(57)【要約】【課題】全画素読み出しのＣＣＤ型の固体撮像素子において、広いダイナミックレンジを得る構造であっても、同一画素より複数の色信号を取り出せる構造であっても、高い解像度を得ることを可能とする。【解決手段】全画素読み出し型の固体撮像素子１０１であって、複数の画素（フォトダイオード１２１（１２２））を配列した画素列が複数列に配列されていて、前記画素（フォトダイオード１２１（１２２））が１画素当たり２本の垂直電荷結合素子（垂直ＣＣＤ）１４１、１４２（１４３、１４４）を有することを特徴とする。【選択図】図１
2007259417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全画素読み出し型の固体撮像素子であって、
複数の画素を配列した画素列が複数列に配列されていて、
前記画素が１画素当たり２本の垂直電荷結合素子を有する
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記２本の垂直電荷結合素子は前記各画素列の両側に配置され、
前記画素列の１画素より前記各垂直電荷結合素子へ独立して信号電荷を読み出す電極を有する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記画素を構成するフォトダイオードが複数層からなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
水平方向に第１電極と該第１電極上に形成された第２電極とを備え、
前記第２電極が前記画素列間上で前記第１電極に対して異なる側に交互に張り出して形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記画素列間の領域上で且つ垂直方向に第１電極、第２電極および第３電極が順に繰り返し形成され、
前記第２電極は水平方向に配設した第２配線からなり、
前記第２配線上に絶縁膜を介して形成されたもので前記画素列間の領域上の前記第１電極側に張り出して前記第１電極に接続する第１配線と、
前記画素列間の領域上で前記第１配線および前記第２配線上を交差するもので前記第３電極に接続する第３配線と
を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項６】
水平方向に配設された第１電極と、
水平方向に前記第１電極と略並行にかつ前記画素列間の領域上では前記第１電極と離間して配設された第３電極と、
前記第１電極上と前記第３電極上に配設されるとともに、前記第１電極と前記第３電極とが離間して配設されている領域上を通る第２電極と、
前記画素列間の領域上で前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極上を交差する第４電極と
を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記画素列間の領域は第１画素列間の領域と第２画素列間の領域とが交互に存在し、
水平方向に配設された第１電極と、
水平方向に前第１電極と略並行にかつ前記画素列間の領域上では前記第１電極と離間して配設された第３電極と、
前記第１電極上と前記第３電極上に配設されるとともに、前記第１電極と前記第３電極とが離間して配設されている領域上を通る第２電極と、
前記第２配線上に絶縁膜を介して水平方向に形成されたもので前記第１電極側の前記第１画素列間の領域上に延長形成された第４Ａ電極と、
前記第２配線上に絶縁膜を介して水平方向に形成されたもので前記第３電極側の前記画素列間の領域上に延長形成された第４Ｂ電極と
を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記画素列間の領域は第１画素列間の領域と第２画素列間の領域とが交互に存在し、
前記２本の垂直電荷結合素子が形成されている領域上で且つ垂直方向に第４電極、第１電極、第２電極および第３電極が順に繰り返し形成され、
前記第１電極は水平方向に配設した第１配線からなり、
前記第２電極は前記第１配線と平行に配設された第２配線からなり、
前記第２配線上に絶縁膜を介して形成されたもので前記第１画素列間の領域上の前記第１電極とは反対側の前記第３電極に張り出して接続する第３Ａ配線と、
前記第１配線上に絶縁膜を介して形成されたもので前記第２画素列間の領域上の前記第２電極とは反対側の前記第４電極に張り出して接続する第４Ｂ配線と、
前記第１画素列間の領域上で前記第１配線、前記第２配線、前記第３Ａ配線および前記第４Ｂ電極上を交差するもので前記第４電極に第４Ａ配線と、
前記第２画素列間の領域上で前記第１配線、前記第２配線、前記第３Ａ配線および前記第４Ｂ電極上を交差するもので前記第３電極に第３Ｂ配線と
を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記画素列間の領域は第１画素列間の領域と第２画素列間の領域とが交互に存在し、
前記２本の垂直電荷結合素子が形成されている領域上に且つ水平方向に第４電極、第１電極、第２電極および第３電極が順に繰り返し形成され、
前記第１電極は水平方向に配設した第１配線からなり、
前記第２電極は前記第１配線と平行に配設された第２配線からなり、
前記第２配線上に絶縁膜を介して形成されたもので前記第１画素列間の領域上の前記第１電極とは反対側の前記第３電極に連続して形成された３Ａ配線と、
前記第１配線上に絶縁膜を介して形成されたもので前記第２画素列間の領域上の前記第２電極とは反対側の前記第４電極に連続して形成された第４Ｂ配線と、
前記第１画素列間の領域上で前記第１配線、前記第２配線、前記第３Ａ配線および前記第４Ｂ電極上を交差するもので前記第４電極に連続して形成された第４Ａ配線と、
前記第２画素列間の領域上で前記第１配線、前記第２配線、前記第３Ａ配線および前記第４Ｂ電極上を交差するもので前記第３電極に連続して形成された第３Ｂ配線と
を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記画素列間の領域は第１画素列間の領域と第２画素列間の領域とが交互に存在し、
前記２本の垂直電荷結合素子が形成されている領域上に且つ水平方向に第４電極、第１電極、第２電極および第３電極が順に繰り返し形成され、
前記第１電極は水平方向に配設した第１配線からなり、
前記第２電極は前記第１配線と平行に配設された第２配線からなり、
前記第２配線上に絶縁膜を介して形成されたもので前記第１画素列間の領域上の前記第１電極とは反対側の前記第３電極に接続して形成された第３Ａ配線と、
前記第１配線上に絶縁膜を介して形成されたもので前記第２画素列間の領域上の前記第２電極とは反対側の前記第４電極に接続して形成された第４Ｂ配線と、
前記第１画素列間の領域上で前記第１配線、前記第２配線、前記第３Ａ配線および前記第４Ｂ電極上を交差するもので前記第４電極に連続して形成された第４Ａ配線と、
前記第２画素列間の領域上で前記第１配線、前記第２配線、前記第３Ａ配線および前記第４Ｂ電極上を交差するもので前記第３電極に連続して形成された第３Ｂ配線と
を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記２本の垂直電荷結合素子の両端に水平レジスタを備えた
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
複数の画素を配列した画素列が複数列に配列されていて、
前記画素が１画素当たり２本の垂直電荷結合素子を有する全画素読み出しを行う固体撮像素子の駆動方法であって、
１フィールド期間に第１読み出しと第２読み出しの２回の読み出しを行い、
第１読み出しは一方側の垂直電荷結合素子へ信号電荷を読み出し、
第２読み出しは他方側の垂直電荷結合素子へ信号電荷を読み出す
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１３】
前記垂直電荷結合素子での電荷の垂直転送は３相駆動方式である
ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１４】
前記垂直電荷結合素子での電荷の垂直転送は４相駆動方式である
ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１５】
前記２本の垂直電荷結合素子に読み出された信号電荷を垂直方向の画素の信号と混合することなく独立に転送する
ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１６】
前記画素を構成するフォトダイオードは複数層からなり、
前記複数層のフォトダイオードの各層毎に光電変換された電荷を前記２本の垂直電荷結合素子に振り分けて読み出す
ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１７】
前記画素列の画素間上を通りかつ水平方向に形成された第１電極と、該第１電極上に形成された第２電極とを備え、
前記第２電極が前記画素列間上で前記第１電極に対して異なる側に交互に張り出して形成されている
ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１８】
前記２本の垂直電荷結合素子に読み出された信号電荷の転送方向を、一方の垂直電荷結合素子での転送方向と他方の電荷結合素子での転送方向とで逆方向とする
ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項１９】
前記２本の垂直電荷結合素子の両端に水平レジスタを備え、
一方の垂直電荷結合素子で転送される信号電荷を一方の水平レジスタに転送し、
他方の垂直電荷結合素子で転送される信号電荷を他方の水平レジスタに転送する
ことを特徴とする請求項１２記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項２０】
複数の画素を配列した画素列が複数列に配列されていて、前記画素が１画素当たり２本の垂直電荷結合素子を有する固体撮像素子を備えた
ことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー画像を取り込む光電変換素子を用いた電荷結合素子（以下、ＣＣＤという）型の固体撮像素子および固体撮像素子の駆動方法およびこの固体撮像素子を用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ型固体撮像素子のダイナミックレンジを向上させる手法として、１フィールドの期間を長い露光時間と短い露光時間に分割し、複数枚の画像を撮像した後、それらを合成する方法がある。ここでいう長い露光時間とは短い露光時間よりも長い露光時間であればよい。
【０００３】
それぞれの期間で得られた長時間蓄積信号と短時間蓄積信号とを混ざらないよう垂直ＣＣＤに読み出す。図４５に示した構成では、フォトダイオード１４２１に蓄積された長時間蓄積信号は先に垂直ＣＣＤ１４４１に読み出されるので、フォトダイオード１４２１で短時間蓄積信号を光電変換している間、垂直ＣＣＤ１４４１がメモリとして働く。短時間蓄積信号は、垂直ＣＣＤ１４４１の空いているところに読み出されるので、長時間蓄積信号と交互に配列される。しかしながら、この場合の長時間蓄積信号と短時間蓄積信号は、垂直方向の２画素分にまたがって蓄積されているため、垂直方向の解像度が低下するという問題があった。
【０００４】
また、全画素読み出しＣＣＤ型固体撮像素子の構造の一例としては、図４６に示した構成がある。この構成は、垂直方向に配列されたフォトダイオード１５２１の一方側（図面左側）に一本の垂直ＣＣＤ１５４１が形成され、画素間には垂直方向にチャネルストップ１５５１が形成されている。この構成が複数列に形成されている。電極は、３相で駆動する電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３からなる３層電極構造となっている。電極φＶ１は、水平方向に各画素列（フォトダイオード列）の各画素間（フォトダイオード間）を通るように形成され、この電極φＶ１上に絶縁膜（図示せず）を介して電極φＶ２が形成さている。この電極φＶ２は、フォトダイオード間において一方向（図面上方向）に張り出して形成されている。そして電極φＶ３が、チャネルストップ１５５１、垂直ＣＣＤ１５４１および上記読み出し部（図示せず）上に絶縁膜（図示せず）を介して垂直方向にかつ最上層に形成されている。
【０００５】
また、電極φＶ３を水平方向（図面横方向）に配線している構造のＣＣＤ型固体撮像素子も製品化されている。
【０００６】
さらに、２画素で両側に読み出す全画素ＣＣＤの一例として、図４７に示した構成がある。この構成は、１画素あたり２本の垂直ＣＣＤを持つ構造であり、例えば、垂直方向に配列されたフォトダイオード１６２１、１６２３、…の両側に垂直ＣＣＤ１６４１、１６４２が形成され、水平方向に隣接して、垂直方向に配列されたフォトダイオード１６２２、１６２４、…の両側に垂直ＣＣＤ１６４３、１６４４が形成されている。さらに、フォトダイオード１６２１、垂直ＣＣＤ１６４２間にチャネルストップ領域１６３１が形成され、フォトダイオード１６２３、垂直ＣＣＤ１６４１間にチャネルストップ領域１６３３が形成されている。同様に、フォトダイオード１６２２、垂直ＣＣＤ１６４３間にチャネルストップ領域１６３２が形成され、フォトダイオード１６２４、垂直ＣＣＤ１６４４間にチャネルストップ領域１６３４が形成されている。さらに、画素間における垂直ＣＣＤ間には、チャネルストップ１６５１が形成されている。この固体撮像素子１６０１は、フォトダイオード１６２１、１６２４に蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ１６１１、１６４３に読み出し、フォトダイオード１６２２、１６２３に蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ１６１４、１６４２に読み出す方式がある。
【０００７】
しかしながら、両構造ともに１画素あたりの蓄積時間が異なる信号電荷を出力することができる構造とはなっていない。
【０００８】
また、複数のフォトダイオードを用いて、露光時間が異なる信号電荷を得る例（例えば、特許文献１、２、３を参照）が開示されている。しかしながら、これらは、長時間蓄積信号と短時間蓄積信号の配列が、垂直方向もしくは水平方向の２画素以上にまたがっているため、解像度が低下する。
【０００９】
上記ＣＣＤ型固体撮像素子はデジタルスチルカメラ用の撮像素子として多く使われており、多くはインターライン・トランスファー型（いわゆるＩＴ型）ＣＣＤである。ＩＴ型ＣＣＤにはインターレース走査型とノンインターレース（全画素読み出し）走査型がある。インターレース走査型では、２回以上にわけて全部の画素情報を読み出すことで、垂直ＣＣＤのダイナミックレンジによる制限を回避できるなどの利点がある。しかし数回に分けて読み出すゆえにＱｓの熱的流出の問題やフィールド間の暗電流差の問題などがある。
【００１０】
また、多くのカラー用固体撮像素子のフォトダイオードは、１つの画素に単層で形成されており、入射する光の波長領域に応じて独立して信号電荷を蓄積することは行っていない。
【００１１】
