JP2007134432A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、金属を含むメタルゲートを有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a metal gate containing a metal and a manufacturing method thereof.
トランジスタの世代が進む中で、微細化によるスケーリングも絶え間なく行われている。国際半導体技術ロードマップ(ITRS)上では、hp(half pitch)45nm世代と呼ばれているトランジスタで、20nm以下のゲート長(Lg)が予想されている。この世代のトランジスタに対しては、ゲート長と合わせて、ゲート絶縁膜の実効膜厚(EOT:Effective Oxide Thickness)や、拡散層の深さ(Xj)も合わせてスケーリングする必要がある。 As transistor generation progresses, scaling by miniaturization is constantly performed. In the international semiconductor technology roadmap (ITRS), a gate length (Lg) of 20 nm or less is expected in a transistor called hp (half pitch) 45 nm generation. For this generation of transistors, it is necessary to scale the effective thickness (EOT: Effective Oxide Thickness) of the gate insulating film and the depth (Xj) of the diffusion layer together with the gate length.
ゲート絶縁膜の実効膜厚EOTのスケーリングは駆動能力(Ids)の確保のため、拡散層の深さXjのスケーリングは短チャネル効果(SCE:Short Channel Effect)の抑制のために必要である。 The scaling of the effective thickness EOT of the gate insulating film is necessary for securing the driving capability (Ids), and the scaling of the depth Xj of the diffusion layer is necessary for suppressing the short channel effect (SCE).
ここで、ゲートリーク電流の発生を抑制しつつ、ゲート絶縁膜の実効膜厚を小さくするため、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜に代わって高誘電率(High−k)絶縁膜を導入することが検討されている。また、ポリシリコンゲート電極に代えてメタルゲート電極を導入してゲート空乏化を抑制する技術が検討されている。 Here, in order to reduce the effective film thickness of the gate insulating film while suppressing the generation of the gate leakage current, a high dielectric constant (High-k) insulating film may be introduced as the gate insulating film instead of the silicon oxide film. It is being considered. Also, a technique for suppressing gate depletion by introducing a metal gate electrode instead of the polysilicon gate electrode has been studied.
メタルゲート電極に使用される材料、例えば、タングステン(W)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、ルテニウム(Ru)、Ir(イリジウム)は、反応性の高い材料である。このため、高温で熱処理をすると、ゲート絶縁膜と反応をして、ゲート絶縁膜の膜質劣化を引き起こす。従って、メタルゲート電極を形成した後には、高温の熱処理を行わないことが好ましい。これを実現する方法の1つとして、ダマシンゲートプロセスが提案されている(特許文献1参照)。 Materials used for the metal gate electrode, for example, tungsten (W), titanium (Ti), hafnium (Hf), ruthenium (Ru), and Ir (iridium) are highly reactive materials. For this reason, when heat treatment is performed at a high temperature, it reacts with the gate insulating film to cause film quality deterioration of the gate insulating film. Therefore, it is preferable not to perform high-temperature heat treatment after the metal gate electrode is formed. As one method for realizing this, a damascene gate process has been proposed (see Patent Document 1).
ダマシンゲートプロセスでは、ポリシリコンなどからなるダミーゲートを形成した後に、エクステンション部およびソース・ドレイン部となる拡散層を形成し、層間膜を形成した後に、ダミーゲートを除去する。これにより、拡散層に対してセルフアラインで埋め込み用のゲート開口部が形成される。この後に、ゲート絶縁膜を形成し、ゲート開口部内にメタルゲート電極を埋め込む。拡散層の活性化に必要な高温の熱処理は既に行っているため、メタルゲート電極の信頼性を確保することができる。
ところで、hp45nm世代で要求されるゲート長は、20nm以下である。ゲートの高さを50〜100nmとすると、この世代のゲート開口部のアスペクト比は2.5〜5.0となる。メタルゲート電極材料の成膜方法としては、主としてスパッタリング法が用いられる。しかしながら、スパッタリング法の場合には、アスペクト比が高くなると、ゲート開口部の上部がオーバーハング形状となり、ゲート開口部を埋め込むことが困難となり、ボイドが発生するという問題がある。 Incidentally, the gate length required in the hp 45 nm generation is 20 nm or less. If the height of the gate is 50 to 100 nm, the aspect ratio of this generation gate opening is 2.5 to 5.0. As a film formation method for the metal gate electrode material, a sputtering method is mainly used. However, in the case of the sputtering method, when the aspect ratio becomes high, there is a problem that the upper part of the gate opening becomes an overhang shape, so that it becomes difficult to fill the gate opening and voids are generated.
このように、メタルゲート電極形成プロセスでは、ゲート開口部へのメタルゲート電極の埋め込み性を改善することが要求されている。 Thus, in the metal gate electrode formation process, it is required to improve the embedding property of the metal gate electrode in the gate opening.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、埋め込み性が改善されたゲート電極を有する半導体装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、ゲート開口部へのメタルゲート電極の埋め込み性を改善することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a gate electrode with improved embeddability.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can improve the embedding property of a metal gate electrode in a gate opening.
