JP3545288B2 - イメージセンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、イメージセンサ、特にファクシミリや複写機、スキャナ等に用いられ、被読取原稿面からの反射光をセンサによって読み取るようにしたイメージセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のこの種の装置として、原稿と同一の長さのラインセンサアレイを用い、原稿上の読み取り画素を1対1で結像させることにより、原稿と同一サイズで原稿上の情報を読み取る密着型のイメージセンサがある。
図4は、例えば特開平7−147620号公報に記載された従来の密着型イメージセンサの構成を示す断面図である。
【0003】
この図において、1は密閉構造とされた筐体、2は筐体の上面に設けられた透明部材であるガラスで、後述する光源からの光を透過させるだけでなく、被読取原稿を保持すると共に、外部からの筐体内への異物の混入を防止するものである。3はカラーを含む文字、イメージ情報等が書かれている原稿で、ガラス2上に保持される。4は原稿3をガラス2に押し付けて回転させることにより、原稿3の搬送を行なうプラテン、5は筐体1内に設けられた光源で、赤、緑、青のそれぞれの分光放射エネルギ分布をもつ原稿照明用光源の集合体、例えば、赤、緑、青の発光ダイオード(LED)チップが同一基板上に実装されたLEDアレイとして構成され、ガラス2を介して原稿3の被読取面に光を照射するようにされている。6はガラス2の下方に設けられ、原稿3の被読取面からの反射光を集光するロッドレンズアレイ等の正立等倍レンズ、7は正立等倍レンズ6で集光された光を検出して原稿3の画像を撮像する固体撮像素子であるラインセンサIC、8は複数個直線状に配設されたラインセンサIC7を装着したセンサ基板、9は原稿3の画像読み取り情報や電源、信号などの入出力の受渡しをするコネクタである。
【0004】
次に、このような構成において原稿3のカラー画像を読み取る場合の動作について説明する。
図5は、赤、緑、青の各光源5の点灯時間(a)(b)(c)と、ラインセンサIC7の出力信号(d)(e)との関係を示す説明図である。
CCDやフォトダイオードアレイのような固体撮像素子であるラインセンサIC7は、周知のように、蓄積モードで動作する。即ち、ラインセンサであるフォトダイオードアレイを構成する多数のフォトダイオードは、赤、緑、青の各光源5が点灯している間は蓄積し、点灯終了後にそれぞれの信号を出力する。即ち、図5(d)に示すように、赤の出力信号は、赤の光源が図5(a)に示す点灯状態を終了し、図5(b)に示す次の緑の光源が点灯している間に出力される。
緑の出力信号は、同様に、図5(b)に示す点灯時間中に蓄積し、点灯状態が終了して図5(c)に示す次の青の光源が点灯している間に出力される。
各色の信号が点灯時間終了後に順次出力されることにより、図5(d)のように時系列的に配置された出力信号が取り出されることになる。
【0005】
図6は、図5(d)の出力信号を生ずるラインセンサICの1ビットの回路構成を示すものである。
この図において、VBはバイアス電圧発生器、PDは光センサ、SW1は光センサPDにバイアス電圧発生器VBから発生される電圧を与えるスイッチで、SW1がオンの時に光センサPDを初期化する。
TR1〜TR4は光センサPDの出力電圧を伝達するためのカレントミラー回路を構成するトランジスタで、トランジスタTR3のゲート電極には光センサPDの端子電圧が出力される。SW2は光センサPDの蓄積回路を構成するスイッチで、このスイッチがオンの時、トランジスタTR3のゲート電極電圧をコンデンサCに伝達し、一括蓄積する。また、TR5はコンデンサCに蓄積された電圧を出力するためのトランジスタで、上述したように、次の色の光源の点灯時間中にオンとなり、SIG端子に電流出力する。
