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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen elektronischer Bauelemente
mit Dünnschicht-Dielektrika,
außerdem
betrifft sie die so erhaltenen Bauelemente.
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Hintergrund
der Erfindung
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Feldeffektbauelemente,
so zum Beispiel Feldeffekttransistoren, sind in der modernen Elektronik
grundlegende Bauelemente. Der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
(MOSFET) ist ein vorherrschendes und wichtiges Bauelement bei der
Fertigung von integrierten Größtschaltkreisen,
und es sind verschiedene MOSFET-Typen bekannt. Die MOSFET-Technologie
lässt sich
grundlegend unterteilen in NMOS, PMOS und CMOS-Technologie. Der Begriff
NMOS bezeichnet n-Kanal-MOS-Bauelemente,
der Begriff PMOS bezieht sich auf Bauelemente mit p-Kanal und CMOS bezieht
sich auf Bauelemente, die auf ein- und denselben Typ integrierte
n-Kanal- und p-Kanal-Bereiche aufweisen. Andere Akronyme dienen
zum Kennzeichnen von MOSFETs einschließlich DMOS (wobei "D" für "Diffusion" oder "Doppeldiffusion" steht), IGBT (Bipolar
Transistor mit isoliertem Gate) BiC-MOS (CMOS mit Bipolar-Bauelementen)
und DGDMOS (Doppelgate-DMOS).
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MOSFET-Bauelemente
enthalten typischerweise einen in seiner Leitfähigkeit steuerbaren Pfad, bezeichnet
als Kanal, der sich zwischen einer Source und einem Drain befindet.
Auf einer dünnen
dielektrischen Schicht, die über
dem Kanal liegt, ist eine Gate-Elektrode ausgebildet, beispielsweise
können die
Source und der Drain typischerweise n-Zonen in Silizium sein, und
der Kanal kann eine die verbindende p-Zone sein. Die Gate-Elektrode
kann eine leitend dotierte Polysiliziumschicht sein, ausgebildet
auf einer dünnen
Schicht aus Siliziumoxid-Dielektrikum, die über dem Kanal liegt.
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Wird
an das Gate keine Spannung gelegt, kann kein Strom von der Source
zu dem Kanal oder vom Kanal zu dem Drain fließen. Wenn allerdings eine ausreichend
positive Spannung an das Gate gelegt wird, werden in die Kanalzone
Elektronen induziert, wodurch ein durchgehender leitender Pfad zwischen
Source und Drain geschaffen wird.
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Kondensatoren
sind ebenfalls wichtige Komponenten integrierter Schaltungen. Ein
typischer Kondensator enthält
eine erste und eine zweite leitende Schicht, die durch einen dünnen dielektrischen Film
voneinander getrennt sind.
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Fertigen
lässt sich
ein Kondensator in einem MOS-Bauelement zur Ausbildung einer Speicherzelle.
Beispielsweise beinhaltet ein übliches
Design für einen
dynamischen Schreib-/Lese-Speicher (DRAM) in einer Zelle ein Transfer-Gate
(zum Beispiel ein MOSFET) und einen aus einem Kondensator bestehenden
Speicherknoten. Ein übliches
Design für
eine DRAM-Zelle ist in 1 gezeigt. Diese Zelle enthält ein Substrat 12,
typischerweise aus Silizium bestehend, das seinerseits eine Source 13 und
ein Drain 14 als Diffusionsbereiche für den MOSFET enthält. Gate-Strukturen 16a, 16b sind
auf dem Substrat ausgebildet. Das Substrat 10 besitzt auf
seiner Oberfläche
außerdem
ein Feldoxidmuster (FOX) 18. Der Kondensatorteil 40 befindet
sich an den Gates und enthält
eine untere Elektrode 20 sowie eine obere Elektrode 21,
die durch eine dünne
Schicht eines Dielektrikums 22 voneinander getrennt sind.
Die untere Elektrode 20 und die obere Elektrode 21 bilden
zusammen mit dem dazwischen befindlichen dünnen Dielektrikum-Film 22 einen
Kondensator. Eine Isolierschicht 24 kann den Kondensator
gegenüber
den Gate-Strukturen 16a, 16b trennen.
