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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleitervorrichtungen und insbesondere Halbleitervorrichtungen und Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Halbleitervorrichtungen werden in vielen elektronischen und anderen Anwendungen verwendet. Halbleitervorrichtungen können integrierte Schaltungen umfassen, die auf Halbleiterwafern gebildet sind. Alternativ können Halbleitervorrichtungen als monolithische Vorrichtungen, beispielsweise diskrete Vorrichtungen, gebildet werden. Halbleitervorrichtungen werden durch Abscheiden vieler Typen dünner Filme aus Materialien über den Halbleiterwafern, Strukturieren der dünnen Filme aus einem Material, Dotieren selektiver Gebiete der Halbleiterwafer und durch andere Prozesse auf Halbleiterwafern gebildet.
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Einige der Probleme in Zusammenhang mit der Entwicklung von Halbleitervorrichtungen betreffen die Flächenskalierung aller Geometrien und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zum schnellen Abführen von Wärme und/oder zum Überwachen von Steuerstrukturen.
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Die
DE 10218530 A1 beschreibt eine integrierte Schaltung, die eine elektrische Widerstandsbahn, ein Substrat sowie eine thermisch leitfähige Struktur, die oberhalb oder unterhalb der elektrischen Widerstandsbahn angeordnet ist, zum Abführen von Wärme von der elektrischen Widerstandsbahn zu dem Substrat aufweist.
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Die
US 2008/0102584 A1 beschreibt eine thermisch leitfähige Struktur für einen Halbleiterintegrierten Schaltkreis, wobei die Struktur ein oder mehrere vertikale und/oder horizontale thermisch leitfähige Elemente aufweist, die nahe einer Vorrichtung zum Verbessern der thermischen Leitfähigkeit von der Vorrichtung zu einem Substrat des integrierten Schaltkreises angeordnet ist.
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Die
US 2011/0140279 A1 beschreibt eine Halbleiterstruktur, die mehrlagige Nitridschichten aufweist, die zwischen dem zentralen Bereich einer Vorrichtung und einer Abdeckungs-Oxidschicht gestapelt sind, wobei die Nitridschichten thermisch leitfähiger sind als die Abdeckungs-Oxidschicht und somit eine verbesserte Wärmeableitung weg von der Vorrichtung bereitstellen.
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Es werden eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Hauptanspruch, eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Nebenanspruch 2 und ein Verfahren zur Bildung einer Halbleitervorrichtung gemäß dem Nebenanspruch 8 bereitgestellt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgende Beschreibung in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen:
- 1, welche die 1A - 1D einschließt, eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 1A eine Schnittansicht zeigt und die 1 B und 1C Draufsichten zeigen, wobei 1D eine vergrößerte Ansicht zeigt,
- 2, welche die 2A - 21 einschließt, eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung während verschiedener Herstellungsstufen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3, welche die 3A und 3B einschließt, eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung während verschiedener Herstellungsstufen gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 4, welche die 4A und 4B einschließt, eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung während verschiedener alternativer Herstellungsstufen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 5, welche die 5A - 5E einschließt, eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung während verschiedener Herstellungsstufen gemäß einem Vergleichsbeispiel,
- 6, welche die 6A und 6B einschließt, eine Halbleitervorrichtung mit einem Polysiliciumkontakt gemäß einem Vergleichsbeispiel und
- 7 eine Halbleitervorrichtung mit einem Polysiliciumkontakt gemäß einem Vergleichsbeispiel.
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Entsprechende Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren betreffen im Allgemeinen entsprechende Teile, sofern nichts anderes angegeben wird. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der Ausführungsformen klar zu veranschaulichen, und sie sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet.
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Die Herstellung und Verwendung verschiedener Ausführungsformen und Vergleichsbeispiele werden nachstehend detailliert erörtert. Es ist jedoch zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die in einer großen Vielzahl spezifischer Zusammenhänge verwirklicht werden können. Die spezifischen erörterten Ausführungsformen sollen lediglich spezifische Arten zur Herstellung und Verwendung der Erfindung erläutern und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
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Dickes Metall, das beispielsweise mehr als 5 µm aufweist, benötigt typischerweise breite Metallzwischenräume oder eine große Beabstandung. Die Metallbeabstandung muss wegen Beschränkungen bei der Lithographie und bei Ätzprozessen groß sein, und sie führt zu vielen Problemen. Beispielsweise nimmt die ungenutzte Siliciumfläche (die Fläche, die nicht zur Stromhandhabungsfähigkeit oder Funktionalität des Chips beiträgt) mit der Chipgröße zu und erhöht daher die Kosten der Chips, was unerwünscht ist. Benachbarte metallbedeckte Gebiete sind (thermisch) schlecht gekoppelt und sperren Wärme innerhalb des Substrats des Chips ein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um diese und andere Probleme, abhängig von verschiedenen Implementationen, zu lösen.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden effektiv eine dünne Metallschicht zum Überwinden der vorstehend erwähnten Probleme ohne zusätzliche Verarbeitungsschritte. Demgemäß verwenden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung existierende darunter liegende Sperrschichten in der Art jener, die Ti/TiN und W umfassen, um elektrische und thermische Verbindungen in Gebieten zu bilden, in denen das darüber liegende dicke Leistungsmetall (wie Al, AlCu, AlSi, AlSiCu, Cu oder ähnliches) fortgeätzt wird. Vorteilhafterweise stellen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die zusätzliche Funktionalität bereit, ohne Waferverarbeitungskosten und die Siliciumflächenverwendung zu erhöhen.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lehren die Verwendung geätzter Aussparungen in einer Schicht darunter liegender abgeschiedener Metallschichten. Diese geätzten Aussparungen werden mit einem Metall gefüllt, das während nachfolgender Metallätzprozesse nicht entfernt wird. Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden als nächstes beschrieben.
