JP2007081083A

JP2007081083A - ラインセンサ及び画像情報読取装置

Info

Publication number: JP2007081083A
Application number: JP2005266394A
Authority: JP
Inventors: Masae Nishida; 真恵西田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】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。
【解決手段】ラインセンサ４は、受光素子と、受光素子の表面に対して直行する方向からみたときに受光素子の略中央部に設けられた光発生電荷の量を検出する検出素子とを有する複数の画素が、所定の間隔をおいて一列に配列されている。さらに、ラインセンサ４は、光発生電荷を発生する複数のフォトダイオード形成領域ＰＤを有する。フォトダイオード形成領域ＰＤは、複数の受光素子の表面に対して平面視したときに、複数の延出部ＥＸを有する第１の部分と、その外側に配置された第２部分とを含む。第１の部分は、平面視したときにその幅が外側から中心に向かって広く、第２部分の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する。
【選択図】図４

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。

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領域を有し、光電変換素子として機能する。例えば、フォトダイオード形成領域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。

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。
特開2002-231926号公報

しかし、上記提案に係る固体撮像装置において、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、いくらでも長くできるものではない。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。
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る。

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。

本発明のラインセンサは、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、第１導電型の半導体層と、前記半導体層内に形成された第２導電型の第１不純物領域と、前記第１不純物領域の上方に形成された前記第１導電型の第２不純物領域と、前記第１不純物領域と前記第２不純物領域との接合によって形成されたフォトダイオードであって、入射光に応じた光発生電荷を生成する前記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、を含み、前記フォトダイオード形成領域内の前記第２不純物領域は、少なくとも複数の延出部を有する第１部分であって、前記延出部の各々は平面視したときにその幅が外側から中心に向かって広くなる、前記第１部分と、前記第１部分に対し外側に配置された第２部分と、を含み、前記第１部分は、前記第２部分の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する。
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ラインセンサを実現することができる。

本発明のラインセンサは、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、第１導電型の半導体層と、前記半導体層内に形成された第２導電型の不純物領域と、前記半導体層と前記不純物領域との接合によって形成されたフォトダイオードであって、入射光に応じた光発生電荷を生成する前記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前記第２導電型の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、を含み、前記フォトダイオード形成領域内の前記不純物領域は、少なくとも複数の延出部を有する第１部分であって、前記延出部の各々は平面視したときにその幅が外側から中心に向かって広くなる、前記第１部分と、前記第１部分に対し外側に配置された第２部分と、を含み、前記第１部分は、前記第２部分の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する。

このような構成によれば、ＣＭＯＳセンサのようなセンサにおいて、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ラインセンサを実現することができる。

また、本発明のラインセンサにおいて、前記延出部の各々は、頂点を外側に底辺を中心側に配置した三角形の形状を有し、且つ、前記頂点から前記底辺に向かって形成されたポテンシャル勾配を有することが望ましい。
このような構成によれば、外縁部のキャリアを前記略中央部の前記検出素子に短時間で収集することができる。

また、本発明のラインセンサにおいて、前記フォトダイオード形成領域内の前記第２不純物領域は、前記第１部分と前記第２部分との間に、少なくとも第３部分を含み、前記第３部分は、前記第１部分の不純物濃度に比して低い不純物濃度を有し、且つ、前記第２部分の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有することが望ましい。
このような構成によれば、フォトダイオード形成領域において、周辺部から中心部に向かって、かつ周囲の領域から延出部に向かって、ポテンシャルは低くなっていくラインセンサを実現することができる。

また、本発明のラインセンサにおいて、前記検出トランジスタは、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とが望ましい。
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。

また、本発明のラインセンサにおいて、前記検出トランジスタは、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とが望ましい。
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ラインセンサを実現することができる。

本発明の画像情報読取装置は、本発明のラインセンサを具備している。
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。

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。

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列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一直線上に並ぶように、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。

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、一列に並んだ複数のラインセンサチップ４が受光する。

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。

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。

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。

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。

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上の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。図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線に沿った受光素子２１の断面図である。図７は、図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った受光素子２１の断面図である。

受光素子２１は、基板平面を平面視したときに、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２１の中央部には、変調トランジスタ形成領域ＴＭが形成されている。変調トランジスタ形成領域ＴＭの周囲に、フォトダイオード形成領域ＰＤが形成されている。

