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Die
Erfindung betrifft nicht-flüchtige
Halbleiterspeicherchips und insbesondere betrifft diese Verfahren
zum Ausbilden von Via-Kontakten beim Herstellen von magnetoresistiven
Speicherzellen mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Zellen) für den Einsatz
in integrierten Halbleiterschaltkreisen.
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In
der Halbleiterindustrie wurden enorme Anstrengungen unternommen,
eine neue vielversprechende Speichertechnologie basierend auf nicht-flüchtigen
MRAM-Zellen praktisch nutzbar zu machen. Eine MRAM-Zelle enthält einen
Stapelaufbau magnetischer Schichten, die von einer nicht-magnetischen
Tunnelbarrierenschicht oder alternativ hierzu von einer leitfähigen Barrierenschicht
getrennt sind. Im ersteren Falle wird eine Speicherzelle mit magnetoresistivem
Tunnelübergang
(MTJ) ausgebildet. Im letzteren Falle wird eine Speicherzelle mit Riesenmagnetowiderstand
ausgebildet. Hierin werden die MTJ-Speicherzelle und die Riesenmagnetowiderstand-Speicherzelle
durch die Ausdrücke „magnetoresistive
Speicherzelle" und „magnetoresistives Element" zusammengefasst,
wie dies in der solche Vorrichtungen betreffenden Fachliteratur
auch üblich ist.
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In
MRAM-Zellen wird digitale Information nicht über Energie wie in bekannten
DRAMs aufrechterhalten, sondern durch die Ausrichtungen von Magnetisierungen
in den ferromagnetischen Schichten. Genauer gesagt ist in einer
MRAM-Zelle die Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht („Referenzschicht" oder „gepinnte
Schicht") magnetisch
fixiert oder gepinnt, während
die Magnetisierung der anderen ferromagnetischen Schicht („freie
Schicht") frei zwischen
zwei bevorzugten Ausrichtungen entlang einer Vorzugsachse deren
Magnetisie rung, welche typischerweise parallel zur fixierten Magnetisierung
der Referenzschicht ausgerichtet ist, umgeschaltet werden kann.
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Abhängig von
der magnetischen Ausrichtung der freien Schicht weist eine MRAM-Zelle
zwei verschiedene Widerstandswerte bei Anlegen einer Spannung über die
MRAM-Zelle auf, wobei deren Widerstand „gering" ist, falls die Magnetisierungen in paralleler
Ausrichtung sind, und dieser ist „hoch", falls die Magnetisierungen in anti-paralleler
Ausrichtung liegen. Demnach können
logische Werte („0" und „1") den verschiedenen
Magnetisierungen der freien Schicht zugeordnet werden und eine Detektion des
elektrischen Widerstands stellt die in dem magnetischen Speicherelement
gespeicherte logische Information bereit. Eine MRAM-Zelle wird typischerweise
durch Anlegen von magnetischen Feldern beschrieben, welche durch
entlang Leiterbahnen getriebene bi- oder unidirektionalen Ströme erzeugt
werden, wobei die Leiterbahnen benachbart zur MRAM-Zelle angeordnet
sind, so dass deren Magnetfelder an die Magnetisierung der freien
Schicht gekoppelt werden können.
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Im
Einklang mit bekannten Standard-CMOS-Prozessen zum Herstellen von
MRAMs werden auf Silizium oder weiteren geeigneten Substraten, welche
mit aktiven Substratelementen wie Transistoren ausgestattet sind,
Via-Konakte und Metallisierungsebenen zur Bereitstellung von Zwischenverbindungen
für die
integrierte Schaltung und das magnetoresistive Speicherzellenfeld
ausgebildet. Zwischenverbindungen werden typischerweise durch Bereitstellen
dielektrischer Schichten, Maskieren und Ätzen derselbigen sowie einer
Metallabscheidung ausgebildet, welche jeweils in bekannter Form
erfolgen. Im Einklang mit Standard-CMOS-Prozessen wird auf die Metallisierungsebene,
welche die erste Ebene von Zwischenverbindungen ausbildet, als erste
Metallisierungsschicht (M1) Bezug genommen und Via-Kontakte, welche
auf der ersten Metallisie rungsschicht M1 in einer Schicht dielektrischen
Materials ausgebildet sind, werden als erste Via-Schicht (V1) bezeichnet.