一方、複数層からなるフォトダイオードを有するＣＣＤ撮像素子の提案もなされている（例えば、特許文献４を参照）。しかしながら、表面に形成されたゲート電極で積層した埋め込みＣＣＤで転送することは極めて難しいという問題がある。また複数層からなるフォトダイオードを有するＣＣＤ型固体撮像装置の別の提案がなされている（例えば、特許文献５、６を参照）。しかしながら、ノンインターレースで出力することができないという欠点があった。上記以外にも複数層からなるフォトダイオードを持つＣＣＤ型の固体撮像素子があり、この固体撮像素子は同一ゲートで信号を混合して読み出すものである（例えば、特許文献７を参照）。しかしながら、上記同様に、複数層からなるフォトダイオードの信号をノンインターレースで出力するＣＣＤ型の固体撮像素子ではない。
【００１２】
またＭＯＳ型撮像素子における複数層からなるフォトダイオードを有する撮像素子の応用例の提案がなされている（例えば、特許文献８を参照）。しかしながら、信号の同時刻性を持たせるということは困難であった。
【００１３】
【特許文献１】特開平５−１４１２２９号公報
【特許文献２】特開平８−３３１４６１号公報
【特許文献３】特開平９−２５２１０７号公報
【特許文献４】米国特許第４６１３８９５号明細書
【特許文献５】特開２００４−２７３９５1号公報
【特許文献６】特開２００４−２７３９５２号公報
【特許文献７】特願平３−３２６９号公報
【特許文献８】特開２００３−２９８０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ノンインターレース（全画素読み出し）で出力するＣＣＤ型の固体撮像素子において、広いダイナミックレンジを得ようとしたり、同一画素領域より複数の色信号を取り出そうとすることで、動解像度や色解像度等の解像度が低下するという点である。
【００１５】
本発明は、全画素読み出しのＣＣＤ型の固体撮像素子において、広いダイナミックレンジを得る構造であっても、同一画素より複数の色信号を取り出せる構造であっても、解像度の向上が得られることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１に係る発明の固体撮像素子は、複数の画素を配列した画素列が複数列に配列されていて、前記画素が１画素当たり２本の垂直電荷結合素子を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の固体撮像素子では、画素が１画素当たり２本の垂直電荷結合素子を有することから、画素より左右両側の垂直電荷結合素子へ露光時間の異なる信号電荷が独立に読み出され、垂直方向（上下）の画素の信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となる。さらに、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号がノンインターレースで出力される。
【００１８】
請求項１１に係る発明の固体撮像素子の駆動方法は、複数の画素を配列した画素列が複数列に配列されていて、前記画素が１画素当たり２本の垂直電荷結合素子を有する固体撮像素子の駆動方法であって、１フィールド期間に第１読み出しと第２読み出しの２回の読み出しを行い、第１読み出しは一方側の垂直電荷結合素子へ信号電荷を読み出し、第２読み出しは他方側の垂直電荷結合素子へ信号電荷を読み出すことを特徴とする。
【００１９】
本発明の固体撮像素子の駆動方法では、１フィールド期間に第１読み出しと第２読み出しの２回の読み出しを行い、第１読み出しは一方側の垂直電荷結合素子へ信号電荷を読み出し、第２読み出しは他方側の垂直電荷結合素子へ信号電荷を読み出すことから、画素より左右両側の垂直電荷結合素子へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）の画素の信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能とる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力される。
【００２０】
請求項１８に係る発明の撮像装置は、複数の画素を配列した画素列が複数列に配列されていて、前記画素が１画素当たり２本の垂直電荷結合素子を有する固体撮像素子を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の撮像装置では、本発明の固体撮像素子を備えたことから、画素より左右両側の垂直電荷結合素子へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）の画素の信号電荷を混合させずに垂直転送される。これにより、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となる。また、１画素あたり、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号とが全画素読み出し（ノンインターレース）で出力される。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に係る発明の固体撮像素子によれば、画素の左右両側の垂直電荷結合素子へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことができ、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となるので、ダイナミックレンジが大きく取れるとともに、１画素あたりで１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力することができるので、高い動解像度が得られるという利点がある。
【００２３】
請求項１１に係る発明の固体撮像素子の駆動方法によれば、画素の左右両側の垂直電荷結合素子へ１フィールド期間に露光時間の異なる第１読み出しと第２読み出しの２回の読み出しを行うことができ、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となるにで、ダイナミックレンジが大きく取れるとともに、１画素あたりで１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力することができるので、高い動解像度が得られるという利点がある。
【００２４】
請求項１８に係る発明の撮像装置は、本発明の固体撮像素子を備えたことから、ダイナミックレンジが大きく取れ、高い動解像度が得られる撮像装置を提供できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
請求項１に係る発明（固体撮像素子）の一実施例（第１実施例）を、図１の平面レイアウト図および図２の図１中に示したＡ−Ａ’線における概略構成断面図によって説明する。図１および図２では、３層駆動の固体撮像装置に一例を示す。
【００２６】
図１および図２に示すように、第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）１１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域１１２が形成されている。
【００２７】
上記ウエル領域１１２の表面側には、固体撮像素子１０１に入射した光を光電変換する複数のフォトダイオード（画素）１２１からなるフォトダイオード列（画素列）、同様に複数のフォトダイオード（画素）１２２からなるフォトダイオード列（画素列）が複数列に形成されている。これらのフォトダイオード列を形成するフォトダイオード１２１、１２２等は、Ｎ型領域からなり、各表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層１２３、１２４が形成されている。
【００２８】
上記フォトダイオード１２１の一方側（図面左側）には読み出し部１３１を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）１４１が形成されている。上記フォトダイオード１２１の他方側（図面右側）には読み出し部１３２を介して垂直ＣＣＤ１４２が形成されている。同様に、上記フォトダイオード１２１に水平方向に隣接するフォトダイオード１２２の一方側（図面左側）には読み出し部１３３を介して垂直ＣＣＤ１４３が形成されている。上記フォトダイオード１２２の他方側（図面右側）には読み出し部１３４を介して垂直ＣＣＤ１４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ１４１〜１４４はＮ型領域からなる。
【００２９】
上記垂直ＣＣＤ１４２、垂直ＣＣＤ１４３間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域１５１（１５１Ｂ）が形成されている。同様に、チャネルストップ領域１５１（１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ等）は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【００３０】
上記チャネルストップ領域１５１Ａを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ１４１、（他方は図示せず）および上記読み出し部１３１、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ａが形成されている。また、上記チャネルストップ領域１５１Ｂを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ１４２、１４３および上記読み出し部１３２、１３３上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ｂが形成されている。同様に、上記チャネルストップ領域１５１Ｃを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ１４４、（他方は図示せず）および上記読み出し部１３４、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して別の電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ａが形成されている。
【００３１】
また、水平方向には各画素列（フォトダイオード列）の各画素間（フォトダイオード間）を通るように、電極φＶ１が形成され、この電極φＶ１上に絶縁膜（図示せず）を介して電極φＶ２が形成さている。この電極φＶ２は、フォトダイオード間において一方向（図面上方向）に張り出して形成されている。そして、上記電極φＶ３Ａ、φＶ３Ｂが上記電極φＶ１、φＶ２上を直交するように絶縁膜（図示せず）を介して形成されている。
【００３２】
図示はしないが、半導体基板１１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード１２１、１２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【００３３】
上記構成の固体撮像素子１０１では、フォトダイオード１２１（１２２）が１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ１４１、１４２（１４３、１４４）を有することから、フォトダイオード１２１（１２２）より左右両側の垂直ＣＣＤ１４１、１４２（１４３、１４４）へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となり、ダイナミックレンジが大きく取れる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力するため動解像度が低下しない。
【００３４】
次に、請求項１２に係る発明（固体撮像素子の駆動方法）の一実施例を以下に説明する。ここでは、上記固体撮像素子１０１の駆動方法について説明する。
【００３５】
図１に示したように、上記固体撮像素子１０１では、垂直ブランキング期間で先ず、フォトダイオードで蓄積された信号電荷（例えば、長時間露光で蓄積した信号電荷）を電極φＶ３Ａで、垂直ＣＣＤ１４１に読み出す。すなわち、フォトダイオード１２１で蓄積された信号電荷は、図面左側の垂直ＣＣＤ１４１に、フォトダイオード１２２で蓄積された信号電荷は、図面右側の垂直ＣＣＤ１４４に読み出される。そして、所定の露光時間が経過した後、今度は、φＶ３Ｂの電極で、垂直ＣＣＤ１４２、１４３に信号電荷（例えば、短時間露光で蓄積した信号電荷）を読み出す。すなわち、フォトダイオード１２１で蓄積された信号電荷は右側の垂直ＣＣＤ１４２に、フォトダイオード１２２で蓄積された信号電荷は垂直ＣＣＤ１４３に読み出される。
【００３６】
そして、上記固体撮像装置１の垂直転送の駆動タイミング示した図３のタイミングチャートに示すように、例えば３相駆動方式により、各垂直ＣＣＤ１４１〜１４４に読み出された信号電荷は上下画素の信号を混合することなく、水平ＣＣＤ（図示せず）へ転送される。垂直ＣＣＤ１４１と垂直ＣＣＤ１４４の信号電荷は電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａで、垂直ＣＣＤ１４２と垂直ＣＣＤ１４３の信号電荷は電荷φＶ１、φＶ２、φＶ３Ｂで垂直転送される。
【００３７】
上記固体撮像素子の駆動方法では、１フィールド期間に第１読み出しと第２読み出しの２回の読み出しを行い、例えば第１読み出しは垂直ＣＣＤ１４１、１４４へ信号電荷を読み出し、第２読み出しは他方側の垂直ＣＣＤ１４２、１４３へ信号電荷を読み出すことから、フォトダイオード１２１より左右両側の垂直ＣＣＤ１４１、１４２およびフォトダイオード１２２より左右両側の垂直ＣＣＤ１４３、１４４へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。これにより、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となるので、ダイナミックレンジを広く取ることができる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力されることによって、高い動解像度が得られるという利点がある。
【００３８】
次に、請求項３に係る発明（固体撮像素子）の一実施例（第２実施例）を、図４の概略構成断面図によって説明する。この固体撮像素子は、カラー画像を取り込むＣＣＤ型の固体撮像素子に関するものであり、複数層からなるフォトダイオードを有し、同時刻の異なる信号が得られるものである。
【００３９】
図４に示すように、第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）２１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域２１２が形成されている。
【００４０】
また、上記ウエル領域２１２の表面側には、１画素当たり、基板深さ方向の浅いところで固体撮像素子２０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるフォトダイオード（画素）２２１と、基板深さ方向の深いところで固体撮像素子２０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるフォトダイオード（画素）２２２とが、Ｐ型領域２７１を介して積層された状態で形成されている。上記フォトダイオード２２２の一部は信号電荷を読み出すためにフォトダイオード２２１の一方側に延長形成されている。これらのフォトダイオード２２１、２２２は、Ｎ型領域からなり、各フォトダイオード２２１、２２２の表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層２２３、２２４が形成されている。そして垂直方向、水平方向に隣接する画素も上記同様な構成のフォトダイオード２２１、２２２、ホール蓄積層２２３、２２４が形成されている。
