DE2409664A1

DE2409664A1 - Ladungsueberfuehrungs-halbleiterstruktur und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2409664A1
Application number: DE2409664A
Authority: DE
Inventors: Iwao Takemoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-02-28
Filing date: 1974-02-28
Publication date: 1974-10-17
Also published as: GB1444047A; NL7402772A; DE2409664C2; NL163901C; NL163901B

Description

Ladungsüber£Iihrungs-I-Ialbleiterstruktur und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Ladungsüberführungs-Haibleiterstruktur enthaltend einen Halbleiterkörper, eine auf diesem angeordnete Isolatorschicht, eine erste, auf dieser Isolatorschicht angebrachte Reihe von Elektroden und mit diesen verbundene .Mittel zur Überführung dar in den Halbleiter eingeführten Ladungsträger, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Überführungsstruktur der genannten Art mit durch nur geringe Abstände voneinander getrennten Elektroden und ein Verfahren sur Herstellung dieser Strukturen.

Solche Überf ührungsstrukturen sind an sich bekannt, und 2\var in Form, der Topfkolonnenstrukturen (ΙΞ32 J. Solid-State Circuits, SC-4, Seiten 131 - 136, Juni 2969j "Bucket Brigade Electronics - New Possibilities for Delay, Time-Axis Conversion and Scanning" von F.L.J. Sangster und K. Teer), in Form der ladungsgekoppelten Halbleiterstrukturen (The Bell System Technical Journal, 3d. 49, ITr. 4, Seiten 587 - 593, April 1970; "Charge Coupled Semiconductor

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Devices" von !7.3. Boyle und G.Ξ. Smith) und in Forra von volunengeladenen Halbleiterstrukturen (Electronics Letters, Bd. 3, Seiten 520 - 621, Dezenber 1972j "Peristaltic Charge-Coupled Device: A Hew Type of Charge-Transfer Device" von L.J.l-I. Ssser).

Wenngleich in der folgenden Beschreibung die ladungsgekoppelte Halbleiterstrulctur vorrangig beschrieben ist, da sie die wichtigste Ladungsüberführungs-Halbleiterstruktur ist, so ist die Erfindung doch keineswegs aufdiese ladungsgekoppelten Halbleiterstrukturen beschränkt. Vielmehr ist sie auf alle Arten, insbesondere die vorgenannten Arten der Ladungsüberführungs-Halbleiterstrukturen anwendbar.

Sine her]-iö"x~ilichs iadungsgekoppelte "Halbleiterstruktur ist eine auf einer herkömmlichen i-etall-Isolator—Halbleiter— struktur beruhende Struktur, die einen Hal3oleitergrundkörper, auf einer seiner Oberflächen eine Isölatorschicht, Ilittel zum Einbringen von Ladungsträgern in den Halbleiterkörper, getrennt voneinander zur Speicherung der Ladungsträger und zur Überführung der Ladungsträger entlang der an die Isolatorschicht angrenzenden Gberflächenbereiche des Halbleiters auf der Isolatorschicht angebrachte Elektroden, mit diesen in Verbindung stehende Ilittel zurvi Anlegen eines elektrischen Feldes an den Halbleiter und Ilittel zum Aufspüren bzw. Registrieren der überführten Ladungsträger enthält.

Diese Art der ladungsgekoppelten Halbleiterstruktur wird wie folgt betrieben:

An eine der Elektroden wird eine Gleichspannung angelegt. Dadurch entsteht im Oberflächenbareich des Halbleiters angrenzend an die Isolatorschicht und unterhalb der Elektrode ein Erschöpfungsbereich. Da dieser Er-

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Schöpfungsbereich sich nur ü?cer den Cberflächanbereich des Halbleiters unterhalb der mit der Gleichspannung beaufschlagten. Elektrode erstreckt, wird in diesen Bereich eine Potentialsenke gebildet.

In diesem Sustand können in der Potentialsenke Ladungsträger gespeichert werden. Diese Ladungsträger werden in den Bereich der Oberfläche des Halbleiters eingeführt. Das kann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung an einen pn-übergang in der Struktur geschehen, kann durch Auslösen eines Lawinendurchschlags in der Ketal l-Cxid-IIalbleiterstruktur oder kann durch Bestrahlen rait aktivierenden Strahlen oder Licht geschehen.

Sine höhere Gleichspannung als die an diese Elektrode angelegte Gleichspannung wird dann an eine andere, an diese Elektrode angrenzende Elektrode angelegt. r*uf diese Weise wird also im Bereich der Halbleiteroberfläche unter der angrenzenden Elektrode eine Potentialsenke erzeugt, die tiefer ist als die im 3ereich der Halbleiterober-. fläche unter der ersten Elektrode erzeugte Potentialsenke.

Indem die Ladungsträger aus der flacheren Potentialsenke in die tiefere Potentialsenke fallen, werden sie also in die unter der angrenzenden Elektrode liegenden Oberflächenbereiche des Halbleiters überführt. Nach der Überführung der Ladungsträger in die unter der angrenzenden Elektrode liegenden Halbleiterbereiche wird die an der ersten Elektrode liegende Spannung abgeschaltet und die an der angrenzenden Elektrode liegende Gleichspannung auf den ursprünglich an die erste Elektrode angelegten Spannungsbetrag vermindert. Im Ergebnis sind die Ladungsträger dadurch vollständig in jene Oberflächenbereiche des Halbleiterkörpers überführt worden, die unterhalb der angrenzenden Elektrode: liegen.

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Uenn die vorstellend beschriebene Gleichspannungsbeaufschlagung zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Elektroden nacheinander wiederholt wird, können die Ladungsträger entlang der Slektrodenfolge auf der an die Isolatorschicht angrenzenden Oberfläche des Halbleiterkörpers geführt werden.

Die Prinzipien und die Grundstruktur einer ladungsgekoppelten I-Ialbleiter struktur sind im Detail in der vorgenannten Druckschrift The Bell Systera Technical -Journal, Bd. 49, ITr. 4, Seiten 587 - 5S3 (April 1970), "Charge Coupled Semiconductor Devices" von '.7.3. Boyle und G.3. Snith beschrieben.

