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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Mikrostrukturbauelemente, etwa integrierte Schaltungen, und betrifft insbesondere Metallisierungsschichten mit gut leitenden Metallen, etwa Kupfer, und dielektrischen Materialien mit Luftspalte.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In modernen integrierten Schaltungen haben die minimalen Strukturgrößen, etwa die Kanallänge von Feldeffekttransistoren, den Bereich deutlich unter 1 μm erreicht, wodurch das Leistungsverhalten dieser Schaltungen im Hinblick auf die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder auf die Vielfalt der Schaltungsfunktionen verbessert wird. Wenn die Größe der einzelnen Schaltungselemente deutlich verringert wird, wodurch beispielsweise die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente verbessert wird, wird jedoch auch der verfügbare Platz für Verbindungsleitungen, die die einzelnen Schaltungselemente elektrisch miteinander verbinden, ebenfalls verringert. Folglich müssen die Abmessungen dieser Verbindungsleitungen und die Abstände zwischen den Metallleitungen verringert werden, um damit dem geringeren Anteil an verfügbaren Platz und der höheren Anzahl an Schaltungselementen, die pro Einheitsfläche vorgesehen sind, Rechnung zu tragen.
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In integrierten Schaltungen mit minimalen Abmessungen von ungefähr 0,35 μm oder weniger ist ein begrenzender Faktor des Leistungsverhaltens die Signalausbreitungsverzögerung, die durch die Schaltgeschwindigkeit der Transistorelemente hervorgerufen wird. Da die Kanallänge dieser Transistorelemente nunmehr 50 nm und weniger erreicht hat, ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Feldeffekttransistoren begrenzt, sondern ist auf Grund der erhöhten Schaltungsdichte durch die Verbindungsleitungen beschränkt, da die Kapazität zwischen den Leitungen (C) erhöht ist und ebenfalls der Widerstand (R) der Leitungen auf Grund ihrer geringeren Querschnittsfläche vergrößert ist. Die parasitären RC-Zeitkonstanten und die kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen erfordern daher das Einführen neuer Arten von Materialien, um die Metallisierungsschicht herzustellen.
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Üblicherweise werden Metallisierungsschichten, d. h. die Verdrahtungsschichten mit Metallleitungen und Kontaktdurchführungen zur Bereitstellung der elektrischen Verbindung der Schaltungselemente gemäß einem spezifizierten Schaltungsaufbau, mittels eines dielektrischen Schichtstapels hergestellt, der beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid aufweist, wobei Aluminium das typische Metall repräsentiert. Da Aluminium eine ausgeprägte Elektromigration bei höheren Stromdichten zeigt, wie sie in integrierten Schaltungen mit äußerst größenreduzierten Strukturgrößen erforderlich sind, wird Aluminium zunehmend durch beispielsweise Kupfer ersetzt, das einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand besitzt und auch eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration aufweist. Für höchst anspruchsvolle Anwendungen werden zusätzlich zur Verwendung von Kupfer und/oder Kupferlegierungen die gut etablierten und gut bekannten dielektrischen Materialien mit Siliziumdioxid (ε ungefähr 4,2) und Siliziumnitrid (ε größer 7) zunehmend durch sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε ersetzt, die eine relative Permittivität von ungefähr 3,0 oder weniger besitzen. Der Übergang von der gut bekannten und gut etablierten Aluminium/Siliziumdioxidmetallisierungsschicht zu einer kupferbasierten Metallisierungsschicht möglicherweise in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit kleinem ε ist jedoch mit einer Reihe von Problemen behaftet, die es zu lösen gilt.
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Beispielsweise kann Kupfer nicht in relativ großen Mengen in effizienter Weise durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa chemische oder physikalische Dampfabscheidung aufgebracht werden. Des weiteren kann Kupfer nicht durch gut etablierte anisotrope Ätzprozesse strukturiert werden. Daher wird häufig die sogenannte Damaszener- oder Einlegetechnik angewendet, um Metallisierungsschichten mit Kupferleitungen und Kontaktdurchführungen herzustellen. Typischerweise wird in der Damaszener-Technik die dielektrische Schicht abgeschieden und anschließend strukturiert, so dass diese Gräben und Kontaktlochöffnungen erhält, die nachfolgend mit Kupfer oder Legierungen davon durch Plattierungsverfahren, etwa Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, gefüllt werden. Da Kupfer leicht in einer Vielzahl von Dielektrika diffundiert, etwa Siliziumdioxid und vielen Dielektrika mit kleinem ε, ist die Herstellung einer Diffusionsbarrierenschicht an Grenzflächen zu dem benachbarten dielektrischen Material erforderlich. Die Diffusion von Feuchtigkeit und Sauerstoff in das kupferbasierte Material muss ebenfalls unterdrückt werden, da Kupfer schnell reagiert und oxidierte Bereiche bildet, wodurch möglicherweise die Eigenschaften der kupferbasierten Metallleitung im Hinblick auf die Haftung, die Leitfähigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration beeinträchtigt werden.
