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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung komplexer Halbleiterbauelemente in Form integrierter Schaltungen. Sie betrifft insbesondere das Metallisierungssystem derartiger Halbleiterbauelemente.
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Der Fortschritt in der Halbleiterindustrie beruht hauptsächlich darauf, dass die Strukturgrößen der einzelnen Strukturelemente stetig verringert werden, so dass einerseits generell die Packungsdichte, d.h. die Anzahl der Schaltungselemente auf einer vorgegebenen Chipfläche, ansteigt, und andererseits aber auch das Leistungsverhalten der einzelnen Bauelemente und damit der gesamten integrierten Schaltungen verbessert wird. Gleichzeitig werden die integrierten Schaltungen auch so hergestellt, dass sie viele unterschiedliche Schaltungsbereichen aufweisen, so dass beispielsweise vollständige Systeme auf einem Chip bereitgestellt werden, in denen einerseits komplexe Digitalschaltungen für Steuerungszwecke enthalten sein können und andererseits auch komplexe AnalogSchaltungen vorgesehen sind, die auch Leistungsbauelemente enthalten können, etwa in Form von Transistoren, Dioden und dergleichen, die Spannungen von 20V und mehr bei Strömen von 100mA und deutlich mehr verarbeiten können.
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Generell erfordert das Herstellen eines integrierten Schaltungsbauelements sehr viele einzelne komplexe Prozessschritte, die jeweils innerhalb eines spezifizierten Prozessfensters auszuführen sind, so dass schließlich die gewünschte elektrische Funktion der integrierten Schaltungen erreicht wird. Zu diesen Prozessen gehören komplexe Fertigungsprozesse, mit denen im Halbleitermaterial - typischerweise ein Siliziummaterial - Schaltungselemente hergestellt werden, etwa in Form von Transistoren, z.B. Feldeffekttransistoren, in Form von Widerständen, Kondensatoren, und dergleichen. Zu diesem Zweck wird ein Schaltungsmuster von einer Lithographiemaske in ein Maskenmaterial, etwa ein Lackmaterial, durch Lithographie übertragen und nach erfolgter Strukturierung des Maskenmaterials erfolgt eine entsprechende Bearbeitung des darunter liegenden Halbleitermaterials oder anderer Materialschichten, die während des Fertigungsprozesses auf das Halbleiterbasismaterial aufgebracht wurden. Zu diesen Fertigungsprozessen gehören Ätzprozesse, Implantationsprozesse, Ausheizprozesse, Einebnungsprozesses und dergleichen. Nach erfolgter Strukturierung einer oder mehrerer Materialschichten erfolgt das Aufbringen der nächstfolgenden Materialschicht bzw. Materialschichten, die dann ebenfalls typischerweise unter Zuhilfenahme einer lithographisch strukturierten Maskenschicht bearbeitet werden. Insbesondere in komplexen integrierten Schaltungen sind dabei Strukturelemente, beispielsweise Leitungen in Form von Gate-Elektroden, und dergleichen herzustellen, die unter Zugrundelegung von Entwurfsabmessungen von 200nm und deutlich weniger zu erzeugen sind, wobei beispielsweise in sehr komplexen Digitalschaltungen die kritischen Abmessungen, d.h. die kleinsten erzeugten Strukturgrößen, 30nm und weniger erreicht haben. Auch in komplexen Misch-Signalschaltungen werden zunehmend komplexere Steuerungsaufgaben implementiert, so dass auch hier geringere Strukturgrößen von 200nm und weniger in Verbindung mit Leistungshalbleiterbauelementen im Halbleitermaterial herzustellen sind.
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Mit zunehmender Komplexität und Packungsdichte der Schaltungselemente im Halbleitermaterial nimmt auch die Komplexität des Verdrahtungssystems zu, das im Weiteren auch als Metallisierungssystem bezeichnet wird. Typischerweise können die elektrischen Verbindungen zwischen den Schaltungselementen im Halbleitermaterial nicht in einer einzelnen Ebene des Metallisierungssystems verwirklicht werden, so dass mehrere Ebenen, die im Weiteren auch als Metallschichten bezeichnet werden, vorzusehen sind. Eine Metallschicht enthält typischerweise Metallleitungen oder auch Metallgebiete, die in einem dielektrischen Material, häufig in Form eines Oxidmaterials vorgesehen, eingebettet sind und damit Leiterbahnen entsprechend dem erforderlichen Schaltungsaufbau innerhalb einer einzelnen Ebene bereitstellen. Des Weiteren sind die einzelnen gestapelten Metallschichten durch „vertikale“ elektrische Verbindungen, die im Weiteren auch als Kontaktdurchführung oder Vias bezeichnet werden, miteinander verbunden. Es sollte beachtet werden, dass der Begriff „vertikal“ nicht als absoluter räumlicher Begriff zu verstehen ist, sondern in Bezug auf das flächige Substratmaterial oder das Halbleitermaterial zu verstehen ist und damit eine Richtung senkrecht zur Halbleiterschicht angibt.
