JP2007073864A - Line sensor and image information reader - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ラインセンサ及び画像情報読取装置に関する。 The present invention relates to a line sensor and an image information reading apparatus.
従来より、固体撮像装置として、CCD(Charge coupled device)センサ、CMOSセンサなどがあり、固体撮像装置であるラインセンサは、スキャナ、複写機等に広く利用されている。固体撮像装置は、光を受けて電荷を発生させるフォトダイオードを有し、光電変換素子として機能する。例えば、フォトダイオードにおいて発生した光発生電荷の量は、転送ゲートを介してフォトダイオードが形成された領域(以下、フォトダイオード形成領域)の一辺に隣接して設けられたCCD等の電荷転送部に転送される。電荷転送部は、光発生電荷を転送し、転送された光発生電荷は、読取手段により画像信号として読み取られる。 2. Description of the Related Art Conventionally, solid-state imaging devices include CCD (Charge coupled device) sensors, CMOS sensors, and the like, and line sensors that are solid-state imaging devices are widely used in scanners, copying machines, and the like. The solid-state imaging device has a photodiode that receives light and generates an electric charge, and functions as a photoelectric conversion element. For example, the amount of photogenerated charge generated in a photodiode is charged in a charge transfer unit such as a CCD provided adjacent to one side of a region where the photodiode is formed (hereinafter referred to as a photodiode formation region) via a transfer gate. Transferred. The charge transfer unit transfers the photogenerated charge, and the transferred photogenerated charge is read as an image signal by the reading unit.
そして、光発生電荷の読み出し効率を高くするための固体撮像装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。その提案に係る固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域内のポテンシャル傾斜を、転送ゲートに近いほどポテンシャル井戸が深くなるように構成する。転送ゲートに近いほどポテンシャル井戸が深いため、固体撮像装置では、より短い時間で電荷の読み出しが可能となり、結果として読み出し効率が高くなる。
しかし、読み出しゲートはフォトダイオード形成領域の一端部に隣接して配置されているため、その端部と反対側の端部近傍の電荷、すなわち、転送ゲートまでの距離が遠い電荷は、転送ゲートに到達するまで時間が長くなってしまい、転送ゲートまで到達できない電荷が生じる。例えば、ラインセンサが搭載されるスキャナ等の機器では高速な処理が要求されるため、電荷が転送ゲートに移動するまでの時間は、長くできない。従って、そのような残存電荷は、結局、画像の読み取り信号に寄与しないため、ラインセンサの感度向上が図れないという問題があった。 However, since the readout gate is arranged adjacent to one end of the photodiode formation region, the charge near the end opposite to the end, that is, the charge far away from the transfer gate is transferred to the transfer gate. It takes a long time to reach, and charge that cannot reach the transfer gate is generated. For example, since a device such as a scanner equipped with a line sensor requires high-speed processing, the time until the charge moves to the transfer gate cannot be increased. Therefore, since such residual charges do not contribute to the image reading signal after all, there is a problem that the sensitivity of the line sensor cannot be improved.
また、転送ゲートまでの距離が長いために転送ゲートに到達しなかった電荷は、フォトダイオード形成領域内に残存するため、残像、出力バラツキ等の原因となるという問題もあった。 In addition, since the distance to the transfer gate is long, the charge that has not reached the transfer gate remains in the photodiode formation region, causing afterimages and output variations.
そこで、本発明は、以上のような問題に鑑みて成されたもので、フォトダイオード形成領域に発生した光発生電荷をより多く読み出すことができるようにしたラインセンサを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a line sensor that can read more photogenerated charges generated in a photodiode formation region. .
本発明の一実施形態のラインセンサは、所定の間隔をおいて直線状に配列された複数の受光素子を含むラインセンサであって、各受光素子は、入射光に応じた光発生電荷を生成するフォトダイオード形成領域と、前記光発生電荷の電荷量を検出する検出トランジスタであって、前記フォトダイオード形成領域の略中央に配置された前記検出トランジスタと、を含む。 A line sensor according to an embodiment of the present invention is a line sensor including a plurality of light receiving elements arranged linearly at a predetermined interval, and each light receiving element generates a photo-generated charge corresponding to incident light. And a detection transistor that detects a charge amount of the photogenerated charge, and the detection transistor is disposed substantially at the center of the photodiode formation region.
