(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、前記第１導電型と逆導電型の第２導電型を有するウエルと、
前記ウエルに行列状に形成された前記第１導電型の多数の電荷蓄積領域であって、第１の電荷蓄積領域群と第２の電荷蓄積領域群とを含み、第１の電荷蓄積領域群の行と第２の電荷蓄積領域群の行とが列方向に沿って隣接して配置され、入射光量に応じて生成された電荷を蓄積する多数の電荷蓄積領域と、
前記電荷蓄積領域に隣接して前記ウエルに形成された前記第２導電型の多数の読み出しゲートであって、前記第１の電荷蓄積領域群に隣接し、第１のゲート長と第１の不純物濃度を備える第１の読み出しゲート群と、前記第２の電荷蓄積領域群に隣接し、第２のゲート長と第２の不純物濃度を備える第２の読み出しゲート群とを含む、多数の読み出しゲートと、
前記読み出しゲートを介して前記電荷蓄積領域に隣接し、前記電荷蓄積領域の列方向に沿って前記ウエルに形成された前記第１導電型の垂直転送路と、
前記電荷蓄積領域の行方向に沿って前記半導体基板上方に形成され、前記垂直転送路を横断する転送電極と、
隣接する前記第１の電荷蓄積領域群、前記第２の電荷蓄積領域群の２画素上に同一色カラーフィルタが配置されるように、前記各電荷蓄積領域上方に形成されたカラーフィルタ群と、
前記各垂直転送路の一端に結合された水平転送路と、
前記第１の読み出しゲート上方の前記転送電極に印加して、前記第１の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記垂直転送路に読み出す第１の電圧、及び、前記第２の読み出しゲート上方の前記転送電極に印加して、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記垂直転送路に読み出す第２の電圧を制御することのできる制御回路と
を有し、
前記第１のゲート長、前記第１の不純物濃度、及び前記第１の電圧のうち、少なくとも一つを選択することにより、前記第１の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、アバランシェ破壊による電荷の増倍を積極的に伴って前記垂直転送路に読み出し、前記第２のゲート長、前記第２の不純物濃度、及び前記第２の電圧のうち、少なくとも一つを選択することにより、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、アバランシェ破壊による電荷の増倍を積極的には伴わずに前記垂直転送路に読み出す固体撮像装置。
【請求項２】
前記第２のゲート長が、前記第１のゲート長よりも長い請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記転送電極は、前記第２の読み出しゲート上方における電極長が、前記第１の読み出しゲート上方における電極長よりも長い請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１のゲート長が０．３μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の不純物濃度が、前記第２の不純物濃度よりも高い請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１の電圧が、前記第２の電圧よりも高い請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１の電荷蓄積領域の形成深さは、前記第２の電荷蓄積領域の形成深さよりも深い請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１の電荷蓄積領域の形成深さが、３μｍ以上８μｍ以下である請求項７に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第２の電荷蓄積領域の形成深さが、０．１μｍ以上２μｍ以下である請求項７または８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、前記第１導電型と逆導電型の第２導電型を有するウエルと、
前記ウエルに行列状に形成された前記第１導電型の多数の電荷蓄積領域であって、第１の電荷蓄積領域群と第２の電荷蓄積領域群とを含み、第１の電荷蓄積領域群の行と第２の電荷蓄積領域群の行とが列方向に沿って隣接して配置され、入射光量に応じて生成された電荷を蓄積する多数の電荷蓄積領域と、
前記電荷蓄積領域に隣接して前記ウエルに形成された前記第２導電型の多数の読み出しゲートであって、前記第１の電荷蓄積領域群に隣接する第１の読み出しゲート群と、前記第２の電荷蓄積領域群に隣接し、前記第１の読み出しゲートのゲート長よりも長いゲート長、前記第１の読み出しゲートの不純物濃度よりも低い不純物濃度のうちの少なくとも一方を備える第２の読み出しゲート群とを含む、多数の読み出しゲートと、
前記読み出しゲートを介して前記電荷蓄積領域に隣接し、前記電荷蓄積領域の列方向に沿って前記ウエルに形成された前記第１導電型の垂直転送路と、
前記電荷蓄積領域の行方向に沿って前記半導体基板上方に形成され、前記垂直転送路を横断する転送電極と、
隣接する前記第１の電荷蓄積領域群、前記第２の電荷蓄積領域群の２画素上に同一色カラーフィルタが配置されるように、前記各電荷蓄積領域上方に形成されたカラーフィルタ群と、
前記各垂直転送路の一端に結合された水平転送路と
を有する固体撮像装置。
【請求項１１】
更に、前記第１の電荷蓄積領域群を同一時刻に露光開始し，第1の露光期間経過後の同一時刻に露光終了し、前記第２の電荷蓄積領域群を同一時刻に露光開始し，第２の露光期間経過後の同一時刻に露光終了し、第２の露光期間が第１の露光期間と重複し、第１の露光期間よりも短い露光を行なう制御回路を有する請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第２の電荷蓄積領域群の露光開始時刻が，前記第１の電荷蓄積領域群の露光開始時刻と同時である請求項１１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記半導体基板に逆バイアスパルスを印加することで前記第1及び第２の電荷蓄積領域群の露光開始を行う請求項１１または１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記制御回路は、露光終了を前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を前記垂直転送路に読み出すことで行う請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記多数の電荷蓄積領域が正方格子状に配列され、前記垂直転送路が１つの電荷蓄