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Mit der Verringerung der Strukturgrößen im Halbleitermaterial ist auch eine entsprechende Verringerung der kritischen Abmessungen der Metallleitungen und vertikalen Verbindungen verknüpft. Daher sind bei der Herstellung einer Metallschicht komplexe Lithographie-Techniken und Strukturierungsprozesse anzuwenden, um die Metallleitungen und vertikalen Verbindungen mit den gewünschten kritischen Abmessungen bereitzustellen. Insbesondere der Lithographieprozess stellt einen sehr kritischen Prozess dar, da das schließlich erreichte optische Auflösungsvermögen neben kritischen Prozess-und Apparateparametern auch von den Prozessbedingungen und insbesondere von der vorherrschenden Oberflächentopographie der betrachteten Metallschicht abhängt. Beispielsweise ist die Fokustiefe in modernsten Lithographie-Vorrichtungen auf einen sehr engen Bereich begrenzt, um generell das optische Auflösungsvermögen zu verbessern. Daher führen bereits geringe Schichtdicke-Schwankungen in der zu strukturierenden Materialschicht beim Aufbringen und Belichten des Lackmaterials zu entsprechenden Schwankungen der erreichbaren kritischen Abmessungen, wenn Gräben oder Öffnungen im dielektrischen Material erzeugt werden oder wenn eine Metallschicht in entsprechende Leitungen zu strukturieren ist. Auch müssen bei der Herstellung von Metallschichten und Schichten, die die vertikalen Verbindungen enthalten, häufig Materialreste abgetragen werden, beispielsweise überschüssiges Metall und/oder überschüssiges dielektrisches Material, wobei dies von der angewendeten Prozesstechnologie abhängt.
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Zu diesem Zweck werden häufig Einebnungstechniken eingesetzt, die als chemisch mechanisches Polieren oder Planarisieren (CMP) bekannt werden, wobei typischerweise ein speziell ausgewähltes Schleifmaterial auf die zu behandelnde Oberfläche aufgebracht wird, so dass eine chemische Reaktion erfolgt, wobei die Reaktionsprodukte dann durch mechanisches Schleifen bzw. Polieren abgetragen werden, so dass zunehmend eine relativ ebene Oberfläche erzeugt wird. Obwohl durch den CMP-Prozess unerwünschtes Material effizient abgetragen werden kann und gleichzeitig auch eine relativ ebene Oberfläche erzeugt wird, zeigt sich insbesondere in komplexeren Metallisierungssysteme, dass dieser Prozess ein von der Strukturmusterdichte abhängiges Verhalten besitzt, so dass beispielsweise in Bereichen des Metallisierungssystems, in denen eine geringere Metalldichte, d.h. eine geringere Anzahl an Metallleitungen pro Einheitsfläche, vorherrscht, die Abtragsrate unterschiedlich ist zu Bereichen, in denen eine hohe Metalldichte vorhanden ist. Da die dabei entstehenden Schichtdicken-Unterschiede den Lithographieprozess und generell den Strukturierungsvorgang für die nachfolgende Metallschicht negativ beeinflussen können, wie dies zuvor dargestellt ist, werden typischerweise entsprechende Platzhalter-Metallflächen beim Entwurf des Metallisierungssystems so vorgesehen, dass sich insgesamt eine gleichmäßigere Verteilung der Metallgebiete in den jeweils betrachteten Metallschichten und damit auch eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Schichtdicke und damit der Lithographie-Bedingungen ergibt. Diese elektrisch funktionslosen Metall-Füllstrukturen verbessern nicht nur die Prozessbedingungen während der Herstellung des Metallisierungssystems, etwa durch Vermeiden von Oberflächenunregelmäßigkeiten in Form von ortsabhängiger Metall-und Oxiderosion, sondern führen auch zu einer besseren mechanischen Stabilität des Metallisierungssystems bei der weiteren Bearbeitung und auch während des Betriebs der integrierten Schaltungen, wenn diese in einem Gehäuse untergebracht ist. D.h., durch das Aufbringen von unterschiedlichen Materialien, d.h. Metall und Dielektrikum, die deutlich voneinander unterschiedliche thermische Ausdehnungseigenschaften besitzen, kann durch das Vorsehen der Metallfüllstrukturen eine bessere Anpassung der thermischen Eigenschaften erreicht werden. Auch im späteren Betrieb, wenn der Halbleiterchip in einem Gehäuse untergebracht ist, das ein deutlich anderes thermisches Ausdehnungsverhalten im Vergleich zum Chip besitzt, verleiht die ausgeglichene Metalldichte in den einzelnen Metallschichten dem gesamten Metallisierungssystem eine erhöhte Stabilität.
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Problematisch ist bei der Verwendung der Metallfüllstrukturen die Tatsache, dass trotz fehlender elektrischer Funktion dennoch eine unerwünschte elektrische Wechselwirkung auftreten kann, etwa in Form einer unerwünschten Signalkopplung, was insbesondere in empfindlichen Analogschaltungen zum Funktionsausfall führen kann.
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Andererseits gibt es das Bestreben, das Metallisierungssystem komplexer HalbleiterBauelemente auch für das Vorsehen von Kondensatoren zu nutzen, um damit eine gewünschte Kapazität für Schaltungszwecke bereitzustellen, die Vorteile im Hinblick auf Kondensatoren bietet, wie sie etwa im Halbleitermaterial häufig hergestellt werden. Dazu beschreibt
US 6 690 570 B2 eine Kondensatorstruktur, in der Metallfinger ineinandergreifen, so dass die Kapazität pro Volumen relativ groß ist und auch ein gutes Hochfrequenzverhalten erreicht wird.
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US 5 208 725 A beschreibt eine Kondensatorstruktur mit vertikalen parallelen Platten, die zur Erreichung einer maximalen Kapazität pro Volumen ausgelegt ist.