【００４１】
水平方向における画素間には、信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域２５１が形成されている。このチャネルストップ領域２５１（２５１Ａ）、２５１（２５１Ｂ）間には、フォトダイオード２２１の一方側（図面左側）には読み出し部２３１を介して垂直ＣＣＤ２４１が形成されていて、上記フォトダイオード２２２の他方側（図面右側）には読み出し部２３２を介して垂直ＣＣＤ２４２が形成されている。上記垂直ＣＣＤ２４１、２４２はＮ型領域からなる。同様に、チャネルストップ領域は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【００４２】
上記チャネルストップ領域２５１Ａを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ２４１、（他方は図示せず）および上記読み出し部２３１、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３が形成されている。また、上記チャネルストップ領域２５１Ｂを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ２４１、２４２および上記読み出し部２３２、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して別の電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３が形成されている。
【００４３】
図示はしないが、水平方向には垂直方向の画素列（フォトダイオード列）の各画素間（フォトダイオード間）を通るように、電極φＶ１が形成され、この電極φＶ１上に絶縁膜（図示せず）を介して電極φＶ２が形成さている。この電極φＶ２は、フォトダイオード間において一方向（図面上方向）に張り出して形成されている。そして、上記電極φＶ３Ａ、φＶ３Ｂが上記電極φＶ１、φＶ２上を直交するように絶縁膜（図示せず）を介して形成されている。
【００４４】
さらに、半導体基板２１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード２２１、２２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【００４５】
次に、上記固体撮像素子２０１の駆動方法を説明する。図５に示すように、上記固体撮像素子２０１では、１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ２４１、２４２を有することから、フォトダイオード２２１、２２２に蓄積された信号電荷は、転送電極と読み出し電極とを兼ねた電極φＶ３等に正の電圧を加えることにより、フォトダイオード２２１より左側の垂直ＣＣＤ２４１へ、また同時に、フォトダイオード２２２より右側の垂直ＣＣＤ２４２へ、それぞれ信号電荷を独立に読み出すことが可能となる。垂直ＣＣＤ２４１、２４２に読み出された信号電荷は、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷と混合しないように、通常の片側読み出しを行うノンインターレース走査の固体撮像素子と同様に垂直ＣＣＤより水平ＣＣＤに転送される。しかも、基板深さ方向で深さの異なる位置にフォトダイオード２２１、２２２が形成されていることから、フォトダイオード領域に入射した光は、その光の波長に応じた光吸収係数により、長波長の光は下層のフォトダイオード２２２で光電変換された信号電荷を蓄積し、短波長の光は上層のフォトダイオード２２１で光電変換された信号電荷を蓄積することにより、色分離が行える。ここでいう短波長とは例えば青色もしくは緑色の光等であり、長波長とは短波長より長い波長の光であり、例えば緑色もしくは赤色の光である。このようにフォトダイオード２２１、２２２によって色分離ができるので、フォトダイオード上にカラーフィルターを形成する必要がない。
【００４６】
次に、前記固体撮像素子２０１を応用した固体撮像素子の一実施例（第３実施例）を、図６の概略構成断面図によって説明する。この固体撮像素子は、カラー画像を取り込むＣＣＤ型の固体撮像素子に関するものであり、複数層からなるフォトダイオードを有し、同時刻の異なる信号が得られるものである。
【００４７】
図６に示すように、第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）３１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域３１２が形成されている。
【００４８】
また、上記ウエル領域３１２の表面側には、１画素当たり、基板深さ方向の浅いところの領域ｄ１で固体撮像素子３０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるフォトダイオード（画素）３２１と、基板深さ方向の深いところの領域ｄ２で固体撮像素子３０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるフォトダイオード（画素）３２２とが、Ｐ型領域３７１を介して積層された状態で形成されている。上記フォトダイオード３２２の一部は信号電荷を読み出すためにフォトダイオード３２１の一方側に延長形成されている。これらのフォトダイオード３２１、３２２は、Ｎ型領域からなり、各フォトダイオード３２１、３２２の表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層３２５、３２６が形成されている。このように画素Ａの上記フォトダイオード３２１、３２２の構成は前記図４によって説明したフォトダイオード２２１、２２２の構成と同様である。
【００４９】
そして画素Ａに隣接する画素Ｂにも基板方向における深さが異なるだけで上記同様な構成のフォトダイオード３２３、３２４、ホール蓄積層３２７、３２８、Ｐ型領域３７２が形成されている。このフォトダイオード３２３は基板深さ方向の最も浅いところの領域ｄ３で固体撮像素子３０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるものであり、フォトダイオード３２４は基板深さ方向の深いところの領域ｄ４で固体撮像素子３０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるものである。したがって、上記フォトダイオード３２３、３２４の構成は、前記図４によって説明したフォトダイオード２２１、２２２の構成において、フォトダイオード３２３の深さを浅くしたものである。
【００５０】
上記のように、フォトダイオード３２１、３２２、３２３、３２４を異なる深さに形成したことにより、例えば、深さｄ１に形成したフォトダイオード３２１で緑色（Ｇ）の波長領域の光、フォトダイオード３２２、３２４で赤色（Ｒ）の波長領域の光、フォトダイオード３２３で青色（Ｂ）の波長領域の光が光電変換されることで、３色の独立した色信号を得られるようになる。
【００５１】
水平方向における画素間には、信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域３５１が垂直方向に形成されている。このチャネルストップ領域３５１（３５１Ａ）、３５１（３５１Ｂ）間には、フォトダイオード３２１の一方側（図面左側）には読み出し部３３１を介して垂直ＣＣＤ３４１が形成されていて、上記フォトダイオード３２２の他方側（図面右側）には読み出し部３３２を介して垂直ＣＣＤ３４２が形成されている。同様に、チャネルストップ領域３５１（３５１Ｂ）、３５１（３５１Ｃ）間には、フォトダイオード３２３の一方側（図面左側）には読み出し部３３３を介して垂直ＣＣＤ３４３が形成されていて、上記フォトダイオード３２４の他方側（図面右側）には読み出し部３３４を介して垂直ＣＣＤ３４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ３４１〜３４４はＮ型領域からなる。
【００５２】
上記チャネルストップ領域３５１Ａを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ３４１、（他方は図示せず）および上記読み出し部３３１、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ａが形成されている。また、上記チャネルストップ領域３５１Ｂを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ２４２、２４３および上記読み出し部２３２、２３３上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ｂが形成されている。さらに、上記垂直ＣＣＤ３４４、（他方は図示せず）および上記読み出し部３３４、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して別の電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ａが形成されている。
【００５３】
上記固体撮像素子３０１では、色を再現するのは、最低３つの独立の色信号が必要となるため、画素Ａおよび画素Ｂの２種類の画素で素子を形成することにより、少なくとも３つの独立な色信号を得ることができる。また、カラーフィルターを形成する構成と比べ、カラーフィルターでの感度損失がなくなるので、入射光を無駄なく利用することができるため、感度向上が得られる。さらに、一つの画素から１色の色信号を取り出すカラーフィルター方式に比べて、２次元的には同一領域から複数の色信号を取り出すことができるため、色解像度が向上する。すなわち、画素の両側に設けられた電荷結合素子へ、複数層に形成された各フォトダイオードから同時刻に色信号を取り出すことができるので、色解像度の向上が図れる。
【００５４】
また、上記固体撮像素子３０１において、前記図１によって説明した駆動方式と同様に３相駆動方式で読み出す場合には、水平方向には垂直方向の画素列（フォトダイオード列）の各画素間（フォトダイオード間）を通るように、電極φＶ１が形成され、この電極φＶ１上に絶縁膜（図示せず）を介して電極φＶ２が形成されている。この電極φＶ２は、フォトダイオード間において一方向（図面上方向）に張り出して形成されている。そして、上記電極φＶ３Ａ、φＶ３Ｂが上記電極φＶ１、φＶ２上を直交するように絶縁膜（図示せず）を介して形成されている。さらに、図示はしていないが、半導体基板３１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード３２１、３２２上およびフォトダイオード３２３、３２４上の遮光膜に開口部が形成されている。
【００５５】
上記のように電極が配置されている場合には、垂直ブランキング期間で先ず、電極φＶ３Ａで、フォトダイオード３２１で蓄積された信号電荷を、図面左側の垂直ＣＣＤ３４１に読み出すとともに、電極φＶ３Ｂで、フォトダイオード３２２で蓄積された信号電荷を、図面右側の垂直ＣＣＤ３４２に読み出す。同時に、同電極φＶ３Ｂで、フォトダイオード３２３で蓄積された信号電荷を、図面左側の垂直ＣＣＤ３４３に読み出すとともに、電極φＶ３Ａで、フォトダイオード３２４で蓄積された信号電荷を、図面右側の垂直ＣＣＤ３４４に読み出す。
【００５６】
そして３相駆動方式により、各垂直ＣＣＤ３４１〜３４４に読み出された各信号電荷は上下画素の信号を混合することなく、水平ＣＣＤ（図示せず）へ転送される。垂直ＣＣＤ３４１と垂直ＣＣＤ３４４の信号電荷は電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａで、垂直ＣＣＤ３４２と垂直ＣＣＤ３４３の信号電荷は電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ｂで垂直転送される。したがって、各垂直ＣＣＤ３４１〜３４４に読み出された各信号電荷は独立に水平ＣＣＤに転送されるので、少なくとも３つの独立な色信号を得ることができる。
【００５７】
また、上記固体撮像素子３０１の垂直方向への電荷転送を行う電極構成の別の一例を、図７の平面レイアウト図によって説明する。
【００５８】
図７に示すように、上記固体撮像素子３０１では、１画素あたり、電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３の三つの電極がチャネルストップ領域３５１Ａを挟んで形成されている垂直ＣＣＤ３４１、（３４４）および各垂直ＣＣＤ３４１、（３４４）のフォトダイオード３２１、（図示せず）側に形成される読み出し領域（図示せず）上に設けられている。同様にチャネルストップ領域３５１Ｂを挟んで形成されている垂直ＣＣＤ３４２、３４３および各垂直ＣＣＤ３４２、３４３のフォトダイオード３２１、３２２側に形成される読み出し領域（図示せず）上に電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３の３つの電極が形成されている。このように配置された電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３の三つの電極は水平方向および垂直方向における各画素について設けられている。
【００５９】
上記電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３の構成について、図８の図７中に示したＢ−Ｂ’線における概略構成断面図によって説明する。
【００６０】
図８に示すように、半導体基板３１１に形成された垂直ＣＣＤ３４１（〜３４４）上には、絶縁膜（図示せず）介して電極φＶ１が形成されている。この電極φＶ１上に絶縁膜（図示せず）を介してオーバラップするように電極φＶ２が形成されている。この電極φＶ２の一部は電極φＶ１の一方側の半導体基板３１１上に絶縁膜（図示せず）を介して形成されている。さらに、この電極φＶ１上に形成されている上記電極φＶ２上に絶縁膜（図示せず）を介してオーバラップするように電極φＶ３が形成されている。この電極φＶ３の一部は電極φＶ１の他方側の半導体基板３１１上に絶縁膜（図示せず）を介して形成され、さらに隣接する電極φＶ２上の一部上にオーバラップするように形成されている。したがって、半導体基板３１１の垂直ＣＣＤ３４１、３４４上および垂直ＣＣＤ３４２、３４３上においては、電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３の順に繰り返す状態で電極が配置されるようになっている。
【００６１】
そして、各電極φＶ１、φＶ２、φＶ３に電圧を印加にできるよう、３本の電極φＶ１、φＶ２、φＶ３は、垂直方向に配列されたフォトダイオード間を通るように横方向（水平方向）に配線され、電極φＶ１、φＶ２、φＶ３の両端よりクロックバイアスを印加する。
【００６２】
