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Die Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte Anordnung, die einen
Halbleiterkörper umfaßt mit an einer Oberfläche einem Parallelabschnitt von nebeneinander
liegenden parallelen Kanälen und einem damit gekoppelten seriellen Register mit
parallelem Eingang und seriellem Ausgang, wobei die parallelen Kanäle durch
Begrenzungszonen, die sich zwischen den parallelen Kanälen bis hin zum seriellen Register
erstrecken, voneinander getrennt sind, während das serielle Register mit einem in einem
m-Lagen-Verdrahtungssystem ausgeführten System aus Taktelektroden versehen ist. Die
Erfindung betrifft auch eine Kamera mit einer solchen Anordnung.
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Ladungsgekoppelte Anordnungen mit parallel-seriellen Übergängen
kommen beispielsweise in Bildsensoren vor, in denen Information, die in Form von
Ladungspaketen in dem Parallelabschnitt gespeichert ist, zeilenweise zum seriellen
Register transportiert wird und am Ausgang des seriellen Registers zur weiteren
Verarbeitung sequentiell ausgelesen wird. Solche parallel-seriellen Kombinationen werden auch
häufig in Speichern verwendet, beispielsweise in SPS-Speichern.
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Eine Anordnung der eingangs erwähnten Art ist aus dem US-Patent
4.236.830 bekannt. Dieses beschreibt verschiedene parallel-serielle Übergänge, bei
denen die parallelen Kanäle über ihre gesamte Länge, bis zum seriellen Register, eine
gleichmäßige Breite haben. Das serielle Register ist als Mehrphasenregister ausgeführt,
bei dem die Breite der Taktelektroden so gewählt ist, daß der Zwischenabstand im
Parallelabschnitt einer zu diesen Phasen gehörenden Gruppe von Taktelektroden
entspricht. Dies ermöglicht es, eine Reihe von Ladungspaketen gleichzeitig parallel in das
serielle Register einzubringen und anschließend diese Ladungspakete weiter durch das
serielle Register mittels Mehrphasentakten zu transportieren. Während des parallel
seriellen Transports können die Taktelektroden des seriellen Registers, das in der
Verlängerung (an der Oberfläche gesehen) der Begrenzungszonen zwischen den parallelen
Kanälen liegt, mit einem sperrenden Spannungspegel versehen werden, während die
anderen Taktelektroden auf einen aktiven Pegel gesetzt werden, so daß Ladung unter
diesen letzteren Elektroden gespeichert werden kann.
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In derzeit üblichen Bildsensoren umfaßt das serielle Register zwei oder
drei Unterregister nebeneinander mit lateralen Verbindungen zwischen den
Unterregistern. Während des parallel-seriellen Transports werden die Ladungspakete einer
einzigen Reihe in dem Parallelabschnitt mittels der lateralen Verbindungen über die
Unterregister verteilt und dann durch die Unterregister zu einem Ausleseglied transportiert.
Diese Unterteilung des seriellen Registers ist wegen des immer kleiner werdenden Zwi
schenabstandes des Parallelabschnitts, der eine hohe horizontale Auflösung in dem
Aufzeichnungsabschnitt des Sensors ermöglicht, aber nicht mehr mit dem
Zwischenabstand der Elektroden in dem seriellen Register kompatibel ist, interessant geworden.
Die Verwendung eines solchen zusammengesetzten seriellen Registers ist jedoch auch
mit Nachteilen verbunden. So hat sich unter anderem gezeigt, daß die Verteilung der
Ladung über zwei oder drei Unterregister innerhalb fester, kurzer Zeitintervalle äußerst
kritisch und häufig nicht optimal ist und in verhältnismäßig hohem Maße zu dem
sogenannten FPN (Fixed Pattern Noise) beiträgt. Dies wird noch dadurch verstärkt, daß die
Unterregister gewöhnlich mit gesonderten Ausgangsverstärkern versehen sind, die nicht
vollkommen identisch sein werden. Außerdem erfordert ein parallel-serieller Transport
ein ziemlich kompliziertes Taktschema.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung so zu
entwerfen, daß, auch bei sehr kleinen Abmessungen in dem Parallelabschnitt in horizontaler
Richtung, ein einziges serielles Ausgangsregister ausreichen kann, wobei gute
Transporteigenschaften erhalten bleiben.