SW3は各ビットの出力を接続するスイッチで、各ビットの出力がシュートしないように制御されるものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来のイメージセンサは以上のように構成されているため、例えば赤の光源で照明された原稿の反射光を蓄積した信号、即ち赤信号を次の緑の光源の点灯中に読み出し走査して外部に取り出すことができ、同様に、青の光源の点灯中に読み出し走査して緑信号を、また、赤の光源の点灯中に青信号をそれぞれ取り出すことができ、取り出された赤、緑、青の各信号は、それぞれ図5(d)に示すように、時系列的に配置される。この時、赤、緑、青の各信号出力は、同一白色原稿を読み取った際、均一であることが望ましいが、実際には大きなバラツキが生じているため、各信号レベルを均一化するための補正手段が必要である。
また、各信号の絶対出力が小さいことから、高速読み取りをしようとする場合には、画像処理回路において各出力を増幅する必要が生ずる他、増幅すれば上述した各信号のバラツキが更に増大するという問題があった。
【0007】
これらの原因の一つとして、ラインセンサICの分光感度特性が均一でないことが挙げられる。
以下、この点について詳細に説明する。
図7は、半導体プロセスを応用して形成したラインセンサICの構成の一例を示す断面図である。この図において、10はP形半導体基板、11はこの基板の一部に形成されたLOCOS層、12はLOCOS層11とは離隔して基板10上に形成されたポリシリコン層、13は上記LOCOS層11と上記ポリシリコン層12との間で基板10にN形不純物を注入することにより形成されたN+ センサ部、14は上記N+ センサ部13に沿って形成された空乏層で、空間電荷とそれによる高電界を形成する。15は上記LOCOS層11、ポリシリコン層12及びN+ センサ部13を覆うように、それらの上面に形成されたボロン・リン酸化シリコン膜(NSO/BPSG酸化膜)、16はボロン・リン酸化シリコン膜15の上面の一部に形成された第1のアルミ配線層、17は第1のアルミ配線層16の上面に形成された第2のアルミ配線層、18はボロン・リン酸化シリコン膜15及び第1のアルミ配線層16の上面に形成されたプラズマ酸化シリコン膜(PSiO膜)、19はプラズマ酸化シリコン膜(PSiO膜)18及び第2のアルミ配線層17の上面に形成された窒化シリコン膜(PSG/SiN)からなる保護膜である。
【0008】
このような構成のラインセンサICにおいて、光は保護膜19の上面から照射され、N センサ部13及び空乏層14がこの光を受け止めて起電力を生ずる。
なお、保護膜19は8000Å程度の厚さに形成されているが、この厚さにおける保護膜19の透過スペクトルを図8に示す。
この図において、横軸は波長、縦軸は透過率をそれぞれ表している。
この図から明らかなように、短波長に近づくほど透過率は低くなり、吸収が多くなる。また、透過率の減少に加えて干渉による振幅が見られる。この時、任意に赤、緑、青の光源の波長を選択した場合、例えば一般的に市場で入手できるLEDの波長である赤640nm、緑530nm、青460nmにおいて、透過率は赤約98%、緑約85%、青約65%であり、これがイメージセンサの出力信号の差となって出てくるため、色ごとに出力のバラツキが生じることになる。
更に、保護膜19の厚さも、通常の半導体プロセスにおいては、±20%程度はバラツキが生じるため、これによって透過スペクトルも変化し、各ロットごとの感度バラツキの原因にもなっている。この時、各色のピーク波長は640nm、545nm、480nmである。
【0009】
また、出力信号の絶対値が小さくなる、即ち感度が低いという原因は、N+ センサ部13より上部にある各層間において、光に対する屈折率がそれぞれ異なるため、入射光が反射されてしまい、効率よくN+ センサ部13や空乏層14まで光が届いていないためである。
更に、図7に示すセンサを一定ピッチで連続して配置することによりラインセンサICを形成する場合、それぞれのセンサにおけるN+ センサ部13及び空乏層14の面積にバラツキが生じるため、各センサ、つまりビットごとの出力が、図9に示すように、バラツキを生じる。これは、N+ センサ部13や空乏層14を形成するため基板10にイオン注入を行なう際、その注入エリアを規制するのはLOCOS層11とポリシリコン層12であるが、LOCOS層11の形状は形成過程において不均一になりやすく、そのため結果的にN+ センサ部13の面積が不安定となり、N+ センサ部及び空乏層の特性が不安定となり、各センサ素子の起電力にバラツキが生じるためである。
