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Technisches Gebiet
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Konzepte für Halbleiterbauelementstrukturen und insbesondere auf Halbleiterbauelemente und ein Verfahren zum Bilden eines Halbleiterbauelements.
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Hintergrund
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Halbleiterbauelemente können spezielle Anforderungen, z. B. Anforderungen an den spezifischen Widerstand, für verschiedene Anwendungen haben. Konventionell werden Poly-Widerstände für Widerstandsanwendungen verwendet. Allerdings führen Stellen von konventionellen Poly-Widerständen auf einem Chip zu hoher parasitärer Kapazität. Insbesondere ist die Stelle von konventionellen Poly-Widerständen auf einer flachen Grabenisolation (STI; STI = Shallow Trench Isolation) sehr nahe zu einem Substrat.
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Zusammenfassung
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Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen von Konzepten zum Implementieren von hochohmigen Widerstandsstrukturen auf Halbleiterbauelementen, die es erlauben, parasitäre Kapazitäten zu reduzieren.
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Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand der Ansprüche erfüllt werden.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement kann eine Tantalnitridwiderstandsstruktur umfassen. Die Tantalnitridwiderstandsstruktur kann einen Flächenwiderstand von mehr als 100 Ω/Quadrat aufweisen.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein weiteres Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement kann eine Tantalnitridwiderstandsstruktur umfassen. Die Tantalnitridwiderstandsstruktur kann einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 400 μΩcm aufweisen.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein weiteres Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement kann eine Tantalnitridwiderstandsstruktur umfassen. Die Tantalnitridwiderstandsstruktur kann eine Dicke von weniger als 50 nm aufweisen.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Bilden eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren kann ein Sputtern von Tantal in einer stickstoffreichen Atmosphäre umfassen, um eine Tantalnitridschicht einer Tantalnitridwiderstandsstruktur zu bilden. Die Tantalnitridschicht weist ein Stickstoff-zu-Tantal-Atomverhältnis höher als 1 auf. Das Verfahren umfasst ferner ein Bilden von zumindest zwei vertikalen Kontaktstrukturen der Tantalnitridwiderstandsstruktur. Die zumindest zwei vertikalen Kontaktstrukturen können die Tantalnitridschicht an zwei gegenüberliegenden Endregionen der Tantalnitridschicht anschließen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen
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1 einen Querschnitt eines Halbleiterbauelements zeigt;
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2a einen Querschnitt einer Tantalnitridwiderstandsstruktur zeigt;
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2b ein Beispiel eines Ringkontakts einer Tantalnitridwiderstandsstruktur zeigt;
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2c ein Beispiel eines Streifenkontakts einer Tantalnitridwiderstandsstruktur zeigt;
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3a ein anderes Beispiel eines Querschnitts eines Halbleiterbauelements zeigt;
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3b einen Querschnitt eines Metallschichtstapels zeigt, der eine Tantalnitridwiderstandsstruktur umfasst;
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4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden eines Halbleiterbauelements zeigt;
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5a einen Graphen zeigt, der einen Flächenwiderstand in Bezug auf einen N2-Gasfluss in einem Beispiel von N2-Gasflussvariationen in Bezug auf eine TaN-Abscheidung durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD; PVD Physical Vapor Deposition) darstellt;
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5b einen Graphen zeigt, der einen spezifischen elektrischen Widerstand in Bezug auf einen N2-Gasfluss in einem Beispiel von N2-Gasflussvariation in Bezug auf eine TaN-Abscheidung durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) darstellt; und
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5c einen Graphen zeigt, der den TCR für unterschiedliche Wafer darstellt, die unter Verwendung unterschiedlicher N2-Gasflüsse bearbeitet werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
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Während sich Ausführungsbeispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden dementsprechend Ausführungsbeispiele derselben in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente.
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Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt” mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen” gegenüber „direkt zwischen”, „benachbart” gegenüber „direkt benachbart” usw.).
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Die hier verwendete Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht begrenzend für Ausführungsbeispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Singularformen „ein, eine” und „das, der, die” auch die Pluralformen umfassen, es sei denn im Zusammenhang wird deutlich etwas anderes angegeben. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst”, „umfassend”, „aufweisen” und/oder „aufweisend” bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
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Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Ausführungsbeispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z. B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern Definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, die ihrer Bedeutung im Zusammenhang der entsprechenden Technik entspricht. Sollte die vorliegende Offenbarung jedoch einem Begriff eine bestimmte Bedeutung geben, die von einer Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann verstanden wird abweicht, ist diese Bedeutung in dem konkreten Kontext, in dem diese Definition gegeben ist, zu berücksichtigen.