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Erfindungsgemäß ist eine ladungsgekoppelte Anordnung der eingangs
erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß die in der m-ten, oberen
Verdrahtungsschicht vorgesehenen Taktelektroden zu einer gemeinsamen Phase des seriellen
Registers gehören und Teil einer kontinuierlichen Leiterschicht sind, die sich über die
anderen Taktelektroden erstreckt und von diesen isoliert ist, und daß eine Taktelektrode mit
jeder der genannten Begrenzungszonen zusammenhängt, wobei die Taktelektrode in der
ersten, niedrigsten Verdrahtungsschicht vorgesehen ist und, an der Oberfläche gesehen,
in der Verlängerung der Begrenzungszone liegt und eine Länge hat, die höchstens gleich
der Breite der Begrenzungszone ist, wobei diese Taktelektroden auch zu einer
gemeinsamen Phase des seriellen Registers gehören. Die Verwendung einer
Mehrlagenverdrahtung ermöglicht es, wie bekannt, die Elektroden überlappend zu bilden. Wenn die nied
rigste oder erste Verdrahtungsschicht aufgebracht ist, ist die Konfiguration im
allgemeinen noch ziemlich plan, so daß es möglich ist, Elektroden in dieser Schicht mit ziemlich
hoher Genauigkeit zu bilden. Diese Schicht ist daher besonders geeignet für die
Elektroden, die genau relativ zu den Begrenzungszonen justiert werden müssen, die
gewöhnlich sehr schmal sind. Wenn diese Elektroden weiterhin so entworfen sind, daß die
Elektrodenränder nicht über die Ränder der Kanal-Begrenzungszonen hervorstehen,
kann verhindert werden, daß infolge von Effekten eines schmalen Kanals am
parallelseriellen Übergang Potentialbarrieren erzeugt werden, die den Ladungstransport
behindem könnten. Da zudem die Elektroden in der oberen Schicht, d.h. der als letzte
Schicht angedeuteten Schicht, als kontinuierliche Schicht vorgesehen sind, werden diese
Elektroden nicht von einer Maske definiert, ebensowenig wie die Abstände zwischen
den Elektroden. Da die Abmessungen sehr klein sein können, beispielsweise in der
Größenordnung von 1 Mikrometer, und der Aufbau mit überlappenden Elektroden
gewöhnlich in diesem Stadium des Prozesses alles andere als plan ist, ist die Definition
der Elektroden in der letzten Verdrahtungsschicht häufig ein ziemlich kritischer Schritt,
der dadurch, daß die Elektroden als kontinuierliche Schicht entworfen werden, in
vorteilhafter Weise vermieden wird. Nur diejenigen Teile dieser Schicht, die nur von einem
dünnen Gate-Dielektrikum zwischen den übrigen Elektroden getrennt werden, wirken
als Elektroden. Die dazwischen liegenden Teile der Schicht werden von der Oberfläche
des Halbleiterkörpers durch die anderen Elektroden getrennt und sind dementsprechend
nicht aktiv.
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Eine günstige Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die
kontinuierliche Leiterschicht in der oberen Leiterschicht einen Teil umfaßt, der über einem
an das serielle Register grenzenden Teil des Parallelabschnitts liegt.
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Eine wichtige Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung ist
dadurch gekennzeichnet, daß das serielle Register eine m-Phasen-Anordnung ist, in der
Taktelektroden, die in einer gemeinsamen Verdrahtungsschicht vorgesehen sind, zur
gleichen Phase gehören. Obwohl es unter gewissen Bedingungen vorteilhaft sein kann,
die Anzahl der Verdrahtungsschichten nicht gleich der Anzahl Phasen zu wählen,
beispielsweise eine 4-Phasen-CCD in 3-lagigem polykristallinen Silicium, hat diese
Ausführungsform unter anderem den Vorteil, daß alle Elektroden an einer einzigen Seite
des seriellen Registers ohne. zusätzliche Kreuzungen über Taktleitungen verbunden
werden können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Bildsensor vom
Rastertransfertyp;
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Fig. 2 eine Draufsicht des parallel-seriellen Übergangs dieser Anordnung;
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Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2;
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Fig. 4 einen Querschnitt dieser Anordnung entlang der Linie IV-IV;
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Fig. 5 einen Querschnitt der gleichen Anordnung entlang der Linie V-V in
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Fig. 2; und
Fig. 6 und 7 den gleichen Querschnitt wie Fig. 5 bei der Herstellung der
Anordnung.