本発明の一実施形態のラインセンサは、前記検出トランジスタが、ゲート電極、ソース領域、ドレイン領域および蓄積領域を有し、前記ゲート電極は、リング形状であり、前記ソース領域は、前記ゲート電極の内側に形成され、前記ドレイン領域は、前記ゲート電極の外側に形成され、前記蓄積領域は、前記ゲート電極の下方に形成され、前記光発生電荷を蓄積する。
このような構成によれば、フォトダイオード形成領域に発生した光発生電荷をより多く読み出すことができるようにしたラインセンサを実現することができる。
In the line sensor according to an embodiment of the present invention, the detection transistor includes a gate electrode, a source region, a drain region, and a storage region, the gate electrode has a ring shape, and the source region is formed of the gate electrode. The drain region is formed inside the gate electrode, the storage region is formed below the gate electrode, and stores the photogenerated charges.
According to such a configuration, it is possible to realize a line sensor that can read more photogenerated charges generated in the photodiode formation region.
本発明の一実施形態のラインセンサは、前記検出トランジスタが、前記蓄積領域に蓄積された前記光発生電荷に応じて閾値電圧が変化し、該閾値電圧に基づいた信号を出力する。
このような構成によれば、閾値変調型のセンサにおいて、フォトダイオード形成領域に発生した光発生電荷をより多く読み出すことができるようにしたラインセンサを実現することができる。
In the line sensor according to an embodiment of the present invention, the detection transistor changes a threshold voltage according to the photogenerated charges accumulated in the accumulation region, and outputs a signal based on the threshold voltage.
According to such a configuration, it is possible to realize a line sensor that can read more photogenerated charges generated in the photodiode formation region in the threshold modulation type sensor.
本発明の一実施形態のラインセンサは、前記フォトダイオード形成領域が、ポテンシャル分布を有し、前記ポテンシャル分布は、前記略中央に向かって前記光発生電荷が移動し易い不純物プロファイルを有する。
このような構成によれば、周辺部から効率よく電荷を収集することができる。
In the line sensor according to an embodiment of the present invention, the photodiode formation region has a potential distribution, and the potential distribution has an impurity profile in which the photogenerated charges easily move toward the substantially center.
According to such a configuration, charges can be efficiently collected from the peripheral portion.
本発明の一実施形態のラインセンサは、所定の間隔をおいて直線状に配列された複数の受光素子を含むラインセンサであって、各受光素子は、入射光に応じた光発生電荷を生成するフォトダイオード形成領域と、前記フォトダイオード形成領域の略中央に配置されたリング形状の転送ゲートと、前記転送ゲートの内側に配置されたフローティングディフュージョン領域であって、前記転送ゲートの制御によって前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、を含む。 A line sensor according to an embodiment of the present invention is a line sensor including a plurality of light receiving elements arranged linearly at a predetermined interval, and each light receiving element generates a photo-generated charge corresponding to incident light. A photodiode-forming region, a ring-shaped transfer gate disposed substantially in the center of the photodiode-forming region, and a floating diffusion region disposed inside the transfer gate, wherein the light is controlled by controlling the transfer gate. And a floating diffusion region to which the generated charge is transferred.
本発明の一実施形態のラインセンサは、前記フローティングディフュージョン領域が、前記光発生電荷の転送量に基づく電位を出力する。
このような構成によれば、フォトダイオード形成領域に発生した光発生電荷をより多く読み出すことができるようにしたラインセンサを実現することができる。
In the line sensor according to the embodiment of the present invention, the floating diffusion region outputs a potential based on the transfer amount of the photogenerated charges.
According to such a configuration, it is possible to realize a line sensor that can read more photogenerated charges generated in the photodiode formation region.
本発明の一実施形態のラインセンサは、前記フォトダイオード形成領域が、ポテンシャル分布を有し、前記ポテンシャル分布は、前記略中央に向かって前記光発生電荷が移動し易い不純物プロファイルを有する。
このような構成によれば、周辺部から効率よく電荷を収集することができる。
In the line sensor according to an embodiment of the present invention, the photodiode formation region has a potential distribution, and the potential distribution has an impurity profile in which the photogenerated charges easily move toward the substantially center.
According to such a configuration, charges can be efficiently collected from the peripheral portion.
本発明の一実施形態の画像情報読取装置は、上記のラインセンサを含む、画像情報読取装置である。
このような構成によれば、高速な処理が要求される画像情報読取装置を実現することができる。
An image information reading apparatus according to an embodiment of the present invention is an image information reading apparatus including the line sensor.
