JP3545288B2 - イメージセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【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。
【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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