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Es sei bemerkt, daß die Zeichnung schematisch ist und nicht
maßstabsgetreu, und daß insbesondere die Abmessungen in vertikaler Richtung, quer zur
Oberfläche des Halbleiterkörpers relativ zu den Abmessungen in horizontaler Richtung
vergrößert dargestellt sind.
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Die Anordnung von Fig. list von allgemein bekannter Art und umfaßt
ein System von nebeneinanderliegenden CCD-Kanälen 1, die einen
Bildaufnahmeabschnitt 2 und einen Speicherabschnitt 3 bilden. Ein serielles Ausgangsregister 4 ist über
einen parallel-seriellen Übergang mit den Ausgängen der parallelen Kanäle gekoppelt.
Die Anordnung von Fig. 1 kann zum Aufzeichnen bewegter Bilder verwendet werden.
Die Erfindung ist jedoch auch in Bildsensoren für stillstehende Bilder anwendbar
(electronic still picture: esp), die beispielsweise dadurch erhalten werden können, daß ein
horizontales Ausleseregister zwischen dem Bildaufnahmeabschnitt 2 und dem
Speicherabschnitt 3 im Sensor von Fig. 1 aufgenommen ist. Für eine ausführlichere
Beschreibung
eins solchen Sensors sei auf die Veröffentlichung "A 2/3" 1188(H) * 484(V)
FRAME-TTRANSFER CCD FOR ESP AND MOVIE MODE" von Bosiers et al.,
IEDM Washington, Dezember 1988, S.70-73, verwiesen.
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Die Funktionsweise ladungsgekoppelter Bildsensoren vom Rastertrans
fertyp ist allgemein bekannt. Während einer Integrationsperiode wird ein auf den
Aufnah meabschnitt projiziertes Bild in ein Muster aus Ladungspaketen umgewandelt. Nach
der Integrationsperiode wird dieses Ladungsmuster mit hoher Geschwindigkeit in den
Speicherabschnitt 3 transportiert, der von einfallender Strahlung abgeschirmt ist. Die
Zeilen des gespeicherten Ladungsmusters werden dann einzeln in das serielle Register 4
transportiert, und paketweise über den Ausgang 5 ausgelesen.
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Um die größtmögliche horizontale Auflösung zu erhalten, ist der
Zwischenabstand zwischen den Kanälen 1 sehr klein, beispielsweise ungefähr 6 Mikrometer.
Bei diesen kleinen Abmessungen ist es üblich, zwei oder drei horizontale Register 4
vorzusehen, so daß ein größerer Zwischenabstand in dem Ausleseregister möglich ist. In
der erfindungsgemäßen Anordnung hat das horizontale Register einen Entwurf, der
unter Beibehaltung eines wirksamen parallel-seriellen Transports die Verwendung eines
einzigen Registers ermöglicht. Fig. 2 zeigt in der oberen Hälfte einen Teil des
Speicherabschnitts 3 und in der unteren Hälfte einen angrenzenden Teil des seriellen
Ausgangsregisters 4. Nur ein Kanal der parallelen Kanäle 1 wird in seiner vollen Breite, links
und rechts von Begrenzungszonen 7 begrenzt, dargestellt. Am rechten Rand der
Zeichnung wird noch ein benachbarter Kanal 1 teilweise gezeigt. Die Begrenzungszonen 7
werden in der Zeichnung mit Strich-Punkt-Linien angedeutet. Die Figur zeigt weiterhin
das letzte Ladungsspeicherungsgate 8 und ein Transfergate 9.