【0010】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、赤、緑、青の出力レベルが均一であり、高感度で各素子の起電力にバラツキが少ないイメージセンサを得ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るイメージセンサは、また、原稿面に光を照射する光源と、原稿面からの反射光を集光する光学系と、光学系の結像部に設けられ、原稿の画像を読み取るセンサと、このセンサを一定周期で走査する読み出し装置とを備え、センサは、半導体基板と、この半導体基板上に離隔して形成されたポリシリコン層及びLOCOS層と、LOCOS層の上面に設けられ、LOCOS層を覆う他のポリシリコン層と、両ポリシリコン層の間で半導体基板に不純物を注入することにより形成されたセンサ部及びこのセンサ部に沿って形成された空乏層と、センサ部の上面に形成され、Si−Hボンドの濃度をN−Hボンドに対して相対的に低くし、短波長側での光の吸収を抑えるようにした保護膜とを有するものである。
【0012】
この発明に係るイメージセンサは、また、原稿面に光を照射する光源と、原稿面からの反射光を集光する光学系と、光学系の結像部に設けられ、原稿の画像を読み取るセンサと、このセンサを一定周期で走査する読み出し装置とを備え、センサは、半導体基板と、この半導体基板上に離隔して形成されたポリシリコン層及びLOCOS層と、LOCOS層の上面に設けられ、LOCOS層を覆う他のポリシリコン層と、両ポリシリコン層の間で半導体基板に不純物を注入することにより形成されたセンサ部及びこのセンサ部に沿って形成された空乏層と、センサ部の上面に形成されたプラズマ酸化シリコン膜と、プラズマ酸化シリコン膜の上面に窒化膜によって形成された保護膜と、プラズマ酸化シリコン膜及び保護膜の間に形成され、両膜の中間の屈折率を有するシリコン窒化膜とを有するものである。
【0013】
この発明に係るイメージセンサは、また、シリコン窒化膜の厚さをほぼ10nmとしたものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図にもとづいて説明する。
図1は、この発明の実施の形態1によるイメージセンサの構成を示す断面図である。この図において、10はP形半導体基板、11はこの基板の一部に形成されたLOCOS層、12はLOCOS層11とは離隔して基板10上に形成されたポリシリコン層、20はLOCOS層11の上面に設けられ、LOCOS層11の一部を覆うと共に、一端(図において右端)がLOCOS層11よりもポリシリコン層12側に延在する他のポリシリコン層、13は上記ポリシリコン層12と他のポリシリコン層20との間で基板10にN形不純物を注入することにより形成されたN+ センサ部、14は上記N+ センサ部13に沿って形成された空乏層で、空間電荷とそれによる高電界を形成する。
【0015】
15は上記ポリシリコン層12、N+ センサ部13及び他のポリシリコン層20を覆うように、それらの上面に形成されたボロン・リン酸化シリコン膜(NSO/BPSG酸化膜)、16はボロン・リン酸化シリコン膜15の上面の一部に形成された第1のアルミ配線層、17は第1のアルミ配線層16の上面に形成された第2のアルミ配線層、18はボロン・リン酸化シリコン膜15及び第1のアルミ配線層16の上面に形成されたプラズマ酸化シリコン膜(PSiO膜)、19はプラズマ酸化シリコン膜(PSiO膜)18及び第2のアルミ配線層17の上面に形成された窒化シリコン膜(PSG/SiN)からなる保護膜である。
【0016】
この実施の形態においては、N+ センサ部13及び空乏層14の面積は、ポリシリコン層12と他のポリシリコン層20とで規制されるが、各ポリシリコン層はLOCOS層に比してその形成過程、即ちプロセスが安定しており、形状安定性が良好なため、ポリシリコン層で囲まれた領域の面積も同様に安定する。