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1 wird verwendet, um eine strukturelle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Zusätzliche strukturelle Ausführungsformen werden unter Verwendung der 21, 3B, 4B, beschrieben. Eine Ausführungsform zur Herstellung der Vorrichtung wird unter Verwendung von 2 beschrieben. Zusätzliche Ausführungsformen zur Herstellung der Vorrichtung werden unter Verwendung der 2 - 4 beschrieben.
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1, welche die 1A - 1D einschließt, zeigt eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 1A eine Schnittansicht zeigt und die 1B und IC Draufsichten zeigen, wobei 1D eine vergrößerte Schnittansicht zeigt.
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Mit Bezug auf 1A sei bemerkt, dass die Halbleitervorrichtung eine erste Kontaktstelle 5 und eine zweite Kontaktstelle 15 aufweist, die auf einer oberen Fläche des Werkstücks angeordnet sind, das ein Substrat 10 aufweisen kann.
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Die erste Kontaktstelle 5 und die zweite Kontaktstelle 15 weisen einen Abschnitt einer oberen Metallschicht 120 und einer unteren Metallschicht 110 auf.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen sind die erste Kontaktstelle 5 und die zweite Kontaktstelle 15 Kontaktstellen einer Leistungshalbleitervorrichtung. Beispielsweise kann die erste Kontaktstelle 5 ein Gate-Kontakt eines Transistors sein und kann die zweite Kontaktstelle 15 ein Source-Kontakt eines Transistors sein. Alternativ kann die erste Kontaktstelle 5 eine Source-Kontaktstelle eines Transistors sein und kann die zweite Kontaktstelle 15 eine Drain-Kontaktstelle eines Transistors sein.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste Kontaktstelle 5 über einem ersten aktiven Gebiet 51 angeordnet sein, und die zweite Kontaktstelle 15 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen über dem zweiten aktiven Gebiet 52 angeordnet sein. Ferner kann ein Zwischengebiet 53 zwischen dem ersten aktiven Gebiet 51 und dem zweiten aktiven Gebiet 52 angeordnet sein. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen können die Zwischengebiete 53 ein Halbleitergebiet oder ein Isolationsgebiet sein.
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Eine erste Isolierschicht 20 ist über dem Substrat 10 angeordnet, und eine zweite Isolierschicht 30 ist über der ersten Isolierschicht 20 angeordnet. Eine dritte Isolierschicht 40 ist über der zweiten Isolierschicht 30 angeordnet. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine höhere oder eine geringere Anzahl von Isolierschichten über dem Substrat 10 angeordnet sein. Ferner kann jede von der ersten Isolierschicht 20, der zweiten Isolierschicht 30 und der dritten Isolierschicht 40 mehrere Schichten aufweisen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist das Gebiet zwischen der ersten Kontaktstelle 5 und der zweiten Kontaktstelle 15 über den Zwischengebieten 53 ein oder mehrere Metallstrukturmerkmale 130 auf. Wie weiter in 1A dargestellt ist, erstrecken sich die Metallstrukturmerkmale 130 in die dritte Isolierschicht 40. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen erstrecken sich die Metallstrukturmerkmale 130 in eine oder mehrere von der ersten, zweiten und dritten Isolierschicht 20, 30 und 40.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen sind die Metallstrukturmerkmale 130 in einer Richtung lang gestreckt, jedoch in einer anderen senkrechten Richtung schmal, so dass eine Reihe schmaler Streifen gebildet ist. Gemäß einigen Ausführungsformen können diese Streifen auch entlang senkrechten Richtungen gebildet sein, so dass die entlang den senkrechten Richtungen orientierten Streifen einander unter Bildung eines Gitters schneiden.
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1B zeigt eine Draufsicht des durch die Metallstrukturmerkmale 130 gebildeten Metallmusters 150. Wie in 1B dargestellt ist, kann das Metallmuster 150 die Wärmeleitung des Gebiets zwischen der ersten Kontaktstelle 5 und der zweiten Kontaktstelle 15 verbessern.
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Das Vorhandensein des Gitters, welches die Metallstrukturmerkmale 130 umfasst, kann die Wärmeleitfähigkeit dieses Gebiets zwischen der ersten Kontaktstellen 5 und der zweiten Kontaktstelle 15 verbessern. Vorteilhafterweise kann die verbesserte Wärmeleitfähigkeit ausgenutzt werden, beispielsweise um einen eingebetteten Temperatursensor zu ermöglichen, um die Verbindung oder Kopplung mit einem aktiven Vorrichtungsgebiet zu verbessern und/oder um eine bessere thermische Verbindung mit einer Wärmesenke bereitzustellen.