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Während des Einfüllens eines leitenden Materials, etwa Kupfer, in die Gräben und Kontaktlochöffnungen muss ein beträchtlicher Anteil an zusätzlichem Material vorgesehen werden, um in zuverlässiger Weise die jeweiligen Öffnungen von unten nach oben ohne Hohlräume und andere durch die Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten aufzufüllen. Daher muss nach dem Metallabscheideprozess überschüssiges Material entfernt werden und die entstehende Oberflächentopographie ist einzuebnen, beispielsweise unter Anwendung elektrochemischer Ätztechniken, dem chemisch-mechanischen Polieren (CMP) und dergleichen. Während eines CMP-Prozesses wird beispielsweise eine ausgeprägte mechanische Belastung auf die Metallisierungsebenen, die bislang hergestellt sind, ausgeübt, wodurch Strukturschäden zu einem gewissen Grade auftreten können, insbesondere wenn komplexe dielektrische Materialien mit geringerer Permittivität verwendet werden. Wie zuvor erläutert ist, besitzt die kapazitive Kopplung zwischen benachbarten Metallleitungen einen wesentlichen Einfluss auf das Gesamtverhalten des Halbleiterbauelements insbesondere in Metallisierungsebenen, die im Wesentlichen durch die „Kapazität bestimmt sind”, d. h. in denen eine Vielzahl dicht liegender Metallleitungen gemäß den Bauteilerfordernissen vorzusehen sind, wodurch möglicherweise eine Signalausbreitungsverzögerung und eine Signalstörung zwischen benachbarten Metallleitungen hervorgerufen wird. Aus diesem Grunde werden sogenannte dielektrische Materialien mit kleinem ε oder Materialien mit ultra kleinem ε verwendet, die für eine dielektrische Konstante von 3,0 und deutlich weniger sorgen, um damit das gesamte elektrische Leistungsverhalten der Metallisierungsebenen zu verbessern. Andererseits ist eine geringere Permittivität des dielektrischen Materials typischerweise mit einer geringeren mechanischen Stabilität verknüpft, wodurch aufwendige Strukturierungsschemata erforderlich sind, um nicht in unerwünschter Weise die Zuverlässigkeit des Metallisierungssystems zu beeinträchtigen.
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Die kontinuierliche Verringerung der Strukturgrößen mit Gatelängen von ungefähr 40 nm und weniger erfordert jedoch noch kleinere dielektrische Konstanten der jeweiligen dielektrischen Materialien, wodurch zunehmend Ausbeuteverluste auf Grund beispielsweise unzureichender mechanischer Stabilität entsprechender Materialien mit ultra kleinem ε hervorgerufen werden. Aus diesem Grunde wurde vorgeschlagen, „Luftspalte” zumindest in kritischen Bauteilbereichen einzuführen, da Luft oder ähnliche Gase eine dielektrische Konstante von näherungsweise von 1,0 besitzen, wodurch eine geringere Gesamtpermittivität hervorgerufen wird, wobei dennoch die Verwendung weniger kritischer dielektrischer Materialien möglich ist. Durch das Einführen geeignet positionierter Luftspalte kann die Gesamtpermittivität verringert werden, wobei trotzdem die mechanische Stabilität des dielektrischen Materials besser ist im Vergleich zu konventionellen Dielektrika mit ultra kleinem ε. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, Nanolöcher in geeignete dielektrische Materialien einzubringen, die zufällig in dem dielektrischen Material verteilt sind, so dass die Dichte des dielektrischen Materials deutlich verringert wird. Das Erzeugen und die Verteilung der jeweiligen Nanolöcher erfordert jedoch eine Vielzahl aufwendiger Prozessschritte, um die Löcher mit einer gewünschten Dichte zu erzeugen, wobei gleichzeitig die gesamten Eigenschaften des dielektrischen Materials im Hinblick auf die weitere Bearbeitung verändert werden, etwa im Hinblick auf das Einebnen von Oberflächenbereichen, das Abscheiden weiterer Materialien, und dergleichen.
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In anderen Vorgehensweisen werden aufwendige Lithographieprozesse zusätzlich eingeführt, um geeignete Ätzmasken zu erzeugen, um damit die Spalte in der Nähe entsprechender Metallleitungen mit einer Position und Größe vorzusehen, wie sie durch die lithographisch hergestellte Ätzmaske definiert sind. In diesem Falle sind jedoch zusätzliche Kosten intensiver Lithographieschritte erforderlich, wobei auch die Positionierung und Dimensionierung der jeweiligen Luftspalte auf die Auflösungsmöglichkeiten der jeweiligen Lithographieprozesse beschränkt sind. Da typischerweise in kritischen Metallisierungsebenen die lateralen Abmessungen von Metallleitungen und dem Abstand zwischen benachbarten Metallleitungen durch kritische Lithographieschritte bestimmt sind, ist eine geeignete und zuverlässige Fertigungssequenz zum Bereitstellen dazwischen liegender Luftspalte auf der Grundlage der verfügbaren Lithographietechniken nur schwer erreichbar.
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In anderen konventionellen Vorgehensweisen wird das dielektrische Material der betrachteten Metallisierungsschicht selektiv in Bezug auf die Metallleitungen bis hinab zu einer spezifizierten Tiefe geätzt, wodurch komplexe Lithographieschritte zum Positionieren der Luftspalte zwischen den Metallleitungen vermieden werden. Folglich wird eine selbstjustierte Technik ermöglicht, indem die Ätzselektivität zwischen den Metallleitungen und dem dielektrischen Material ausgenutzt wird. In anderen Fällen wird zumindest ein Teil des dielektrischen Materials hergestellt, indem eine geeignete Materialzusammensetzung verwendet wird, die ein effizientes Entfernen beispielsweise auf der Grundlage gut etablierter Ätzrezepte, Ätzprozesse und dergleichen ermöglicht. In diesem Falle werden die Metallleitungen in dem dielektrischen Opfermaterial hergestellt, das dann effizient entfernt wird, um damit die entsprechenden Aussparungen zu schaffen, die nachfolgend durch Abscheiden eines dielektrischen Materials wieder abgedeckt werden. Somit bieten die zuletzt genannten Vorgehensweisen selbstjustierende Prozessstrategien, indem zumindest ein Teil des dielektrischen Materials bis hinab zu einer spezifizierten Tiefe auf der Grundlage von Ätztechniken entfernt wird, ohne dass kritische Lithographieprozesse erforderlich sind. Obwohl diese Möglichkeiten sehr vielversprechend sind und zu einer kosteneffizienten Fertigungssequenz führen, ist das Ausschließen spezieller Bauteilbereiche im Hinblick auf die Ausbildung von Luftspalte mit zusätzlicher Prozesskomplexität verknüpft, wodurch viele Vorteile dieser Lösungen im Hinblick auf andere konventionelle zuvor diskutierte Techniken aufgehoben werden.