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Der
zuverlässige
Betrieb integrierter Schaltungen hängt ab von der Zuverlässigkeit
der immer dünner
werdenden dielektrischen Schichten, die in Schaltkreisen verwendet
werden. So wie Transistoren immer kleiner und dichter gepackt wurden,
sind Dielektrika immer dünner
geworden. Dielektrika für Kondensatoren
und Gates haben häufig
eine Dicke von weniger als 80 Angström und reichen bis zu 50 Angström oder weniger.
Zur Bearbeitung integrierter Schaltungen müssen diese dünnen Schichten
in jedem von Tausenden unterschiedlicher Transistoren ausreichende
Kapazität
liefern, um das Bauelement zu treiben, den Kanal gegenüber Migration
von Störstellen
schützen
und die Entstehung von Ladungsfangstellen an ihren Grenzflächen verhindern.
Diese hohen Anforderungen können
bald die Kapazitäten herkömmlicher
Siliziumoxidschichten übersteigen. Siliziumoxidschichten
von weniger als 2 nm haben unvermeidlich starke Leckströme.
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Bemühungen,
Siliziumoxid als Gate-Dielektrikum zu ersetzen, haben sich bislang
weniger als zufriedenstellend erwiesen. Die relativ geringe Dielektrizitätskonstante
(≈ 3,9) von
Siliziumoxid begrenzt die Verkleinerung von Transistoren auf geringere Baugrößen, weil
die Kapazität
möglicherweise
nicht ausreicht, die Bauelemente zu treiben. Werkstoffe mit höheren Dielektrizitätskonstanten
befinden sich in der Entwicklung. Beispielsweise wurde Tantaloxid für eine dielektrische
Schicht eines Kondensatorteils einer DRAM-Zelle ausprobiert (zum
Beispiel die Schicht 22 in 1). Allerdings
kommt es dabei zu Reaktionen zwischen der unteren Metallelektrode (zum
Beispiel 20 in 1) und der Oxidschicht 22, wodurch
die Elektrode 20 teilweise oxidiert. Diese Teiloxidation
schafft Suboxide an der Grenzfläche zwischen
der Metallelektrode und dem Dielektrikum. Die auf diese Weise gebildete
teilweise oxidierte Schicht hat möglicherweise eine hohe Dichte
an Elektronenfangstellen, welche die Kapazität der Struktur herabsetzen
und Leckströme
verstärken können. Folglich
besteht Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Fertigung von
Bauelementen mit dünnen
Schichten hoher Dielektriitätskonstante
und insbesondere Schichten mit einer Dielektrizitätskonstanten,
die in einem Kondensatorteil eines elektronischen Bauelements beispielsweise
einer DRAM-Zelle verwendet werden.
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Die
Druckschrift WO 99/36955,
US
5 577 015 und
US 5 635
425 sowie "Nitrogen
Plasma Annealing for Low Temperature TA205 Films" (Alers G. B. et al., Applied Physics
Leiters, New York, Vol. 72, Nr. 11, Seiten 1308 bis 1310, 16. März 1998) stellen
den Stand der Technik dar. Allerdings ist die mit solchen Strukturen
erzielbare Kapazität
immer noch begrenzt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Zusammengefasst
umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden eines elektronischen
Bauelements mit einem Kondensatorteil gemäß Anspruch 1. Auf einer Oberfläche, beispielsweise
der Oberfläche
einer auf einem Substrat befindlichen isolierenden oder dielektrischen
Schicht wird ein Metallfilm niedergeschlagen. Der Metallfilm wird
mit einem Muster versehen, so zum Beispiel unter Verwendung eines
Fotoresists oder durch Metall-Ätzen.
Die Metalloxidschicht wird auf dem Metallfilm niedergeschlagen,
und es wird die obere Elektrode gebildet. Die Struktur wird einem
entfernten Stickstoffplasma und einem getrennten Sauerstoffplasma
ausgesetzt, nachdem die Metalloxidschicht niedergeschlagen wurde
und bevor die obere Elektrode gebildet wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Vorteile,
Besonderheiten und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung
ergeben sich aus der Lektüre
der beispielhaften Ausführungsformen,
die im Folgenden detailliert beschrieben werden. In den begleitenden
Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer DRAM-Zelle;
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2 ein
Flussdiagramm, welches die Verfahrensschritte zum Fertigen eines
elektronischen Bauelements mit einer verbesserten Kondensatorstruktur
zeigen;
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3 eine schematische Querschnittansicht eines
Feldeffektbauelements und eines Kondensators mit einer verbesserten
dielektrischen Schicht;
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4 eine
grafische Darstellung, die die Kapazität als Funktion der Spannung
für vier
unterschiedliche Bauelemente darstellt;
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5 eine
grafische Darstellung eines Zusammensetzungs-Tiefen-Profils einer
dielektrischen Schicht auf Silizium nach der Exposition mit einem Stickstoffplasma.