According to such a configuration, an image information reading apparatus that requires high-speed processing can be realized.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
(第1の実施の形態)
まず図1に基づき、本実施の形態に係わるラインセンサが用いられる電子機器である画像情報読取装置の構成を説明する。図1は、本実施の形態に係わる画像情報読取装置の構成を示す構成図である。図2は、図1に示した画像情報読取装置の読み取り機構を説明するための概略断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
First, based on FIG. 1, the structure of the image information reading apparatus which is an electronic device in which the line sensor according to the present embodiment is used will be described. FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the image information reading apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is a schematic sectional view for explaining a reading mechanism of the image information reading apparatus shown in FIG.
図1に示すように、画像情報読取装置1は、ラインセンサユニット2を有する。ラインセンサユニット2は、細長い板状の基板3上に、基板3の長手軸方向に直線状に並べて配置された複数のラインセンサチップ4を有する。複数のラインセンサチップ4は、それぞれ複数の受光素子を有しており、複数のラインセンサチップ4が直線状に並べられたときに、互いに複数の受光素子が直線状に並ぶように、基板3上に配置されている。ラインセンサユニット2には、複数のレンズ5が設けられている。複数のレンズ5は、各レンズがラインセンサチップ4の各受光素子に対応した位置に位置するように、ラインセンサチップ4上に配置される。複数のレンズ5は、例えば複数のセルフォックレンズアレイである。さらに、ラインセンサユニット2には、光源装置としての細長いランプ6が設けられている。そして、基板3上には、複数のラインセンサチップ4からの画像信号を順次外部の画像信号処理回路(図示せず)へ出力する出力回路7が設けられている。
As shown in FIG. 1, the image
図示しない搬送装置が画像情報読取装置1内に設けられており、ラインセンサユニット2は、その搬送装置によって基板3の長手軸方向に直交する方向L1に移動可能となっている。ラインセンサユニット2の移動に伴って、画像情報読取装置1のガラス板等の透明板(図示せず)に密着して置かれた画像情報の読取対象の媒体である紙11の表面からの反射光を、直線状に並んだ複数のラインセンサチップ4が受光する。
A conveyance device (not shown) is provided in the image
図2に示すように、ランプ6からの光は紙11の表面で反射され、ラインセンサユニット2は、紙11からの反射光をレンズ5を通してラインセンサチップ4によって受光しながら、紙11の画像情報記録面に対して所定の距離を保ちつつ、所定の方向L1に沿って移動する。その結果、ラインセンサユニット2は、紙11を走査しながら、画像情報を読み取ることができる。
As shown in FIG. 2, the light from the lamp 6 is reflected on the surface of the
図3は、ラインセンサチップ4の構成を説明するための模式的平面図である。ラインセンサチップ4は、複数の受光素子21を有する。複数の受光素子21は、所定の間隔をおいて、一列に、すなわち直線状にラインセンサチップ4の表面上に形成されて配置されている。直線状に配置するとは、受光素子を一列に配置することに限らず、受光素子を三列に並べることを含む。受光素子を三列に配置した場合は、白色光を照射して、RGBセンサとして読み取る。
FIG. 3 is a schematic plan view for explaining the configuration of the line sensor chip 4. The line sensor chip 4 has a plurality of
さらに、ラインセンサチップ4は、タイミング信号発生回路としてのタイミングジェネレータ(TG)22と、各受光素子21を駆動するための駆動回路23と、各受光素子21からの画素信号を走査して読み出す走査回路24と、走査回路24からの画素信号を増幅して出力する増幅器25とを有する。増幅器25からの出力信号は、上述した出力回路7へ供給される。
Further, the line sensor chip 4 scans and reads out a pixel signal from each
従って、画像情報読取装置1では、図示しない制御部からの各種制御信号が、ラインセンサユニット2、搬送装置(図示せず)へ供給される。各種制御信号を受信したラインセンサユニット2は、内部で所定の制御信号を生成して、各ラインセンサチップ4を駆動し、画像信号を読み出して出力する。その結果、画像情報読取装置1は、紙11の画像情報を読み取ることができる。
Therefore, in the image
次に、ラインセンサチップ4の各受光素子の構造について説明する。図4は、ラインセンサチップ4に形成された1つの受光素子21の平面図である。図5は、図4のV−V線に沿った受光素子21の断面図である。
Next, the structure of each light receiving element of the line sensor chip 4 will be described. FIG. 4 is a plan view of one
受光素子21は、基板平面に対して直交する方向からみたときに、角が丸くなるように形成された方形形状を有している。すなわち、鉛直上方から見たとき、受光素子の平面形状は、方形形状であり、該方形形状の角部は丸みをおびている。
The
方形形状の受光素子21の略中央部には、検出素子31が形成されている。本実施の形態においては、検出素子31は、閾値変調方式の変調トランジスタTmである。
A
変調トランジスタ形成領域TMの周囲に、フォトダイオードが、環状(リング状)に形成されている。図4においては、フォトダイオードが形成される領域を、フォトダイオード形成領域PDとして示している。 A photodiode is formed in a ring (ring shape) around the modulation transistor formation region TM. In FIG. 4, the region where the photodiode is formed is shown as a photodiode formation region PD.