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された金属を含むメタルゲート電極と、前記メタルゲート電極の側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜とを有し、前記サイドウォール絶縁膜は、前記メタルゲート電極の下層部の側壁に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜の外側であって、前記メタルゲート電極の側壁全体に形成された第2絶縁膜とを有し、前記メタルゲート電極の上層部の幅は、前記メタルゲート電極の下層部の幅に比べて広い。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a gate insulating film formed on a substrate, a metal gate electrode including a metal formed on the gate insulating film, and a sidewall of the metal gate electrode. A sidewall insulating film formed, wherein the sidewall insulating film is formed on a side wall of a lower layer portion of the metal gate electrode, outside the first insulating film, and A second insulating film formed on the entire side wall of the metal gate electrode, and the width of the upper layer portion of the metal gate electrode is wider than the width of the lower layer portion of the metal gate electrode.
上記の本発明の半導体装置では、メタルゲート電極の下層部の側壁には第1絶縁膜および第2絶縁膜が形成され、メタルゲート電極の上層部の側壁には第2絶縁膜が形成されている。この結果、メタルゲート電極の上層部の幅は、第1絶縁膜の厚さ分だけ、メタルゲート電極の下層部の幅よりも大きくなる。
従って、サイドウォール絶縁膜により規定されるゲート開口部の上部が広がることから、ゲート開口部内へのメタルゲート電極の埋め込み性が改善される。
In the semiconductor device of the present invention, the first insulating film and the second insulating film are formed on the side wall of the lower layer portion of the metal gate electrode, and the second insulating film is formed on the side wall of the upper layer portion of the metal gate electrode. Yes. As a result, the width of the upper layer portion of the metal gate electrode is larger than the width of the lower layer portion of the metal gate electrode by the thickness of the first insulating film.
Therefore, since the upper part of the gate opening defined by the sidewall insulating film is expanded, the embeddability of the metal gate electrode in the gate opening is improved.
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、基板のチャネル領域を挟むように、前記基板上に形成された2つのエクステンション層と、チャネル領域および2つの前記エクステンション層の端部を挟むように、前記エクステンション層上に形成されたサイドウォール絶縁膜と、前記基板のチャネル領域および前記エクステンション層の端部上に形成されたゲート絶縁膜と、前記サイドウォール絶縁膜と前記エクステンション層により規定されるゲート開口部を埋め込んで形成されたメタルゲート電極とを有し、前記メタルゲート電極の上層部の幅は、前記メタルゲート電極の下層部の幅に比べて広い。 In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention sandwiches two extension layers formed on the substrate and the channel region and the end portions of the two extension layers so as to sandwich the channel region of the substrate. The sidewall insulating film formed on the extension layer, the gate insulating film formed on the channel region of the substrate and the end of the extension layer, the sidewall insulating film and the extension layer And the width of the upper layer portion of the metal gate electrode is wider than the width of the lower layer portion of the metal gate electrode.
上記の本発明の半導体装置では、基板上にチャネル領域を挟むように2つのエクステンション層が形成されており、チャネル領域および2つのエクステンション層の端部領域を挟むように、エクステンション層上にサイドウォール絶縁膜が形成されている。これにより、サイドウォール絶縁膜およびエクステンション層により規定されるゲート開口部の幅は、下部に比べて上部の方が広くなる。ゲート開口部の上部が広がることから、ゲート開口部内へのメタルゲート電極の埋め込み性が改善される。 In the semiconductor device of the present invention, two extension layers are formed on the substrate so as to sandwich the channel region, and the sidewalls are formed on the extension layer so as to sandwich the channel region and the end regions of the two extension layers. An insulating film is formed. As a result, the width of the gate opening defined by the sidewall insulating film and the extension layer is wider in the upper part than in the lower part. Since the upper part of the gate opening is widened, the embedding property of the metal gate electrode in the gate opening is improved.
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上にダミーゲートを形成する工程と、前記ダミーゲートの側壁に、少なくとも第1絶縁膜および第2絶縁膜が順に積層されたサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記サイドウォール絶縁膜を埋め込み、かつ前記ダミーゲートの上面を露出させる層間絶縁膜を形成する工程と、前記ダミーゲートの上層部をエッチングして溝を形成する工程と、前記ダミーゲートの下層部をマスクとしたエッチングにより、前記溝の側壁における前記第1絶縁膜を除去する工程と、前記ダミーゲートの下層部を除去して前記基板を露出させて、下部に比べて上部の幅が広いゲート開口部を形成する工程と、前記ゲート開口部に露出した前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート開口部を埋め込むメタルゲート電極を形成する工程とを有する。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a dummy gate on a substrate, and at least a first insulating film and a second insulating film are sequentially stacked on a side wall of the dummy gate. Forming a sidewall insulating film; forming an interlayer insulating film for embedding the sidewall insulating film and exposing the upper surface of the dummy gate; and etching the upper layer portion of the dummy gate to form a groove A step of removing the first insulating film on the sidewall of the trench by etching using a lower layer portion of the dummy gate as a mask, and removing the lower layer portion of the dummy gate to expose the substrate, Forming a gate opening having a wider upper portion than the lower portion, forming a gate insulating film on the substrate exposed in the gate opening, and And forming a metal gate electrode to embed over preparative opening.