Die nächste
Metallisierungsschicht, welche in einer Schicht dielektrischen Materials
ausgebildet ist, wird als zweite Metallisierungsschicht (M2) bezeichnet,
gefolgt von einer Abfolge einer zweiten Via-Schicht (V2), die in
einer Schicht dielektrischen Materials ausgebildet ist, einer dritten
Metallisierungsschicht (M3), die in einer Schicht dielektrischen Materials
ausgebildet ist, usw. und somit werden so viele Via-Schichten und
Metallisierungsschichten bereitgestellt, wie für die spezifische Anordnung
und Anwendung erforderlich sind. Abschließende Via-Kontakte (VB), welche
in einer Schicht dielektrischen Materials ausgebildet sind, werden
zur Verbindung darauf ausgebildeter magnetischer Tunnelübergänge (MTJs)
bereitgestellt.
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In
bekannter Weise werden bei der Herstellung von Via-Kontakten zur
Zwischenverbindung verschiedener Metallisierungsschichten oder zum
Anschluss von MTJs, Durchgangslöcher
(Vias) in ein dielektrisches Material in einem einzelnen Ätzschritt geätzt, gefolgt
von einer Abscheidung leitfähigen
Materials und einer Planarisierung desselbigen, z. B. unter Verwendung
von CMP (chemisch-mechanischem Polieren), um hierdurch die leitfähigen Via-Kontakte auszubilden.
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Jedoch
tritt bei einer solchen bekannten Ausbildung von Via-Kontakten bei
fortschreitender Ätzung
ein Problem auf, da voraussichtlich Polymerreste auf den Via-Wänden und
ebenso auf geöffnetem leitfähigen Material
der darunter liegenden Metallisierungsschicht abgeschieden werden
können.
Polymerreste können
ebenso in späteren
Prozessschritten eingebracht werden und diese können ernsthafte Probleme durch
deren Ausgasung oder Modifikation bzw. Erzeugung von Zwischemschritten
verursachen. Ebenso werden im Hinblick auf nachfolgende Ätzprozesse,
z. B. unter Verwendung von Chlor als Ätzkomponente, Schwachstellen
auf den mit Polymerresten versehenen Via-Wänden erzeugt, was dann zu einer
eher unebenen Ätzung
führt.
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Ebenso
können
aufgrund der obigen Probleme Polymerreste, welche entfernt werden
sollen, nicht auf einfache Weise entfernt werden, ohne eine Schädigung oder
wenigstens Degradation des metallischen Materials der geöffneten
Metallisierungsschicht zu riskieren.
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Im
Lichte des obigen Sachverhaltes ist es eine Aufgabe der Erfindung
ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von MRAM-Zellen anzugeben, das
eine Entfernung von Polymerresten bei der Ausbildung von Via-Kontakten
ermöglicht,
ohne eine Schädigung
oder Degradation von metallischem Material zu riskieren.
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Obige
und weitere Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst. In einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Via-Kontaktes
auf einem metallischen Gebiet bei der Herstellung einer magnetoresistiven
Speicherzelle die Schritte auf: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats
mit aktiven Strukturen (etwa Transistoren und dergleichen) sowie
mit wenigstens einem metallischen Gebiet aus metallischem Material,
das auf einer Hauptoberfläche
des Halbleitersubstrats ausgebildet ist; Abscheiden einer ersten Schicht
aus einem ersten nicht-leitfähigen
Material auf (über)
wenigstens dem metallischen Gebiet unter Verwendung eines geeigneten
Abscheideverfahrens (z. B. chemischer Gasphasenabscheidung oder CVD);
Abscheiden einer zweiten Schicht aus einem zweiten nicht-leitfähigen Material
auf (über)
wenigstens der ersten Schicht aus erstem nicht-leitfähigen Material unter Verwendung
eines geeigneten Abscheideverfahrens (z. B. CVD), wobei das zweite nichtleitfähige Material
eine derartige Ätzselektivität gegenüber dem
ersten nicht-leitfähigen
Material aufweist, dass die erste Schicht als Ätzstoppschicht in Bezug auf
die zweite Schicht wirkt; Strukturieren der zweiten Schicht mittels
Lithografie und Polymerreste erzeugenden Ätzschritten, wobei ein Teil
der zweiten Schicht freigelegt wird; Entfernen der beim Strukturieren
der zweiten Schicht erzeugten Polymerreste; selektives Ätzen des
freigelegten Teils der ersten Schicht, wobei ein Teil des metallischen
Gebiets freigelegt wird; und Abscheiden einer Schicht leitfähigen Materials
wenigstens auf dem freigelegten Teil des metallischen Gebiets, gefolgt
von einer Planarisierung des leitfähigen Materials zur Ausbildung
des Via-Kontaktes auf dem metallischen Gebiet.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren zudem auf: Abscheiden einer dritten Schicht
aus drittem nicht-leitfähigen
Material wenigstens auf der zweiten Schicht des zweiten nicht-leitfähigen Materials,
wobei das dritte nicht-leitfähige
Material eine derartige Ätzselektivität gegenüber dem
zweiten nicht-leitfähigen
Material aufweist, dass die zweite Schicht als Ätzstoppschicht in Bezug auf
die dritte Schicht wirkt; und Strukturieren der dritten Schicht
unter Verwendung einer fotosensitiven Schicht, wobei ein Teil der zweiten
Schicht freigelegt wird.