図5に示すように、各受光素子21は、基板101のP型基板101a上に形成される。フォトダイオード形成領域PDでは、P型基板101a上に、基板の深い位置にN-のN型ウェル102が形成されている。一方、変調トランジスタ形成領域TMでは、P型基板101a上に、基板の比較的浅い位置にN-のN型ウェル103が形成されている。なお、図5及びその説明中、N,Pの添え字の−,+はその数によって不純物濃度のより薄い部分(添え字−−)からより濃い部分(添え字++)の状態を示している。なお、本実施の形態では、光発生電荷として正孔が用いられる。
As shown in FIG. 5, each light receiving
図5に示すように、フォトダイオード形成領域PDのN型ウェル102上及び変調トランジスタ形成領域TMのN型ウェル103上には、P型不純物層104が形成され、そのP型不純物層104は蓄積ウェルとして機能する。また、基板表面には略全面に渡って、N+拡散層105が形成されている。N+拡散層105は、N-のN型ウェル102と物理的に接していて、且つ、電気的に接続されている。
As shown in FIG. 5, a P-
N+拡散層105は、受光素子毎に形成されており、隣り合う受光素子21とは分離されている。具体的には、図5に示すように、隣り合う受光素子21同士は、分離層ISとしてのP型基板101aのP型不純物層によって分離される。
The N + diffusion layer 105 is formed for each light receiving element and is separated from the adjacent
フォトダイオードは、光電変換素子としての機能を有する。フォトダイオード形成領域PDは、基板101下方に形成されたN型ウェル102と、該N型ウェル102の上方に形成されたP型不純物層104とを含む。N型ウェル102と、P型不純物層104との境界領域には空乏領域が形成され、この空乏領域において、フォトダイオード形成領域PDの光を受ける開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。その発生した光発生電荷はP型不純物層104に蓄積される。
変調トランジスタ形成領域TMに形成される電圧を検出する検出素子31は、増幅手段としての変調トランジスタTmであり、例えば、NチャネルディプレッションMOSトランジスタである。変調トランジスタ形成領域TMのN型ウェル103上には、基板101表面にゲート絶縁膜110を介して略リング状(図4では8角形)のゲート(以下、リングゲート又は単にゲートともいう)32が形成されている。リングゲート32の下には、変調トランジスタTmのチャネルを構成するN+拡散層105がある。
The photodiode has a function as a photoelectric conversion element. The photodiode formation region PD includes an N-type well 102 formed below the
The
リングゲート32の開口部分の中央の基板表面にはN++拡散層が形成されてソース領域(以下、単にソースともいう)が形成されている。変調トランジスタ形成領域TMのN型ウェル103上のP型不純物層104内には、リングゲート32のリング形状に沿って形成されたリング状の、P+拡散によるフローティングディフュージョン領域であるP型の高濃度不純物領域のキャリアポケット107が形成されている。このキャリアポケット107を含むP型不純物層104を含む蓄積ウェルが変調用ウェルとして機能する。また、リングゲート32の周囲のN+拡散層105は、ドレイン領域(以下、単にドレインともいう)を構成する。
An N ++ diffusion layer is formed on the substrate surface at the center of the opening of the
以上のように、変調トランジスタTmは、リングゲート32と、リングゲート32の中央部のソース領域と、リングゲート32の周囲のドレイン領域によって構成される。
変調用ウェルとなるP型の蓄積ウェルは、変調トランジスタTmのチャネルの閾値電圧を制御し、キャリアポケット107に蓄積された電荷に応じてチャネルの閾値電圧が変化するようになっている。
As described above, the modulation transistor Tm includes the
The P-type accumulation well serving as the modulation well controls the channel threshold voltage of the modulation transistor Tm, and the channel threshold voltage changes according to the charge accumulated in the
また、図4に示すように、リングゲート32の所定位置には、基板101表面近傍にN+層のゲートコンタクト領域33が形成される。ソース領域の所定位置には、基板101表面近傍にN+層のソースコンタクト領域34が形成される。ドレイン領域の所定位置には、基板101表面近傍にN+層のドレインコンタクト領域35が形成される。なお、図5に示すように、ソースコンタクト領域34は、配線層108に接続され、ドレインコンタクト領域35は、配線層109に接続されている。
As shown in FIG. 4, an N + layer
変調トランジスタ形成領域TMのソース電位は、変調用ウェルに転送された電荷の量、即ち、フォトダイオードとして機能するフォトダイオード形成領域PDへの入射光に応じたものとなる。 The source potential of the modulation transistor formation region TM corresponds to the amount of charge transferred to the modulation well, that is, incident light to the photodiode formation region PD that functions as a photodiode.