上記の本発明の半導体装置の製造方法では、ダミーゲートの側壁に少なくとも第1絶縁膜および第2絶縁膜が順に積層されたサイドウォール絶縁膜を形成し、ダミーゲートの上層部をエッチングして溝を形成した後、ダミーゲート下層部をマスクとして、溝の側壁における第1絶縁膜をエッチングする。その後、ダミーゲートの下層部を除去することにより、下部に比べて上部の幅が広く、半導体基板を露出するゲート開口部が形成される。ゲート開口部の上部が広がることにより、金属層の埋め込み性が改善される。 In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, a sidewall insulating film in which at least a first insulating film and a second insulating film are sequentially laminated is formed on the side wall of the dummy gate, and the upper layer portion of the dummy gate is etched to form a groove. Then, the first insulating film on the sidewall of the trench is etched using the lower layer of the dummy gate as a mask. Thereafter, by removing the lower layer portion of the dummy gate, a gate opening is formed which has a wider upper portion than the lower portion and exposes the semiconductor substrate. By expanding the upper part of the gate opening, the filling property of the metal layer is improved.
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上にダミーゲートを形成する工程と、前記ダミーゲートの両側における前記基板上にエクステンション層をエピタキシャル成長させる工程と、前記ダミーゲートの側壁に、側壁スペーサを形成する工程と、前記側壁スペーサを介して前記ダミーゲートの側壁に、サイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記サイドウォール絶縁膜を埋め込み、かつ前記ダミーゲートの上面を露出させる層間絶縁膜を形成する工程と、前記ダミーゲートおよび前記側壁スペーサを除去して前記基板を露出させて、下部に比べて上部の幅が広いゲート開口部を形成する工程と、前記ゲート開口部に露出した前記基板および前記エクステンション層の端部上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート開口部を埋め込むメタルゲート電極を形成する工程とを有する。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a dummy gate on a substrate, a step of epitaxially growing an extension layer on the substrate on both sides of the dummy gate, and the dummy gate. Forming a side wall spacer on the side wall, forming a side wall insulating film on the side wall of the dummy gate via the side wall spacer, filling the side wall insulating film, and forming an upper surface of the dummy gate Forming an interlayer insulating film to be exposed; removing the dummy gate and the sidewall spacer to expose the substrate; forming a gate opening having a wider upper portion than a lower portion; and the gate opening Forming a gate insulating film on the substrate and the end of the extension layer exposed at the portion; And forming a metal gate electrode embedding the gate opening.
上記の本発明の半導体装置の製造方法では、ダミーゲートの両側にエクステンション層を形成し、ダミーゲートの側壁であってエクステンション層上に側壁スペーサを形成する。その後、サイドウォール絶縁膜および層間絶縁膜を形成し、ダミーゲートおよび側壁スペーサを除去することにより、側壁スペーサの膜厚分だけ下部に比べて上部の幅が広いゲート開口部が形成される。ゲート開口部の上部が広がることにより、金属層の埋め込み性が改善される。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, extension layers are formed on both sides of the dummy gate, and sidewall spacers are formed on the extension layer on the extension layer. Thereafter, a sidewall insulating film and an interlayer insulating film are formed, and the dummy gate and the sidewall spacer are removed, thereby forming a gate opening having a width wider than the lower portion by the thickness of the sidewall spacer. By expanding the upper part of the gate opening, the filling property of the metal layer is improved.
本発明の半導体装置によれば、メタルゲート電極の埋め込み性を改善することができ、信頼性のあるゲート電極を有する半導体装置を実現することができる。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、ゲート開口部へのメタルゲート電極の埋め込み性を改善することができる。
According to the semiconductor device of the present invention, the embedding property of the metal gate electrode can be improved, and a semiconductor device having a reliable gate electrode can be realized.
According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, it is possible to improve the embedding property of the metal gate electrode in the gate opening.
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment.
