectric conversion layer is referred to as an arrangement direction. This arrangement direction is a direction along the main surface of the photoelectric conversion layer, that is, an in-plane direction of the photoelectric conversion layer.

光電変換層において、光電変換部が配列された領域が光電変換領域である。例えば、第1光電変換層101は、第1光電変換部1011,1012が配列された第1光電変換領域を有する。例えば、第2光電変換層102は、第2光電変換部1021,1022が配列された第2光電変換領域を有する。光電変換領域は光電変換層の全部であっても一部であってもよく、光電変換層は、光電変換領域以外に、光電変換領域で生成された信号を処理する信号処理領域を有することができる。図1では、光電変換層の一部としての光電変換領域を部分的に示している。複数の光電変換層101、102、103は、各光電変換層の光電変換領域が重なるように積層されている。光電変換領域が重なる方向は光電変換層の積層方向と実質的に一致する。第1光電変換層101の第1光電変換領域と第2光電変換層102の第2光電変換領域が重なる方向は、第2光電変換層102の第2光電変換部1021,1022とが配列された方向に垂直である。第2光電変換層102の第2光電変換領域と第3光電変換層103の第3光電変換領域)が重なる方向は、第3光電変換層103の第3光電変換部1031,1032が配列された方向に垂直である。第1光電変換層101における光電変換部の配列方向は、典型的には、第2光電変換層102における光電変換部の配列方向に平行であるが、非平行であってもよい。   In the photoelectric conversion layer, a region where the photoelectric conversion units are arranged is a photoelectric conversion region. For example, the first photoelectric conversion layer 101 has a first photoelectric conversion region in which first photoelectric conversion units 1011 and 1012 are arranged. For example, the second photoelectric conversion layer 102 has a second photoelectric conversion region in which the second photoelectric conversion units 1021 and 1022 are arranged. The photoelectric conversion region may be the whole or a part of the photoelectric conversion layer, and the photoelectric conversion layer may have a signal processing region for processing signals generated in the photoelectric conversion region in addition to the photoelectric conversion region. it can. In FIG. 1, a photoelectric conversion region as a part of the photoelectric conversion layer is partially illustrated. The plurality of photoelectric conversion layers 101, 102, and 103 are stacked so that the photoelectric conversion regions of the respective photoelectric conversion layers overlap. The direction in which the photoelectric conversion regions overlap substantially coincides with the stacking direction of the photoelectric conversion layers. In the direction in which the first photoelectric conversion region of the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion region of the second photoelectric conversion layer 102 overlap, the second photoelectric conversion units 1021 and 1022 of the second photoelectric conversion layer 102 are arranged. Perpendicular to the direction. In the direction in which the second photoelectric conversion region of the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion region of the third photoelectric conversion layer 103 overlap, the third photoelectric conversion units 1031 and 1032 of the third photoelectric conversion layer 103 are arranged. Perpendicular to the direction. The arrangement direction of the photoelectric conversion units in the first photoelectric conversion layer 101 is typically parallel to the arrangement direction of the photoelectric conversion units in the second photoelectric conversion layer 102, but may be non-parallel.

ここで、複数の光電変換層の積層方向において互いに重なる光電変換部で構成される光電変換部の群を、光電変換ユニットと称する。本例では、第1光電変換部1011と第2光電変換部1021と第3光電変換部1031が、一つの光電変換ユニットとして、第1光電変換ユニットを構成する。また、第1光電変換部1012と第2光電変換部1022と第3光電変換部1032が、一つの光電変換ユニットとして、第2光電変換ユニットを構成する。光電変換ユニットの数は、各光電変換層に配列される光電変換部の数と一致しても、一致しなくてもよい。例えば、1つの光電変換ユニットは、第1光電変換層101の2つの光電変換部と、第2光電変換部102の4つの光電変換部とで構成されてもよい。   Here, a group of photoelectric conversion units configured by photoelectric conversion units that overlap each other in the stacking direction of the plurality of photoelectric conversion layers is referred to as a photoelectric conversion unit. In this example, the first photoelectric conversion unit 1011, the second photoelectric conversion unit 1021, and the third photoelectric conversion unit 1031 constitute a first photoelectric conversion unit as one photoelectric conversion unit. In addition, the first photoelectric conversion unit 1012, the second photoelectric conversion unit 1022, and the third photoelectric conversion unit 1032 constitute a second photoelectric conversion unit as one photoelectric conversion unit. The number of photoelectric conversion units may or may not match the number of photoelectric conversion units arranged in each photoelectric conversion layer. For example, one photoelectric conversion unit may include two photoelectric conversion units of the first photoelectric conversion layer 101 and four photoelectric conversion units of the second photoelectric conversion unit 102.

第1光電変換層101、第2光電変換層102および第3光電変換層103は、それぞれが絶縁領域(第1絶縁領域104、第2絶縁領域105)を介して積層されている。つまり、複数の光電変換領域の間には絶縁領域が位置している。この絶縁領域により、各光電変換領域に生じた電荷の光電変換領域間での混合が低減される。なお、光電変換領域内での光電変換部間での電荷の混合は、公知の素子分離構造により低減することができる。光電変換領域は単層もしくは複層の絶縁層で構成され、この絶縁層を層間絶縁層と称する。本例の層間絶縁層を構成する絶縁体は固体であるが、液体または気体であってもよい。固体の層間絶縁層は、層間絶縁膜を構成する。層間絶縁膜は、1層の層間絶縁層のみを含む単層膜でもよく、複数の層間絶縁層を含む多層膜であってもよい。本例では、第1光電変換層101と第2光電変換層102との間には第1絶縁領域104を構成する第1層間絶縁膜111が設けられている。第2光電変換層102と第3光電変換層103との間には、第2絶縁領域104を構成する第2光電変換層102側の第2層間絶縁膜112と、第3光電変換層103側の第3層間絶縁膜113が設けられている。本例では、第1層間絶縁膜111、第2層間絶縁膜112および第3層間絶縁膜113はそれぞれ複数の層間絶縁層を含む多層膜である。   The first photoelectric conversion layer 101, the second photoelectric conversion layer 102, and the third photoelectric conversion layer 103 are stacked through insulating regions (first insulating region 104 and second insulating region 105), respectively. That is, the insulating region is located between the plurality of photoelectric conversion regions. Due to this insulating region, mixing of charges generated in the photoelectric conversion regions between the photoelectric conversion regions is reduced. Note that the mixing of charges between the photoelectric conversion portions in the photoelectric conversion region can be reduced by a known element isolation structure. The photoelectric conversion region is composed of a single layer or multiple layers of insulating layers, and this insulating layer is referred to as an interlayer insulating layer. The insulator constituting the interlayer insulating layer of this example is a solid, but may be a liquid or a gas. The solid interlayer insulating layer constitutes an interlayer insulating film. The interlayer insulating film may be a single layer film including only one interlayer insulating layer or a multilayer film including a plurality of interlayer insulating layers. In this example, a first interlayer insulating film 111 constituting the first insulating region 104 is provided between the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion layer 102. Between the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion layer 103, the second interlayer insulating film 112 on the second photoelectric conversion layer 102 side constituting the second insulating region 104, and the third photoelectric conversion layer 103 side The third interlayer insulating film 113 is provided. In this example, the first interlayer insulating film 111, the second interlayer insulating film 112, and the third interlayer insulating film 113 are each a multilayer film including a plurality of interlayer insulating layers.

光電変換領域同士の間の絶縁領域には、導光路(例えば第1導光路1311と第2導光路1312)が配列されている。導光路に対応する光電変換部は、導光路に対して光が入射する側および出射する側の少なくとも一方に位置していればよい。この導光路により、光電変換層間で対応づけられた光電変換部で光を光電変換することができる。そのため、ノイズの発生を抑制することができる。光電変換層間で対応づけられた光電変換部とは、例えば、1つの光電変換ユニットを構成する光電変換部である。導光路の具体的な構造については後述する。   A light guide (for example, the first light guide 1311 and the second light guide 1312) is arranged in the insulating region between the photoelectric conversion regions. The photoelectric conversion unit corresponding to the light guide path only needs to be positioned on at least one of the light incident side and the light output side with respect to the light guide path. By this light guide path, light can be photoelectrically converted by a photoelectric conversion unit associated between the photoelectric conversion layers. Therefore, generation of noise can be suppressed. The photoelectric conversion units associated between the photoelectric conversion layers are, for example, photoelectric conversion units that constitute one photoelectric conversion unit. The specific structure of the light guide will be described later.

光電変換装置100には、第1光電変換層101の、第2光電変換層102の側とは反対側から、光電変換されるべき光が入射する。光電変換されるべき光とは、例えば、互いに波長が異なる第1種光、第2種光および第3種光である。第1種光の波長をλ、第2種光の波長をλ、第3種光の波長をλとする。第1種光は第1光電変換層101で光電変換され、第2種光は第2光電変換層102で光電変換され、第3種光は第3光電変換層103で光電変換される。ただし、第1光電変換層101では、第1種光以外の第2種光や第3種光も光電変換されうる。第2光電変換層102と第3光電変換層103についても同様である。第1種光と第2種光と第3種光は、第1光電変換層101、第2光電変換層102、第3光電変換層103における吸光係数が異なる。第1種光の大部分は第1光電変換層101で吸収され、第2種光と第3種光の大部分は、第1光電変換層101を透過する。第2種光の大部分は第2光電変換層102で吸収され、第3種光の大部分は、第2光電変換層102を透過する。光電変換層がシリコン層である場合、可視光領域においては短波長ほど吸光係数が高くなる。そのため、第1種光、第2種光、第3種光の順で波長が長くなる(λ<λ<λ)。本例では第1種光は青色光であり、第2種光は緑色光であり、第3種光は赤色光である。光電変換装置100で光電変換される光は、可視光に限ったものではなく、紫外光や赤外光であってもよい。 Light to be subjected to photoelectric conversion enters the photoelectric conversion device 100 from the opposite side of the first photoelectric conversion layer 101 to the second photoelectric conversion layer 102. The light to be photoelectrically converted is, for example, first type light, second type light, and third type light having different wavelengths. The wavelength of the first type light is λ 1 , the wavelength of the second type light is λ 2 , and the wavelength of the third type light is λ 3 . The first type light is photoelectrically converted by the first photoelectric conversion layer 101, the second type light is photoelectrically converted by the second photoelectric conversion layer 102, and the third type light is photoelectrically converted by the third photoelectric conversion layer 103. However, the first photoelectric conversion layer 101 can also photoelectrically convert second type light and third type light other than the first type light. The same applies to the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion layer 103. The first type light, the second type light, and the third type light have different extinction coefficients in the first photoelectric conversion layer 101, the second photoelectric conversion layer 102, and the third photoelectric conversion layer 103. Most of the first type light is absorbed by the first photoelectric conversion layer 101, and most of the second type light and third type light are transmitted through the first photoelectric conversion layer 101. Most of the second type light is absorbed by the second photoelectric conversion layer 102, and most of the third type light passes through the second photoelectric conversion layer 102. When the photoelectric conversion layer is a silicon layer, in the visible light region, the shorter the wavelength, the higher the extinction coefficient. Therefore, the wavelength becomes longer in the order of first type light, second type light, and third type light (λ 123 ). In this example, the first type light is blue light, the second type light is green light, and the third type light is red light. The light photoelectrically converted by the photoelectric conversion device 100 is not limited to visible light, and may be ultraviolet light or infrared light.