特に、P型不純物層104は、基板101の表面に直交する方向からみると、角が丸くなるように形成された方形形状を有しており、図4に点線で示すように、P型不純物の濃度が、方形形状のP型不純物層104の周辺部から中心部に向かって高くなるように形成されている。具体的には、P型不純物の濃度のレベルは、3レベルであり、中心領域104aは、周辺領域104cよりもその濃度は高く、中間領域104bの濃度は、中心領域104aの濃度と周辺領域104cの濃度の間の濃度である。
In particular, the P-
このような濃度差を有するP型不純物層104は、例えば、イオン注入による不純物の注入を、3回に分けて行うことによって形成することができる。その場合、一回目のイオン注入は、外側の周辺領域104cを含めて全体に対して行い、2回目は、中間領域104cを含む内側に対して行い、そして、3回目は、中心領域104aのみに対して行う。
The P-
なお、濃度レベルは、本実施の形態では、3レベルであるが、2レベルでもよいし、4レベル以上でもよい。このような構成によれば、周辺部から効率よく電荷を収集することができる。
従って、上述したP型不純物の濃度勾配は、フォトダイオード形成領域PDと、検出素子を構成するリングゲート32の形状に合わせて、同心の形状になっている。
The density level is 3 levels in the present embodiment, but may be 2 levels or 4 levels or more. According to such a configuration, charges can be efficiently collected from the peripheral portion.
Therefore, the concentration gradient of the P-type impurity described above is concentric with the shape of the photodiode formation region PD and the shape of the
なお、基板表面には、図示しない層間絶縁膜を介して、各種配線層が形成され、上述した配線108等と接続されている。
さらになお、濃度レベルが1レベル、すなわちP型不純物層104の周辺部から中心部に向かって濃度が同じでもよい。P型不純物層104内に濃度勾配がなくても、キャリアポケット107があるため、キャリアポケット107に向かってポテンシャルの勾配は存在する。
Various wiring layers are formed on the substrate surface via an interlayer insulating film (not shown) and connected to the above-described
Furthermore, the concentration level may be one level, that is, the concentration may be the same from the peripheral portion of the P-
図6は、本実施の形態に係るラインセンサのポテンシャルを説明するための図である。図6は、上部に受光素子21の断面を示し、下部にその断面に対応するポテンシャル図を示す。
FIG. 6 is a diagram for explaining the potential of the line sensor according to the present embodiment. FIG. 6 shows a cross section of the
図6に示すように、P型不純物層104の周辺部から中心部に向かって、周辺領域104c、中間領域104b及び中心領域104aの不純物濃度差に応じて、ポテンシャルは低くなっていき、高濃度不純物領域のキャリアポケット107のところで最もポテンシャルが低くなっている。フォトダイオード形成領域PDは、このようなポテンシャル勾配を有するので、光発生電荷をキャリアポケット107に移動させ易くなっている。
As shown in FIG. 6, the potential decreases from the peripheral part of the P-
このような構成にかかる受光素子21の動作例を説明する。
まず、受光素子21において、リングゲート32に高い電圧を印加して、蓄積ウェルとしてのP型不純物層104内の電荷をP型基板101aを通して掃き出すことによって、リセット動作が行われる。
An operation example of the
First, in the
このリセット動作直後には、蓄積ウェル内には電荷はないので、蓄積ウェルが空の状態における変調トランジスタTmの出力電圧を検出する。この出力電圧の検出動作が、ノイズ成分の検出動作である。 Immediately after the reset operation, since there is no charge in the storage well, the output voltage of the modulation transistor Tm when the storage well is empty is detected. This output voltage detection operation is a noise component detection operation.