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1 zeigt einen Querschnitt eines Halbleiterbauelements 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst eine Tantalnitridwiderstandsstruktur. Die Tantalnitridwiderstandsstruktur umfasst eine Tantalnitridschicht 120 mit einem Flächenwiderstand von mehr als 100 Ω/Quadrat.
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Aufgrund der Implementierung einer Tantalnitridschicht mit einem hohen Flächenwiderstand kann zum Beispiel eine hoch resistive Struktur innerhalb des Metallstapels eines Halbleiterbauelements implementiert werden. Die Tantalnitridschicht 120 kann mit einer großen Distanz zu einem Halbleitersubstrat eines Halbleiterbauelements im Vergleich zu einem Poly-Widerstand hergestellt werden. Auf diesem Wege können parasitäre Kapazitäten zwischen der Widerstandsstruktur und dem Halbleitersubstrat reduziert werden.
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Die Tantalnitridschicht 120 kann unter Verwendung eines Sputterprozesses gebildet werden, sodass die Tantalnitridschicht 120 einen Flächenwiderstand von mehr als 100 Ω/Quadrat aufweist. Das Material der Tantalnitridschicht 120 kann im Wesentlichen ein binäres System sein, das Tantal und Stickstoff umfasst (z. B. unter Vernachlässigung von Verunreinigungen anderer Materialien zum Beispiel mit einer Konzentration von weniger als 3%). Ein Gehalt oder eine Konzentration von Stickstoff innerhalb der Tantalnitridschicht 120 kann durch Parameter eingestellt werden, die für den Sputterprozess verwendet werden (z. B. Stickstoffpartialdruck oder Stickstoffgasfluss). Diese Parameter können werkzeugspezifisch sein. Die Tantalnitridschicht 120 kann ein Stickstoff-zu-Tantal-Atomverhältnis größer als 1 (oder größer als 1,5 oder größer als 2) aufweisen. Für hochohmige Widerstände wird zum Beispiel ein erhöhter Stickstoffgehalt, verglichen mit Tantalnitrid gemäß der Verwendung bei Linern oder niederohmigen Widerständen, vorgeschlagen. Zum Beispiel erhöhen sich der Flächenwiderstand und der spezifische elektrische Widerstand mit zunehmender Stickstoffkonzentration (z. B. 5a und 5b). Verglichen mit niederohmigem Tantalnitrid (TaN) können unterschiedliche Phasen gebildet werden, die mehrere stickstoffreiche Phasen, z. B. Ta3N5, Ta4N5, T5N6 oder andere, umfassen können, die zu einem Multiphasen-TaN führen, das amorphe kristalline Regionen aufweisen kann und/oder amorphes TaN kann gebildet werden. Zusätzlich kann sich der Temperaturkoeffizient des Widerstands TCR (TCR = Temperature Coefficient of Resistance) näher an dem TCR des Halbleitersubstrats (z. B. Silizium) oder Polysilizium für höhere Stickstoffkonzentrationen befinden (z. B. 5c). Zum Beispiel kann der Temperaturkoeffizient des Widerstands der Tantalnitridschicht geringer als 130% (oder geringer als 120%) des Temperaturkoeffizienten des Widerstands von Polysilizium sein. Daher kann die Temperaturstabilität von elektrischen Bauelementparametern verbessert werden. Zusätzlich weist die Tantalnitridschicht 120 zum Beispiel einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 400 μΩcm (oder mehr als 1000 μΩcm oder mehr als 1500 μΩcm) auf.
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Die Tantalnitridschicht 120 kann eine Schicht mit einer im Wesentlichen konstanten Dicke sein. Die Dicke kann aufgrund von Herstellungstoleranzen leicht variieren. Zum Beispiel kann die Dicke der Tantalnitridschicht 120 um weniger als 20% einer durchschnittlichen Dicke der Tantalnitridschicht 120 variieren. Zum Beispiel kann die durchschnittliche Dicke oder eine minimale Dicke der Tantalnitridschicht 120 weniger als 50 nm (oder weniger als 40 nm (oder weniger als 30 nm) und/oder mehr als 10 nm (oder mehr als 15 nm) sein.