そして、画素Ａのフォトダイオード３２１で蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ３４１に読み出し、垂直方向上下の画素の信号電荷と混合しないよう通常の片側読み出しの全画素ＣＣＤと同様に３つの電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３を用いることで３相駆動により、読み出した信号電荷を水平ＣＣＤへ転送するとともに、画素Ａのフォトダイオード３２２で蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ３４２に読み出し、垂直方向上下の画素の信号電荷と混合しないよう通常の片側読み出しの全画素ＣＣＤと同様に３つの電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３を用いることで３相駆動により、読み出した信号電荷を水平ＣＣＤへ転送する。同時に、画素Ｂのフォトダイオード３２３で蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ３４３に読み出し、垂直方向上下の画素の信号電荷と混合しないよう通常の片側読み出しの全画素ＣＣＤと同様に３つの電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３を用いることで３相駆動により、読み出した信号電荷を水平ＣＣＤへ転送するとともに、画素Ｂのフォトダイオード３２４で蓄積された信号電荷を垂直ＣＣＤ３４４に読み出し、垂直方向上下の画素の信号電荷と混合しないよう通常の片側読み出しの全画素ＣＣＤと同様に３つの電極φＶ１、電極φＶ２、電極φＶ３を用いることで３相駆動により、読み出した信号電荷を水平ＣＣＤへ転送する。
【００６３】
次に、前記第２実施例の一応用例（第４実施例）を、図９の概略構成断面図によって説明する。この固体撮像素子は、過剰な光量がフォトダイオードに入射したときにオーバフローした信号電荷をＮ型基板側に逃がすことができるようにしたもので、前記第２実施例の固体撮像素子において浅い位置に形成されたフォトダイオードの構成が異なるものである。
【００６４】
図９に示すように、第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）４１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域４１２が形成されている。
【００６５】
また、上記ウエル領域４１２の表面側には、１画素当たり、基板深さ方向の浅いところで固体撮像素子４０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるフォトダイオード（画素）４２１と、基板深さ方向の深いところで固体撮像素子４０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるフォトダイオード（画素）４２２とが、Ｐ型領域４７１を介して積層された状態で形成されている。上記フォトダイオード４２２の一部は信号電荷を読み出すためにフォトダイオード４２１の一方側に延長形成されている。上記フォトダイオード４２１の一部は、過剰な光量がフォトダイオードに入射したときのオーバフローした信号電荷をＮ型基板側に逃がすために、その底部の一部がウエル領域４１２に接合している。つまり、フォトダイオード４２１の下部に、フォトダイオード４２１と４２２との間に形成されているＰ型領域４７１によるバリアより低く、かつフォトダイオード４２２を経由することなくフォトダイオード４２１から直接半導体基板４１１に過剰電荷を逃がすことができる不純物プロファイルとなるように設計されている。
【００６６】
これらのフォトダイオード４２１、４２２は、Ｎ型領域からなり、各フォトダイオード４２１、４２２の表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層４２３、４２４が形成されている。そして垂直方向、水平方向に隣接する画素も上記同様な構成のフォトダイオード４２１、４２２、ホール蓄積層４２３、４２４、Ｐ型領域４７１が形成されている。
【００６７】
水平方向における画素間には、信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域４５１が形成されている。このチャネルストップ領域４５１（４５１Ａ）、４５１（４５１Ｂ）間には、フォトダイオード４２１の一方側（図面左側）には読み出し部４３１を介して垂直ＣＣＤ４４１が形成されていて、上記フォトダイオード４２２の他方側（図面右側）には読み出し部４３２を介して垂直ＣＣＤ４４２が形成されている。上記垂直ＣＣＤ４４１、４４２はＮ型領域からなる。同様に、チャネルストップ領域は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【００６８】
上記チャネルストップ領域４５１Ａを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ４４１、（他方は図示せず）および上記読み出し部４３１、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３が形成されている。また、上記チャネルストップ領域４５１Ｂを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ４４１、４４２および上記読み出し部４３２、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して別の電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３が形成されている。
【００６９】
また、図示はしないが、水平方向には垂直方向の画素列（フォトダイオード列）の各画素間（フォトダイオード間）を通るように、電極φＶ１が形成され、この電極φＶ１上に絶縁膜（図示せず）を介して電極φＶ２が形成さている。この電極φＶ２は、フォトダイオード間において一方向（図面上方向）に張り出して形成されている。そして、上記電極φＶ３Ａ、φＶ３Ｂが上記電極φＶ１、φＶ２上を直交するように絶縁膜（図示せず）を介して形成されている。
【００７０】
さらに、半導体基板４１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード４２１、４２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【００７１】
上記構成の固体撮像素子４０１では、過剰な光量がフォトダイオードに入射したときのオーバフローした信号電荷をＮ型基板側に逃がすために、フォトダイオード４２１の下に、オーバーフローバリアの高さが、フォトダイオード４２１と４２２の間のＰ型領域４７１によるバリアより低く、かつ、フォトダイオード４２１から過剰電荷をフォトダイオード４２２を経由することなく直接Ｎ型の半導体基板４１１に逃がすように、不純物プロファイルを設計することも可能である。
【００７２】
また、１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ４４１、４４２を有することから、フォトダイオード４２１、４２２に蓄積された信号電荷は、転送電極と読み出し電極とを兼ねた電極φＶ３等に正の電圧を加えることにより、フォトダイオード４２１より左側の垂直ＣＣＤ４４１へ、また同時に、フォトダイオード４２２より右側の垂直ＣＣＤ４４２へ、それぞれ信号電荷を独立に読み出すことが可能となる。垂直ＣＣＤ４４１、４４２に読み出された信号電荷は、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷と混合しないように、通常の片側読み出しを行うノンインターレース走査の固体撮像素子と同様に垂直ＣＣＤより水平ＣＣＤに転送される。しかも、基板深さ方向で深さの異なる位置にフォトダイオード４２１、４２２が形成されていることから、フォトダイオード領域に入射した光は、その光の波長に応じた光吸収係数により、長波長の光は下層のフォトダイオード４２２で光電変換された信号電荷を蓄積し、短波長の光は上層のフォトダイオード４２１で光電変換された信号電荷を蓄積することにより、前記第２実施例の固体撮像素子と同様に色分離が行える。ここでいう短波長とは例えば青色もしくは緑色の光等であり、長波長とは短波長より長い波長の光であり、例えば緑色もしくは赤色の光である。このようにフォトダイオード４２１、４２２によって色分離ができるので、フォトダイオード上にカラーフィルターを形成する必要がない。
【００７３】
次に、前記第３実施例の一変形例を、図１０の概略構成断面図によって説明する。この固体撮像素子は、前記第３実施例で説明した固体撮像素子において、深さの異なるフォトダイオードとカラーフィルターとを組み合わせた構成のものである。
【００７４】
図１０に示すように、第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）５１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域５１２が形成されている。
【００７５】
また、上記ウエル領域５１２の表面側には、１画素当たり、基板深さ方向の浅いところの領域ｄ１で固体撮像素子５０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるフォトダイオード（画素）５２１と、基板深さ方向の深いところの領域ｄ２で固体撮像素子５０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるフォトダイオード（画素）５２２とが、Ｐ型領域５７１を介して積層された状態で形成されている。上記フォトダイオード５２２の一部は信号電荷を読み出すためにフォトダイオード５２１の一方側に延長形成されている。これらのフォトダイオード５２１、５２２は、Ｎ型領域からなり、各フォトダイオード５２１、５２２の表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層５２５、５２６が形成されている。このように画素Ａの上記フォトダイオード５２１、５２２の構成は前記図４によって説明したフォトダイオード２２１、２２２の構成と同様である。
【００７６】
そして画素Ａに隣接する画素Ｂにも基板方向における深さが異なるだけで上記同様な構成のフォトダイオード５２３、３２４、ホール蓄積層５２７、５２８、Ｐ型領域５７２が形成されている。このフォトダイオード５２３は基板深さ方向の最も浅いところの領域ｄ３で固体撮像素子５０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるものであり、フォトダイオード５２４は基板深さ方向の深いところの領域ｄ４で固体撮像素子５０１に入射した光を光電変換して電荷蓄積ができるものである。したがって、上記フォトダイオード５２３、５２４の構成は、前記図４によって説明したフォトダイオード２２１、２２２の構成において、フォトダイオード５２３の深さを浅くしたものである。
【００７７】
上記のように、フォトダイオード５２１、５２２、５２３、５２４を異なる深さ（ただしｄ２＝ｄ４）に形成したことにより、例えば、深さｄ１に形成したフォトダイオード５２１で緑色（Ｇ）の波長領域の光、深さｄ２、ｄ４に形成したフォトダイオード５２２、５２４で赤色（Ｒ）の波長領域の光、深さｄ３に形成したフォトダイオード５２３で青色（Ｂ）の波長領域の光が光電変換されることで、３色の独立した色信号を得られるようになる。
【００７８】
水平方向における画素間には、信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域５５１が垂直方向に形成されている。このチャネルストップ領域５５１（５５１Ａ）、５５１（５５１Ｂ）間には、フォトダイオード５２１の一方側（図面左側）には読み出し部５３１を介して垂直ＣＣＤ５４１が形成されていて、上記フォトダイオード５２２の他方側（図面右側）には読み出し部５３２を介して垂直ＣＣＤ５４２が形成されている。同様に、チャネルストップ領域５５１（５５１Ｂ）、５５１（５５１Ｃ）間には、フォトダイオード５２３の一方側（図面左側）には読み出し部５３３を介して垂直ＣＣＤ５４３が形成されていて、上記フォトダイオード５２４の他方側（図面右側）には読み出し部５３４を介して垂直ＣＣＤ５４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ５４１〜５４４はＮ型領域からなる。
【００７９】
上記チャネルストップ領域５５１Ａを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ５４１、（他方は図示せず）および上記読み出し部５３１、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ａが形成されている。また、上記チャネルストップ領域５５１Ｂを挟んだ、上記垂直ＣＣＤ５４２、５４３および上記読み出し部５３２、５３３上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ｂが形成されている。さらに、上記垂直ＣＣＤ５４４、（他方は図示せず）および上記読み出し部５３４、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して別の電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ａが形成されている。
【００８０】
また、上記固体撮像素子５０１において、前記図１によって説明した駆動方式と同様に３相駆動方式で読み出す場合には、水平方向には垂直方向の画素列（フォトダイオード列）の各画素間（フォトダイオード間）を通るように、電極φＶ１が形成され、この電極φＶ１上に絶縁膜（図示せず）を介して電極φＶ２が形成されている。この電極φＶ２は、フォトダイオード間において一方向（図面上方向）に張り出して形成されている。そして、上記電極φＶ３Ａ、φＶ３Ｂが上記電極φＶ１、φＶ２上を直交するように絶縁膜（図示せず）を介して形成されている。さらに、図示はしていないが、半導体基板５１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード５２１、５２２上およびフォトダイオード５２３、５２４上の遮光膜に開口部が形成されている。さらに、透明絶縁膜（図示せず）を介して、上記開口部上にはカラーフィルター５８１、５８２が形成されている。
【００８１】
上記固体撮像素子５０１では、３色を再現するために必要な最低３つの独立の色信号を、画素Ａおよび画素Ｂの２種類の画素で素子を形成することにより得ることができる。
【００８２】
さらに、上記固体撮像素子５０１では、色分離性がよくなる。また、画質的には色再現性が良くなる。
【００８３】
請求項４に係る発明（固体撮像素子）の一実施例（第５実施例）を、図１１の平面レイアウト図および図１２の図１１中に示したＣ−Ｃ’線における概略構成断面図によって説明する。
【００８４】
図１１および図１２に示すように、第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）６１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域６１２が形成されている。
【００８５】