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Das horizontale Ausgangsregister 4 in der vorliegenden Ausführungsform
wird von einer 3-Phasen-CCD gebildet, was bedeutet, daß bei einem Zwischenabstand
von 6 Mikrometern zwischen den Begrenzungszonen 7 innerhalb eines Gebietes von 6
Mikrometern drei Taktelektroden des seriellen Registers 4 erzeugt werden müssen. Die
Taktelektroden sind in einer Mehrlagenverdrahtung ausgeführt, in diesem Beispiel eine
3-Lagen-Verdrahtung aus polykristallinem Silicium. Dies ermöglicht es, jede der 3
Phasen in einer Schicht vorzusehen. Die Verdrahtungsschichten werden im weiteren der
Kürze halber mit Poly-1, Poly-2, und Poly-3 angedeutet, wobei Poly als Kurzform für
polykristallines Silicium steht und die Ziffern hinter Poly die Reihenfolge angeben, in
der die verschiedenen Poly-Schichten aufgebracht worden sind. Erfindungsgemäß sind
die Taktelektroden 11, die in Poly-3 liegen, d.h. der obersten Poly-Schicht, die als
letzte aufgebracht wurde, Teil einer kontinuierliche Leiterschicht 12, die sich nicht nur
am Ort der Taktelektroden 11 über den CCD-Kanal erstreckt, sondern auch über die
anderen Taktelektroden, durch die sie vom Kanal getrennt wird, so daß sie am Ort
dieser anderen Elektroden nicht als Elektrode aktiv ist. Wie weiterhin aus der
Draufsicht von Fig. 2 ersichtlich ist, gehört zu jeder der Begrenzungszonen 7 eine
Taktelektrode 13, die in Poly-1 vorgesehen ist, d.h. der niedrigsten, als erste aufgebrachten
Poly-Schicht. Die Elektroden 13 gehören zu einer gleichen Phase, in dem Beispiel zu
φ-3, so daß im Betrieb immer die gleichen Spannungen an diese Elektroden angelegt
werden. Die Elektroden 13 liegen, in der Draufsicht betrachtet, in der Verlängerung der
Begrenzungszonen 7 und haben eine Länge (in horizontaler Ladungstransportrichtung
gesehen), die höchstens gleich der Breite der Begrenzungszonen 7 ist. Zwischen den
Elektroden 11 und den Elektroden 13 liegen die Elektroden 14, die in der poly-2-
Schicht gebildet werden und zu der φ-2-Phase gehören.
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Da die Elektroden 13 nicht breiter als die Zonen 7 sind, kann verhindert
werden, daß beim parallel-seriellen Transport, wenn die Elektroden 13 auf einen
sperrenden Spannungspegel und die Elektroden 11 und 14 auf einen aktiven Spannungspegel
gesetzt werden, in dem seriellen Register, vom Parallelabschnitt aus gesehen, infolge
von Effekten eines schmalen Kanals eine Potentialbarriere gebildet wird. Das Auftreten
einer solchen Barriere könnte dazu führen, daß Ladung im Parallelabschnitt
zurückbleibt. Durch Bildung der Elektroden 13 in Poly-1, wobei noch keine anderen
Elektroden auf der Oberfläche vorhanden sind, ist es möglich, bei ihrer Herstellung eine
große Genauigkeit zu erhalten, zumindest eine größere Genauigkeit, als wenn die Elek
troden 13 in Poly-2 oder Poly-3 gebildet worden wären, dank der Tatsache, daß der
Aufbau in diesem Stadium noch verhältnismäßig plan ist. Das Anbringen der Elektroden
11 ist ziemlich einfach, weil diese Elektroden in der obersten Leiterschicht Poly-3 als
kontinuierliche Schicht ausgeführt werden, obwohl der Aufbau in diesem Stadium des
Prozesses nicht mehr plan ist, so daß die Herstellung sehr kleiner Strukturen schwierig
oder sogar unmöglich ist.