例えばシリコンからなる半導体基板1には、活性領域を区画する酸化シリコンからなる素子分離絶縁膜2が形成されている。nMOSトランジスタの場合には活性領域にはpウェルが形成されており、pMOSトランジスタの場合には活性領域にはnウェルが形成されている。
For example, an element
半導体基板1上には、ゲート絶縁膜3を介してメタルゲート電極4が形成されている。ゲート絶縁膜3は、酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜(High−k絶縁膜)である。高誘電率膜としては、酸化ハフニウムが挙げられる。ただし、ゲート絶縁膜3は、酸化シリコン膜であってもよい。
A
メタルゲート電極4は、純金属材料、合金あるいは金属化合物からなり、例えば、タングステン(W)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、ルテニウム(Ru)、Ir(イリジウム)からなる。
The
メタルゲート電極4の側壁には、サイドウォール絶縁膜5が形成されている。サイドウォール絶縁膜5は、メタルゲート電極4側から順に第1絶縁膜6および第2絶縁膜7が積層されて形成されている。第1絶縁膜6は例えば窒化シリコン膜であり、第2絶縁膜7は例えば酸化シリコン膜である。
A
第1絶縁膜6は、メタルメタルゲート電極4の下層部の側壁に形成されている。第2絶縁膜7は、第1絶縁膜6の外側であって、メタルゲート電極4の側壁全体に形成されている。メタルゲート電極4の上層部は、第1絶縁膜6に乗り上げて形成されている。このため、メタルゲート電極4の上層部の幅は、メタルゲート電極4の下層部の幅に比べて広くなっている。
The first
メタルゲート電極4の両側であって、サイドウォール絶縁膜5の直下における半導体基板1には、エクステンション部11が形成されている。エクステンション部11の外側における半導体基板1には、エクステンション部11よりも深いソース・ドレイン部12が形成されている。
nMOSトランジスタの場合には、エクステンション部11およびソース・ドレイン部12は、n型半導体である。pMOSトランジスタの場合には、エクステンション部11およびソース・ドレイン部12はp型半導体である。なお、半導体装置は、半導体基板1上にエクステンション部としてエピタキシャル層を形成したレイズドエクステンション構造であってもよい。また、半導体基板1上にエクステンション部およびソース・ドレイン部としてそれぞれエピタキシャル層が形成されていてもよい。
In the case of an nMOS transistor, the
サイドウォール絶縁膜5から露出したソース・ドレイン部12の表層には、シリサイド層13が形成されている。シリサイド層13は、例えばコバルトシリサイド、ニッケルシリサイドあるいは白金シリサイドからなる。
A
上記の本実施形態に係る半導体装置では、メタルゲート電極4の下層部の側壁には第1絶縁膜6および第2絶縁膜7が形成され、メタルゲート電極4の上層部の側壁には第2絶縁膜7が形成されている。この結果、メタルゲート電極4の上層部の幅は、第1絶縁膜6の厚さ分だけ、メタルゲート電極4の下層部の幅よりも大きくなる。
In the semiconductor device according to this embodiment, the first insulating
従って、サイドウォール絶縁膜5により規定されるゲート開口部16の上部が広がることから、ゲート開口部16内へのメタルゲート電極4の埋め込み性が改善される。この結果、メタルゲート電極4へのボイドの発生を抑制することができ、信頼性のあるゲート電極を備えた半導体装置を実現することができる。
Accordingly, since the upper part of the gate opening 16 defined by the
また、メタルゲート電極4の上層部の幅が、メタルゲート電極4の下層部の幅よりも大きいことから、メタルゲート電極4の低抵抗化を図ることができる。このため、ゲート空乏化がなく、低抵抗のメタルゲート電極4を備える半導体装置を実現することができる。
In addition, since the width of the upper layer portion of the
次に、上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図2〜図8を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図2(a)に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板1に、STI(Shallow Trench Isolation)技術により素子分離絶縁膜2を形成した後に、イオン注入によりnウェルあるいはpウェルを形成する。また、必要に応じて、しきい値調整を行うためのイオン注入を行う。
As shown in FIG. 2A, after an element
次に、図2(b)に示すように、半導体基板1上に、ダミーゲート絶縁膜21と、ダミーゲート22と、マスク層23の積層パターンを形成する。ダミーゲート絶縁膜21として、熱酸化法により0.1〜5nmの酸化シリコン膜を形成する。その後、酸化シリコン膜上に、ダミーゲート22となるポリシリコン膜をCVD法により形成する。ポリシリコン膜の厚さは、例えば100〜200nmである。ダミーゲート22として、アモルファスシリコン膜や、不純物を含有するアモルファスシリコン膜を形成してもよい。続いて、ポリシリコン膜上に、マスク層として窒化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜上に、リソグラフィ技術によりレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとして窒化シリコン膜をエッチングすることにより、窒化シリコンからなるマスク層23を形成する。マスク層23のパターンは、ゲート電極パターンである。その後、マスク層23を用いたエッチングにより、ポリシリコン膜をドライエッチングする。これにより、ダミーゲート22が加工される。ダミーゲート22の線幅は、最小で数nm〜十数nmとなる。マスク層23は、酸化シリコン膜で形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 2B, a laminated pattern of a dummy
