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Querverweis auf verwandte Erfindungen
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Die
Erfindung betrifft die nachstehend aufgeführten Erfindungen, die alle
auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung angemeldet sind: High Aspect
Ratio Metal-to-Metal
Linear Capacitor for an Integrated Circuit, US Patentanmeldung Nr. 09/052,851,
am 31. März
1998 eingereicht; Method of Electrically Connecting and Isolating
Components with Vertical Elements Extending between Interconnect
Lagers in an Integrated Circuit, US Patentanmeldung Nr. 09/052,793,
am 31. März
1998 eingereicht; Vertical Interdigitated Metal-Insulator-Metal Capacitor for
an Integrated Circuit, US Patentameldung Nr. 09/219,655, am 23.
Dezember 1998 eingereicht; Method of Forming and Electrically Connecting
a Vertical Interdigitated Metal-Insulator-Metal Capacitor Extending between Interconnect
Lagers in an Integrated Circuit, US Patentanmeldung Nr. 09/221,023,
am 23. Dezember 1998 eingereicht; Interconnect-Integrated Metal-Insulator-Metal
Capacitor and Method of Fabricating Same, US Patentanmeldung Nr.
(LSI Aktenzeichen 98-244), gleichzeitig mit vorliegender Anmeldung
eingereicht; Capacitor with Multiple-Component Dielectric and Method
of Fabricating Same, US Patentanmeldung Nr. (LSI-Aktenzeichen Nr. 99-130), gleichzeitig
mit vorliegender Anmeldung eingereicht; Capacitor with Stoichiometrically
Adjusted Dielectric and Method of Fabricating Same, US Patentanmeldung
Nr. (LSI-Aktenzeichen Nr. 99-135), gleichzeitig mit vorliegender
Anmeldung eingereicht; und Encapsulated-Metal Vertical-Interdigitated
Capacitor and Damascene Method of Manufacturing Same, US Patentanmeldung
Nr. (LSI-Aktenzeichen Nr. 98-210), gleichzeitig mit vorliegender
Anmeldung eingereicht.
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft elektronische integrierte Schaltungen (IC) in
der Bauart mit mehreren Schichten von Metallverbindungen, die auf
einem Substrat des IC aufeinander ausgebildet sind. Die Erfindung
betrifft insbesondere einen neuen und verbesserten Metall-Isolator-Metallkondensator,
der innerhalb einer Verbindungsschicht des IC ausgebildet ist, um
einen zuverlässigeren
Kondensator zu erzeugen, den Vorgang der Kondensatorherstellung
zu vereinfachen, und die Ausbildung von mehreren Schichten von Verbindungen
auf dem IC zu erleichtern, usw.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
fortlaufenden Fortschritte bei der Herstellung von miniaturisierten
elektronischen integrierten Schaltungen (IC) bezog die Herstellung
von vielen Zwischenverbindungsschichten mit ein. Zwischenverbindungen
beziehen sich auf die Schicht separater elektrischer Leiter, die
auf dem Substrat ausgebildet sind, und die verschiedene funktionelle
Bestandteile des Substrates und andere elektrische Verbindungen
mit dem IC verbinden. Elektrische Verbindungen zwischen den Zwischenverbindungsschichten
und den funktionalen Bestandteilen auf dem Substrat werden durch „Verbindungskontakte" erzielt, die säulenartige
oder stopfenartige vertikale Verbindungen zwischen den Leitern der
Zwischenverbindungsschichten und dem Substrat sind. Die derzeit
hergestellten ICs weisen oftmals fünf oder mehr Zwischenverbindungsschichten
auf, die auf dem Substrat ausgebildet sind.
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Noch
vor einer relativ kurzen Zeit war es unmöglich oder sehr schwierig,
einen IC mit mehr als einem oder zwei Zwischenverbindungsschichten
aufzubauen. Die durch Ausbilden von vielen Schichten aufeinander
erzeugten Topologievariationen führten zu
einer derart bedeutenden Tiefe von Fokussierungsproblemen bei lithographischen
Vorgängen, dass
jegliches zusätzliches
Hinzufügen
von Schichten nahezu unmöglich
zu erreichen war. Jüngste Fortschritte
bei Halbleiterherstellungsplanarisierungstechniken wie etwa das
chemisch mechanische Polieren (CMP) waren jedoch bei dem Glätten von
relativ bedeutenden Variationen in der Höhe oder der Topografie jeder
Zwischenverbindungsschicht erfolgreich. Als Folge des Glättungsvorgangs
oder des Planarisierungsvorgangs werden konventionelle Lithographievorgänge wiederholt
ohne bedeutende Einschränkung
verwendet, um bedeutend mehr Zwischenverbindungsschichten auszubilden,
als vormals möglich
waren.
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Die
vielen Zwischenverbindungsschichten konsumieren Volumen innerhalb
des IC, obwohl sie nicht notwendigerweise zusätzliche Substratoberfläche in Anspruch
nehmen. Weil die Oberfläche
und das Volumen bei integrierten Schaltungen kritischen Betrachtungen
unterliegen, fokussierte sich die Aufmerksamkeit trotzdem auf die
effektive Verwendung des Raums zwischen den Zwischenverbindungsschichten.
Normalerweise wird der Raum zwischen den Zwischenverbindungsschichten
durch ein isolierendes Material okkupiert, das als Zwischenschichtdielektrikum
(ILD) oder Zwischenmetalldielektrikum (IMD) bekannt ist, um die
durch die verschiedenen Leiter der Zwischenverbindungsschichten
geleiteten elektrischen Signale voneinander und von den funktionalen
Bestandteilen im darunter liegenden Substrat zu isolieren.
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Eine
effektive Verwendung für
den Raum zwischen den Zwischenverbindungsschichten ist der Einbau
von Kondensatoren zwischen den Zwischenverbindungsschichten in dem
die Zwischenverbindungsschichten trennenden isolierenden IMD-Material.