次に、受光素子21のフォトダイオード形成領域PDに光が当っていれば、P型不純物層104内に光発生電荷が生じる。この電荷の発生が所定時間継続され、その期間が、蓄積期間となる。
Next, if light hits the photodiode formation region PD of the
蓄積期間の間に、光量に応じた光発生電荷がP型不純物層104内に保持される。変調トランジスタTmは、P型不純物層104内に電荷が保持されることにより、バックゲートバイアスが変化したことと等価となり、P型不純物層104内の電荷量に応じてチャネルの閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタTmの出力電圧は、P型不純物層104内の電荷量に応じたもの、すなわち、フォトダイオード形成領域PDの受光量を示す電圧となる。この電圧の検出動作が、信号成分の検出動作となる。
ノイズ成分の電圧信号と信号成分の電圧信号は、それぞれ図示しないサンプルホールド回路によりサンプルホールドされて、コンデンサに蓄積され、比較される。従って、いわゆるCDS機能を有するラインセンサの受光素子が、実現される。
During the accumulation period, photogenerated charges corresponding to the amount of light are held in the P-
The voltage signal of the noise component and the voltage signal of the signal component are sampled and held by a sample hold circuit (not shown), stored in a capacitor, and compared. Therefore, a light receiving element of a line sensor having a so-called CDS function is realized.
以上のように、本実施の形態の受光素子21では、フォトダイオード形成領域PDの中心部に検出素子が形成されているので、フォトダイオード形成領域PDにおいて発生した光発生電荷の検出素子までの距離は、従来に比べて半分にすることができる。
As described above, in the
従って、上述したラインセンサによれば、各検出素子がそれぞれのフォトダイオード形成領域の中央部に設けられているので、フォトダイオード形成領域において発生した光発生電荷が、略中央の検出素子に集まり易くなるので、各検出素子は、光発生電荷をより多く読み出すことができ、その結果、ラインセンサの感度が向上する。 Therefore, according to the above-described line sensor, each detection element is provided in the center of each photodiode formation region, so that the photo-generated charges generated in the photodiode formation region are likely to gather in the detection element in the substantially center. Therefore, each detection element can read more photogenerated charges, and as a result, the sensitivity of the line sensor is improved.
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態では、検出素子は、変調トランジスタTmのチャネルの閾値電圧の変化を利用して、受光量の検出を行うものであるが、第2の実施に形態は、不純物層内に蓄積された電荷量に基づく電位を、増幅トランジスタのゲートに供給するような構成にした点が第1の実施の形態と異なる。第2の実施の形態に係る構成を利用するラインセンサとしては、例えば、CMOSセンサがある。本実施の形態に係る受光素子も、図1及び図2に示した画像情報読取装置に適用可能となるので、画像情報読取装置の説明は省略する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the detection element detects the amount of received light by using a change in the threshold voltage of the channel of the modulation transistor Tm. In the second embodiment, the detection element is included in the impurity layer. The difference from the first embodiment is that a potential based on the accumulated charge amount is supplied to the gate of the amplification transistor. An example of a line sensor that uses the configuration according to the second embodiment is a CMOS sensor. Since the light receiving element according to the present embodiment can also be applied to the image information reading apparatus shown in FIGS. 1 and 2, the description of the image information reading apparatus is omitted.