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In der
US 2006/0 183 315 A1 wird ein Verfahren zur Erzeugung von Luftspalten in einer Schicht eines Halbleiterbauteils beschrieben, in dem die Luftspalten durch selektive Bestrahlung eines Zwischenschichtdielektrikums gebildet werden.
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In der
US 2002/0 028 575 A1 wird ein Verfahren zur Erzeugung von Luftspalten in einer Schicht eines Halbleiterbauteils beschrieben, in dem die Luftspalten durch Entfernen von Material einer Opferschicht unterhalb einer porösen dielektrischen Schicht durch Aufheizen gebildet werden.
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In der
US 2008/0 182 403 A1 wird ein Verfahren zur Erzeugung von Luftspalten zwischen elektrisch leitefähigen Elementen eines Halbleiterbauteils beschrieben, in dem Material einer Opferschicht unterhalb einer porösen Schicht durch Stripping entfernt wird, um die Luftspalten zu bilden.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen Luftspalte in selbstjustierter Weise mit erhöhter Flexibilität im Hinblick auf das selektive Vorsehen der Luftspalte über ein Bauteilbereich hinweg bereitgestellt werden, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Offenbarung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren und Bauelemente, in denen Luftspalte zwischen dicht liegenden Metallgebieten in selbstjustierender Weise positioniert werden, wobei zusätzlich das Vorsehen der Luftspalte auf vorbestimmte Bauteilbereiche beschränkt wird. Zu diesem Zweck werden in einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten Vertiefungen hergestellt, in dem ein dielektrisches Material einer Metallisierungsschicht selektiv in Bezug auf die Metallgebiete entfernt wird und nachfolgend werden die Vertiefungen mittels eines strahlungsempfindlichen Materials aufgefüllt. Daraufhin wird das strahlungsempfindliche Material in geeigneter Weise durch eine Strahlung belichtet, etwa durch einen optischen Strahl, der mittels einer Lithographieanlage erzeugt wird, mittels eines abtastenden Laserstrahls, eines Elektronenstrahls, eines Ionenstrahls und dergleichen, um damit die Eigenschaften des strahlungsempfindlichen Materials in lokaler Weise zu ändern. Folglich kann der bestrahlte Bereich oder der nicht bestrahlte Bereich abhängig von den Eigenschaften des strahlungsempfindlichen Materials effizient entfernt werden, ohne dass ein zusätzliches komplexes Maskierungsschema erforderlich ist, um das Material von speziellen Vertiefungen zu entfernen, wie nachfolgend geschlossen werden, um damit die Luftspalte in lokal selektiver Weise zu bilden. In anderen hierin offenbarten anschaulichen Aspekten werden Metallgebiete auf der Grundlage eines strahlungsempfindlichen Materials hergestellt, das als ein dielektrisches Material dient, das dann selektiv in selbstjustierter Weise entfernt werden kann, um Vertiefungen zu bilden, die nachfolgend durch ein dielektrisches Deckmaterial verschlossen werden. Auch in diesem Falle kann somit ein sehr effizienter Gesamtfertigungsablauf erreicht werden, wobei dennoch für ein hohes Maß an Flexibilität beim selektiven Vorsehen von Luftspalten in komplexen Metallisierungssystemen gesorgt ist.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden mehrerer Vertiefungen in einer dielektrischen Metallisierungsschicht eines Halbleiterbauelements, in dem Material der dielektrischen Schicht zwischen mehreren Metallgebieten, die in der dielektrischen Schicht gebildet sind, entfernt wird. Des weiteren werden die Vertiefungen mit einem strahlungsempfindlichen Material gefüllt. Zusätzlich umfasst das Verfahren das selektive Bestrahlen des strahlungsempfindlichen Materials mit einem Strahl, um einen bestrahlten Bereich und einen nicht-bestrahlten Bereich des strahlungsempfindlichen Materials zu erzeugen, wobei der bestrahlte Bereich in einer ersten Teilmenge der mehreren Vertiefungen und der nicht bestrahlte Bereich in einer zweiten Teilmenge der mehreren Vertiefungen gebildet wird. Das Verfahren umfasst ferner das Ausführen eines speziellen Materialabtragungsprozesses, um den bestrahlten Bereich oder den nicht bestrahlten Bereich zu entfernen und umfasst das Abscheiden einer dielektrischen Schicht, um die Aussparungen der ersten Teilmenge und der zweiten Teilmenge zu verschließen, um einen Luftspalt in den Aussparungen zu bilden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a bis 1g schematisch Querschnittsansichten eines Mikrostrukturbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, um Luftspalte in einem Metallisierungssystem auf der Grundlage eines selbstjustierenden Technik und in lokal beschränkter Weise herzustellen, indem Aussparungen in globaler Weise gemäß anschaulicher Ausführungsformen wieder aufgefüllt werden; und