Diese Kondensatoren bilden einen Teil der funktionalen Bestandteile
des IC. Vormals wurden Kondensatoren in den ersten Schichten der
IC-Herstellung unmittelbar über
dem Substrat zusammen mit anderen Strukturen wie etwa Transistoren
aufgebaut, so dass die Kondensatoren im Großen und Ganzen aus demselben
Material ausgebildet waren, das für den Aufbau der anderen funktionalen
Bestandteile verwendet wurde, wie etwa aus Polysilizium. Die aus diesen
Materialien ausgebildeten Kondensatoren sind im Allgemeinen als
Polyplattenkondensatoren bekannt. Die eingangs eingeführten Erfindungen
der in Bezug genommenen US-Patentanmeldungen fokussieren sich auf
verschiedene Techniken zum Kombinieren von Kondensatoren mit den
Leitern der Zwischenverbindungsschichten zum Erzielen der gewünschten
funktionalen Wirkungen innerhalb des IC.
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Weil
die Leiter der Zwischenverbindungsschichten beim Aufbau aus Metall
ausgebildet sind, sind die zwischen den Zwischenverbindungsschichten
ausgebildeten Kondensatoren vorzugsweise aus einem Metall-Isolator-Metall-Aufbau
(MIM), um Vorteil aus Verarbeitungsschritten und Leistungsfähigkeitsverbesserungen
zu ziehen. Ein MIM-Kondensator weist Metallplatten auf, die üblicherweise
auf den Metallleitern der Zwischenverbindungsschichten ausgebildet
sind. Weil für
die Leiter der Zwischenverbindungsschichten eine Metallherstellung
erforderlich ist, kann die gleichzeitige oder nahezu gleichzeitige
Ausbildung der Metallkondensatorplatten leicht ohne wesentliche
zusätzliche
Vorgangsschritte und Herstellungskosten erreicht werden. Die eingangs
an fünfter
Stelle identifizierte Erfindung beschreibt eine Technik für die gleichzeitige
Ausbildung von einer der Metallkompensatorplatten, die mit den Leitern
der Zwischenverbindungsschichten integriert ist. Somit wird zumindest
ein Teil des Kondensators ohne bedeutende zusätzliche Vorgangsschritte und
Herstellungskosten leicht hergestellt.
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Das
Ausbilden von anderen Teilen des Kondensators zwischen den Zwischenverbindungen
erfordert jedoch zusätzliche
Vorgangsschritte. Die zusätzlichen
Vorgangsschritte beziehen das Ausbilden der Bestandteile des Kondensators
in dem isolierenden IMD-Material und das Verbinden der Kondensatorbestandteile
mit den Leitern der Zwischenverbindungsschichten mit ein. Falls
im Vergleich dazu der Kondensator nicht in dem isolierenden Zwischenschichtmaterial
ausgebildet wurde, konnte die gesamte IMD-Schicht konventionell
ausgebildet werden. Zudem würden
für dieses
Verfahren die Verbindungskontakte zwischen den Zwischenverbindungsschichten
alle ungefähr
dieselbe Tiefe oder Höhendimension
aufweisen, wodurch der Aufbau der Verbindungskontakte durch das
isolierende IMD-Material und die Ausbildung der Zwischenverbindungen
innerhalb der Verbindungskontakte erleichtert wird. Mit der Gegenwart
des Kondensators in der IMD-Schicht weisen jedoch die Verbindungskontakte
nicht alle dieselbe Tiefe auf, weil die Oberseite des Kondensators
höher als
die Oberseite der Zwischenverbindungsschicht ist, auf der der Kondensator
sitzt. Für diesen
Fall muss die Selektivität
des IMD-Materials relativ zu dem Topelektrodenmaterial ausreichend hoch
sein, oder die Topelektrode muss ausreichend dick sein, um einen
Durchätzvorgang
davon abzuhalten, durch die Topelektrode hindurch zu ätzen und den
Kondensator kurzzuschließen.
Zudem erhöht
die Orientierung des Kondensators zwischen den Zwischenverbindungen
die Dicke des isolierenden IMD-Materials zwischen den Zwischenverbindungsschichten
und stellt eine Aufwölbung
in dem auf dem Kondensator abgeschiedenen isolierenden IMD-Material
dar, wodurch ein zusätzlicher
Aufwand, Zeit und/oder Verarbeitungsschritte bei der Durchführung der
Planarisierungsschritte zum Erzielen einer ausreichend ebenen Oberfläche für die Ausbildung
der nächsten
vertikal beabstandeten Zwischenverbindungsschicht erforderlich wird.
Die erhöhte
Dicke des isolierenden IMD-Materials konsumiert außerdem zusätzliches
Isolationsmaterial, verlängert
den Herstellungsvorgang und erhöht
die Variation in der IMD-Dicke, was zu einer verschlechterten Leistungsfähigkeit
des IC und/oder einem Anstieg bei der Fehlerhaftigkeit der somit
hergestellten ICs führt.
Zudem erhöht
eine erhöhte
Dicke des IMD das Gesamtvolumen des IC, zusätzlich zu der stärkeren Komplexität. Bei der
IC-Herstellungsverarbeitung müssen
weitere Entwurfsregeln zum Ausgleich der Strukturdichte der Zwischenverbindungsschicht
hinzugefügt
werden, um eine Ausbildung einer Topografie zu vermeiden, die in
einem konventionellen CMP-Vorgang nicht planarisiert werden kann.
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Vor
diesem Hintergrund erfolgte die vorliegende Erfindung.
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Es
kann auf die Druckschrift
EP-A-0
800 217 Bezug genommen werden, welche den Oberbegriff des
Erfindungsgegenstandes offenbart. Außerdem kann auf die Druckschriften
EP-A-0 809 290 sowie
US-A-5 508 881 Bezug
genommen werden.