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Die Tantalnitridwiderstandsstruktur umfasst zum Beispiel zumindest zwei vertikale Kontaktstrukturen 131, 132 (z. B. Via), die die Tantalnitridschicht 120 an zwei gegenüberliegenden Endregionen anschließen. Zumindest eine erste vertikale Kontaktstruktur 131 ist mit der Tantalnitridschicht 120 an einer ersten Endregion in Kontakt und zumindest eine zweite vertikale Kontaktstruktur 131 ist mit der Tantalnitridschicht 120 an einer gegenüberliegenden zweiten Endregion in Kontakt. Die Endregionen können Regionen sein, die sich an gegenüberliegenden Enden der Tantalnitridschicht 120 befinden. Eine Endregion der Tantalnitridschicht 120 kann sich von einem lateralen Ende der Tantalnitridschicht 120 zu einer Distanz von 10% (oder von 20%) einer Länge der Tantalnitridschicht 120 von dem lateralen Ende der Tantalnitridschicht 120 erstrecken.
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Mehr als eine vertikale Kontaktstruktur (z. B. eine zusätzliche redundante vertikale Kontaktstruktur oder ein Array von vertikalen Kontaktstrukturen) können mit der Tantalnitridschicht 120 an einer Endregion der Tantalnitridschicht 120 in Kontakt sein. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit des Kontakts verbessert werden. Die zumindest zwei vertikalen Kontaktstrukturen 131, 132 können die Tantalnitridschicht 120 mit einer Metallschicht (z. B. Kupfer- oder Aluminiumschicht mit einer Dicke von mehr als 1 μm oder von mehr als 2 μm) über und/oder unter der Tantalnitridschicht 120 verbinden. Zum Beispiel wird die Tantalnitridschicht 120 vor (und unter) der vertikalen Kontaktstruktur gebildet, sodass die vertikale Kontaktstruktur die Tantalnitridschicht 120 mit einer Metallschicht über der Tantalnitridschicht 120 verbindet, oder die Tantalnitridschicht 120 wird nach (und über) der vertikalen Kontaktstruktur gebildet, sodass die vertikale Kontaktstruktur die Tantalnitridschicht 120 mit einer Metallschicht, einer Polysiliziumschicht oder dem Halbleitersubstrat unter der Tantalnitridschicht 120 verbindet. Die vertikalen Kontaktstrukturen können elektrisch leitfähiges Material (z. B. Kupfer oder Aluminium) aufweisen. Die vertikalen Kontaktstrukturen können eine minimale laterale Abmessung von mehr als 300 nm (oder mehr als 500 nm) aufweisen. Die zumindest zwei vertikalen Kontaktstrukturen 131, 132 können die Tantalnitridschicht 120 an einer oberen Oberfläche der Tantalnitridschicht 120 oder einer Bodenoberfläche der Tantalnitridschicht 120 kontaktieren. Alternativ können, wie in 2A gezeigt, die zumindest zwei vertikalen Kontaktstrukturen vertikal durch die Tantalnitridschicht 120 reichen (z. B. durch ein Ätzen von vertikalen Löchern durch die Tantalnitridschicht und ein Befüllen mit elektrisch leitfähigem Material der vertikalen Kontaktstrukturen).
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Die Tantalnitridschicht 120 kann eine Länge zwischen den zwei vertikalen Kontaktstrukturen oder zwischen zwei gegenüberliegenden Endregionen oder zwei gegenüberliegenden Enden der Tantalnitridschicht 120 (von denen jedes mit zumindest einer vertikalen Kontaktstruktur verbunden ist) von mehr als 5 μm (oder mehr als 10 μm oder mehr als 20 μm) aufweisen. Die Länge der Tantalnitridschicht 120 kann die kürzeste Distanz entlang der Tantalnitridschicht 120 zwischen zwei vertikalen Kontaktstrukturen, die sich an gegenüberliegenden Endregionen der Tantalnitridschicht 120 befinden, sein, kann aber auch eine freie Form sein, z. B. ein Mäander. Die Mindestlänge der Tantalnitridschicht 120 kann durch die Entwurfsregeln des Technologieknotens und der begleitenden Metallschichten und vertikalen Kontaktstrukturen begrenzt sein. Zumindest ein Teil der Tantalnitridschicht 120 kann eine Breite von weniger als 600 nm (oder weniger als 400 nm) und mehr als 100 nm (oder mehr als 200 nm) aufweisen, kann aber abhängig von dem Technologieknoten auch kleiner sein. Die Breite der Tantalnitridschicht 120 kann orthogonal zu der Länge der Tantalnitridschicht 120 gemessen werden und kann durch elektrische Spezifikationen, Lithographieausrüstung und/oder die Stabilität von Strukturierungsverfahren begrenzt sein. Ferner kann die Breite der Tantalnitridschicht 120 im Wesentlichen konstant entlang der Tantalnitridschicht 120 sein oder kann entlang der Tantalnitridschicht 120 variieren.