"7ie vorstehend beschrieben, -nuss der Erschöpfungsbereich in ladungsgekoppelt^n I-Ialbleiterstrukturen an der Oberfläche des Halbleiterkörper unterhalb der Elektroden und zwischen den elektroden zur Ladungsträgerüberführung erzeugt werden.

In den Ealbleiteroberflächen'oereichen unterhalb der Elektroden kann der Erschöpfungsbereich leicht erzeugt v/erden. 3s ist jedoch schwierig, einen ausreichend v/irksa^ien Erschöpfungsbereich an der Halbleiteroberfläche zwischen den Elektroden zu schaffen·. Diese Schwierigkeit beruht einfach darauf, dass in den zwischen den Elektroden liegenden Bereichen ja keine Elektroden zur Erzeugung des Erschöpfungsbereiches zur Verfügung stehen.

Tatsächlich erstreckt sich der Erschöpfungsbereich jedoch auch entlang der Oberfläche des Halbleiterkörpers in den Bereich zwischen den Elektroden hinein. Dieser Effekt wird durch einen koronaartigen Feldverlauf der an die Elektroden angelegten Gleichspannung erreicht. Die Ausbreitung des Erschöpfungsbereiches entlang der Ober-

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fläche des Halbleiterkörpers weist dabei eine Länge auf, die etwa gleich der Tiefe des Erschöpfungsbereiches ist, der durch die angelegte Spannung senkrecht zur Halbleiteroberfläche erzeugt vdrd. Bei Verwendung beispielsv/eise eines n—Halbleiters mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von etv/a 10 Öhnrcra beträgt die Tiefe des Erschöpfungsbereiches senkrecht zur Halbleiteroberfläche etwa 1,4 ,um und erstreckt sich gleicherweise etwa 1,4 /uia in der Ebene der Halbleiteroberfläche, gemessen von der Kante der Elektrode. 3ur Schaffung des Erschöpfungsbereiches iiu Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers zwischen den Elektroden müssen die Abs bande zwischen den Elektroden also innerhalb einer Grenze von etwa 2,0 ,χσ·.ι, also innerlial?j dsr doppelten seitlichen Ausdehnung des Erschopfungsbereiches liegen.

VJenn der Elektrodenabstand grosser als der doppelte seitliche Ausdehnungsbereieh des Srschöpfungsbereiches ist, wird die Bildung einss Srschöpfungsbersiches unter den zwischen den Elektroden liegenden Oberflächerabereichen schwierig. Entsprechende Schwierig]leiten bereitet dann auch eine Ladungsträgerüberführung in der Halbleiteroberfläche von Elektrode zu Elektrode. Die Abstände zwischen den Elektroden müssen daher sehr eng sein, in der Praxis in der Regel kleiner als 3 /um.

Auf der anderen Seite tritt aber selbst wenn der Elektrodenabstand so eng, wie vorstehend angegeben, ausgebildet wurde, zwischen den Elektroden eine Potentialschwelle auf, da die Auswirkung der an die Elektroden angelegten Spannungen in den zwischen den Elektroden liegenden Bereichen abgeschwächt ist.

Aufgrund dieser Potentialschvrelle können stets einige Zünoritätsträger nicht überführt werden.,

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Zur Behebung dieses ITachteils ist eine neue Art einer ladungsgekoppelt en Halbleiterstruktur vorcreschlagen worden. Bei dieser Struktur ist eine zweite Slektrodenreihe vorgesehen, die auf einer zweiten Isolatorschicht angeordnet ist. Diese zweite Isolatorschicht ist auf der ersten Isolators chi eilt sv.d sehen und auf einer* Teil der zuvor beschriebenen Elektroden der ladungsgekoppelten Halbleiter struktur aufgebracht.

Der !lachteil dieser neuen Art einer ladungsgekoppelten Halloleiterstruktur liegt jedoch darin, dass sie eine nur relativ geringe Integrationsdichte zulässt. Bei diesen Strukturen ist nshilich die Herstellung gleich— lässiger und genauer Xbstünde zwischen den einzelnen iälektrodsn ausserordentlich schwierig, da es zureinvsndfreien Funkticr.stüclrcigkeit dieser Strukturen erforderlich ist, dass sich die Elektroden der ersten Reihe und die Hleictrodan dar zweiten Reihe unter 2wischenfügung der zv/eiten Isolatorschicht einander überlappen.

Die zuvor beschriebenen Nachteile des Standes der Technik im Bereich der ladungsgekoppelten Halbleiterstrukturen kann also wie folgt zusammengefasst werden: Die Abstände zwischen den Elektroden raüssen ausserordentlich eng sein, der Wirkungsgrad der Überführung der Hinoritätsträger ist niedrig, die Inhomogenität der Strukturen wird durch mangelnde Kasshaltigkeit hinsichtlich der Blektrodenabstände gross und die erzielbare Integrationsdichte ist gering.

Ziel der Erfindung ist es daher, ladungsgekoppelte Halbleiterstrukturen zu schaffen, bei denen die zuvor geschilderten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere soll eine ladungsgekoppelte Halbleiterstruktur mit hohem überführungswir'cungsgrad für die Ladungsträger geschaffen werden. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung

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eines Verfahrens zur Herstellung ladungsgekoppelter Halbleiterstrukturen, die die arv.'ähnten ITachteile nicht aufweisen und sich durch einen besonders hohen »Jberführungswirkungsgrad der Ladungsträger auszeichnen.

Zusarxaenfassend kann also gesagt v/erden, dass der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, den Stand der Technik zu verbessern, insbesondere Ladungsüberführungs-Halbleiterstrukturen zu schaffen, die bei einen ausserordentlich hohen überführungsv/irkungsgrad wirtschaftlich und einfach herstellbar sind und bei guter Ilasshaltigkeit der Elektrodenanordnung eine wesentlich höhere Integrationsdichte als die bekannten Strukturen ermöglichen.