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1h bis 1k schematisch Querschnittsansichten des Mikrostrukturbauelements in Form einer integrierten Schaltung gemäß diverser Fertigungsphasen zeigen, wobei Luftspalte in lokal beschränkter Weise auf der Grundlage strahlungsempfindlichen Materials hergestellt werden, das auch als ein Material zur Herstellung von Metallgebieten darin gemäß einem Beispiel verwendet wird, das nicht Teil der Erfindung ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Offenbarung Techniken und Mikrostrukturbauelemente, beispielsweise integrierte Schaltungen bereit, in denen das elektrische Leistungsverhalten des Metallisierungssystems verbessert wird, indem Luftspalte in kritischen Bauteilgebieten auf der Grundlage einer selbstjustierten Technik geschaffen werden, wobei in effizienter Weise die Ausbildung von Luftspalten in anderen Bauteilbereichen vermieden wird. Wie zuvor erläutert ist, kann die Anwesenheit von Luftspalte deutlich das Leistungsverhalten des Metallisierungssystems verbessern, insbesondere im Bauteilbereichen, in denen dicht liegende Metallgebiete vorhanden sind, während in anderen Bauteilbereichen die Anwesenheit von Luftspalten nicht wünschenswert ist, beispielsweise im Hinblick auf die gesamte mechanische Integrität und dergleichen. In diesem Falle wird gemäß einiger anschaulicher Ausführungsformen eine Anzahl von Aussparungen auf der Grundlage konventioneller effizienter Prozesstechniken hergestellt, indem vorteilhaft die Ätzselektivität einer Vielzahl dielektrischer Materialien in Bezug auf die Metallgebiete ausgenutzt wird, wobei die Aussparungen in einem nachfolgender Fertigungsphase mittels eines strahlungsempfindlichen Materials wieder aufgefüllt werden, etwa mit organischen Materialien mit der Eigenschaft, eine Vernetzung in der Molekularstruktur beim Absorbieren von Strahlungsenergie zu erzeugen, etwa von ultravioletter Strahlung, Röntgenstrahlung, Elektronenstrahlung, Ionenstrahlen und dergleichen. Beispielsweise sind eine Vielzahl von Materialien verfügbar, etwa in Form organischer Materialien, siliziumbasierten Materialien und dergleichen, in denen die Strahlungsenergie, die während eines Lithographieprozesses bereitgestellt werden kann, zu einer ausgeprägten Modifizierung der Molekularstruktur sorgt, so dass geeignete Materialeigenschaften, etwa eine dielektrische Spannungsfestigkeit, mechanische Stabilität und dergleichen, erzeugt werden, um damit die weitere Bearbeitung dieser Materialien gemäß den gesamten Bauteilerfordernissen und Prozesserfordernissen zu ermöglichen.
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Folglich kann nach dem Wiederauffüllen der Aussparungen das strahlungsempfindliche Material selektiv entfernt werden, ohne dass das Abscheiden eines weiteren Maskenmaterials, etwa eines Photolacks, und dergleichen erforderlich ist, wodurch ein sehr effizienter Fertigungsprozess bereitgestellt wird.
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Da die vorliegende Offenbarung Techniken und Bauelemente betrifft, die das Positionieren und Dimensionen von Luftspalten in selbstjustierter und lokal selektiver Weise ermöglichen, sind die hierin offenbarten Prinzipien sehr vorteilhaft auf komplexe Mikrostrukturbauelemente, integrierte Schaltungen zu verwenden, die Transistorelemente der 45 nm-Technologie oder der 22 nm-Technologie darunter enthalten. Die hierin offenbarten Prinzipien können jedoch auch auf weniger kritische Strukturbauelemente angewendet werden, wodurch der Einsatz weniger kritischer dielektrischer Materialien möglich ist, da entsprechende Luftspalte in Bauteilbereichen vorgesehen werden, die eine geringere relative Permittivität erfordern, was nunmehr mit Verwendung von „konventionellen” dielektrischen Materialien möglich ist. Somit soll die vorliegende Offenbarung nicht als auf spezielle kritische Bauteilabmessungen eingeschränkt erachtet werden, sofern derartige Einschränkungen nicht explizit in den angefügten Patentansprüchen oder in Ausführungsformen dargelegt sind, die in der Beschreibung aufgeführt sind.