積領域当り、３転送段以上を有し、全ての前記電荷蓄積領域から信号電荷が、同時に前記垂直転送路に読み出されうる請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記制御回路は、信号電荷を前記垂直転送路に読み出した後、前記垂直転送路を駆動し、前記第１の電荷蓄積領域群の信号電荷の行と前記第２の電荷蓄積領域群の信号電荷の行とを順次前記水平転送路に出力する機能を有する請求項１５に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記第１の電荷蓄積領域群が、正方格子状に配列され、前記第２の電荷蓄積領域群が前記第１の電荷蓄積領域群の格子間位置に配置されて全体としてハニカム配列を構成し、前記第１の電荷蓄積領域群と前記第２の電荷蓄積領域群が異なる行、異なる列を構成し、前記垂直転送路が１つの電荷蓄積領域当り、４転送段以上を有し、全ての前記電荷蓄積領域から信号電荷が、同時に前記垂直転送路に読み出されうる請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記制御回路は、信号電荷を前記垂直転送路に読み出した後、前記垂直転送路を駆動し、前記第１の電荷蓄積領域群の信号電荷と前記第２の電荷蓄積領域群の信号電荷を水平方向に交互に配列した信号電荷行を前記水平転送路に出力する機能を有する請求項１７に記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
前記制御回路が、前記第２の電荷蓄積領域群の露光期間外、かつ前記第１の電荷蓄積領域群の露光期間内に補助光源を発光させる機能を有する請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項２０】
前記制御回路は、前記第１の読み出しゲート上方の前記転送電極に第１の電圧を印加して、前記第１の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記垂直転送路に読み出し、前記第２の読み出しゲート上方の前記転送電極に前記第１の電圧より低い第２の電圧を印加して、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記垂直転送路に読み出す請求項１０〜１９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に広ダイナミックレンジの固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
広ダイナミックレンジ化にはいくつかの制約が伴う。各画素は、通常フォトダイオードで形成される電荷蓄積領域に、入射光量に比例したキャリア（電子）を蓄積する。出力電圧は、蓄積電荷量に比例した値となる。電荷蓄積領域に蓄積できる電荷量は、ある値（飽和電荷量）までに制限される。画素を微細化すると、飽和電荷量も小さくなる傾向にある。検出できる蓄積電荷量の下限を改良しても限度があり、1つの画素が検出できる受光量の範囲は制限される。広ダイナミックレンジを実現するためには、何らかの付加的な手段が必要となる。
【０００３】
広ダイナミックレンジを実現する固体撮像装置の撮像方法として、（ｉ）通常画素と低感度画素の２種類の画素から得られた画像信号を合成する方法（たとえば、特許文献１参照）や、（ｉｉ）露光時間の異なる２枚の画像情報を合成して１枚の画像を形成する方法（たとえば、特許文献２参照）が知られている。
【０００４】
（ｉ）の方法においては、低照度側（シャドウ）での感度を犠牲にしないため、高照度側（ハイライト）での入射エネルギを抑制することで広ダイナミックレンジを実現する。たとえば、遮光膜の開口面積を小さくする、ＮＤフィルタを積層する、マイクロレンズを形成しない、マイクロレンズの集光効率を下げる、などの手段により低感度画素を構成し、入射信号量に対する出力信号の増加を抑制している（たとえば、特許文献１、３、または４参照）。
【０００５】
しかし、近年の固体撮像素子の多画素（微細）化の傾向に伴い、たとえば遮光膜の開口サイズを小さくする方法で画素の低感度化を図ろうとすると、入射光の波長に近い開口サイズ（たとえば、０．７μｍ×０．７μｍ以下）を精確にパターニングしたりエッチングしたりする必要があり、加工ばらつきが生じやすい。このため低感度画素の感度が一定しない、という問題が生じる。
【０００６】
また、ＮＤフィルタの積層には、フィルタを所定濃度に調整することの困難性が付随する。
【０００７】
更に、マイクロレンズを設けない画素を選択的に形成し、当該画素を低感度化した場合には、シェーディングを改善する手法である「マイクロレンズずらし」を行うことができないという問題がある。
【０００８】
また、マイクロレンズの形状を変化させ、集光効率を下げる方法を採用すると、レンズの加工形状のばらつきにより、低感度画素の感度を一定化することが難しい場合がある。
【０００９】
このように、微細化した光学系の光学要素の形状を変えることによる画素の低感度化は、半導体微細加工上等の制約から好ましくない場合が多い。
【００１０】
（ｉｉ）の方法は、低感度画素と高感度画素の感度比を大きく変化させることが容易である反面、撮影時刻が異なる（時間差のある）２枚の絵（フレームあるいはフィールド）を合成するため、たとえば被写体が動く場合には、前後のフレームあるいはフィールド間でずれが生じ、正確な合成画像が再現できないという欠点がある。
【００１１】
撮影時間差による欠点を改善した固体撮像装置の駆動方法が提案されている（たとえば、特許文献５、または、非特許文献１参照）。
【００１２】
特許文献５に記載の駆動方法によれば、長時間露光、及び所定の信号電荷群の垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）への読み出し後に短時間露光が開始されるため、被写体が動いた場合の被写体ずれが改善される。なお、この駆動方法においては、一方の信号電荷群をＶＣＣＤから水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）に転送した後、他方の信号電荷群を、ＶＣＣＤに読み出し、ＨＣＣＤへ転送する。
【００１３】
非特許文献１に記載の駆動方法によれば、ＮＴＳＣ方式（飛び越し走査）における動画撮像を前提に、偶数または奇数フィールド内で撮影時間差による欠点を改善することができる。
【００１４】
近年、デジタルスチルカメラにおいては、手振れ制御、あるいは、動く被写体に対する撮影能力の向上、更には、ストロボフラッシュを使用できない夜景、星空、花火などの様々な撮影シーンに対応できることが求められている。このようなニーズに対しては、高ＩＳＯ感度の撮像装置を用いることにより、高速シャッタを切ることができるようにすることで対応している。しかし、画素自体の高感度化に伴い、広ダイナミックレンジを達成するためには、高照度側（ハイライト）の入射光エネルギを、一層抑制する必要がある。