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US 2008 / 0 297 975 A1 und
US 7 876 547 B2 zeigen Kondensatorstrukturen mit vertikalen parallelen Platten, in denen die Abstände der einzelnen Metallfinger in den jeweiligen Metallschichten variiert werden, so dass das dielektrische Verhalten im Hinblick auf Hochspannungsentladungen verbessert wird.
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US2010/0044833 A1 beschreibt einen integrierten Kondensator mit einer kammförmigen Mäander-Struktur. Der integrierte Kondensator umfasst ein erstes kammförmiges Metallmuster und ein zweites kammförmiges Metallmuster, das mit dem ersten kammförmigen Metallmuster integriert ist und ein mäanderndes Metallmuster, das einen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten kammförmigen Metallmuster überspannt.
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US 2010/0219502 A1 offenbart eine integrierte Schaltung, die einen oder mehrere externe Kontaktpunkte mit Entkopplung-Kondensatoren, beispielsweise Metall-Isolator-Metall Kondensatoren aufweist, die direkt darunter angeordnet sind. In einer ersten Ausführung sind die Entkopplungskondensatoren unterhalb der ersten Metallschicht angeordnet, und in einer anderen Ausführung sind die Entkopplungskondensatoren in der obersten, der elektrischen Zwischenmetallschicht angeordnet. Die Entkopplungskondensatoren können in Form eines Feldes von Entkopplungskondensatoren vorliegen, die unter den externen Kontaktanschlüssen ausgebildet sind.
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US 5 446 311 A betrifft eine monolithische Induktor-Struktur mit hohem Q-Wert, die mit mehreren Metallisierungsniveaus in einer herkömmlichen Technologie für integrierte Schaltungen hergestellt ist, bei der die Windungen des Induktors diese mehrfachen Niveaus ausnutzen, um den Widerstand des Induktors zu reduzieren. Induktoren mit Q-Werten oberhalb 5 können bei dieser Vorgehensweise bei Funk- und Mikrowellenfrequenzen integriert werden.
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US 2011/0049674 A1 zeigt eine integrierte Struktur, die wenigstens eine erste Metallleitung, wenigstens eine zweite Metallleitung parallel zu der ersten Metallleitung angeordnet ist und von der wenigstens einen ersten Metallleitung getrennt ist, und eine dritte Metallleitung, die mit Enden der ersten Metallleitung in Kontakt steht und von der zweiten Metallleitung getrennt ist. Die erste Metallleitung steht nicht in vertikalem Kontakt mit einer Metall-Durchgangsverbindung, und die zweite Metallleitung kann vertikal in Kontakt mit wenigstens der Metallleitung stehen.
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Durch das Vorsehen von Kondensatorstrukturen im Metallisierungssystem von komplexen Halbleiterbauelementen wird zwar eine bessere Verteilung der Metalldichte erreicht, jedoch besitzen die bekannten Kondensatorstrukturen nur eine beschränkte Effizienz bei der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Metallisierungssysteme.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die mechanischen Eigenschaften von Metallisierungssystemen zu verbessern, bei gleichzeitiger Bereitstellung gewünschter elektrischer Eigenschaften.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, mit einem Metallisierungssystem mit mehreren gestapelten Metallschichten, die jeweils in einem dielektrischen Material eingebettete Metallgebiete aufweisen. Das Halbleiterbauelement umfasst vertikale Verbindungselemente, welche die gestapelten Metallschichten miteinander verbinden. Es ist zudem eine in dem Metallisierungssystem ausgebildete Metallfüllstruktur vorgesehen, die ein Raster aus einer Teilmenge der vertikalen Verbindungselemente zumindest zwischen zwei der gestapelten Metallschichten aufweist. Dies in einem Rasterabstand, der in einer ersten lateralen Richtung und in einer zweiten - zur ersten Richtung senkrecht orientierten - lateralen Richtung gleich ist. Eine erste Untergruppe der Teilmenge der vertikalen Verbindungselemente ist durch mindestens eine erste Metallleitung mit sich kreuzenden Leitungsabschnitten verbunden. Eine zweite Untergruppe der Teilmenge ist durch mindestens eine zweite Metallleitung mit sich kreuzenden Leitungsabschnitten verbunden.
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Das Bereitstellen des Rasters aus vertikalen Verbindungselementen eröffnet die Möglichkeit, eine gewünschte Dichte an Metall in dem Metallisierungssystem vorzusehen, wobei aufgrund der sich kreuzenden Leitungsabschnitte in der mindestens einen ersten Metallleitung und in der mindestens einen zweiten Metallleitung auch ein hoher Grad an mechanischer Kopplung zu dem dielektrischen Material der beiden Metallschichten erfolgt, wie dies auch zuvor bereits erläutert ist. Durch geeignete Verschaltung der verzahnten Struktur lässt sich auch effizient eine geeignete elektrische Nutzung, etwa in Form einer Kapazität oder einer Induktivität, erreichen.
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Die Metall-Füllstruktur trägt zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität des Metallisierungssystems bei und auch zu besseren Prozessbedingungen während der Strukturierung nachfolgender Metallschichten führt und dabei auch so aufgebaut ist, dass sie bei Bedarf auch eine elektrische Funktion ausüben kann. Die verbesserte mechanische Stabilität wird dabei erreicht, indem einzelne Metallfinger vorgesehen sind, die ihrerseits Abzweigungen, beispielsweise in Form senkrechter „Fortsätze“, aufweisen, so dass eine intensive Verzahnung der Metallleitungen mit dem dielektrischen Material in zwei unterschiedlichen lateralen Richtungen erfolgt. Andererseits können die verzahnten Leitungen so verschaltet werden, dass sich eine hohe Kapazität oder Induktivität ergeben, wodurch die Metallfüllstrukturen auch direkt in den elektrischen Aufbau des Halbleiterbauelements integriert werden können.