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Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements 100, das in der gezeigten Ausführungsform durch eine integrierte Schaltung repräsentiert ist, in der Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen vorgesehen sind. In diesem Falle umfasst das Bauelement 100 eine Bauteilebene, die in und über einem Substrat 101 gebildet ist, wie dies auch nachfolgend detaillierter beschrieben ist. In anderen Fällen umfasst das Substrat 101 geeignete Mikrostrukturelemente, etwa mikromechanische Komponenten, optoelektronische Komponenten und dergleichen, wobei zumindest einige dieser Komponenten das Bereitstellen von Verbindungsstrukturen erfordern, die in einem Metallisierungssystem 150 ausgebildet sind. Wie zuvor erläutert ist, sind in sehr komplexen integrierten Schaltungen eine sehr große Anzahl elektrischer Verbindungen erforderlich und somit wird typischerweise eine Vielzahl von Metallisierungsschichten in dem Metallisierungssystem 150 vorgesehen, wobei der Einfachheit halber ein Teil einer einzelnen Metallisierungsschicht gezeigt ist, um das Metallisierungssystem 150 zu repräsentieren. Es sollte jedoch beachtet werden, dass unter und/oder über dem Metallisierungssystem 150, das der Einfachheit halber ebenfalls als Metallisierungsschicht 150 bezeichnet wird, eine oder mehrere zusätzliche Metallisierungsschichten in Abhängigkeit der gesamten Komplexität des Bauelements 100 vorgesehen sein können. Für jede dieser Art zusätzlicher Metallisierungsschichten gelten die gleichen Kriterien, wie sie nachfolgend mit Bezug zu der Metallisierungsschicht 150 erläutert sind. Die Metallisierungsschicht 150 umfasst ein dielektrisches Material 151, das in Form eines beliebigen geeigneten Materials oder einer Materialzusammensetzung bereitgestellt wird, um damit die gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Beispielsweise umfasst das dielektrische Material 151 ein Material mit einer moderat geringen Permittivität, wobei jedoch auch eine ausreichende mechanische Robustheit im Hinblick auf die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 bereitgestellt wird, wie dies auch zuvor erläutert ist. Da die endgültige Permittivität der Metallisierungsschicht 150 zumindest lokal auf der Grundlage von Luftspalte eingestellt wird, die in gewissen Bereichen zu bilden sind, beruht die Auswahl eines geeigneten dielektrischen Materials vorzugsweise auf der Kompatibilität des Materials in Bezug auf die nachfolgende Bearbeitung anstatt dass die Auswahl im Hinblick auf eine minimale dielektrische Konstante erfolgt. Beispielsweise kann eine Vielzahl gut etablierter dielektrischer Materialien mit einer moderat geringen dielektrischen Konstante im Bereich von ungefähr 4,0 bis 3,5 in der Metallisierungsschicht 150 eingesetzt werden. z. B. können dotiertes Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, eine Vielzahl von silizium-, sauerstoff-, kohlenstoff- und wasserstoffenthaltenden Materialien und dergleichen verwendet werden. In anderen Fällen werden geeignete Polymermaterialien für die Metallisierungsschicht 150 eingesetzt, solange die gewünschte Kompatibilität mit der weiteren Bearbeitung erreicht wird. Des weiteren umfasst in einigen anschaulichen Ausführungsformen das dielektrische Material 151 eine erste dielektrische Schicht 151a, die die gewünschten dielektrischen Eigenschaften besitzt, während eine zweite dielektrische Schicht 151b als Opfermaterial betrachtet wird, das in einer späteren Fertigungsphase auf der Grundlage eines geeigneten Abtragungsprozesses entfernt wird. Andererseits liefert die Opferschicht 101b die erforderlichen mechanischen und chemischen Eigenschaften für eine Bearbeitung zum Erzeugen von Gebieten 152a, ..., 152e. Beispielsweise ist die Opferschicht 151b aus einem oxidbasierten Material, einem organischen Material, amorphen Kohlenstoff, diamantartigen Kohlenstoffen und dergleichen aufgebaut, das effizient auf der Grundlage geeigneter plasmaunterstützter oder nasschemischer Ätzrezepte, Ätzprozesse und dergleichen geätzt werden kann. In anderen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert das dielektrische Material 151 ein im Wesentlichen homogenes Material, während in anderen Fällen zusätzlich eine Ätzstoppschicht, die aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut ist, in dem dielektrischen Material 151 gebildet sein kann, um damit eine bessere Prozesssteuerung des Strukturierens des Materials 151 während einer Sequenz zur Herstellung von Aussparungen benachbart zu den Metallgebieten 152a, ..., 152e in einer späteren Fertigungsphase zu erreichen. Es sollte beachtet werden, dass die Metallisierungsschicht 150 ein weiteres dielektrisches Material 154 aufweisen kann, das ein Ätzstippmaterial repräsentiert, beispielsweise in Form eines Siliziumkarbidmaterials, eines stickstoffenthaltenden Siliziumkarbidmaterials, eines Siliziumnitridmaterials und dergleichen.
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Die Metallgebiete 152a, ..., 152e repräsentieren eine beliebige Art an Metallstrukturelementen, etwa Metallleitungsbereich und dergleichen, wobei eine laterale Abmessung, beispielsweise eine Breite 152w, ungefähr 100 nm oder weniger betragen kann, wenn komplexe Metallisierungsebenen betrachtet werden. In anderen Fällen ist die Breite 152w in der Metallisierungsschicht 150 unterschiedlich, wenn beispielsweise schmale Metallleitungen in Verbindung mit breiten Metallleitungen in der gleichen Metallisierungsebene erforderlich sind. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Breite 152w gemäß den gesamten Entwurfsregeln ausgewählt wird. In ähnlicher Weise ist ein Abstand zwischen zwei benachbarten Metallleitungen 152a, der als 152s bezeichnet ist, im Bereich von 100 nm und weniger, wenn kritische Bauteilbereiche betrachtet werden, in denen eine Vielzahl dicht liegender Metallleitungen vorzusehen ist. Der Abstand 152s kann jedoch auch jeden geeigneten Wert annehmen, wobei dies von den gesamten Entwurfsregeln für das Bauelement 100 abhängt. Des weiteren umfassen die Metallgebiete 152a ein leitendes Barrierenmaterial 153, möglicherweise in Verbindung mit entsprechenden leitenden Deckschichten 155, wodurch der Einschluss eines empfindlichen Metallmaterials gelingt, etwa von Kupfer, wobei auch für einen gewünschten Grad an Ätzselektivität im Hinblick auf einen Ätzprozess in einer nachfolgenden Fertigungsphase gesorgt ist.