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Es
versteht sich, dass die Zeichnungen dazu dienen, die Konzepte der
Erfindung zu veranschaulichen und dass mit Ausnahme der grafischen
Darstellungen die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Bezug
nehmend auf die Zeichnungen zeigt 2 die Schritte
zum Fertigen eines elektronischen Bauelements mit einem verbesserten
Dünnschicht-Dielektrikum.
Wie in Block A in 2 gezeigt ist, besteht der erste
Schritt darin, eine Oberfläche bereitzustellen,
auf der die Kondensatorstruktur ausgebildet wird. Diese Oberfläche enthält eine
auf einem MOS-Bauelement niedergeschlagene Isolierschicht, beispielsweise
durch Trennen des MOS-Bauelements von der Kondensatorstruktur einer
DRAM-Zelle, zum Beispiel in Form der Isolierschicht 24 in 1.
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Der
nächste
im Block B dargestellte Schritt besteht darin, eine Metallschicht
auf der Isolierschicht niederzuschlagen (zum Beispiel die Metallschicht 21 in 1).
Die Metallschicht kann eine Wolfram-Schicht, eine Wolfram-Nitritschicht
oder eine Wolfram-Silizidschicht sein. Ebenfalls verwendet werden
kann eine Schicht aus Titannitrit- oder Tantalnitrit-Polysilizium.
Die Metallschicht kann ein elementares oder ein zweiwertiges Metall
oder eine Kombination aus Werkstoffen aufweisen, die ausgewählt sind
aus der Gruppe Wolfram, Titan, Tantal und Molybden. Die Metallschicht
kann mit bekannten Verfahren auf diesem Gebiet niederge schlagen
werden, darunter die chemische Abscheidung aus der Dampfphase und
das reaktive Sputtern. Sie wird in einer gewünschten Geometrie auf der Isolierschicht 24 ausgebildet,
um eine untere Elektrode zu definieren, wozu auf dem Gebiet bekannte
Musterbildungsmethoden eingesetzt werden (zum Beispiel unter Verwendung
eines Fotoresists und Metall-Ätzen).
Dieser Musterbildungsschritt ist in Block 10 2 dargestellt.
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Ein
Oberflächenpassivierungsschritt
für die untere
Elektrode ist in dem US-Patent 5 780 115 von Parks et al. offenbart.
Bei Parks wird dieser Passivierungsschritt angewendet, bevor das
Dielektrikum niedergeschlagen wird, um von dem Silizium natives Oxid
zu entfernen. Allerdings findet der Parks-Prozess keine Anwendung
bei Metallelektroden, wo die Entfernung des Oxids nicht so kritisch
ist. Dieses Verfahren beruht auf einer zunehmenden Dicke der Zwischenschicht-Passivierungszone,
die sich während der
Plasmabehandlung bildet, um die Kapazität zu steigern und dadurch dickere
Bauelemente zu produzieren. Beispielsweise erreicht dieses Verfahren
eine kleinste äquivalente
Siliziumdioxid-Dicke von nur 3 nm.
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Als
nächstes
beinhaltet der vierte Schritt (Block D) das Niederschlagen einer
dünnen
Schicht eines Werkstoffs mit hoher Dielektrizitätskonstante (beispielsweise
die Schicht 20 in 1). Vorzugsweise
enthält
diese Schicht Tantaloxid (zum Beispiel Ta2O5) oder ein anderes Material mit hoher Dielektrizitätskonstante.
Das Dielektrikum wird auf der Metallschicht durch chemische Dampfphasenabscheidung (CVD)
oder durch chemische Niederdruckgasphasenabscheidung (LPCVD) niedergeschlagen,
wie es auf diesem Gebiet bekannt ist. Das Niederschlagen sollte
bei einer Temperatur von weniger als 450°C stattfinden, um eine Oxidation
der unteren Metallelektrode zu vermeiden.
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Eine
Behandlung von Siliziumschichten, die eine Plasmabehandlung mit
einem Sauerstoffgas oder anderen oxidierenden Gasen beinhaltet,
ist in dem US-Patent 5 486 488 vom 23. Januar 1996 (Kamiyam) offenbart.
