DD253709A1 - Register mit kleinstem raster - Google Patents

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DD253709A1
DD253709A1 DD29414486A DD29414486A DD253709A1 DD 253709 A1 DD253709 A1 DD 253709A1 DD 29414486 A DD29414486 A DD 29414486A DD 29414486 A DD29414486 A DD 29414486A DD 253709 A1 DD253709 A1 DD 253709A1
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Burghard Korneffel
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Werk Fernsehelektronik Veb
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Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein neuartiges Konzept zum Aufbau eines ladungsgekoppelten Schieberegisters. Diese sind Grundbestandteil verschiedenster Bauelemente, wie fotosensitive CCD-Zeilen, CCD-Matrizen, CCD-Verzoegerungsleitungen, CCD-Filter und -speicher, die vielfaeltige Anwendung in der Optoelektronik und Mikroelektronik finden. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein CCD-Register zu konstruieren, welches ein kleineres Raster gegenueber den bekannten Loesungen ermoeglicht. Das CCD-Register ist erfindungsgemaess im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass eine Stufe aus einem ersten Speichergebiet, einem zweiten Speichergebiet und nur einem Transfergebiet besteht, wobei sich, in Ladungstransportrichtung gesehen, das Transfergebiet, das zweite Speichergebiet und das erste Speichergebiet unmittelbar einander anschliessen und wobei fuer den Betriebsfall die Potentialverlaeufe durch entsprechend eingebrachte Dotierungen dergestalt realisiert sind, dass der Muldenpotentialextremwert des zweiten Speichergebietes in einer anderen geometrischen Tiefe als derjenige des erstem Speichergebietes liegt.

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung beinhaltet ein neuartiges Konzept zum Aufbau eines ladungsgekoppelten Schieberegisters. Solche Register sind der Grundbestandteil verschiedenster Bauelemente wie fotosensitive CCD-Zeilen, fotosensitive CCD-Matrizen, CCD-Verzögerungsleitungen, CCD-Filter und CCD-Speicher, die wiederum vielfältige Anwendung in der Optoelektronik und Mikroelektronik finden.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Zur weiteren Erhöhung des Integrationsgrades von ladungsgekoppelten Bauelementen ist die Erzielung eines kleinsten Rasters im CCD-Register von entscheidender Bedeutung.
Für ein kleinstes Raster kommen von vornherein nur 1-, 1 V2-oder 2-Phasen-Register in Betracht. Es gibt in dieser Klasse zahlreiche bekannte Vorschläge, z. B. in den US-PS 4027382, 4035906, 4047215, 4087832 und 4097885. Jede Stufe eines solchen Registers
besteht aus zwei Speichergebieten und zwei Transfergebieten. Damit sind der Rasterverkleinerung gewisse Grenzen gesetzt. Auf den Speichergebieten müssen bei allen bekannten Lösungen andere Ebenen oder Implantationsmasken justiert werden. Damit ergeben sich aufgrund von Justier- und Überlappungstoleranzen Mindestlängen für diese Speichergebiete. Sie betragen für ein zur Zeit übliches technologisches Niveau 4μιη. Die Transfergebiete werden bei vielen der bekannten Herstellungsverfahren zunächst durch Spaltein Elektrodenebenen oder Lackmasken markiert. Damit gibt es auch für die Längen derTransfergebiete Mindestwerte. Sie betragen für das bereits erwähnte technologische Niveau etwa 2,5μ.ηη. Damit ergäbe sich ein kleinstes Raster von 13/u.m pro Stufe.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist, mit üblichen Technologieaufwand die Mangel des Standes der Technik zu überwinden.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein CCD-Register zu konstruieren, welches ein kleineres Raster gegenüber den bekannten Lösungen ermöglicht.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine (Grund-)Stufe für 1-, IV2- und 2-Phasen-CCD-Reg ister vorgeschlagen, welche eine weitere Verkleinerung des Rasters ermöglicht.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, von den üblicherweise in dieser Registerklasse pro Stufe vorhandenen zwei Speicher- und zwei Transfergebieten ein Transfergebiet einzusparen, was durch spezielle Dotierungsprofile und sich daraus ergebende Potentialverläufe in den einzelnen Gebieten und durch den Einsatz einer speziellen Potentialschwelle, welche durch zweidimensionale Potentialeffekte entsteht, gelingt.