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Gemäß einigen Ausführungsformen können die durch die Metallstrukturmerkmale 130 gebildeten Streifen jedoch voneinander isoliert sein, um beispielsweise die Möglichkeit eines elektrischen Kurzschlusses zwischen der ersten Kontaktstelle 5 und der zweiten Kontaktstelle 15 zu minimieren.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen bestehen die Metallstrukturmerkmale 130 aus dem gleichen Material wie die untere Metallschicht 110. Mit anderen Worten werden die Metallstrukturmerkmale 130, wie nachstehend in verschiedenen Ausführungsformen beschrieben, im selben Prozessschritt wie die untere Metallschicht 110 gebildet.
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Figur IC zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei die Metallstrukturmerkmale 130 voneinander isoliert sind, um die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen der ersten Kontaktstelle 5 und dem zweiten Kontakt 15 zu minimieren. Gemäß dieser Ausführungsform sind alle Metallstrukturmerkmale 130 entlang einer einzigen Richtung orientiert.
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Wie in der vergrößerten Schnittansicht aus 1D dargestellt ist, können die Metallstrukturmerkmale 130 mehr als eine Metallschicht aufweisen. Beispielsweise können die Metallstrukturmerkmale 130 einen Metallüberzug 131 und ein Füllmaterial 132 aufweisen. Beispielsweise kann der Metallüberzug 131 ein Stapel sein, der Schichten von Titan, Titannitrid umfassen kann, während das Füllmaterial 132 gemäß einer Ausführungsform Wolfram sein kann.
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2, welche die 2A - 21 einschließt, zeigt eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung während verschiedener Herstellungsstufen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Mit Bezug auf 2A sei bemerkt, dass eine Halbleitervorrichtung an dieser Herstellungsstufe ein Substrat 10 aufweist, das Vorrichtungsgebiete, beispielsweise dotierte Gebiete, umfasst. Das Substrat 10 kann ein Wafer sein und gemäß verschiedenen Ausführungsformen Epitaxieschichten aufweisen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat 10 ein Grundmaterialsiliciumwafer oder ein Silicium-auf-Isolator-Wafer sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Substrat 10 ein III-V-Substrat mit Elementen aus der Gruppe III und der Gruppe V sein oder kann das Substrat 10 ein II-VI-Substrat mit Elementen aus der Gruppe II und der Gruppe VI sein. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat 10 ein Silicium-auf-Saphir-(SOS)-Substrat sein. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat 10 ein Germanium-auf-Isolator-(GeOI)-Substrat sein. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat 10 eines oder mehrere Halbleitermaterialien, wie Silicium, Siliciumgermanium, Siliciumkohlenstoff, Germanium, Galliumarsenid, Indiumarsenid, Galliumnitrid, Indiumgalliumarsenid oder Indiumantimonid aufweisen.
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An dieser Verarbeitungsstufe kann das Substrat 10 eine abgeschlossene Vorstufenverarbeitung aufweisen. Beispielsweise können die Vorrichtungsgebiete und die vorderseitigen Metallisierungsschichten an der oberen Fläche des Substrats 10 ausgebildet sein. Das Substrat 10 kann mehrere Einzelchips aufweisen, die verschiedene Einzelchiptypen, einschließlich integrierter Schaltungen oder diskreter Vorrichtungen, umfassen können. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen können die mehreren Einzelchips im Substrat 10 Logikchips, Speicherchips, analoge Chips, Mischsignalchips und Kombinationen davon, wie ein System-aufeinem-Chip, umfassen. Die mehreren Einzelchips im Substrat 10 können verschiedene Typen aktiver und passiver Vorrichtungen, wie Dioden, Transistoren, Thyristoren, Kondensatoren, Induktoren, Widerstände, optoelektronische Vorrichtungen, Sensoren, mikroelektromechanische Systeme und andere, umfassen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Substrat 10 mehrere Einzelchips, wobei jeder Einzelchip eine diskrete Vorrichtung in der Art eines einzelnen Transistors ist. Beispiele diskreter Vorrichtungen schließen Leistungsvorrichtungen, vertikale Vorrichtungen (wobei der Strom von oben nach unten fließt) und andere ein.
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Eine erste Isolierschicht 20 ist über dem Substrat 10 gebildet. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Isolierschicht 20 ein dielektrisches Material in der Art einer dielektrischen Zwischenebenen-(ILD)-Schicht umfassen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die erste Isolierschicht 20 jedoch eine Gatedielektrikumschicht eines Transistors, eine Tunneldielektrikumschicht eines Flash- oder Floating-Gate-Transistors oder ein Feldoxid sein, wobei dies von der Implementation abhängt und vom Typ der gebildeten Vorrichtung abhängen kann.
