(57)【要約】【課題】画素サイズが数十μｍ以上の比較的大きな受光素子を用いる場合でも、良好な集光性能が得られる小型のマイクロレンズを搭載できるようにして、良好な感度が得ることができるリニアイメージセンサを得ることを目的とする。【解決手段】ＰＮ接合を用いてＰ型半導体基板１上に複数のフォトダイオード３を形成し、入射光をフォトダイオード３のＰＮ接合部に形成されている空乏層領域４に集光するマイクロレンズ７をフォトダイオード３の上にそれぞれ配置する。これにより、画素サイズが数十μｍ以上の比較的大きな受光素子２−１〜２−Ｎを用いる場合でも、良好な集光性能が得られる小型のマイクロレンズ（凸型レンズ形状のマイクロレンズ）を搭載することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電気信号に変換する複数の受光素子が配列されているリニアイメージセンサにおいて、上記複数の受光素子が、ＰＮ接合を用いて半導体基板上に形成された複数のフォトダイオードと、上記フォトダイオード上にそれぞれ配置され、上記入射光を上記フォトダイオードのＰＮ接合部に形成されている空乏層領域に集光する複数のマイクロレンズとから構成されていることを特徴とするリニアイメージセンサ。
【請求項２】
複数の受光素子の開口面積が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のリニアイメージセンサ。
【請求項３】
フォトダイオードが棒状に形成され、上記フォトダイオード上に配置されるマイクロレンズがカマボコ状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のリニアイメージセンサ。
【請求項４】
複数のフォトダイオードの間が第２のフォトダイオードで接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のリニアイメージセンサ。
【請求項５】
棒状に形成されている複数のフォトダイオードの間が第３のフォトダイオードで接続されていることを特徴とする請求項３記載のリニアイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、スキャナ、ＦＡＸ、コピーなどの画像読取装置に用いられるリニアイメージセンサに関するものであり、特に、受光素子の上面にマイクロレンズが配置されているリニアイメージセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、リニアイメージセンサやエリアセンサとして用いられる撮像素子は、近年の画素の狭ピッチ化に伴って、高感度化や低雑音化の要求が高まっている。
そこで、エリアセンサとして用いられる撮像素子においては、画素の狭ピッチ化に伴う高感度化や低雑音化の要求を満足するために、撮像素子における各受光素子の上面の透明層上にマイクロレンズを形成する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
マイクロレンズの形成方法としては、例えば、有機材料を滴下した後に加熱して凸レンズ形状を形成する方法や、有機材料をフォトリソグラフィー技術によって円柱状に形成した後に加熱して凸レンズ形状を形成する方法などが以下の特許文献２に開示されている。
また、無機材料層上に有機材料をフォトリソグラフィー技術によって円柱状に形成した後、その有機材料を加熱して凸レンズ形状を形成し、その後、エッチバックによって無機材料層に凸レンズ形状を形成する方法が以下の特許文献３に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−５１０８５号公報（段落番号［００２７］、図６）
【特許文献２】特開２００３−１７６７４号公報（段落番号［０００７］から［００１１］、図１）
【特許文献３】特開平１−１０６６６号公報（第７頁から第１１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のリニアイメージセンサは以上のように構成されているので、エリアセンサとして用いられる撮像素子と同様に、受光素子の上面の透明層上にマイクロレンズを形成すれば、画素の狭ピッチ化に伴う高感度化や低雑音化の要求を満足することができる。しかし、受光素子の上面の透明層上に形成されるマイクロレンズは、加熱処理時に有機材料の表面張力を利用して凸レンズ形状に形成されるが、そのマイクロレンズの製造プロセスは、画素サイズが数μｍ程度のエリアセンサ用に最適化されている。