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Bei
Ausführungsformen,
in denen die dritte Schicht auf die zweite Schicht aufgetragen wird,
wird ein Entfernen der für
die Strukturierung der dritten Schicht verwendeten fotosensitiven
Schicht gemeinsam mit dem Entfernen der Polymerreste erzielt.
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Die
ersten und dritten nicht-leitfähigen
Materialien können übereinstimmen.
Vorzugsweise werden die ersten und dritten nicht-leitfähigen Materialien
aus der Gruppe bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid und Siliziumcarbid
ausgewählt.
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Das
zweite nicht-leitfähige
Material, das verschieden ist von den ersten und dritten nicht-leitfähigen Materialien,
wird vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid
und Siliziumcarbid ausgewählt.
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Zusätzlich weist
die zweite Schicht vorzugsweise eine Dicke im Bereich von ungefähr 30 nm
bis ungefähr
60 nm auf. Dieser Dickenbereich der zweiten Schicht ist vorzugsweise
auf die Ungleichmäßigkeit
des Ätzprozesses
und die Ätzselektivität zwischen
den ersten, zweiten und dritten Materialien zurückzuführen.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden unter Berücksichtigung
der folgenden detaillierten Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen
der Erfindung ersichtlich, insbesondere im Zusammenhang mit den
begleitenden Abbildungen. Übereinstimmende
Bezugszeichen in den verschiedenen Abbildungen werden zur Kennzeichnung
von selben oder ähnlichen
Komponenten verwendet.
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1 zeigt
schematisch dargestellt eine Seiten-Querschnittsansicht eines Zwischenproduktes bei
der Herstellung von MRAM-Zellen.
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2A bis 2Q zeigen
schematisch dargestellt Seiten-Querschnittsansichten
von Zwischenprodukten während
einer Abfolge von Prozessschritten bei der Herstellung von MRAM-Zellen gemäß der Erfindung.
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In 1 ist
eine Seiten-Querschnittsansicht eines bei einem bekannten Verfahren
zur Herstellung von MRAM-Zellen ausgebildeten Zwischenproduktes dargestellt.
In einer Schicht dielektrischen Materials wie Siliziumoxid werden
Leiterbahnen 3 aus metallischem Material wie Kupfer (Cu)
zur Erzeugung einer Me tallisierungsschicht 1 (M1) ausgebildet.
Auf der Metallisierungsschicht (M1) wird eine Schicht 2 aus Siliziumnitrid
(SiN) abgeschieden, die ebenso einen Dreifach-Schichtaufbau einschließlich SiN,
UVSiN (d. h. SiN mit besserer Konformität) und SiN aufweisen kann.
Bei der Ausbildung von Via-Kontakten
zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes von oben zu den metallischen
Bahnen 3 wird die SiN-Schicht 2 typischerweise
in einem einzelnen Ätzschritt
geätzt. Bei
diesem einzelnen Ätzschritt
ist es wahrscheinlich, dass Polymerreste auf den Via-Wänden und
den geöffneten
metallischen Bahnen 3 aus Cu erzeugt werden, was wiederum
Probleme bei der weiteren Bearbeitung bereitet.
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In 2A bis 2Q wird
eine Prozessabfolge zum Herstellen von MRAM-Zellen gemäß der Erfindung
beschrieben. Insbesondere werden eine Schicht aus dielektrischem
Material wie Siliziumoxid und Metallbahnen 3 aus leitfähigem Material
wie Kupfer (Cu) zur Erzeugung einer Metallisierungsschicht 1 (M1)
ausgebildet. Auf der Metallisierungsschicht wird ein Dreifach-Schichtaufbau einschließlich einer
unteren Schicht 2 aus SiN, einer Zwischenschicht 4 aus
Siliziumcarbid (SiC) und einer oberen Schicht 5 aus SiN
ausgebildet (wie in 2A dargestellt ist). Die Zwischenschicht
weist vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 30 nm
bis ungefähr
60 nm auf.