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Die erste Isolierschicht 20 kann gemäß einer Ausführungsform ein Oxid umfassen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Isolierschicht 20 isolierende Materialien umfassen, die typischerweise bei der Halbleiterherstellung für dielektrische Zwischenebenenschichten verwendet werden, wie SiO2, Tetraethyloxysilan (TEOS), fluoriertes TEOS (FTEOS), dotiertes Glas (Borophosphosilikatglas (BPSG), Phosphosilikatglas (PSG), Borosilikatglas (BSG)), Organosiliklatglas (OSG), fluoriertes Silikatglas (FSG), Spin-on-Glas (SOG), SiN, SiON oder isolierende Materialien mit einem niedrigen k-Wert, wie SiCOH. Die erste Isolierschicht 20 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Dicke von etwa 500 nm oder weniger aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Isolierschicht 20 eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 50 nm auf. Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die erste Isolierschicht 20 eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 100 nm auf. Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die erste Isolierschicht 20 eine Dicke von etwa 50 nm bis etwa 200 nm auf. Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Isolierschicht 20 eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 300 nm auf.
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Die erste Isolierschicht 20 kann aufwachsen gelassen werden (beispielsweise durch Oxidation, Nitrieren, eine Kombination davon usw.) oder abgeschieden werden, beispielsweise unter Verwendung einer chemischen Dampfabscheidung (CVD), einer Atomschichtabscheidung (ALD), einer metallorganischen chemischen Dampfabscheidung (MOCVD), einer physikalischen Dampfabscheidung (PVD) oder einer Dampfstrahlabscheidung (JVD).
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Eine erste Leiterbahn 50 wird über der ersten Isolierschicht 20 gebildet. Die erste Leiterbahn 50 kann unter Verwendung von Lithographie strukturiert werden. Nach der Strukturierung der ersten Leiterbahn 50 kann ein Zwischenschichtdielektrikum über der ersten Leiterbahn 50 gebildet werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird eine zweite Isolierschicht 30 nach der Bildung der ersten Isolierschicht 20 abgeschieden und planarisiert. Als nächstes wird die dritte Isolierschicht 40 über der zweiten Isolierschicht 30 abgeschieden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die zweite Isolierschicht 30 und die dritte Isolierschicht 40 unter Verwendung ähnlicher Techniken wie vorstehend mit Bezug auf die ersten Isolierschichten 20 beschrieben abgeschieden werden.
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Wie als nächstes anhand 2B erläutert wird, wird eine erste Resistschicht 60 über dem Substrat 10 gebildet und strukturiert. Der erste Resist 60 kann eine einzige Resistschicht oder einen mehrschichtigen Resist in der Art einer zweilagigen Resistschicht oder eines dreilagigen Resists umfassen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Resistschicht 60 ein Photoresist sein und unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Techniken strukturiert werden. Alternativ kann die erste Resistschicht 60 ein Hartmaskenmaterial, wie Siliciumoxid oder Siliciumnitrid, umfassen, das unter Verwendung einer Photoresistschicht (nicht dargestellt) strukturiert wird.
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Wie in 2B dargestellt ist, wird die erste Resistschicht 60 in Gebieten strukturiert, in denen Metallstrukturmerkmale zu bilden sind (wie nachstehend weiter beschrieben wird).
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2C zeigt einen in der dritten Isolierschicht 40 gebildeten ersten Graben 70. Der erste Graben 70 wird unter Verwendung der strukturierten ersten Resistschicht 60 als Ätzmaske strukturiert. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Graben 70 unter Verwendung eines anisotropen Ätzprozesses in der Art eines reaktiven Ionenätzprozesses gebildet werden.
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Wie weiter in 2D dargestellt ist, kann sich der erste Graben 70 in die darunter liegenden Schichten erstrecken. Beispielsweise wird gemäß einer Ausführungsform die darunter liegende erste Leiterbahn 50 geätzt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen erstreckt sich der erste Graben 70 jedoch nicht durch die erste Leiterbahn 50. Vielmehr erstreckt sich der erste Graben 70 teilweise in die erste Leiterbahn 50.
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Als nächstes sei mit Bezug auf 2E bemerkt, dass jede restliche erste Resistschicht 60 entfernt wird. Die erste Resistschicht 60 kann gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen unter Verwendung eines Ätzprozesses in der Art eines Nassätzprozesses entfernt werden.
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Wie weiter in 2F dargestellt ist, wird eine untere Metallschicht 110 über dem Substrat 10, gefolgt von einer oberen Metallschicht 120, gebildet. Wie ferner dargestellt ist, füllt die untere Metallschicht 110 den ersten Graben 70 zumindest teilweise, so dass Metallstrukturmerkmale 130 gebildet werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen umfasst die untere Metallschicht 110 einen Metallabscheidungsprozess, der dafür ausgelegt ist, den Graben mit einem schmalen Aspektverhältnis in der Art des ersten Grabens 70 zu füllen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die untere Metallschicht 110 Wolfram, Titan, Tantal, Titannitrid, Tantalnitrid, Wolframnitrid, Wolframcarbid und andere geeignete Sperrmaterialien.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die untere Metallschicht 110 mehrere Schichten umfassen. Beispielsweise kann die untere Metallschicht 110 eine Haftschicht, eine Sperrschicht und eine Keimschicht aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen besteht die untere Metallschicht 110 aus einem Sperrmaterial, das dafür ausgelegt ist, die Diffusion von Elementen in der Art von Metallatomen aus den unteren Metallschichten zu verhindern und auch die Diffusion von Atomen aus der oberen Metallschicht 120 zu verhindern.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die untere Metallschicht 110 unter Verwendung einer Abscheidungstechnik, wie Sputtern, physikalische Dampfabscheidung, chemische Dampfabscheidung, Atomschichtabscheidung und andere solche Techniken, abgeschieden werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die untere Metallschicht 110 eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 1 µm und gemäß einer Ausführungsform von etwa 500 nm auf.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beträgt die Metalldicke der abgeschiedenen unteren Metallschicht 110 zumindest die Hälfte der Breite W des ersten Grabens 70. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Dicke der abgeschiedenen unteren Metallschicht 110 in etwa gleich der Breite W des ersten Grabens 70.