【００１５】
車載用途の固体撮像装置においては、ストロボのような補助光源による暗所の撮像を期待することはできない。車載用固体撮像装置では、夜間は高感度撮像が重視される。しかし、固体撮像装置が搭載されている車両の周囲には、高輝度被写体、たとえば対向車のヘッドライト等が存在する。そのため、すべての画素を高感度画素とした場合、高輝度被写体像は、白トビ（白つぶれ）してしまう。したがって、車載用途の固体撮像装置は、低感度画素と高感度画素とを備え、その感度比を１／１０００〜１／１０００００程度に落とす必要がある。
【００１６】
【特許文献１】特開昭５９−２１０７７５号公報
【特許文献２】特開昭６２−１０８６７８号公報
【特許文献３】特開２０００−１２５２０９号公報
【特許文献４】特開２００３−２１８３４３号公報
【特許文献５】特開２０００−１３８８６３号公報
【非特許文献１】H.Komobuchi,et al., “1/4 inch NTSC format Hyper-D Range IL-CCD”, IEEE Workshop on CCD’s and Advanced Image sensors, SS-1,1995
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、広ダイナミックレンジの画像を生成することのできる固体撮像装置を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、撮像時間を短時間とし、画像信号処理を高速化することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、広ダイナミックレンジの画像を短時間で生成することである。
【００２０】
本発明の他の目的は、同時性を有する広ダイナミックレンジの画像を短時間で生成することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の一観点によれば、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、前記第１導電型と逆導電型の第２導電型を有するウエルと、前記ウエルに行列状に形成された前記第１導電型の多数の電荷蓄積領域であって、第１の電荷蓄積領域群と第２の電荷蓄積領域群とを含み、第１の電荷蓄積領域群の行と第２の電荷蓄積領域群の行とが列方向に沿って隣接して配置され、入射光量に応じて生成された電荷を蓄積する多数の電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域に隣接して前記ウエルに形成された前記第２導電型の多数の読み出しゲートであって、前記第１の電荷蓄積領域群に隣接し、第１のゲート長と第１の不純物濃度を備える第１の読み出しゲート群と、前記第２の電荷蓄積領域群に隣接し、第２のゲート長と第２の不純物濃度を備える第２の読み出しゲート群とを含む、多数の読み出しゲートと、前記読み出しゲートを介して前記電荷蓄積領域に隣接し、前記電荷蓄積領域の列方向に沿って前記ウエルに形成された前記第１導電型の垂直転送路と、前記電荷蓄積領域の行方向に沿って前記半導体基板上方に形成され、前記垂直転送路を横断する転送電極と、隣接する前記第１の電荷蓄積領域群、前記第２の電荷蓄積領域群の２画素上に同一色カラーフィルタが配置されるように、前記各電荷蓄積領域上方に形成されたカラーフィルタ群と、前記各垂直転送路の一端に結合された水平転送路と、前記第１の読み出しゲート上方の前記転送電極に印加して、前記第１の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記垂直転送路に読み出す第１の電圧、及び、前記第２の読み出しゲート上方の前記転送電極に印加して、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を前記垂直転送路に読み出す第２の電圧を制御することのできる制御回路とを有し、前記第１のゲート長、前記第１の不純物濃度、及び前記第１の電圧のうち、少なくとも一つを選択することにより、前記第１の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、アバランシェ破壊による電荷の増倍を積極的に伴って前記垂直転送路に読み出し、前記第２のゲート長、前記第２の不純物濃度、及び前記第２の電圧のうち、少なくとも一つを選択することにより、前記第２の電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、アバランシェ破壊による電荷の増倍を積極的には伴わずに前記垂直転送路に読み出す固体撮像装置が提供される。
【００２２】
また、本発明の他の観点によれば、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、前記第１導電型と逆導電型の第２導電型を有するウエルと、前記ウエルに行列状に形成された前記第１導電型の多数の電荷蓄積領域であって、第１の電荷蓄積領域群と第２の電荷蓄積領域群とを含み、第１の電荷蓄積領域群の行と第２の電荷蓄積領域群の行とが列方向に沿って隣接して配置され、入射光量に応じて生成された電荷を蓄積する多数の電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域に隣接して前記ウエルに形成された前記第２導電型の多数の読み出しゲートであって、前記第１の電荷蓄積領域群に隣接する第１の読み出しゲート群と、前記第２の電荷蓄積領域群に隣接し、前記第１の読み出しゲートのゲート長よりも長いゲート長、前記第１の読み出しゲートの不純物濃度よりも低い不純物濃度のうちの少なくとも一方を備える第２の読み出しゲート群とを含む、多数の読み出しゲートと、前記読み出しゲートを介して前記電荷蓄積領域に隣接し、前記電荷蓄積領域の列方向に沿って前記ウエルに形成された前記第１導電型の垂直転送路と、前記電荷蓄積領域の行方向に沿って前記半導体基板上方に形成され、前記垂直転送路を横断する転送電極と、隣接する前記第１の電荷蓄積領域群、前記第２の電荷蓄積領域群の２画素上に同一色カラーフィルタが配置されるように、前記各電荷蓄積領域上方に形成されたカラーフィルタ群と、前記各垂直転送路の一端に結合された水平転送路とを有する固体撮像装置が提供される。
【発明の効果】
【００２３】
広ダイナミックレンジの画像を生成することのできる固体撮像装置が提供される。
【００２４】
撮像時間を短時間とし、画像信号処理を高速化することができる。
【００２５】
広ダイナミックレンジの画像信号が、短時間で得られる。
【００２６】