次に、図3(a)に示すように、CVD法によりダミーゲート22を被覆するように全面に窒化シリコン膜を形成し、エッチバックすることにより、ダミーゲート22の側壁に第1側壁スペーサ24を形成する。第1側壁スペーサ24の厚さは、5〜10nmである。第1側壁スペーサ24は、酸化シリコン膜で形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 3A, a silicon nitride film is formed on the entire surface so as to cover the
次に、図3(b)に示すように、ダミーゲート22および第1側壁スペーサ24をマスクとしたイオン注入により、ダミーゲート22の両側における半導体基板1にエクステンション部11を形成する。第1側壁スペーサ24の存在により、ゲートからわずかだけ離れてエクステンション部11のイオン注入がなされる。このため、後の熱処理により注入不純物が拡散することにより発生するショートチャネル効果を抑制することができる。nMOSトランジスタのエクステンション部11の形成では、砒素あるいはリンなどのn型不純物をイオン注入する。pMOSトランジスタのエクステンション部11の形成では、ボロンなどのp型不純物をイオン注入する。
Next, as shown in FIG. 3B, the
次に、図4(a)に示すように、ダミーゲート22の両側にサイドウォール絶縁膜5を形成する。サイドウォール絶縁膜5の形成では、まず、CVD法により、ダミーゲート22を被覆するように窒化シリコンからなる第1絶縁膜6と、酸化シリコンからなる第2絶縁膜7を形成する。続いて、第2絶縁膜7および第1絶縁膜6をエッチバックすることにより、ダミーゲート22の側壁に、第1側壁スペーサ24を介して、第1絶縁膜6および第2絶縁膜7からなるサイドウォール絶縁膜5が形成される。
Next, as shown in FIG. 4A, sidewall insulating
次に、図4(b)に示すように、ダミーゲート22およびサイドウォール絶縁膜5をマスクとしたイオン注入により、サイドウォール絶縁膜5の両側における半導体基板1に、エクステンション部11よりも深いソース・ドレイン部12を形成する。nMOSトランジスタのソース・ドレイン部12の形成では、砒素あるいはリンなどのn型不純物をイオン注入する。pMOSトランジスタのソース・ドレイン部12の形成では、ボロンなどのp型不純物をイオン注入する。
Next, as shown in FIG. 4B, a source deeper than the
次に、図5(a)に示すように、サイドウォール絶縁膜5から露出したソース・ドレイン部12の表層部に、シリサイド層13を形成する。シリサイド層13の形成では、まず、ソース・ドレイン部12を覆うように全面に金属膜を形成する。金属膜としては、ニッケル、コバルトあるいは白金を形成する。続いて、熱処理を行って、ソース・ドレイン部12の表層部におけるシリコンと金属膜とを反応させて、シリサイド層13を形成する。最後に、未反応の金属膜を除去する。これにより、シリサイド層13が形成される。
Next, as shown in FIG. 5A, a
次に、図5(b)に示すように、ダミーゲート22を覆うように半導体基板1上に、CVD法により酸化シリコンからなる層間絶縁膜14を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, an
次に、図6(a)に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法によりマスク層23の上面が露出するまで層間絶縁膜14を除去する。なお、このときのCMPにより、ダミーゲート22の上面が露出するまで層間絶縁膜14を除去してもよい。
Next, as shown in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示すように、層間絶縁膜14から露出したマスク層23およびダミーゲート上層部をエッチングして、ダミーゲート下層部22aを残す。これにより、層間絶縁膜14に溝15が形成される。窒化シリコンからなるマスク層23のエッチングでは、ホット燐酸を用いる。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、図7(a)に示すように、ダミーゲート下層部22aをマスクとしたエッチングにより、溝15に露出した第1側壁スペーサ24および第1絶縁膜6を除去する。このときのエッチングには、ホット燐酸を用いる。
Next, as shown in FIG. 7A, the
次に、図7(b)に示すように、ダミーゲート下層部22a、ダミーゲート絶縁膜21をエッチングして、半導体基板1を露出させる。これにより、下層部に比べて上層部の幅が広いゲート開口部16が形成される。ゲート開口部16の深さは、50〜100nmである。
Next, as shown in FIG. 7B, the dummy gate
次に、図8(a)に示すように、ゲート開口部16内に露出した半導体基板1上に、ゲート絶縁膜3を形成する。このゲート絶縁膜3は、ゲート開口部16を被覆するように形成される。ゲート絶縁膜3として、高誘電率膜、例えば酸化ハフニウム膜を形成する。酸化ハフニウム膜は、HfCl2とNH3を用いたCVD法、有機系のHfガスを用いたCVD法、ハフニウム窒化物のターゲットを用いたスパッタリング法により、窒化ハフニウム膜を形成し、当該窒化ハフニウム膜を酸化することにより形成することができる。
Next, as shown in FIG. 8A, the
次に、図8(b)に示すように、ゲート開口部16を埋め込む金属層4aを形成する。金属層4aとしては、純金属材料層、合金層あるいは金属化合物層を形成する。例えば、スパッタリング法により、タングステン膜、チタン膜、ハフニウム膜、ルテニウム膜あるいはイリジウム膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, a
最後に、ゲート開口部16以外の層間絶縁膜14上の金属層4aをCMP法で除去することによりメタルゲート電極4が完成し、図1に示す半導体装置が製造される。
Finally, the