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Nach der Abscheidung der unteren Metallschicht 110 wird eine obere Metallschicht 120 gebildet. Die obere Metallschicht 120 ist dicker als die untere Metallschicht 110 und kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen etwa 10 Mal bis etwa 20 Mal so dick sein wie die untere Metallschicht 110. Demgemäß kann die obere Metallschicht 120 nicht dafür geeignet sein, die schmalen Abmessungen des ersten Grabens 70 zu füllen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die obere Metallschicht 120 Aluminium, Kupfer, Titan, Aluminiumlegierungen, wie AlSi, AlCu, AlSiCu und andere, umfassen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die obere Metallschicht 120 eine lötbare Schicht, wie Sn, Zn, In, Ga, Ge, Pb oder Legierungen von diesen einschließlich anderer Legierungselemente, wie AuSn, CuSnAg, SnAg oder eines beliebigen geeigneten Metalls, einer beliebigen geeigneten Metalllegierung oder eines beliebigen geeigneten Lötmaterials aufweisen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die obere Metallschicht 120 ein Schutzmaterial, wie Silber, Gold, Platin, Palladium oder Legierungen von diesen unter Einschluss anderer Legierungselemente oder eines beliebigen Elements, einer beliebigen Legierung oder einer beliebigen Verbindung einschließen, die beispielsweise geeignet sein kann, um eine Oxidation des darunter liegenden Metalls der oberen Metallschicht 120 zu verhindern.
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Als nächstes sei mit Bezug auf 2G bemerkt, dass eine zweite Resistschicht 140 über der oberen Metallschicht 120 gebildet und strukturiert wird. Die zweite Resistschicht 140 kann gemäß einer Ausführungsform ein Photoresistmaterial umfassen und unter Verwendung von Lithographietechniken strukturiert werden. Nach der Strukturierung der zweiten Resistschicht 140 wird eine obere Fläche der oberen Metallschicht 120 freigelegt.
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Zur Veranschaulichung kann der Abstand D der minimale Abstand in der Entwurfsregel für die Strukturierung der oberen Metallschicht 120 für die zur Herstellung der Halbleitervorrichtung verwendete Prozesstechnologie sein.
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Wie weiter in 2H dargestellt ist, werden unter Verwendung der strukturierten zweiten Resistschicht 140 die obere Metallschicht 120 und die untere Metallschicht 110 strukturiert. Allerdings wird die untere Metallschicht 110 nicht vom ersten Graben 70 entfernt, so dass ein Metallstrukturmerkmal 130 innerhalb der dritten Isolierschicht 40 und zumindest einem Teil der ersten Leiterbahn 50 gebildet wird. Dies liegt daran, dass der für das Entfernen der unteren Metallschicht 110 verwendete Ätzprozess unterbrochen werden kann, bevor das gesamte untere Metall aus dem ersten Graben 70 entfernt wird. Dies kann durch verschiedene Verfahren implementiert werden. Beispielsweise kann das Ätzen gemäß verschiedenen Ausführungsformen unterbrochen werden, wenn ein Endpunkt erkannt wird, oder es kann alternativ durch die Verwendung eines zeitlich gesteuerten Ätzens unterbrochen werden.
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Dementsprechend werden Metallstrukturmerkmale 130 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen innerhalb des Gebiets zwischen den beiden Abschnitten der oberen Metallschicht 120 gebildet.
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Wie weiter in 21 dargestellt ist, wird die zweite Resistschicht 140 beispielsweise unter Verwendung eines Nassätzprozesses entfernt. Demgemäß verbleiben Metallstrukturmerkmale 130 und können verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit des Gebiets zwischen der ersten Kontaktstelle 5 und der zweiten Kontaktstelle 15 zu verbessern.