同時性を有する広ダイナミックレンジの画像を短時間で生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１Ａ，１Ｂは、正方（テトラゴナル）格子配列の画素行列とハニカム配列の画素行列を示す。
【００２８】
図１Ａの正方格子配列においては、多数の画素ＰＩＸは、横方向（水平方向）に一定のピッチＰＨ、縦方向（垂直方向）に一定のピッチＰＶで正方格子状に配列している。例えば、横方向ピッチＰＨと縦方向ピッチＰＶは等しい（ＰＨ＝ＰＶ）。画素の横方向の並びを行、縦方向の並びを列と呼ぶ。画素上には、赤Ｒ，緑Ｇ，青Ｂの３原色のカラーフィルタが配置されている。以下、各画素をその上のカラーフィルタに従い、Ｒ，Ｇ，Ｂで呼ぶことがある。
【００２９】
列方向において、奇数列のＢ１，Ｂ２，Ｇ１，Ｇ２，偶数列のＧ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２のように、同色の画素が２つずつ並んで配列されている。横方向においては、２つずつの同色画素の組が、Ｂ１，Ｂ２の右隣にＧ１，Ｇ２，その右隣にＢ１，Ｂ２のように、同じ列方向位置に配置されている。上側の画素群Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１を第１の画素群、下側の画素群Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２を第２の画素群と呼ぶ。たとえば第１の画素群は、高感度の画素群であり、第２の画素群は、低感度の画素群である。第１の画素群と第２の画素群の上下関係は反転してもよい。
【００３０】
画素の各列に沿って（図では各列の右側に）、垂直電荷転送路ＶＣＣＤがそれぞれ１本配置されている。垂直電荷転送路ＶＣＣＤは、画素（行）当り３以上の転送段を有する。複数の垂直電荷転送路ＶＣＣＤの下端に、横方向に水平電荷転送路ＨＣＣＤが結合され、その一端に出力アンプＯＡが接続されている。転送路ＶＣＣＤ，ＨＣＣＤ上には、（読み出し電極を兼ねる）転送電極が配置される。各画素に蓄積された信号電荷は、画素ＰＩＸから垂直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出され、垂直電荷転送路ＶＣＣＤを下向きに転送され、垂直電荷転送路ＶＣＣＤ下端から水平電荷転送路ＨＣＣＤに送り込まれ、水平電荷転送路ＨＣＣＤを左向きに転送され、出力アンプを介して出力される。
【００３１】
図１Ｂのハニカム配列においては、第１種の画素群Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１が正方格子状に配置され、水平方向、垂直方向に約半ピッチずれた位置に第２の画素群Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２が配置される。第２の画素群も正方格子を構成する。第２の画素群は、正方格子状の第１の画素群の格子間位置に配置されるともいえる。
【００３２】
右上から左下に向かう対角線方向に沿って、同色の画素が２つずつ並んでいる。図示の配置においては、左下に第１の画素群Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１が配置され、右上に第２の画素群Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２が配置されている。この関係は反転してもよい。また、２つの同色画素を左上から右下に向かう対角線方向に並べてもよい。
【００３３】
第１の画素群の半ピッチを、改めてピッチとして、行、列を定義すると、各列、各行には、１つおきに画素が配置され、同一行、同一列には、第１の画素群または第２の画素群のみが配列されている。第１の画素群、第２の画素群はそれぞれ正方格子を構成している。第１の画素群の行、第２の画素群の行が列方向に交互に配列している点は図１Ａの正方格子配列と同様である。
【００３４】
なお、後述するように、各列に沿って垂直電荷転送路が蛇行して配置され、複数の垂直電荷転送路の一端に水平電荷転送路が結合される。垂直電荷転送路は、行当り２転送段を有し、画素当たり４転送段を有する。
【００３５】
図２Ａ及び図２Ｂは、実施例による固体撮像装置の受光部の一部の概略的な平面図である。図１Ａに示した正方格子配列の固体撮像装置についての平面図を示した。
【００３６】
図２Ａを参照する。正方格子配列の画素（高感度画素Ｂ１、Ｇ１、Ｒ１、及び、低感度画素Ｂ２、Ｇ２、Ｒ２）の各列右側に沿って垂直電荷転送路２５が形成されている。垂直電荷転送路２５は、画素当たり３転送段を有し、全画素の情報（信号電荷）を、一括して垂直電荷転送路２５に読み出すこと（プログレッシブ読み出し）が可能である。画素（１行）当たり３転送段を形成するために、１行当り３転送電極が必要である。
【００３７】
転送電極は、３層ポリシリコン電極で構成される。下層ポリシリコン電極ＥＬ，中層ポリシリコン電極ＥＭ，上層ポリシリコン電極ＥＵが酸化シリコン膜等の絶縁膜を介して積層され、３層ポリシリコン電極を構成する。３層ポリシリコン電極は、上下画素間の配線領域を通り、垂直電荷転送路２５上では各転送段上にそれぞれ配置されるようにパターニングされる。垂直電荷転送路２５は駆動信号φ１、φ２、φ３で３相駆動される。読み出し電圧を兼ねる駆動信号は、２つの配線で供給される。第１の画素群（高感度画素群）と第２の画素群（低感度画素群）を別タイミングで読み出し可能なように、例えば駆動信号φ２を、φ２Ａとφ２Ｂの２種で構成し、奇数行と偶数行にそれぞれ供給する。すなわち、フォトダイオードから垂直電荷転送路２５に信号電荷を読み出すパルスを供給する信号線には、高感度画素が並んだラインと低感度画素が並んだラインとに対して独立の駆動信号（φ２Ａ及びφ２Ｂ）を供給する。例えば、列方向に沿って、中層ポリシリコン電極ＥＭには、駆動信号φ２Ａとφ２Ｂの配線が交互に接続される。
【００３８】
本図においては、信号電荷が画素から垂直電荷転送路２５に読み出される方向を矢印で示した。信号電荷は、垂直電荷転送路２５内を水平電荷転送路ＨＣＣＤに向かう方向に転送され、水平電荷転送路ＨＣＣＤに移動された後は、水平電荷転送路ＨＣＣＤ内を、出力アンプＯＡに向かう方向に転送される。
【００３９】
図２Ｂは、図２Ａの一部（画素Ｇ１及びＧ２近傍）を拡大した平面図である。実施例による固体撮像装置の特徴部分を示すため、転送電極を一部破断して示した。
【００４０】
画素Ｇ１及びＧ２に蓄えられた電荷は、それぞれ読み出しゲート２９ａ及び２９ｂを介して、垂直電荷転送路２５に読み出される。実施例による固体撮像装置においては、高感度画素Ｇ１の電荷を読み出すための読み出しゲート２９ａのチャネル長Ｌ１は、低感度画素Ｇ２の電荷を読み出すための読み出しゲート２９ｂのチャネル長Ｌ２より短い。また、高感度画素Ｇ１部における転送電極（読み出しゲート電極）長ｄ１は、低感度画素Ｇ２部における転送電極（読み出しゲート電極）長ｄ２よりも狭く形成されている。なお、ここでいう転送電極（読み出しゲート電極）長は、垂直電荷転送路２５上方における読み出しゲート電極（中層ポリシリコン電極ＥＭ）の幅（垂直電荷転送路２５における電荷の転送方向と直交する方向に沿う長さ）と定義される。