Eine Stufe des erfindungsgemäßen CCD-Registers besteht aus einem Transfergebiet, einem zweiten Speichergebiet und einem ersten Speichergebiet, welche sich, in Transportrichtung gesehen, in der genannten Reihenfolge unmittelbar einander anschließen. Die bereits erwähnte spezielle Potentialschwelle ist zwischen zweitem und erstem Speichergebiet angeordnet. Je nach Ansteuerung der drei Gebiete ergeben sich verschiedene Varianten. In den bevorzugten Ausführungen der Erfindung wird das erste Speichergebiet von einer Elektrode der ersten Konfiguration kontrolliert. Werden das Transfergebiet und das zweite Speichergebiet von einer flachen Kanalstopperschicht überdeckt, welche vorzugsweise mit den zur lateralen Begrenzung des Registers angeordneten (normalen) Kanalstoppergebieten verbunden ist und somit auf Substratpotential liegt, so stellt das realisierte Register ein 1-Phasen-Register dar, denn von außen wird nur an die erste Elektrodenkonfiguration eine Taktspannung gelegt. Beim 11/2-Phasen-Register ist nur das zweite Speichergebiet von einer flachen Kanalstopperschicht überdeckt, während das Transfergebiet von einer Elektrode der zweiten Elektrodenkonfiguration kontrolliert wird, die mit einer Gleichspannung gespeist wird. Beim erfindungsgemäßen 2-Phasen-Register sind Transfergebiet und zweites Speichergebiet von einer Elektrode der zweiten Elektrodenkonfiguration überdeckt, an welche ebenfalls eine Taktspannung gelegt wird. Schließlich ist noch ein Wi-Phasen-Register möglich, bei dem das Transfergebiet mit einer flachen Kanalstopperschicht überdeckt ist, während das zweite Speichergebiet von einer Elektrode der zweiten Elektrodenkonfiguration kontrolliert wird.
Der Betriebsfall des Registers ist durch angelegte Taktspannungen und die Auskopplung der vom Register transportierten Ladung am Registerende definiert. Für diesen Betriebsfall sind die Potentialverläufe durch entsprechend eingebrachte Dotierungen dergestalt realisiert, daß der Muldenpotentialextremwert des zweiten Speichergebietes in einer anderen geometrischen Tiefe (die Tiefenkoordinate wird von der Substratoberfläche aus in Richtung Substratinneres gemessen) als derjenige des ersten Speichergebietes liegt. Unter Muldenpotentialextremwert wird derjenige Potentialwert in der die Signalladung aufnehmenden Potentialmulde verstanden, der die größte energetische Differenz zum Substratpotential aufweist. In der bevorzugten Ausführung ist der Muldenpotentialextremwert des zweiten Speichergebietes in geometrisch größerer Distanz zur Substratoberfläche positioniert als derjenige des ersten Speichergebietes. Der Muldenpotentialextremwert des ersten Speichergebietes kann auch direkt in der Oberfläche liegen. Im Transfergebiet liegt der Muldenpotentialextremwert in einer geometrischen Tiefe, in der sich die Potentialmulde des zweiten Speichergebietes ausbildet, wobei jedoch die energetische Differenz zwischen Muldenpotentialextremwert und Substratpotential im Transfergebiet kleiner ist als im zweiten Speichergebiet. Im Potentialverlauf des Transfergebietes vom Muldenpotentialextremwert bis zu einer geometrischen Tiefe, die etwa der Tiefenkoordinate des Muldenpotentialextremwertes des ersten Speichergebietes entspricht, wird mit relativ schwacher Steigung die energetische Differenz zum Substratpotential verkleinert. Insbesondere kreuzen sich die Potentialverläufe des Transfergebietes und des zweiten Speichergebietes im Bereich zwischen den Tiefenkoordinaten der Muldenpotentialextremwerte beider Speichergebiete derart, daß zwischen diesem Kreuzungspunkt und der zum Muldenpotentialextremwert des ersten Speichergebietes zugehörigen Tiefenkoordinate die Potentialwerte im zweiten Speichergebiet näher am Substratpotential liegen als die Potentialwerte im Transfergebiet.
Den geringsten Transferverlust und das geringste Rauschen erreicht man bei einem BCCD (Register mit Volumentransportkanal in allen drei Gebieten). Darum gilt das Hauptaugenmerk der Erfindung diesem Registertyp. Im folgenden werden ausführlich die erfindungsgemäßen Dotierungsprofile und Potentialverläufe für diesen Registertyp (BCCD) erläutert. Im ersten Speichergebiet ist in der einfachen Ausführung nur eine erste Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp mit den für bekannte BCCD's üblichen Dotandenkonzentration und Eindringtiefen angeordnet. In der bevorzugten Ausführung sind im ersten Speichergebiet zusätzlich tief eine zweite Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp mit sehr schwacher Dotandenkonzentration und zwischen erster und zweiter Dotierungszone eine dritte Dotierungszone vom Substratleitungstyp mit schwacher Dotandenkonzentration angeordnet. Dadurch wird eine größere Ladungstransportkapazität bei vorgegebenem Taktspannungshub erreicht.
Der Potentialverlauf (in der bevorzugten Ausführung) hat für den Betriebsfall, von der Oberfläche in Richtung Substratinneres gesehen, etwa folgenden Verlauf:
Vom Oberflächenpotentialwert ausgehend strebt das Potential seinem Muldenpotentialextremwert entgegen, nach Erreichen desselbigen steigt es zunächst relativ steil (Bereich zwischen erster und dritter Dotierungszone) in Richtung Substratpotential an, um dann abzuknicken (Bereich zwischen dritter und zweiter Dotierungszone) und relativ schwach weiter in Richtung Substratpotential anzusteigen. Bei kleinen Elektrodenspannungen kann zwischen diesem Knickpunkt und dem Substratinneren eine leichte Einsattelung erfolgen (Bereich der zweiten Dotierungszone).