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Das Halbleiterbauelement umfasst bevorzugt das über einem Substrat ausgebildetes Metallisierungssystem, das zumindest eine Metallschicht mit Metallleitungen und mit einem zwischen den Metallleitungen ausgebildeten dielektrischen Material aufweist. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner eine in dem Metallisierungssystem ausgebildete Kondensatorstruktur, die eine erste Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur aufweist, die durch einen Teil des dielektrischen Materials der Metallschicht getrennt sind. Die erste und die zweite Elektrodenstruktur weisen jeweils mehrere erste Metallleitungsabschnitte mit einer festgelegten Breite auf, die entlang einer ersten lateralen Richtung ausgerichtet sind und an denen jeweils mehrere zweite Metallleitungsabschnitte mit der festgelegten Breite entlang einer zweiten, von der ersten verschiedenen lateralen Richtung direkt angeordnet sind.
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Das Halbleiterbauelement umfasst bevorzugt Elektrodenstrukturen, in denen Metallleitungsabschnitte sich in einer ersten lateralen Richtung erstrecken und jeweils daran angebrachte zweite Metallleitungsabschnitte aufweisen, die sich in der zweiten lateralen Richtung erstrecken. Dies führt zu einer intensiven Verzahnung mit dem dielektrischen Material der Metallschicht, da auf diese Weise Zug-und Druckkräfte in jeder lateralen Richtung wirksam von der Metallschicht als Ganzes aufgenommen werden können. Insbesondere ergibt sich dadurch eine hohe mechanische Stabilität des Metallisierungssystems, wenn sich das Halbleiterbauelement in einem Gehäuse befindet, das generell aufgrund der thermischen Fehlanpassung starke mechanische Kräfte auf das Metallisierungssystem, dabei insbesondere auf die oberste Metallschicht ausüben kann.
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Die erste laterale Richtung und die zweite laterale Richtung sind senkrecht zueinander orientiert. Auf diese Weise können die Metallleitungsabschnitte im Zuge der üblichen Gestaltungs-und Prozesserfordernisse zusammen mit regulären Metallleitungen in der betrachteten Metallschicht hergestellt werden.
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Das Halbleiterbauelement hat bevorzugt eine zweite Metallschicht, die eine zweite Kondensatorstruktur enthält, die wiederum eine erste Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur aufweist, wobei die dazugehörigen Metallleitungsabschnitte ebenfalls zwei zueinander unterschiedlich orientierte Abschnitte enthalten, so dass sich auch hier eine innige Verzahnung mit dem dielektrischen Material der weiteren Metallschicht ergibt.
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Erste vertikale Verbindungselemente können vorgesehen sein, welche die erste Elektrodenstruktur der ersten Kondensatorstruktur mit der ersten Elektrodenstruktur der zweiten Kondensatorstruktur verbinden, und zweite vertikale Verbindungselemente, welche die zweite Elektrodenstruktur der ersten Kondensatorstruktur mit der zweiten Elektrodenstruktur der zweiten Kondensatorstruktur verbinden. Durch diese Anordnung wird einerseits die Gesamtkapazität der Kondensatorstruktur vergrößert und andererseits ergibt sich auch eine größere mechanische Stabilität, da die beiden Kondensatorstrukturen elektrisch und auch mechanisch durch die vertikalen Verbindungselemente gekoppelt sind. In vorteilhaften Ausführungsformen bilden dabei die vertikalen Verbindungselemente ein Raster, das in der ersten lateralen Richtung und in der zweiten lateralen Richtung den gleichen Rasterabstand aufweisen kann. Auf diese Weise wird ein sehr regelmäßiger Aufbau der Metallfüllstruktur insbesondere in Verbindung mit der einheitlichen gleichen Breite der ersten und zweiten Metallleitungsabschnitte erreicht. Der Rasterabstand kann dabei so gewählt werden, dass dies mit den Eigenschaften der Strukturierungstechnologie in jeder der Metallschichten verträglich ist, so dass insgesamt für die verfügbare Technologie eine sehr hohe Kapazität pro Volumen in dem Metallisierungssystem erreicht wird.
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Die Länge der Metallleitungsabschnitte kann so festgelegt sein, dass die ersten Metallleitungsabschnitte eine Länge besitzen, die größer ist als die Länge der zweiten Metallleitungsabschnitte, wobei diese in einigen Ausführungsformen in regelmäßigem Abstand entlang jeder der ersten Metallleitungsabschnitte angeordnet sind. Dabei kann die Länge jedes zweiten Metallleitungsabschnitts so festgelegt werden, dass diese einer minimalen Länge zur Verbindung zweier Rasterpunkte innerhalb des Rasters der vertikalen Verbindungselemente entspricht.
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In vorteilhafter Ausführungsform (Anspruch 2) bildet sich eine Kondensatorstruktur aus erster Untergruppe und die mindestens eine erste Metallleitung als erste Elektrodenstruktur und zweiter Untergruppe und die mindestens eine zweite Metallleitung als zweite Elektrodenstruktur. Auf diese Weise lässt sich der Metallfüllstruktur eine elektrische Funktion zuordnen, wobei aufgrund des zu Grunde liegenden Rasters die Möglichkeit besteht, eine relativ hohe Kapazität pro Volumen in dem Metallisierungssystem zu erreichen.