【００４１】
図３Ａ及び図３Ｂは、実施例による固体撮像装置の受光部の一部の概略的な断面図である。図１Ａに示した正方格子配列の固体撮像装置において、Ｂのカラーフィルタが形成された連続する２画素であるＢ１（高感度画素）及びＢ２（低感度画素）についての断面を、それぞれ３Ａ及び図３Ｂに示した。
【００４２】
図３Ａに高感度画素Ｂ１の断面を示す。たとえばｎ型のシリコン基板である半導体基板２１の表面近傍に、低濃度のｐ型ウエル２２が、エピタキシャル成長またはエピタキシャル成長とイオン注入で形成される。
【００４３】
ｐ型ウエル２２内にイオン注入でｎ型の不純物が添加され、フォトダイオードの電荷蓄積領域２３ａが形成される。画素Ｂ１の電荷蓄積領域２３ａの形成深さ（半導体基板２１表面からの深さ）は、たとえば３μｍ以上８μｍ以下である。
【００４４】
埋め込み領域２４ａは、ｐ型不純物を高濃度にイオン注入して形成され、それぞれ電荷蓄積領域２３ａを半導体基板２１表面から埋め込む。
【００４５】
ｎ型半導体基板２１、ｐ型ウエル２２、電荷蓄積領域２３ａは、それぞれ縦型バイポーラ接合トランジスタ構造を形成し、電荷蓄積領域２３ａに蓄積される電子に対して、ｐ型ウエル２２がポテンシャルバリアを形成する。ｎ型半導体基板２１にオーバーフロードレイン電圧ＶＯＤを印加することでバリア高を調節でき、半導体基板２１に蓄積電荷を引き抜くことができる（基板抜きシャッタ）。
【００４６】
電荷蓄積領域２３ａに隣接して、それぞれｐ型領域である読み出しゲート２９ａを介して、ｎ型チャネル領域の垂直電荷転送路２５ａが、イオン注入で形成される。
【００４７】
高感度画素Ｂ１の電荷蓄積領域２３ａに蓄えられた電荷を、垂直電荷転送路２５ａに読み出す際に用いられる読み出しゲート２９ａのチャネル長は、０．３０μｍ以下、たとえば０．２５μｍである。
【００４８】
読み出しゲート２９ａは、たとえばともにボロン（Ｂ）をイオン注入することで形成される。高感度画素Ｂ１部の読み出しゲート２９ａの不純物（Ｂ）濃度は、たとえば最も高濃度領域で、２×１０１７〜５×１０１７ｃｍ−３である。
【００４９】
読み出しゲート２９ａ及び垂直電荷転送路２５ａ上方には絶縁膜３３を介して、垂直転送電極２６ａが、化学気相堆積（ＣＶＤ）とパターニング等で形成される。図示した垂直転送電極２６ａは、読み出し電極を兼ねる転送電極であり、読み出しゲート２９ａ上方から電荷蓄積領域２３ａに向かって延在する。
【００５０】
隣り合う画素間には、高濃度ｐ型の分離領域（チャネルストップ領域）２８ａが、イオン注入で形成される。
【００５１】
分離領域（チャネルストップ領域）２８ａは、隣り合う画素間で、電荷蓄積領域、垂直電荷転送路等の電気的な分離を行うための領域である。絶縁膜３３は、たとえばシリコン表面の熱酸化により形成された酸化シリコン膜、ＯＮＯ膜（酸化膜/窒化膜/酸化膜の積層）等である。
【００５２】
垂直転送電極２６ａは、たとえばポリシリコンで形成される第１層〜第３層垂直転送電極を含む。これらはアモルファスシリコンで形成することも可能である。垂直転送電極２６ａは、印加される電圧で、垂直電荷転送路２５ａ及び読み出しゲート２９ａのポテンシャルを制御することによって、電荷蓄積領域２３ａに蓄積された電荷を垂直電荷転送路２５ａに読み出し、読み出された電荷を垂直電荷転送路２５ａの列方向に転送する。
【００５３】
垂直転送電極２６ａ上方には、それぞれ絶縁性の酸化シリコン膜を介して、たとえばタングステン（Ｗ）により遮光膜２７ａが形成されている。遮光膜２７ａには、それぞれ電荷蓄積領域２３ａの上方に開口部が形成されている。
【００５４】
入射光量に応じて電荷蓄積領域２３ａに蓄積された信号電荷は、垂直転送電極２６ａへ印加される転送電圧（駆動信号Φ２Ａ）により、垂直電荷転送路２５ａに読み出され、垂直転送路２５ａ内を転送される。遮光膜２７ａは、上述のように電荷蓄積領域２３ａ上方にのみ開口部を有し、受光部に入射する光が電荷蓄積領域２３ａ以外の領域に入射するのを防止する。
【００５５】
遮光膜２７ａ上方には、たとえばＢＰＳＧ(boro-phospho silicate glass)でつくられた平坦化膜３０が形成され、その平坦な表面上に、カラーフィルタ３１（本図においては、Ｂのカラーフィルタ）が形成される。
【００５６】
図３Ｂに低感度画素Ｂ２の断面を示す。低感度画素Ｂ２の構造は、高感度画素Ｂ１の構造と幾つかの点において異なっている。
【００５７】
まず、高感度画素Ｂ１の電荷蓄積領域２３ａの形成深さ（半導体基板２１表面からの深さ）が、たとえば３μｍ以上８μｍ以下であるのに対し、低感度画素Ｂ２のそれは、たとえば０．１μｍ以上２μｍ以下である。なお、従来のフォトダイオードにおける電荷蓄積領域の形成深さは、約２．５μｍである。したがって、電荷蓄積領域の形成深さは、高感度画素においては従来より深く、低感度画素においては従来より浅い。
【００５８】
電荷蓄積領域を深く形成することにより、入射光の吸収率を向上させ、画素の感度を高くすることができる。また、電荷蓄積領域を浅く形成することにより、入射光の吸収率を低下させ、画素の感度を低くすることができる。
【００５９】
すなわち、高感度画素では電荷蓄積領域を深く形成し、低感度画素では電荷蓄積領域を浅く形成することによってもたらされる効果の一つは、高感度側と低感度側の両方から広ダイナミックレンジ化を実現することができることである。
【００６０】
また、高感度画素Ｂ１部の読み出しゲート２９ａのチャネル長は、０．３０μｍ以下であるのに対し、低感度画素Ｂ２部のそれは、たとえば０．４０μｍである。
【００６１】
更に、高感度画素Ｂ１部の読み出しゲート２９ａの不純物（Ｂ）濃度が、たとえば最も高濃度領域で、２×１０１７〜５×１０１７ｃｍ−３であるのに対し、低感度画素Ｂ２部におけるそれは、たとえば最も高濃度領域で、３×１０１６〜１×１０１７ｃｍ−３である。低感度画素Ｂ２部の読み出しゲート２９ｂは、高感度画素Ｂ１部の読み出しゲート２９ａよりも、不純物（Ｂ）濃度が低い。
【００６２】
また、低感度画素Ｂ２部の、垂直電荷転送路２５ｂ及び読み出しゲート２９ｂ上方における垂直転送電極２６ｂ長は、高感度画素Ｂ１部の、垂直電荷転送路２５ａ及び読み出しゲート２９ａ上方における垂直転送電極２６ａ長より短い。
【００６３】
入射光量に応じて電荷蓄積領域２３ｂに蓄積された信号電荷は、垂直転送電極２６ｂへ印加される転送電圧（駆動信号Φ２Ｂ）により、垂直電荷転送路２５ｂに読み出され、垂直転送路２５ｂ内を転送される。
【００６４】