そのため、密着型イメージセンサに用いられるリニアセンサのように、画素サイズが数十μｍ程度と比較的大きな受光素子上に、受光素子サイズに見合うマイクロレンズを形成しようとすると、そのマイクロレンズの形状が、周辺のみが湾曲している台形状になり、光を十分に集光することができなくなるなどの課題があった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、画素サイズが数十μｍ以上の比較的大きな受光素子を用いる場合でも、良好な集光性能が得られる小型のマイクロレンズを搭載できるようにして、良好な感度が得ることができるリニアイメージセンサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るリニアイメージセンサは、ＰＮ接合を用いて半導体基板上に複数のフォトダイオードを形成し、入射光をフォトダイオードのＰＮ接合部に形成されている空乏層領域に集光するマイクロレンズをフォトダイオードの上にそれぞれ配置するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ＰＮ接合を用いて半導体基板上に複数のフォトダイオードを形成し、入射光をフォトダイオードのＰＮ接合部に形成されている空乏層領域に集光するマイクロレンズをフォトダイオードの上にそれぞれ配置するように構成したので、画素サイズが数十μｍ以上の比較的大きな受光素子を用いる場合でも、良好な集光性能が得られる小型のマイクロレンズを搭載することができるようになり、その結果、イメージセンサが良好な感度を得ることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるリニアイメージセンサの受光素子を示す構成図である。
図２は図１のリニアイメージセンサにおける受光素子の詳細を示す構成図であり、また、図３は図２の断面Ａの構造を示す断面図であり、図４は図２の断面Ｂの構造を示す断面図である。
また、図５はこの発明の実施の形態１によるリニアイメージセンサの受光素子から信号を読み出す信号読出回路を示す回路図である。
【００１０】
図１から図４において、受光素子２−１〜２−Ｎは入射光を電気信号に変換する素子部であり、Ｐ型半導体基板１の上に配列されている。また、受光素子２−１〜２−Ｎは画素サイズが数十μｍ以上の比較的大きな素子である。
受光素子２−１〜２−Ｎのフォトダイオード３はＰ型半導体基板１の上に形成されているＮ型半導体領域である。
受光素子２−１〜２−Ｎの空乏層領域４はＮ型半導体領域であるフォトダイオード３に正電位が与えられることで、フォトダイオード３のＰＮ接合部に形成された領域である。
なお、各フォトダイオード３は、Ｎ＋注入領域８及びコンタクト９を介してメタル配線１０と電気的に接続されている。
【００１１】
受光素子２−１〜２−Ｎの透明層５はフォトダイオード３の上面に形成され、マイクロレンズ７により集光された入射光を透過する層である。
遮光メタル層６は受光素子２−１〜２−Ｎの周辺に配置され、入射光の透過を阻止する層であり、受光素子２−１〜２−Ｎの開口面積が遮光メタル層６の開口部で定義される。
なお、この実施の形態１では、遮光メタル層６の開口部が１０μｍ以上であるものを想定している。
【００１２】
受光素子２−１〜２−Ｎのマイクロレンズ７は入射光をフォトダイオード３のＰＮ接合部に形成されている空乏層領域４に集光するように透明層５上に配置されている。
なお、マイクロレンズ７は、受光素子２−１〜２−Ｎの開口面積によらず、小型に保つことが可能であるため（図３及び図４の例では、マイクロレンズ７の幅が、遮光メタル層６の開口部の３分の１程度）、有機材料の表面張力を利用して製造する方法を用いても、マイクロレンズ７の形状を凸型レンズの形状を保つことが可能であり、良好な集光性能を維持することができる。
【００１３】
図５において、リセットスイッチ１１は一定期間接続して、フォトダイオード３を基準電位にリセットするスイッチである。
トランジスタ１２，１３はフォトダイオード３の電圧に比例している電圧を出力回路に送出する素子である。
【００１４】
次に動作について説明する。
受光素子２−１〜２−Ｎは、入射光を電気信号に変換する素子部であり、Ｐ型半導体基板１の上に配列される。
即ち、受光素子２−１〜２−Ｎは、例えば、次のようにして、Ｐ型半導体基板１の上に形成される。
【００１５】
まず、ＰＮ接合を用いてＰ型半導体基板１の上に複数のフォトダイオード３を形成し、Ｎ型半導体領域であるフォトダイオード３に正電位を与えることで、フォトダイオード３のＰＮ接合部に空乏層領域４を形成する。