各光電変換層の厚みは、各光電変換層で主に光電変換される光の波長に応じて設定される。本例では、第1光電変換層101、第2光電変換層102および第3光電変換層103がそれぞれシリコン層である。第1光電変換層101としてのシリコン層の厚みは、緑色光と赤色光を透過させて青色光を効率的に吸収できるように0.4μm以上0.8μm以下である。第2光電変換層102としてのシリコン層の厚みは、赤色光を透過させて緑色光を効率的に吸収できるように1.2μm以上2.0μm以下である。第3光電変換層103としてのシリコン層の厚みは、赤色光を効率的に吸収できるように3.0μm以上である。なお、本例では、第3光電変換層103が光電変換装置100の支持体として兼用しているので、第3光電変換層103の厚みは100μm以上、例えば700μm以上800μm以下である。光電変換層として、上記した厚みのシリコン層を採用することで、第1光電変換層101では主に400nm以上500nm未満の波長帯域の光(青色光)が光電変換される。第2光電変換層102では主に500nm以上600nm未満の波長帯域の光(緑色光)が光電変換される。第3光電変換層103では主に600nm以上700nm未満の波長帯域の光(赤色光)が光電変換される。本例では、便宜的に第1種光の波長λを450nm、第2種光の波長λを550nm、第3種光の波長λを650nmと設定している。 The thickness of each photoelectric conversion layer is set according to the wavelength of light mainly photoelectrically converted in each photoelectric conversion layer. In this example, the first photoelectric conversion layer 101, the second photoelectric conversion layer 102, and the third photoelectric conversion layer 103 are silicon layers. The thickness of the silicon layer as the first photoelectric conversion layer 101 is 0.4 μm or more and 0.8 μm or less so that green light and red light can be transmitted and blue light can be efficiently absorbed. The thickness of the silicon layer as the second photoelectric conversion layer 102 is 1.2 μm or more and 2.0 μm or less so that the red light can be transmitted and the green light can be efficiently absorbed. The thickness of the silicon layer as the third photoelectric conversion layer 103 is 3.0 μm or more so that red light can be efficiently absorbed. In this example, since the third photoelectric conversion layer 103 is also used as a support of the photoelectric conversion device 100, the thickness of the third photoelectric conversion layer 103 is 100 μm or more, for example, 700 μm or more and 800 μm or less. By adopting the silicon layer having the above thickness as the photoelectric conversion layer, light (blue light) in a wavelength band of 400 nm or more and less than 500 nm is mainly photoelectrically converted in the first photoelectric conversion layer 101. In the second photoelectric conversion layer 102, light (green light) having a wavelength band of 500 nm or more and less than 600 nm is mainly photoelectrically converted. In the third photoelectric conversion layer 103, light (red light) having a wavelength band of 600 nm or more and less than 700 nm is mainly photoelectrically converted. In this example, for convenience, the wavelength λ 1 of the first type light is set to 450 nm, the wavelength λ 2 of the second type light is set to 550 nm, and the wavelength λ 3 of the third type light is set to 650 nm.

このように、光電変換装置100では光電変換層自体の分光透過特性により色分離を行うことができる。受光面に対して垂直方向に色分離を行うことができるため、解像度を向上することができる。また、カラーフィルタを設けなくても色分離ができるため、光利用効率が向上する。ただし、色純度を高めたり、特定の波長を選択したりする目的で、光電変換層間や受光面上に原色系(RGB)あるいは補色系(CMY)のフィルタ(波長選択層)を用いてもよい。例えば、第1光電変換層101と第2光電変換層102との間には、第1種光を吸収し、第2種光および第3種光を透過するフィルタを設けることができる。また、例えば、第2光電変換層102と第3光電変換層103との間には、第1種光と第2種光を吸収し、第3種光を透過するフィルタを設けることができる。   As described above, the photoelectric conversion device 100 can perform color separation based on the spectral transmission characteristics of the photoelectric conversion layer itself. Since color separation can be performed in a direction perpendicular to the light receiving surface, the resolution can be improved. Further, since color separation can be performed without providing a color filter, light utilization efficiency is improved. However, a primary color (RGB) or complementary color (CMY) filter (wavelength selection layer) may be used on the photoelectric conversion layer or on the light receiving surface for the purpose of increasing color purity or selecting a specific wavelength. . For example, a filter that absorbs the first type light and transmits the second type light and the third type light can be provided between the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion layer 102. For example, a filter that absorbs the first type light and the second type light and transmits the third type light can be provided between the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion layer 103.

光電変換装置100には、第1光電変換層101の、第2光電変換層102の側とは反対側、つまり光が入射する側には複数のマイクロレンズで構成されたレンズアレイ120が設けられている。光電変換装置100では1つのマイクロレンズには、複数の光電変換層に渡って配された複数の光電変換部が対応する。本例では、第1マイクロレンズ1201には、第1光電変換ユニットの3つの光電変換部1011、1021、1031が対応することになる。同様に、第2マイクロレンズ1202には、第2光電変換ユニットの3つの光電変換部1012、1022、1032が対応することになる。   The photoelectric conversion device 100 is provided with a lens array 120 composed of a plurality of microlenses on the first photoelectric conversion layer 101 opposite to the second photoelectric conversion layer 102 side, that is, on the light incident side. ing. In the photoelectric conversion apparatus 100, one microlens corresponds to a plurality of photoelectric conversion units arranged over a plurality of photoelectric conversion layers. In this example, the first microlens 1201 corresponds to the three photoelectric conversion units 1011, 1021, and 1031 of the first photoelectric conversion unit. Similarly, the three photoelectric conversion units 1012, 1022, and 1032 of the second photoelectric conversion unit correspond to the second microlens 1202.

レンズアレイ120と第1光電変換層101との間には透光膜121が設けられている。透光膜121は第1種光と第2種光と第3種光の少なくともいずれか2種類を透過する光透過特性を有る。本例の透光膜121は1層の透光層からなる単層膜であるが、多層膜であってもよい。透光膜121がフィルタ層を有していてもよい。本例の透光膜121は第1種光、第2種光および第3種光を透過する光透過特性を有する。   A translucent film 121 is provided between the lens array 120 and the first photoelectric conversion layer 101. The translucent film 121 has a light transmission characteristic that transmits at least one of the first type light, the second type light, and the third type light. The translucent film 121 of this example is a single layer film composed of one translucent layer, but may be a multilayer film. The translucent film 121 may have a filter layer. The translucent film 121 of this example has a light transmission characteristic that transmits the first type light, the second type light, and the third type light.

第1層間絶縁膜111の内部には第1配線141が設けられている。第1配線141は、不図示のビアで相互接続された複数の配線層(本例では3層)からなる多層配線である。本例においては、第1層間絶縁膜111の各層間絶縁層は、光電変換層間の絶縁に加えて、配線層間の絶縁も果たしている。第1配線141は、半導体層である第1光電変換層101に、ソース・ドレイン領域やチャネル領域などの半導体領域が設けられたトランジスタなどの半導体素子に接続されている。半導体素子は電荷結合素子(CCD)であってもよい。図1(a)、(b)にはトランジスタ151を示している。トランジスタ151の電極(ゲート電極)は第1光電変換層101と第1層間絶縁膜111との間に位置している。   A first wiring 141 is provided inside the first interlayer insulating film 111. The first wiring 141 is a multilayer wiring composed of a plurality of wiring layers (three layers in this example) interconnected by vias (not shown). In this example, each interlayer insulating layer of the first interlayer insulating film 111 performs insulation between wiring layers in addition to insulation between photoelectric conversion layers. The first wiring 141 is connected to a semiconductor element such as a transistor in which a semiconductor region such as a source / drain region or a channel region is provided in the first photoelectric conversion layer 101 which is a semiconductor layer. The semiconductor element may be a charge coupled device (CCD). 1A and 1B show a transistor 151. FIG. The electrode (gate electrode) of the transistor 151 is located between the first photoelectric conversion layer 101 and the first interlayer insulating film 111.

第2層間絶縁膜112の内部には第2配線142が設けられている。第2配線142も多層配線である。第2配線142は、第2光電変換層102に半導体領域を有する半導体素子に接続されている。図1(a)、(b)には半導体素子としてのトランジスタ152を示している。トランジスタ152の電極(ゲート電極)は第2光電変換層102と第2層間絶縁膜112との間に位置している。つまり、トランジスタ152は第2光電変換層102の第3光電変換層103側(第1光電変換層101側とは反対側)に位置している。   A second wiring 142 is provided inside the second interlayer insulating film 112. The second wiring 142 is also a multilayer wiring. The second wiring 142 is connected to a semiconductor element having a semiconductor region in the second photoelectric conversion layer 102. 1A and 1B show a transistor 152 as a semiconductor element. The electrode (gate electrode) of the transistor 152 is located between the second photoelectric conversion layer 102 and the second interlayer insulating film 112. That is, the transistor 152 is located on the third photoelectric conversion layer 103 side (the opposite side to the first photoelectric conversion layer 101 side) of the second photoelectric conversion layer 102.