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Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ein Halbleitersubstrat 110, wie z. B. in 1 angezeigt. Das Halbleitersubstrat 110 kann ein Siliziumsubstrat sein. Alternativ kann das Halbleitersubstrat 110 ein Halbleitersubstrat mit Breitbandabstand mit einem Bandabstand größer als der Bandabstand von Silizium (1,1 eV) sein. Zum Beispiel kann das Halbleitersubstrat 110 ein auf Siliziumcarbid (SiC) basierendes Halbleitersubstrat oder einer auf Galliumarsenid (GaAs) basierendes Halbleitersubstrat oder ein auf Galliumnitrid (GaN) basierendes Halbleitersubstrat sein. Das Halbleitersubstrat 110 kann ein Halbleiterwafer oder ein Halbleiterchip sein. Zum Beispiel kann das Halbleitersubstrat des Halbleiterbauelements 100 eine oder mehrere elektrische Bauelementstrukturen (z. B. eine Transistorstruktur und/oder eine Diodenstruktur) umfassen, die an dem Halbleitersubstrat 110 gebildet sind. Zum Beispiel können vertikale Abmessungen oder Dicken von Schichten orthogonal zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 110 gemessen werden und laterale Abmessungen können parallel zu der Oberfläche des Halbleitersubstrats 110 gemessen werden.
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Zum Beispiel kann eine vorgeschlagene Tantalnitridwiderstandsstruktur bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Tantalnitridwiderstandsstruktur mit einer Dotierungsregion eines Halbleitersubstrats (z. B. Source, Drain, Emitter, Kollektor, Basisregion eines Transistors oder eine Anoden- oder Kathoden-Region einer Diode) und/oder einer Kontaktschnittstelle (z. B. einer Anschlussfläche oder einer Umverteilungsschicht) des Halbleiterbauelements elektrisch verbunden sein. Zum Beispiel kann die Tantalnitridwiderstandsstruktur einen Widerstandswert zwischen 10 und 1000 kΩ (oder zwischen 50 und 500 kΩ) aufweisen.
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Das Halbleiterbauelement 100 kann ein Widerstand, eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU; CPU = Central Processing Unit), ein Speicher, ein MEMS-Bauelement, ein Sender, ein Empfänger, ein Sender oder zum Beispiel ein Leistungshalbleiterbauelement sein. Optional kann das Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer Durchbruchspannung oder Sperrspannung von zum Beispiel mehr als 10 V (oder z. B. mehr als 100 V oder z. B. mehr als 500 V) sein.
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Das Halbleiterbauelement 100 kann eine oder mehrere Metallschichten über dem Halbleitersubstrat 110 umfassen. Zum Beispiel kann das Halbleiterbauelement 100 eine einzelne Metallschicht umfassen und die Tantalnitridwiderstandsstruktur kann sich zwischen der Metallschicht und dem Halbleitersubstrat 110 oder zwischen der Metallschicht und einer Polysiliziumschicht, die sich über dem Halbleitersubstrat 110 befindet, befinden.
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Alternativ kann das Halbleiterbauelement 100 einen Metallschichtstapel umfassen, der eine Mehrzahl von Metallschichten aufweist. Die Tantalnitridwiderstandsstruktur kann sich vertikal zwischen zwei Metallschichten des Metallschichtstapels befinden. Zum Beispiel kann eine Distanz zwischen einer untersten Metallschicht und dem Halbleitersubstrat 110 kleiner sein als eine Distanz zwischen der Tantalnitridschicht 120 der Tantalnitridwiderstandsstruktur und dem Halbleitersubstrat. Auf diese Weise kann die parasitäre Kapazität zwischen der Tantalnitridwiderstandsstruktur und dem Halbleitersubstrat reduziert werden.
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Die Tantalnitridwiderstandsstruktur kann eine einzelne Struktur sein oder kann eine Mehrzahl von gleichen oder unterschiedlichen Teilwiderstandsstrukturen aufweisen. Zum Beispiel kann die Tantalnitridwiderstandsstruktur eine Mehrzahl von Teilwiderstandsstrukturen aufweisen, die miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jede Teilwiderstandsstruktur kann eine Tantalnitridschicht 120 und zumindest zwei vertikale Kontaktstrukturen, die die Tantalnitridschicht 120 verbinden, aufweisen. Die Teilwiderstandsstrukturen können lateral in einem Array (z. B. in einer oder mehreren Reihen und einer oder mehreren Linien) angeordnet sein. Benachbarte Teilwiderstandsstrukturen (z. B. die Tantalnitridschicht von benachbarten Teilwiderstandsstrukturen) kann zum Beispiel um weniger als 500 nm (oder weniger als 400 nm) beabstandet sein, aber kleinere Distanzen können für höhere Integrationskonzepte verwendet werden. Eine minimale Beabstandung hängt zum Beispiel von dem verwendeten Technologieknoten ab.