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Auf
dem Dreifach-Schichtaufbau 2, 4, 5 wird eine
Antireflexschicht 6 abgeschieden, gefolgt von dem Abscheiden
einer fotosensitiven (Lack-)Schicht, welche zur Ausbildung einer
Lackmaskenschicht 7 mit Öffnungen 8 unter Verwendung
eines bekannten oder geeigneten Strukturierungsverfahrens strukturiert
wird (wie in 2B dargestellt ist).
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Unter
Verwendung der Lackmaskenschicht 7 werden die Antireflexschicht 6 und
die obere Schicht 5 aus SiN in einem einzelnen Ätzschritt
zur Erzeugung der Öffnungen 9 geätzt, wobei
die Ätzung
auf der Zwischenschicht 4 (bestehend aus SiC) stoppt und
diese somit als Ätzstoppschicht
unter Verwendung der Ätzselektivität zwischen
SiN- und SiC-Schichten, welche z. B. 15:1 betragen kann, wirkt.
Zu deren Ätzung
kann ein beliebiges geeignetes Ätzverfahren
verwendet werden. Beispielsweise kann ein Ätzverfahren unter Verwendung
von CH3F- und
O2-Ätzgasen
eingesetzt werden. Das resultierende Zwischenprodukt ist in 2C dargestellt.
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Sodann
wird die Zwischenschicht 4 (bestehend aus SiC) geätzt, wobei
die Ätzung
auf der unteren Schicht 2 (bestehend aus SiN) stoppt, so
dass die untere Schicht als Ätzstoppschicht
wirkt. Insbesondere führt
die Ätzselektivität der SiC-
und SiN-Schichten zur Ausbildung der Öffnungen 10 (wie in 2D dargestellt
ist) als Ergebnis dieses Ätzschrittes.
Zur Ätzung
kann ein beliebiges geeignetes Ätzverfahren verwendet
werden, wie etwa ein Verfahren unter Verwendung von CH3F-,
O2- und N2-Ätzgasen.
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Nachfolgend
werden sowohl die Lackmaskenschicht 7 und die Antireflexschicht 6 unter
Verwendung eines bekannten oder weiteren Abstreifverfahrens entfernt
(wie in 2E dargestellt ist). Das Abstreifen
wird vor dem Öffnen
der Leiterbahnen 3 durchgeführt, so dass keine Kupferoxidation
und keine Polymerausbildung auf den Leiterbahnen 3 auftreten
kann.
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Dem
Abstreifen der Lackmaskenschicht 7 folgen zwei Ätzschritte.
Ein erster Ätzschritt
wird zur Ätzung
der unteren Schicht 2 (bestehend aus SiN) durchgeführt, welcher
auf der Siliziumoxidschicht 1 unter Verwendung der Ätzselektivität von SiN-
und SiO-Schichten (z. B. unter Verwendung eines Ätzverfahrens mit CH3F- und O2-Ätzgasen)
zur Erzeugung der Öffnung 12 stoppt
(siehe 2F). Ein zweiter Ätzschritt
wird sodann zur Ätzung
der Oxidschicht 1 unter Verwendung der Ätzselektivität zu SiN
(z. B. unter Verwendung eines Ätzverfahrens
mit C3F8-, CO- und
O2-Ätzgasen)
zur Erzeugung der Öffnung 11 durchgeführt (siehe 2F).
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Nun
wird eine leitfähige
Schicht 13 aus leitfähigem
Material wie TaN unter Verwendung eines bekannten oder weiteren
geeigneten Abscheideverfahrens abgeschieden (siehe 2G).
Die leitfähige Schicht
wird dann unter Verwendung von z. B. einem chemisch-mechanischen
Polierverfahren (CMP-Verfahren) zur Erzeugung leitfähiger TaN-Strukturen 14 planarisiert
(2H).
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Auf
der planarisierten Oberfläche
wird eine Schichtstruktur 15 abgeschieden (2I).
Die Schichtstruktur 15 enthält eine ferromagnetische untere
Schicht, eine nicht-leitfähige
Tunnelbarrieren- oder leitfähige
Zwischenschicht und eine ferromagnetische obere Schicht zur Erzeugung
magnetoresistiver Elemente. Eine schichtförmige Hartmaske 18 wird
dann auf der Schichtstruktur 15 abgeschieden (2J),
wobei die schichtförmige
Hartmaske eine Titannitridschicht 16 und eine Oxidschicht 17 aufweist.