図7は、本実施の形態に係わるラインセンサチップ4上の1つの受光素子121の平面図と検出回路を示す図である。図8は、図7のVIII−VIII線に沿った受光素子121の断面図である。
FIG. 7 is a plan view of one
受光素子121は、基板平面に対して直交する方向からみたときに、角が丸くなるように形成された方形形状を有している。方形形状の受光素子121の中央部には、フローティングディフュージョン領域FDが形成されている。フローティングディフュージョン領域FDの周囲に、フォトダイオード形成領域PDが、リング状に形成されている。
The
フローティングディフュージョン領域FDの中心部には、コンタクト領域134があり、そのコンタクト領域134は、配線層208(図8)を介して、リセットトランジスタTRSのソースと、増幅トランジスタTAのゲートに接続されている。尚、リセットトランジスタTRSと増幅トランジスタTAとは、フォトダイオード形成領域PDの外側に形成される。
A
図8に示すように、各受光素子121は、P型基板201a上に形成される。フォトダイオード形成領域PDのP型基板201a上には、N-のN型不純物層204がリング状に形成されている。一方、フローティングディフュージョン形成領域FDのP型基板201a上には、フローティングディフュージョンとなるN+のN型不純物層203が形成されている。なお、図8及びその説明中、N,Pの添え字の−,+はその数によって不純物濃度のより薄い部分(添え字−−)からより濃い部分(添え字++)の状態を示している。なお、本実施の形態では、光発生電荷として電子が用いられる。
As shown in FIG. 8, each light receiving
図8に示すように、フォトダイオード形成領域PDのN型不純物層204の基板表面には、P+拡散層205が形成されている。P+拡散層205は、P型基板201aと物理的に接していて、且つ、電気的に接続されている。
As shown in FIG. 8, the substrate surface of the photodiode forming region PD of the N-
P+拡散層205は、受光素子毎に形成されており、隣り合う受光素子121同士を分離するように形成されている。具体的には、図8に示すように、隣り合う受光素子121同士は、分離層ISとしてのP型基板201aのP型不純物層によって分離される。
The P + diffusion layer 205 is formed for each light receiving element, and is formed so as to separate the adjacent
光電変換素子の機能を有するフォトダイオード形成領域PDの下方の基板201aとN型不純物層204との境界領域には空乏領域が形成され、この空乏領域において、フォトダイオード形成領域PDの光を受ける開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。その発生した光発生電荷はN型不純物層204に蓄積される。
基板表面に直交する方向から見て、フローティングディフュージョン領域FDを囲むように、基板201a表面にゲート絶縁膜210を介して略リング状(図7では8角形)のゲート(以下、リングゲート又は単にゲートともいう)132が形成されている。
A depletion region is formed in the boundary region between the
When viewed from the direction orthogonal to the substrate surface, a substantially ring-shaped (octagonal in FIG. 7) gate (hereinafter referred to as a ring gate or simply a gate) is formed on the surface of the
リングゲート132は、N型不純物層204に保持されている光発生電荷を、基板表面のN型不純物層203に転送する転送ゲートして機能する。従って、フローティングディフュージョン領域FDとリングゲート132によって、フローティングディフュージョン領域FDの電位を検出して、増幅トランジスタTAのゲートに供給する検出素子131が構成される。そして、その検出素子131は、フォトダイオード形成領域PDに囲まれるようにして、フォトダイオード形成領域PDの中央部に設けられている。
The
なお、基板表面には、図示しない層間絶縁膜を介して、各種配線層が形成され、上述した配線208等と接続されている。
このような構成により、N型不純物層204内に蓄積された電荷量に基づく電位を、増幅トランジスタTAのゲートに供給することができる。
Various wiring layers are formed on the substrate surface via an interlayer insulating film (not shown) and connected to the above-described
With such a configuration, a potential based on the amount of charge accumulated in the N-
このような構成にかかる受光素子121の動作例を説明する。
まず、リングゲート132に所定の電圧を印加して、N型不純物層203内の残存電荷を掃き出すことによって、リセット動作が行われる。このリセット動作直後には、N型不純物層203の電位はリセット電圧に固定される。フローティングディフュージョン領域FDに応じて、増幅トランジスタTAのゲート電位は変化するので、増幅トランジスタTAの出力VOUTは、フローティングディフュージョン領域FDに電荷がないときの電位に応じた、すなわちノイズ成分に応じた出力となる。この出力の検出動作が、ノイズ成分の検出動作である。
An example of the operation of the
First, the reset operation is performed by applying a predetermined voltage to the
次に、受光素子121のフォトダイオード形成領域PDに、光が当っていれば、N型不純物層204内に光発生電荷が生じる。この電荷の発生は所定時間継続され、その期間が、蓄積期間となる。
Next, if light hits the photodiode formation region PD of the
蓄積期間の間に、光量に応じた光発生電荷がN型不純物層204内に保持される。N型不純物層204内に保持された電荷を、リングゲート132に高い所定の電圧を印加することによって、N型不純物層203へ転送する。この転送動作により、N型不純物層203内には電荷が移動する。移動した電荷量に応じて、増幅トランジスタTAのゲート電位は変化するので、増幅トランジスタTAの出力VOUTは、フローティングディフュージョン領域FD内の電荷量による電位に応じた、すなわち信号成分に応じた出力となる。この出力の検出動作が、信号成分の検出動作である。
During the accumulation period, photogenerated charges corresponding to the amount of light are held in the N-
ノイズ成分の電圧信号と信号成分の電圧信号は、それぞれ図示しないサンプルホールド回路によりサンプルホールドされて、コンデンサに蓄積され、比較される。従って、いわゆるCDS機能を有するラインセンサの受光素子が、実現される。 The voltage signal of the noise component and the voltage signal of the signal component are sampled and held by a sample hold circuit (not shown), stored in a capacitor, and compared. Therefore, a light receiving element of a line sensor having a so-called CDS function is realized.