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Erfindungszusammenfassung
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Die
Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus der Entdeckung, dass
die typischen zur Isolatorverdichtung, dielektrischen Abscheidung,
Legierung (Transistorpassivierung) und der Ausbildung der Zwischenverbindungen
in Schichten erforderlichen Verarbeitungswärmezyklen die Funktionalität der mit den
Zwischenverbindungsleitern verbundenen Kondensatoren abschwächt oder
zerstört.
Es gibt eine relativ große
Wärmeausdehnungsfehlanpassung
zwischen Aluminiumschichtbestandteilen der Zwischenverbindungsschichten
und dem isolierenden Zwischenschichtmaterial. Die bei den Wärmeherstellungsvorgängen inhärenten normalen
Temperaturabweichungen können
als „Hügelchen" bekannte Metalldeformationen
in der weicheren Aluminiumschicht der Zwischenverbindung verursachen.
Falls die Größe des Hügelchens
bedeutend ist, dringt sie durch das dielektrische Material zwischen
den Platten des MIM-Kondensators, wodurch die Kondensatorplatten miteinander
kurzgeschlossen werden. Selbst falls die Größe des Hügelchens nicht bedeutend genug
zum Kurzschließen
der Kondensatorplatten ist, wird das Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten
an der Stelle des Hügelchens
stark verspannt, was den Leckstrom erhöht, der den Wert der Kapazität abschwächt und schließlich zu
einem frühen
Fehlverhalten des IC führen
kann. In den Fällen
einer abgeschwächten
Kapazität
und kurzgeschlossener Kondensatorplatten wird die Funktionalität eines
Teils oder des gesamten IC entweder zerstört oder stark herabgesetzt.
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Der
neue und verbesserte MIM-Kondensator der Erfindung und das Verfahren
zu seiner Herstellung sind zur Überwindung
des mit der Hügelchen-Ausbildung
verbundenen Problems und dem daraus folgenden nachteiligen Einfluss
auf die ausgebildeten Kondensatoren sowie für die Möglichkeit der Ausbildung von
Verbindungskontakten durch das isolierende IMD-Material sowohl zu
dem Kondensator als auch der Zwischenverbindungsschicht mit im Wesentlichen
derselben Tiefe und Dimension effektiv, was dem isolierenden IMD-Material
ermöglicht, eine
normale Höhe über dem
Kondensator anzunehmen, was die Ausbildung von Auswölbungen
in der IMD-Schicht verhindert, welche extensive Planarisierungsschritte
zum Glätten
erfordern würde.
Dieser Vorgang eliminiert außerdem
den Bedarf für
zusätzliche
Entwurfsregeln, die mit dem Strukturdichteausgleich der Zwischenverbindungen
verbunden sind. Die Platten des Kondensators verwenden die Aluminiumschicht
innerhalb der Zwischenverbindungsleiter nicht, noch erfordern sie
diese, wodurch das Problem einer Wärmeausdehnungsfehlanpassung
und Hügelchenausbildung
vermieden wird. Der Kondensator selbst ist innerhalb der Dicke der
Leiterzwischenverbindungsschicht eingebettet, wodurch die mit der
Ausbildung des Kondensators über
der Zwischenverbindungsschicht in dem isolierenden IMD-Material
verbundenen Schwierigkeiten vermieden werden. Durch Einbetten des
Kondensators innerhalb der Dicke der Zwischenverbindungsschicht wird
der Herstellungsvorgang durch Reduzieren des Ausmaßes an erforderlicher
Planarisierung, Reduzierung der Anzahl an Herstellungsschritten,
die alleine mit der Ausbildung des Kondensators verbunden sind,
und Ermöglichen
einer Ausbildung des isolierenden IMD-Materials in einer noch homogeneren
Dicke und/oder reduzierten Dicke vereinfacht, weil die Struktur
des Kondensators selbst nicht in der IMD-Schicht zwischen den Zwischenverbindungsschichten
aufgenommen werden muss. Dieser Vorgang vermeidet außerdem eine
Variabilität
bei der IMD-Dicke, was zu einem präziseren Zwischenverbindungsverzugsmodell
und zu Leistungsfähigkeitsverbesserungen
führt.
Die Reduktion bei der IMD-Variabilität verbessert außerdem die
IC-Bestandteil-Herstellungsausbeute
aus einem Wafersubstrat. Weil zudem die Kondensatorbestandteile
innerhalb der Zwischenverbindungsschicht eingebettet sind, können die
Höhe oder
das Niveau der Kondensatorbestandteile ungefähr genauso wie die Höhe der Zwischenverbindungsschicht
ausgebildet werden, wodurch der Vorgang zur Ausbildung der Löcher für die Verbindungskontakte
durch das IMD homogen über die
IC-Struktur ohne die zusätzlichen
Risiken einer Beschädigung
von Bestandteilen mit verschiedenen Höhen voranschreiten kann, was
für den
in der Zwischenschicht aus isolierendem Material zwischen den diskreten
Zwischenverbindungsschichten ausgebildeten Kondensator der Fall
wäre.
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
stellt einen IC dar, der ein durch eine Zwischenverbindungsschicht überlagertes
Substrat mit einem Hohlraum in der Zwischenverbindungsschicht und
einen innerhalb des Hohlraums eingebetteten Kondensator aufweist.
Zusätzliche
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung beziehen sich auf die Zwischenverbindungsschicht,
die vorzugsweise obere, mittlere und untere leitende Schichten beinhaltet,
wobei der Hohlraum hauptsächlich
innerhalb der mittleren leitenden Schicht angeordnet ist, welche
einer Deformation unter Temperaturänderungen aufgrund einer thermischen
Verarbeitung des IC unterliegen kann, wie sie in einer Aluminiumschicht
vorkommen können.