なお、本図には正方格子配列の場合を示したが、画素の断面構造はハニカム配列の場合も基本的には同一である。
【００６５】
図４Ａ〜図４Ｅを参照して、電荷蓄積領域から垂直電荷転送路への電荷の移動について説明する。図４Ａ〜図４Ｄにおいては、電子からみたポテンシャルの高低を実線で示した。また、電荷の存在する領域を右下がりの斜線で示した。
【００６６】
図４Ａ及び図４Ｂは、低感度画素における電荷の移動を表す。
【００６７】
図４Ａを参照する。ｎ型領域である電荷蓄積領域２３ｂと垂直電荷転送路２５ｂのポテンシャルは低い。ｐ型領域である読み出しゲート２９ｂのポテンシャルは高く、バリアを形成する。画素への入射光量に応じて、光電変換により生成された信号電荷は、電荷蓄積領域２３ｂに蓄積される。読み出しゲート２９ｂ及び垂直電荷転送路２５ｂ上方の垂直転送電極２６ｂには、駆動信号Φ２Ｂが印加される。
【００６８】
図４Ｂを参照する。垂直転送電極２６ｂに、たとえば１２Ｖの読み出し電圧が印加されると、読み出しゲート２９ｂと垂直電荷転送路２５ｂのポテンシャルが低くなり、バリアが消滅して、電荷蓄積領域２３ｂの電荷が垂直電荷転送路２５ｂに移動する。この電荷移動はドリフトによる電荷移動である。
【００６９】
図４Ｃ及び図４Ｄは、高感度画素における電荷の移動を表す。
【００７０】
高感度画素には低感度画素よりも高い読み出し電圧、たとえば１５〜１６Ｖの読み出し電圧が印加される。上述のように、高感度画素では、読み出しゲートのゲート長が、低感度画素よりも短い。また、読み出しゲートが、より高不純物濃度に形成されている。したがって、高感度画素では、読み出し電圧を印加したとき、読み出しゲート内に、低感度画素より急峻な電位勾配が形成される。
【００７１】
高感度画素の読み出しゲートのゲート長、不純物濃度、及び読み出しゲートに印加する読み出し電圧等のうちの少なくとも一つについて値を選択することで、電位勾配により積極的にアバランシェ破壊による電子増倍が引き起こされるようにする。
【００７２】
実施例による固体撮像装置では、読み出し電圧印加時、高感度画素において、アバランシェ破壊による電子増倍により、電荷蓄積領域に蓄えられていた電荷より大きい電荷が、垂直電荷転送路に移動される。第１の画素群は、電荷蓄積領域を深い位置まで形成することによって高感度化され、更に、アバランシェ破壊による電子増倍効果によって高感度化される。
【００７３】
なお、高感度画素においては、電荷蓄積領域が、低感度画素の電荷蓄積領域より深い位置まで形成されていることで、ショートチャネル効果によるアバランシェ破壊が誘起されやすい。
【００７４】
一方、低感度画素の読み出しゲートのゲート長、不純物濃度、及び読み出しゲートに印加する読み出し電圧等のうちの少なくとも一つについて値を選択することで、積極的にはアバランシェ破壊による電子増倍が引き起こされないようにする。
【００７５】
低感度画素において、電荷蓄積領域が、高感度画素の電荷蓄積領域より浅い位置までしか形成されない構成を採用することは、読み出しゲートの電位勾配を緩やかにし、アバランシェ破壊による電子増倍の防止に寄与する。
【００７６】
図４Ｅは、実施例による固体撮像装置（正方格子配列）の読み出しゲートに電圧を印加したとき、垂直電荷転送路に読み出された電子数を示すグラフである。
【００７７】
グラフの横軸は、印加した読み出し電圧を単位「Ｖ」で表し、グラフの縦軸は、電荷蓄積領域から読み出された電子数を表す。高感度画素における読み出し電圧と電子数の関係を実線で示し、低感度画素における両者の関係を破線で示した。高感度画素、低感度画素ともに、電荷蓄積領域に約１０００個の電子を蓄えてそれぞれの読み出しゲートに電圧を印加した。
【００７８】
低感度画素においては、約１０Ｖの電圧を印加したとき、電荷蓄積領域から垂直電荷転送路への電荷の移動が開始され、約１１．５Ｖ以上の電圧の印加で、蓄積されていたほぼすべての電子（約１０００個）が読み出される。
【００７９】
高感度画素においては、約１２Ｖの電圧を印加したとき、電荷蓄積領域から垂直電荷転送路への電荷の移動が開始され、約１４Ｖ以上の電圧の印加で、蓄積されていた電子（約１０００個）の約２倍の数（約２０００個）の電子が垂直電荷転送路に認められた。
【００８０】
高感度画素においては、アバランシェ破壊によって約２倍の電子増倍効果（すなわち増倍係数は２）が得られる一方、低感度画素においては、アバランシェ破壊が防止されていることがわかる。
【００８１】
図５Ａ〜図５Ｆを参照して、実施例による固体撮像装置（正方格子配列を有する固体撮像装置）の駆動方法を説明する。
【００８２】
図５Ａは、正方格子配列を有する固体撮像装置の駆動信号のタイミングチャートである。上からオーバーフロードレイン電圧ＶＯＤ，第２の画素群（低感度画素群）の垂直（読み出し）駆動信号φ２Ｂ，第１の画素群（高感度画素群）の垂直（読み出し）駆動信号φ２Ａ，水平駆動信号φＨを示す。
【００８３】
図５Ｂ〜５Ｆは、図５Ａに示すタイミングｔ３〜ｔ５での電荷の様子を示す概略的平面図である。タイミングｔ１〜ｔ２に、オーバーフロードレイン電圧ＶＯＤが高電圧となり、各画素ＰＩＸの蓄積電荷は基板に引き抜かれ、画素ＰＩＸがクリアされて新たな露光が開始される。駆動信号φ２Ｂはタイミングｔ３で高電位の読出電圧となり、その後タイミングｔ４で駆動信号φ２Ａが、それより更に高電位の読出電圧となる。
【００８４】
図５Ｂに示すように、タイミングｔ２からｔ３に至るまでの短期間ｔＳ、全画素ＰＩＸで入射光に応じた信号電荷の蓄積が行われる。
【００８５】
図５Ｃに示すように、タイミングｔ３で駆動信号φ２Ｂが読み出し電圧となり、φ２Ｂを印加された低感度画素ＰＩＸから垂直電荷転送路ＶＣＣＤに短期間ｔＳの蓄積電荷が読み出される。このときアバランシェ破壊による電子増倍は生じない。φ２Ａを印加された画素では読み出しは生ぜず、入射光に応じた電荷蓄積が継続する。
【００８６】
図５Ｄに示すようにタイミングｔ３〜ｔ４では、入射光に応じた信号電荷の蓄積が行われる。垂直電荷転送路ＶＣＣＤは、タイミングｔ３で読み出した電荷を保持する。
【００８７】
図５Ａに示すように、タイミングｔ４で駆動信号φ２Ａが読み出し電圧になる。図５Ｅに示すように、タイミングｔ４で駆動信号φ２Ａが読み出し電圧となり、φ２Ａを印加された高感度画素ＰＩＸから垂直電荷転送路ＶＣＣＤにタイミングｔ２からｔ４までの長期間ｔＬの蓄積電荷が読み出される。このとき、アバランシェ破壊による電子増倍が生じる。
【００８８】
図５Ａに示すように、タイミングｔ５以後、垂直電荷転送路では駆動（転送）信号φ１、φ２、φ３が印加され垂直転送が行われる。水平電荷転送路では、２相駆動信号φＨ１、φＨ２が印加される。
【００８９】