Zur Lösung dieser Au.: gäbe wird eine Ladun-silber führungs-Halbleiterstruktur der eingangs genannten Art vorgeschlagen, gekennzeichnet.durch eine zweite "leihe von elektroden, von denen jede auf der I sola tor schicht zwischen je einer. Paar Elektroden der ersten Heine angeordnet ist, und durch oxidierte Bereiche der Elektroden der ersten Iteihs, von welchen Bereichen jeweils einer auf der Isolatorschicht zwischen jeweils einer Elektrode der ersten Reihe und einer Elektrode der zweiten Reihe angeordnet ist.

Sur Herstellung dieser Struktur wird erfindungsgenäss ein Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man in an sich bekannter ?7eise die Leiterschicht einer Leiter/lsolator/Halbleiter-Struktur unter Verwendung einer Maske dem 31ektrodeninuster entsprechend ätzt, und dass man dann die durch das Atzen freigelegten Seitenflächen der Leiterschicht oxidiert und anschliessend auf das Maskenmaterial und die durch das Ätzen freigelegte Oberfläche der Isolatorschicht eine zweite Leiterschiclit aufbringt. Nach einer bevorzugten weiteren Ausbildung des Verfahrens gemäss der Erfindung kann dann

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in einera weiteren Verfahr ens schritt das stehen gebliebene Maskemnaterial rait dem auf diesem aufliegenden Anteil der zweiten Leiterschicht entfernt werden.

Hit anderen Porten sieht die Erfindung also eine Ladungsträgerüberführungs-IIalbleiterstruktur mit einem Halbleitergrundkörper vor, auf dessen einer Oberfläche eine Isolatorschicht, .vorzugsweise aus SiO₂, aufgebracht ist, die ihrerseits mehrere, vorzugsweise aus Aluminium bestehende Slektroden einar ersten Reihe trägt. Es werden Seitenflächen dieser Elektroden unter Ausbildung unter Ausbildung einer gleichmässigen Oxidschicht, vorzugsv/eise also einer Al_0₀-8chicht, oxidiert. Zwischen die oxidierten äusseren Seitenflächen der Elektroden der ersten Reihe sind Elektroden einer zweiten Reihe, vorzugsweise im Verhältnis 1:1 verzahnt,eingebettet. Die Gesarat— struktur ist dabei so ausgelegt, dass über geeignete Anschlüsse unter geeigneter Steuerung im Halbleiteroberflächenbereich unter den Elektroden räumlich klar abgegrenzte Erschöpfungsbereiche erzeugt werden können und dass waschen diesen Erschopfungsbereichen eine gesteuerte Ladungsträgerüberführung bewirkt werden kann.

Die genannten Ziele der Erfindung werden also in der Weise erreicht, dass man eine erste Reihe von Elektroden so oxidiert, dass an deren Seitenflächen Oxidbereiche gebildet werden, die einander von Elektrode zu Elektrode gegenüberliegen, und dass man eine zweite Reihe von Elektroden so anordnet, dass je eine Elektrode dieser zweiten Elektrodenreihe zwischen je zwei Oxidbereiche gebracht ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Seichnungen näher beschrieben, Zum besseren Verständnis ist im folgenden auch der Stand

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der Technik noch einmal in Verbindung mit den Figuren dargestellt, ils zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt eine Struktur nach dsr.i

Stand der Tedhni?c rait idealen Fotentialverlauf ;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Struktur nach dem Stand der Technik r.iit realein Fotentialverlauf;

Fig. 3 ira Querschnitt eine weitere Struk-tur nach des- Stand der Technik (ladungsgekoppelte Halbleiterstruktur)τ

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der woerführungsstruktur der Erfindung;

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein weiteres Äusführungsbeispiel der Struktur der Erfindung;

Fig. 6 in Querschnitt in fünf Stufen die HerstellungsStadien der in Fig. 4 gezeigten Struktur;

Fig. 7 im Querschnitt 6 HerstellungsStadien der in Fig. 5 gezeigten Struktur;

Fig. 8 im Querschnitt ein vreiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 9 im Querschnitt ein v/eiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung:

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Fig. 10 im Querschnitt fünf Herstellungsstadien der in Fig. 9 gezeigten Struktur; und

Fig. 11 iiti Querschnitt sechs Eerstellungsstadien eines weiteren Jvusführungsbeispiels der Struktur der Erfindung.

Wie zuvor beschrieben, weise eine Ladungsüberführungs-Halbleiterstnictur auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers Elektroden auf, die von dieser durch eine Isolatorschicht getrennt sind.

Die wichtigsten Teile der Struktur einer ladungsgekoppelten Kalbleiterstruktur nach dem. Stand der Technik sind in Fig. dargestellt. Die aus einem l'etall oder eineva Halbleiter bestehenden Elektroden la, Ib, Ic, 2a, 2b und 2c sind auf einen EalbleitereinZcristall 3 aufgebracht. Der Haibleitor kann beispielsweise Silicium sein. Zwischen den elektroden und deni Halbleiter ist eine Isolatorschicht 4 vorgesehen.

Der Halbleiter 3 sei η-leitend. Für p-leitende Halbleiter brauchen in der nachfolgenden Beschreibung lediglich die Polaritäten urn-jekehrt su v/erden.

Die prinzipielle Arbeitsweise einer ladungsgekoppelten Halbleiterstruktur sei in Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten Struktur erläutert:

Die Spitzenbeträge der an die Elektroden la, 2a;, Ib, 2b bzw. Ic, 2c angelegten Spannungsimpulseseien -V,, -V- bzw. "^V3* ^{Für v}l^ ^V2^ ⁷3 zsigt ^das Oberflächenpotential des Halbleiters 3 den in Fig. 1 durch eine unterbrochene Linie 5 symbolisch dargestellten Potentialverlauf. Dieser Potentialverlauf ist im einzelnen von den an die Elektroden angelegten Spannungen und von der Dicke der Isolatorschicht

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abhängig.