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。Ｎ型ウェル１０２は、Ｐ型基板１０１ａを第１導電型不純物領域とすれば、第１導電型の半導体層内に形成された第２導電型不純物領域である。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から図７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。

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の上方及び変調トランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル１０３の上方には、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。Ｐ型不純物層１０４は、不純物濃度の異なる２つの領域から構成される。第１の領域１０４ａは、図４の点線で示すように、基板１０１の表面を平面視すると、フォトダイオード形成領域ＰＤの中心と同じ位置に中心を有する星型の形状を有する。第２の領域１０４ｂは、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて、第１の領域１０４ａを除いた、第１の領域１０４ａの周囲の領域である。Ｐ型不純物層１０４の構造については、後で詳述する。

また、基板表面側には変調トランジスタ領域以外の略全面に渡って、ピニング層として機能するＮ⁺拡散層１０５ａが形成されている。
Ｎ⁺拡散層１０５ａ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ＩＳＰ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。また、Ｐ型不純物層１０４と分離層ＩＳＰの間はＮ型不純物層ＩＳＮで分離されている。

Ｎ型ウェル１０２とＰ型不純物層１０４との接合によって、フォトダイオードが形成され、入射した光の量に応じた光発生電荷を生成する。すなわち、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１０１上に形成された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へ集められる。
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Ｔｍは、光発生電荷の電荷量を検出する検出トランジスタであり、フォトダイオード形成領域ＰＤの略中央に配置されている。変調トランジスタ形成領域ＴＭのＮ型ウェル１０３上には、基板１０１表面にゲート絶縁膜１１０を介して略リング形状（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１０５ｂがある。

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１０５ａは、ドレイン領域（以下、単にドレインともいう）を構成する。言い換えると、基板１０１の表面を平面視したときに、ゲート電極であるリングゲート３２の内側にソースが形成され、リングゲート３２の外側にドレインが形成されている。そして、リングゲート３２の下方にキャリアポケット１０７が形成されている。

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と、蓄積領域としてのキャリアポケット１０７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。

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。

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。

次に、Ｐ型不純物層１０４の構造について説明する。
図４に示すように、受光素子２１の表面を平面視したときに、Ｐ型不純物層１０４における第１の領域１０４ａは、中心部の円形部分の周囲に、検出素子３１の中心部から外側に向かって複数方向、ここでは８つの方向、に延出する複数の延出部ＥＸを有する。各延出部ＥＸの先端部分はとがっている形状をしているため、第１の領域１０４ａは、全体に星型形状を有している。そして、星型形状の第１の領域１０４ａの各延出部ＥＸは、フォトダイオード形成領域ＰＤの外側に向けて頂点を、さらに中心側に底辺を配置した三角形の形状を有している。より具体的には、各延出部ＥＸは、フォトダイオード形成領域ＰＤの外縁部に接する先端部分を頂点とする三角形の形状を有している。すなわち、第１の領域１０４ａは、各延出部ＥＸの先端部分の、受光素子２１の中心から最も離れた各先端ＴＰが、フォトダイオード形成領域ＰＤの外縁部と一致するように形成されている。また、第１の領域１０４ａの星型形状は、隣り合う延出部ＥＸの間の谷部分の基端ＢＰ間の距離Ｌが略等しくなるように形成されている。

言い換えると、Ｐ型不純物層の第１の領域１０４ａの形状は、検出素子３１の周囲に、底辺の長さが等しい三角形が並べられ、各三角形の底辺に対向する頂点は、フォトダイオード形成領域ＰＤの外縁部に一致しているような星型形状である。逆に言うと、不純物濃度が周囲の領域よりも高い領域の部分である第１の領域１０４ａは、基板１０１の表面と平行な平面内において、外縁部の先端ＴＰから中心部に向かって、幅が広がるような形状を、それぞれ有する複数の延出部ＥＸ（三角形の部分）を有する。そして、第１の領域１０４ａの外側には、不純物濃度が第１の領域１０４ａの領域よりも低い領域の部分である第２の領域１０４ｂの部分が設けられている。

第１の領域１０４ａのＰ型不純物の濃度は、例えば、５ｅ１６[１／ｃｍ^３]程度である。第２の領域１０４ｂのＰ型不純物の濃度は、例えば、１ｅ１６[１／ｃｍ^３]程度である。このような２つの濃度の領域を形成する方法は、例えば次の通りである。