上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ダミーゲート22の側壁に少なくとも第1絶縁膜6および第2絶縁膜7が順に積層されたサイドウォール絶縁膜5を形成し、ダミーゲート22の上層部をエッチングして溝15を形成した後、ダミーゲート下層部22aをマスクとして、溝15の側壁における第1絶縁膜6をエッチングする。その後、ダミーゲート下層部22aおよびダミーゲート絶縁膜21を除去することにより、下部に比べて上部の幅が広く、半導体基板1を露出するゲート開口部16が形成される。ゲート開口部16の上部が広がることにより、金属層4aの埋め込み性を改善することができる。この結果、スパッタリング法などのカバレッジの悪い成膜方法を用いた場合にも、ボイドを発生させることなく、ゲート開口部16にメタルゲート電極4を埋め込むことができる。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment, the
(第2実施形態)
第2実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図9を参照して説明する。
(Second Embodiment)
A method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
本実施形態では、ダミーゲート下層部22aと、ダミーゲート上層部22cとの間にエッチングストッパ膜22bを設けた例について説明する。この場合には、第1実施形態における図2(b)に示す工程において、ゲート絶縁膜3上に、CVD法によりダミーゲート下層部22aとしてポリシリコン膜を形成し、大気中への放置あるいは塩酸・過酸化水素洗浄液を用いた処理によりエッチングストッパ膜22bとして1〜2nmの酸化シリコン膜を形成し、CVD法によりダミーゲート上層部22cとしてポリシリコン膜を順に形成する。その後、マスク層23をマスクとしたエッチングにより、ポリシリコン膜、酸化シリコン膜、ポリシリコン膜を加工する。以上により、ポリシリコン膜からなるダミーゲート下層部22aと、酸化シリコン膜からなるエッチングストッパ膜22bと、ポリシリコン膜からなるダミーゲート上層部22cの積層構造からなるダミーゲート22が形成される。なお、ポリシリコン膜の代わりに、アモルファスシリコン膜あるいは不純物を含有するアモルファスシリコン膜を形成してもよい。また、ダミーゲート下層部22aと、ダミーゲート上層部22cとで材料を変えてもよい。この場合には、例えばダミーゲート上層部22cをシリコンゲルマニウムで形成する。その後、第1実施形態と同様に、図3〜図5に示す工程を経ることにより、図9(a)に示す構造に至る。
In the present embodiment, an example in which an
次に、図9(b)に示すように、層間絶縁膜14から露出したマスク層23およびダミーゲート上層部22cをエッチングする。ダミーゲート上層部22cの下にエッチングストッパ膜22bを設けることにより、エッチングの制御性を向上させることができる。その後、希フッ酸を用いて酸化シリコンからなるエッチングストッパ膜22bを除去する。
Next, as shown in FIG. 9B, the
以降の工程としては、第1実施形態と同様に、図7〜図8に示す工程を経ることにより、図1に示す半導体装置が製造される。 As the subsequent steps, similarly to the first embodiment, the semiconductor device shown in FIG. 1 is manufactured through the steps shown in FIGS.
上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ダミーゲート上層部22cの下にエッチングストッパ膜22bを設けることにより、エッチング量を高精度に制御できる。このため、均一な形状のゲート開口部16を形成することができ、均一な形状のメタルゲート電極4を形成することができる。
In the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, the etching amount can be controlled with high accuracy by providing the
(第3実施形態)
第3実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図10を参照して説明する。
(Third embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
本実施形態では、ダミーゲート下層部22aおよびダミーゲート上層部22cの材料を変えて、エッチングストッパ膜22bを設けない点が第2実施形態と異なる。この場合には、第1実施形態で説明した図2(b)に示す工程において、ゲート絶縁膜3上に、ダミーゲート下層部22aとしてポリシリコン膜を形成し、ポリシリコン膜上にダミーゲート上層部22cとしてシリコンゲルマニウム膜を順に形成する。その後、マスク層24をマスクとしたエッチングにより、シリコンゲルマニウム膜、ポリシリコン膜を加工する。以上により、ポリシリコン膜からなるダミーゲート下層部22aと、シリコンゲルマニウム膜からなるダミーゲート上層部22cの積層構造からなるダミーゲート22が形成される。なお、ポリシリコン膜の代わりに、アモルファスシリコン膜あるいは不純物を含有するアモルファスシリコン膜を形成してもよい。その後、第1実施形態と同様に、図3〜図5に示す工程を経ることにより、図10(a)に示す構造に至る。
This embodiment is different from the second embodiment in that the material of the dummy gate
次に、図10(b)に示すように、層間絶縁膜14から露出したマスク層23およびダミーゲート上層部22cをエッチングする。ダミーゲート下層部22aとダミーゲート上層部22cの材料を変えることにより、ダミーゲート下層部22aに対してダミーゲート上層部22cを選択的にエッチングすることができる。
Next, as shown in FIG. 10B, the
以降の工程としては、第1実施形態と同様に、図7〜図8に示す工程を経ることにより、図1に示す半導体装置が製造される。 As the subsequent steps, similarly to the first embodiment, the semiconductor device shown in FIG. 1 is manufactured through the steps shown in FIGS.