この際、各フォトダイオード３を、Ｎ＋注入領域８及びコンタクト９を介して、メタル配線１０と電気的に接続する。
【００１６】
その後、フォトダイオード３の上面に透明層５を形成するとともに、遮光メタル層６を受光素子２−１〜２−Ｎの周辺に配置する。
また、入射光がフォトダイオード３のＰＮ接合部に形成されている空乏層領域４に集光するように、マイクロレンズ７を透明層５の上に配置する。
これにより、受光素子２−１〜２−ＮがＰ型半導体基板１の上に形成される。
【００１７】
次に、Ｐ型半導体基板１の上に形成された受光素子２−１〜２−Ｎから信号を読み出す動作について説明する。
最初に、リセットスイッチ１１を一定期間接続することにより、受光素子２−１〜２−Ｎのフォトダイオード３を基準電位にリセットする。
フォトダイオード３が基準電位にリセットされた後、マイクロレンズ７が入射光を空乏層領域４に集光すると、空乏層領域４の周辺で光電変換が行われる。
【００１８】
このようにして、空乏層領域４の周辺で光電変換が行われると、フォトダイオード３に電流が流れ、フォトダイオード３に印加されている電圧が低下する。
このとき、複数のフォトダイオード３が電気的に接続されているので、複数のフォトダイオード３に印加されている電圧が平均化された値になる。
平均化された電圧は、トランジスタ１２，１３を介して出力回路に送られるが、出力回路に送られる信号は、フォトダイオード３に印加されている電圧に比例している値であるため、受光素子２−１〜２−Ｎの感度は、フォトダイオード３の電圧低下量に比例する。
【００１９】
フォトダイオード３の電圧低下量は、「フォトダイオード３に流れる電流量／フォトダイオード３の容量」で決まるので、フォトダイオード３の容量が小さい程、感度が良くなることになる。
フォトダイオード３の容量は、フォトダイオード３のサイズによって決まり、サイズが小さい程、容量が減少する。
ただし、マイクロレンズ７がない状態では、空乏層領域４もサイズに比例して小さくなり、光電変換可能な領域が減少するため、発生する電流が減少して、感度が同等か、むしろ低下する。しかし、マイクロレンズ７を使用して、入射光を小さな空乏層領域４に集光させることができれば、電流減少の抑制が可能であり、結果として感度が向上する。
【００２０】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、ＰＮ接合を用いてＰ型半導体基板１上に複数のフォトダイオード３を形成し、入射光をフォトダイオード３のＰＮ接合部に形成されている空乏層領域４に集光するマイクロレンズ７をフォトダイオード３の上にそれぞれ配置するように構成したので、画素サイズが数十μｍ以上の比較的大きな受光素子２−１〜２−Ｎを用いる場合でも、良好な集光性能が得られる小型のマイクロレンズ（凸型レンズ形状のマイクロレンズ）を搭載することができるようになり、その結果、イメージセンサが良好な感度を得ることができる効果を奏する。
【００２１】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２によるリニアイメージセンサの受光素子の詳細を示す構成図であり、図において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
フォトダイオード２１は図２のフォトダイオード３に相当するフォトダイオードであるが、図２のフォトダイオード３と比べて、Ｎ型半導体領域が一方向に長い棒状形状をなしている点で相違している。
マイクロレンズ２２は図２のマイクロレンズ７に相当するマイクロレンズであるが、図２のマイクロレンズ７と比べて、一方向に長い形状をなしている点で相違している。
【００２２】
この実施の形態２におけるマイクロレンズ２２では、短辺方向に対しては小型に保つことが可能であるため、有機材料の表面張力を利用する製造方法を使用して形成すると、マイクロレンズ２２の短辺方向の断面が凸型を有するカマボコ形状になる。このため、棒状形状をなしているフォトダイオード２１の空乏層領域４に対する集光性能を高めることができる効果が得られる。
【００２３】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３によるリニアイメージセンサの受光素子の詳細を示す構成図であり、図において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