第3層間絶縁膜113の内部には第3配線143が設けられている。第3配線143も多層配線である。第3配線143は、第3光電変換層103に半導体領域を有する半導体素子に接続されている。図1(a)、(b)には半導体素子としてのトランジスタのゲート電極153を示している。ゲート電極153は第3光電変換層103と第3層間絶縁膜113の間に位置している。つまり、ゲート電極153は第3光電変換層103の第2光電変換層102側に位置している。このように、トランジスタ151とトランジスタ152は、それぞれが対応する光電変換層の、光の入射側とは反対側に配置されている。これにより、例えば、第1光電変換層101を透過した第2種光が、第2光電変換層102のゲート電極152で散乱されて、第1光電変換層101の光電変換部へ入射して光電変換されることを低減できる。本例では、トランジスタ152とトランジスタ153は第2光電変換層102と第3光電変換層103の間に位置している。しかしトランジスタ151、152と同様に、トランジスタ153を第3光電変換層103の第2光電変換層102側とは反対側に配置することもできる。   A third wiring 143 is provided inside the third interlayer insulating film 113. The third wiring 143 is also a multilayer wiring. The third wiring 143 is connected to a semiconductor element having a semiconductor region in the third photoelectric conversion layer 103. 1A and 1B show a gate electrode 153 of a transistor as a semiconductor element. The gate electrode 153 is located between the third photoelectric conversion layer 103 and the third interlayer insulating film 113. That is, the gate electrode 153 is located on the second photoelectric conversion layer 102 side of the third photoelectric conversion layer 103. As described above, the transistor 151 and the transistor 152 are arranged on the opposite side of the light incident side of the corresponding photoelectric conversion layer. Thereby, for example, the second type light transmitted through the first photoelectric conversion layer 101 is scattered by the gate electrode 152 of the second photoelectric conversion layer 102 and is incident on the photoelectric conversion unit of the first photoelectric conversion layer 101 to be photoelectrically It is possible to reduce the conversion. In this example, the transistor 152 and the transistor 153 are located between the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion layer 103. However, like the transistors 151 and 152, the transistor 153 can be disposed on the opposite side of the third photoelectric conversion layer 103 from the second photoelectric conversion layer 102 side.

トランジスタとしては、対応する光電変換部の信号電荷を転送する転送トランジスタや、信号電荷から電気信号を生成する増幅トランジスタでありうる。そのほか、信号電荷をリセットするリセットトランジスタや、増幅トランジスタの出力を制御する選択トランジスタであってもよい。光電変換部が配列された領域の周辺には、例えばシフトレジスタ、デコーダ、ADコンバータ等で構成される周辺回路が含まれる。周辺回路を光電変換層毎に設けることができる。   The transistor may be a transfer transistor that transfers a signal charge of a corresponding photoelectric conversion unit or an amplification transistor that generates an electric signal from the signal charge. In addition, it may be a reset transistor that resets the signal charge or a selection transistor that controls the output of the amplification transistor. Peripheral circuits including, for example, a shift register, a decoder, an AD converter, and the like are included around the area where the photoelectric conversion units are arranged. A peripheral circuit can be provided for each photoelectric conversion layer.

配線層の材料の主成分としては、アルミニウム、銅、金、タングステン、チタン、タンタル、窒化チタン、窒化タンタルなどを用いることができる。必要に応じて、電極の材料としてはポリシリコンや金属を用いることができる。透明電極を用いることもできる。   As the main component of the material of the wiring layer, aluminum, copper, gold, tungsten, titanium, tantalum, titanium nitride, tantalum nitride, or the like can be used. If necessary, polysilicon or metal can be used as the electrode material. A transparent electrode can also be used.

本実施形態の光電変換装置は、様々な用途に用いられる。もっとも典型的には撮像装置(イメージセンサ)である。撮像装置では1つのマイクロレンズに対応して別々の光電変換層に設けられた複数の光電変換部、つまり1つの光電変換ユニットが1つの画素を構成することが可能である。各光電変換層の光電変換部で得られた色毎の信号を処理することでカラー画像を得ることができる。光電変換層毎に、光電変換部で光電変換されて生じた信号電荷の量に応じた電圧あるいは電流である電気信号を生成するための信号生成回路を設けることができる。また、光電変換層毎に、上記電気信号を処理する信号処理回路を設けることもできる。第1光電変換層101で光電変換される光は第1種光に対応した信号として扱われる。そのため、第1光電変換層101で光電変換された第2種光や第3種光が存在すると、第1種光の信号に混色となって現れる。光電変換層の上面および下面の少なくとも一方に反射防止膜を設けることで、本来、第2光電変換層102で光電変換されるべき第2種光の反射光が第1光電変換層101で光電変換される現象を抑制できる。そのため、混色が低減される。   The photoelectric conversion device of this embodiment is used for various applications. Most typically, it is an imaging device (image sensor). In the imaging apparatus, a plurality of photoelectric conversion units provided in different photoelectric conversion layers corresponding to one microlens, that is, one photoelectric conversion unit can constitute one pixel. A color image can be obtained by processing a signal for each color obtained in the photoelectric conversion portion of each photoelectric conversion layer. For each photoelectric conversion layer, a signal generation circuit for generating an electric signal that is a voltage or current corresponding to the amount of signal charge generated by photoelectric conversion in the photoelectric conversion unit can be provided. In addition, a signal processing circuit that processes the electrical signal may be provided for each photoelectric conversion layer. The light photoelectrically converted by the first photoelectric conversion layer 101 is treated as a signal corresponding to the first type light. Therefore, if the second type light or the third type light photoelectrically converted by the first photoelectric conversion layer 101 exists, it appears as a mixed color in the signal of the first type light. By providing an antireflection film on at least one of the upper surface and the lower surface of the photoelectric conversion layer, the reflected light of the second type light that is originally to be photoelectrically converted by the second photoelectric conversion layer 102 is photoelectrically converted by the first photoelectric conversion layer 101. Can be suppressed. Therefore, color mixing is reduced.

撮像装置以外では測光装置(AEセンサ)や焦点検出装置(AFセンサ)などとしても用いることができる。複数の光電変換層のある光電変換層が撮像機能を有し、別の光電変換層が焦点検出機能や測光機能を有する形態を採用することもできる。また、光電変換装置は太陽電池などの発電装置としても用いることができる。太陽電池においては、ある波長の光をより量子効率の高い光電変換層で光電変換することで、発電効率の向上が見込まれる。   Other than the imaging device, it can also be used as a photometric device (AE sensor) or a focus detection device (AF sensor). A form in which a photoelectric conversion layer having a plurality of photoelectric conversion layers has an imaging function and another photoelectric conversion layer has a focus detection function and a photometric function can also be employed. The photoelectric conversion device can also be used as a power generation device such as a solar battery. In a solar cell, improvement in power generation efficiency is expected by photoelectrically converting light of a certain wavelength with a photoelectric conversion layer having higher quantum efficiency.

導光路について図1(a)を用いて第1例を説明する。第1光電変換層101と第2光電変換層102の間の絶縁領域には第1導光路1311と第2導光路1312が配されている。第1導光路1311は第1光電変換ユニットを構成する第1光電変換層101の第1光電変換部1011と第2光電変換層102の第2光電変換部1021との間に位置している。第2導光路1312は第2光電変換ユニットを構成する第1光電変換層101の第1光電変換部1012と第2光電変換層102の第2光電変換部1022との間に位置している。   A first example of the light guide will be described with reference to FIG. A first light guide path 1311 and a second light guide path 1312 are disposed in an insulating region between the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion layer 102. The first light guide path 1311 is located between the first photoelectric conversion unit 1011 of the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion unit 1021 of the second photoelectric conversion layer 102 constituting the first photoelectric conversion unit. The second light guide 1312 is located between the first photoelectric conversion unit 1012 of the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion unit 1022 of the second photoelectric conversion layer 102 that constitute the second photoelectric conversion unit.

配列された複数の導光路の各々は、例えば複数の光電変換層の一方の光電変換層の光電変換部と、他方の光電変換層の光電変換部の間に設けることができる。各導光路は複数の光電変換層の積層方向において、対応する上下の光電変換部の間に配することが好ましい。また、斜め入射光に対応するため、積層方向に対して傾いた方向において1つの光電変換ユニットを構成する光電変換部の組に対応させて、導光路を配してもよい。これにより、導光路は、対応関係に無い光電変換部へ光が入射することでその光電変換部で発生するノイズを抑制することができる。導光路に対して光が入射する側には、信号を検出するための光電変換部が存在せずに、導光路へ入射する光は単に光電変換層を透過するだけであってもよい。あるいは、導光路に対して光が出射する側には、信号を検出するための光電変換部が存在せずに、導光路へ入射する光は単に光電変換層に透過するあるいは吸収されるだけであってもよい。   Each of the arrayed light guide paths can be provided, for example, between the photoelectric conversion unit of one photoelectric conversion layer of the plurality of photoelectric conversion layers and the photoelectric conversion unit of the other photoelectric conversion layer. Each light guide is preferably disposed between the corresponding upper and lower photoelectric conversion units in the stacking direction of the plurality of photoelectric conversion layers. Further, in order to deal with obliquely incident light, the light guide path may be arranged so as to correspond to a set of photoelectric conversion units constituting one photoelectric conversion unit in a direction inclined with respect to the stacking direction. Thereby, the light guide path can suppress noise generated in the photoelectric conversion unit when light is incident on the photoelectric conversion unit that is not in a correspondence relationship. There is no photoelectric conversion unit for detecting a signal on the light incident side on the light guide path, and the light incident on the light guide path may simply pass through the photoelectric conversion layer. Alternatively, there is no photoelectric conversion unit for detecting a signal on the light emission side with respect to the light guide, and the light incident on the light guide is simply transmitted or absorbed by the photoelectric conversion layer. There may be.