Unter der "Tirkung des in Fig. 1 gezeigten Oloerflächenpotentials 5 wandern die Defektelektronen 6 unter den Elektroden Ib und 2b in Bereiche unter den Elektroden Ic bzw. 2c, in denen ein niedrigeres Potential als in den Bereichen unter den Elektroden Ib und 2b herrscht ab.. Bei einer Vertauschung des Verhältnisses der Spitzenbeträge der Spannungsimpulse in der Weise, dass V_<V_O<V, ist, v/erden die Defektelektronen in entsprechender "eise von den Bereichen unter den elektroden Ic und 2c in die Bereiche unter der Elektrode 2a bzvr. unter der rechts neben der i'lektrode 2c liegenden Elektrode verschoben.

Auf diese ',"eise können die Defektelektronen entlang der Halbleiteroberfläche durch 'Überführen von Senke .zu Senke geführt werden.

Der wesentliche Nachteil, der dieser ladungsgekoppelten Hal?oleiterstruktur nach dem. Stand der Technik anhaftet, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 2 ist eine Vergrösserung eines Ausschnitts der in Fig. 1 gezeigten Struktur und zeigt den Zwischenraum zwischen zwei Elektronen, beispielsweise zwischen den Elektroden Ib und Ic.

Wie auch im folgenden sei angenommen, dass der Kalbleiter auf Erdpotential liegt. Das Oberflächenpotential des Halbleiters 3 unter den Elektroden Ib und Ic wird durch das Potential, auf dem sich der Halbleiterkörper 3 befindet, und die an die Elektroden Ib und Ic angelegten Spannungen bestimmt.

Gleicherweise wird das Oberflächenpotential des.Halbleiters im Bereich zwischen den Elektroden Ib und Ic, mit anderen Worten also in jenen Bereichen, die nicht direkt unter einer Elektrode liegen, durch die Potentiale der Elektroden

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und zwar sowohl durch das Potential der Elektrode Ib als auch gleichzeitig durch das Potential der 2lektrode Ic, und durch da3 Potential des Halbleiters 3 bestrbnmt. Der Einfluss des Elektrodenpotentials hängt jedoch von der Entfernung von der Elektrode ab. ilit zunehtiendem Abstand von der elektrode nirarnt dar Grad des Potential-einflusses ab.

Deozufolge schneiden sich die von den Elektroden Ib und Ic sich ausbreitenden bzw. von diesen geformten Fotentialkurven an einem. Schnittpunkt 7. Ilit anderen "orten tritt an einer bestimmten Stelle zwischen den Elektroden Ib und Ic, nänlich an Schnittpunkt 7, der j?all ein, dass das Oberflächeiipotential des iialbleitsr3 3 stärker von der Gegenseite des Halbleiterkörpers als von baiüen Sle?ctrodsM Ib und Ic beeinflusst wird. Ιτα Schnittpunkt 7 liegt das Obarflächenpoteatial also höher als direkt unter jeder der beiden Elektroden. Der Schnittpunkt 7 wirkt also als Potentialschvrelle für die Defektelektronen 6.

Insbesondere bei der Ladungsüberführung tritt die Tendenz zur Erzeugung dieser Potentialschwelle auf bzw. wird sie vergrössert, wenn sie bereits von Anfang an vorhanden war. Kit abnehmendem Unterschied zwischen den Oberflächenpotentialen des Halbleiters direkt unter den Elektroden Ib und Ic und mit zunehmendem Abstand zwischen den Elektroden Ib und Ic wird die Potentialschwelle höher. Ein Teil der Tinter der Elektrode Ib im Halbleiter liegenden Defektelektronen kann also nicht in den unter der Elektrode Ic liegenden Bereich überführt werden. Der V7irkungsgrad der Defektelektronenüberführung niitcat also ab. Der Ladungsüberführung in Ladungsüberführungs-Halbleiterstrukturen der genannten Art steht also die Potentialschwelle zwischen den Elektroden als gravierendstes Hindernis entgegen.

Zur Verminderung des Einflusses dieser Potentialschwelle ist

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es srforderlicli, dan Abstand zwischen den Elektroden zu verringern. Ilit den derzeit zur Verfugung stehenden photolithograpliischen Ätzverfahren ist es jedoch schwierig. Abstände von weniger als 3 ,vm. herzustellen.

Zur Aufhebung der Potentialschwelle ist daher eine Überführungsstrulitur der in Fig. 3 gezeigten Art vorgeschlagen worden. In dieser Struktur werden die zwischen den Elektroden 10a und lob sowie 10 und lOc liegenden Potentialschwellen durch Elektroden 11a und 11b abgebaut. Diese zusätzlichen Elektroden 11a und 11b liegen über den Zwischenräumen zwischen den Elektroden 10a und lob bzw. 10b und lOc. Die zusätzlichen Elektroden 11a und lib werden mit einer negativen Spannung beaufschlagt.

Diese in Fig. 3 gezeigte Uberführungsstruktur mit den Hilfselektroden 11a und lib zum Abbau der zwischen den Steuerelektroden 10a, lob und 10c auftretenden Fotentialschwellen weist jedoch e?oenfalls eine Reihe von !!achteilen auf.

Bei der Herstellung der in Fig. 3 gezeigten ladungsgekoppelten Halbleiterstruktur treten die Schwierigkeiten bei der Herstellung der zweiten Elektrodenschicht auf. Da die Abstände L, und L₃ zwischen den Elektroden 10a und 10b bzw. den Elektroden 11a und 11b und die Abstände L_? und L^ für die Überlappung der Elektroden 11a und 10b bzw. der Elektroden 11b und lob genau eingehalten werden müssen. Selbst wenn jeder dieser Anstände L, , L-, L₀ und L^, zu 3 /UiU gev.€.hlt ^T-/ird, was der derzeit unteren Grenze der Fertigungsgenauigkeit entspricht, muss die Elektrode 10b mindestens 9 /um lang bzw. breit sein, so dass für ein Elektrodenpaar, also beispielsweise für die Elektroden 11a und lob oder 11b und lOc mindestens 12 ,um erforderlich sind.