まず、第１の領域１０４ａと第２の領域１０４ｂの２つの領域からなるＰ型不純物層１０４に対して、Ｐ型不純物の濃度が５ｅ１６[１／ｃｍ^３]程度になるように、Ｐ型不純物をイオン注入し、その後、第２の領域１０４ｂのＰ型不純物の濃度が１ｅ１６[１／ｃｍ^３]程度になるように、第２の領域１０４ｂに対してのみ、Ｎ型不純物をイオン注入する。
あるいは、第１の領域１０４ａに対して、Ｐ型不純物の濃度が５ｅ１６[１／ｃｍ^３]程度になるように、Ｐ型不純物をイオン注入し、そして、Ｐ型不純物の濃度が１ｅ１６[１／ｃｍ^３]程度になるように、Ｐ型不純物をイオン注入するようにしてもよい。

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。
図８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８は、上部に図４のＶ−Ｖ線に沿った受光素子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。

図８に示すように、Ｐ型不純物層１０４の第１の領域１０４ａの周辺部から中心部に向かってポテンシャル勾配が形成され、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に短時間で移動させ易くなっている。

さらに詳述すれば、各延出部ＥＸ分は三角形の形状を有しており、各三角形の第１の領域１０４ａは、三角形の頂点である先端ＴＰから、三角形の底辺（長さはＬである）の中央に向かって、基板平面と平行な面内の方向の幅が広がるように形成されている。よって、各三角形の第１の領域１０４ａにおいては、三角形の頂点から底辺の中央に向かって、ポテンシャルは低くなる。

また、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は、Ｐ型不純物濃度の関係により第２の領域１０４ｂよりもポテンシャルが低い第１の領域１０４ａに集まり易い。さらに、各第１の領域１０４ａにおける、三角形の頂点から底辺の中央に向かう仮想線に沿って、ポテンシャルは徐々に低くなっていくので、光発生電荷は、第１の領域１０４ａの中央部に集まり易い。そして、第１の領域１０４ａの中央部には、さらに不純物濃度の高いキャリアポケット１０７があるので、光発生電荷は、各三角形の底辺部よりも、キャリアポケット１０７のある第１の領域の中央部に集まり易い。

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内の電荷を変調トランジスタ領域ＴＭのＮウェル１０３を介してＰ型基板１０１ａへ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、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。

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。
蓄積期間の間に、Ｐ型不純物層１０４内に集められた光発生電荷は、キャリアポケット１０７に蓄積される。なお、必要に応じて、蓄積期間後にＰ型不純物層１０４内の光発生電荷をキャリアポケット１０７へ転送する為の転送動作を取り入れても良い。

次に、変調動作では、キャリアポケット１０７に集められた光発生電荷の量が変化することにより、バックゲートバイアスが変化したことと等価となり、キャリアポケット１０７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、キャリアポケット１０７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。よって、変調トランジスタＴｍは、閾値電圧に基づいた信号を出力する。特に、上述したポテンシャル勾配が形成されているので、光発生電荷は、フォトダイオード形成領域ＰＤ内の周辺部に残存することなく、リングゲート３２の下に集まっているので、より正確に光量の検出をすることができる。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。

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。

さらに、上述したようなポテンシャル勾配が形成されているので、受光素子２１の中心部に光発生電荷が集まり易くなっているので、略中心にある検出素子によって、受光量に応じた出力信号が検出可能となる。

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おり、受光素子２１の周囲から中心に向かってポテンシャルが低くなっているので、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。

（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。

図９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１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿った受光素子１２１の断面図である。図１１は、図９のＸＩ−ＸＩ線に沿った受光素子１２１の断面図である。

受光素子１２１は、基板平面を平面視したときに、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１０）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。

図１０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領域ＦＤのＰ型基板２０１ａ上には、基板表面にＮ⁺のＮ型不純物層２０３が形成されている。Ｐ型基板２０１ａとＮ型不純物層２０４との接合によって、フォトダイオードが形成され、入射した光の量に応じた光発生電荷を生成する。Ｎ型不純物層２０４は、Ｐ型基板２０１ａを第１導電型不純物領域とすれば、第１導電型の半導体層内に形成された第２導電型不純物領域である。なお、図１０、図１１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。