Der Kondensator umfasst ein Plattenpaar, beispielsweise obere und
untere Platten, die durch ein dielektrisches Kondensatormaterial
separiert sind, wobei eine der Platten durch einen Abschnitt der
Zwischenverbindungsschicht in dem Hohlraum ausgebildet ist. Die Bodenplatte
ist beispielsweise bevorzugt integriert mit der unteren leitenden
Schicht der Zwischenverbindungsschicht ausgebildet. Zudem wird bevorzugt, dass
die Bodenplatte des Kondensators etwa auf einem Niveau mit der unteren
leitenden Schicht der Zwischenverbindungsschicht ist, und dass die
obere Platte etwa auf einem Niveau mit oder unter der oberen leitenden
Schicht ist. Wo die Zwischenverbindungsschicht obere, mittlere und
untere leitende Schichten aufweist, erstreckt sich der Hohlraum
vorzugsweise durch die oberen und mittleren Schichten, und die Kondensatorbodenplatte
ist durch einen Abschnitt der unteren leitenden Schicht ausgebildet.
Alternativ ist die Bodenplatte mit der Zwischenverbindungsschicht
elektrisch verbunden, und vorzugsweise verbinden Verbindungskontakte
mit der oberen Platte und der nächsten
Zwischenverbindungsschicht über
den Kondensator. Zudem kann die Bodenplatte mit der Zwischenverbindungsschicht
darunter durch einen vorher ausgebildeten Verbindungskontakt verbunden
sein.
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Ein
noch vollständigeres
Verständnis
der Erfindung und ihres Bereiches und die Art und Weise auf die
sie die vorstehend angeführten
Verbesserungen erzielt, kann unter Bezugnahme auf die nachstehende
ausführliche
Beschreibung von derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung erhalten werden, die
nachstehend kurz zusammengefasst ist, sowie aus den beigefügten Patentansprüchen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine teilweise vertikale Schnittansicht einer integrierten Schaltung
mit mehreren Zwischenverbindungsschichten, die einen erfindungsgemäßen eingebetteten
Metall-Isolator-Metall-Zwischenverbindungskondensator
(MIM) enthält.
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Die 2 bis 10 zeigen
eine Reihe von teilweisen vertikalen Schnittansichten, welche eine Sequenz
von Schritten darstellen, die bei der Herstellung des in 1 gezeigten
MIM-Kondensators verwendet werden.
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Ausführliche Beschreibung
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Ein
die vorliegende Erfindung verkörpernder Kondensator 20 ist
in einer integrierten Schaltung (IC) 22 eingebaut, wie
es in 1 gezeigt ist. Die IC 22 ist von einer
Bauart mit vielen Schichten 24 aus als Zwischenverbindungen
bekannten elektrischen Leitern. Die elektrischen Leiter jeder Zwischenverbindungsschicht 24 erstrecken
sich zwischen den und verbinden zu den anderen (nicht gezeigten)
funktionalen Bestandteilen des IC 22. Jede Zwischenverbindungsschicht 24 ist
durch eine relativ dicke Schicht 24 eines Zwischenschichtdielektrikums
(ILD) oder eines isolierenden dielektrischen Zwischenmetallmaterials
(IMD) 28 separiert. Das isolierende Material 28 jeder
IMD-Schicht 26 isoliert elektrisch die Leiter der Zwischenverbindungsschichten 24 voneinander,
und isoliert elektrisch die anderen Bestandteile innerhalb des IC 22 voneinander.
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Die
vielen Zwischenverbindungsschichten 24 und IMD-Schichten 26 sind übereinander
und ein Substrat 30 des IC 22 überlagernd aufgebaut oder geschichtet.
Das Substrat 30 dient als Fundament für den IC und dessen in dem
und auf dem Substrat 30 ausgebildeten funktionalen Bestandteilen.
Beispiele für
die funktionalen Bestandteile des Substrates 30 sind (nicht
gezeigte) Transistoren und andere Halbleitervorrichtungen. Die Befähigung zur
Herstellung einer IC 22 mit vielen Zwischenverbindungsschichten 24 wurde
durch den derzeit fortgeschrittenen Zustand der Planarisierungsverarbeitung
ermöglicht, wie
beispielsweise durch chemisches mechanisches Polieren (CMP).
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Eine
relativ Dicke ILD 2 aus isolierendem dielektrischem Material
wie etwa Siliziumdioxid ist auf dem Substrat 30 zur Unterstützung aller
darüber
positionierten Zwischenverbindungsschichten 24 und ihres
IMD-Materials 28 ausgebildet. Der Zweck der ILD-Schicht 32 ist
die Isolierung der Zwischenverbindungsschichten 24 gegenüber den
funktionalen Bestandteilen oder anderen darunter liegenden Zwischenverbindungsleitern.
Verbindungskontakte oder andere (nicht gezeigte) Kontakte sind typischerweise in
der ILD-Schicht 32 zum Verbinden der Zwischenverbindungsschichten 24 mit
den funktionalen Bestandteilen in dem Substrat 30 ausgebildet.
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Der
Aufbau jeder Zwischenverbindungsschicht 24 ist konventionell.
Jede Zwischenverbindungsschicht 24 ist vorzugsweise als
eine Verbindung aus einer Vielzahl von diskreten Metallschichten 34, 36, 38 und 40 ausgebildet,
wie es gezeigt ist, wobei jede von diesen während des Verlaufs des Aufbaus
der Zwischenverbindungsschicht 24 separat abgeschieden
wird. Die Schicht 34 ist vorzugsweise aus Titan (Ti) ausgebildet,
und ist ungefähr 200 Å dick.
Die Schicht 36 ist vorzugsweise aus Titannitrid (TiN) ausgebildet,
ist ungefähr
480 Å dick,
und ist auf die Schicht 34 ausgebildet. Die Schicht 38 ist
eine relativ Dicke Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
(wie etwa mit etwa 0,5% Kupfer oder einem anderen geeigneten Material),
und ungefähr 4200 Å dick.
Die Aluminiumschicht 38 ist auf der Titannitridschicht 36 ausgebildet.