また、上記ウエル領域６１２の表面側には、固体撮像素子６０１に入射した光を光電変換するフォトダイオード（画素）６２１、６２２が形成されている。このフォトダイオード６２１、６２２は、Ｎ型領域からなり、その表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層６２３、６２４が形成されている。
【００８６】
上記フォトダイオード６２１の一方側（図面左側）には読み出し部６３１を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）６４１が形成されている。さらに、上記フォトダイオード６２１の他方側（図面右側）には読み出し部６３２を介して垂直ＣＣＤ６４２が形成されている。同様に、上記フォトダイオード１２１に水平方向に隣接するフォトダイオード６２２の一方側（図面左側）には読み出し部６３３を介して垂直ＣＣＤ６４３が形成されている。さらに、上記フォトダイオード６２２の他方側（図面右側）には読み出し部６３４を介して垂直ＣＣＤ６４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ６４１〜６４４はＮ型領域からなる。
【００８７】
上記垂直ＣＣＤ６４２、垂直ＣＣＤ６４３の間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域６５１、６５２、６５３が形成されている。同様に、チャネルストップ領域は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【００８８】
上記チャネルストップ領域６５１を挟んだ、上記垂直ＣＣＤ６４１、（他方は図示せず）および上記読み出し部６３１、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ａが形成されている。また、上記チャネルストップ領域６５２を挟んだ、上記垂直ＣＣＤ６４２、６４３および上記読み出し部６３２、６３３上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ｂが形成されている。同様に、上記チャネルストップ領域６５３を挟んだ、上記垂直ＣＣＤ６４４、（他方は図示せず）および上記読み出し部６３４、（他方は図示せず）上には、絶縁膜（図示せず）を介して電極（転送電極と読み出し電極）φＶ３Ａが形成されている。
【００８９】
また、水平方向には垂直方向の画素列（フォトダイオード列）の各画素間（フォトダイオード間）を通るように、電極φＶ１が形成され、この電極φＶ１上に絶縁膜（図示せず）を介して電極φＶ２が形成さている。この電極φＶ２は、フォトダイオード間において上記電極φＶ１に対して異なる側に交互（図面上方向と下方向に交互）に張り出して形成されている。そして、上記電極φＶ３Ａ、φＶ３Ｂが上記電極φＶ１、φＶ２上を直交するように絶縁膜（図示せず）を介して形成されている。
【００９０】
さらに図示はしないが、半導体基板６１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード６２１、６２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【００９１】
上記構成の固体撮像素子６０１では、フォトダイオード６２１（６２２）が１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ６４１、６４２（６４３、６４４）を有することから、フォトダイオード６２１（６２２）より左右両側の垂直ＣＣＤ６４１、６４２（６４３、６４４）へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となり、ダイナミックレンジが大きく取れる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力するため動解像度が低下しない。
【００９２】
例えば、長時間信号電荷を電極φＶ３Ａで、短時間信号電荷を電極φＶ３Ｂで読み出した後、垂直ＣＣＤ６２１、６２４では電極φＶ２から電極φＶ１、電極φＶ３Ａと転送することにより、また垂直ＣＣＤ６２２、６２３では電極φＶ３ＢからφＶ２と転送することにより、垂直ＣＣＤ６２１、６２４は図面下方へ、垂直ＣＣＤ６２２、６２３は図面上方へ、すなわち、垂直ＣＣＤ６２１、６２４と垂直ＣＣＤ６２２、６２３とでは信号電荷が逆方向に垂直転送される。
【００９３】
また、図１３に示すように、固体撮像素子６０１の垂直ＣＣＤ６４１〜６４４の両端（図面上下）に水平ＣＣＤ６９１、６９２を配置した構成を採用することができる。フォトダイオード６２１に蓄積された第１信号電荷は垂直ＣＣＤ６４１に読み出され（第１読み出し）、フォトダイオード６２１に蓄積された第２信号電荷は垂直ＣＣＤ６４２に読み出される（第２読み出し）。同様に、フォトダイオード６２２に蓄積された第１信号電荷は垂直ＣＣＤ６４３に読み出され（第１読み出し）、フォトダイオード６２２に蓄積された第２信号電荷は垂直ＣＣＤ６４４に読み出される（第２読み出し）。そして、垂直ＣＣＤ６４１、６４３に読み出された第１信号電荷は水平ＣＣＤ６９１に転送され、垂直ＣＣＤ６４２、６４４に読み出された第２信号電荷は水平ＣＣＤ６９２に転送される。水平ＣＣＤ６９１、６９２に転送された各信号電荷を図面の左右どちらかに（図１３の場合には左側に）水平転送する。このように、信号電荷を転送することにより、水平ＣＣＤが１本であった構成と比べ、転送密度が半分となるので、デザインルールの緩和が見込める。
【００９４】
また、同じ水平駆動周波数で駆動した場合には、水平ＣＣＤが１本のときに比べ、フレームレートの向上が可能となる。
【００９５】
上記各固体撮像素子では、電極構造として３相駆動の他に３層電極で４相駆動の構造を採用することもできる。また、水平ＣＣＤに転送された電荷は、水平ＣＣＤにより出力部へ転送して信号を得る。
【００９６】
次に、請求項５に係る発明（固体撮像素子）の一実施例（第７実施例）を、図１４の平面レイアウト図、図１５の図１４中に示したＡ−Ａ’線における電極および配線の概略構成断面図および図１６の図１４中に示したＢ−Ｂ’線における電極および配線の概略構成断面図によって説明する。図１４〜図１６では、３層駆動の固体撮像素子に一例を示し、以下、図１４〜図１６を参照して説明する。
【００９７】
第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）７１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域（図示せず）が形成されている。
【００９８】
上記ウエル領域の表面側には、固体撮像素子７０１に入射した光を光電変換する複数のフォトダイオード（画素）７２１からなるフォトダイオード列（画素列）、同様に複数のフォトダイオード（画素）７２２からなるフォトダイオード列（画素列）が複数列に形成されている。これらのフォトダイオード列を形成するフォトダイオード７２１、７２２等は、Ｎ型領域からなり、各表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層（図示せず）が形成されている。
【００９９】
上記フォトダイオード１２１の一方側（図面左側）には読み出し部７３１を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）７４１が形成されている。上記フォトダイオード７２１の他方側（図面右側）には読み出し部７３２を介して垂直ＣＣＤ７４２が形成されている。同様に、上記フォトダイオード７２１に水平方向に隣接するフォトダイオード７２２の一方側（図面左側）には読み出し部７３３を介して垂直ＣＣＤ７４３が形成されている。上記フォトダイオード７２２の他方側（図面右側）には読み出し部７３４を介して垂直ＣＣＤ７４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ７４１〜７４４はＮ型領域からなる。
【０１００】
上記垂直ＣＣＤ７４２、垂直ＣＣＤ７４３間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域７５１（７５１Ｂ）が形成されている。同様に、チャネルストップ領域７５１（７５１Ａ、７５１Ｂ、７５１Ｃ等）は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【０１０１】
上記画素列間の領域、すなわち、垂直ＣＣＤ７４１、７４４および垂直ＣＣＤ７４２、７４３上で且つ垂直方向に第１電極（転送電極と読み出し電極）７６１、第２電極（転送電極と読み出し電極）７６２および第３電極（転送電極と読み出し電極）７６３が順に繰り返し形成されている。上記第２電極７６２は水平方向に配設した第２配線φＶ２からなり、この第２配線φＶ２は垂直方向における画素間に水平方向に配設されている。また、上記第２配線φＶ２上には、絶縁膜（図示せず）を介して、上記画素列間の領域上の上記第１電極７６１側に張り出して第１電極７６１に接続する第１配線φＶ１が形成されている。さらに、上記第１画素列間の領域上で上記第１配線φＶ１および上記第２配線φＶ２上を交差するもので上記第３電極７６３に接続する第３配線φＶ３Ａ、φＶ３Ｂが交互にかつ上記画素間の領域に垂直方向に形成されている。
【０１０２】
また、上記半導体基板７１１と第１〜第３電極７６１〜７６３との間、第１〜第３電極７６１〜７６３と第１配線φＶ１との間、第１配線φＶ１と第３配線φＶ３Ａ、φＶ３Ｂとの間には、それぞれ絶縁膜７７１、７７２、７７３が形成されている。さらに、図示はしないが、半導体基板７１１上に上記第１配線φＶ１、第２配線φＶ２、第３配線φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード７２１、７２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【０１０３】
上記構成の固体撮像素子７０１では、フォトダイオード７２１（７２２）が１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ７４１、７４２（７４３、７４４）を有することから、フォトダイオード７２１（７２２）より左右両側の垂直ＣＣＤ７４１、７４２（７４３、７４４）へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となり、ダイナミックレンジが大きく取れる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力するため動解像度が低下しない。
【０１０４】
次に、請求項６に係る発明（固体撮像素子）の一実施例（第８実施例）を、図１７の平面レイアウト図、図１８の図１７中に示したＡ−Ａ’線における電極および配線の概略構成断面図および図１９の図１７中に示したＢ−Ｂ’線における電極および配線の概略構成断面図によって説明する。図１７〜図１９では、４層駆動の固体撮像素子に一例を示し、以下、図１７〜図１９を参照して説明する。
【０１０５】
第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）８１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域（図示せず）が形成されている。
【０１０６】
上記ウエル領域の表面側には、固体撮像素子８０１に入射した光を光電変換する複数のフォトダイオード（画素）８２１からなるフォトダイオード列（画素列）、同様に複数のフォトダイオード（画素）８２２からなるフォトダイオード列（画素列）が複数列に形成されている。これらのフォトダイオード列を形成するフォトダイオード８２１、８２２等は、Ｎ型領域からなり、各表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層（図示せず）が形成されている。
【０１０７】
上記フォトダイオード８２１の一方側（図面左側）には読み出し部８３１を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）８４１が形成されている。上記フォトダイオード８２１の他方側（図面右側）には読み出し部８３２を介して垂直ＣＣＤ８４２が形成されている。同様に、上記フォトダイオード８２１に水平方向に隣接するフォトダイオード８２２の一方側（図面左側）には読み出し部８３３を介して垂直ＣＣＤ８４３が形成されている。上記フォトダイオード８２２の他方側（図面右側）には読み出し部８３４を介して垂直ＣＣＤ８４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ８４１〜８４４はＮ型領域からなる。
【０１０８】
上記垂直ＣＣＤ８４２、垂直ＣＣＤ８４３間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域８５１（８５１Ｂ）が形成されている。同様に、チャネルストップ領域８５１（８５１Ａ、８５１Ｂ、８５１Ｃ等）は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【０１０９】
垂直方向における画素間を通るように第１電極φＶ１が水平方向に配設されていて、この第１電極φＶ１と同様にかつ上記第１電極φＶ１と略並行に第３電極φＶ３が形成されている。上記第１電極φＶ１と上記第３電極φＶ３とは、上記画素列間の領域上で互いに離間して配設されている。さらに、上記第１電極φＶ１上と上記第３電極φＶ３上に配設されるもので、上記第１電極φＶ１上と上記第３電極φＶ３とが離間して配設されている領域上を通る第２電極φＶ２が形成されている。上記画素列間の領域上には、上記第１電極φＶ１、第２電極φＶ２および第３電極φＶ３上を交差するように第４電極φＶ４Ａ、φＶ４Ｂが交互に形成されている。
【０１１０】
また、上記半導体基板８１１と第１〜第４Ａ電極φＶ１〜φＶ４Ａ、第４Ｂ電極φＶ４Ｂとの間、第１電極φＶ１および第３電極φＶ３と第２電極φＶ２との間、第１電極φＶ１〜第３電極φＶ３と第４Ａ電極φＶ４Ａ、第４Ｂ電極φＶ４Ｂとの間には、それぞれ絶縁膜８７１、８７２、８７３が形成されている。さらに図示はしないが、半導体基板８１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４Ａ、φＶ４Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード８２１、８２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【０１１１】
上記構成の固体撮像素子８０１では、フォトダイオード８２１（８２２）が１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ８４１、８４２（８４３、８４４）を有することから、フォトダイオード８２１（８２２）より左右両側の垂直ＣＣＤ８４１、８４２（８４３、８４４）へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となり、ダイナミックレンジが大きく取れる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力するため動解像度が低下しない。
【０１１２】