図１０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の基板表面上には、ピニング層として機能するＰ⁺拡散層２０５が形成されている。
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１０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。このとき、分離層ＩＳにＰ型不純物を注入し、分離能力を高める事が望ましい。

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。
基板表面を平面視したときに、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を介して略リング形状（図９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。言い換えると、基板表面を平面視したときに、ゲート１３２は、フォトダイオード形成領域ＰＤの略中央に配置され、フローティングディフュージョン領域ＦＤは、リング形状のゲート１３２の内側に配置されている。

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。

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。

図９に示すように、リング状のＮ型不純物層２０４は、不純物濃度の異なる２つの領域から構成される。第１の領域２０４ａは、図９の点線で示すように、基板２０１ａの表面を平面視したときに、フローティングディフュージョン領域ＦＤの中心と同じ位置に中心を有する星型の形状を有する。第２の領域２０４ｂは、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて、第１の領域２０４ａを除いた、第１の領域２０４ａの周囲の領域である。Ｎ型不純物層２０４の構造については、後で詳述する。

図９に示すように、受光素子１２１の表面を平面視したときに、Ｎ型不純物層２０４における第１の領域２０４ａは、リング状で、検出素子１２１の中心部から外側に向かって、複数方向、ここでは８つの方向、に延出する複数の延出部ＥＸ１を有する。各延出部ＥＸ１の先端部分はとがっている形状をしているため、第１の領域２０４ａは、全体にリング状で、かつ星型の形状を有している。そして、星型形状の第１の領域２０４ａの各延出部ＥＸ１は、フォトダイオード形成領域ＰＤの外側に向けて頂点を、さらに中心側に底辺を配置した三角形の形状を有している。より具体的には、各延出部ＥＸ１は、フォトダイオード形成領域ＰＤの外縁部に接する先端部分を頂点とする三角形の形状を有している。すなわち、第１の領域２０４ａは、各延出部ＥＸ１の先端部分の、受光素子１２１の中心から最も離れた各先端ＴＰが、フォトダイオード形成領域ＰＤの外縁部と一致するように形成されている。また、第１の領域２０４ａの星型形状は、隣り合う延出部ＥＸ１の間の谷部分の基端ＢＰ１間の距離Ｌ１が略等しくなるように形成されている。

言い換えると、Ｎ型不純物層の第１の領域２０４ａの形状は、リング状であって、かつ検出素子１３１の周囲に、底辺の長さが等しい三角形が並べられ、各三角形の頂点は、フォトダイオード形成領域ＰＤの外縁部に一致しているような星型形状である。逆に言うと、不純物濃度が周囲の第２の領域よりも高い領域の部分である第１の領域２０４ａは、基板２０１ａの表面と平行な平面内において、外縁部の先端ＴＰから中心部に向かって、幅が広がるような形状を、それぞれ有する複数の延出部ＥＸ１（三角形の部分）を有する。そして、第１の領域２０４ａの外側には、不純物濃度が第１の領域２０４ａの領域よりも低い領域の部分である第２の領域２０４ｂの部分が設けられている。

第１の領域２０４ａと第２の領域２０４ｂを形成する方法は、第１の実施の形態と同様な方法でよい。

図１２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１２は、上部に図９のＸ−Ｘ線に沿った受光素子１２１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。

図１２に示すように、Ｎ型不純物層２０４の第１の領域２０４ａの周辺部から中心部に向かって、ポテンシャルは低くなっている。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、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に転送させ易くなっている。

第１の領域２０４ａにこのようなポテンシャル勾配が形成される理由は、第１の実施の形態で述べた理由と同じである。さらに、各第１の領域２０４ａにおける、三角形の底辺の長さＬ１も、第１の実施の形態と同様の理由により、ポテンシャルが低くならなくなるような限界の位置に応じて決定される。

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内には電荷はない。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。

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。

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。特に、上述したポテンシャル勾配が形成されているので、光発生電荷は、リングゲート１３２の周囲に集まっているので、リングゲート１３２の転送動作によって、受光した光量に応じて発生した光発生電荷を、より多くの量を転送できるので、より正確に光量の検出をすることができる。この出力の検出動作が、信号成分の検出動作である。

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。

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、その検出素子の周囲に集まり易くなるので、各検出素子は、受光した光量に応じて発生した光発生電荷をより多く転送できるので、その結果、ラインセンサの感度が向上する。特に、エリアセンサに比べて大型のフォトダイオード形成領域を有するラインセンサなどにおいて、感度向上を図ることができる。