Im zweiten Speichergebiet ist tief eine vierte.Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp mit einer der ersten Dotierungszone ähnlichen Dotandenkonzentration eingebracht. In mittlerer Tiefe ist eine fünfte Dotierungszone vom Substratleitungstyp mit einer Dotandenkonzentration in der Größenordnung des Betrages der Dotandenkonzentration von vierter Dotandenzone angeordnet. Das zweite Speichergebiet wird entweder von einer Elektrode kontrolliert oder von einer flachen Kanalstopperschicht überdeckt. Diese«flache Kanalstopperschicht wäre somit eine sechste Dotierungszone vom Substratleitungstyp mit ausreichend hoher Dotandenkonzentration, welche unmittelbar im Oberflächenbereich positioniert ist.
Der Potentialverlauf mit überdeckender flacher Kanalstopperschicht hat im Betriebsfall, von der Oberfläche in Richtung Substratinneres gesehen, etwa folgenden Verlauf:
Die Kanalstopperschicht (sechste Dotierungszone) liegtauf Substratpotential. Das Substratpotential pflanzt sich fort in die fünfte Dotierungszone, bis schließlich im Übergangsbereich zwischen fünfter und vierter Dotierungszone ein Abknicken in Richtung Muldenpotentialextremwert erfolgt. Nach Erreichen des Muldenpotentialextremwertes (vierte Dotierungszone) strebt das Potential wieder dem Substratwert entgegen, um diesen schließlich tief im Inneren zu erreichen.
Der Potentialverlauf mit darüber angeordneter Elektrode hat im Betriebsfall für die Elektroden Null und für Spannungen, die in der fünften Dotierungszone eine Anreicherungsschicht erzeugen, den gleichen Verlauf wie in der eben geschilderten Anordnung mit überdeckenderflacher Kanalstopperschicht. Für Spannungen, die in der fünften Dotierungszone eine Verarmungszone erzeugen, ergibt sich folgender Potentialverlauf1. Vom Oberflächenwert ausgehend, steigt das Potential zunächst in Richtung Substratpotential an, durchläuft (bei völliger Verarmung an beweglichen Ladungsträgern) einen ersten Extremwert in der fünften Dotierungszone, entfernt sich wieder vom Substratpotential und durchläuft den Muldenpotentialextremwert in der vierten Dotierungszpne, um nunmehr in Richtung Substratpotential anzusteigen und diesen schließlich tief im Substratinneren zu erreichen.
Im Transfergebiet ist eine siebente Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp eingebracht. Deren Dotandenkonzentration und Eindringtiefe entspricht etwa derjenigen der ersten Dotierungszone, falls das Transfergebiet mit der flachen Kanalstopperschicht (sechste Dotierungszone) überdeckt ist. Wird dasTransfergebietvon einer Elektrode kontrolliert, so hat diese siebente Dotierungszone eine geringere Dotandenkonzentration als diejenige der ersten Dotierungszone. Unter der siebenten Dotierungszone ist tief eine achte Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp mit sehr schwacher Dotandenkonzentration positioniert.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß das Einbringen sämtlicher Dotierungen in einem relativ einfachen Prozeßablauf erfolgt, wie im Ausführungsbeispiel noch gezeigt werden wird.
Der Potentialverlauf im Transfergebiet hat für den Betriebsfall, von der Oberfläche in Richtung Substratinneres gesehen, etwa folgenden Verlauf:
Vom Oberflächenpotential ausgehend (bei überdeckenderflacher Kanalstopperschicht wäre das das Substratpotential) bewegt sich das Potential in zunächst relativ steilem Verlauf vom Substratpotential weg, knickt in einer Tiefe ab, die etwa der Tiefenkoordinate des Muldenpotentialextremwertes vom ersten Speichergebiet entspricht, um dann in relativ geringer Neigung dem Muldenpotentialextremwert (in der achten Dotierungszone) zuzustreben, durchläuft diesen Muldenpotentialextremwert und steigt nunmehr in Richtung Substratpotential an, um diesen schließlich tief im Substratinneren zu erreichen. Im folgenden sei die Funktion des erfindungsgemäßen Registertyps erläutert: Im ersten Speichergebiet sei eine Signalladung vorhanden. Zur Weitergabe dieser Ladung wird an die Elektrode der ersten Konfiguration der Low-Pegel gelegt (bei der 2-Phasen-Variante würde gleichzeitig an die Elektrode der zweiten Konfiguration der High-Pegel gelegt). Zwischen den Muldenpotentialextrernwerten des ersten und zweiten Speichergebietes entsteht eine Potentialdifferenz. Obwohl zweites und erstes Speichergebiet unmittelbar aneinandergrenzen, fließt die Signalladung (an dieser Grenze) nicht vom ersten zum zweiten Speichergebiet. Zwischen den beiden Speichergebieten besteht (für die genannten Taktspannungspegel) aufgrund der oben beschriebenen speziellen Potentialverläufe eine Potentialschwelle. Verfolgt man den Potentialverlauf in beiden Speichergebieten mit fortschreitender geometrischer Distanz zur Oberfläche, so sieht man folgendes: Die Muldenpotentialextremwerte beider Speichergebiete liegen in unterschiedlicher geometrischer Distanz zur Oberfläche. Noch bevor im zweiten Speichergebiet das Potential den Muldenpotentialextremwert erreicht, strebt im ersten Speichergebiet das Potential bereits wieder dem Substratpotential entgegen.