上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ダミーゲート下層部22aに対してダミーゲート上層部22cを選択的にエッチングすることができることから、エッチング量を高精度に制御できる。このため、均一な形状のゲート開口部16を形成することができ、均一な形状のメタルゲート電極4を形成することができる。
In the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment, the dummy gate
(第4実施形態)
図11は、第4実施形態に係る半導体装置の断面図である。本実施形態では、レイズドエクステンション構造の半導体装置およびその製造方法について説明する。
(Fourth embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the fourth embodiment. In the present embodiment, a semiconductor device having a raised extension structure and a manufacturing method thereof will be described.
半導体基板1の活性領域上には、チャネル領域を挟んで2つのエクステンション層31が形成されている。nMOSトランジスタの場合には、エクステンション層31はn型シリコンエピタキシャル層からなる。pMOSトランジスタの場合には、エクステンション層31はp型シリコンエピタキシャル層からなる。
Two extension layers 31 are formed on the active region of the
チャネル領域よりも長い領域、すなわち半導体基板1のチャネル領域および2つのエクステンション層31の端部領域を挟んでサイドウォール絶縁膜5が形成されている。サイドウォール絶縁膜5は、例えば窒化シリコン膜からなる。
Sidewall insulating
サイドウォール絶縁膜5の内側において、半導体基板1のチャネル領域上およびエクステンション層31の端部上には、ゲート絶縁膜3が形成されている。また、サイドウォール絶縁膜5およびエクステンション層31により規定されるゲート開口部16を埋め込んでメタルゲート電極4が形成されている。ゲート絶縁膜3およびメタルゲート電極4の材料については、第1実施形態と同様である。
Inside the
サイドウォール絶縁膜5の外側であってエクステンション層31上には、ソース・ドレイン層32が形成されている。nMOSトランジスタの場合には、ソース・ドレイン層32はn型シリコンエピタキシャル層からなる。pMOSトランジスタの場合には、ソース・ドレイン層32はp型シリコンエピタキシャル層からなる。
A source /
ソース・ドレイン層32の表層部には、シリサイド層33が形成されている。シリサイド層33の材料については、第1実施形態と同様である。
A
上記の第4実施形態では、エクステンション層31上にエピタキシャル成長層からなるソース・ドレイン層32が積層されている例について説明するが、ソース・ドレイン層32については特に限定はない。例えば、エクステンション層31および半導体基板1中に不純物をイオン注入することによりソース・ドレイン領域30を形成してもよい。この場合には、シリサイド層33は、エクステンション層31の表面に形成される。
In the fourth embodiment, an example in which the source /
上記の本実施形態に係る半導体装置では、半導体基板1上にチャネル領域を挟むように2つのエクステンション層31が形成されており、チャネル領域および2つのエクステンション層31の端部領域を挟むように、エクステンション層31上にサイドウォール絶縁膜5が形成されている。これにより、サイドウォール絶縁膜5およびエクステンション層31により規定されるゲート開口部16の幅は、下部に比べて上部の方が広くなる。ゲート開口部16の上部が広がることから、ゲート開口部16内へのメタルゲート電極4の埋め込み性が改善される。この結果、メタルゲート電極4へのボイドの発生を抑制することができ、信頼性のあるゲート電極を備えた半導体装置を実現することができる。
In the semiconductor device according to the present embodiment, the two extension layers 31 are formed on the
また、メタルゲート電極4の上層部の幅が、メタルゲート電極4の下層部の幅よりも大きいことから、メタルゲート電極4の低抵抗化を図ることができる。このため、ゲート空乏化がなく、低抵抗のメタルゲート電極4を備える半導体装置を実現することができる。
In addition, since the width of the upper layer portion of the
次に、上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図12〜図15を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図12(a)に示すように、半導体基板1上に、ダミーゲート絶縁膜21、ダミーゲート22およびマスク層23を形成し、ダミーゲート22の側壁に第1側壁スペーサ24を形成する。これらの形成方法については、第1実施形態と同様である。例えば、本実施形態では、マスク層23および第1側壁スペーサ24を窒化シリコン膜で形成する。
As shown in FIG. 12A, a dummy
次に、図12(b)に示すように、半導体基板1上に、選択的にシリコン層をエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長時において、n型不純物あるいはp型不純物を添加する。これにより、不純物を含有するシリコン層からなるエクステンション層31が、ダミーゲート22の両側に形成される。nMOSトランジスタの場合には、n型不純物を添加し、pMOSトランジスタの場合にはp型不純物を添加する。