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Gemäß einem Beispiel können die erste vertikale Kontaktstruktur 131 und die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 oben auf der TaN-Schicht 120 gebildet werden. Zum Beispiel können die erste vertikale Kontaktstruktur 131 und die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 unter Verwendung eines Photolithographieprozesses gebildet werden. Die erste vertikale Kontaktstruktur 131 und die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 können an zwei gegenüberliegenden Endabschnitten der TaN-Schicht 120 angeordnet sein und können Kupfer oder jegliches andere geeignete Metall oder Legierung aufweisen. Zum Beispiel umfassen die Endabschnitte der TaN-Schicht 120 jeweils 10% einer Gesamtlänge der TaN-Schicht 120.
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Bei verschiedenen Beispielen kann die TaN-Schicht 120 zumindest eines von einem Flächenwiderstand von mehr als 100 Ω/Quadrat, einem spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 1000 μΩcm und einer Dicke von weniger als 50 nm aufweisen.
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2a zeigt einen Querschnitt einer Tantalnitridwiderstandsstruktur und 2b zeigt ein Beispiel eines Ringkontakts einer Tantalnitridwiderstandsstruktur.
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Wie in 2a und 2b gezeigt, wird ein Ringkontakt verwendet, um die erste vertikale Kontaktstruktur 131 bzw. die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 mit einer Metallschicht 200 zu verbinden.
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Wie in 2a dargestellt, kann eine Mehrzahl von Teilwiderstandsstrukturen durch die Metallschicht 200 miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sein, sodass jede Teilwiderstandsstruktur eine Tantalnitridschicht 120 und zumindest zwei vertikale Kontaktstrukturen umfasst. Zum Beispiel zeigt 2a einen Teil einer ersten Teilwiderstandsstruktur mit einer Tantalnitridschicht 120 und eine zweite vertikale Kontaktstruktur 132 an der linken Seite von 2a und eine zweite Teilwiderstandsstruktur mit einer Tantalnitridschicht 120 und einer ersten vertikalen Kontaktstruktur 131 an der rechten Seite von 2a. Zum Beispiel zeigt 2a eine amorphe TaN-Schicht mit einem Flächenwiderstand von 1000 Ohm/Quadrat und eine Dicke von ungefähr 20 nm.
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Wie in 2b gezeigt, können die erste vertikale Kontaktstruktur 131 bzw. die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 durch die Tantalnitridschicht 120 umgeben sein. Der Streifenkontakt von 2b umfasst die Tantalnitridschicht 120 mit der ersten vertikalen Kontaktstruktur 131 und der zweiten vertikalen Kontaktstruktur 132, die an zwei gegenüberliegenden Enden desselben angeordnet sind.
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Zumindest ein Teil der Tantalnitridschicht 120 kann eine Breite von weniger als 600 nm (oder weniger als 500 nm) aufweisen, z. B. ein Mittelabschnitt derselben. Kleinere Breiten können für höhere Integrationstechnologieknoten erhalten werden. Dies ist zum Beispiel in 2b dargestellt, die einen Kontakt in der Art eines Rings oder eines Knochens darstellt. Zum Beispiel stellt 2b dar, dass ein Abschnitt der TaN-Schicht 120 jede der ersten vertikalen Kontaktstruktur 131 und der zweiten vertikalen Kontaktstruktur 132 lateral umgibt.
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Die vertikalen Kontaktstrukturen können durch die Tantalnitridschicht 120 reichen, wie in 2a gezeigt.
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2c zeigt ein Beispiel eines Streifenkontakts einer Tantalnitridwiderstandsstruktur. Die erste vertikale Kontaktstruktur 131 und die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 können die Tantalnitridschicht 120 an weniger als 50% eines Umfangs der ersten vertikalen Kontaktstruktur 131 und der zweiten vertikalen Kontaktstruktur 132 kontaktieren (z. B. nur an einer Seite, wenn die vertikalen Kontaktstrukturen eine rechteckige Geometrie aufweisen). Der Streifenkontakt erfordert zum Beispiel einen kleineren Bereich, was zu einer kleineren parasitären Kapazität gegenüber dem Substrat führen kann.