同様に、第2光電変換層102と第3光電変換層103の間の絶縁領域には第1導光路上部1321と第2導光路上部1322が配されている。また、第2光電変換層102と第3光電変換層103の間の絶縁領域には第1導光路下部1331と第2導光路下部1332が配されている。第1導光路上部1321と第1導光路下部1331は第1光電変換ユニットを構成する第2光電変換層102の第2光電変換部1021と第3光電変換層103の第3光電変換部1031との間に位置している。第2導光路上部1322と第2導光路下部1332は第2光電変換ユニットを構成する第2光電変換層102の第2光電変換部1022と第3光電変換層103の第3光電変換部1032との間に位置している。第2導光路上部は導光路の第1部分、第2導光路下部は導光路の第2部分と言い換えることができる。   Similarly, the first light guide path upper part 1321 and the second light guide path upper part 1322 are arranged in the insulating region between the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion layer 103. In addition, a first light guide path lower part 1331 and a second light guide path lower part 1332 are arranged in an insulating region between the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion layer 103. The first light guide path upper part 1321 and the first light guide path lower part 1331 are the second photoelectric conversion part 1021 of the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion part 1031 of the third photoelectric conversion layer 103 that constitute the first photoelectric conversion unit. Located between. The second light guide path upper portion 1322 and the second light guide path lower portion 1332 include the second photoelectric conversion unit 1022 of the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion unit 1032 of the third photoelectric conversion layer 103 that constitute the second photoelectric conversion unit. Located between. In other words, the upper part of the second light guide path can be restated as the first part of the light guide path, and the lower part of the second light guide path can be restated as the second part of the light guide path.

導光路は、その上方に位置する、ある光電変換ユニットの光電変換部を透過した光を、同じ光電変換ユニットに属し、その導光路の下方に位置する光電変換部へ導く。そして、導光路は、その上下に位置する光電変換部を透過した光が、当該光電変換部が属する光電変換ユニット以外の光電変換ユニットの光電変換部へ光が入射することを抑制する。例えば、第1光電変換ユニットの第1光電変換部1011と第2光電変換部1021との間に位置する第1導光路1311は、第1光電変換部1011を透過した光が、第2光電変換ユニットの第2光電変換部1022へ入射することを抑制する。   The light guide path guides light that has passed through the photoelectric conversion unit of a certain photoelectric conversion unit positioned above the light guide path to a photoelectric conversion unit that belongs to the same photoelectric conversion unit and is positioned below the light guide path. And a light guide path suppresses that the light which permeate | transmitted the photoelectric conversion part located in the upper and lower sides injects into the photoelectric conversion part of photoelectric conversion units other than the photoelectric conversion unit to which the said photoelectric conversion part belongs. For example, in the first light guide path 1311 located between the first photoelectric conversion unit 1011 and the second photoelectric conversion unit 1021 of the first photoelectric conversion unit, the light transmitted through the first photoelectric conversion unit 1011 is converted into the second photoelectric conversion unit. The incident on the second photoelectric conversion unit 1022 of the unit is suppressed.

上述したように、導光路の光入射側および光出射側の一方に、対応する光電変換部が存在しない場合にもノイズの抑制に有用である。例えば、或る第1光電変換部を透過した光が、当該第1光電変換部に対応しない第2光電変換部で光電変換されないようにすることができる。また、例えば、第1光電変換層では信号として用いられない光のみを第2光電変換層の第2光電変換部で信号として用いて光電変換することができる。この際に、第1光電変換部を透過した光が、第2光電変換部で光電変換されることによってノイズとなることを抑制できる。   As described above, even when there is no corresponding photoelectric conversion unit on one of the light incident side and the light emitting side of the light guide, it is useful for suppressing noise. For example, light that has passed through a certain first photoelectric conversion unit can be prevented from being photoelectrically converted by a second photoelectric conversion unit that does not correspond to the first photoelectric conversion unit. In addition, for example, only light that is not used as a signal in the first photoelectric conversion layer can be photoelectrically converted using the second photoelectric conversion unit of the second photoelectric conversion layer as a signal. At this time, it can be suppressed that the light transmitted through the first photoelectric conversion unit becomes noise due to photoelectric conversion by the second photoelectric conversion unit.

導光路は、上記効果を得るために、導光路から出射しようとする光に対する障壁を伴う構造を有する。この障壁は、光の反射を利用した障壁でありうるが、光の吸収を利用した障壁であってもよい。光の反射を利用した障壁としては、屈折率の差によって生じる反射や、金属反射によって生じる反射があげられる。屈折率の差によって生じる反射としては、導光路に、その周囲の物質よりも屈折率が高い物質を用いて全反射を生じさせる、いわゆるコア‐クラッドを用いることが望ましい。しかし、屈折率が異なれば反射は生じるから、導光路の屈折率がその周囲の物質(絶縁体)よりも低くてもよい。また、光の吸収を利用した障壁としては、導光路に透明な物質を用い、その周囲に反射率の低い、黒色材料などの遮光体を配置して構成することができる。   In order to obtain the above effect, the light guide path has a structure with a barrier against light to be emitted from the light guide path. This barrier may be a barrier using light reflection, but may be a barrier using light absorption. Examples of the barrier using light reflection include reflection caused by a difference in refractive index and reflection caused by metal reflection. As the reflection caused by the difference in refractive index, it is desirable to use a so-called core-cladding that causes total reflection in the light guide path using a material having a higher refractive index than the surrounding material. However, since reflection occurs if the refractive index is different, the refractive index of the light guide may be lower than the surrounding material (insulator). In addition, the barrier using light absorption can be configured by using a transparent substance in the light guide path and arranging a light shielding body such as a black material having a low reflectance around the light guide.

導光路は、光が配線層で反射して迷光となることを抑制することもできる。もちろんこのような迷光もノイズの原因となる。そのため、導光路の厚み(積層方向における導光路の長さ)は、或る配線層を構成する配線パターンの厚み(配線層の厚み)よりも大きいことが好ましい。また、配線層は導光路から離れて配されることが好ましい。そのためには、導光路の幅(配列方向における導光路の長さ)を、導光路の周囲の或る配線層を構成する配線パターンの間隔よりも小さくすればよい。   The light guide path can also suppress light from being reflected by the wiring layer and becoming stray light. Of course, such stray light also causes noise. Therefore, it is preferable that the thickness of the light guide path (the length of the light guide path in the stacking direction) is larger than the thickness of the wiring pattern (wiring layer thickness) constituting a certain wiring layer. Moreover, it is preferable that the wiring layer is disposed away from the light guide. For this purpose, the width of the light guide path (the length of the light guide path in the arrangement direction) may be made smaller than the interval between the wiring patterns constituting a certain wiring layer around the light guide path.

図1(a)の例では、第1導光路1311と第2導光路1312は、それぞれが配列方向に沿った方向において第1層間絶縁膜111に囲まれている。本例の導光路1311、1312は、これを囲む第1層間絶縁膜111の少なくとも1つの絶縁層とは異なる屈折率を有している。導光路の周囲の絶縁層と導光路の屈折率差によって導光路と絶縁層の界面で生じる光の反射により、対応する一方の光電変換部から出射した光を対応する他方の光電変換部へ入射するように導くことができる。例えば、第1光電変換層101の第1光電変換部1011を出射した光は、第1導光路1311により、第2光電変換層102の第2光電変換部1021へ導かれる。   In the example of FIG. 1A, each of the first light guide 1311 and the second light guide 1312 is surrounded by the first interlayer insulating film 111 in the direction along the arrangement direction. The light guides 1311 and 1312 in this example have a refractive index different from that of at least one insulating layer of the first interlayer insulating film 111 surrounding the light guiding paths 1311 and 1312. Light reflected from the interface between the light guide path and the insulating layer due to the refractive index difference between the insulating layer around the light guide path and the light guide path causes light emitted from one corresponding photoelectric conversion section to enter the other corresponding photoelectric conversion section. Can be guided to do. For example, light emitted from the first photoelectric conversion unit 1011 of the first photoelectric conversion layer 101 is guided to the second photoelectric conversion unit 1021 of the second photoelectric conversion layer 102 through the first light guide path 1311.

導光路は、周囲の絶縁層よりも高い屈折率を有することが好ましい。そうすれば、導光路と絶縁層の界面で全反射を生じる条件を満たす光を、低損失で第2光電変換層102の光電変換部へ入射させることができる。例えば、導光路に1.6〜2.1の屈折率を有する窒素シリコンか酸窒化シリコン、樹脂を用い、層間絶縁膜の絶縁層に1.5程度の屈折率を有する酸化シリコンを用いることで実現できる。   The light guide path preferably has a higher refractive index than the surrounding insulating layer. If it does so, the light which satisfy | fills the conditions which produce a total reflection in the interface of a light-guide path and an insulating layer can be entered into the photoelectric conversion part of the 2nd photoelectric converting layer 102 with a low loss. For example, nitrogen silicon or silicon oxynitride having a refractive index of 1.6 to 2.1 is used for the light guide, and silicon oxide having a refractive index of about 1.5 is used for the insulating layer of the interlayer insulating film. realizable.

導光路について図1(b)を用いて第2例を説明する。本例でも第1光電変換層101と第2光電変換層102の間には第1導光路1311と第2導光路1312が配されている。第2光電変換層102と第3光電変換層103の間には第1導光路上部1321と第2導光路上部1322が配されている。また、第2光電変換層102と第3光電変換層103の間には第1導光路下部1331と第2導光路下部1332が配されている。   A second example of the light guide will be described with reference to FIG. Also in this example, a first light guide path 1311 and a second light guide path 1312 are arranged between the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion layer 102. A first light guide path upper part 1321 and a second light guide path upper part 1322 are arranged between the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion layer 103. A first light guide path lower portion 1331 and a second light guide path lower portion 1332 are disposed between the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion layer 103.

第1導光路1311と第2導光路1312は、それぞれが配列方向に沿った方向において、第1層間絶縁膜111と第1導光路1311または第2導光路1312との間に位置する分離部161に囲まれている。同様に、第1導光路上部1321と第2導光路上部1322は、それぞれが配列方向に沿った方向において、第2層間絶縁膜112と、第1導光路上部1321または第2導光路上部1322との間に位置する上部分離部162に囲まれている。また、第1導光路下部1331と第2導光路下部1332は、それぞれが配列方向に沿った方向において、第3層間絶縁膜113と第1導光路下部1331または第2導光路下部1332との間に位置する下部分離部163に囲まれている。   The first light guide path 1311 and the second light guide path 1312 are each a separation unit 161 positioned between the first interlayer insulating film 111 and the first light guide path 1311 or the second light guide path 1312 in the direction along the arrangement direction. Surrounded by Similarly, the first light guide upper part 1321 and the second light guide upper 1322 are each in the direction along the arrangement direction, the second interlayer insulating film 112, the first light guide upper 1321, or the second light guide upper 1322. It is surrounded by the upper separation part 162 located between the two. The first light guide path lower portion 1331 and the second light guide path lower portion 1332 are each between the third interlayer insulating film 113 and the first light guide path lower portion 1331 or the second light guide path lower portion 1332 in the direction along the arrangement direction. Is surrounded by a lower separation portion 163 located at

分離部161、上部分離部162および下部分離部162の各分離部は、それらが囲む導光路とは異なる屈折率を有する領域でありうる。分離部は、その分離部が囲む導光路よりも低い屈折率を有する領域であることが好ましい。これにより分離部と導光路の界面で全反射を生じることができ、対応づけられた光電変換部へ光を導くことができる。分離部を構成する物質は気体、液体、固体のいずれでも構わないし、分離部は真空空間であってもよい。   Each separation part of the separation part 161, the upper separation part 162, and the lower separation part 162 may be a region having a refractive index different from that of the light guide path that they surround. The separation portion is preferably a region having a lower refractive index than the light guide path surrounded by the separation portion. Thereby, total reflection can be generated at the interface between the separation unit and the light guide path, and light can be guided to the associated photoelectric conversion unit. The substance constituting the separation part may be any of gas, liquid, and solid, and the separation part may be a vacuum space.