Die Anmelder haben her ausgefunden, dass die Verwendung eines oxidierenden
Gases wie bei Kamiyam nachteilig ist, da der Sauerstoff möglicherweise
die Grenzfläche
zwischen unterer Elektrode und Dielektrikum während der Verdichtung oxidiert
und damit die Kapazität
verringert. Der Kamiyam-Prozess verdichtet die Ta2O5-Schicht nur und berücksichtigt nicht den Einfluss
des Verdichtungsprozesses auf die Elektroden-/Dielektrikum-Grenzschicht.
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Die
Grenzschicht wird durch einen fünften Schritt
(Block E) stabilisiert, der die nachfolgende Stickstoffplasma-Exposition
beinhaltet. Dieser in Block E dargestellte Schritt beinhaltet die
Stickstoffbehandlung der dielektrischen Oberfläche, das ist das Aufbringen
eines Stickstoffplasmas auf die Oberseite des Dielektrikums. Diese
Exposition kann mit einem entfernten Mikrowellen-Downstream-Plasma erfolgen,
wobei zum Beispiel Stickstoff bei einer Substrattemperatur von 100–500°C (vorzugsweise
300°C) aufgebracht
wird und Plasma bei 267 Pa (2 Torr) aufgebracht wird, was die Grenzfläche zwischen
dem unteren Gate und dem Dielektrikum stabilisiert durch Einbringen
von Stickstoff. An das Stickstoffplasma kann sich ein Sauerstoffplasma
bei ebenfalls 267 Pa (2 Torr) bei einer Substrattemperatur von 100–500°C (vorzugsweise
300°C) anschließen, um
die dielektrische Schicht zu verdichten und Leckströme zu verringern.
Die Exposition der dielektrischen Schicht mit einem Plasma, welches
Stickstoff enthält,
fügt lediglich Stickstoff
zu der Oxid/Dielektrikum-Grenzfläche
hinzu. 5 ist ein Zusammensetzungs-Tiefenprofil einer
dielektrischen Schicht auf Silizium nach der Exposition mit Stickstoffplasma.
Stickstoff-Ionen werden an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Silizium
nachgewiesen, was darauf hinweist, dass der Stickstoff während der
Plasmabehandlung in die dielektrische Schicht eingedrungen ist und
mit der darunter liegenden Siliziumschicht eine Verbindung eingegangen
ist, um freie Siliziumbindungen mit Stickstoff zu passivieren. Die
Passivierung dieser Bindungen mit Stickstoff anstelle von Sauerstoff
hat den erheblichen Vorteil, dass das Wachstum von Oxid verzögert, die
Grenzflächen-Leckagen
verringert und die Kapazität
des Bauelements gesteigert wird. Dies Passivierung macht es also möglich, den Schritt
der Passivierung der unteren Elektrode auf direktem Wege zu vermeiden.
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Der
sechste Schritt (Block F) besteht darin, die obere Elektrode (zum
Beispiel die Schicht 22 in 1) aufzubringen.
Dieser Schritt beinhaltet typischerweise das Niederschlagen einer
oberen Elektrode aus Metall, wie zum Beispiel TiN, TaN, W oder WN.
Das Niederschlagen kann mittels CVD oder PVD erfolgen, vorzugsweise
bei einer Temperatur von weniger als 800°C, insbesondere bevorzugt bei einer
Temperatur von weniger als 800°C.
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Das
oben beschriebene Verfahren lässt
sich anwenden bei der Fertigung einer DRAM-Zelle, wie sie in 1 dargestellt
ist, wobei die Kondensatorstruktur auf den Gate-Elektroden eines
MOS-Transistors niedergeschlagen wird. Allerdings kommen auch andere
Anwendungen mit der Fertigung einer Kondensatorstruktur in Betracht. 3 ist eine schematische Querschnittdarstellung
eines beispielhaften elektronischen Bauelements mit einem Feldeffektbauelement 10 und
einem Kondensator 11 mit verbesserten dielektrischen Schichten,
wobei gleiche Bezugszeichen für
gleiche Merkmale wie in 1 verwendet sind. Obschon für die Erfindung
nicht notwendig, sind in diesem speziellen Beispiel sowohl das Feldeffektbauelement
als auch der Kondensator auf einem gemeinsamen Substrat 12 ausgebildet, zum
Beispiel auf einem kristallinen Silizium-Wafer.