図５Ｆに示すように、垂直電荷転送路ＶＣＣＤで電荷転送が行われ，短期間露光の蓄積電荷の行（低感度画素の行）、長期間露光の蓄積電荷の行（高感度画素の行）が交互に水平電荷転送路ＨＣＣＤに供給される。水平電荷転送路ＨＣＣＤは、垂直電荷転送路ＶＣＣＤから供給される電荷を１行ずつ出力アンプＯＡに向かって転送する。信号電荷は、出力アンプＯＡを介して外部に読み出される。
【００９０】
図６Ａは、固体撮像装置のシステム構成を示す。駆動信号を発生する制御回路ＣＴＬは撮像チップとは別のチップに形成しても、同一チップに集積化してもよい。固体撮像素子１０からの出力信号は、画素単位で出力調整部１１に供給され、選択部１２で短時間露光の信号電荷は直接、長時間露光の信号電荷は信号スライス部１３でチョッピングされ、飽和電圧を揃えて、メモリを備えた出力合成部１５に送られ、行単位で加算が行われる。信号スライス部１３は、あらかじめ蓄積できる信号電荷量の上限値を設定しておき、この信号電荷量を超える電荷量を廃棄する。出力合成部１５は、低感度画素の信号電荷と、信号スライス部１３でカットされた高感度画素の信号電荷の同色２画素分の信号を合成し、合成信号ＳＣとして出力する。
【００９１】
図６Ｂは、合成信号の性質を示すグラフである。横軸は露光エネルギ密度（照度）を示し、縦軸は出力信号及び合成信号の電圧を示す。短期間露光（低感度画素）の出力信号をｔＳで示し、長期間露光（高感度画素）の出力信号をｔＬで示す。
【００９２】
長期間露光ｔＬでは、電荷蓄積期間が長いので、露光エネルギ密度が低くても出力信号は速やかに立ち上がる。速やかな立ち上がりは、速い飽和となる。また、たとえば、アバランシェ破壊によって増倍係数が２の電子増倍効果が得られる場合、電荷蓄積領域に蓄えられた電荷の２倍の電荷が、垂直電荷転送路に読み出されるため、露光時間を短縮することができる。長期間露光を行う時間の短縮により、高速信号処理が可能となる。
【００９３】
増倍係数を大きくすることで、より撮像時間を短縮することが可能である。ただし、高感度画素から電荷が読み出される垂直電荷転送路、及び、水平電荷転送路は、高感度画素の電荷蓄積領域の容量の増倍係数倍の容量を必要とする。
【００９４】
なお、たとえば、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれの画素について、増倍係数を等しくすることで、ホワイトバランスを良好にすることが可能である。
【００９５】
また、飽和エネルギより大きい露光エネルギの識別はできない。
【００９６】
短期間露光ｔＳでは、電荷蓄積期間が短いので、露光エネルギ密度の増加に対する出力信号の増加は緩やかであり、飽和する露光エネルギ密度は高くなる。合成信号ＳＣは、長期間露光の出力信号ｔＬと短期間露光の出力信号ｔＳを加算するので、立ち上がりは速く，飽和は高エネルギ密度の信号が得られる。長期間露光の出力信号が飽和する露光エネルギ密度を基準とすると、広ダイナミックレンジ化が達成できる。
【００９７】
短期間露光と長期間露光とは重複して行なわれ、出力信号は同時に出力されるので、同時性の高い、広ダイナミックレンジの画像を短時間で得られる。車輌用衝突防止モニタなど、相対的に高速度で移動する物体のモニタ等にも適した特性が得られる。短期間と長期間の比を選択することにより、所望のダイナミックレンジを得ることができる。例えば、戸外の監視用モニタ等の感度、ダイナミックレンジを外界や対象物の明るさに応じて調整することもできる。
【００９８】
なお、短期間露光と長期間露光とを同時に開始し、短期間露光終了の後長期間露光を終了する場合を説明したが、短期間露光の期間が長期間露光の期間に含まれるなら同様の効果を得られる。各画素ごとまたは各行ごとにクリア機構を設ければ、露光開始を選択的に行うことができる。
【００９９】
図７Ａ、及び、図７Ｂはハニカム配列の画素を有する固体撮像装置の構成、動作を示す。
【０１００】
図７Ａに示すように、ハニカム配列の画素は、第１の正方格子配列の第１の画素群（高感度画素群）の画素ＰＩＸ１とその格子間位置に配置される第２の正方格子配列の第２の画素群（低感度画素群）の画素ＰＩＸ２から構成される。画素ＰＩＸ１及び画素ＰＩＸ２は、同色のカラーフィルタを有する。各画素列に沿って垂直電荷転送路ＶＣＣＤが蛇行しつつ、縦方向に延在し、列間にはチャネルストップ領域ＣＳが形成されている。水平方向に隣接する画素間には、２つの垂直電荷転送路ＶＣＣＤが配置され、斜め方向に隣接する画素間には１つの垂直電荷転送路ＶＣＣＤが配置される。
【０１０１】
各画素の上側、下側を回り込むように２電極が配置され、垂直電荷転送路ＶＣＣＤと交差して水平方向に延在する。各列において、画素は１つ置きに配置されているので、１画素当たり２行の４電極が４転送段を形成する。４相駆動信号φ１、φ２、φ３、φ４が、繰り返し転送電極に印加される。なお、ハニカム配列の固体撮像装置の構成、製造技術に関しては例えば、特開平１０−１３６３９１号、特開２００１−１１１０２７号（ＵＳＰ６，９１４，６３３）の実施例の欄の記載を参照できる。
【０１０２】
駆動信号φ１とφ３が読み出し信号を兼ねるとする。φ３が読み出し電圧になると、矢印で示すように第２の画素群の画素ＰＩＸ２の蓄積電荷が右側に隣接する垂直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出される。このときアバランシェ破壊による電子増倍は生じない。
【０１０３】
図７Ｂは、その後、他の駆動信号φ１が読み出し電圧になった時を示す。第１の画素群の画素ＰＩＸ１の蓄積電荷が右側に隣接する垂直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出される。読み出しには、アバランシェ破壊による電子増倍を伴う。第１の画素群の信号電荷は第２の画素群の信号電荷とは異なる垂直電荷転送路ＶＣＣＤに読み出される。４相駆動を開始する前に電荷位置を調整すると、同一行に第１の画素群の電荷と第２の画素群の電荷が交互に配置されるようになる。
【０１０４】
なお、ハニカム配列においては、正方格子配列とは異なり、第１の画素群（高感度画素群）の読み出しゲート電極と、第２の画素群（低感度画素群）の読み出しゲート電極は、別に設けられているので、新たな信号線を配線する必要はない。
【０１０５】
図８Ａは、ハニカム配列の固体撮像素子の駆動信号のタイミングチャートを示し、図８Ｂ〜図８Ｅは、図８Ａ中に示されるタイミングｔ３〜ｔ５での電荷の様子を示す概略的平面図である。なお、図８Ｂ〜図８Ｅにおいては、行方向位置、列方向位置を判り易くするように、蛇行するＶＣＣＤを直線的に示している。
【０１０６】
図８Ａに示すタイミングｔ１〜ｔ２に、オーバーフロードレイン電圧ＶＯＤが高電圧となり、各画素の蓄積電荷は基板に引き抜かれ、全画素ＰＩＸがクリアされて新たな露光が開始される。駆動信号φ３はタイミングｔ３で高電位となり、その後タイミングｔ４で駆動信号φ１が、それより更に高電位となる。
【０１０７】