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Gemäß einer spezifischen Ausführungsform umfasst das vorstehend beschriebene Verfahren das Bilden einer Polysiliciumschicht (beispielsweise der ersten Leiterbahn 50 in 2A) und einer Isolierschicht (beispielsweise der dritten Isolierschicht 40) über der Polysiliciumschicht. Kleine Öffnungen (beispielsweise der Graben 70 in 2C) werden in der Isolierschicht und der Polysiliciumschicht gebildet. Alternativ können gemäß einer anderen Ausführungsform die Öffnungen in der Polysiliciumschicht vor der Bildung der Isolierschicht gebildet werden. Ein Metallschichtstapel (beispielsweise die untere Metallschicht 110 und die obere Metallschicht 120 in 2F) wird über den Polysiliciumöffnungen liegend gebildet. Der Metallstapel weist wenigstens eine erste dünne Schicht (beispielsweise die untere Metallschicht 110) und eine zweite dickere Schicht (beispielsweise die obere Metallschicht 120) auf, wobei die erste dünne Schicht eine Dicke aufweist, die zumindest halb so groß ist wie die Breite der kleinen Polysiliciumöffnungen. Die Metallschicht kann die kleinen Öffnungen vollständig füllen, wobei sie auf den Seitenwänden abgeschieden wird, und sie kann daher eine Dicke aufweisen, die zumindest die Hälfte der Dicke der kleinen Öffnungen ist. Gemäß einer Ausführungsform kann ein Kompromiss zwischen der Strukturmerkmalsgröße und der Prozessausbeute erhalten werden, wenn die untere Metalldicke in etwa gleich der Breite der kleinen Öffnung ist. Ein Resistmuster (beispielsweise die zweite Resistschicht 140 in 2G) wird auf der dicken Metallschicht gebildet, so dass ein Teil der dicken Metallschicht über den Polysiliciumöffnungen einem nachfolgenden Ätzprozess unterzogen werden kann. Die freigelegte dicke Metallschicht wird vollständig aus dem Gebiet entfernt, in dem die Polysiliciumöffnungen gebildet wurden. Die darunter liegende dünne Metallschicht wird freigelegt und geätzt. Das Ätzen der dünnen Metallschicht wird jedoch so gesteuert, dass das dünne Metall in den Polysiliciumöffnungen verbleibt, jedoch aus anderen freigelegten Bereichen entfernt wird (2H).
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3, welche die 3A und 3B einschließt, zeigt eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung während verschiedener Herstellungsstufen gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Mit Bezug auf 3A sei bemerkt, dass gemäß einer alternativen Ausführungsform die untere Metallschicht 110 direkt auf der zweiten Isolierschicht 30 gebildet werden kann. Demgemäß werden die Metallstrukturmerkmale direkt nur in der ersten Leiterbahn 50 gebildet.
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Eine anschließende Verarbeitung kann wie gemäß vorhergehenden Ausführungsformen folgen, um eine erste Kontaktstelle 5 und eine zweite Kontaktstelle 15 zu bilden.
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4, welche die 4A und 4B einschließt, zeigt eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung während verschiedener alternativer Herstellungsstufen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß dieser Ausführungsform werden die Metallstrukturmerkmale 130 nur innerhalb der dritten Isolierschicht 40 gebildet. Beispielsweise wird, wie in 4A dargestellt, der erste Graben 70 abgeschlossen, bevor die andere Seite der dritten Isolierschicht 40 erreicht wird. Es folgt eine anschließende Verarbeitung, wie in 4B dargestellt ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann die erste Leiterbahn 50 unterhalb der dritten Isolierschicht 40 vorhanden sein oder fortgelassen sein.
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5, welche die 5A - 5E einschließt, zeigt eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung während verschiedener Herstellungsstufen gemäß einem Vergleichsbeispiel.
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5 zeigt ein anderes Vergleichsbeispiel zur Bildung von Kontakten zwischen zwei leitenden Schichten. Zuerst sei mit Bezug auf 5A bemerkt, dass leitende Gebiete 220 im Substrat 10 oder oberhalb des Substrats 10 gebildet werden. Gemäß einigen Vergleichsbeispielen können die leitenden Gebiete 220 über einer eingebetteten Isolierschicht 210 gebildet werden, beispielsweise als Teil eines Halbleiter-auf-Isolator-Substrats.
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Die leitenden Gebiete 220 können gemäß verschiedenen Vergleichsbeispielen dotierte Halbleitergebiete, dotierte Polysiliciumgebiete und metallische Gebiete umfassen. Gemäß einigen Vergleichsbeispielen können verschiedene Abschnitte der leitenden Gebiete 220 unter Verwendung von Isolationsgebieten 225 isoliert werden.
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Mit Bezug auf 5A sei bemerkt, dass eine erste Leiterbahn 50 über den leitenden Gebieten 220 und einer ersten Isolierschicht 20 gebildet wird. Die erste Isolierschicht 20 kann gemäß einigen Vergleichsbeispielen eine Gatedielektrikumschicht oder eine Tunneldielektrikumschicht sein. Wie gemäß früheren Vergleichsbeispielen kann die erste Leiterbahn 50 innerhalb einer zweiten Isolierschicht 30 gebildet werden. Eine dritte Isolierschicht 40 kann über der ersten Leiterbahn 50 gebildet werden. Eine erste Photoresistschicht 260 wird über der dritten Isolierschicht 40 gebildet.
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Mit Bezug auf 5A sei bemerkt, dass eine erste Öffnung 270 innerhalb der ersten Photoresistschicht 260 gebildet wird. Anders als gemäß früheren Vergleichsbeispielen kann gemäß diesem Vergleichsbeispiel die erste Öffnung 270 ein Kontaktloch sein (beispielsweise kreisförmig oder elliptisch sein) und kein Graben oder Streifen sein.