Im Transfergebiet ist das Potential (für die genannten Taktspannungspegel) tiefer als im Muldenpotentialextremwert des ersten Speichergebietes. Die Ladung fließt so ins Transfergebiet hinein und in diesem längs des weiter flach sich vom Substratpotential wegbewegenden Potentials bis zum bei relativ großer Tiefenkoordinate befindlichen Muldenpotentialextremwert und gelangt schließlich in die energetisch noch tiefere Potentialmulde des zweiten Speichergebietes, die bei dieser eben erwähnten Tiefenkoordinate vorhanden ist.
Zur Weitergabe der Signalladung aus dem zweiten ins unmittelbar angrenzende erste Speichergebiet wird an die Elektrode der ersten Konfiguration der High-Pegel gelegt (bei der 2-Phasen-Variante würde gleichzeitig an die Elektrode der zweiten Konfiguration der Low-Pegel gelegt). Der High-Pegel (bzw. die Spannungsdifferenz zwischen beiden Phasen bei der 2-Phasen-Variante) wird so groß gewählt, daß bei derjenigen Tiefenkoordinate, die dem Ort des Muldenpotentialextremwertes des zweiten Speichergebietes zugeordnet ist, das Potential im ersten Speichergebiet weiter vom Substratpotential entfernt ist als der • Muldenpotentialextremwert des zweiten Speichergebietes. So kann die Ladung aus der Potentialmulde des zweiten Speichergebietes ins erste Speichergebiet hineinfließen, um dann in diesem ersten Speichergebiet zum dortigen Muldenpotentialextremwert, der sich näher zur Oberfläche hin befindet, zu fließen.
Der Ladungstransport im erfindungsgemäßen Register geschieht also nicht nur in (geometrisch) horizontaler Richtung, sondern ebenfalls alternierend in (geometrisch) senkrechter Richtung. Inder bevorzugten Ausführung geschieht dies im Transfergebiet in Richtung Substratinneres und im Grenzgebiet zwischen zweitem und ersten Speichergebiet in Richtung Oberfläche. Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Register liegt in der Möglichkeit der Rasterverkleinerung durch Wegfall eines Transfergebietes. Kann man beispielsweise in einem bestimmten Technologie-Niveau die Elektrodenlängen der ersten Konfiguration zu 4/xm wählen, so hätte man bei einer gleichfalls zu 4μίη gewählten Länge des zweiten Speichergebietes und einer Länge des Transfergebietes von 3μηι ein Stufenraster von 11 μνη.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: Schnittbilder für erfindungsgemäße 1-, IV2- und 2-Phasen-Register in der bevorzugten Ausführung
Fig.2: Schnittbilder zu einzelnen Etappen zweier verschiedener Schrittfolgen
Fig.3: Schnittbilder zur Realisierung eines IV2- sowie 2-Phasen-Registers mit einfacheren Dotierungsprofilen
Fig.4: Potentialverläufe für Register nach Fig. 1 a
Fig. 5: Potentialverläufe für Register nach Fig.3c
Fig.6: Schnittbild einer besonderen Ausführungsvariante sowie dazugehörige Potentialverläufe
Im Ausführungsbeispiel wird von einem p-leitenden Si-Substrat ausgegangen. Selbstverständlich ist die Erfindung auch mit η-leitendem Substrat und überhaupt mit anderen Halbleitermaterialien realisierbar.
Fig. 1 zeigt Schnittbilder für erfindungsgemäße 1-, IV2- und 2-Phasen-Register in der bevorzugten Ausführung. In Fig.2 werden einzelne Etappen zweier verschiedener Schrittfolgen zur Realisierung des 1-Phasen-Registers nach Fig. 1 a dargestellt.
Fig.3 zeigt einzelne Etappen zur Herstellung eines IV2- sowie 2-Phasen-Registers mit einfacheren Dotierungsprofilen. In Fig.4 sind die Potentialverläufe für das 1-Phasen-Register nach Fig. 1 a und in Fig.5 die Potentialverläufe für das 2-Phasen-Register nach Fig.3c dargestellt.
Fig.6 zeigt ein Register mit Oberflächenkanal im ersten Speichergebiet sowie Volumenkanal im Transfergebiet und zweiten Speichergebiet sowie die dazugehörigen Potentialverläufe.
Das p-leitende Si-Substrat 10 (Fig. 1) ist mit dem Gateisolator 13 überzogen, der entweder aus SiO2 (vorzugsweise thermische Oxydation) oder aus einer Doppelschicht SiO2/Si3N4 besteht.