このような分離部を用いた場合、導光路の屈折率は分離部の外側に位置する層間絶縁膜の屈折率と同じであってもよく、導光路と層間絶縁膜は同じ材料であってもよい。例えば、導光路は、層間絶縁膜の内の層間絶縁膜に形成された溝で囲まれた部分でありうる。分離部はこの溝の領域に対応する。   When such a separation part is used, the refractive index of the light guide may be the same as the refractive index of the interlayer insulating film located outside the separation part, and the light guide and the interlayer insulating film may be the same material. Good. For example, the light guide path may be a portion surrounded by a groove formed in the interlayer insulating film in the interlayer insulating film. The separation part corresponds to the region of this groove.

このように導光路とは異なる屈折率を有する分離部に代えて、導光路よりも光透過性が低い物質(遮光体)を用いて分離部を形成してもよい。光透過性が低い材料としては金属や黒色の部材などがあげられる。金属を用いれば、分離部の遮光性と、反射による感度の向上を高いレベルで実現することができる。   In this way, instead of the separation part having a refractive index different from that of the light guide path, the separation part may be formed using a substance (light-shielding body) having a light transmittance lower than that of the light guide path. Examples of the material having low light transmittance include metals and black members. If a metal is used, the light shielding property of the separation part and the improvement of sensitivity by reflection can be realized at a high level.

第2例では、光電変換層内にも分離部を配置した構成となっている。光電変換層内の分離部は、光電変換部に対する光の障壁の機能を有する。かかる分離部としては、光電変換層の材料(例えばシリコン)よりも低屈折率である材料(例えば酸化シリコンや窒化シリコン)あるいは空隙を、光電変換部の周囲に配置することで実現が可能である。本例では、第1光電変換層101には第1光電変換部1011、1012の周囲に第1分離部171が配されている。第2光電変換層102には第2光電変換部1021、1022の周囲に第2分離部172が配されている。例えば、第3光電変換層103には第3光電変換部1031、1032の周囲に第3分離部173が配されている。なお、第1例にも光電変換層内に分離部を設けることもできるし、第2例において光電変換層内に分離部を設けなくてもよい。   In the second example, a separation part is also arranged in the photoelectric conversion layer. The separation part in the photoelectric conversion layer has a light barrier function with respect to the photoelectric conversion part. Such a separation portion can be realized by disposing a material (for example, silicon oxide or silicon nitride) having a lower refractive index than the material of the photoelectric conversion layer (for example, silicon) or a gap around the photoelectric conversion portion. . In this example, the first photoelectric conversion layer 101 is provided with a first separation unit 171 around the first photoelectric conversion units 1011 and 1012. In the second photoelectric conversion layer 102, a second separation unit 172 is disposed around the second photoelectric conversion units 1021 and 1022. For example, the third photoelectric conversion layer 103 is provided with a third separation unit 173 around the third photoelectric conversion units 1031 and 1032. In the first example, a separation part can also be provided in the photoelectric conversion layer. In the second example, the separation part may not be provided in the photoelectric conversion layer.

本実施形態のように絶縁領域を介して光電変換領域が重なる構造では、次のような特徴がある。すなわち、一方の光電変換領域(例えば第1光電変換層101)から他方の光電変換層(例えば第3光電変換層103)から離れている。そのため、斜め光が入射する場合には、異なる光電変換層間での光電変換部の配列方向における光のズレ量が大きくなる。つまり、異なる光電変換ユニットの光電変換部に誤入射する可能性が高くなる。屈折などを無視した単純なモデルでは、複数の光電変換層間の距離をg、入射角をθとして、ズレ量はg×tanθで表される。これに対して、導光路を設けることで、斜め入射光が不適切な光電変換部で光電変換されることを抑制することができる。   The structure in which the photoelectric conversion regions overlap through the insulating regions as in this embodiment has the following characteristics. That is, it is separated from one photoelectric conversion region (for example, the first photoelectric conversion layer 101) from the other photoelectric conversion layer (for example, the third photoelectric conversion layer 103). Therefore, when oblique light is incident, the amount of light shift in the arrangement direction of the photoelectric conversion units between different photoelectric conversion layers increases. In other words, there is a high possibility of erroneous incidence on the photoelectric conversion units of different photoelectric conversion units. In a simple model that ignores refraction and the like, the distance between the plurality of photoelectric conversion layers is g, the incident angle is θ, and the deviation amount is expressed by g × tan θ. On the other hand, by providing the light guide path, it is possible to suppress the oblique incident light from being subjected to photoelectric conversion by an inappropriate photoelectric conversion unit.

次いで、本実施例に係る光電変換装置の製造方法について、図2(a−1)、(a−2)、(a−3)、(b)、(c)を用いて詳細に説明する。図2(a−1)、(a−2)、(a−3)は光電変換層が積層化される前の部材を示している。図2(a−1)は第1光電変換層101の母材となる第1基板1010を含む第1部材10を示している。図2(a−2)は第2光電変換層102の母材となる第2基板1020を含む第2部材20を示している。図2(a−3)は第3光電変換層103の母材となる第3基板1030を含む第3部材30を示している。各部材の母材となる基板には光電変換部1011、1012、1021、1022、1031、1032が形成されている。各基板としては、バルクシリコンウエハやSOIウエハなどを用いることができる。   Next, a method for manufacturing the photoelectric conversion device according to this example will be described in detail with reference to FIGS. 2 (a-1), (a-2), (a-3), (b), and (c). 2 (a-1), (a-2), and (a-3) show members before the photoelectric conversion layer is laminated. FIG. 2A-1 shows the first member 10 including the first substrate 1010 that is a base material of the first photoelectric conversion layer 101. FIG. 2A-2 shows the second member 20 including the second substrate 1020 that is a base material of the second photoelectric conversion layer 102. FIG. 2A-3 shows the third member 30 including the third substrate 1030 that is a base material of the third photoelectric conversion layer 103. Photoelectric conversion portions 1011, 1012, 1021, 1022, 1031, and 1032 are formed on a substrate that is a base material of each member. As each substrate, a bulk silicon wafer, an SOI wafer, or the like can be used.

前述したように各光電変換部は、光電変換層毎に光電変換する波長領域が異なる。そのため、各光電変換部を形成する際の不純物注入の注入エネルギーを個別に設定することで所望の深さで形成している。また、詳細は省略しているが、各部材には転送トランジスタ、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタなどが設けられ、光電変換された電気信号を読み出し回路などが形成されている。また、各基板の上には、各回路を構成する配線(141、142、143)、層間絶縁膜(111、112、113)、導光路(1311、1312、1321、1322、1331、1332)が形成されている。   As described above, each photoelectric conversion unit has a different wavelength region for photoelectric conversion for each photoelectric conversion layer. Therefore, it is formed with a desired depth by individually setting the implantation energy of impurity implantation when forming each photoelectric conversion portion. Although not described in detail, each member is provided with a transfer transistor, an amplification transistor, a reset transistor, a selection transistor, and the like, and a circuit for reading out an electrical signal obtained by photoelectric conversion is formed. Further, on each substrate, wirings (141, 142, 143), interlayer insulating films (111, 112, 113) and light guides (1311, 1312, 1321, 1322, 1331, 1332) constituting each circuit are formed. Is formed.

各部材に形成されている導光路の形成方法について、第1部材10を例に説明する。第1基板1010上に第1配線141、そして導光路のクラッドとなる1.4〜1.6の屈折率を有する酸化シリコン層を層間絶縁層として含む第1層間絶縁膜111を形成する。そして、第1層間絶縁膜111にドライエッチングにて開口部を形成する。さらに、1.6〜2.5の屈折率を有する窒化シリコンや酸窒化シリコン、酸化チタン、樹脂などの高屈折率材料を上記ドライエッチングにより形成した開口部に埋め込み、導光路のコアを形成する。さらにCMPやエッチバックなどの平坦化手法を用いて、高屈折率材料の表面を平坦化して導光路を形成する。本実施例では、上述した高屈折率材料を埋め込んで導光路が形成されているが、第1層間絶縁膜111に設けた溝を分離部と用いるなど、その他の構成を用いても導光路を形成することが出来る。   A method for forming a light guide formed in each member will be described by taking the first member 10 as an example. A first interlayer insulating film 111 including a first wiring 141 and a silicon oxide layer having a refractive index of 1.4 to 1.6 serving as a cladding of the light guide as an interlayer insulating layer is formed on the first substrate 1010. Then, an opening is formed in the first interlayer insulating film 111 by dry etching. Further, a high refractive index material such as silicon nitride, silicon oxynitride, titanium oxide, or resin having a refractive index of 1.6 to 2.5 is embedded in the opening formed by the dry etching to form the core of the light guide. . Further, the surface of the high refractive index material is flattened by using a flattening method such as CMP or etchback to form a light guide. In this embodiment, the light guide path is formed by embedding the above-described high refractive index material, but the light guide path can be formed using other configurations such as using a groove provided in the first interlayer insulating film 111 as a separation portion. Can be formed.