Schließlich
ist eine andere Schicht 40 aus Titannitrid mit einer Dicke
von ungefähr
700 Å vorzugsweise
auf der Aluminiumschicht 38 ausgebildet. Über der
Titannitridschicht 40 kann eine andere isolierende dielektrische
Schicht 26 abgeschieden sein, die eine weitere Zwischenverbindungsschicht 34 beginnt.
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Die
Aluminiumschicht 38 ist der elektrische Hauptleiter der
beiden Zwischenverbindungsschichten 24. Zur Verbesserung
der Zuverlässigkeit
der Zwischenverbindungsschicht 24 werden die Titannitridschichten 36 und 40 zur
Bereitstellung eines guten Verspannungsübergangs zwischen der Aluminiumschicht 38 und
der benachbarten ILD-Schicht 26 und 32 verwendet.
Die Titanschicht 34 wird zum Reduzieren einer beliebigen
dünnen
metallischen Oxidschicht oder einer Kontaminierung auf einem (nicht gezeigten)
Verbindungskontakt zu darunterliegenden Zwischenverbindungsschichten
verwendet. Die obere Titannitridschicht 40 dient außerdem als
eine Antireflexionsbeschichtung (ARC) zur Reduktion der Lichtreflexion
während
des Photolithographiebelichtungsvorgangs zur Verbesserung der Auflösung von belichteten
Strukturen innerhalb eines Photoresistmaterials (was in 1 nicht
gezeigt ist), das während
photolithographischen Halbleiterherstellungsvorgängen typischerweise aufgebracht
wird.
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Gemäß 1 ist
der Kondensator 20 vorzugsweise innerhalb des normalerweise
durch die vertikale Höhenabmessung
der Zwischenverbindungsschicht 24 okkupierten Raums eingebettet. Zum
Einbetten des Kondensators 20 innerhalb der Zwischenverbindungsschicht 24 müssen im
Wesentlichen alle Schichten 38 und 40 der Zwischenverbindungsschicht 24 zur
Ausbildung eines Hohlraums 45 entfernt werden, um einen
durch den Kondensator 20 zu okkupierenden Raum auszubilden.
Durch das Eliminieren der relativ dicken Aluminiumschicht 38 werden
die durch die thermischen Abweichungen während des Herstellungsvorgangs
erzeugten Störungseffekte
umgangen, wodurch die Probleme einer abgeschwächten Kondensatorzuverlässigkeit
aufgrund der Ausbildung von Hügelchen
in der Aluminiumschicht 38 eliminiert und vermieden werden.
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Der
Kondensator 20 ist durch einen Abschnitt der unteren Titannitridschicht 36,
eine Schicht aus einem auf der unteren Titanschicht 36 abgeschiedenem
dielektrischen Kondensatormaterial 42 und eine Schicht
aus auf dem dielektrischen Kondensatormaterial 42 abgeschiedenem
Titannitrid 44 ausgebildet. Der Abschnitt der unteren Titannitridschicht 36 der
Zwischenverbindungsschicht 24 unter dem dielektrischen
Kondensatormaterial 42 bildet eine untere Platte des Kondensators 20.
Das dielektrische Kondensatormaterial 42 kann vorzugsweise
Siliziumnitrid sein, obwohl das dielektrische Kondensatormaterial
aus einem anderen Material wie etwa Siliziumdioxid oder einem anderen
geeigneten isolierenden Material ausgewählt werden kann, um die gewünschten
dielektrischen und kapazitären
Eigenschaften bereit zu stellen. Beispiele für dielektrische Materialien, die
zur Verwendung bei dem Kondensator geeignet sind, sind in den eingangs
in Bezug genommenen sechsten und siebten Patentanmeldungen beschrieben.
Die Dicke des Siliziumnitrids des dielektrischen Materials 42 beträgt vorzugsweise
ungefähr
450 Å oder
eine andere Dicke, die für
die gewünschte
Kapazität
und das verwendete dielektrische Material zweckmäßig ist. Die Schicht 44 aus
Titannitrid auf der Schicht 42 des dielektrischen Kondensatormaterials bildet
die andere obere Platte des Kondensators 20. Die obere
Kondensatorplattenschicht aus Titannitrid 44 ist relativ
dick, beispielsweise ungefähr
1400 Å. Die
Titannitridschicht 44 kann sogar noch dicker ausgebildet
sein, so dass das Obere dieser Schicht 44 im Großen und
Ganzen auf demselben Niveau wie das Obere der Titannitridschicht 40 liegt.
Auf diese Weise wird der Verbindungskontaktplasmaätzvorgang
zur Ausbildung der Verbindungskontakte auf diesen beiden Titannitridschichten 40 und 44 auf
demselben Niveau enden, wodurch eine Schwächung oder Zerstörung von
Bestandteilen in flacheren Tiefen aufgrund eines zusätzlichen
Plasmaionenbombardements während
des Plasmaätzvorgangs
vermieden wird.
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Weil
sowohl die obere Kondensatorplatte 44 als auch die untere
Kondensatorplatte 36 aus Titannitrid, einem feuerfesten
Metall, ausgebildet sind, wird eine substantielle zusätzliche
Beständigkeit
gegenüber
einer Deformation der Kondensatorplatten erhalten, um den Wirkungen
der thermischen Abweichungen während
der Herstellung der IC 22 zu widerstehen. Dieser Aufbau
bietet einen Vorteil über
anderen Arten von dielektrischen Zwischenschichtkondensatoren, bei
denen die Platten der Kondensatoren auf den Bestandteilen der Zwischenverbindungsschichten
separat ausgebildet sind. Wenn die Platten auf den Bestandteilen
der Zwischenverbindungsschichten separat ausgebildet sind, kann
die Wärmeausdehnung
der Zwischenverbindungsschichten, insbesondere der Aluminiumschicht 38,
die Kondensatorplatten deformieren, Hügelchen ausbilden, und die
Effektivität
des Kondensatordielektrikums zerstören oder abschwächen. Die
weiterhin steifen feuerfesten Metallplatten 36 und 44 des
Kondensators 20 verursachen dessen lineare Antwortcharakteristik
auf elektrische Signale, wodurch der Kondensator 20 geeigneter
zur Verwendung als ein analoges Schaltungselement oder als ein digitales
Schaltungselement in der IC 22 ausgebildet wird, falls
dies gewünscht
oder erforderlich ist.