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In anderen Ausführungsformen sind die erste Untergruppe und die mindestens eine erste Metallleitung und die zweite Untergruppe und die mindestens eine zweite Metallleitung zu einer Struktur verschaltet, die einen Anfangspunkt und einen Endpunkt besitzt und damit eine relativ große Induktivität für die Struktur ergibt.
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Die mindestens eine erste Metallleitung weist in einigen Ausführungsformen einen ersten Leitungsabschnitt mit einer ersten Länge auf, der von mehreren zweiten Leitungsabschnitten mit einer zweiten Länge gekreuzt wird, wobei die erste Länge größer als die zweite Länge ist. Diese Anordnung ermöglicht eine effiziente elektrische Verbindung der einzelnen Metallleitungsabschnitte, etwa in einer zugehörigen Elektrodenstruktur, wobei eine hohe Kapazität pro Volumen und eine hohe mechanische Stabilität erreicht werden. In anderen Ausführungsformen ergibt sich dadurch eine hohe Induktivität. Vorteilhafter Weise sind dabei die zweiten Leitungsabschnitte unter gleichem Abstand zueinander entlang der ersten lateralen Richtung angeordnet.
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In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind die zweiten Leitungsabschnitte unter gleichem Abstand zueinander entlang der zweiten lateralen Richtung angeordnet. Auf diese Weise gelingt es, dass die zweiten Leitungsabschnitte generell unter minimalen Abstand zueinander innerhalb des durch die vertikalen Verbindungselemente vorgegebenen Rasters angeordnet sind, wenn der Abstand in der ersten lateralen Richtung und der Abstand in der zweiten lateralen Richtung gleich sind.
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In vorteilhafter Ausführungsform (Anspruch 3) weist die Metall-Füllstruktur eine weitere Teilmenge aus vertikalen Verbindungselementen als weiteres Raster auf, wobei das weitere Raster eine vertikale Verbindung zu einer weiteren der mehreren gestapelten Metallschichten herstellt. Auf diese Weise kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Metallschichten für die Metallfüllstruktur verwendet werden, so dass sich eine hohe mechanische Stabilität in Verbindung mit einer gewünschten hohen Kapazität ergibt.
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In vorteilhafter Ausführungsform (Anspruch 4) besitzen beide Raster den gleichen Rasterabstand. Zu diesem Zweck werden die vertikalen Verbindungselemente sowie auch die jeweiligen Metallleitungen vorteilhafter Weise mit gleichen Abmessungen in jeder Metallschicht vorgesehen, so dass in jeder gestapelten Metallschicht die gleiche Struktur an Metallleitungen und in jeder Zwischenschicht die gleiche Struktur an vertikalen Verbindungselementen vorgesehen ist.
- 1 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einem Metallisierungssystem während einer gewissen Herstellungsphase.
- 2 ist eine schematische Aufsicht auf eine Halbleiterscheibe mit mehreren Halbleiterbauelementen zeigt, wobei Metall-Füllstrukturen in geeigneter Weise innerhalb des Metallisierungssystems zur Verbesserung der Prozessbedingungen und der mechanische Stabilität in den geometrischen Aufbau eingefügt werden.
- 3 ist eine schematische Draufsicht auf ein Layout bzw. geometrische Gestaltung einer Metallschicht und einer Schicht aus vertikalen Verbindungselementen, wobei eine Kondensatorstruktur mit verbesserter mechanische Stabilität geschaffen wird .
- 4 ist eine schematische Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements, wobei Kondensatorstrukturen in mehreren gestapelten Metallschichten vorgesehen sind und die einzelnen Kondensatorstrukturen miteinander elektrisch und mechanisch gekoppelt sind.
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1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 in einer Fertigungsphase, in der eine Metallisierungssystem 50 über einem Substrat 1, z.B. einem Siliziumsubstrat, hergestellt wird. Wie gezeigt, umfasst in dieser Fertigungsphase das Bauelement 100 eine Halbleiterschicht 2, die etwa in Form eines Siliziummaterials vorgesehen ist, in und über welcher Schaltungselemente 3 aufgebaut sind. Beispielsweise umfassen die Schaltungselemente 3 Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, und dergleichen, wie dies durch den entsprechenden Schaltungsaufbau erforderlich ist. Dabei können zumindest einige der Schaltungselemente 3 kritische Abmessungen von 180 nm oder weniger aufweisen. Des Weiteren ist in dieser Phase eine Kontaktebene 10 vorgesehen, die die Schaltungselemente 3 passiviert und eine geeignete Schnittstelle zur Kontaktierung des Metallisierungssystems 50 durch die Schaltungselemente 3 darstellt, wobei dies über entsprechende Kontaktelemente 12 erfolgt. Die Kontaktebene 10 enthält ein geeignetes dielektrisches Material 11 in Form von Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, und dergleichen. In der gezeigten Fertigungsphase ist eine erste Metallisierungslage bzw. Metallisierungsschicht, die im weiteren auch als Metallschicht 20 bezeichnet wird, vorgesehen, die ein geeignetes dielektrisches Material 21 aufweist, in welchem Metallleitungen 22 eingebettet sind. Des Weiteren umfasst das Metallisierungssystem 50 in der gezeigten Fertigungsphase eine weitere Metallschicht 40 mit einem geeigneten dielektrischen Material 41 und darin eingebetteten Metallleitungen 42, wobei die Metallschicht 40 über eine Schicht 30 mit der Metallschicht 20 in Verbindung steht. Die Schicht 30 enthält ein dielektrisches Material 31 und darin eingebettete vertikale Verbindungselemente bzw. Vias 32.