次いで、図2(a−1)〜(a−3)に示す3つの部材を積層化する工程について図2(b)、(c)を用いて説明する。まず、第3部材30の上に、第3層間絶縁膜113と第2層間絶縁膜112が対向して接するように、接合面115を境界として第2部材20と第3部材30を貼り合わせる。本例では、第2部材20と第3部材30のいずれにも導光路を形成しており、それらが一体となることで上部と下部を有する導光路が形成される構成としている。ただし、二つ導光路が接することは必須ではなく、第1導光路上部1321および第2導光路上部1322が第2層間絶縁膜112に、第1導光路下部1331および第2導光路下部1332が第3層間絶縁膜113にそれぞれ埋め込まれている形態でも構わない。また、導光路が、第2部材20と第3部材30のどちらか一方のみに形成されている構成であってもよい。このようにして図2(b)に示す積層構造体が得られる。   Next, a process of stacking the three members shown in FIGS. 2A-1 to 2A-3 will be described with reference to FIGS. 2B and 2C. First, the second member 20 and the third member 30 are bonded onto the third member 30 with the bonding surface 115 as a boundary so that the third interlayer insulating film 113 and the second interlayer insulating film 112 are in contact with each other. In this example, a light guide path is formed in both the second member 20 and the third member 30, and a light guide path having an upper portion and a lower portion is formed by integrating them. However, it is not essential that the two light guides are in contact with each other. The first light guide upper part 1321 and the second light guide upper part 1322 are in the second interlayer insulating film 112, and the first light guide lower part 1331 and the second light guide lower part 1332 are in contact. A form embedded in the third interlayer insulating film 113 may also be used. Moreover, the structure by which the light guide path is formed only in either the 2nd member 20 or the 3rd member 30 may be sufficient. In this way, the laminated structure shown in FIG. 2B is obtained.

次いで、第3部材30に貼り合わせた第2部材20の第2基板1020に対して、研削、研磨、エッチングなどの処理を施すことにより、所望の厚さまで薄化する。本例では、第2光電変換層102で赤色の光を透過させてなおかつ緑色の光を効率的に取り込めるように1.2μm〜2.0μmの厚みのシリコン層を形成する。なお、本例では第2基板1020にはバルクシリコンウエハを用いているが、SOIウエハを用いることでBOX層を研磨ストップ、及びエッチストップ層として用いてウエハを薄化する手法を適用しても良い。   Next, the second substrate 1020 of the second member 20 bonded to the third member 30 is subjected to processing such as grinding, polishing, and etching, so that the thickness is reduced to a desired thickness. In this example, a silicon layer having a thickness of 1.2 μm to 2.0 μm is formed so that the second photoelectric conversion layer 102 transmits red light and can efficiently capture green light. In this example, a bulk silicon wafer is used as the second substrate 1020. However, even if a method of thinning the wafer by using an SOI wafer and using the BOX layer as a polishing stop and an etch stop layer is applied. good.

その後、薄化されて第2基板1020から得られた第2光電変換層102の表面に誘電体膜122を形成する。この誘電体膜122は、例えば酸化シリコン層と窒化シリコン層の積層膜、あるいは酸化ハフニウム層や酸化タンタル層の積層など、異なる屈折率を有する層を積層して反射防止効果を得る構成にしてもよい。   Thereafter, the dielectric film 122 is formed on the surface of the second photoelectric conversion layer 102 which is thinned and obtained from the second substrate 1020. The dielectric film 122 is configured to obtain an antireflection effect by laminating layers having different refractive indexes, such as a laminated film of a silicon oxide layer and a silicon nitride layer, or a laminated film of a hafnium oxide layer and a tantalum oxide layer. Good.

次いで、形成した積層された第2光電変換層102に対して、誘電体膜122と第1層間絶縁膜111が対向して接するように、接合面116を境界として第1部材10を貼り合わせる。次いで、上述した第2光電変換層102の薄化と同様の手法を用いて第1基板1010を薄化して、第1光電変換層101を形成する。本実施例では、第1光電変換層101で緑色と赤色の光を透過させてなおかつ青色の光を効率的に取り込めるように0.4〜0.8μmの範囲内のシリコン膜厚としている。その後、透光膜121とレンズアレイ120を形成する。また、ここでは図示していないが、部材10、20、30が重ねられた積層構造体に対して、周辺回路部に貫通電極等を形成することによって、各光電変換層において得られた電気信号を読み出すことが可能である。この貫通電極は、光電変換層を3層全て積層してから形成しても構わない。   Next, the first member 10 is bonded to the formed second photoelectric conversion layer 102 with the bonding surface 116 as a boundary so that the dielectric film 122 and the first interlayer insulating film 111 are in contact with each other. Next, the first photoelectric conversion layer 101 is formed by thinning the first substrate 1010 using a method similar to the thinning of the second photoelectric conversion layer 102 described above. In this embodiment, the silicon film thickness is in the range of 0.4 to 0.8 μm so that the first photoelectric conversion layer 101 transmits green and red light and can efficiently capture blue light. Thereafter, the translucent film 121 and the lens array 120 are formed. Although not shown here, an electrical signal obtained in each photoelectric conversion layer by forming a through electrode or the like in the peripheral circuit portion with respect to the laminated structure in which the members 10, 20, and 30 are stacked. Can be read out. The through electrode may be formed after all three photoelectric conversion layers are stacked.

光電変換装置の第2実施形態について、図3(a)に第1例を、図3(b)に第2例を、図4(a)に第3例を、図4(b)に第4例の断面模式図を示す。   Regarding the second embodiment of the photoelectric conversion device, the first example in FIG. 3A, the second example in FIG. 3B, the third example in FIG. 4A, and the second example in FIG. The cross-sectional schematic diagram of 4 examples is shown.

第2実施形態では、第1光電変換層101と第2光電変換層102との間の絶縁領域104に、各々が第1光電変換ユニットに対応する第1導光路上部1341および第1導光路下部1351が設けられている。また、第1光電変換層101と第2光電変換層102との間の絶縁領域104に、各々が第2光電変換ユニットに対応する第2導光路上部1342および第2導光路下部1352が設けられている。第1導光路下部1351は第1導光路上部1341と第2光電変換層102の第2光電変換部1021との間に位置し、第2導光路下部1352は第2導光路上部1342と第2光電変換層102の第2光電変換部1022との間に位置している。   In the second embodiment, in the insulating region 104 between the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion layer 102, the first light guide path upper part 1341 and the first light guide path lower part each corresponding to the first photoelectric conversion unit. 1351 is provided. The insulating region 104 between the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion layer 102 is provided with a second light guide path upper part 1342 and a second light guide path lower part 1352, each corresponding to the second photoelectric conversion unit. ing. The first light guide path lower portion 1351 is located between the first light guide path upper portion 1341 and the second photoelectric conversion portion 1021 of the second photoelectric conversion layer 102, and the second light guide path lower portion 1352 is connected to the second light guide path upper portion 1342 and the second photoelectric conversion portion 1021. It is located between the photoelectric conversion layer 102 and the second photoelectric conversion unit 1022.

また、第1光電変換層101と第2光電変換層102との間には、第1層間絶縁膜111および第1配線141と、第2層間絶縁膜112および第2配線142が設けられている。第1導光路上部1341と第2導光路上部1342はそれぞれ第1層間絶縁膜111で囲まれている。第1導光路下部1351と第2導光路下部1352はそれぞれ第2層間絶縁膜112で囲まれている。より詳細には、各導光路は、その周囲に設けられた1層以上の層間絶縁層で囲まれている。第1層間絶縁膜111を代表する層間絶縁層を第1層間絶縁層と称し、第2層間絶縁膜112を代表する層間絶縁層を第2層間絶縁層と称する。   A first interlayer insulating film 111 and a first wiring 141, a second interlayer insulating film 112 and a second wiring 142 are provided between the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion layer 102. . The first light guide path upper part 1341 and the second light guide path upper part 1342 are each surrounded by the first interlayer insulating film 111. The first light guide path lower portion 1351 and the second light guide path lower portion 1352 are each surrounded by the second interlayer insulating film 112. More specifically, each light guide is surrounded by one or more interlayer insulating layers provided around the light guide. An interlayer insulating layer representing the first interlayer insulating film 111 is referred to as a first interlayer insulating layer, and an interlayer insulating layer representing the second interlayer insulating film 112 is referred to as a second interlayer insulating layer.

本実施形態における光電変換装置の構成部材の位置関係は、第1実施形態における第2光電変換層102と第3光電変換層103との間の関係と同様になっている。   The positional relationship of the constituent members of the photoelectric conversion device in the present embodiment is the same as the relationship between the second photoelectric conversion layer 102 and the third photoelectric conversion layer 103 in the first embodiment.

図3(a)に示した第1例では、接合面117を介して、第1導光路上部1341と第1導光路下部1351が接している。   In the first example shown in FIG. 3A, the first light guide path upper part 1341 and the first light guide path lower part 1351 are in contact with each other through the joint surface 117.

図3(b)に示した第2例では、第1導光路上部1341の幅R1が第1導光路下部1351の幅R2と異なっている。そして、第1導光路上部1341の第1光電変換層101(または第2光電変換層102)への正射影の面積が、第1導光路下部1351の第2光電変換層102(または第1光電変換層101)への正射影の面積と異なっている。ここではR1<R2となっているが、R1>R2としてもよい。第2導光路上部1342と第2導光路下部1352についても同様に幅および正射影の面積が異なっている。   In the second example shown in FIG. 3B, the width R1 of the first light guide path upper portion 1341 is different from the width R2 of the first light guide path lower portion 1351. The area of the orthogonal projection of the first light guide path upper portion 1341 onto the first photoelectric conversion layer 101 (or the second photoelectric conversion layer 102) is equal to the second photoelectric conversion layer 102 (or the first photoelectric conversion layer) in the first light guide path lower portion 1351. This is different from the area of the orthogonal projection onto the conversion layer 101). Here, R1 <R2 is satisfied, but R1> R2 may be satisfied. Similarly, the second light guide upper portion 1342 and the second light guide lower portion 1352 have different widths and orthogonal projection areas.

このようにすることで、接合面117で第1導光路上部1341と第1導光路下部1351とにアライメントずれが発生した場合においてもその影響を小さくすることが可能となる。さらにR1<R2とすることで、第1導光路上部1341を通過した光を第1導光路下部1351へ効率的に導くことができる。そのため、隣接する光電変換ユニットへの漏れ光をより安定して抑制することが出来る。   By doing in this way, even when the misalignment occurs between the first light guide path upper part 1341 and the first light guide path lower part 1351 at the joint surface 117, the influence can be reduced. Further, by setting R1 <R2, light that has passed through the first light guide path upper part 1341 can be efficiently guided to the first light guide path lower part 1351. Therefore, it is possible to more stably suppress light leaking to adjacent photoelectric conversion units.