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Das
isolierende IMD-Material 28 bedeckt den Kondensator 20 und
nimmt den Raum 45 zwischen dem Kondensator 20 und
den horizontal benachbarten Bestandteilen der Zwischenverbindungsschicht 24 in
Anspruch. Verbindungskontakte 46 sind durch die IMD-Schicht 28 ausgebildet.
Verbindungskontakte 48 sind elektrische Verbindungen in
einem durchgeführten
Loch zwischen den Leitern der vertikal separierten Zwischenverbindungsschichten 24. Die
Verbindungskontakte 46 sind als verbindende Leiter der
oberen Zwischenverbindungsschicht 24 zu der unteren Kondensatorplatte 44 und
entweder direkt zu der unteren Kondensatorplatte 36 (der
Titannitridschicht 36 in der unteren Zwischenverbindungsschicht 24)
oder zu der oberen Titannitridschicht 40 der unteren Zwischenverbindungsschicht 24 selbst für eine indirekte
Verbindung (der bevorzugten Verbindung) zu der unteren Kondensatorplatte 36 sowie zu
den elektrischen Leitern der unteren Zwischenverbindungsschicht 24 gezeigt.
Die untere Kondensatorplatte 36 kann alternativ mit unteren
Ebenen von Bestandteilen durch einen zuvor ausgebildeten (nicht gezeigten)
Verbindungskontakt verbunden sein, über den der Kondensator 20 ausgebildet
ist. Die Lokalisierung der Verbindungskontakte 46 wird
zum Erzielen der benötigten
Verbindungen zu der funktionalen Schaltung innerhalb der IC 22 ausgewählt. Die
Leiter der Zwischenverbindungsschichten 24 sind voneinander
separiert, so dass die funktionale Verschaltung erzielt wird. 1 zeigt
keine funktionale Verschaltung, sondern stellt stattdessen einfach
die Tatsache dar, dass Verbindungen durch die Verbindungskontakte 46 zu
allen Bestandteilen des Kondensators 20 und zwischen den
Zwischenverbindungsschichten 24 möglich sind.
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Nachdem
die Schicht 26 aus IMD-Material 28 und die Verbindungskontakte 46 ausgebildet
sind, werden die oberen Oberflächen
der IMD-Schicht 26 und der Verbindungskontakte 46 durch
zweckmäßige bekannte
CMD-Abläufe
planarisiert. Danach wird die obere Zwischenverbindungsschicht 24 ausgebildet.
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Der
Vorgang zur Ausbildung des in 1 gezeigten
eingebetteten MIM-Zwischenverbindungskondensators 20 ist
nachstehend in Verbindung mit den in den 2 bis 10 gezeigten
Schritten seines Herstellungsvorgangs beschrieben. Bekannte Herstellungstechniken
werden zum Abscheiden, Strukturieren und Ätzen jeder der Materialschichten verwendet,
die in den nachfolgenden Schritten gezeigt und beschrieben sind.
Einige der nachstehend beschriebenen Vorgangsschritte zur Ausbildung
des MIM-Kondensators 20 sind ähnlich zu den bei dem Aufbau
anderer Strukturen in dem darunterliegenden Substrat verwendeten
geläufigen
Vorgangsschritten.
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Der
Herstellungsvorgang beginnt bei dem in 2 gezeigten
Zustand, wobei die bekannte untere Zwischenverbindungsschicht 24 durch
bekannte Techniken über
der unteren ILD-Schicht 32 auf dem Substrat 30 ausgebildet
worden ist. Um die Ausbildung der unteren Zwischenverbindungsschicht 24 zu beginnen,
wird die relativ dünne
Titanschicht 34 auf der ILD-Schicht 32 abgeschieden.
Die Titannitridschicht 36 wird auf der Titanschicht 34 abgeschieden.
Die Aluminiumschicht 38 wird auf der Titannitridschicht 36 abgeschieden,
und die obere Titannitridschicht 40 wird auf der Aluminiumschicht 38 abgeschieden.
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Bei
dem in 3 gezeigten Zustand wurde eine Fotoresistlackschicht 48 auf
der Titannitridschicht 40 abgeschieden, und eine Standardlithographiebelichtung
und -entwicklung wurde zum Entfernen der Fotoresistlackschicht 48 zur
Definition eines Bereiches 50 verwendet, indem der Kondensator 20 (vergleiche 1)
innerhalb der Zwischenverbindungsschicht 24 ausgebildet
wird.
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4 zeigt,
dass die obere Titannitridschicht 40 und die Aluminiumschicht 38 in
dem Bereich 50 unter Verwendung von selektiven Plasmaätzabläufen weggeätzt werden,
welche auf der unteren Titannitridschicht 36 enden, oder
die ein Signal bereitstellen, dass der Ablauf das Aluminium weggeätzt hat,
und auf dem Boden Titannitridmaterial beginnt. Die Fotoresistlackschicht 48 beschränkt den Ätzvorgang
auf den Bereich 50. Die Titannitridschicht 36 wird
nicht entfernt, da sie die untere Kondensatorplatte des Kondensators 20 ausbilden
wird.
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Bei
dem in 5 gezeigten Zustand wurde die Fotoresistlackschicht 48 (vergleiche 4)
durch bekannte Verarbeitungsschritte entfernt, und die Schicht 42 des
dielektrischen Kondensatormaterials und eine Schicht 51 aus
Titannitrid werden durch bekannte Techniken abgeschieden, welche
diese Materialien auf der oberen Seite sowie auf den vertikalen Seiten
der freigelegten Oberflächen
abscheiden können.