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Das Halbleiterbauelement 100 wird auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Technologie hergestellt, so dass die Schaltungselemente 3 mit den gewünschten Eigenschaften und geometrischen Abmessungen erzeugt werden. Nach der Fertigstellung der Kontaktebene 10 durch Aufbringen des dielektrischen Materials 11 und Strukturierung dieses Materials zur Erzeugung von Öffnungen darin mit anschließender Füllung der Öffnung mit einem geeigneten Metall wird das Metallisierungssystem 50 hergestellt. Dazu werden je nach Prozesstechnologie zuerst das dielektrische Material 21 oder ein Metallmaterial für die Leitungen 22 aufgebracht und strukturiert, woraufhin überschüssiges Material durch CMP abgetragen wird. In ähnlicher Weise wird die Schicht 30 hergestellt, woraufhin sich die Herstellung der Metallschicht 40 anschließt. Wie beispielsweise eingangs erläutert ist, findet ein CMP-Prozess 4 während einer gewissen Phase der Herstellung der Metallschicht 40 statt, in welchem die lateralen Unterschiede in der Metalldichte zu Prozessungleichmäßigkeiten durch eine lateral unterschiedliche Abtragungsrate führen können, wie dies durch eine unregelmäßige Schichtdicke 41D für das dielektrische Material 41 und eine Schichtdicke 42D für die Metallleitungen 42 dargestellt ist.
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Es sollte beachtet werden, dass entsprechende Unregelmäßigkeiten insbesondere während eines CMP-Prozesses typischerweise in jeder der Metallschichten des Systems 50 je nach Komplexität der angewendeten Prozesstechnologien und der geometrischen Gestaltung auftreten können.
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2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das Halbleitersubstrat 1, wobei mehrere Halbleiterbauelemente 100A, 100B, 100C, 100D dargestellt sind, die einen ähnlichen Aufbau aufweisen können, wie dies zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 der 1 erläutert ist. Jedoch sind in den jeweiligen Metallisierungssystemen 50 an geeigneten lateralen Positionen Metallfüllstrukturen 150 vorgesehen, so dass sich eine günstigere (ausgeglichenere) Metallverteilung in jeder Metallisierungsschicht und damit im gesamten Metallisierungssystem 50 ergibt. Dabei werden erfindungsgemäß die Metallfüllstrukturen 150 so vorgesehen, dass sie zumindest eine ausgeprägte mechanische Stabilität durch eine Verzahnung mit dem dielektrischen Material in zwei voneinander unabhängigen lateralen Richtungen gewährleisten. In vorteilhaften Ausführungsformen erfolgt die Gestaltung der Metallfüllstrukturen 150 ferner so, dass sie eine elektrische Funktion ausüben, die bei der Gestaltung der Bauelemente berücksichtigt werden kann. Beispielswiese sind die Metallfüllstrukturen 150 so aufgebaut, dass eine oder mehrere Kondensatorstrukturen oder induktive Strukturen erzeugt werden, so dass gleichzeitig mit den verbesserten mechanischen Eigenschaften zusätzlich eine elektrische Funktion bereitgestellt wird, wobei die entstehende Kondensatorstruktur oder Induktivität einen hohen Grad an Linearität bei relativ hoher Kapazität bzw. Induktivität pro Fläche bzw. pro Volumen hat.
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3 zeigt eine Draufsicht auf ein Layout bzw. auf eine schematische Darstellung einer tatsächlichen Implementierung einer Metallfüllstruktur 150, die in der dargestellten Ausführungsform gleichzeitig als ein effizienter Kondensator gestaltet ist. In der Darstellung der 3 sind zwei Ebenen des Metallisierungssystems erkennbar, wovon eine Ebene etwa die Schicht 30 repräsentiert, wie sie zuvor in 1 gezeigt ist, und ein Raster 35 aus vertikalen Verbindungselementen 32 aufweist.
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Das Raster 35 repräsentiert somit eine Teilmenge der in der Schicht 30 hergestellten Verbindungselemente 32. In der dargestellten Ausführungsform ist das Raster 35 als ein regelmäßiges Raster zu verstehen, dass entlang einer ersten lateralen Richtung L einen Rasterabstand R1 besitzt, während entlang einer zweiten lateralen Richtung B ein Rasterabstand R2 definiert ist. In der dargestellten Ausführungsform sind zum Erreichen einer hohen Metalldichte in der Metallfüllstruktur 150 die beiden Rasterabstände R1 und R2 gleich und können einem minimalen Abstand entsprechen, der durch die angewendete Strukturierungstechnologie bestimmt ist. Über der Schicht 30 ist dann die Metallschicht 20 so vorgesehen, dass die vertikalen Verbindungselemente 32 in dem Raster 35 in geeigneter Weise so miteinander verbunden werden, dass eine erste Elektrodenstruktur 24A und eine zweite Elektrodenstruktur 24B gebildet werden. Die Elektrodenstrukturen 24A, 24B stellen also Metallleitungen in der Schicht 20 dar, die sich in den beiden lateralen Richtungen geeignet erstrecken, so dass eine elektrisch funktionale Struktur - in der gezeigten Ausführungsform eine Kondensatorstruktur - die der Einfachheit halber ebenfalls als 150 bezeichnet wird, geschaffen wird.