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Wie in 2c gezeigt, kann ein Streifenkontakt alternativ verwendet werden, um die erste vertikale Kontaktstruktur 131 bzw. die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 mit der Metallschicht 200 von 2a zu kontaktieren. Ähnlich zu dem in 2b gezeigten Ringkontakt umfasst der Streifenkontakt die Tantalnitridschicht 120 mit der ersten vertikalen Kontaktstruktur 131 und der zweiten vertikalen Kontaktstruktur 132, die an zwei gegenüberliegenden Enden derselben angeordnet sind. Der Streifenkontakt unterscheidet sich von dem Ringkontakt, zumindest aus dem Grund, dass die erste vertikale Kontaktstruktur 131 bzw. die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 nicht vollständig lateral durch die Tantalnitridschicht 120 umgeben sind.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt. Das in 2a–2c gezeigte Ausführungsbeispiel kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vorstehend (z. B. 1) oder nachstehend (z. B. 3a–5c) beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt sind.
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3a zeigt ein anderes Beispiel eines Querschnitts einer Tantalnitridwiderstands-(TaN-)Struktur eines Halbleiterbauelements 101.
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Das Halbleiterbauelement 101 umfasst eine Tantalnitridwiderstands-(TaN-)Struktur. Die Tantalnitridwiderstands-(TaN-)Struktur umfasst eine Ätzstoppschicht 310, die Tantalnitrid-(TaN-)Schicht 120, die erste vertikale Kontaktstruktur 131 und die zweite vertikale Kontaktstruktur 132.
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Die Ätzstoppschicht 310 kann ein Ätzstopp zum Ätzen der Löcher für die vertikalen Kontaktstrukturen sein. Die Ätzstoppschicht 310 kann eine elektrisch isolierende Schicht sein. Zum Beispiel kann die Ätzstoppschicht 310 eine Siliziumnitridschicht oder eine sich von Siliziumoxid unterscheidende, andere Schicht sein.
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Wie in 3a dargestellt, kann die TaN-Schicht 120 auf der Ätzstoppschicht 310 gebildet werden. Die erste vertikale Kontaktstruktur 131 und die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 können auch an den gegenüberliegenden Endabschnitten der TaN-Schicht 120 gebildet werden. Die Ätzstoppschicht 310 kann verhindern, dass die erste vertikale Kontaktstruktur 131 und die zweite vertikale Kontaktstruktur 132 unter einem Bodenabschnitt der TaN-Schicht 120 gebildet werden und kann einen definierten und im Wesentlichen flachen Boden der vertikalen Kontaktstrukturen ermöglichen.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt. Das in 3a gezeigte Ausführungsbeispiel kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vorstehend (z. B. 1–2c) oder nachstehend (z. B. 3b–5c) beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt sind.
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3b zeigt einen Querschnitt eines Metallschichtstapels eines Halbleiterbauelements 300, der eine Tantalnitridwiderstandsstruktur 390 umfasst. Bei diesem Beispiel kann ein unterer Abschnitt 318 des Metallstapels 318 eine oder mehrere Kupfermetallschichten über einem Halbleitersubstrat 110 umfassen. Bei diesem Beispiel kann sich die Tantalnitridwiderstandsstruktur 390 zwischen der zweiten und der dritten Metallschicht 320 befinden. Zwischen der zweiten und dritten Metallschicht 320 befindet sich ferner ein Metall-Isolator-Metall-Kondensator (MIMCAP; MIMCAP = Metal-Insulator-Metal Capacitor) 380. Anders ausgedrückt, eine Metall-Isolator-Metallkondensatorstruktur kann sich vertikal zwischen den gleichen zwei Metallschichten wie die Tantalnitridwiderstandsstruktur befinden.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt. Das in 3b gezeigte Ausführungsbeispiel kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vorstehend (z. B. 1–3a) oder nachstehend (z. B. 4–5c) beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt sind.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Halbleiterbauelement, das eine Tantalnitridwiderstandsstruktur umfasst. Die Tantalnitridwiderstandsstruktur umfasst eine Tantalnitridschicht mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 400 μΩcm. Das Halbleiterbauelement kann ähnlich zu dem in 1 gezeigten Halbleiterbauelement implementiert sein.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement, das eine Tantalnitridwiderstandsstruktur umfasst. Die Tantalnitridwiderstandsstruktur umfasst eine Tantalnitridschicht mit einer Dicke von weniger als 50 nm. Das Halbleiterbauelement kann ähnlich zu dem in 1 gezeigten Halbleiterbauelement implementiert sein.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt.