Die Schicht 51 bildet ultimativ die obere Platte 44 des
Kondensators 20 aus (vergleiche 1). Es ist
vorzuziehen, aber nicht erforderlich, dass die Höhe der Titannitridschicht 51 in
der Mitte des Bereiches 50 um etwa dieselbe Höhe wie die
obere Titannitridschicht 40 der Zwischenverbindungsschicht 24 hervorsteht,
damit später
Verbindungskontakte 46 zu diesen beiden Titannitridschichten 40 und 51 bequem
ausgebildet werden können,
wie es nachstehend unter Bezugnahme auf 10 beschrieben
ist. Alternativ könnte
die Titannitridschicht 51 bedeutend dünner sein, wie etwa 375 bis
1000 Å dick,
in Abhängigkeit
von dem Ätzvorgang,
der später
die nicht benötigten
Abschnitte der Schicht 51 auf den Lateralseiten der oberen
Kondensatorplatte 44 entfernen wird.
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Der
Umfang der auszubildenden oberen Kondensatorplatte 44 ist
durch eine abgeschiedene Schicht aus Photoresistlackmaterial 52 definiert,
die zum Freilegen aller Bereiche der oberen Titannitridschicht 51 außerhalb
des gewünschten
Bereiches der oberen Kondensatorplatte 44 strukturiert
und zurückgeätzt wird,
wie es in 6 gezeigt ist. Der horizontale
Umfang des Photoresistlackmaterials 52 ist typischerweise
kleiner als der Bereich 50 (vergleiche 5).
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Bei
dem in 7 gezeigten Zustand wurde die obere Titannitridschicht 51 außerhalb
des durch den Photoresistlack 52 bedeckten Bereiches durch einen
konventionellen Plasmavorgang geätzt
(vergleiche 6), der das Material mit einer
Richtungsabhängigkeit ätzt, die
im Wesentlichen vertikal zu den horizontalen Oberflächen der
Resistlackschicht 52 ist (vergleiche 6).
Auf diese Weise bleiben die äußeren Kanten
der oberen Kondensatorplatte 44 im Wesentlichen vertikal.
Von der Schicht 51 verbleiben jedoch „Längsbalken" oder Seitenwandabstandshalter 54 aus
Titannitridmetall. Diese Abstandshalter 54 bilden keinen
Teil des Kondensators 20 (vergleiche 1)
oder der Zwischenverbindungsschicht 24, aber stellen einen
glätteren Übergang
zu der IMD-Schicht 26 in dem Kondensatorhohlraum bereit, was
das Endausmaß der
nachfolgenden Planarität verbessert.
Die dielektrische Schicht 42 kann zusammen mit der Titannitridschicht 51 und
in demselben Bereich weggeätzt
werden. Eine durch 1 dargestellte Alternative ätzt die
dielektrische Schicht 42 nicht weg, sondern lässt sie
stattdessen an Ort und Stelle, um das elektrische Lecken des Kondensators 20 zu
reduzieren. Bei dem in 7 gezeigten Punkt im Prozessablauf
ist die Struktur des Kondensators 20 selbst im Wesentlichen
abgeschlossen. Der Rest des Prozessablaufs bezieht gemäß den 1, 8, 9 und 10 im
Wesentlichen ein Strukturieren und Ätzen der Zwischenverbindungen
in der Zwischenverbindungsschicht 24 und ein Hinzufügen der
IMD-Schicht 26 und der Verbindungskontakte 48 dadurch
zu den Kondensatorplatten 36 und 44 und der oberen
Titannitridschicht 40 der Zwischenverbindungsschicht 24 mit
ein.
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Bei
dem in 8 gezeigten Zustand wurde eine Photoresistlackschicht 56 auf
den freigelegten Oberflächen
abgeschieden. Die Photoresistlackschicht 56 wird zum Definieren
der Metallzwischenverbindungsschicht 24 außerhalb
des Bereiches des Kondensators 20 strukturiert, so dass
die Zwischenverbindungsschicht 24 in die Leiterzeilensegmente außerhalb
des Bereichs des Kondensators 20 strukturiert und geätzt werden
kann. Die Photoresistlackschicht 56 schützt den Kondensator 20 und
den umgebenden Kontaktbereich der Bodenplatte 36 während des
Metallplasmaätzvorgangs
der Zwischenverbindungsschicht 24. Nachdem die Leiter der
Zwischenverbindungsschicht 24 ausgebildet worden sind,
wird die Photoresistlackschicht 56 entfernt. Während des
Plasmaätzablaufs
wird die Photoresistlackschicht 56 teilweise konsumiert.
Das Zurücksetzen
des Kondensators 20 unter die obere Titannitridschicht 40 bewahrt
jedoch die obere Kondensatorplatte 44 vor einem Freilegen
und Beschädigen
während
dieses Ätzvorgangs.
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Danach
wird gemäß 9 die
IMD-Schicht 26 vorzugsweise auf eine Tiefe von etwa 18.000 Å unter
Verwendung eines sequentiellen hochdichten Plasmaabscheide-(HDP)
und Zerstäubungsbetriebs oder
einem anderen Oxidabscheidevorgang abgeschieden. Die Räume 45 zwischen
der oberen Kondensatorplatte 44 und den Abstandshaltern 54 (oder der
Seite der Aluminium- und Titannitridschichten 38 und 40,
falls die Abstandshalter 54 nicht vorhanden sind) werden
zusammen mit anderen (nicht gezeigten) Lücken zwischen den in der Zwischenverbindungsschicht 24 ausgebildeten
Leitern gefüllt.
Alternativ kann der HDP-Abscheide- und Zerstäubungsvorgang nur teilweise
die IMD-Schicht 26 zur Ausbildung eines unteren HDP-Oxidabschnitts 62 abschließen, was
sodann durch einen organischen Tetraethylorthosilikatabscheidebetrieb
(TEOS) zum Vervollständigen
der IMD-Schicht 26 mit einer Oxidabdeckung 64 gefolgt
sein kann. Ein TEOS-Abscheidebetrieb wird den verbleibenden vertikalen
Raum in der IMD-Schicht 26 rascher füllen als ein HDP-Abscheidebetrieb.