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In der gezeigten Ausführungsform weist dazu die Elektrodenstruktur 24A Leitungsabschnitte 22A auf, die sich entlang der ersten lateralen Richtung L mit einer gewissen Länge, die als L1 angegeben ist, erstrecken. Ferner sind in der Elektrodenstruktur 24A Leitungsabschnitte 23A in unmittelbarem Kontakt mit den jeweiligen Leitungsabschnitten 22A und erstrecken sich entlang der zweiten lateralen Richtung B mit einer Länge L2, die kleiner ist als die Länge L1. In der dargestellten Ausführungsform entspricht die Länge L2 derjenigen Länge, die einer minimalen Länge zur Verbindung zweier Rasterpunkte des Rasters 35, also zur Verbindung zweier vertikaler Verbindungselemente 32 entlang der zweiten lateralen Richtung B, entspricht.
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Anders ausgedrückt, die Elektrodenstruktur 24A besitzt zumindest eine Metallleitung mit sich kreuzenden Leitungsabschnitten, wie dies etwa für zentrale Leitungsabschnitte 22A, 23A dargestellt ist. In vorteilhaften Ausführungsformen besitzen die Leitungsabschnitte 22A, 23A die gleiche Breite, die durch W1 angegeben ist. In dieser Ausführungsform ergibt sich auch ein regelmäßiger Abstand zwischen zwei Leitungsabschnitten 23A entlang der ersten lateralen Richtung L, der als S2 in der Figur dargestellt ist.
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In ähnlicher Weise enthält die Elektrodenstruktur 24B zumindest eine Metallleitung mit sich kreuzenden Leitungsabschnitten, wie dies beispielsweise durch die Leitungsabschnitte 22B, 23B in der Mitte der Struktur 150 gezeigt ist. Anders ausgedrückt, die Elektrodenstruktur 24B umfasst erste Leitungsabschnitte 22B, die sich entlang der ersten lateralen Richtung L mit der Länge L1 erstrecken, während sich die zweiten Leitungsabschnitte 23B entlang der zweiten lateralen Richtung B mit der Länge L2 erstrecken. Die entsprechende Kreuzung wird also durch den Leitungsabschnitte 22B und zwei Leitungsabschnitte 23B erzeugt. Es ergibt sich damit insgesamt ein verzahnter Aufbau, in welchem jeder Leitungsabschnitt 23B zwischen zwei Leitungsabschnitte 23A angeordnet, so dass eine innige Verzahnung mit dem dielektrischen Material 21 der Metallschicht 20 erreicht wird und andererseits eine insgesamt große Oberfläche zwischen den jeweiligen Elektrodenstrukturen 24A, 24B erzeugt ist. Wenn etwa der minimale Abstand zwischen zwei Metallleitungen in der Schicht 20, der etwa durch S1 angegeben ist, mehrere 100 nm beträgt, ergibt sich dennoch aufgrund der ineinander verzahnten Konfiguration eine relativ hohe Kapazität pro Fläche in der Schicht 20, während andererseits die resultierende Durchbruchspannung durch den Abstand S1 und die Art des dielektrischen Materials 21 gegeben ist und für die obigen Abmessungen bei Verwendung von Siliziumdioxid 100 V oder mehr betragen kann. Dadurch ist die Metallfüllstruktur 150 bzw. der darin erzeugte Kondensator auch für Hochspannungsanwendungen, etwa im Automotivbereich verwendbar.
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4 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht entsprechend der Linie IV aus 3, wobei das Metallisierungssystem beispielhaft die Metallschichten 20, 40 und eine weitere Metallschicht 70 aufweist. Ferner ist zwischen der Metallschicht 70 und der Metallschicht 40 eine weitere Schicht 60 vorgesehen, die vertikale Verbindungselemente 62 aufweist. Wie gezeigt, sind in der Metallschicht 20 die Leitungsabschnitte 22A, 22B, 23A, 23B so vorgesehen, wie dies zuvor in 3 beschrieben ist. Das Raster 35 mit den Verbindungselementen 32 stellt eine Verbindung zu der folgenden Metallschicht 40 her, die entsprechende Metallleitungsabschnitte 42A, 42B, 43A, 42B aufweist, die in ihrer Struktur und Größe sowie lateraler Lage den entsprechenden Metallleitungen in der Schicht 20 entsprechen. D.h., die vertikalen Verbindungselemente 32 enthalten eine erste Untergruppe 32A, die die Metallleitungsabschnitte, die der ersten Elektrodenstruktur in jeder der Metallschichten 20 und 40 entsprechen, miteinander verbinden, während eine zweite Untergruppe 32B der Verbindungselemente 32 die Leitungsabschnitte der zweiten Elektrodenstruktur in den Schichten 20 und 40 miteinander verbinden. In ähnlicher Weise verbinden die vertikalen Verbindungselemente 62 der Schicht 60 die Metallleitungsabschnitte 72A und die entsprechenden transversalen kürzeren Leitungsabschnitte (nicht gezeigt) mit den zugehörigen Leitungsabschnitte der ersten Elektrodenstruktur in der Schicht 40, während eine weitere Untergruppe der vertikalen Verbindungselemente 62 die Leitungsabschnitte 72B, 73B mit den zugehörigen Leitungsabschnitten in der darunter liegenden Metallschicht 40 verbindet.