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4 zeigt ein Verfahren zum Bilden des Halbleiterbauelements 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 umfasst ein Sputtern 410 von Tantal in einer stickstoffreichen Atmosphäre, um eine Tantalnitridschicht einer Tantalnitridwiderstandsstruktur zu bilden, sodass die Tantalnitridschicht ein Stickstoff-zu-Tantal-Atomverhältnis höher als 1 aufweist. Ferner umfasst das Verfahren 400 ein Bilden 420 von zumindest zwei vertikalen Kontaktstrukturen der Tantalnitridwiderstandsstruktur, die die Tantalnitridschicht an zwei gegenüberliegenden Endregionen der Tantalnitridschicht anschließen.
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Aufgrund des hohen Stickstoffpartialdrucks während des Sputterns von Tantal kann eine Tantalnitridschicht mit hoher Stickstoffkonzentration abgeschieden werden, die einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand und einen hohen Flächenwiderstand aufweist.
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Zum Beispiel kann die Tantalnitridschicht durch eine physikalische Gasphasenabscheidung PVD innerhalb einer Atmosphäre, die Argon und Stickstoff aufweist, abgeschieden werden. Eine stickstoffreiche Atmosphäre kann einen ausreichend hohen Stickstoffgehalt aufweisen, um eine Abscheidung einer Tantalnitridschicht mit einem Stickstoff-zu-Tantal-Atomverhältnis höher als 1 (oder höher als 1,5 oder höher als 2) zu ermöglichen.
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Zum Beispiel kann Tantalnitrid bei niedrigen Temperaturen im Vergleich zu Polysilizium abgeschieden werden. Ein Verwenden von hohen Temperaturen zum Herstellen der Widerstandsstruktur innerhalb des Metallstapels eines Halbleiterbauelements kann Schwierigkeiten mit dem Metallstapel verursachen, wenn sich die Widerstandsstruktur mit größerer Distanz zu dem Substrat (innerhalb des Metallstapels) befindet. Zum Beispiel kann die Tantalnitridschicht bei Temperaturen unter 500°C (oder unter 400°C oder unter 300°C z. B. bei etwa 200°C) gebildet werden. Die chemische Gasphasenabscheidung CVD (CVD = Chemical Vapor Deposition) und/oder Temperaturprozesse, die zum Bilden des Metallstapels verwendet werden, können bei einem ähnlichen Temperaturbereich (z. B. unter 500°C) durchgeführt werden.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vorstehend (z. B. 1–3b) oder nachstehend (z. B. 5a–5c) beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt sind.
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5a bis 5c sind Beispiele einer N2-Gasfluss-Variation in Bezug auf eine TaN-Abscheidung durch eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD).
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5a zeigt einen Graphen, der einen Flächenwiderstand in Bezug auf einen N2-Gasfluss darstellt. Insbesondere zeigt 5a, dass ein Flächenwiderstand mit zunehmendem N2-Fluss zunimmt.
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5b zeigt einen Graphen, der einen spezifischen elektrischen Widerstand in Bezug auf den N2-Gasfluss darstellt. Insbesondere zeigt 5b, dass ein spezifischer elektrischer Widerstand mit zunehmendem N2-Fluss zunimmt.
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5c zeigt den negativen TCR gegenüber aufgeteilten Gruppen von unterschiedlichen PVD-N2-Flüssen. Höhere N2-Flüsse führen zu höheren negativen TCR-Werten. Die angezeigten TCR-Werte sind negativ und der Widerstandswert nimmt mit zunehmenden Temperaturen ab.
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Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Tantalnitrid TaN als hochohmige Widerstandsanwendung mit geringer parasitärer Kapazität sowie hochohmige TaN-Widerstände.
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Zum Beispiel können Ta und reaktives gesputtertes TaN sowohl als Kupferbarriere als auch für Widerstandsanwendungen verwendet werden. Ein möglicher spezifischer Widerstand von TaN kann ungefähr 200 μOhmcm sein. Aufgrund der veränderten Abscheidungsparameter des Sputterprozesses kann TaN als ein Multiphasen-TaN-Film oder als ein amorpher TaN-Film mit einem viel höheren spezifischen Widerstand abgeschieden werden. Als solches kann ein Dünnfilmmaterial mit einem spezifischen Widerstand von 400 μΩcm abgeschieden werden, um einen hochohmigen Widerstand innerhalb eines Metallisierungsstapels zu schaffen.