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Wie in der Draufsicht von Fig. 2 und dem Querschnitt von Fig. 4 zu
erkennen ist, umfaßt die Schicht 12 einen Teil 15, der über einem Teil des
Parallelabschnitts
liegt, der an das serielle Register 4 grenzt und zwischen den
Begrenzungszonen 7 verläuft. Der Teil 15 überlappt die Transferelektrode 9, die aus im weiteren
noch zu nennenden Gründen vorzugsweise in Poly-1 erzeugt wird. Die letzte
Ladungsspeicherungselektrode 8 des Parallelabschnitts 3, die die Transferelektrode 9 ebenfalls
überlappt und vorzugsweise nicht in der gleichen Poly-Schicht gebildet wird wie die
Leiterbahn 11, 12, 15, da dies die gewünschte Breite des Gates 9 beschränken würde,
ist in Poly-2 hergestellt.
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In der vorliegenden Ausführungsform umfaßt der Halbleiterkörper 16 ein
n-Siliciumsubstrat, das an der Oberfläche 17 mit einer p-Oberflächenzone oder -Wanne
18 versehen ist. Die vertikalen Kanäle 1 und der horizontale Registerkanal 4, die vom
vergrabenen n-Kanaltyp sind, umfassen je eine n-Zone 19, die vom n-Substrat 16 durch
die p-Oberflächenzone 18 getrennt wird. Die Begrenzungszonen 7 in diesem Beispiel
werden von p-Zonen mit höherer Dotierungskonzentration gebildet als die der p-Wanne
18. Natürlich können die Zonen 7 auch in anderer Weise erhalten werden,
beispielsweise mit dickem Oxid oder mittels einer Feldplatte. Die p-Wanne 18 zeigt eine
Einschnürung 20 (siehe Fig. 3) unter den vertikalen Kanälen 1. Wie unter anderem in der
oben erwähnten IEDM-Veröffentlichung von Dezember 88 beschrieben wird, kann ein
eventueller Überschuß an erzeugten Elektronen im Falle lokaler Überbelichtung im
Aufnahmeabschnitt bei dieser Konfiguration zum n-Substrat abgeleitet werden. Dieses
Verfahren ist in der Literatur als vertikales Anti-Blooming bekannt, manchmal VAB
abgekürzt. Nach einem bekannten Verfahren zum Erhalten der Einschnürung 20 wird
die Zone 18 gebildet, indem man maskendefinierte Subzonen mittels eines
Aufheizschrittes in lateraler Richtung auf einander zu diffundieren läßt, bis eine kontinuierliche
p-Zone 18 mit den Einschnürungen 20, wo die Subzonen einander überlappen, gebildet
ist. Um Ladungsverlust in dem seriellen Register 4 zu vermeiden, wird die p-Zone 18
am Ort des seriellen Registers von einer homogenen, kontinuierlichen Zone ohne
Einschnürungen gebildet. Der Übergang von einer nicht homogenen p-Zone zu einer
homogenen p-Zone wird in Fig. 4 bei Punkt A dargestellt. Die tiefe p-Zone rechts von A
entspricht einer zusätzlichen Menge negativer Ladung. Diese zusätzliche Ladung be
wirkt eine Potentialbarriere in dem vergrabenen n-Kanal unter der Elektrode 9,
beispielsweise, wenn gleiche Spannungen an die Elektroden 8, 9 und 15 angelegt werden.
Der Einfluß dieser Barriere auf den Ladungstransport kann eliminiert werden, indem die
Länge der Elektrode 9 so klein gewählt wird, daß die von den Elektroden 8 und 15 im
Kanal 1 induzierten elektrischen Felder bis ungefähr zur Hälfte der Elektrode 9
durchgreifen ("fringing fields"). Durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Elektrode
9 beim Betrieb ist es möglich, unter der Elektrode 9 ein sich monoton änderndes Feld
ohne Potentialsenken oder -barrieren zu erhalten. Da die Elektrode 9 schmal sein muß,
ist es vorteilhaft, diese Elektrode in Poly-1 auszuführen. Wenn wie in dem hier
beschriebenen Beispiel die letzte Ladungsspeicherungselektrode 8 des Speicherabschnitts in
Poly-2 gebildet wird, so daß eine Uberlappung mit der Elektrode 9 auftritt, dann wird
die Elektrode 15, die die Elektrode 9 auch überlappt, vorzugsweise in Poly-3 erzeugt.