Das erste Speichergebiet wird von der Elektrode 9 oder der poly-Si-Elektrode 19 kontrolliert. Im darunterliegenden Halbleitergebiet sind die η-dotierte erste Dotierungszone 14, die schwach η-dotierte zweite Dotierungszone 16 und die schwach p-dotierte dritte Dotierungszone 16 angeordnet. Im zweiten Speichergebiet sind beim 1-Phasen-Register (Fig. 1 a) und beim 11/2-Phasen-Register (Fig. 1 b) die η-dotierte vierte Dotierungszone 22, die p-dotierte fünfte Dotierungszone 18 und die p-dotierte sechste Dotierungszone 21 (flache Kanalstopperschicht) angeordnet. Beim 2-Phasen-Register (Fig. 1 c) fehlt im zweiten Speichergebiet die sechste Dotierungszone, dafür wird das Gebiet von der Elektrode 25 kontrolliert. Die vierte und fünfte Dotierungszone haben für die 2-Phasen-Ausführung normalerweise andere, vorzugsweise geringere Dotandenkonzentrationen als in der 1-oder 1 V2-Phasen-Ausführung und sind deshalb in Fig. 1 c mit 27 und 26 gekennzeichnet.
Im Transfergebiet sind beim 1 -Phasen-Register (Fig. 1 a) die η-dotierte siebente Dotierungszone, die in diesem Beispiel identisch mit der ersten Dotierungszone ist und daher die gleiche Kennzeichnung 14 hat, schwach η-dotiert achte Dotierungszone 20 und die p-dotierte sechste Dotierungszone 21 angeordnet.
Beim 11/2-und beim 2-Phasen-Register fehlt im Transfergebiet die sechste Dotierungszone, dafür wird das Gebiet entweder von der nur das Transfergebiet kontrollierenden Elektrode 47 (Fig. 1 b) oder von der Transfergebiet plus zweites Speichergebiet kontrollierenden Elektrode 25 bedeckt. Die siebente und achte Dotierungszone haben für diese Fälle normalerweise andere Dotandenkonzentrationen und sind deshalb in Fig. 1 b und Fig. 1 c mit 28 und 29 gekennzeichnet/So ist beispielsweise Zone 28 vorzugsweise geringer dotiert als Zone 14. Die Elektroden 19 sind von den Elektroden 47 bzw. 25 durch den Isolierfilm 24 getrennt.
In Fig.2 wird auf zwei Möglichkeiten zur Herstellung eines Registers nach Fig. 1 a anhand dreier Schnittbilder hingewiesen:
Hiermit soll vor allem aufgezeigt werden, daß die Realisierung der für die bevorzugte Ausführung benotigten acht Dotierungszonen relativ unkompliziert erfolgt. Es wird in diesem Beispiel davon ausgegangen, daß sämtliche Dotierungen durch Ionenimplantation eingebracht werden. Im folgenden Abschnitt werden für die entsprechenden Parameter Zahlenbeispiele in Klammern gesetzt. Dabei bedeuten die erste Zahl die Dosis in Ionen/cm2, die zweite Zahl die mittlere Eindringtiefe in nm und die dritte Zahl die Implantationsenergie in keV. Die Zahlenbeispiele entstammen einer Simulationsrechnung für ein p-Si-Substrat mit einer Dotierung von 8 · 1014cm~3 und für einen aus SiO2 bestehenden Gateisolator mit 40nm Schichtdicke. Das so hergestellte Register nach Fig. 1 a würde nach dieser Simulationsrechnung eine Taktspannung von -5 V, +5 V an den Elektroden 19 benötigen und dabei eine maximale Signalladung (Elektronen) von etwa 5 10"8C/cm2transportieren können.
In das mit dem Gateisolator 13 überzogene p-Si-Substrat 10 wurde großflächig als erstes Phosphor (4 · 10",705,60OKeV), als zweites Bor (8 · 1011, 488, 200KeV) und als drittes Phosphor (1,8 1012, 285, 260KeV) implantiert, dadurch entstanden die Zonen 15,16 und 14. Danach wurde ein Elektrodenfilm, beispielsweise poly-Si, aufgebracht. Der Elektrodenfilm wurde mit Fotolack beschichtet und strukturiert. Dabei entstanden die von der Lackmaske 12 bedeckten Elektrodenstege 11 (Fig. 2 a). Für die nachfolgenden beiden Implantationen von Phosphor (1,7 · 1012,705, 600KeV) und Bor (3,5 · 1012, 308,120KeV) bleibt die Maske 12 vorzugsweise erhalten, damit eine ausreichende Maskierung gegen die 600keV-lmplantation erreicht wird. Durch Überlagerung dieser beiden Dotierungen mit den bereits vor Abscheiden des Elektrodenfilms eingebrachten bilden sich die Zonen 17 und 18. Nunmehr wird in einer zweiten Strukturierung von den Stegen 11 ein Kantenbereich entfernt, es entstehen die Elektroden 9 (siehe Fig. 1 a).
Mit diesen Elektroden 9 als Maske erfolgen die beiden letzten Implantationen, nämlich Phosphor (5 1011, 48], 420KeV) und Bor (5 · 1012, 21, 20KeV). Dabei entstehen im Transfergebiet in Überlagerung mit den Zonen 15 und 16 die Zone 20 und im zweiten Speichergebiet in Überlagerung mit der Zone 17 die Zone 22. Außerdem wird die flache Kanalstopperschicht 21 gebildet. Die Dicke der Elektroden 9 muß genügend groß gewählt werden, um bei der420KeV-Phosphor-lmplantation ausreichend zu maskieren.