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Typischerweise wird das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt. Nach dem Herstellen entsprechender Schaltungselemente in und über dem Substrat 101 werden eine oder mehrere der Metallisierungsschichten hergestellt, etwa die Metallisierungsschicht 150. Zu diesem Zweck wird das dielektrische Material 151 auf oder über der dielektrischen Schicht 154 gebildet, indem eine oder mehrere geeignete Abscheidetechniken, etwa CVD (chemische Dampfabscheidung), Aufschleuderverfahren und dergleichen eingesetzt werden. Wie zuvor erläutert ist, kann die dielektrische Schicht 151 zwei oder mehr unterschiedliche Materialschichten aufweisen, etwa die Schichten 151a, 151b, die auf der Grundlage geeigneter Techniken bei Bedarf abgeschieden werden. Daraufhin wird eine Strukturierungssequenz ausgeführt, die für das Abscheiden geeigneter Ätzmasken, etwa Photolackmaterialien möglicherweise in Verbindung mit Hartmaskenmaterialien, einem ARC-(antireflektierende Beschichtungs-)Material und dergleichen beinhalten, wobei diese Materialien nachfolgend strukturiert werden, wenn Gräben und Kontaktöffnungen (nicht gezeigt) in dem dielektrischen Material 151 zu schaffen. Zu diesem Zweck kann eine beliebige geeignete Strukturierungsstrategie angewendet werden. Als nächstes werden die entsprechenden Öffnungen, beispielsweise mit einem Barrierenmaterial 153 und anschließend mit einem gut leitenden Metall, etwa Kupfer gefüllt, und es wird das überschüssige Material entfernt, wie dies auch zuvor beschrieben ist. Daraufhin wird die Deckschicht 155 hergestellt, beispielsweise auf der Grundlage einer selbstjustierenden Abscheidetechnik, etwa elektrochemisches Abscheiden, selektive CVD und dergleichen.
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1b zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100, wenn es in einer Umgebung 120 eingebracht ist, die auf der Grundlage einer plasmaunterstützten Ätzchemie, einer nasschemischen Ätzchemie, einer Plasmaumgebung, Einäschern eines Bereichs des dielektrischen Materials 151 und dergleichen eingerichtet wird. Während des Ätzprozesses 120 wird folglich Material der Schicht 151 bis hinab zu einer spezifizierten Tiefe abgetragen, die beispielsweise auf der Grundlage eines zeitgesteuerten Ätzprozesses bei gegebenen Parametereinstellungen oder auf der Grundlage der Stoppschicht (nicht gezeigt) oder auf der Grundlage des Materials 151a, falls dieses mit einer anderen Materialzusammensetzung im Vergleich zu der Schicht 151b (siehe 1a) vorgesehen ist, festgelegt ist. Beispielsweise wird das Material 151b der 1a in Form eines „Opfermaterials” vorgesehen und dessen Entfernung wird mit hoher Effizienz mit einem hohen Maß an Selektivität in Bezug auf die Metallgebiete 152a, ..., 152e erreicht. In anderen Fällen wird eine fluorbasierte oder chlorbasierte Ätzchemie eingesetzt, wofür eine Vielzahl selektiver Ätzrezepte verfügbar sind. Nach dem Ende des Ätzprozesses 120 ist somit eine Vielzahl von Aussparungen 121a, ..., 121e zwischen benachbarten Metallgebieten 152a, 152e gebildet.
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1c zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 während eines Abscheideprozesses 122, um ein strahlungsempfindliches Material 123 vorzusehen, das als ein Material betrachtet wird, das seine Molekularstruktur, beispielsweise eine „Löslichkeit” im Hinblick auf eine spezielle Ätzumgebung ändert, so dass es sehr widerstandsfähig im Hinblick auf die Ätzumgebung beim Einwirken einer geeigneten Strahlung ist oder so dass es flüchtig wird, wenn es bestrahlt und mit der speziellen Ätzumgebung in Kontakt gebracht wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert das Material 123 ein organisches Material, ein siliziumbasiertes Material und dergleichen, das eine entsprechende Ätzung in seiner Molekularstruktur beim Einwirken von Strahlung, etwa von Ultraviolettlicht und dergleichen gebildet. Beispielsweise sind eine Vielzahl von Materialien verfügbar, die eine ausgeprägte Modifizierung des Molekularzustands bei Einwirkung von Bestrahlung zeigen, wie sie typischerweise in Lithographieprozessen verwendet wird, die in verfügbaren Lithographieanlagen ausgeführt werden. Beispielsweise können nicht empfindliche Polyimidmaterialien oder andere Polymermaterialien verwendet werden, die ausreichend effiziente dielektrische Eigenschaften besitzen, um als ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial zwischen einigen der Metallgebiete 152a, ... 152e zu dienen, für das Vorhandensein eines Luftspalts gewünscht ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das Material 123 während des Prozesses 122 auf der Grundlage von Aufschleudertechniken aufgebracht, so dass das Material 123 zuverlässig den Zwischenraum zwischen benachbarten Metallgebieten 152a, ... 152e auf Grund der geringen Viskosität auffüllt. In anderen anschaulichen Ausführungsformen umfasst der Abscheideprozess 122 eine andere Abscheidetechnik, etwa CVD-artige Abscheidetechniken und dergleichen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird nach dem Aufbringen des Materials 123 und dem Ausführen zusätzlicher Prozessschritte, etwa dem Ausheizen des Materials 123 und dergleichen, wenn dieses in einem Zustand geringer Viskosität aufgebracht wird, die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem das Material 123 selektiv bestrahlt wird, wie dies in Bezug zu 1e nachfolgend beschrieben ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das Material 123 beispielsweise durch Einebnen der Oberflächentopographie weiter behandelt wird.