図4(a)に示した第3例では、第1導光路上部1341と第1導光路下部1351との間には、第1導光路上部1341の屈折率および第1導光路下部1351の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体が位置している。具体的には、第1低屈折率誘電体層1110と第2低屈折率誘電体層1120である。この第1低屈折率誘電体層1110、第2低屈折率誘電体層1120は、第2導光路上部1342と第2導光路下部1352との間に延在している。低屈折率誘電体層1110と低屈折率誘電体層1120との間に接合面117が位置している。   In the third example shown in FIG. 4A, the refractive index of the first light guide upper portion 1341 and the refraction of the first light guide lower portion 1351 are provided between the first light guide upper portion 1341 and the first light guide lower portion 1351. A dielectric having a refractive index lower than the refractive index is located. Specifically, a first low-refractive index dielectric layer 1110 and a second low-refractive index dielectric layer 1120. The first low-refractive index dielectric layer 1110 and the second low-refractive index dielectric layer 1120 extend between the second light guide path upper part 1342 and the second light guide path lower part 1352. A bonding surface 117 is located between the low refractive index dielectric layer 1110 and the low refractive index dielectric layer 1120.

図4(b)に示した第4例では、第1導光路上部1341と第1導光路下部1351との間には、第1高屈折率誘電体層1310、第2高屈折率誘電体層1320が位置している。高屈折率誘電体層1310、1320は、第1層間絶縁膜111の屈折率および第2層間絶縁膜112の屈折率の少なくとも一方よりも高い屈折率を有する。高屈折率誘電体層1310、1320の屈折率は、導光路上部1341および導光路下部1351の少なくとも一方の屈折率よりも高くてもよいし低くてもよいし、これらと同じであってもよい。本例では、高屈折率誘電体層1310は導光路上部1341と、高屈折率誘電体層1320は導光路下部と、それぞれ同じ材料からなり、これらとほぼ同じ屈折率を有している。   In the fourth example shown in FIG. 4B, a first high refractive index dielectric layer 1310 and a second high refractive index dielectric layer are provided between the first light guide path upper part 1341 and the first light guide path lower part 1351. 1320 is located. The high refractive index dielectric layers 1310 and 1320 have a refractive index higher than at least one of the refractive index of the first interlayer insulating film 111 and the refractive index of the second interlayer insulating film 112. The refractive indexes of the high refractive index dielectric layers 1310 and 1320 may be higher or lower than the refractive index of at least one of the light guide upper portion 1341 and the light guide lower portion 1351, or may be the same as these. . In this example, the high refractive index dielectric layer 1310 and the high refractive index dielectric layer 1320 are made of the same material and have substantially the same refractive index as those of the upper portion of the light guide path.

この高屈折率誘電体層1310、1320は、第2導光路上部1342と第2導光路下部1352との間に延在している。高屈折率誘電体層1310と高屈折率誘電体層1320との間に接合面117が位置している。   The high refractive index dielectric layers 1310 and 1320 extend between the second light guide path upper part 1342 and the second light guide path lower part 1352. A bonding surface 117 is located between the high refractive index dielectric layer 1310 and the high refractive index dielectric layer 1320.

第3例、第4例では、接合面117の両側が、複数の光電変換ユニットに渡って均質な誘電体層で構成されているため、接合時のボイドなどの接合不良を抑制することができる。第3例、第4例においても、図3(b)に示した第2例と同様に導光路上部と導光路下部の径を異ならせることができる。   In the 3rd example and the 4th example, since both sides of joint surface 117 are constituted by a homogeneous dielectric layer over a plurality of photoelectric conversion units, it is possible to suppress joint failures such as voids during joining. . Also in the third example and the fourth example, the diameters of the upper part of the light guide path and the lower part of the light guide path can be made different as in the second example shown in FIG.

第2実施形態の第1例では、透光膜121がフィルタ層(波長選択層)1212を有している。同様に、第1実施形態や第2実施形態の他の例においても同様にフィルタ層を有する透光膜121を用いることができる。   In the first example of the second embodiment, the translucent film 121 includes a filter layer (wavelength selection layer) 1212. Similarly, in other examples of the first embodiment and the second embodiment, the light-transmitting film 121 having the filter layer can be similarly used.

図5(a)〜(f)は、フィルタ層1212の平面レイアウトの一例である。図5(a)〜(g)にはそれぞれ、4×4の16の光電変換ユニットに対応するフィルタの透過光の種類を示している。Irは赤外光、Rは赤色光、Yは黄色光(あるいは赤色光および緑色光)、Gは緑色光、Bは青色光、Wは白色光(あるいは赤色光、緑色光および青色光)である。これらが可視光に対して波長選択性を有すれば、その波長選択フィルタをカラーフィルタと呼ぶことができる。   5A to 5F are examples of a planar layout of the filter layer 1212. FIG. FIGS. 5A to 5G show the types of transmitted light of the filters corresponding to 4 × 4 16 photoelectric conversion units, respectively. Ir is infrared light, R is red light, Y is yellow light (or red light and green light), G is green light, B is blue light, W is white light (or red light, green light and blue light) is there. If these have wavelength selectivity with respect to visible light, the wavelength selection filter can be called a color filter.

図5(a)は2×2の区画にR、G、Bのフィルタが従来から知られているベイヤー方式に配列されている形態であり、図5(b)は図5(a)のGの一部をIrで置き換えたものである。図5(b)の例では、例えばR(GまたはB)のフィルタを有する光電変換ユニットでは、第1光電変換層101で赤色光(緑色光または青色光)をそれぞれ光電変換する。一方、Irのフィルタを有する光電変換ユニットでは、第2光電変換層102で赤外光を光電変換することができる。また、R、G、Bのフィルタが赤外光をも透過するように設定することで、R、G、Bの光電変換ユニットにおいても第2光電変換層102で赤外光を光電変換することができる。   FIG. 5 (a) shows a form in which R, G, and B filters are arranged in a 2 × 2 section in a conventionally known Bayer system, and FIG. 5 (b) is a diagram of G in FIG. 5 (a). Is replaced with Ir. In the example of FIG. 5B, for example, in a photoelectric conversion unit having an R (G or B) filter, red light (green light or blue light) is photoelectrically converted by the first photoelectric conversion layer 101. On the other hand, in the photoelectric conversion unit having an Ir filter, infrared light can be photoelectrically converted by the second photoelectric conversion layer 102. In addition, by setting the R, G, and B filters to transmit infrared light, the second photoelectric conversion layer 102 also photoelectrically converts infrared light in the R, G, and B photoelectric conversion units. Can do.

図5(c)は、R、G、Bのフィルタに加えてWのフィルタを設けたものである。本例では、Wのフィルタを配置することにより白色光の強度を検知することが出来る。第1光電変換層101の飽和電荷量を超えない強度の光は、第1光電変換層101にて検知することが出来る。そして、第1光電変換層101の飽和電荷量を超える強い強度の光については、第1光電変換層101だけでなく、第1光電変換層101を透過してきた光を第2光電変換層102にて検知することが可能である。これら第1光電変換層101で得られた信号と第2光電変換層102で得られた信号を加算することで、実際の光の強度を検知することができる。このように、本実施例では、光の強弱の検知範囲(ダイナミックレンンジ)を広くすることができる。   FIG. 5C shows a case where a W filter is provided in addition to the R, G, and B filters. In this example, the intensity of white light can be detected by arranging a W filter. Light having an intensity not exceeding the saturation charge amount of the first photoelectric conversion layer 101 can be detected by the first photoelectric conversion layer 101. And about the light of strong intensity | strength exceeding the saturated charge amount of the 1st photoelectric converting layer 101, not only the 1st photoelectric converting layer 101 but the light which permeate | transmitted the 1st photoelectric converting layer 101 is sent to the 2nd photoelectric converting layer 102. Can be detected. By adding the signal obtained from the first photoelectric conversion layer 101 and the signal obtained from the second photoelectric conversion layer 102, the actual light intensity can be detected. Thus, in the present embodiment, the light intensity detection range (dynamic range) can be widened.

さらに、Wのフィルタに対応する光電変換ユニットの出力を、その近傍のR、G、Bのフィルタを有する光電変換ユニットの出力に基づいて演算処理することにより、得られる画像のダイナミックレンジの拡大が可能となる。   Further, the output of the photoelectric conversion unit corresponding to the W filter is arithmetically processed based on the output of the photoelectric conversion unit having R, G, and B filters in the vicinity thereof, thereby expanding the dynamic range of the obtained image. It becomes possible.

図5(c)のWとRGBのレイアウトは一例であって、図5(c)よりもWのフィルタの割合を減らしてもよいし、増やしてもよい。   The layout of W and RGB in FIG. 5C is an example, and the ratio of the W filter may be reduced or increased as compared with FIG.

図5(d)は、Yのフィルタを用いたものである。Yのフィルタは緑色光と、赤色光を透過させる。その透過してきた入射光の内、緑色光は第1光電変換層101で光電変換され、赤色光は、第1光電変換層101を透過して第2光電変換層102で光電変換される。このようにすることで、Yのフィルタを有する光電変換ユニットでの光利用効率を高めることが出来る。ここでは黄色光を透過するフィルタを用いたが、シアン光(青色光および緑色光)やマゼンタ光(赤色光および青色光)を透過するフィルタを用いてもよい。   FIG. 5D uses a Y filter. The Y filter transmits green light and red light. Among the transmitted incident light, green light is photoelectrically converted by the first photoelectric conversion layer 101, and red light is transmitted through the first photoelectric conversion layer 101 and is photoelectrically converted by the second photoelectric conversion layer 102. By doing in this way, the light utilization efficiency in the photoelectric conversion unit which has a Y filter can be improved. Although a filter that transmits yellow light is used here, a filter that transmits cyan light (blue light and green light) and magenta light (red light and blue light) may be used.