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Wie weiter in 5B dargestellt ist, erstreckt sich die erste Öffnung 270 von der dritten Isolierschicht 40, der ersten Leiterbahn 50 und der ersten Isolierschicht 20 zu den leitenden Gebieten 220. Demgemäß ist die erste Öffnung 270 durch die erste Leiterbahn 50 gebildet, um Kontaktgebiete 240 an den leitenden Gebieten 220 freizulegen.
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Nach der Bildung der ersten Öffnung 270 können die Kontaktgebiete 240 dotiert werden, um den Kontaktwiderstand zu verbessern (zu verringern). Gemäß einem Vergleichsbeispiel kann eine vertikale Implantation zum Substrat 10 hin ausgeführt werden. Die Implantation kann durch die an die erste Öffnung 270 angrenzenden Schichten blockiert werden. Demgemäß wird nur der Abschnitt der leitenden Gebiete 220, der durch die erste Öffnung 270 freigelegt ist, implantiert. Gemäß einem oder mehreren Vergleichsbeispielen werden die Kontaktgebiete 240 mit dem gleichen Dotierungsstofftyp wie die leitenden Gebiete 220 implantiert. Alternativ weisen gemäß einem anderen Vergleichsbeispiel die Kontaktgebiete 240 den zu jenem der leitenden Gebiete 220 entgegengesetzten Dotierungstyp auf, so dass eine Diode gebildet wird. Falls die leitenden Gebiete 220 beispielsweise eine p-Dotierung aufweisen, wird ein p-Dotierungsstoff implantiert. Nach einem anschließenden Wärmebehandlungsprozess werden die dotierten Kontaktgebiete 240 gebildet. Gemäß einigen Vergleichsbeispielen können die dotierten Kontaktgebiete 240 auch unter Verwendung anderer Dotierungstechniken in der Art einer Plasmadotierung, einer Festkörperdiffusionsdotierung und anderer gebildet werden.
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Wie weiter in 5C dargestellt ist, wird die untere Metallschicht 110 über dem Substrat 10 abgeschieden. Die untere Metallschicht 110 füllt gemäß einem oder mehreren Vergleichsbeispielen zumindest teilweise die erste Öffnung 270. Gemäß einem Vergleichsbeispiel füllt die untere Metallschicht 110 die erste Öffnung vollständig, und es wird eine Überfüllungsschicht über der dritten Isolierschicht 40 gebildet. Gemäß verschiedenen Vergleichsbeispielen kann die untere Metallschicht 110 mehrere Schichten in der Art einer Haftschicht, einer Sperrschicht und einer Keimschicht umfassen. Siehe auch 1D, worin die Metallstrukturmerkmale 130 mit einem Metallüberzug 131 und einem Füllmaterial 132 als Beispiel dargestellt sind.
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Wie weiter in 5D dargestellt ist, wird gemäß einem oder mehreren Vergleichsbeispielen die untere Metallschicht 110 planarisiert, beispielsweise um die Überfüllungsschicht zu entfernen. Demgemäß werden gemäß einem oder mehreren Vergleichsbeispielen mehrere Kontakte 250 gebildet, welche die erste Leiterbahn 50 mit den leitenden Gebieten 220 koppeln.
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Wie weiter in 5E dargestellt ist, kann eine Schutzschicht 230 über der dritten Isolierschicht 40 gebildet werden. Alternativ kann eine obere Metallschicht über der dritten Isolierschicht 40 gebildet werden, bevor die Schutzschicht 230 gebildet wird, so dass dieselben Kontakte 250 die obere Metallschicht, die erste Leiterbahn 50 und die leitenden Gebiete 220 koppeln. Gemäß verschiedenen Vergleichsbeispielen kann die Schutzschicht 230 ein Oxid, ein Nitrid, ein Imid und andere geeignete Materialien umfassen.
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6, welche die 6A und 6B einschließt, zeigt eine Halbleitervorrichtung mit einem Polysiliciumkontakt gemäß einem Vergleichsbeispiel.
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Zur Veranschaulichung kann die Halbleitervorrichtung aus 6 ein Temperatursensor sein. Gemäß verschiedenen Vergleichsbeispiel ermöglicht die Bildung von Kontakten 250 den Entwurf eines Temperatursensors innerhalb eines Leistungstransistors in der Art eines Leistungs-DMOS. Der Leistungstransistor kann eine über dem Substrat 10 gebildete zweite Leiterbahn 221 aufweisen. Der Sensor kann eine über dem Substrat 10 gebildete dritte Leiterbahn 222 aufweisen. Gemäß einem Vergleichsbeispiel ist die dritte Leiterbahn 222 ein Kathodenanschluss und ist die zweite Leiterbahn 221 ein Anodenanschluss der Sensordiode. Der Sensor ist in der Nähe des Leistungstransistors angeordnet und in der Lage, die Temperatur des Leistungstransistors zu überwachen. Beispielsweise kann der Diodenstrom zwischen der zwischen der dritten Leiterbahn 222 und den Kontakten 250 gebildeten Diode verwendet werden, um die Temperatur gemäß einem Vergleichsbeispiel zu überwachen.