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Auf diese T7eise wird die erforderliche Mindestlänge der Slektrodenko-nbination auf das rd. Vierfache des von der Fertigungstechni3c her erforderlichen Wertes, nämlich von 3 /Uta auf 12 /um, vergrössert. Hinsichtlich der erzielbaren Integrationsdichte ist für die in j*rage stehenden Überführungsstrukturen nach deivi Stand der Technik also von vornherein ein beachtlicher und spürbarer Verlustfaktor unvermeidbar. Da weiterhin die Geschwindigkeit der Ladungsträgerüberführung den Cuadrat der Slektrodenlenge umgekehrt proportional ist, wird auch die erzielbare tJberfuhrungsgeschwindigkeit in Strukturen der in Fig. 3 gezeigten Art nach dem Stand der Technik spürbar verlangsamt.

All diese Nachteile resultieren dabei au3 den Erfordernis der Elektrodenüberlappung.

Die zuvor beschriebenen !.Tachteile werden durch die Strukturen der Erfindung, beispielsweise durch die in den Figuren 4 und 5 gezeigten Strukturen, überwunden.

In der in Fig. 4 gezeigten Struktur ist auf einer Isolatorschicht 21, die auf einem. Halbleiter 20 aufgebracht ist, eine erste Reihe Elektroden 22,23 und zwischen.diesen, eine zweite Reihe Elektroden 24,25 aufgebracht. Jede der Elektroden der zweiten Reihe liegt zwischen je einem Elektrodenpaar der ersten Reihe. Die Elektroden sind jeweils durch einen der oxidierten Bereiche 26,27,28 des Materials der Elektroden 22,23 der ersten Reihe voneinander getrennt.

In der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform sind die oxidierten Bereiche 26,27,23 von den Elektroden 24,25 der zweiten Reihe im Gegensatz zu der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform durch Luftspalte 29,30,31 getrennt.

Sin Verfahren zur Herstellung der Ladungsüberführungs-

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Halbleiterstruktur der in Fig. 4 gezeigten Art ist in folgenden anhand, der Figuren 6a bis Se beschrieben.

Ein n-Si-I-Iaterial 20 mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10 Ohm·cm wird in einer Sauerstoff enthaltenden oxidierenden Atmosphäre auf 1100 ⁰C erhitzt. Dabei bildet sich eine 3i0₂-Isolatorschicht 21 iviit einer Dicke von ICOO S. Auf diese Isolator schicht vdrd eine etvja 5000 S dicke AlurainiurAschicht 32 auf gebracht. Auf die Metallschicht 32 v/ird eine Fhotoätsrnaskenschicht 33 in einer Stärke von etvza 5000 S (Pie;, ca) aufgebracht. Als Fhotoätzmaskenriaterial kann beispielsweise ein unter den Ilandelsnaraen I\Z 1350 von Shipley Go. erhältliches Material verwendet vrerden.

Anschliessend wird in an sich bekannter Ueise photolithographisch geätzt. Das Photouiaskenmaterial 33 v.drd nach Hassgabe der zuvor bestürmten Elektrodengeometrie geätzt. Anschliessend v.drd nach dein entsprechenden Muster die Metallschicht 32 ausgeätzt (Fig. 6:o).

Die dadurch freigelegten Oberflächen der Iletallschicht 32, also die Seitenflächen der Metallschicht 32, v/erden anodisch oxidiert. Dabei werden etwa 2000 S dicke Oxidschichten 34 erhalten (Fig. 6c).

Die so erhaltene Struktur wird dann mit einer etwa 5000 dicken Aluminiumschicht bedampft. Es werden also Leiterschichten 36 auf dem Photoätzmaskenmaterial 33 und Leiterschichten 35 auf den freigelegten Oberflächenbereichen der Isolatorschicht 31 gebildet. Die Leiterschichten sind von den Leiterschichten 32 durch die Oxidschichten getrennt (Fig. 6d).

Das stehengebliebene Maskenmaterial 33 wijrd dann zusammen

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trat den Leiter schichten 36 in an sich bekannter Weise entfernt. Die danach erhaltene Struktur ist in der Fig. 6e gezeigt. Die oberste Schicht der Struktur besteht aus den Leiterbereichen 32 und 35, die durch die oxidischen Isolatorbereiche 34 voneinander getrennt sind.

In Ladungsübertragungshalbleiterstrukturen dieser Art v/erden keine Potentials.chwellen erzeugt, da der Abstand z\«?i sehen jeder der üetallschichten 32 und jeder der Leiterschichten 35 nur etwa 2000 S beträgt, nämlich der Dicke der Oxidschicht entspricht. Hinsichtlich des Feldeffektes ist dieser Abstand praktisch Null.

Da weiterhin die Breite jeder der IJetallschichten 32 und jeder der Leiterschichten 35 etwa 3 ,um dick genacht werden kann, was den Grenzen der derzeitigen Fertigungstechnik entspricht, kann gegenüber den bekannten Strukturen eine spürbare Erhöhung der Integrationsdichte erzielt v/erden.

Mit anderen Uorten, wenn die derzeitige Dichte eine untere Grenze für eine nassgenaue Verarbeitung von 3 /Uni zulässt, so können die Ladungsüberführungs-Kalbleiterstrukturen der Erfindung init einer Slektrodenbreite von 3 ,um. und einen Elektrodenabstand von nur 0,2 ,um massgenau und exakt hergestellt werden.

Die leitenden Schichten 36 können mit dem Photomaskenmaterial 33 auch auf der Struktur verbleiben und zu vollständig anderen Aufgaben, die nicht mit den Elektroden der überfuhrungsstruktur zusammenhängen, verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung von Drahtanschlüssen.

Bei einer solchen Verwendung der Leiterschichten 36 zu anderen Zwecken kann vorzugsweise statt des Photoätzmaskenmaterials 33 eine Siliciumdioxidschicht verwendet werden.

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Dadurch wird für die Gesaratstruktur auch eine höhere Stabilität erreicht.