以上のように、上述したラインセンサによれば、各検出素子がそれぞれのフォトダイオード形成領域の略中央に設けられているので、フォトダイオード形成領域において発生した光発生電荷が、略中央の検出素子に集まり易くなるので、各検出素子は、光発生電荷をより多く読み出すことができ、その結果、ラインセンサの感度が向上する。 As described above, according to the above-described line sensor, each detection element is provided in the approximate center of the respective photodiode formation region, so that the photo-generated charges generated in the photodiode formation region are substantially in the center of the detection element. Therefore, each detection element can read more photogenerated charges, and as a result, the sensitivity of the line sensor is improved.
なお、上述した2つの実施の形態では、検出素子はフォトダイオード形成領域の中央部に設けられているが、本発明の意図するところから、検出素子は完全な中央の部分ではなくても、略中央部に設けられていればよい。 In the two embodiments described above, the detection element is provided in the central portion of the photodiode formation region. However, from the intent of the present invention, the detection element is not necessarily a complete central portion. What is necessary is just to be provided in the center part.
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 画像読取装置、2 ラインセンサユニット、3 基板、4 ラインセンサチップ、5 レンズ、6 ランプ、7 出力回路、11 紙、21、121 受光素子、22 タイミングジェネレータ、23 駆動回路、24 走査回路、25 増幅器、31、131 検出素子、32、132 リングゲート
DESCRIPTION OF
Claims (8)
各受光素子は、
入射光に応じた光発生電荷を生成するフォトダイオード形成領域と、
前記光発生電荷の電荷量を検出する検出トランジスタであって、前記フォトダイオード形成領域の略中央に配置された前記検出トランジスタと、
を含む、ラインセンサ。 A line sensor including a plurality of light receiving elements arranged in a straight line at a predetermined interval,
Each light receiving element
A photodiode forming region for generating photogenerated charges in response to incident light;
A detection transistor for detecting a charge amount of the photogenerated charge, wherein the detection transistor is disposed substantially at the center of the photodiode formation region;
Including line sensor.
前記ゲート電極は、リング形状であり、
前記ソース領域は、前記ゲート電極の内側に形成され、
前記ドレイン領域は、前記ゲート電極の外側に形成され、
前記蓄積領域は、前記ゲート電極の下方に形成され、前記光発生電荷を蓄積する、請求項1記載のラインセンサ。 The detection transistor has a gate electrode, a source region, a drain region, and a storage region,
The gate electrode has a ring shape;
The source region is formed inside the gate electrode;
The drain region is formed outside the gate electrode;
The line sensor according to claim 1, wherein the accumulation region is formed below the gate electrode and accumulates the photogenerated charges.
前記ポテンシャル分布は、前記略中央に向かって前記光発生電荷が移動し易い不純物プロファイルを有する、請求項1乃至3いずれか一つに記載のラインセンサ。 The photodiode formation region has a potential distribution;
The line sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the potential distribution has an impurity profile in which the photogenerated charges easily move toward the substantially center.
各受光素子は、
入射光に応じた光発生電荷を生成するフォトダイオード形成領域と、
前記フォトダイオード形成領域の略中央に配置されたリング形状の転送ゲートと、
前記転送ゲートの内側に配置されたフローティングディフュージョン領域であって、前記転送ゲートの制御によって前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、
を含む、ラインセンサ。 A line sensor including a plurality of light receiving elements arranged in a straight line at a predetermined interval,
Each light receiving element
A photodiode forming region for generating photogenerated charges in response to incident light;
A ring-shaped transfer gate disposed substantially in the center of the photodiode forming region;
A floating diffusion region disposed inside the transfer gate, wherein the photo-generated charge is transferred by control of the transfer gate;
Including line sensor.
前記ポテンシャル分布は、前記略中央に向かって前記光発生電荷が移動し易い不純物プロファイルを有する、請求項5乃至6いずれか一つに記載のラインセンサ。 The photodiode formation region has a potential distribution;
The line sensor according to any one of claims 5 to 6, wherein the potential distribution has an impurity profile in which the photogenerated charges easily move toward the substantially center.
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