第２のフォトダイオードであるフォトダイオード２３はフォトダイオード３よりも幅が狭いＮ型半導体領域であり、個々のフォトダイオード３の間を接続して、全フォトダイオード３を電気的に一体にしている。
【００２４】
上記実施の形態１では、個々のフォトダイオード３が、Ｎ＋注入領域８及びコンタクト９を介してメタル配線１０と電気的に接続されているが、Ｎ＋注入領域８はフォトダイオード３（Ｎ型半導体領域）よりもイオン濃度が濃い注入になっているため、Ｎ＋注入領域８の容量がフォトダイオード３（Ｎ型半導体領域）よりも大きく、感度低下の要因となっている。
また、メタル配線１０の寄生容量の影響や、メタル配線１０による遮光の影響も感度低下の要因になっている。
【００２５】
この実施の形態３では、個々のフォトダイオード３の間をフォトダイオード２３で接続しているため、フォトダイオード２３による容量が感度低下の要因になるが、上記実施の形態１と比べると、特に、感度向上を目的としてフォトダイオード３（Ｎ型半導体領域）のイオン濃度を薄く抑え、フォトダイオード３の容量を抑制した製造プロセスにおいては、この実施の形態３の方が感度を高く保つことが可能である。
【００２６】
実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４によるリニアイメージセンサの受光素子の詳細を示す構成図であり、図において、図６と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
第３のフォトダイオードであるフォトダイオード２４はフォトダイオード２１よりも幅が狭いＮ型半導体領域であり、個々のフォトダイオード２１の間を接続して、全フォトダイオード２１を電気的に一体にしている。
【００２７】
上記実施の形態２では、個々のフォトダイオード２１が、Ｎ＋注入領域８及びコンタクト９を介してメタル配線１０と電気的に接続されているが、Ｎ＋注入領域８はフォトダイオード２１（Ｎ型半導体領域）よりもイオン濃度が濃い注入になっているため、Ｎ＋注入領域８の容量がフォトダイオード２１（Ｎ型半導体領域）よりも大きく、感度低下の要因となっている。
また、メタル配線１０の寄生容量の影響や、メタル配線１０による遮光の影響も感度低下の要因になっている。
【００２８】
この実施の形態４では、個々のフォトダイオード２１の間をフォトダイオード２４で接続しているため、フォトダイオード２４による容量が感度低下の要因になるが、上記実施の形態２と比べると、特に、感度向上を目的としてフォトダイオード２１（Ｎ型半導体領域）のイオン濃度を薄く抑え、フォトダイオード２１の容量を抑制した製造プロセスにおいては、この実施の形態４の方が感度を高く保つことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１によるリニアイメージセンサの受光素子を示す構成図である。
【図２】図１のリニアイメージセンサにおける受光素子の詳細を示す構成図である。
【図３】図２の断面Ａの構造を示す断面図である。
【図４】図２の断面Ｂの構造を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるリニアイメージセンサの受光素子から信号を読み出す信号読出回路を示す回路図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるリニアイメージセンサの受光素子の詳細を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３によるリニアイメージセンサの受光素子の詳細を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態４によるリニアイメージセンサの受光素子の詳細を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  Ｐ型半導体基板、２−１〜２−Ｎ  受光素子、３  フォトダイオード、４  空乏層領域、５  透明層、６  遮光メタル層、７  マイクロレンズ、８  Ｎ＋注入領域、９  コンタクト、１０  メタル配線、１１  リセットスイッチ、１２，１３  トランジスタ、２１  フォトダイオード、２２  マイクロレンズ、２３  フォトダイオード（第２のフォトダイオード）、２４  フォトダイオード（第３のフォトダイオード）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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