Wenn die zweifache Strukturierung des Elektrodenfilms vermieden werden soll, so kann man beispielsweise wie in Fig. 2 b und 2c gezeigt, vorgehen. Bis zur Strukturierung des Elektrodenfilms erfolgen die gleichen Schritte wie oben bei Fig. 2a erläutert. Aus dem Elektrodenfilm werden nunmehr die Elektroden 9 herausstrukturiert, und mit diesen Elektroden als Maske wird Phosphor bei 420 keV implantiert, es bildet sich, wie oben erläutert, die Zone 20 heraus (Fig. 2 b). Als nächstes wird die Lackmaske 23 hergestellt (Fig.2c) und Phosphor bei 600keV und Bor bei 120keV implantiert. Dabei bilden sich wiederum in Überlagerung mit
den bereits vorhandenen Dotierungen die Zonen 18 und 22 heraus. Es ist zu beachten, daß bei dieser Schrittfolgevariante (Fig. 2 b, c) die Elektroden 9 bei der 600keV-lmpiantation maskieren müssen. Für die Elektroden muß ein geeignetes Material und eine ausreichende Dicke gewählt werden. Als letztes wird schließlich Lackmaske 23 entfernt und mit den Elektroden 9 als Maske die flache Kanalstopperschicht 21 durch Implantation von Bor bei 20 keV hergestellt (Fig. 1 a).
In Fig. 3 sind Herstellung und Aufbau von Registerstufen mit nur einer Dotierungszone 41 im ersten Speichergebiet skizziert. Das p-Si-Substrat 10 wurde mit einem Doppelschichtgateisolator, dem SiO2-FiIm 13 und dem Si3N4-FiIm 40, überzogen (Fig.3a). Die erste Dotierungszone 41 wurde eingebracht, eine poly-Si-Schicht abgeschieden und aus ihr die Elektroden 19 strukturiert. Nach einer thermischen Oxydation entstand der SiO2-FiIm 24, danach wurde großflächig in den elektrodenfreien Gebieten der Si3N4-FiIm abgeätzt.
Nunmehr wird tief Phosphor in schwacher Dosis implantiert, es entsteht die achte Dotierungszone 39.
Weiterhin wird durch Implantation von Bor aus der ersten Dotierungszone 41 die siebente Dotierungszone 42.
Nach Herstellung der Lackmaske 23 werden tief Phosphor und in mittlere Tiefe Bor implantiert. Dabei entstehen die vierte Dotierungszone 45 und die fünfte Dotierungszone 44 (Fig. 3 b).
Es kann eine ausreichende Maskierung der Elektrodenstege bei der tiefen Phosphorimplantation durch den Überzug der poly-Si-Stege 19 mit dem SiO2-FiIm 24 erzielt werden. War beispielsweise die poly-Si-Schicht nach Abscheidung 600 nm dick, so könnte durch thermische Oxydation die Stege 19 (bei diesem Schritt war eine Aufoxydation der Substratoberfläche durch den noch vollständigen Si3N4-FiIm 40 ausgeschlossen) ein SiO2-FiIm 24 mit 400 nm Dicke erzeugt werden. Da dazu ca. 200 nm poly-Si verbraucht werden, hätte man zur Maskierung 400nm poly-Si plus 400nm SiO2 (plus Si3N4 Film 40 und plus SiO2-FiIm 38) zur Verfügung.
Nach Entfernen der Lackmaske 23 wird ein neuer Si3N4-FiIm 46 abgeschieden und eine zweite, Transfergebiet und zweites Speichergebiet bedeckende, Elektrode 25 erzeugt (Fig.3c, 2-Phasen-Register).
Ähnlich erhält man das 11/2-Phasen-Register nach Fig. 3d. Dort werden die nur die Transfergebiete bedeckenden Elektroden 47 erzeugt und in die Elektrodenlücken schließlich die flache Kanalstopperschicht 21 (sechste Dotierungszone) eingebracht. Die vierte und fünfte Dotierungszone haben bei dieser Variante normalerweise eine höhere Dotandenkonzentration als bei der Ausführung nach Fig.3c, deshalb sind die in Fig.3d mit 49 und 48 gekennzeichnet.
In Fig.4 sind die Potentialverläufe für ein 1-Phasen-Register (in bevorzugter Ausführung) nach Fig. 1 a dargestellt. Dabei bedeuten:
30 Potentialverlauf im leeren zweiten Speichergebiet
31 Potentialverlauf im leeren zweiten Transfergebiet
32 Potentialverlauf im leeren ersten Speichergebiet beim Low-Pegel
33 Potentialverlauf im leeren ersten Speichergebiet beim High-Pegel
34 Potentialverlauf im mit Signalladung gefüllten ersten Speichergebiet beim High-Pegel
35 Flußrichtung der Signalladung bei der Übergabe vom ersten Speichergebiet über das Transfergebiet ins zweite Speichergebiet.