図6に第3実施形態の光電変換装置の一例を示す。本例では、第1光電変換層101の第1主面側(入射光と反対側)に設けられた第2光電変換層102が焦点検出(AF:オートフォーカス)機能を構成する例である。焦点検出方式としては、位相差検出式の焦点検出やコントラスト検出式の焦点検出を用いることができるが、位相差検出式がより好ましい。   FIG. 6 shows an example of the photoelectric conversion apparatus according to the third embodiment. In this example, the second photoelectric conversion layer 102 provided on the first main surface side (the side opposite to the incident light) of the first photoelectric conversion layer 101 is an example of constituting a focus detection (AF: autofocus) function. As the focus detection method, phase difference detection type focus detection or contrast detection type focus detection can be used, but the phase difference detection type is more preferable.

位相差検出方式における第2光電変換層102の構成を説明する。視点Aを通過した光束を捕らえるA像用光電変換領域1021A、1022Aと、視点Bを通過した光束を捕らえるB像用光電変換領域1021B、1022Bが設けられている。1つのマイクロレンズ1201が、第2光電変換部1021のA像用光電変換領域1021AおよびB像用光電変換領域1021Bに対応する。別の1つのマイクロレンズ1202が、第2光電変換部1022のA像用光電変換領域1022AおよびB像用光電変換領域1022Bに対応する。A像用光電変換領域からは、視点Aの光束を捕らえたA像データが、B像用光電変換領域からは視点Bの光束を捕らえたB像データが得られる。それらの相関演算を行うことで、デフォーカス量を検出し、光学系を所望の状態に変化させ、焦点検出を行うことができる。   A configuration of the second photoelectric conversion layer 102 in the phase difference detection method will be described. A image photoelectric conversion regions 1021A and 1022A for capturing the light beam that has passed through the viewpoint A and B image photoelectric conversion regions 1021B and 1022B for capturing the light beam that has passed through the viewpoint B are provided. One microlens 1201 corresponds to the A-image photoelectric conversion region 1021A and the B-image photoelectric conversion region 1021B of the second photoelectric conversion unit 1021. Another one microlens 1202 corresponds to the A-image photoelectric conversion region 1022A and the B-image photoelectric conversion region 1022B of the second photoelectric conversion unit 1022. From the photoelectric conversion area for A image, A image data that captures the luminous flux of viewpoint A is obtained, and from the photoelectric conversion area for B image, B image data that captures the luminous flux of viewpoint B is obtained. By performing these correlation calculations, it is possible to detect the defocus amount, change the optical system to a desired state, and perform focus detection.

本形態では、第1光電変換層101で光電変換され撮像に用いられる像と、第2光電変換層102で光電変換され焦点検出に用いられる像との対応関係のズレを小さくできる。つまり、一眼レフカメラなどのレフレックス構造を用いた撮像システムに比べて高精度な焦点検出を実現することができる。また、位相差検出式を用いれば、コントラスト検出式に比べて高速な焦点検出が可能となる。そして、本実施形態では、第1光電変換層101と第2光電変換層102の間に第1導光路1361、第2導光路1362が配列されている。そのため、第1光電変換層101と第2光電変換層102との間での光の損失が低減されて、十分な光量でもって第2光電変換層102で焦点検出を行うことができる。また、誤った光電変換部からの信号に基づく焦点検出が生じにくいため焦点検出精度が向上する。   In this embodiment, it is possible to reduce a deviation in a correspondence relationship between an image photoelectrically converted by the first photoelectric conversion layer 101 and used for imaging and an image photoelectrically converted by the second photoelectric conversion layer 102 and used for focus detection. That is, high-precision focus detection can be realized as compared with an imaging system using a reflex structure such as a single-lens reflex camera. Further, if the phase difference detection method is used, focus detection can be performed at a higher speed than the contrast detection method. In the present embodiment, the first light guide path 1361 and the second light guide path 1362 are arranged between the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion layer 102. Therefore, the loss of light between the first photoelectric conversion layer 101 and the second photoelectric conversion layer 102 is reduced, and focus detection can be performed by the second photoelectric conversion layer 102 with a sufficient amount of light. In addition, focus detection accuracy is improved because focus detection based on an erroneous signal from the photoelectric conversion unit hardly occurs.

ここでは2つの光電変換層を用いた光電変換装置における2層目の光電変換層で焦点検出を行う例を示したが、1層目で行ってもよいし、3層以上の光電変換層を用いて、3層目以降の光電変換層で焦点検出を行ってもよい。   Here, an example in which focus detection is performed with the second photoelectric conversion layer in the photoelectric conversion device using two photoelectric conversion layers is shown, but the first layer may be used, or three or more photoelectric conversion layers may be used. It is also possible to perform focus detection on the third and subsequent photoelectric conversion layers.

以上説明した光電変換装置では、第1光電変換層と第2光電変換層とが、第1光電変換層と第2光電変換層との間に配された層間絶縁層を介して積層されている。第1光電変換層には光電変換部が配列され、第2光電変換層にも光電変換部が配列されている。そして、第1光電変換層と第2光電変換層との間に、導光路が配列されている。これにより、ノイズの発生が抑制された、性能の良い光電変換装置を提供することができる。本発明は、その技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜に改変を行うことができる。   In the photoelectric conversion device described above, the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer are stacked via an interlayer insulating layer disposed between the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer. . A photoelectric conversion unit is arranged in the first photoelectric conversion layer, and a photoelectric conversion unit is also arranged in the second photoelectric conversion layer. And the light guide is arranged between the 1st photoelectric conversion layer and the 2nd photoelectric conversion layer. Thereby, it is possible to provide a high-performance photoelectric conversion device in which generation of noise is suppressed. The present invention can be modified as appropriate without departing from the technical idea thereof.

101 第1光電変換層
1011、1012 第1光電変換部
111 層間絶縁膜
1131 第1導光路
1132 第2導光路
102 第2光電変換層
1021、1022 第2光電変換部
101 1st photoelectric conversion layer 1011, 1012 1st photoelectric conversion part 111 Interlayer insulation film 1131 1st light guide path 1132 2nd light guide path 102 2nd photoelectric conversion layer 1021, 1022 2nd photoelectric conversion part

Claims (10)

光電変換部が配列された第1領域と、光電変換部が配列された第2領域とが、前記第2領域の前記光電変換部が配列された方向に垂直な方向にて重なり、前記第1領域と前記第2領域との間に絶縁領域が配された光電変換装置であって、
前記絶縁領域に、各々が前記第1領域の前記光電変換部および前記第2領域の前記光電変換部の少なくとも一方に対応する導光路が配列されていることを特徴とする光電変換装置。
The first region in which the photoelectric conversion units are arranged and the second region in which the photoelectric conversion units are arranged overlap in a direction perpendicular to the direction in which the photoelectric conversion units are arranged in the second region, and the first region A photoelectric conversion device in which an insulating region is disposed between the region and the second region,
A photoelectric conversion device, wherein a light guide path corresponding to at least one of the photoelectric conversion unit in the first region and the photoelectric conversion unit in the second region is arranged in the insulating region.
前記導光路は、前記第2領域の前記光電変換部が配列された前記方向において、前記導光路よりも屈折率の低い物質または遮光体で囲まれていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。   The light guide path is surrounded by a material having a refractive index lower than that of the light guide path or a light shielding body in the direction in which the photoelectric conversion units in the second region are arranged. Photoelectric conversion device. 前記導光路は、前記導光路および前記絶縁領域に設けられた絶縁体よりも屈折率の低い領域で囲まれていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the light guide path is surrounded by a region having a lower refractive index than an insulator provided in the light guide channel and the insulating region. 前記絶縁領域には配線層が設けられており、前記導光路は前記配線層から離れて設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein a wiring layer is provided in the insulating region, and the light guide path is provided apart from the wiring layer. 前記第1領域には、前記第1領域の前記光電変換部が配列された方向において、前記第1領域の前記光電変換部の間に、当該光電変換部とは屈折率の異なる部分が設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光電変換装置。   In the first region, a portion having a refractive index different from that of the photoelectric conversion unit is provided between the photoelectric conversion units of the first region in a direction in which the photoelectric conversion units of the first region are arranged. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is provided. 前記導光路は、第1部分と、前記第1部分と前記第2領域との間に位置する第2部分と、を含み、
前記第1部分の前記第1領域への正射影の面積が、前記第2部分の前記第2領域への正射影の面積と異なることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The light guide path includes a first portion, and a second portion located between the first portion and the second region,
6. The area according to claim 1, wherein an area of the orthogonal projection of the first portion onto the first region is different from an area of the orthogonal projection of the second portion onto the second region. The photoelectric conversion device described.
前記導光路は、第1部分と、前記第1部分と前記第2領域との間に位置する第2部分と、を含み、
前記第1部分と、前記第2部分との間には、前記第1部分および前記第2部分の少なくとも一方よりも屈折率の低い誘電体が設けられていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The light guide path includes a first portion, and a second portion located between the first portion and the second region,
The dielectric material having a lower refractive index than at least one of the first part and the second part is provided between the first part and the second part. 6. The photoelectric conversion device according to any one of items 6.
前記絶縁領域には、第1層間絶縁層と、前記第1層間絶縁層と前記第2光電変換層との間に位置する、第2層間絶縁層とが設けられており、
前記導光路は、前記第1層間絶縁層で囲まれた第1部分と、前記第2層間絶縁層で囲まれた第2部分と、を含み、前記第1部分と前記第2部分の間から、前記第1層間絶縁層と前記第2層間絶縁層との間には、前記第1層間絶縁層および前記第2層間絶縁層よりも屈折率の高い誘電体層が延在していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The insulating region is provided with a first interlayer insulating layer, and a second interlayer insulating layer located between the first interlayer insulating layer and the second photoelectric conversion layer,
The light guide path includes a first portion surrounded by the first interlayer insulating layer and a second portion surrounded by the second interlayer insulating layer, and between the first portion and the second portion. A dielectric layer having a higher refractive index than the first interlayer insulating layer and the second interlayer insulating layer extends between the first interlayer insulating layer and the second interlayer insulating layer. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion device is characterized in that:
前記第1領域に対して前記第2領域の側とは反対側に、レンズアレイおよび波長選択フィルタが設けられていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光電変換装置。   The photoelectric conversion according to claim 1, wherein a lens array and a wavelength selection filter are provided on a side opposite to the second region with respect to the first region. apparatus. 前記第2領域および前記第1領域の一方の光電変換部で得られた信号に基づいて焦点検出が行われることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光電変換装置。   10. The photoelectric conversion apparatus according to claim 1, wherein focus detection is performed based on a signal obtained by one of the photoelectric conversion units in the second region and the first region.
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