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In der gezeigten Ausführungsform weisen daher die einzelnen Kondensatorstrukturen in den jeweiligen Metallschichten 20, 40, 70 die gleiche Struktur, laterale Lage und Größe der Metallleitungsabschnitte auf. In ähnlicher Weise besitzen die Verbindungselemente 32 und 62 die gleiche Größe, laterale Lage und Eingruppierung, so dass die einzelnen Kondensatorstrukturen mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind.
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Es ergibt sich also eine Elektrodenstruktur, in der die erste Elektrodenstruktur 24A mit der zweiten Elektrodenstruktur 24B, wenn auf die Metallschicht 20 als Beispiel verwiesen wird, verzahnt ist, so dass sich etwa für das dielektrische Material ein durchgängiger mäanderförmiger Pfad durch die Kondensatorstruktur 150 in der Metallschicht 20 ergibt.
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Es sollte beachtet werden, dass je nach Komplexität das Metallisierungssystem 50 weitere Metallschichten aufweisen kann, wobei auch in diesen weiteren Metallschichten eine geeignete Metallfüllstruktur, etwa als Kondensatorstruktur, eingerichtet und bei Bedarf mit der entsprechenden Metallfüllstruktur in der darunter liegenden Metallschicht verbunden werden kann. Auf diese Weise kann sich die Metallfüllstruktur in „vertikaler“ Richtung durch das gesamte Metallisierungssystem 50 erstrecken, wobei die laterale Größe und Lage der Metallfüllstruktur durch Gegebenheiten für die geforderte Kapazität oder Induktivität und die geeignete Verteilung der Metalldichte in der Metallisierungssystem 50 festgelegt werden.
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Durch die Verwendung aller verfügbaren Metallschichten und aller Ebenen mit vertikalen Kontaktelementen ergibt sich insgesamt eine große Kondensatorfläche, wobei auch die Kapazität pro Fläche bzw. pro Volumen hoch ist. Eine weitere positive Eigenschaft dieser Kondensatorstruktur besteht darin, dass der Abstand S1 entsprechend den technologischen Vorgaben ausgewählt ist und damit zuverlässig implementiert wird, so dass dieser Abstand typischerweise deutlich größer ist als ein entsprechender Abstand in Kondensatoren, wie sie in der Halbleiterebene aufgebaut werden. Dadurch ergibt sich eine deutlich bessere Linearität der Kapazität, wobei auch hohe Spannungen zwischen den Elektrodenstrukturen auftreten können, so dass sich die entstehende Kondensatorstruktur für viele Zwecke günstig einsetzen lässt, beispielsweise in komplexen analogen Schaltungen, in denen ein hoher Grad an Linearität erforderlich ist. Ferner ermöglicht die hohe Spannungsfestigkeit der Kondensatorstruktur den Einsatz als ESD-Schutzschaltung oder generell als Kondensator für erhöhte Spannungen, wie sie etwa in integrierten Schaltungen vorhanden sind, die Leistungsbauelemente enthalten.
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In den zuvor dargestellten Ausführungsformen werden die Metallleitungsabschnitte in der Metallfüllstruktur so vorgesehen, dass sich eine hohe Kapazität zwischen den Elektrodenstrukturen ergibt. In anderen Ausführungsformen kann der Aufbau auch so gestaltet sein, dass sich eine moderat hohe Induktivität ergibt, wenn beispielsweise die Verbindung der Metallleitungsabschnitte so gebildet ist, dass sich ein Eintrittspunkt und ein Austrittspunkt für die gesamte Metallfüllstruktur ergibt.
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Zu diesem Zweck werden die Metallleitungsabschnitte in Mäanderform angeordnet, wobei dann jeweils ganze Falle Leitungsabschnitte, z.B. die Leitungsabschnitte 23A, 23B vorgesehen sind, die sich in der senkrechten lateralen Richtung erstrecken und die gewünschte Verzahnung erzeugen. Es wird damit ein Strompfad hergestellt, der sich mäanderförmig durch die Struktur 150 zieht, wobei an den Strecken entlang der Richtung L die Kreuzungen bzw. transversalen Leitungsabschnitte für die hohe mechanische Stabilität und die erhöhten Induktivitätswerte sorgen. Damit können auch relativ hohe Induktivitätswerte im Metallisierungssystem verwirklicht werden, so dass beispielsweise im Zusammenwirken mit einer Kondensatorstruktur LC-Glieder aufgebaut werden können, wobei sehr genau reproduzierbare Induktivitätswerte und Kapazitätswerte erreicht werden.
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Durch geeignetes Anordnen einer oder mehrerer der Metallfüllstrukturen 150 in dem Metallisierungssystem 50 lässt sich also insbesondere während der Ausführung kritischer CMP-Prozesse eine bessere Oberflächenbeschaffenheit erzeugen, was sich wiederum in einer präziseren Gestalt der Metallleitungen und vertikalen Verbindungselemente widerspiegelt. Gleichzeitig wird die mechanische Stabilität insbesondere im Hinblick auf auftretende mechanische Verspannungen beim Betreiben des Bauelements 100 in einem Gehäuse erreicht. Die durch die Metallfüllstruktur 150 bereitgestellte elektrische Funktion, insbesondere als Kondensator oder Induktivität, lässt sich effizient in den gesamten Schaltungsaufbau integrieren, wobei bei der Erstellung des Layouts auf eine ausgeglichene Metalldichte geachtet wird.