In den Figuren 7a bis 7e sind Stadien der Herstellung einer überzührungsstruktur der in Fig. 5 gezeigten Art dargestellt. Ein n-Si-Ilaterial 20 mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von IO Ohia«cni wird in einer Sauerstoff enthaltenden oxidierenden Atmosphäre auf 1000 C erhitzt. Dabei bildet sich eine aus 3iO_? bestehende Isolatorschicht 21 mit einer Dicke von 1000 A. Auf dieser Isolatorschicht wird eine mit Bor dotierte Siliciumschicht mit einer Dicke von etwa 5000 S aufgebracht. Dazu wird SiH. bei etwa 900 ⁰C thermisch zersetzt, wobei sich auf der Isolatorschicht 21 eine Siliciumschicht abscheidet. In die so gebildete Siliciuaschicht wird dann Bor thermisch eindiffundiert. Auf der fertigen bordotierten Siliciuraschicht 37 wird dann eine Schicht eines Photoätz- :aaskenmaterials 38 aufgetragen (Fig. 7a).

Alternativ kann die dotierte Siliciumschicht 37 auch durch gemeinsame thermische Zersetzung von SiH. und 3₂"ß erfolgen.

Anschliessend wird die Xtzmaskenschicht 38 in an sich bekannter Weise photo lithographisch nach Ilassgabe der gewünschten Geometrie des Slektrodenmusters geätzt (Fig. To). Die dadurch freigelegten Siliciumschicht 37 v/ird dann nach Massgabe der erhaltenen Ätzmaske 38 geätzt. Diese Ätzung wird dabei, wie in Fig. 7c gezeigt, in verstärkter Weise durchgeführt, und zwar so, dass die Seitenflächen der Siliciuraschicht 37 ebenfalls weggeätzt werden,und zwar so weit, dass die aufliegende i^tzmaskenschicht in der Grössenordnung von etwa 3000 ä nach aussen übersteht.

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Die auf diese Ueise freigelegten, unterstehenden Seitenflächen der dotierten Siliciuinscliicht 37 werden anschliessend anodisch oxidiert. Dabei warden oxidierte Bereiche 3S in einer Schichtdicke von etwa 2000 R (Fig. 7d) erhalten.

Die so erhaltene Struktur v.drd dann in einer Schichtdicke von 5000 λ rait Gold bedanpft. Dabei werden Leiter schichten auf der?L stehen gebliebenen 2-Iaterial der Photo ätz-na skenschicht 38 und v/erden ,Leiters chicht en 40 auf der durch die Üfczung der dotierten Siliciunischicht 37 freigelegten Oberfläche der Isolatorschicht 21 gebildet. Diese Leiterschichten 40 sind von den dotierten Silicium chichten 37 jeweils dur± eine Oxidschicht 39 und zusätzlich durch einen Luftspalt 42 (Fij. 7e) getrennt.

?;7ach ^nbfernen der Leitersc'iichten 41 und der stehen gebliebenen Ileste der Fhotoätsniaokenscbicht 33 vrird die in Fig. 5 gezeigte Struktur erhalten.

Die Leiterschichten 41 können jedoch zusariraen rait den stehen gebliebenen Bereichen der Photoätzniaskenschicht 33 auf der Struktur verbleiben und zu unterschiedlichen Zwecken, die mit den Elektroden der Überführungsstruktur nicht ira SusanEnenhang stehen, verwendet v/erden.

In der in Fig. 5 gezeigten Ladungsuberführungshalbleiterstruktur ist der Elektrodenabstand durch eine Oxidschicht und einen Luftspalt definiert. Gleicherweise kann jedoch auf' die Herstellung der Oxidschicht verzichtet werden, so dass der Elektrodenabstand allein durch einen Luft— abstand definiert ist. Eine solche Struktur kann in der Weise hergestellt werden, dass roan statt der in den Figuren 7d und 7e gezeigten Verfahrens stufen anschliessend an die in der Fig. 7c gezeigte Verfahrensstufe die in der Fig. 7f wiedergegebene Verfahrensstufe anschliesst.

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Eine weitere Ausbildungsform der Struktur der Erfindung ist in der Fig. 8a im Querschnitt gezeigt.

Diese Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der in Fig. 6e gezeigten Ausführungsform dadurch, dass eine aus SiO- bestehende Isolatorschicht SO auf die lletallschicht 32 und den Oxidbereich 34 aufgebracht wurde. Eine solche Struktur ist ganz ausserordentlich stabil, da ^T.-Janderungseffekte aus den Leitungsschichten 35, die verstärkt auftreten, wenn diese Schichten aus Aluminium oder Gold bestehen, vollständig unterdrückt v/erden.

Die in Fig. Sa gezeigte Struktur wird in ähnlicher !«'eise und über ähnliche Verfahrensstufen, v/ie die in Fig. 6e gezeigte Struktur, hergestellt, v,Obei sich lediglich als v/eitere Verfahrensstufe dis Bildung einer 3iO_-Schicht 30 auf der Metallschicht 32 vor der Bildung der Photoätzraaskanschicht 33 einschiebt. In einer der Fig. 6d entsprechenden Weise wird dann eine Struktur der in Fig. Sb gezeigten Art erhalten.

Wenn die Metallschichten 32 als erste Reihe von Elektroden verv/endet wird, können zur Herstellung von Kontakten zur Verbindung mit einer äusseren Spannungsquelle in den SiO^-Schichten SO in der ?7eise Löcher hergestellt sein, dass grössere Oberflächenbereiche der Metallschichten 32 zum Aufbringen leitender Materialien auf diese Oberflächen freigelegt sind.

Die zuvor beschriebenen Ladungsüberführungs-Halbleiterstrukturen können zur Überführung von Ladungsträgern durch drei- oder zweiphasige Schiebeimpulse verwendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform einer Überführungsstruktur, die mit zweiphasigen Schiebeimpulsen betrieben werden kann, ist in Fig. 9 dargestellt.