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1d zeigt schematisch das Bauelement 100, wenn es einen Einebnungsprozess 124 unterzogen wird, um damit unerwünschte Oberflächenregelmäßigkeiten zu entfernen, das bewerkstelligen kann mittels nasschemischer Ätztechniken, plasmaunterstützter Ätztechniken, CMP und dergleichen. Während des Einebnungsprozesses 124 werden die Metallgebiete 152a, ..., 152e als effiziente Stoppelemente verwendet, um damit den Prozess 124 zu steuern, während in anderen Fällen eine im Wesentlichen ebene Oberfläche 123s erreicht wird, ohne dass die Metallgebiete 152a, ..., 152e tatsächlich freigelegt werden.
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1e zeigt schematisch zeigt schematisch das Bauelement 100 während einer selektiven Belichtung 125 des Materials 123. In einer anschaulichen Ausführungsform wird die Belichtung 125 als ein Photolithographieprozess ausgeführt, wobei gut etablierte Lithographieanlagen in Verbindung mit einer geeigneten Lithographiemaske verwendet werden, um damit einen Bereich 123e des Materials 123 freizulegen, während ein Bereich 123n nicht bestrahlt wird. Wie zuvor erläutert ist, kann das Material 123 eine signifikante Modifizierung durchlaufen, beispielsweise erzeugt der bestrahlte Bereich 123e Kreuzverbindungen bzw. eine Vernetzung in seiner Molekularstruktur, wodurch eine erhöhte Ätzwiderstandsfähigkeit in Bezug auf einen speziellen Ätz- oder Entwicklungsprozess erreicht wird. In anderen Fällen besitzt das Material 123, wie es anfänglich bereitgestellt und behandelt wird, einen erhöhten Ätzwiderstand, während der bestrahlte Bereich 123e in Bezug auf eine spezielle Ätzumgebung flüchtig wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird der Bestrahlungsprozess 125 auf der Grundlage eines abtastenden Strahles durchgeführt, was mittels eines Laserflecks bewerkstelligt werden kann, der in geeigneter Weise abtastend über das Substrat 101 bewegt wird, um selektiv den Bereich 123e zu bestrahlen, während eine Bestrahlung des Bereichs 123n durch den Strahl vermieden wird. Zu diesem Zweck können komplexe lasergestützte Ausheizsysteme eingesetzt werden, in denen geeignete Abtastmuster zum Bewegen eines Laserstrahls relativ zu dem Substrat 101 angewendet werden, wodurch eine gewünschte Menge an Energie innerhalb eines beschränkten Bereichs des Substrats 101 eingestrahlt wird. Somit kann auf der Grundlage des Auflösungsvermögens des entsprechenden abtastenden Strahles der Bereich 123e in lokal selektiver Weise hergestellt werden. In anderen Fällen werden andere Strahlungen, etwa Elektronenstrahl, Ionenstrahlen, Röntgenstrahlen, und dergleichen verwendet, solang eine signifikante Beeinträchtigung der Metallgebiete 152a, ..., 152e vermieden wird.
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1f zeigt schematisch das Bauelement 100 während eines Abtragungsprozesses 126, in welchem ein nicht bestrahlter Bereich oder ein bestrahlter Bereich des Materials 123 selektiv entfernt wird. In der gezeigten Ausführungsform besitzt der bestrahlte Bereich 123e beispielsweise eine vernetzte Molekularstruktur und zeigt einen höheren Ätzwiderstand während des Prozesses 126 und somit wird der nicht bestrahlte Bereich 123n (siehe 1e) effizient abgetragen, wodurch die Aussparungen 121a, 121d wieder hergestellt werden. Es sollte beachtet werden, dass eine Vielzahl von Ätzrezepten für strahlungsempfindliche Materialien verfügbar sind, etwa eine Vielzahl von Lackentwicklern, Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) und dergleichen.
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1g zeigt schematisch das Bauelement 100 während eines Abscheideprozesses 127, in welchem ein dielektrisches Material 156, das als ein dielektrisches Deckmaterial betrachtet werden kann, so abgeschieden wird, dass die jeweiligen Aussparungen geschlossen werden, um damit Spalte oder Luftspalte zu bilden. Das dielektrische Material 156 wird in Form eines beliebigen dielektrischen Materials vorgesehen, etwa als dielektrische Materialien mit kleinem ε, konventionelle Dielektrika, etwa Siliziumdioxid und dergleichen. Während des Abscheideprozesses 127 werden die Abscheideparameter in geeigneter Weise so eingestellt, dass die geprägten Überhangbereiche an der Oberseite der Metallgebiete 152a, ..., 152b gebildet werden, wodurch ein schnelles Verschließen und somit ein Einschluss der jeweiligen Aussparungen erreicht wird, ohne dass das interne Volumen wesentlich verringert wird. Somit werden die Luftspalte 156a, 156b zuverlässig verschlossen, so dass diese während der weiteren Bearbeitung nicht unerwünschter Weise beeinflusst werden, d. h. während des Abscheidens eines weiteren dielektrischen Materials und während der Strukturierung dieses Materials, um damit Metallgebiete gemäß den gesamten Bauteilerfordernissen zu bilden. Andererseits wird das dielektrische Material 156 über dem bestrahlten Bereich 123e gebildet, so dass diese ebenfalls eine höhere Stabilität im Hinblick auf die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 verliehen wird.