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Die verschiedenen Poly-Schichten sind mittels dielektrischer Schichten 21
aus beispielsweise Siliciumoxid oder anderen geeigneten Materialien, die an sich
bekannt sind, voneinander elektrisch isoliert.
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Die Anordnung kann mit an sich bekannten Techniken hergestellt werden.
In Fig. 6-7 wird das serielle Register in dem Querschnitt von Fig. 5 in einigen Stadien
der Herstellung gezeigt, um die Abmessungen zu veranschaulichen, die in einem
erfindungsgemäßen Bildsensor realisiert werden können. Angenommen wird, daß der
Zwischenabstand zwischen den Kanalbegrenzungszonen 7 ungefähr 6 Mikrometer beträgt
und die Breite der Gebiete 7 ungefähr 2 Mikrometer ist. Die Breite der vertikalen
Kanäle list dann 4 Mikrometer. In Fig. 6 wird der Zwischenabstand zwischen den Begren
zungszonen 7 mit B angedeutet. Erst werden auf dem die Oberfläche 17 bedeckenden
Gate-Oxid 22 die Elektroden 13 in der Poly-1-Schicht in einer Linie mit den
Begrenzungszonen 7 angebracht. Die Breite der Elektroden 13 beträgt ungefähr 1,75
Mikrometer, die Dicke der die Elektroden 13 bedeckenden Oxidschicht 21 ist ungefähr 0,25
Mikrometer. Der Abstand zwischen den Poly-Bahnen 13 zum Aufwachsen des Oxids 21
beträgt ungefähr 4 µm (Mikrometer), was in diesem Stadium noch für die verfügbaren
Hilfsmittel ausreicht. In einem folgenden Stadium wird die Poly-2 Schicht mittels
Abscheidung aufgebracht, und die Elektroden 14 werden daraus mittels Ätzen gebildet. Die
aktiven Teile dieser Elektroden, d.h. die unmittelbar auf dem Gate-Oxid 22 liegenden
Teile sind auch ungefähr 1,75 µm (Mikrometer) breit. Die Dicke des die Elektroden 14
bedeckenden Oxids 21 beträgt ungefähr 0,25 µm (Mikrometer). Der aktive Teil der
Elektroden 14 ist dementsprechend zumindest nahezu gleich groß wie der der
Elektroden 13 in Poly-1. Da die Elektroden 14 in Poly-2 die Elektroden 13 überlappen, so daß
die Gesamtbreite der Elektroden 14 größer wird, sind die Öffnungen zwischen den
Elektroden 14 im Vergleich zu den Elektroden 13 ungefähr 1 Mikrometer kleiner. In
einem folgendem Stadium des Prozesses, in dem der Aufbau jetzt wegen der
Poly-lund -2-Schichten stark profiliert ist, wird die dritte Poly-Schicht, Poly-3, abgeschieden.
Da die Elektroden in Poly-3 die Elektroden 13 und 14 überlappen müssen, würden die
Öffnungen zwischen den Elektroden sehr klein werden (ungefähr 2 Mikrometer, wenn
die Elektroden in herkömmlicher Weise gebildet würden), was angesichts der
Unebenheit schwer zu realisieren ist. Dieses Problem kann vermieden werden, indem die
Poly-3-Elektroden in Form einer kontinuierlichen Schicht angebracht werden, wie in Fig. 5
gezeigt. Zwar kann die parasitäre Kapazität zwischen den Elektroden infolge der
größeren Überlappung zunehmen, aber in der Praxis erweist sich diese Zunahme als sehr
klein.
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Es wird deutlich sein, daß die Erfindung sich nicht auf die hier
beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern daß für den Fachmann viele Abwandlungen
möglich sind. So kann die Erfindung für andere Arten von Bildsensoren verwendet
werden, die an sich bekannt sind, wie Zwischenzeilensensoren oder
Zwischenzeilensensoren mit Rasterspeichern. Die Erfindung kann auch auf SPS-Speicher vorteilhaft
angewendet werden und im allgemeinen auf jede Art CCD-Verzögerungsleitung mit
parallelen Eingängen.