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Auf einem Halbleiterkörper 45 (Fig. 9) liegt eine Isolatorschicht 45. Auf dieser Isolatorscliicht 45 ist eine Reine erster Slektroden 47,43,49 angeordnet. Zwischen je sv/ei dieser 3lektroden ist je eine illektrode einer zweiten Reihe von 3le3itroden 50,51,52 auf der Isolatorschicht 46 vorgesehen. Die Elelctroden der ersten und derfsweiten Reihe sind durch oxidierte 3ereiche 53,54,55,55,57 des Materials der Elektroden 47,43,49 der ersten Reihe von Elektroden voneinander getrennt. Dire;ct unter den elektroden 50,51,52 der zweiten Reihe sind in Halbleiter 45 Ealbleiterbereiche 53, 59,60 ausgebildet, die z*>rax vom gleichen Leitungstyp wie der Halbleiter 45, jedoch höher als der Halbleiter 45 dotiert sind. Schliesslich sind jeweils eine Elektrode der ersten Reihe und jev/eils eine Elektrode der zweiten Reihe durch Leiter 61,52,53 zu Paaren verbunden.

Die Herstellung der in 7ig. 3 gezeigten Struktur ist anhand der in den !figuren ICa bis lOf gezeigten Verfahr ens Stadien ira folgenden näher beschrieben.

Ein p-3i 45 mit einera spezifischen elektrischen Widerstand von 10 0hm* cm wird iritrocknem Sauerstoff auf et\^a 1000 ⁰C erhitzt. Dabei entsteht eine aus SiO₉ bestehende Isolatorschicht 46 nit einer Dicke von 1000 S. Auf diese Isolatorschicht 45 wird eine rnit Phosphor dotierte polykristalline Siliciumschicht 54 aufgebracht. Auf dieser so hergestellten polykristallinen Siliciumschicht 64 wird eine Phosphatsilicatglasschicht 65 gebildet (Pig. lOa).

Die Phosphatsilicatglasschicht 65 und die polykristalline Siliciumschicht 64 werden dann nach flassgabe der Geometrie des Elektrodenmusters geätzt (Fig. 10b).-

-Die dadurch freigelegten Seitenflächen der polykristallinen Siliciumschicht 64 werden dann anodisch oxidiert. Die

so gebildeten oxidierten Beireiche 65 sind etwa 3000 λ. dick. Anschliessend werden die Ealbieiterbereiche 67 in Halbleiter durch Borioneninplantation hergestellt (3¹Ig. ICc). Die Iraplantationsenargie beträgt etwa lOO keV.

Anschliessend werden die Aluminiumschichten 62 und 69 auf der Isolatorschicht 46 bzw. auf der Phosphatsilicatglasschicht 65 niedergeschlagen {?ig. iod).

Danach werden die stehengebliebenen Heste der l^:hosphatsili— catglasschicht 65 susar-snen i.iit den Aluiainiunschichten S9 entfernt. In an sich bekannter "reise werden dann die Leiterschichten 70 in der in Fig. 1Oe gezeigten ?;eise aufgebracht, so dass die in ?ig. 9 gezeigte Struktur erhalten vdrd.

In den -Piguren Ha bis Hf ist ein weiteres Verfahren sur Herstellung einer Ladungslv^erführungs-rialbleiterstruktur geseigt. Die so hergestellten Strukturen weisen durch einen Luftspalt und eine aus dera I'aterial einer Elektrode hergestellte Oxidschicht gebildete Blektrodenabstände auf.

Sin p-Si 45 mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10 Ohm*cm ward in trocknera Sauerstoff auf 1100 ⁰C erhitzt. Dabei wird eine SiOg-Isolatorschicht 46 mit einer Schichtdicke von 1300 S gebildet. Auf dieser Isolatorschicht 46 v/erden nacheinander zunächst eine Aluminiurnschicht 71 und dann auf dieser eine Photoätzinaskenschicht 72 aufgebracht (Fig. Ha).

Die Photoätzmaskenschicht 72 wird dann nach Hassgabe der Geometrie des gewünschten Elektrodenrausters" in an sich bekannter Gleise photolithographisch geätzt (Pig. lib).

Unter Verwendung der durch die Schicht 72 so gebildeten Ätzmaske wird dann die Aluminiurnschicht 71 in an sich bekannter

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Weise geätzt. Diese Sitzung wird, wie in der Fig. lic dargestellt, so weitgehend durchgeführt, dass die Seitenflächen der Aluniniunschicht 71 auch noch unter der Ilaske verjgeützt v-erden, und zwar so weit, dass das Ilaskennaterial in der Grössenordnung von 5000 A seitlich übersteht.

Die so freigelegten unterstehenden Seitenflächen der AIuniniunischicht 71 v/erden dann anodisch oxidiert. Dabei v/erden Oicidschichten 73 in einer Stärke von etwa 20C0 S erhalten. Dann v.'erden die I-Ialbleiterbereiche 74 im Halbleiter 45 durch Ionenimplantation erzeugt. 3ur Implantation werden 100 keV-Bor ionen verv.iendet (Fig. lld).

Auf die so erhaltene Struktur wird anschliessend Aluininiun in einer Schichtdichte von grössenordnungsr.ässig 5000 S aufgedampft. Dabei v.'erden auf der Isolatorschicht 45 Leiter-Schichten 75 und auf dem stehengebliebenen Ilaskenmaterial 72 Leiterschichten 76 erhalten (Fig. lie).

Das stehengebliebene Ilaskenxnaterial 72 wird dann zusancaen mit den Leiterschichten 76 entfernt, so dass jeweils einer der Leiterbereiche 75 und eine der Alutuiniumschichten in der in Pig. Hf gezeigten Weise durch Leiterschichten in an sich bekannter !Jeise verbunden werden können. Die so erhaltene Ladungsüberführungs-I-Ialbleiterstruktur v/eist also Slektrodenabstände auf, die durch einen Luftspalt 73 und eine aus dem Material der Elektrode 71 hergestellte Oxidschicht 73 definiert sind.