Danach wird die IMD-Schicht 26 gereinigt und unter Verwendung
eines Oxid-CMP-Vorgangs flachpoliert oder planarisiert, um eine
im Wesentlichen flache Oberfläche
bereit zu stellen, auf der die obere Zwischenverbindungsschicht 24 aufzubauen ist
(vergleiche 1).
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10 zeigt,
dass die Verbindungskontakte 46 in der IMD-Schicht 26 zu
der oberen Platte 44 des Metallkondensators und der oberen
Titannitridschicht 40 der Zwischenverbindungsschicht 24 ausgebildet sind.
Alternativ können
Verbindungskontakte 46 ebenfalls zu der Kondensatorbodenplatte 36 zur
Bereitstellung einer direkten Verbindung zu der Bodenplatte 36 ausgebildet
werden, wie es gezeigt ist, aber Verbindungen zu der oberen Titannitridschicht 40 der Zwischenverbindungsschicht 24 stellen
außerdem ausreichende
Kontakte zu der Bodenplatte 36 durch die Zwischenverbindungsschicht 24 bereit.
Zudem kann der Verbindungskontaktätzvorgang durch Ausbilden von
Verbindungskontakten 46 zur Verbindung mit den oberen Schichten
der Zwischenverbindungsschicht 24 anstatt zu der Bodenplatte 36 diese
Verbindungskontakte 46 und die zu der oberen Kondensatorplatte 44 verbindenden
Verbindungskontakte 46 auf etwa dieselbe Tiefe ausbilden,
und dadurch den Ätzvorgang
davor bewahren, das Obere der höheren Schicht 40 oder 44 zu
bombardieren, während
ein Verbindungskontakt 46 zu der unteren Schicht 36 dennoch
geätzt
wird. Die Verbindungskontakte 46 werden unter Verwendung
von konventionellen Photolithographietechniken zum Definieren der
Orte für die
Verbindungskontakte 46 gefolgt von einem Plasmaätzvorgang
zur Erzeugung von Löchern
durch die IMD-Schicht 26 ausgebildet. Die Verbindungskontakte 46 sind
mit einer zweckmäßigen Dünnschicht
aus einem Abdichtungsmaterial 66 wie etwa einer Dünnschicht
aus Titan gefolgt von einer Schicht aus Titannitrid auf den Boden-
und Seitenwänden
der Verbindungskontakte 46 ausgefüttert, und dann mit Wolfram oder
einem anderen Material gefüllt,
gefolgt von einem CMP-Vorgang, so dass das Metall in den Verbindungskontakten 46 und
ein beliebiges Material, das die IMD-Schicht 26 bedeckt,
auf die obere Oberfläche
der IMD-Schicht 26 zurückpoliert
werden. Danach werden die Schichten der oberen Zwischenverbindungsschicht 24 (vergleiche 1)
auf eine zu der Ausbildung der unteren Zwischenverbindungsschicht 24 ähnliche
Weise abgeschieden. Die obere Zwischenverbindungsschicht 24 wird
dann zum Ausbilden der gewünschten
Kontakte zu der unteren Zwischenverbindungsschicht 24 und
dem Kondensator 20 definiert und geätzt.
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Obwohl
der Kondensator 20 vorliegend als über der unteren Zwischenverbindungsschicht 24 gezeigt
und beschrieben ist, ist es in einer geeigneten Situation möglich, die
allgemeine Struktur des Kondensators 20 zu invertieren,
und den Kondensator 20 am Boden der unteren Zwischenverbindungsschicht 24 auszubilden.
In dieser Situation wird die Kondensatorbodenplatte in einem Hohlraum
in der Unterseite der Zwischenverbindungsschicht ausgebildet, und die
obere Metallschicht der Zwischenverbindungsschicht bildet die Kondensatoroberplatte
aus. Geeignete Verbindungskontakte können dann zu anderen Zwischenverbindungsschichten
entweder über
oder unter der Zwischenverbindungsschicht mit dem eingebetteten
Kondensator bereitgestellt werden.
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Der
MIM-Kondensator 20 und sein Herstellungsverfahren stellen
einen Kondensator bereit, der in den Zwischenverbindungsschichten
anstatt in dem Substrat der IC 22 abgeschieden ist, aber
fügt nichts zu
dem Gesamtvolumen der IC 22 hinzu, da der Kondensator 20 innerhalb
einer Zwischenverbindungsschicht 24 eingebettet ist, anstatt
zwischen zwei Zwischenverbindungsschichten, wo die Isolatorschicht 26 dicker
gemacht werden muss, um einen Kondensator darin aufzunehmen. Zudem
können
die Verbindungskontakte zwischen vertikal benachbarten Zwischenverbindungsschichten
und zwischen dem Kondensator 20 und der nächsten Zwischenverbindungsschicht
auf etwa dieselbe Tiefe ausgebildet werden, was den Vorgang zur
Ausbildung der Verbindungskontakte 46 vereinfacht. Zudem
erlaubt die Struktur des Kondensators 20 ein vereinfachtes
Verfahren zur Herstellung, das einen Vorteil aus dem vorhandenen Material
in der Zwischenverbindungsschicht 24 und aus verwandten
Herstellungsvorgängen
zieht. Viele andere Vorteile und Verbesserungen werden aus einem
vollständigen
Verständnis
der Erfindung ersichtlich.
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Derzeit
bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung und ihre Verbesserungen sind vorstehend näher beschrieben.
Die Erfindung erfolgte anhand eines bevorzugten Beispiels. Es versteht
sich, dass der Erfindungsbereich durch die nachfolgenden Patenansprüche definiert
ist, und nicht unnötig
auf die vorstehend angegebene ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
beschränkt
sein soll.