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Gemäß verschiedenen Vergleichsbeispielen kann die Verbindung zwischen der ersten Leiterbahn 50 und der dritten Leiterbahn 222 unter Verwendung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und der Vergleichsbeispiele, die vorstehend beschrieben wurden, vorgenommen werden. Die dritte Leiterbahn 222 kann während der Gate-Bildung in anderen Gebieten der Vorrichtung gebildet werden, beispielsweise durch eine erste Polysiliciumabscheidung nach einem Lithographie- und Ätzprozess, während die erste Leiterbahn 50 unter Verwendung einer zweiten Polysiliciumabscheidung gebildet werden kann. Die erste Leiterbahn 50 und die dritte Leiterbahn 222 können als Ausgabeleitungen mit einer Sensorsteuerschaltungsanordnung gekoppelt werden, welche sich auf demselben Chip, einem anderen Chip innerhalb desselben Gehäuses oder außerhalb des Gehäuses befinden kann, beispielsweise über einen MESS-Stift des Gehäuses.
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Die Fähigkeit, Kontakte mit Abmessungen zu bilden, die kleiner als das minimale Strukturmerkmal sind, ermöglicht diesen Entwurf. Beispielsweise können die erste Leiterbahn 50 und die dritte Leiterbahn 222 beide Polysiliciumleitungen sein. Die Bildung der Kontakte 250 kann die minimale Strukturmerkmalsgröße dieser Verbindung um etwa 20 % verringern (die genaue Größenverringerung ist technologieabhängig). Typischerweise erfolgt eine Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnen, die miteinander zu verbinden sind, unter Verwendung zweier getrennter Kontakte, die jeweils mit einer gemeinsamen Metallschicht verbunden sind, welche die Kontakte bedeckt. Ein solcher Entwurf legt jedoch eine Anzahl von Entwurfsbedingungen auf. Beispielsweise liegen die Kontaktgebiete in einem minimalen Abstand vom Rand der ersten Leiterbahn 50, sie müssen einen minimalen Abstand voneinander aufweisen, und die gemeinsame Metallschicht muss die Kontaktlöcher um einen gegebenen Abstand überlappen.
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Unter Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und beschriebenen Vergleichsbeispielen können die Kontakte 250 die gleiche Funktionalität erreichen, ohne so viele Entwurfsbedingungen aufzuerlegen und während ein kleinerer Auflagebereich (eine kleinere Fläche) verwendet wird. Beispielsweise überlappt die erste Leiterbahn 50 die dritte Leiterbahn 222 mit einer ersten Isolierschicht 20, die ein Zwischenschichtdielektrikum sein kann, das vertikal zwischen der ersten Leiterbahn 50 und der dritten Leiterbahn 222 angeordnet ist und diese trennt. Ein Kontaktloch ist durch die erste Leiterbahn 50 und durch die erste Isolierschicht 20 gebildet und reicht bis zur dritten Leiterbahn 222, wie gemäß verschiedenen Ausführungsformen und Vergleichsbeispielen beschrieben wurde, siehe beispielsweise 5. Dieses Kontaktloch wird dann mit der unteren Metallschicht 110 gefüllt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen und Vergleichsbeispielen sind die einzigen Grenzen für die Merkmalsgröße der Kontakte 250 der minimale Abstand vom Kontaktfenster bis zum Rand sowohl der ersten Leiterbahn 50 als auch der dritten Leiterbahn 222.
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7 zeigt eine Halbleitervorrichtung mit einem Polysiliciumkontakt gemäß einem Vergleichsbeispiel.
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Gemäß diesem Vergleichsbeispiel sind die Kontakte 250 ferner mit einer gemeinsamen Metallschicht in der Art der oberen Metallschicht 120 gekoppelt, so dass verschiedene Gebiete der Halbleitervorrichtung gekoppelt sind. Demgemäß ist zur Veranschaulichung die zweite Leiterbahn 221 zusammen mit der ersten Leiterbahn 50 durch die obere Metallschicht 120 mit der dritten Leiterbahn 222 gekoppelt.
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Demgemäß wird gemäß verschiedenen Vergleichsbeispielen ein einziger Metallprozess verwendet, um Strukturen in zwei verschiedenen Ebenen zu bilden. Insbesondere wird gemäß verschiedenen Vergleichsbeispielen der Kontaktüberzug oder ein Sperrmetall verwendet, um darunter liegende Kontaktlöcher und/oder Strukturen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zu bilden, welche kleiner als die minimale Strukturmerkmalsgröße für die zur Herstellung der Halbleitervorrichtung verwendete Prozesstechnologie sind.
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Wie in verschiedenen Ausführungsformen und Vergleichsbeispielen beschrieben, kann ein Material, das ein Metall umfasst, beispielsweise ein reines Metall, eine Metalllegierung, eine Metallverbindung, eine intermetallische Verbindung und andere Materialien sein, d.h. ein beliebiges Material, das Metallatome aufweist. Beispielsweise kann Kupfer reines Kupfer oder ein Kupfer aufweisendes Material sein, wie eine Kupferlegierung, eine Kupferverbindung, eine intermetallische Kupferverbindung, ein Isolator, der Kupfer umfasst, und ein Halbleiter, der Kupfer umfasst.
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Zur Erläuterung sei bemerkt, dass die in den 1 - 4 beschriebenen Ausführungsformen gemäß alternativen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können.