In den zuvor beschriebenen Aus führ ungsf orraen beträgt der durch den Oxidbereich und bzw. oder Luftspalt definierte Elektrodenabstand 20OO - 5000 S. Dieser Abstand ist jedoch nicht auf die genannten Längen beschränkt. Er kann generell im Bereich von 1000 S bis 1 /Uxü, vorzugsweise im Bereich von 2OO S bis 50OO R, liegen. Wenn der Elektroden-

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abstand weniger als 200 R beträgt, insbesondere weniger als 100 S beträgt, treten zwisehen den Elektroden leicht Kurzschlüsse auf, die den Betrieb der Struletur stören. Wenn auf der anderen Seite der Elektrodenabstand grosser als 5000 R₁ insbesondere grosser als 1 /ura, ist, v-ird es schwierig, die zwischen den Elektroden auftretende Potentialschwelle vollständig zu unterdrücken.

Die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Elektroden bestehen aus Aluminium, polykristallinen dotierten Siliciura oder Gold. Diese Elektroden sowohl der ersten als auch der zweiten Reihe können jedoch auch aus anderem Leitermaterial bestehen, wobei die Elektroden der ersten und der zweiten Raihe aus gleiche-a oder voneinander verschiedenem Material bestehen können. Geeignete Slektrodenmaterialien sind beispielsweise I-Ietalle, wie Tantal, "vol oder Molybdän. Insbesondere für die .Elektroden der zweiten Reihe können elektrisch leitende Oxide, wie beispielsweise Zinn (IV)-oxid (SnO₃) und Indiurnoxid (In₅O₃) verwendet werden.

Auch als Ilaskemraterial zur Herstellung der Elektroden der ersten Reihe können andere Stoffe als das beschriebene Photoätzraaskeniaaterial AS 1350, Fhosphatsilicatglas oder Siliciumdioxid verwendet werden. Beispielsweise können die von Kodak erhältlichen Stoffe KTPR oder Kt-3R sowie andere Stoffe verwendet werden, die eine von Elektrodenmaterial ausreichend unterschiedliche chemische Löslichkeit aufweisen, wie beispielsweise Al₃O₃ oder Si₃N.. In Verbindung mit Elektroden aus Tantal oder Zinn(IV)-oxid können selbst Leiter, wie beispielsweise Aluminium, als Maskenmaterial verwendet werden.

Weiterhin brauchen die Seitenflächen der Elektroden der ersten Reihe nicht unbedingt nur anodisch oxidiert zu werden. Statt der anodischen Oxidation kann auch eine thermische Oxidation oder eine chemische Oxidation durchgeführt

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werden.

Schliesslich kann als direkt auf der Halbleiteroberfläche aufgebrachte Isolatorschicht statt des in den vorstehenden Beispielen beschriebenen Siliciunidioxids auch beliebiges anderes Isolatomaterial verv/endet werden, beispielsv7ei3e Al₃CU, Si-,/.Τ^ oder Karabinationen dieser Stoffe.

SchliesslÜL sei noch einial darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht nur auf die vorstehend als Beispiele beschriebenen Strukturen beschränkt ist, sondern in Verbindung mit allen arten von Ladungsüberführungs-Halbleiterstrukturen verwendet werden kann.

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Claims

Patentansprüche

1./Ladungsüberführungs-I-Ialbleiterstruktur enthaltend einen Halbleiterkörper, eine auf diesem angeordnete Isolatorschicht, eine erste, auf dieser Isolatorschicht angebrachte Reihe von Elektroden und mit diesen verbundene Mittel zur überführung der in den Halbleiter eingeführten Ladungsträger, gekennzeichnet durch eine zweite Reihe von Elektroden (24,25), vondenen jede auf der Isolatorschicht (21) zwischen je einein Paar Elektroden (22,23) der ersten Reihe angeordnet ist,'und durch oxidierte Bereiche (26,27,23) der Elektroden (22,23) •der ersten Reihe, von welchen Bereichen jeweils einer auf der Isolatorschicht zwischen jeweils einer Elektrode der ersten Reihe und einer Elektrode der zweiten Reihe angeordnet ist.

2. Struktur nach AnsxDruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die oxidierten Bereiche (26,27,23) 100 S bis 1 /Um dick sind.

3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die oxidierten Bereiche (26,27,23) 200 bis 50OO S diele sind.

4. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die Elektroden (22,23)

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der ersten Reihe aus Metall bestehen.

5. Struktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass das lietall Aluminium, Gold, Tantal, Wolfram oder Molybdän ist.

6. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Elektroden (22,23) der ersten Ueihe aus polykristallinem Silicium bestehen.

7. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Elektroden

^N (24_f25) der zweiten Reihe aus Metall oder einem elektrisch leitenden Oxid bestehen.

8. Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass das Oxid Zinn(lV)-oxid oder Indiumoxid ist.

9. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , dass die freie Oberfläche jeder der Elektroden (32) der ersten Reihe mit einer Isolatorschicht (80) bedeckt sind.

1O. Verfahren zur Herstellung von Ladungsüberführungs-Halbleiter struktur en durch Herstellen eines Halbleiterkörpers , Aufbringen einer Isolatorschdcht auf dessen

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Oberfläche, Aufbringen einer Leiterschicht auf die Isolatorschicht, Aufbringen einer Schicht aus einem I-Iaskenrnaterial auf die Leiterschicht, J-ltzen der Maskenschicht und der Leiterschicht nach Massgabe der Geometrie des gewünschten 3lektrodennusters, dadurch gekennzeichnet , dass nan die Leiterschicht in der Weise ätzt, dass deren Seitenflächen und die Oberflächen der I solator schicht freigelegt v/erden, dass man die so freigelegten Seitenflächen der Leiterschicht oxidiert und dass man auf die i-laske und auf die freicrelegten Oberflächenbereiche der Isolatorschicht eine zv.-eite Leiterschicht aufbringt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , dass man nach Herstellung der zv/eiten Leiterschicht das Ilaskenmaterial mit den auf diesem liegenden Bereichen der zv/eiten Leiterschicht entfernt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , dass man die Seitenflächen der Leiterschicht thermisch oxidiert.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass man die Seitenflächen der Leiterschicht anodisch oxidiert.

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14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , dass man die Seitenflächen der Leiterschicht chemisch oxidiert.

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