図１７に示したように、上記固体撮像素子８０１では、垂直ブランキング期間で先ず、フォトダイオードで蓄積された信号電荷（例えば、長時間露光で蓄積した信号電荷）を電極φＶ４Ａで、垂直ＣＣＤ８４１に読み出す。すなわち、フォトダイオード８２１で蓄積された信号電荷は、図面左側の垂直ＣＣＤ８４１に、フォトダイオード８２２で蓄積された信号電荷は、図面右側の垂直ＣＣＤ８４４に読み出される。そして、所定の露光時間が経過した後、今度は、φＶ４Ｂの電極で、垂直ＣＣＤ８４２、８４３に信号電荷（例えば、短時間露光で蓄積した信号電荷）を読み出す。すなわち、フォトダイオード８２１で蓄積された信号電荷は右側の垂直ＣＣＤ８４２に、フォトダイオード８２２で蓄積された信号電荷は垂直ＣＣＤ８４３に読み出される。
【０１１３】
そして、上記固体撮像装置８０１の垂直転送の駆動タイミング示した図２０のタイミングチャートに示すように、例えば４相駆動方式により、各垂直ＣＣＤ８４１〜８４４に読み出された信号電荷は上下画素の信号を混合することなく、水平ＣＣＤ（図示せず）へ転送される。垂直ＣＣＤ８４１と垂直ＣＣＤ８４４の信号電荷は電極φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４Ａで、垂直ＣＣＤ８４２と垂直ＣＣＤ８４３の信号電荷は電荷φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４Ｂで垂直転送される。
【０１１４】
上記固体撮像素子の駆動方法では、１フィールド期間に第１読み出しと第２読み出しの２回の読み出しを行い、例えば第１読み出しは垂直ＣＣＤ８４１、８４４へ信号電荷を読み出し、第２読み出しは他方側の垂直ＣＣＤ８４２、８４３へ信号電荷を読み出すことから、フォトダイオード８２１より左右両側の垂直ＣＣＤ８４１、８４２およびフォトダイオード８２２より左右両側の垂直ＣＣＤ８４３、８４４へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。これにより、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となるので、ダイナミックレンジを広く取ることができる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力されることによって、高い動解像度が得られるという利点がある。
【０１１５】
次に、上記第８実施例に係る固体撮像素子８０１の製造方法の一例を、図２１〜図２４の平面レイアウト図によって説明する。
【０１１６】
図２１に示すように、第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）８１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域８１２を形成する。
【０１１７】
上記ウエル領域８１２の表面側に、固体撮像素子８０１に入射した光を光電変換する複数のフォトダイオード（画素）８２１からなるフォトダイオード列（画素列）、同様に複数のフォトダイオード（画素）８２２からなるフォトダイオード列（画素列）を複数列に形成する。これらのフォトダイオード列を形成するフォトダイオード８２１、８２２等は、Ｎ型領域で形成され、各表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層（図示せず）が形成される。
【０１１８】
上記フォトダイオード８２１の一方側（図面左側）には読み出し部８３１を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）８４１を形成する。上記フォトダイオード８２１の他方側（図面右側）には読み出し部８３２を介して垂直ＣＣＤ８４２を形成する。同様に、上記フォトダイオード８２１に水平方向に隣接するフォトダイオード８２２の一方側（図面左側）には読み出し部８３３を介して垂直ＣＣＤ８４３を形成する。上記フォトダイオード８２２の他方側（図面右側）には読み出し部８３４を介して垂直ＣＣＤ８４４を形成する。上記垂直ＣＣＤ８４１〜８４４はＮ型領域で形成される。
【０１１９】
上記垂直ＣＣＤ８４２、垂直ＣＣＤ８４３間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域８５１（８５１Ｂ）を形成する。同様に、チャネルストップ領域８５１（８５１Ａ、８５１Ｂ、８５１Ｃ等）を、画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成する。
【０１２０】
次に、図２２に示すように、垂直方向における画素間（フォトダイオード８２１、８２１間およびフォトダイオード８２２、８２２間）を通るように第１電極φＶ１を水平方向に配設するとともに、この第１電極φＶ１と同様にかつ上記第１電極φＶ１と略並行に第３電極φＶ３を形成する。上記第１電極φＶ１と上記第３電極φＶ３とは、上記画素列間の領域上で互いに離間するように配設する。なお、半導体基板８１１と、上記第１電極φＶ１および上記第３電極φＶ３との間には、絶縁膜（図示せず）を形成しておく。
【０１２１】
次に、図２３に示すように、上記第１電極φＶ１上と上記第３電極φＶ３上に、かつ上記第１電極φＶ１上と上記第３電極φＶ３とが離間して配設されている領域上を通るように第２電極φＶ２を形成する。なお、上記第１電極φＶ１および上記第３電極φＶ３と、上記第２電極φＶ２との間には、絶縁膜（図示せず）を形成しておく。
【０１２２】
次に、図２４に示すように、上記画素列間（フォトダイオード８２１、８２２列間）の領域上に、上記第１電極φＶ１、第２電極φＶ２および第３電極φＶ３上を交差するように第４電極φＶ４Ａ、φＶ４Ｂを交互に形成する。なお、上記第１電極φＶ１、第２電極φＶ２および第３電極φＶ３と、上記第４電極φＶ４Ａ、第４電極φＶ４Ｂとの間には、絶縁膜（図示せず）を形成しておく。
【０１２３】
その後、図示はしないが、半導体基板８１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４Ａ、φＶ４Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜を形成し、上記フォトダイオード８２１、８２２上の遮光膜に開口部を形成する。
【０１２４】
次に、請求項７に係る発明（固体撮像素子）の一実施例（第９実施例）を、図２５の平面レイアウト図、図２６の図２５中に示したＡ−Ａ’線における電極および配線の概略構成断面図および図２７の図２５中に示したＢ−Ｂ’線における電極および配線の概略構成断面図によって説明する。図２５〜図２７では、前第８実施例の変形例を示し、以下、図２５〜図２７を参照して説明する。
【０１２５】
第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）９１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域（図示せず）が形成されている。
【０１２６】
上記ウエル領域の表面側には、固体撮像素子９０１に入射した光を光電変換する複数のフォトダイオード（画素）９２１からなるフォトダイオード列（画素列）、同様に複数のフォトダイオード（画素）９２２からなるフォトダイオード列（画素列）が複数列に形成されている。これらのフォトダイオード列を形成するフォトダイオード９２１、９２２等は、Ｎ型領域からなり、各表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層（図示せず）が形成されている。
【０１２７】
上記フォトダイオード９２１の一方側（図面左側）には読み出し部９３１を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）９４１が形成されている。上記フォトダイオード９２１の他方側（図面右側）には読み出し部９３２を介して垂直ＣＣＤ９４２が形成されている。同様に、上記フォトダイオード９２１に水平方向に隣接するフォトダイオード９２２の一方側（図面左側）には読み出し部９３３を介して垂直ＣＣＤ９４３が形成されている。上記フォトダイオード９２２の他方側（図面右側）には読み出し部９３４を介して垂直ＣＣＤ９４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ９４１〜９４４はＮ型領域からなる。
【０１２８】
上記垂直ＣＣＤ９４２、垂直ＣＣＤ９４３間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域９５１（９５１Ｂ）が形成されている。同様に、チャネルストップ領域９５１（９５１Ａ、９５１Ｂ、９５１Ｃ等）は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【０１２９】
垂直方向における画素間を通るように第１電極φＶ１が水平方向に配設されていて、この第１電極φＶ１と同様にかつ上記第１電極φＶ１と略並行に第３電極φＶ３が形成されている。上記第１電極φＶ１と上記第３電極φＶ３とは、上記画素列間の領域上で互いに離間して配設されている。また、上記第１電極φＶ１上と上記第３電極φＶ３上に配設されるもので、上記第１電極φＶ１上と上記第３電極φＶ３とが離間して配設されている領域上を通る第２電極φＶ２が形成されている。さらに、上記第１電極φＶ１上方の第２電極φＶ２上には、第４電極φＶ４Ａが上記第１〜第３電極φＶ１〜φＶ３が形成されていない垂直ＣＣＤ９４１、９４２上に張り出して形成されているとともに、上記第３電極φＶ３上方の第２電極φＶ２上には、第４電極φＶ４Ｂが上記第１〜第３電極φＶ１〜φＶ３が形成されていない垂直ＣＣＤ９４３、９４４上に張り出して形成されている。
【０１３０】
また、上記半導体基板９１１と第１〜第４Ａ電極φＶ１〜φＶ４Ａ、第４Ｂ電極φＶ４Ｂとの間、第１電極φＶ１および第３電極φＶ３と第２電極φＶ２との間、第１電極φＶ１〜第３電極φＶ３と第４Ａ電極φＶ４Ａ、第４Ｂ電極φＶ４Ｂとの間には、それぞれ絶縁膜９７１、９７２、９７３が形成されている。さらに図示はしないが、半導体基板９１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４Ａ、φＶ４Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード９２１、９２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【０１３１】
上記構成の固体撮像素子９０１では、フォトダイオード９２１（９２２）が１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ９４１、９４２（９４３、９４４）を有することから、フォトダイオード９２１（９２２）より左右両側の垂直ＣＣＤ９４１、９４２（９４３、９４４）へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となり、ダイナミックレンジが大きく取れる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力するため動解像度が低下しない。
【０１３２】
次に、請求項８に係る発明（固体撮像素子）の一実施例（第１０実施例）を、図２８の平面レイアウト図、図２９の図２８中に示したＡ−Ａ’線における電極および配線の概略構成断面図および図３０の図２８中に示したＢ−Ｂ’線における電極および配線の概略構成断面図によって説明する。図２８〜図３０では、４層駆動の固体撮像装置に一例を示し、以下、図２８〜図３０を参照して説明する。なお、図２８において最上層の電極は２点鎖線で示した。
【０１３３】
第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）１０１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域（図示せず）が形成されている。
【０１３４】
上記ウエル領域の表面側には、固体撮像素子１００１に入射した光を光電変換する複数のフォトダイオード（画素）１０２１からなるフォトダイオード列（画素列）、同様に複数のフォトダイオード（画素）１０２２からなるフォトダイオード列（画素列）が複数列に形成されている。これらのフォトダイオード列を形成するフォトダイオード１０２１、１０２２等は、Ｎ型領域からなり、各表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層（図示せず）が形成されている。
【０１３５】
上記フォトダイオード１０２１の一方側（図面左側）には読み出し部１０３１を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）１０４１が形成されている。上記フォトダイオード１０２１の他方側（図面右側）には読み出し部１０３２を介して垂直ＣＣＤ１０４２が形成されている。同様に、上記フォトダイオード１０２１に水平方向に隣接するフォトダイオード１０２２の一方側（図面左側）には読み出し部１０３３を介して垂直ＣＣＤ１０４３が形成されている。上記フォトダイオード１０２２の他方側（図面右側）には読み出し部１０３４を介して垂直ＣＣＤ１０４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ１０４１〜１０４４はＮ型領域からなる。
【０１３６】
上記垂直ＣＣＤ１０４２、垂直ＣＣＤ１０４３間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域１０５１（１０５１Ｂ）が形成されている。同様に、チャネルストップ領域１０５１（１０５１Ａ、１０５１Ｂ、１０５１Ｃ等）は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【０１３７】
垂直方向における画素間を通るように第１電極１０６１（第１配線φＶ１）が水平方向に配設されていて、この第１配線φＶ１と同様にかつ上記第１配線φＶ１と平行に第２電極１０６２（第２配線φＶ２）が形成されている。また、上記第１配線φＶ１に隣接して垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４（第１画素列間の領域）上に第４電極１０６４が形成され、上記第２配線φＶ２に隣接して垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３（第２画素列間の領域）上に第３電極１０６３が形成されている。したがって、垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４（第１画素列間の領域）上、垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３（第２画素列間の領域）上に、第１電極１０６１、第２電極１０６２、第３電極１０６３、第４電極１０６４が順に繰り返し形成されている。
【０１３８】
上記第２配線φＶ２上には絶縁膜を介して上記垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４上の上記第１配線φＶ１とは反対側の前記第３電極１０６３に張り出して接続する第３Ａ配線φＶ３Ａが形成されている。また、上記第１配線φＶ１上に絶縁膜１０７１を介して上記垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３上の上記第２配線φＶ２とは反対側の上記第４電極１０６４に張り出して接続する第４Ｂ配線φＶ４Ｂが形成されている。
【０１３９】