次に、上述した２つの実施の形態に係わる複数の変形例を説明する。以下の変形例では、ラインセンサチップ４の各受光素子のフォトダイオード形成領域ＰＤにおける、異なる濃度の領域の構成と形状だけについて説明する。
図１３は、第１及び第２の実施の形態の変形例に係る受光素子の平面図である。図１４は、第１及び第２の実施の形態の変形例の他の例に係る受光素子の平面図である。受光素子２２１は、基板平面を平面視したときに、長方形の形状を有している。長方形の中心部に検出素子２３２が設けられている。

図１３は、図４及び図９と同様に、受光素子２２１の表面を平面視したときに、第１の領域３０４ａは、検出素子２３２の中心部から外側に向かって複数方向、ここでは８つの方向、に延出する複数の延出部ＥＸ２を有する。そして、第１の領域３０４ａも、第１及び第２の実施の形態の第１の領域と同様に、全体に星型形状を有している。さらに、星型形状の第１の領域３０４ａの各延出部ＥＸ２は、フォトダイオード形成領域ＰＤの外縁部に接する先端部分を頂点とする三角形の形状を有している。すなわち、第１の領域３０４ａは、各延出部ＥＸ２の先端部分の、受光素子２２１の中心部から最も離れた各先端ＴＰ２が、フォトダイオード形成領域ＰＤの外縁部と一致するように形成されている。また、第１の領域３０４ａの星型形状は、隣り合う延出部ＥＸ２の間の谷部分の基端ＢＰ２間の距離Ｌ２が略等しくなるように形成されている。

言い換えると、第１の領域３０４ａの形状は、検出素子２３２の周囲に、底辺の長さが等しい三角形が並べられ、各三角形の底辺に対向する頂点は、フォトダイオード形成領域ＰＤの外縁部に一致しているような星型形状である。逆に言うと、不純物濃度が周囲の領域よりも高い領域である第１の領域３０４ａは、基板の表面と平行な平面内において、外縁部の先端ＴＰ２から中心部に向かって、幅が広がるような形状を、それぞれ有する複数の延出部ＥＸ２（三角形の部分）を有する。

そして、基板平面を平面視したときに、星型形状の第１の領域３０４ａの外縁部には、所定の幅の第２の領域３０４ｂが形成されている。第２の領域３０４ｂの不純物濃度は、第１の領域３０４ａの不純物濃度よりも低い。
さらに、第２の領域３０４ｂの周囲には、第３の領域３０４ｃが形成されている。第３の領域３０４ｃの不純物濃度は、第２の領域３０４ｂの不純物濃度よりも低い。

従って、第１の領域３０４ａの周囲の領域は、各延出部ＥＸ２の辺部（すなわち三角形の底辺以外の２つの辺部）から離れるに従って、不純物濃度が低くなるような順番で設けられた複数の領域である。

図１３では、その星型形状の第１の領域３０４ａの周りには、２重に不純物濃度の異なる２つの領域３０４ｂ、３０４ｃが形成されている。このような形状によれば、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて、第３の領域３０４ｃから第２の領域３０４ｂに向かってポテンシャル勾配が形成され、さらに第２の領域３０４ｂから第１の領域３０４ａに向かってポテンシャル勾配が形成されている。

その結果、第１の領域３０４ａでは、周辺部から中心部に向かって、かつ周囲の領域から第１の領域３０４ａに向かって、滑らかなポテンシャル勾配が形成される。

なお、図１４に示すように、受光素子３２１は、その星型形状の第１の領域３０４ａの周りに、３重に不純物濃度の異なる３つの領域３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄが形成されるように構成してもよい。第４の領域３０４ｄの不純物濃度は、第３の領域３０４ｃの不純物濃度よりも低い。このようにすれば、周辺部から中心部に向かって、かつ周囲の領域から第１の領域３０４ａに向かってポテンシャルの傾斜ができるので、より受光素子の中心部に光発生電荷が集まり易くなる
さらになお、図１３及び図１４では、それぞれ濃度レベルが異なる周囲の領域を２重と３重に設けた例であるが、４重以上の、異なる濃度レベルの複数の領域を設けてもよい。そのような構成によれば、フォトダイオード形成領域ＰＤの周辺部から中心部に効率よく電荷を収集することができる。
なお、図１３及び図１４に示した変形例に係る構成は、第１の実施の形態に係る変調トランジスタＴｍのチャネルの閾値電圧の変化を利用する検出素子でも、第２の実施の形態に係る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検出素子でも、いずれの場合でも適用可能である。