In Fig.5a und 5b sind die Potentialverläufe für ein 2-Phasen-Register nach Fig.3c dargestellt. Dabei bedeuten:
50 Potentialverlauf im leeren zweiten Speichergebiet mit Low-Pegel an Elektrode 25
51 Potentialverlauf im Transfergebiet mit Low-Pegel an Elektrode 25
52 Potentialverlauf im leeren ersten Speichergebiet mit High-Pegel an Elektrode 19
53 Potentialverlauf im leeren ersten Speichergebiet mit Low-Pegel an Elektrode 19
54 Potentialverlauf im leeren zweiten Speichergebiet mit High-Pegel an Elektrode 25
55 Potentialverlauf im Transfergebiet mit High-Pegel an Elektrode 25
56 Flußrichtung der Signalladung bei der Übergabe vom zweiten Speichergebiet zum ersten Speichergebiet
57 Flußrichtung der Signalladung bei der Übergabe vom ersten Speichergebiet über das Transfergebiet zum zweiten Speichergebiet.
In Fig.6a ist ein Register gemäß dieser Erfindung dargestellt, bei dem im von der Elektrode 19 kontrollierten ersten Speichergebiet ein Oberflächenkanal sowie im Transfergebiet und zweiten Speichergebiet ein Volumenkanal erzeugt sind. Im ersten Speichergebiet ist in gewisser Tiefe eine schmale, sehr schwach η-dotierte Zone 60 angeordnet, welche zu Beginn des technologischen Prozesses großflächig eingebracht wurde. Im Transfergebiet ist die schwach n-dotierteZone61 vorhanden. Im zweiten Speichergebiet schließlich sind eine η-dotierte Zone 62 mit für BCCD's üblicher Dotandenkonzentration und im Oberflächenbereich eine schmale, schwach p-dotierte Zone 63 angeordnet. Durch die Zone 60 wird der benötigte Taktspannungspegel an 19 zur Übernahme der Signal ladung aus dem zweiten Speichergebiet ins erste Speichergebiet verringert
In Fig. 6b und 6c sind die dazugehörigen Potentialverläufe dargestellt. Dabei bedeuten:
64 Potentialverlauf im leeren zweiten Speichergebiet mit Low-Pegel an Elektrode 25
65 Potentialverlauf im leeren Transfergebiet mit Low-Pegel an Elektrode 25
66 Potentialverlauf im leeren ersten Speichergebiet mit High-Pegel an Elektrode 19
67 Potentialverlauf im leeren ersten Speichergebiet mit Low-Pegel an Elektrode 19
68 Potentialverlauf im leeren zweiten Speichergebiet mit High-Pegel an Elektrode 25
69 Potentialverlauf im leeren Transfergebiet mit High-Pegel an Elektrode 25
70 Flußrichtung der Signalladung bei der Übergabe vom zweiten Speichergebiet zum ersten Speichergebiet
71 Flußrichtung der Signalladung bei der Übergabe vom ersten Speichergebiet über das Transfergebiet ins zweite Speichergebiet

Claims (11)

1. CCD-Register mit kleinstem Raster, gekennzeichnet dadurch, daß eine Stufe aus einem ersten Speichergebiet, einem zweiten Speichergebiet und nur einem Transfergebiet besteht, wobei sich, in Ladungstransportrichtung gesehen, das Transfergebiet, das zweite Speichergebiet und das erste Speichergebiet unmittelbar einander anschließen, und wobei für den Betriebsfall die Potentialverläufe durch entsprechend eingebrachte Dotierungen dergestalt realisiert sind, daß der Muldenpotentialextremwert des zweiten Speichergebietes in einer anderen geometrischen Tiefe (die Tiefenkoordinate wird von der Substratoberfläche aus in Richtung Substratinneres gemessen) als derjenige des ersten Speichergebietes liegt, wobei der Muldenpotentialextremwert eines der beiden Speichergebiete auch direkt in der Oberfläche liegen kann und der Muldenpotentialextremwert des Transfergebietes in einer geometrischen Tiefe liegt, in der die Potentialmulde des zweiten Speichergebietes ausgebildet ist (somit auch der Muldenpotentialextremwert des Transfergebietes direkt in der Oberfläche liegen kann), dabei die energetische Differenz zwischen Muldenpotentialextremwert und Substratpotential im Transfergebiet kleiner ist als im zweiten Speichergebiet, und daß im Potentialverlauf des Transfergebietes vom Muldenpotentialextremwert bis zu einer geometrischen Tiefe, die etwa der Tiefenkoordinate des Muldenpotentialextremwertes des ersten Speichergebietes entspricht, mit relativ schwacher Steigung die energetische Differenz zum Substratpotential verkleinert wird und daß insbesondere die Potentialverläufe des Transfergebietes und des zweiten Speichergebietes sich im Bereich zwischen den Tiefenkoordinaten der Muldenpotentialextremwerte beider Speichergebiete derart kreuzen, daß zwischen diesem Kreuzungspunkt und der zum Muldenpotentialextremwert des ersten Speichergebietes zugehörigen Tiefenkoordinate die Potentialwerte im zweiten Speichergebiet näher am Substratpotential liegen als die Potentialwerte im Transfergebiet.