その安定した領域にN+イオン注入を行なうことによって形成されるN+ センサ部13の面積も安定化し、その出力信号は図2に示すように、ほぼ均一なものとなる。
【0017】
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2について説明する。
この実施の形態は、保護膜19の厚さを2000Å以下とするものである。
このように保護膜19の厚さを薄くすると、入射光の振幅が小さくなり、赤、緑、青の各波長による光の吸収が少なくなって、色によるセンサの出力のバラツキが小さくなるものである。
【0018】
図3は、保護膜19をこのような厚さにした場合の透過スペクトル図である。横軸は、図8と同様に波長を、縦軸は、透過率をそれぞれ表している。
この図から明らかなように、波長が460nm、530nm、640nmにおける透過率は、それぞれ約85%、約75%、約90%であり、図8に示す従来の保護膜(厚さ8000Å)の上記の各波長における透過率が、上述した如く、それぞれ約65%、約85%、約100%と大きなうねりがあったのに対して、この実施の形態では、うねりが小さくなっていることが分かる。これは、保護膜19を薄くしたことにより、光の干渉の影響が小さくなるためである。
また、図5(e)に、この実施の形態におけるセンサの出力信号を示しているように、赤、緑、青の各出力のバラツキも小さくなるものである。
【0019】
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3について説明する。
実施の形態2では、保護膜19の厚さを2000Å以下と薄くすることにより、色によるセンサの出力のバラツキを小さくしたが、この実施の形態は保護膜19を薄くする代わりに、UV透過性の良好な構成の保護膜とするものである。
即ち、従来の保護膜19に比して短波長を吸収しやすいように、Si−Hボンドの濃度をN−Hボンドに対して相対的に低くしたものである。
このような構成とすることにより、短波長側での光の吸収を抑えるため、青付近、つまり波長が460nm付近の透過率が向上して、3色の出力バラツキは低減され、実施の形態2と同様な効果を奏する。
【0020】
実施の形態4.
次に、この発明の実施の形態4について説明する。
保護膜19とプラズマ酸化シリコン膜(PSiO膜)18との屈折率の違いが光の振幅の発生原因であることから、この実施の形態は、保護膜19とプラズマ酸化シリコン膜(PSiO膜)18との間に、両膜の中間の屈折率を有するシリコン窒化膜等を光の透過に大きな影響を与えない程度の厚さ(例えば10nm)として形成するものである。この結果、光の振幅が小さくなり、透過率が向上して上述した各実施の形態と同様な効果を奏することができる。
【0021】
実施の形態5.
次に、この発明の実施の形態5について説明する。
保護膜19の厚さが8000Åの従来の透過スペクトル図である図8においては、赤、緑、青各色の波長付近において透過率のピークが存在しており、それぞれ赤は640nm、緑は545nm、青は480nmである。
この3つの波長は、それぞれ局部的最大値であり、その透過率の差は最大、最小において約15%である。3色を他の波長で選択した場合と比較して、透過率及びバラツキの両面からみて最良のポイントであることが分かる。
従って、この実施の形態は、赤、緑、青各光源の波長をそれぞれ640nm、545nm、480nmとするものである。
このようにすることで、光源による出力のバラツキが小さくなり、図5(e)に示す保護膜の厚さを2000Å以下とした場合と同様な効果が期待できる。
【0022】
【発明の効果】
この発明は以上のように構成され、赤、緑、青各光源の波長をそれぞれ640nm、545nm、480nm付近としているため、光源による出力のバラツキが小さくなり、感度の高い良好なイメージセンサが得られるものである。
【0023】
また、センサ部となる不純物注入領域をLOCOS層の上面に設けられたポリシリコン層と、上記LOCOS層とは離隔して形成されたポリシリコン層とによって規制するようにしたため、不純物注入領域の面積が安定化し、各色の出力信号を均一にすることができる。