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Das
Feldeffektbauelement 10 (hier ein Transistor) besteht im
Wesentlichen aus einer Source 13, einem Drain 14 und
einem Kanal 15, die jeweils eine dotierte Siliziumzone
enthalten können,
die sich auf einem Substrat 12 befindet. Eine Gate-Elektrode 16 liegt über dem
Kanal 15 und ist gegenüber
dem Kanal durch einen dünnen
dielektrischen Film 17 getrennt. Wie dargestellt, besitzt
der dielektrische Film ein Paar Haupt-Grenzflächen benachbart zu der Gate-Elektrode 16 (die
Gate/Dielektrikum-Grenzfläche)
und dem Kanal 15 (die Dielektrikum/Si-Grenzfläche). Der
dielektrische Film hat typischerweise eine Dicke von weniger als
etwa 20 nm (200 Angström).
Die Gate-Elektrode 16 ist typischerweise eine dünne Schicht
aus polykristallinem Silizium, zwecks Leitfähigkeit dotiert. Der Kondensator 11 enthält ein Paar
leitende Schichten 21 und 22, die durch einen dünnen Dielektrikum-Film 20 voneinander
getrennt sind. Die Kondensatorstruktur der leitenden Schichten 21 und
des dielektrischen Films 20 lässt sich mithilfe des oben
beschriebenen Verfahrens fertigen. Der dielektrische Film 20 kann
ein Tantaloxidfilm sein, wie bereit erwähnt wurde, wobei die obere
und die unteren Elektrode ein oder mehrere Materialien aus TiN,
TaN, W oder WO enthalten.
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4 ist
eine grafische Darstellung, die den Effekt der Plasmabehandlung
nach dem Niederschlagen des Dielektrikums auf die Kapazität bei einem
Kondensator hat, der eine TiN/Ta2O5/TiN-Struktur besitzt. Die Kurve 1 zeigt
die Kapazität
bei verschiedenen Spannungen eines nichtbehandelten Films. Man beachte,
dass der Kapazitätswert
auf etwa 10 fF/μm2 begrenzt ist. Die Kurve 2 zeigt
die Wirkung einer Plasmabehandlung, die das 1 Minute währende Aufbringen
von O2/N2-Plasma
bei 300°C zeigt.
Die Kurven 3 und 4 zeigen die verbesserten Ergebnisse,
die dann erhalten werden, wenn eine Nur-N2-Plasmabehandlung
auf die erste Elektrode erfindungsgemäß angewendet wird. Die Kurve 3 zeigt
die Kapazität
bei Verwendung von O2-Plasma, gefolgt von
einer Nur-N2-Plasmabehandlung. Die Kurve 4 zeigt
die Kapazität
für den
Fall, dass eine Nur-N2-Plasmabehandlung
vor dem Einsatz von Sauerstoff erfolgt. Wie man sieht, werden bessere Ergebnisse
dann erzielt, wenn ein reines Stickstoffplasma verwendet wird, entweder
vor oder nach einem Sauerstoffplasma, und die Ergebnisse werden dramatisch
verbessert (zum Beispiel gemäß 4), wenn
als erstes reiner Stickstoff angewendet wird. Der Begriff "reiner Stickstoff" bedeutet hier Stickstoff ohne
Sauerstoffanteil, wobei der Fachmann natürlich versteht, dass auch ein
inertes Gas wie zum Beispiel Argon oder Helium verwendet werden
kann.
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Darüber hinaus
sollte gesehen werden, dass die obigen Verarbeitungsbedingungen
beispielhaft sind. Man kann ein Stickstoff-Kühlgas in eine Kühlkammer
unter einem Druck von 13,3 bis 1330 Pa (0,1 bis 10 Torr) aus einer
entfernten Plasmaquelle einleiten (das heißt im fünften Schritt, Block E), um
Stickstoffradikale zu erzeugen. Die entfernte Plasmakammer kann
von einer Mikrowellenquelle Gebrauch machen, um das Plasma bei einer
Frequenz von etwa 2,5 GHz zu erzeugen. Alternativ kann das Plasma durch
eine angelegte RF-Vorspannung bei einer Frequenz von etwa 13 MHz
erzeugt werden, wobei ein Gas eingesetzt ist, welches sowohl Stickstoff
als auch ein inertes Gas wie beispielsweise Argon oder Helium enthält.