さらに、上記垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４上で上記第１配線φＶ１、上記第２配線φＶ２、上記第３Ａ配線φＶ３Ａおよび上記第４Ｂ電極φＶ４Ｂ上を交差するもので上記第４電極１０６４に接続する第４Ａ配線φＶ４Ａが形成されている。また、上記垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３上で上記第１配線φＶ１、上記第２配線φＶ２、上記第３Ａ配線φＶ３Ａおよび上記第４Ｂ電極φＶ４Ｂ上を交差するもので上記第３電極１０６３に接続する第３Ｂ配線φＶ３Ｂが形成されている。上記第４Ａ配線φＶ４Ａ、第３Ｂ配線φＶ３Ｂはコンタクトホール１０７６、１０７７を通じて上記第４電極１０６４、上記第３電極１０６３にそれぞれ接続されている。
【０１４０】
また、上記半導体基板１０１１と第１〜第２電極φＶ１〜φＶ２、第３電極１０６３、第４電極１０６４との間、第１〜第２電極φＶ１〜φＶ２、第３電極１０６３、第４電極１０６４と第４Ｂ配線φＶ４Ｂ、第３Ａ配線φＶ３Ａとの間、第４Ｂ配線φＶ４Ｂ、第３Ａ配線φＶ３Ａと第４Ａ配線φＶ４Ａ、第３Ｂ配線φＶ３Ｂとの間には、それぞれ絶縁膜１０７１、１０７２、１０７３が形成されている。さらに図示はしないが、半導体基板１０１１上に上記配線φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ、φＶ４Ａ、φＶ４Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード１０２１、１０２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【０１４１】
上記構成の固体撮像素子１００１では、フォトダイオード１０２１（１０２２）が１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ１０４１、１０４２（１０４３、１０４４）を有することから、フォトダイオード１０２１（１０２２）より左右両側の垂直ＣＣＤ１０４１、１０４２（１０４３、１０４４）へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となり、ダイナミックレンジが大きく取れる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力するため動解像度が低下しない。
【０１４２】
上記固体撮像素子１００１では、垂直ブランキング期間で先ず、フォトダイオードで蓄積された信号電荷（例えば、長時間露光で蓄積した信号電荷）を配線φＶ３Ａ、φＶ４Ａで、垂直ＣＣＤ１０４１に読み出す。すなわち、フォトダイオード１０２１で蓄積された信号電荷は、図面左側の垂直ＣＣＤ１０４１に、フォトダイオード１０２２で蓄積された信号電荷は、図面右側の垂直ＣＣＤ１０４４に読み出される。そして、所定の露光時間が経過した後、今度は、配線φＶ３Ｂ、φＶ４Ｂで、垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３に信号電荷（例えば、短時間露光で蓄積した信号電荷）を読み出す。すなわち、フォトダイオード１０２１で蓄積された信号電荷は右側の垂直ＣＣＤ１０４２に、フォトダイオード１０２２で蓄積された信号電荷は垂直ＣＣＤ１０４３に読み出される。
【０１４３】
そして、上記固体撮像装置１００１の垂直転送の駆動タイミング示した図３１のタイミングチャートに示すように、例えば４相駆動方式により、各垂直ＣＣＤ１０４１〜１０４４に読み出された信号電荷は上下画素の信号を混合することなく、水平ＣＣＤ（図示せず）へ転送される。垂直ＣＣＤ１０４１と垂直ＣＣＤ１０４４の信号電荷は電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ４Ａで、垂直ＣＣＤ１０４２と垂直ＣＣＤ１０４３の信号電荷は電荷φＶ１、φＶ２、φＶ３Ｂ、φＶ４Ｂで垂直転送される。
【０１４４】
上記固体撮像素子の駆動方法では、１フィールド期間に第１読み出しと第２読み出しの２回の読み出しを行い、例えば第１読み出しは垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４へ信号電荷を読み出し、第２読み出しは他方側の垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３へ信号電荷を読み出すことから、フォトダイオード１０２１より左右両側の垂直ＣＣＤ１０４１、１０４２およびフォトダイオード１０２２より左右両側の垂直ＣＣＤ１０４３、１０４４へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。これにより、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となるので、ダイナミックレンジを広く取ることができる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力されることによって、高い動解像度が得られるという利点がある。
【０１４５】
次に、上記第１０実施例に係る固体撮像素子１００１の製造方法の一例を、図３２〜図３７の平面レイアウト図によって説明する。なお、図３７において最上層の電極は２点鎖線で示した。
【０１４６】
図３２に示すように、第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）１０１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域１０１２を形成する。
【０１４７】
上記ウエル領域１０１２の表面側に、固体撮像素子１００１に入射した光を光電変換する複数のフォトダイオード（画素）１０２１からなるフォトダイオード列（画素列）、同様に複数のフォトダイオード（画素）１０２２からなるフォトダイオード列（画素列）を複数列に形成する。これらのフォトダイオード列を形成するフォトダイオード１０２１、１０２２等は、Ｎ型領域で形成され、各表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層（図示せず）が形成される。
【０１４８】
上記フォトダイオード１０２１の一方側（図面左側）には読み出し部１０３１を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）１０４１を形成する。上記フォトダイオード１０２１の他方側（図面右側）には読み出し部１０３２を介して垂直ＣＣＤ１０４２を形成する。同様に、上記フォトダイオード１０２１に水平方向に隣接するフォトダイオード１０２２の一方側（図面左側）には読み出し部１０３３を介して垂直ＣＣＤ１０４３を形成する。上記フォトダイオード１０２２の他方側（図面右側）には読み出し部１０３４を介して垂直ＣＣＤ１０４４を形成する。上記垂直ＣＣＤ１０４１〜１０４４はＮ型領域で形成される。
【０１４９】
上記垂直ＣＣＤ１０４２、垂直ＣＣＤ１０４３間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域１０５１（１０５１Ｂ）を形成する。同様に、チャネルストップ領域１０５１（１０５１Ａ、１０５１Ｂ、１０５１Ｃ等）を、画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成する。
【０１５０】
次に、図３３に示すように、垂直方向における画素間を通るように第１電極１０６１（第１配線φＶ１）を水平方向に配設するとともに、この第１電極１０６１（第１配線φＶ１）と同様にかつ上記第１電極１０６１（第１配線φＶ１）と平行に第３電極１０６３（第３配線φＶ３）を形成する。同時に、上記第１配線φＶ１に隣接して垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４（第１画素列間の領域）上に第４電極１０６４を形成するとともに、上記第２配線φＶ２に隣接して垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３（第１画素列間の領域）上に第３電極１０６３を形成する。したがって、垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４（第１画素列間の領域）上、垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３（第２画素列間の領域）上に、第１電極１０６１、第２電極１０６２、第３電極１０６３、第４電極１０６４が順に繰り返し形成されている。なお、半導体基板１０１１と、上記第１電極１０６１、第２電極１０６２、第３電極１０６３、第４電極１０６４との間には、絶縁膜（図示せず）を形成しておく。
【０１５１】
次に、図３４に示すように、上記第１電極１０６１、第２電極１０６２、第３電極１０６３、第４電極１０６４上を被覆する絶縁膜（図示せず）を形成する。そして、この絶縁膜に、垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４上の上記第３電極１０６３に通じるコンタクトホール１０７６を形成するとともに、垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３上の上記第４電極１０６４に通じるコンタクトホール１０７６を形成する。
【０１５２】
次に、図３５に示すように、上記第２配線φＶ２上に、絶縁膜（図示せず）を介して上記垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４上の上記第１配線φＶ１とは反対側の上記第３電極１０６３側に張り出して、上記コンタクトホール１０７６〔前記図３４参照〕を通じてこの第３電極１０６３に接続する第３Ａ配線φＶ３Ａを形成する。それとともに、上記第１配線φＶ１上に絶縁膜（図示せず）を介して上記垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３上の上記第２配線φＶ２とは反対側の上記第４電極１０６４側に張り出して、上記コンタクトホール１０７７〔前記図３４参照〕を通じてこの第４電極１０６４に接続する第４Ｂ配線φＶ４Ｂを形成する。
【０１５３】
次に、図３６に示すように、上記第１電極１０６１、第２電極１０６２、第３電極１０６３、第４電極１０６４上を被覆する絶縁膜（図示せず）を形成する。そして、この絶縁膜に、垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４上の上記第４電極１０６４に通じるコンタクトホール１０７８を形成するとともに、垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３上の上記第３電極１０６３に通じるコンタクトホール１０７９を形成する。
【０１５４】
次に、図３７に示すように、上記垂直ＣＣＤ１０４１、１０４４上で、上記第１配線φＶ１、上記第２配線φＶ２、上記第３Ａ配線φＶ３Ａおよび上記第４Ｂ電極φＶ４Ｂ上を交差するように、上記第４電極１０６４に上記コンタクトホール１０７８を通じて接続する第４Ａ配線φＶ４Ａを形成する。同時に、上記垂直ＣＣＤ１０４２、１０４３上で、上記第１配線φＶ１、上記第２配線φＶ２、上記第３Ａ配線φＶ３Ａおよび上記第４Ｂ電極φＶ４Ｂ上を交差するように、上記第３電極１０６３に上記コンタクトホール１０７９を通じて接続する第３Ｂ配線φＶ３Ｂを形成する。
【０１５５】
その後、図示はしないが、半導体基板１０１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ、φＶ４Ａ、φＶ４Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜を形成し、上記フォトダイオード１０２１、１０２２上の遮光膜に開口部を形成する。
【０１５６】
次に、請求項９に係る発明（固体撮像素子）の一実施例（第１１実施例）を、図３８の平面レイアウト図、図３９の図３８中に示したＡ−Ａ’線における電極および配線の概略構成断面図および図４０の図３８中に示したＢ−Ｂ’線における電極および配線の概略構成断面図によって説明する。図３８〜図４０では、４層駆動の固体撮像素子に一例を示し、以下、図３８〜図４０を参照して説明する。なお、図３８において最上層の電極は２点鎖線で示した。
【０１５７】
第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）１１１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域（図示せず）が形成されている。
【０１５８】
上記ウエル領域の表面側には、固体撮像素子１１０１に入射した光を光電変換する複数のフォトダイオード（画素）１１２１からなるフォトダイオード列（画素列）、同様に複数のフォトダイオード（画素）１１２２からなるフォトダイオード列（画素列）が複数列に形成されている。これらのフォトダイオード列を形成するフォトダイオード１１２１、１１２２等は、Ｎ型領域からなり、各表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層（図示せず）が形成されている。
【０１５９】
上記フォトダイオード１１２１の一方側（図面左側）には読み出し部（図示せず）を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）１１４１が形成されている。上記フォトダイオード１１２１の他方側（図面右側）には読み出し部（図示せず）を介して垂直ＣＣＤ１１４２が形成されている。同様に、上記フォトダイオード１１２１に水平方向に隣接するフォトダイオード１１２２の一方側（図面左側）には読み出し部（図示せず）を介して垂直ＣＣＤ１１４３が形成されている。上記フォトダイオード１１２２の他方側（図面右側）には読み出し部（図示せず）を介して垂直ＣＣＤ１１４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ１１４１〜１１４４はＮ型領域からなる。
【０１６０】
上記垂直ＣＣＤ１１４２、垂直ＣＣＤ１１４３間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域１１５１（１１５１Ｂ）が形成されている。同様に、チャネルストップ領域１１５１（１１５１Ａ、１１５１Ｂ、１１５１Ｃ等）は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【０１６１】
垂直方向における画素間を通るように第１電極φＶ１が水平方向に配設されていて、この第１電極φＶ１と同様にかつ上記第１電極φＶ１と平行に第２電極φＶ２が形成されている。
【０１６２】
上記第２配線φＶ２上には絶縁膜を介して上記垂直ＣＣＤ１１４１、１１４４上の上記第１配線φＶ１とは反対側に張り出した第３Ａ配線φＶ３Ａが形成されている。また、上記第１配線φＶ１上に絶縁膜１１７１を介して上記垂直ＣＣＤ１１４２、１１４３上の上記第２配線φＶ２とは反対側に張り出した第４Ｂ配線φＶ４Ｂが形成されている。
【０１６３】
さらに、上記垂直ＣＣＤ１１４１、１１４４上には、上記第１配線φＶ１、上記第２配線φＶ２、上記第３Ａ配線φＶ３Ａおよび上記第４Ｂ電極φＶ４Ｂ上を交差するように、かつ上記第１配線φＶ１側の上記垂直ＣＣＤ１１４１、１１４４上に張り出すように、第４Ａ配線φＶ４Ａが形成されている。また、上記垂直ＣＣＤ１１４２、１１４３上には、上記第１配線φＶ１、上記第２配線φＶ２、上記第３Ａ配線φＶ３Ａおよび上記第４Ｂ電極φＶ４Ｂ上を交差するように、かつ上記第２配線φＶ２側の上記垂直ＣＣＤ１１４２、１１４３上に張り出すように、第３Ｂ配線φＶ３Ｂが形成されている。