Wie 2J entnommen werden kann, sind in der Schicht 1 metallische
Ausrichtungsmarkierungen 29 gezeigt, welche im nächsten Lithografieschritt
verwendet werden.
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Bekannte
oder weitere geeignete Lithografie- und Ätzschritte werden zum Öffnen der
schichtförmigen
Hartmaske 18 zur Erzeugung der strukturierten Hartmaske 19 verwendet,
gefolgt von selektiver Ätzung,
die auf der oberen SiN-Schicht 5 zur Erzeugung der Öffnung 20 stoppt
(siehe 2K), so dass der nächste Lithografieschritt
geeignet justiert ist.
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Weitere
Lithografie- und Ätzschritte
werden zum Erzeugen von Öffnungen 21 zum
Ausbilden eines Musters magnetoresistiver Elemente 22 (2L)
durchgeführt,
gefolgt von einem Abscheiden von einer dielektrischen Schicht (z.
B. bestehend aus Oxid), die unter Verwendung bekannter oder weiterer
geeigneter Lithografie- und Ätzschritte
zur Erzeugung einer strukturierten dielektrischen Schicht 23 strukturiert
wird (2M). Wie in 2M dargestellt
ist, sind lediglich metallische Bahnen 3 in der Schicht 1 sichtbar.
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Eine
dicke dielektrische Schicht 24 aus Oxid (z. B. Siliziumoxid)
wird auf dem Muster magnetoresistiver Elemente abgeschieden, gefolgt
von der Planarisierung zum Schutz der MTJs (2N).
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Die
Oxidschicht 24 wird dann unter Verwendung bekannter oder
weiterer geeigneter Lithografie- und Ätzschritte zur Erzeugung der
strukturierten Oxidschicht 25 mit Öffnungen 26 strukturiert,
wobei wenigstens eine hiervon den auf dem magnetoresistiven Element 22 verbleibenden
TiN-Schichtrückstand 19 freilegt
(2O).
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Nun
werden weitere Lithografie- und Ätzschritte
durchgeführt,
wobei die Ätzung
auf der metallischen Bahn 3 zur Erzeugung einer Öffnung 27 zur Herstellung
eines elektrischen Kontaktes zwischen oberen und unteren Metallbahnen
stoppt (2P).
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Abschließend wird
ein metallisches Material 28 wie Kupfer abgeschieden, gefolgt
von dessen Planarisierung, z. B. mit chemisch-mechanischem Polieren
(CMP), um dadurch die Metallisierungsebene zu vervollständigen (2Q).
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Während in
dem oben beschriebenen Verfahren lediglich die Prozessierung eines
einzelnen Via-Kontaktes beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht
auf die Prozessierung eines einzelnen Via-Kontaktes beschränkt. Vielmehr
schließen
die Verfahren dieser Erfindung eine Prozessierung einer Mehrzahl von
Via-Kontakten und MRAM-Zellen ein.
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Obwohl
die Erfindung detailliert mit Bezug zu spezifischen Ausführungsformen
derselbigen beschrieben wurde, erkennt ein Fachmann, dass verschiedenartige Änderungen
und Modifikationen durchgeführt
werden können
ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Derartige Modifikationen
und Variationen der Erfindung werden hierbei abgedeckt, sofern diese
innerhalb des Schutzbereichs der Patentansprüche und deren Äquivalente liegen.
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- 1
- Metallisierungsschicht
(M1)
- 2
- SiN-Schicht
- 3
- metallische
Bahn
- 4
- SiC-Schicht
- 5
- SiN-Schicht
- 6
- Antireflexschicht
- 7
- Lackmaskenschicht
- 8
- Öffnung
- 9
- Öffnung
- 10
- Öffnung
- 11
- Öffnung
- 12
- Öffnung
- 13
- leitfähige TaN-Schicht
- 14
- leitfähige TaN-Strukturen
- 15
- Schichtaufbau
- 16
- TiN-Schicht
- 17
- Oxidschicht
- 18
- Hartmaske
- 19
- strukturierte
Hartmaske
- 20
- Öffnung
- 21
- Öffnung
- 22
- magnetoresistives
Element
- 23
- strukturierte
dielektrische Schicht
- 24
- dielektrische
Schicht
- 25
- strukturierte
dielektrische Schicht
- 26
- Öffnung
- 27
- Öffnung
- 28
- metallisches
Material
- 29
- metallische
Ausrichtungsmarkierung