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Ein Einfluss auf den spezifischen Widerstand kann der Stickstoffgehalt während eines Abscheidungsprozesses sein. Zum Beispiel können hochohmige Widerstandsanwendungen mit TaN implementiert werden. Ein Integrationskonzept innerhalb der Metallisierung mit einem niedrigen Temperaturbudget kann möglich sein. Ein Ersetzen von Hochtemperaturwiderstandsprozessen wie Poly-Si bei einer Front-End-Off-Line-Bearbeitung (FEOL-Bearbeitung) kann mit TaN bei der Back-End-Off-Line-Bearbeitung (BEOL-Bearbeitung) möglich werden.
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Das vorgeschlagene Widerstandsintegrationskonzept kann mit Vias von einer Oberseite verwendet werden. Alternativ kann ein Ring- oder Streifenkontakt anstelle eines Luftkontakts (Kontakt von oben) verwendet werden. Dies kann möglich sein, weil der spezifische Widerstand von Via-Kontakten Größenordnungen unter (einem spezifischen Widerstand von) dem hochohmigen TaN sein kann. Zum Beispiel können Kontaktwiderstände vernachlässigt werden.
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Wenn das vorgeschlagene Konzept auf Wafern angewandt wird, kann ein spezifischer elektrischer Widerstand von mehr als 400 μOhmcm mit erhöhten N2-Gasflüssen erreicht werden.
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Durch ein Verwenden des vorgeschlagenen Konzepts kann ein Flächenwiderstand von > 500 Ohm/Quadrat oder Werten sogar höher als 2000 Ohm/Quadrat erhalten werden (z. B. spezifische Widerstandswerte von 1 bis 2 mOhmcm oder sogar höher können erreicht werden). Zum Beispiel kann ein Widerstandswert von Widerstandsanwendungen mit 10–100 kOhm bei einer Breite von <= 0,4 μm möglich sein. Ferner können ein TCR vergleichbar mit oder besser als ein Poly-Widerstand und eine geringe parasitäre Kapazität erreicht werden.
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Ausführungsbeispiele können weiterhin ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchführen eines der obigen Verfahren bereitstellen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird. Ein Fachmann würde leicht erkennen, dass Schritte verschiedener oben beschriebener Verfahren durch programmierte Computer durchgeführt werden können. Hierbei sollen einige Ausführungsbeispiele auch Programmspeichervorrichtungen, z. B. Digitaldatenspeichermedien, abdecken, die maschinen- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare oder computerausführbare Programme von Anweisungen codieren, wobei die Anweisungen einige oder alle der Schritte der oben beschriebenen Verfahren durchführen. Die Programmspeichervorrichtungen können z. B. Digitalspeicher, magnetische Speichermedien wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeichermedien sein. Auch sollen weitere Ausführungsbeispiele Computer programmiert zum Durchführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren oder (feld-)programmierbare Logik-Arrays ((F)PLA = (Field) Programmable Logic Arrays) oder (feld-)programmierbare Gate-Arrays ((F)PGA = (Field) Programmable Gate Arrays) programmiert zum Durchführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren abdecken.
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Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Es versteht sich daher, dass der Fachmann verschiedene Anordnungen ableiten kann, die, obwohl sie nicht ausdrücklich hier beschrieben oder dargestellt sind, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in ihrem Sinn und Rahmen enthalten sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Offenbarung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
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Als „Mittel für ...” (Durchführung einer gewissen Funktion) bezeichnete Funktionsblöcke sind als Funktionsblöcke umfassend Schaltungen zu verstehen, die jeweils zum Durchführen einer gewissen Funktion ausgebildet sind. Daher kann ein „Mittel für etwas” ebenso als „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas” verstanden werden. Ein Mittel ausgebildet zum Durchführen einer gewissen Funktion bedeutet daher nicht, dass ein solches Mittel notwendigerweise die Funktion durchführt (in einem gegebenen Zeitmoment).
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Der Fachmann sollte verstehen, dass alle hiesigen Blockschaltbilder konzeptmäßige Ansichten beispielhafter Schaltungen darstellen, die die Grundsätze der Offenbarung verkörpern. Auf ähnliche Weise versteht es sich, dass alle Flussdiagramme, Ablaufdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt ist.
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Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
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Es ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jedes der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert sein können.
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Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollte. Durch die Offenbarung von vielfachen Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann in einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte einschließen oder in diese aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