【０１６４】
図示はしないが、半導体基板１１１１上に上記電極φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ、φＶ４Ａ、φＶ４Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード１１２１、１１２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【０１６５】
上記構成の固体撮像素子１１０１では、フォトダイオード１１２１（１１２２）が１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ１１４１、１１４２（１１４３、１１４４）を有することから、フォトダイオード１１２１（１１２２）より左右両側の垂直ＣＣＤ１１４１、１１４２（１１４３、１１４４）へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となり、ダイナミックレンジが大きく取れる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力するため動解像度が低下しない。
【０１６６】
次に、請求項１０に係る発明（固体撮像素子）の一実施例（第１２実施例）を、図４１の平面レイアウト図、図４２の図４１中に示したＡ−Ａ’線における電極および配線の概略構成断面図および図４３の図４１中に示したＢ−Ｂ’線における電極および配線の概略構成断面図によって説明する。図４１〜図４２では、４層駆動の固体撮像素子に一例を示し、以下、図４１〜図４２を参照して説明する。なお、図４１において最上層の電極は２点鎖線で示した。
【０１６７】
第１導電型（Ｎ型）の半導体基板（以下、基板という）１２１１上に、第２導電型（Ｐ-型）のウエル領域（図示せず）が形成されている。
【０１６８】
上記ウエル領域の表面側には、固体撮像素子１２０１に入射した光を光電変換する複数のフォトダイオード（画素）１２２１からなるフォトダイオード列（画素列）、同様に複数のフォトダイオード（画素）１２２２からなるフォトダイオード列（画素列）が複数列に形成されている。これらのフォトダイオード列を形成するフォトダイオード１２２１、１２２２等は、Ｎ型領域からなり、各表層には、Ｐ+型領域からなるホール蓄積層（図示せず）が形成されている。
【０１６９】
上記フォトダイオード１２２１の一方側（図面左側）には読み出し部（図示せず）を介して垂直電荷結合素子（以下、垂直ＣＣＤという）１２４１が形成されている。上記フォトダイオード１２２１の他方側（図面右側）には読み出し部（図示せず）を介して垂直ＣＣＤ１２４２が形成されている。同様に、上記フォトダイオード１２２１に水平方向に隣接するフォトダイオード１２２２の一方側（図面左側）には読み出し部（図示せず）を介して垂直ＣＣＤ１２４３が形成されている。上記フォトダイオード１２２２の他方側（図面右側）には読み出し部（図示せず）を介して垂直ＣＣＤ１２４４が形成されている。上記垂直ＣＣＤ１２４１〜１２４４はＮ型領域からなる。
【０１７０】
上記垂直ＣＣＤ１２４２、垂直ＣＣＤ１２４３間のフォトダイオード（画素）が形成されていない領域には、水平方向における画素間の信号電荷が混合しないように、Ｐ+型領域からなるチャネルストップ領域１２５１（１２５１Ｂ）が形成されている。同様に、チャネルストップ領域１２５１（１２５１Ａ、１２５１Ｂ、１２５１Ｃ等）は画素列が形成されていない垂直ＣＣＤ間にも形成されている。
【０１７１】
垂直方向における画素間を通るように第１電極１２６１（第１配線φＶ１）が水平方向に配設されていて、この第１配線φＶ１と同様にかつ上記第１配線φＶ１と平行に第２電極１２６２（第２配線φＶ２）が形成されている。また、上記第１配線φＶ１に隣接して垂直ＣＣＤ１２４１、１２４４（第１画素列間の領域）上に第４電極１２６４が形成され、上記第２配線φＶ２に隣接して垂直ＣＣＤ１２４２、１２４３（第２画素列間の領域）上に第３電極１２６３が形成されている。したがって、垂直ＣＣＤ１２４１、１２４４（第１画素列間の領域）上、垂直ＣＣＤ１２４２、１２４３（第２画素列間の領域）上に、第１電極１２６１、第２電極１２６２、第３電極１２６３、第４電極１２６４が順に繰り返し形成されている。なお、上記半導体基板１２１１と各第１電極１２６１、第２電極１２６２、第３電極１２６３、第４電極１２６４との間には絶縁膜１２７１が形成されている。
【０１７２】
上記第２配線φＶ２上には、絶縁膜１２７２を介して、上記垂直ＣＣＤ１２４１、１２４４上でかつ上記第１配線φＶ１とは反対側に張り出して、上記絶縁膜１２７２に形成されたコンタクトホール（図示せず）を通じて上記第３電極１２６３に接続する第３Ａ配線φＶ３Ａが形成されている。また、上記第１配線φＶ１上には、絶縁膜１２７２を介して、上記垂直ＣＣＤ１２４２、１２４３上でかつ上記第２配線φＶ２とは反対側に張り出して、上記絶縁膜１２７２に形成されたコンタクトホール（図示せず）を通じて第４Ｂ配線φＶ４Ｂが形成されている。
【０１７３】
さらに、上記垂直ＣＣＤ１２４１、１２４４上には、上記第１配線φＶ１、上記第２配線φＶ２、上記第３Ａ配線φＶ３Ａおよび上記第４Ｂ電極φＶ４Ｂ上を交差するように、かつ上記第１配線φＶ１側の上記垂直ＣＣＤ１２４１、１２４４上に張り出すように、第４Ａ配線φＶ４Ａが形成されている。また、上記垂直ＣＣＤ１２４２、１２４３上には、上記第１配線φＶ１、上記第２配線φＶ２、上記第３Ａ配線φＶ３Ａおよび上記第４Ｂ電極φＶ４Ｂ上を交差するように、かつ上記第２配線φＶ２側の上記垂直ＣＣＤ１２４２、１２４３上に張り出すように、第３Ｂ配線φＶ３Ｂが形成されている。なお、上記第１配線φＶ１、上記第２配線φＶ２、上記第３Ａ配線φＶ３Ａおよび上記第４Ｂ電極φＶ４Ｂと、第４Ａ配線φＶ４Ａおよび第３Ｂ配線φＶ３Ｂとの間には絶縁膜１２７３が形成されている。
【０１７４】
図示はしないが、半導体基板１２１１上に上記配線φＶ１、φＶ２、φＶ３Ａ、φＶ３Ｂ、φＶ４Ａ、φＶ４Ｂ等を被覆する絶縁膜を介して遮光膜が形成され、上記フォトダイオード１２２１、１２２２上の遮光膜に開口部が形成されている。
【０１７５】
上記構成の固体撮像素子１２０１では、フォトダイオード１２２１（１２２２）が１画素当たり２本の垂直ＣＣＤ１２４１、１２４２（１２４３、１２４４）を有することから、フォトダイオード１２２１（１２２２）より左右両側の垂直ＣＣＤ１２４１、１２４２（１２４３、１２４４）へ露光時間の異なる信号電荷を独立に読み出すことが可能となり、垂直方向（上下）のフォトダイオードの信号電荷を混合させずに垂直転送される。また、１フィールドの期間内で露光時間を分割し、異なる時間幅で蓄積した信号電荷を合成することが可能となり、ダイナミックレンジが大きく取れる。また、１画素あたりで、１つの長時間蓄積信号と１つの短時間蓄積信号をノンインターレースで出力するため動解像度が低下しない。
【０１７６】
上記各実施例における配線は、例えばポリシリコンで形成することができる。上記第８実施例の固体撮像素子８０１では、例えば、第１配線φＶ１、第３配線φＶ３は第１層目のポリシリコン層で形成し、第２配線φＶ２は第２層目のポリシリコン層で形成し、第４Ａ配線φＶ４Ａ、第４Ａ配線φＶ４Ｂは第３層目のポリシリコン層で形成する。また、第１１実施例の固体撮像素子１１０１では、例えば、第１配線φＶ１、第２配線φＶ２は第１層目のポリシリコン層で形成し、第３Ａ配線φＶ３Ａ、第４Ｂ配線φＶ４Ｂは第２層目のポリシリコン層で形成し、第４Ａ配線φＶ４Ａ、第３Ｂ配線φＶ３Ｂは第３層目のポリシリコン層で形成する。また、第１２実施例の固体撮像素子１２０１では、例えば、第１配線φＶ１、第２配線φＶ２、第３電極１２６３、第４電極１２６４は第１層目のポリシリコン層で形成し、第３Ａ配線φＶ３Ａ、第４Ｂ配線φＶ４Ｂは第２層目のポリシリコン層で形成し、第４Ａ配線φＶ４Ａ、第３Ｂ配線φＶ３Ｂは第３層目のポリシリコン層で形成する。
【０１７７】
次に、請求項２０に係る発明（撮像装置）の一実施例を、図４４のブロック図によって説明する。
【０１７８】
図４４に示すように、撮像装置２００１は、固体撮像素子２０１１を備えている。この固体撮像素子２０１１の集光側には像を結像させる結像光学系２０２１が備えられ、また、固体撮像素子２０１１には、それを駆動する駆動回路２０３１が接続されている。そして固体撮像素子２０１１で光電変換された信号を画像に処理する信号処理回路２０４１が接続されている。上記信号処理回路２０４１によって処理された画像信号は画像記憶部２０５１によって記憶される。このような撮像装置２００１において、上記固体撮像素子２０１１には、前記実施例１〜実施例１２で説明した固体撮像素子のうちのいずれかを用いることができる。
【０１７９】
本発明の撮像装置２００１は、本発明の固体撮像素子を撮像素子に用いているため、混色がないので色再現性に優れた画像を得ることができ、しかも高感度な画像を得ることができるという利点がある。
【０１８０】
なお、本発明の撮像装置２００１は、上記構成に限定されることはなく、固体撮像素子を用いる撮像装置であれば如何なる構成のものにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８１】
【図１】請求項１に係る発明の一実施例（第１実施例）を示した平面レイアウト図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ’線断面を示した概略構成断面図である。
【図３】固体撮像装置１０１の垂直転送の駆動タイミング示したタイミングチャートである。
【図４】請求項３に係る発明の一実施例（第２実施例）を示した概略構成断面図である。
【図５】第２実施例の固体撮像素子の駆動方法を説明した平面レイアウト図である。
【図６】第２実施例の応用例（第３実施例）を示した概略構成断面図である。
【図７】第２実施例の別の電極構成の一例を示した平面レイアウト図である。
【図８】図６中のＢ−Ｂ’線断面を示した概略構成断面図である。
【図９】第３実施例の応用例（第４実施例）を示した概略構成断面図である。
【図１０】第３実施例の変形例を示した概略構成断面図である。
【図１１】請求項４に係る発明の一実施例（第５実施例）を示した平面レイアウト図である。
【図１２】図１１中のＣ−Ｃ’線断面を示した概略構成断面図である。
【図１３】第５実施例の固体撮像素子の駆動方法を説明した平面レイアウト図である。
【図１４】請求項５に係る発明の一実施例（第７実施例）を示した平面レイアウト図である。
【図１５】図１４中のＡ−Ａ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図１６】図１４中のＢ−Ｂ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図１７】請求項６に係る発明の一実施例（第８実施例）を示した平面レイアウト図である。
【図１８】図１７中のＡ−Ａ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図１９】図１７中のＢ−Ｂ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図２０】固体撮像装置８０１の垂直転送の駆動タイミング示したタイミングチャートである。
【図２１】第８実施例の固体撮像素子８０１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図２２】第８実施例の固体撮像素子８０１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図２３】第８実施例の固体撮像素子８０１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図２４】第８実施例の固体撮像素子８０１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図２５】請求項７に係る発明の一実施例（第９実施例）を示した平面レイアウト図である。
【図２６】図２５中のＡ−Ａ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図２７】図２５中のＢ−Ｂ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図２８】請求項８に係る発明の一実施例（第１０実施例）を示した平面レイアウト図である。
【図２９】図２８中のＡ−Ａ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図３０】図２８中のＢ−Ｂ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図３１】固体撮像装置１００１の垂直転送の駆動タイミング示したタイミングチャートである。
【図３２】第１０実施例の固体撮像素子１００１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図３３】第１０実施例の固体撮像素子１００１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図３４】第１０実施例の固体撮像素子１００１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図３５】第１０実施例の固体撮像素子１００１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図３６】第１０実施例の固体撮像素子１００１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図３７】第１０実施例の固体撮像素子１００１の製造方法の一例を示した平面レイアウト図である。
【図３８】請求項９に係る発明の一実施例（第１１実施例）を示した平面レイアウト図である。
【図３９】図３８中のＡ−Ａ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図４０】図３８中のＢ−Ｂ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図４１】請求項１０に係る発明の一実施例（第１２実施例）を示した平面レイアウト図である。
【図４２】図４１中のＡ−Ａ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図４３】図４２中のＢ−Ｂ’線断面における電極および配線を示した概略構成断面図である。
【図４４】請求項２０に係る発明の一実施例を示したブロック図である。
【図４５】従来のＣＣＤ型固体撮像素子を示した平面レイアウト図である。
【図４６】従来のＣＣＤ型固体撮像素子を示した平面レイアウト図である。
【図４７】従来のＣＣＤ型固体撮像素子を示した平面レイアウト図である。
【符号の説明】
【０１８２】
１０１…固体撮像素子、１２１,１２２…フォトダイオード、１４１，１４２，１４３，１４４…垂直ＣＣＤ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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