2. CCD-Register nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in den drei Gebieten erstes Speichergebiet, zweites Speichergebiet und Transfergebiet im Betriebsfall folgende Potentialverläufe durch entsprechende Dotierungen realisiert sind: Im ersten Speichergebiet eine Potentialmulde, die entweder etwa den Potentialverläufen normal üblicher BCCD's entspricht, oder vorzugsweise im Abschnitt vom Muldenpotentialextremwert bis zum Substratinneren einen zunächst steilen Anstieg in Richtung Substrat-Potentialwert aufweist und in gewisser (geometrischer) Tiefe abknickt, um relativ schwach weiter in Richtung Substratpotential anzusteigen, wobei bei kleinen Elektrodenspannungen zwischen dem erwähnten Knickpunkt und dem Substratinneren eine leichte Einsattelung erfolgen kann; im zweiten Speichergebiet vom Oberflächenwert ausgehend, ein Ansteigen in Richtung Substratpotential, oder, falls der Oberflächenwert bereits Substratpotential hat, ein Verbleiben auf Substratpotential, in einer gewissen Tiefe Abknicken des Potentials und Ausbildung einer (geometrisch) tiefliegenden Mulde, wobei der Muldenpotentialextremwert eine deutlich größere geometrische Distanz zur Oberfläche aufweist als der Muldenpotentialextremwert im ersten Speichergebiet; im Transfergebiet vom Oberflächenpotential ausgehend ein stetiges Entfernen vom Substratpotential bis zum Muldenpotentialextremwert in einergeometrischen Tiefe, in dersich beim zweiten Speichergebiet bereits die Potentialmulde ausbildet, nach Durchlaufen des Extremwertes Ansteigen in Richtung Substratpotential.
3. CCD-Register nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Potential im Transfergebiet, vom Oberflächenpotential ausgehend, sich zunächst relativ steil vom Substratpotential entfernt, dann in einer (geometrischen) Tiefe, die etwa der Tiefenkoordinate des Muldenpotentialextremwertes des ersten Speichergebietes entspricht, abknickt und danach sich relativ flach weiter vom Substratpotential entfernt, den Muldenpotentialextremwert in einer geometrischen Tiefe, in der beim zweiten Speichergebiet bereits die Potentialmulde ausgebildet ist, durchläuft und schließlich wieder in Richtung Substratpotential ansteigt.
4. CCD-Register nach Punkt 1 oder 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß im ersten Speichergebiet, falls dieses von einer Elektrode kontrolliert wird, eine erste Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp mit den für BCCD's üblichen Dotandenkonzentrationen und Eindringtiefen, tief eine zweite Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp mit sehr schwacher Dotandenkonzentration und zwischen erster und zweiter Dotierungszone eine dritte Dotierungszone vom Substratleitungstyp mit schwacher Dotandenkonzentration angeordnet sind.
5. CCD-Register nach Punkt 1 oder 2 oder 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß im zweiten Speichergebiet tief eine vierte Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp mit einer der ersten Dotierungszone ähnlichen Dotandenkonzentration, in mittlerer Tiefe eine fünfte Dotierungszone vom Substratleitungstyp mit einer Dotandenkonzentration in der Größenordnung des Betrages der Dotandenkonzentration der vierten Dotierungszone angeordnet sind, und entweder unmittelbar im Oberflächenbereich eine sechste Dotierungszone vom Substratleitungstyp ausreichender Dotandenkonzentration zur Erzeugung einer flachen Kanalstopperschicht vorhanden ist oder eine Elektrode auf einem das zweite Speichergebiet überziehenden Isolierfilm angebracht ist.
6. CCD-Register nach Punkt 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß im Transfergebiet tief eine achte Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp mit sehr schwacher Dotandenkonzentration und in einer etwa der Lage der ersten Dotierungszone entsprechenden Tiefe eine siebente Dotierungszone mit einer Dotandenkonzentration, welche entweder für den Fall, daß im unmittelbaren Oberflächenbereich eine sechste Dotierungszone vom Substratleitungstyp mit ausreichender Dotandenkonzentration zur Erzeugung einer flachen Kanalstopperschicht vorhanden ist, derjenigen der ersten Dotierungszone nahekommt oder für den Fall, daß auf einem das Transfergebiet überziehenden Isolierfilm eine Elektrode angebracht ist, kleiner als diejenige der ersten Dotierungszone ist, angeordnet sind.
7. CCD-Register nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß im ersten Speichergebiet eine Oberflächen-Potentialmulde realisiert ist, während im Transfergebiet und im zweiten Speichergebiet die Potentialmulden im Halbleitervolumen positioniert sind.
8. CCD-Register nach Punkt 1, oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite Speichergebiet und das Transfergebiet von einer flachen Kanalstopperschicht überdeckt sind sowie das erste Speichergebiet von einer Elektrode kontrolliert wird (1-Phasen-Register).
9. CCD-Registernach Punkt 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite Speichergebiet von einer flachen Kanalstopperschicht überdeckt ist und das Transfergebiet von einer Elektrode sowie das erste Speichergebiet von einer zweiten Elektrode kontrolliert werden (11/2-Phasen-Register).
10. CCD-Registernach Punkt 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite Speichergebiet und das Transfergebiet von einer oder jeweils einer Elektrode sowie das erste Speichergebiet von einer weiteren Elektrode kontrolliert werden (vorzugsweise 2-Phasen-Register).
11. CCD-Register nach Punkt 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite Speichergebiet von einer Elektrode kontrolliert und das Transfergebiet von einer flachen Kanalstopperschicht überdeckt sowie das erste Speichergebiet von einer weiteren Elektrode kontrolliert sind (11/2-Phasen-Register).
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