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Mit Bezug zu den 1h bis 1k wird das Bauteil gemäß einem Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, beschrieben, wobei die Metallgebiete in dem strahlungsempfindlichen Material hergestellt werden, um damit die gesamte Prozesseffizienz weiter zu verbessern.
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1h zeigt schematisch das Bauelement 100, in welchem eine Bauteilebene 110 Schaltungselemente 103 mit einer kritischen Abmessung, die als 103l angegeben ist, aufweist, die ungefähr 40 nm und weniger beträgt, beispielsweise repräsentiert die Abmessung 103l eine Länge einer Gateelektrode komplexer Feldeffekttransistoren. Des weiteren umfasst das Bauelement 100 ein Metallisierungssystem, das in geeigneter Weise mit der Bauteilebene 110 mittels einer geeigneten Kontaktstruktur (nicht gezeigt) und zusätzlichen Metallisierungsschichten (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Einfachheit halber wird das Metallisierungssystem durch die Metallisierungsschicht 150 repräsentiert, wie dies auch zuvor erläutert ist. In der gezeigten Fertigungsphase umfasst die Metallisierungsschicht 150 das erste dielektrische Material 151a, beispielsweise in Form eines beliebigen geeigneten dielektrischen Materials, wie dies auch zuvor erläutert ist. Ferner ist das zweite dielektrische Material 151b in Form eines strahlungsempfindlichen Materials vorgesehen, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Material 123, das in 1c gezeigt ist, erläutert ist. Somit bietet das Material 151b ausreichende dielektrische Eigenschaften, etwa die Spannungsfestigkeit, mechanische Stabilität wie dies für die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 erforderlich ist, wobei gleichzeitig auch ein effizientes Entfernen eines bestrahlten Bereichs oder nicht bestrahlten Bereichs abhängig von der Art des verwendeten Materials möglich ist.
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1i zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Der Einfachheit halber sind lediglich die Metallisierungsschicht 150 in 1i dargestellt. Wie gezeigt, sind die Metallgebiete 152a, ..., 152d in dem Material 151 gebildet und erstrecken sich in das Material 151a gemäß den gesamten Bauteilerfordernissen. Im Hinblick auf die Eigenschaften der Metallgebiete 152a, ..., 152d gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor erläutert sind. Die Metallgebiete 152a, ..., 152d können auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, während denen geeignete Ätzmasken vorgesehen werden, um damit die Integrität des Materials 152b zu bewahren, das eine weniger stabile Konfiguration vor der Einwirkung der geeigneten Strahlung besitzen kann. Durch geeignetes Bereitstellen von Ätzmasken, beispielsweise in Form von Lackmasken, Hartmasken, ARC-Materialien und dergleichen kann somit eine unerwünschte Modifizierung der Molekularstruktur des Materials 151b im Wesentlichen vermieden werden. Es sollte ferner beachtet werden, dass typischerweise das Material 151b für eine ausreichende mechanische Stabilität sorgt, um damit das Abtragen von überschüssigem Material, etwa von Kupfer, einem Barrierenmaterial und dergleichen, während der Herstellung der Metallgebiete 152a, ..., 152b zu ermöglichen.
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1j zeigt schematisch das Bauelement 100 während des Belichtungsvorgangs 125, wodurch ein bestrahlter Bereich 151e erzeugt wird, der eine vernetzte Molekularstruktur besitzt, wie dies zuvor erläutert ist, und wobei ein nicht bestrahlter Bereich 151n erzeugt wird, der eine geringere Ätzwiderstandsfähigkeit in Bezug auf eine spezielle Ätzumgebung besitzt.
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1k zeigt schematisch das Bauelement 100 während des Ätzprozesses 126, in welchem die Aussparungen 121a, ..., 121d gebildet werden, indem der Bereich 151n (siehe 1j) selektiv zum Bereich 151e zu dem Metallgebiet 152a, ..., 152d entfernt wird. Es sollte beachtet werden, dass ein gewisser Grad an Absenkung des Bereichs 151e, wie dies durch 151r angegeben ist, nicht in unerwünschter Weise die gesamten Eigenschaften eines Bauelements 100 beeinflusst, da in einem nachfolgenden Abscheideprozess zum Schließen der Aussparungen 121a, ..., 121d die Vertiefung 151r zuverlässig aufgefüllt wird. Folglich werden auch in diesem Fall Luftspalte selektiv auf der Grundlage eines sehr effizienten Prozessablaufes hergestellt, in welchem das strahlungsempfindliche Material selbst ein dielektrisches Material benutzt wird, um darin die Metallgebiete zu bilden, ohne dass weitere Abscheide- und Ätzprozesse erforderlich sind.
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Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Techniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen selbstjustierte Luftspalte in lokal selektiver Weise bereitgestellt werden, in dem zuvor hergestellte Aussparungen mit einem strahlungsempfindlichen Material wieder aufgefüllt werden oder indem die Metallgebiete in dem bestrahlungsempfindlichen Material hergestellt werden und indem das strahlungsempfindliche Material selektiv der Einwirkung einer geeigneten Bestrahlung ausgesetzt wird. Folglich kann der bestrahlte Bereich oder der nicht bestrahlte Bereich effizient abgetragen werden, ohne dass zusätzliche Maskierungsschritte und dergleichen erforderlich sind. Somit wird eine sehr kosteneffiziente Fertigungssequenz bereitgestellt und es können entsprechende Mikrostrukturbauelemente mit besserem Leistungsverhalten eines Metallisierungssystems hergestellt werden.