図８Ｂに示すように、タイミングｔ２からｔ３に至るまでの短期間ｔＳ、全画素ＰＩＸで入射光に応じた信号電荷の蓄積が行われる。タイミングｔ３で駆動信号φ３が読み出し電圧となり、φ３を印加された第２の画素群の画素ＰＩＸ２から垂直電荷転送路ＶＣＣＤに短期間ｔＳの蓄積電荷が読み出される。φ１を印加された画素では読み出しは生ぜず、入射光に応じた電荷蓄積が継続する。
【０１０８】
図８Ｃに示すようにタイミングｔ３〜ｔ４では、入射光に応じた信号電荷の蓄積が行われる。垂直電荷転送路ＶＣＣＤは、タイミングｔ３で読み出した電荷を保持する。
【０１０９】
図８Ａに示すように、タイミングｔ４で駆動信号φ１が読み出し電圧になる。
図８Ｄに示すように、タイミングｔ４で駆動信号φ１が読み出し電圧となり、φ１を印加された画素ＰＩＸ１から垂直電荷転送路ＶＣＣＤにタイミングｔ２からｔ４までの長期間ｔＬの蓄積電荷が読み出される。
【０１１０】
図８Ａに示すように、タイミングｔ５以後、垂直電荷転送路では４層駆動信号φ１、φ２、φ３、φ４が印加され垂直転送が行われる。水平電荷転送路では、２相駆動信号φＨ１、φＨ２が印加される。
【０１１１】
図８Ｅに示すように、垂直電荷転送路ＶＣＣＤで電荷転送が行われ，短期間露光の蓄積電荷、長期間露光の蓄積電荷が交互に配列された２画素行分の電荷行が水平電荷転送路ＨＣＣＤに供給される。水平電荷転送路ＨＣＣＤは、ＶＣＣＤから供給される２画素行分の電荷行を出力アンプＯＡに向かって転送する。信号電荷は、出力アンプＯＡを介して外部に読み出される。
【０１１２】
固体撮像装置のシステムは、図６Ａに示したものと同様でよいが、選択部１２は、行毎の切り替えではなく、電荷毎の切り替えを行い、２行分の信号画素行を各行に分離する。出力合成部１５は、信号画素を一旦メモリし、対応する２画素毎に加算する。
【０１１３】
出力信号と合成信号の特性は図６Ｂに示したものと同様である。
【０１１４】
ハニカム配列の固体撮像素子においては、正方格子配列の場合とは異なり、ある垂直電荷転送路ＶＣＣＤを転送される電荷は、高感度画素から読み出された電荷、または低感度画素から読み出された電荷のいずれかであって、双方が混在することはない。高感度画素と低感度画素とで、垂直転送路ＶＣＣＤを共有しないため、垂直転送路ＶＣＣＤにおいては双方の画素信号が互いに干渉せず、画質を向上させることができる。
【０１１５】
図９Ａは、変形例による駆動信号のタイミングチャートを示す。図８Ａに示したタイミングチャートと比較すると、ストロボ等の補助光源発光信号ＳＴＲが追加されている。補助光源により、低照度（暗）部の画像情報が得やすくなる。高感度画素群による撮像に特に有効である。ストロボ発光信号ＳＴＲは、短期間露光ｔＳが終了した後、即ちタイミングｔ３以後、長期間露光ｔＬが終了する前、即ちタイミングｔ４以前にトリガされる。
【０１１６】
短期間露光には影響を与えず、長期間露光の積分露光エネルギを増大させることができる。なお、ストロボ発光により光量は確保できるので、長期間露光の蓄積電荷読み出しは補助光源発光後の任意のタイミングまで早めてもよい。
【０１１７】
なお、ハニカム配列の撮像装置の場合も、短期間露光ｔＳ後長期間露光ｔＬ終了前に補助光源を発光させることができる。短期間露光と長期間露光の開始タイミングが異なる場合は、補助光源の発光は短期間露光期間外で、長期間露光期間内に行なえばよい。
【０１１８】
図９Ｂは、補助光源を発光させた時の特性を示すグラフである。短期間露光ｔＳの特性は、補助光源発光の影響を受けない。長期間露光ｔＬの特性は、ストロボ発光エネルギ密度分、低照度側にシフトすると考えられる。このため、ダイナミックレンジをさらに拡げることができる。
【０１１９】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、２画素を１組として、露光期間が２種類の並行露光を行なう場合を説明したが、３画素（３行）以上を１組として、露光期間が３種類以上の並行露光を実行してもよい。その他、種々の変更、改良、組合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
動画を撮像する場合、静止画を撮像する場合の双方に利用可能である。特に、動く被写体を撮影する場合、被写体情報を高速に信号処理する必要がある場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】１Ａ，１Ｂは、正方（テトラゴナル）格子配列の画素行列とハニカム配列の画素行列を示す平面図である。
【図２】２Ａ及び２Ｂは、実施例による固体撮像装置の受光部の一部の概略的な平面図である。
【図３】３Ａ及び３Ｂは、実施例による固体撮像装置の受光部の一部の概略的な断面図である。
【図４】４Ａ〜４Ｅは、電荷蓄積領域から垂直電荷転送路への電荷の移動について説明するための図である。
【図５】５Ａ〜５Ｆは、実施例による固体撮像装置（正方格子配列を有する固体撮像装置）の駆動方法を説明するための図である。
【図６】６Ａは、固体撮像装置のシステム構成を示す図であり、６Ｂは、合成信号の性質を示すグラフである。
【図７】７Ａ及び７Ｂは、ハニカム配列の画素を有する固体撮像装置の構成、動作を示す図である。
【図８】８Ａは、ハニカム配列の固体撮像素子の駆動信号のタイミングチャートであり、８Ｂ〜８Ｅは、８Ａ中に示されるタイミングｔ３〜ｔ５での電荷の様子を示す概略的平面図である。
【図９】９Ａは、変形例による駆動信号のタイミングチャートであり、図９Ｂは、補助光源を発光させた時の特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２２】
１０  固体撮像素子
１１  出力調整部
１２  選択部
１３  信号スライス部
１５  出力合成部
２１  半導体基板
２２  ウエル
２３ａ、ｂ  電荷蓄積領域
２４ａ、ｂ  埋め込み領域
２５、２５ａ、ｂ  垂直電荷転送路
２６ａ、ｂ  垂直転送電極
２７ａ、ｂ  遮光膜
２８ａ、ｂ  分離領域
２９ａ、ｂ  読み出しゲート
３０  平坦化膜
３１  カラーフィルタ
３３  絶縁膜
ＰＩＸ  画素
ＰＨ  水平方向ピッチ
ＰＶ  垂直方向ピッチ
ＶＣＣＤ  垂直電荷転送路
ＨＣＣＤ  水平電荷転送路
ＯＡ  出力アンプ
ＶＯＤ  オーバーフロードレイン電圧
ＥＬ  下層ポリシリコン電極
ＥＭ  中層ポリシリコン電極
ＥＵ  上層ポリシリコン電極
Φ１、Φ２Ａ、Φ２Ｂ、Φ３  駆動信号
ＣＴＬ  制御回路
ＳＣ  合成信号
ＣＳ  チャネルストップ領域
【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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【図９】
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