また、このような特徴を生かせば、モノクロセンサとして使用することも可能である。
【0024】
また、この発明は、センサの保護膜の厚さを2000Å以下とし、入射光の振幅を小さくして各色の波長による光の吸収を少なくしたため、色によるセンサの出力のバラツキが小さくなるものである。
【0025】
また、この発明は、センサの保護膜を、Si−Hボンドの濃度がN−Hボンドに対して相対的に低くなるようにし、短波長側での光の吸収を抑えるようにしたため、青の波長付近での透過率が向上する結果、各色の出力信号のバラツキを低減することができる。
【0026】
また、この発明は、センサの保護膜とプラズマ酸化シリコン膜(PSiO膜)との間に、両膜の中間の屈折率を有するシリコン窒化膜を設けるようにしたため、透過率が向上して感度の高い良好なイメージセンサが得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1によるイメージセンサの構成を示す断面図である。
【図2】この発明のセンサICの出力信号を示す波形図である。
【図3】この発明の実施の形態2における透過スペクトル図である。
【図4】従来のイメージセンサの全体構成を示す断面図である。
【図5】従来のイメージセンサにおける光源の点灯と出力信号とのタイミング関係を示す説明図である。
【図6】従来のイメージセンサにおけるセンサICの1ビット分の構成を示す回路図である。
【図7】従来のイメージセンサICの構成を示す断面図である。
【図8】従来のイメージセンサにおける透過スペクトル図である。
【図9】従来のイメージセンサにおける出力信号を示す波形図である。
【符号の説明】
1 筐体、 2 ガラス、 3 原稿、 4 プラテン、
5 光源、 6 ロッドレンズアレイ、 7 ラインセンサIC、
8 センサ基板、 9 コネクタ、 10 P形半導体基板、
11 LOCOS層、 12 ポリシリコン層、 13 N+ センサ部、 14 空乏層、 15 ボロン・リン酸化シリコン膜(NSO/BPSG) 16 第1のアルミ配線層、 17 第2のアルミ配線層、
18 プラズマ酸化シリコン膜(PSiO)、
19 保護膜(PSG/SiN)、 20 ポリシリコン層。
Claims (3)
- 原稿面に光を照射する光源と、上記原稿面からの反射光を集光する光学系と、上記光学系の結像部に設けられ、上記原稿の画像を読み取るセンサと、上記センサを一定周期で走査する読み出し装置とを備え、上記センサは、半導体基板と、この半導体基板上に離隔して形成されたポリシリコン層及びLOCOS層と、上記LOCOS層の上面に設けられ、上記LOCOS層を覆う他のポリシリコン層と、上記両ポリシリコン層の間で上記半導体基板に不純物を注入することにより形成されたセンサ部及びこのセンサ部に沿って形成された空乏層と、上記センサ部の上面に形成され、Si−Hボンドの濃度をN−Hボンドに対して相対的に低くし、短波長側での光の吸収を抑えるようにした保護膜とを有することを特徴とするイメージセンサ。
- 原稿面に光を照射する光源と、上記原稿面からの反射光を集光する光学系と、上記光学系の結像部に設けられ、上記原稿の画像を読み取るセンサと、上記センサを一定周期で走査する読み出し装置とを備え、上記センサは、半導体基板と、この半導体基板上に離隔して形成されたポリシリコン層及びLOCOS層と、上記LOCOS層の上面に設けられ、上記LOCOS層を覆う他のポリシリコン層と、上記両ポリシリコン層の間で上記半導体基板に不純物を注入することにより形成されたセンサ部及びこのセンサ部に沿って形成された空乏層と、上記センサ部の上面に形成されたプラズマ酸化シリコン膜と、上記プラズマ酸化シリコン膜の上面に窒化膜によって形成された保護膜と、上記プラズマ酸化シリコン膜及び保護膜の間に形成され、両膜の中間の屈折率を有するシリコン窒化膜とを有することを特徴とするイメージセンサ。
- シリコン窒化膜の厚さをほぼ10nmとしたことを特徴とする請求項2記載のイメージセンサ。
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