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。

さらに、上述した第１，第２の領域などの各領域の各辺は、図４、図９、図１３及び図１４においては、直線であるが、半導体製造プロセスの条件などにより、各辺を直線に形成できない場合がある。そのような場合は、互いに直交する２つ直線の直線と、予め使用が許されている角度を持った直線、曲線等の組合せによって、各領域の各辺を形成するようにしてもよい。

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。

本発明の第１の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。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。第１の実施の形態に係わるラインセンサチップの模式的平面図。第１の実施の形態に係わる受光素子の平面図。図４のＶ−Ｖ線に沿った受光素子の断面図。図４のＶＩ−ＶＩ線に沿った受光素子の断面図。図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った受光素子の断面図。第１の実施の形態に係わるラインセンサのポテンシャルを説明するための図。本発明の第２の実施の形態に係わる受光素子平面図と検出回路を示す図。図９のＸ−Ｘ線に沿った受光素子の断面図。図９のＸＩ−ＸＩ線に沿った受光素子の断面図。第２の実施の形態に係わるラインセンサのポテンシャルを説明するための図。第１及び第２の実施の形態の変形例に係る受光素子の平面図。第１及び第２の実施の形態の変形例の他の例に係る受光素子の平面図。

符号の説明

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

Claims

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、
第１導電型の半導体層と、
前記半導体層内に形成された第２導電型の第１不純物領域と、
前記第１不純物領域の上方に形成された前記第１導電型の第２不純物領域と、
前記第１不純物領域と前記第２不純物領域との接合によって形成されたフォトダイオードであって、入射光に応じた光発生電荷を生成する前記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、
を含み、
前記フォトダイオード形成領域内の前記第２不純物領域は、少なくとも
複数の延出部を有する第１部分であって、前記延出部の各々は平面視したときにその幅が外側から中心に向かって広くなる、前記第１部分と、
前記第１部分に対し外側に配置された第２部分と、
を含み、
前記第１部分は、前記第２部分の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する、
ラインセンサ。
前記延出部の各々は、
頂点を外側に底辺を中心側に配置した三角形の形状を有し、且つ、前記頂点から前記底辺に向かって形成されたポテンシャル勾配を有する、請求項１記載のラインセンサ。
前記フォトダイオード形成領域内の前記第２不純物領域は、前記第１部分と前記第２部分との間に、少なくとも第３部分を含み、
前記第３部分は、前記第１部分の不純物濃度に比して低い不純物濃度を有し、且つ、前記第２部分の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する、請求項１乃至２いずれか一つに記載のラインセンサ。
前記検出トランジスタは、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、
請求項１乃至３いずれか一つに記載のラインセンサ。
前記検出トランジスタは、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、請求項４に記載のラインセンサ。
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、
第１導電型の半導体層と、
前記半導体層内に形成された第２導電型の不純物領域と、
前記半導体層と前記不純物領域との接合によって形成されたフォトダイオードであって、入射光に応じた光発生電荷を生成する前記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前記第２導電型の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、
を含み、
前記フォトダイオード形成領域内の前記不純物領域は、少なくとも
複数の延出部を有する第１部分であって、前記延出部の各々は平面視したときにその幅が外側から中心に向かって広くなる、前記第１部分と、
前記第１部分に対し外側に配置された第２部分と、
を含み、
前記第１部分は、前記第２部分の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する、
ラインセンサ。
前記延出部の各々は、
頂点を外側に底辺を中心側に配置した三角形の形状を有し、且つ、前記頂点から前記底辺に向かって形成されたポテンシャル勾配を有する、請求項６記載のラインセンサ。
前記フォトダイオード形成領域内の前記不純物領域は、前記第１部分と前記第２部分との間に、少なくとも第３部分を含み、
前記第３部分は、前記第１部分の不純物濃度に比して低い不純物濃度を有し、且つ、前記第２部分の不純物濃度に比して高い不純物濃度を有する、請求項６乃至７いずれか一つに記載のラインセンサ。
請求項１乃至請求項６いずれか一つに記載のラインセンサを含む、画像情報読取装置。