Next, as shown in FIG. 12B, a silicon layer is selectively epitaxially grown on the
次に、図13(a)に示すように、ダミーゲート22の側壁に第2側壁スペーサ25を形成し、第2側壁スペーサ25の外側にサイドウォール絶縁膜5を形成する。例えば、ダミーゲート22を被覆して全面に酸化シリコン膜をCVD法により形成し、当該酸化シリコン膜をエッチバックすることによりダミーゲート22の側壁のみに酸化シリコン膜からなる第2側壁スペーサ25が形成される。その後、ダミーゲート22および第2側壁スペーサ25を被覆して全面に窒化シリコン膜をCVD法により形成し、当該窒化シリコン膜をエッチバックすることにより第2側壁スペーサ25の外側に窒化シリコン膜からなるサイドウォール絶縁膜5が形成される。第2側壁スペーサ25は、本発明の側壁スペーサに相当する。
Next, as shown in FIG. 13A, the
次に、図13(b)に示すように、サイドウォール絶縁膜5の外側におけるエクステンション層31上に、選択的にシリコン層をエピタキシャル成長させる。その後、当該シリコン層にn型不純物あるいはp型不純物をイオン注入することにより、ソース・ドレイン層32が形成される。nMOSトランジスタの場合には、n型不純物をイオン注入し、pMOSトランジスタの場合にはp型不純物をイオン注入する。なお、エピタキシャル成長時に不純物を添加してもよい。また、エピタキシャル成長させずに半導体基板1およびエクステンション層31に不純物をイオン注入して、ソース・ドレイン領域を形成してもよい。イオン注入した場合には、その後活性化のためのアニール処理を行う。
Next, as shown in FIG. 13B, a silicon layer is selectively epitaxially grown on the
次に、図14(a)に示すように、ソース・ドレイン層32の表層にシリサイド層33を形成する。シリサイド層33の形成では、まず、ソース・ドレイン層32を覆うように全面に金属膜を形成する。金属膜としては、ニッケル、コバルトあるいは白金を形成する。続いて、熱処理を行って、ソース・ドレイン層32の表層部におけるシリコンと金属膜とを反応させて、シリサイド層33を形成する。最後に、未反応の金属膜を除去する。これにより、シリサイド層33が形成される。
Next, as shown in FIG. 14A, a
次に、図14(b)に示すように、ダミーゲート22を覆うように全面に、CVD法により酸化シリコンからなる層間絶縁膜14を形成し、CMP法によりマスク層23の上面が露出するまで層間絶縁膜14を除去する。なお、このときのCMPにより、ダミーゲート22の上面が露出するまで層間絶縁膜14を除去してもよい。
Next, as shown in FIG. 14B, an
次に、図15(a)に示すように、マスク層23、ダミーゲート22、ダミーゲート絶縁膜21、第1側壁スペーサ24、第2側壁スペーサ25をエッチングにより除去する。これにより、半導体基板1を露出させるゲート開口部16が形成される。ゲート開口部16の上部の幅は、ゲート開口部16の下部の幅に比べて第2側壁スペーサ25の膜厚分だけ広くなる。ゲート開口部16の深さは、50〜100nmである。
Next, as shown in FIG. 15A, the
次に、図15(b)に示すように、ゲート開口部16内に露出した半導体基板1上に、ゲート絶縁膜3を形成する。このゲート絶縁膜3は、ゲート開口部16を被覆するように形成される。ゲート絶縁膜3として、高誘電率膜、例えば酸化ハフニウム膜を形成する。続いて、ゲート開口部16を埋め込む金属層4aを形成する。金属層4aとしては、純金属材料層、合金層あるいは金属化合物層を形成する。例えば、スパッタリング法により、タングステン膜、チタン膜、ハフニウム膜、ルテニウム膜あるいはイリジウム膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 15B, the
最後に、ゲート開口部16以外の層間絶縁膜14上の金属層4aをCMP法で除去することによりメタルゲート電極4が完成し、図1に示す半導体装置が製造される。
Finally, the
上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、ダミーゲート22の両側にエクステンション層31を形成し、ダミーゲート22の側壁であってエクステンション層31上に埋め込み性改善用の第2側壁スペーサ25を形成する。その後、サイドウォール絶縁膜5および層間絶縁膜14を形成し、ダミーゲート22および第2側壁スペーサ25を除去することにより、第2側壁スペーサ25の膜厚分だけ下部に比べて上部の幅が広いゲート開口部16が形成される。ゲート開口部16の上部が広がることにより、金属層4aの埋め込み性を改善することができる。この結果、スパッタリング法などのカバレッジの悪い成膜方法を用いた場合にも、ボイドを発生させることなく、ゲート開口部16にメタルゲート電極4を埋め込むことができる。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment, the extension layers 31 are formed on both sides of the
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、第1〜第3実施形態において、サイドウォール絶縁膜5を構成する第1絶縁膜6として酸化シリコン膜を用い、第2絶縁膜7として窒化シリコン膜を用いてもよい。メタルゲート電極4およびソース・ドレイン部12側に配置される第1絶縁膜6を誘電率の低い酸化シリコン膜で形成することにより、メタルゲート電極4とソース・ドレイン部12間のフリンジ容量を低減することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the description of the above embodiment.
For example, in the first to third embodiments, a silicon oxide film may be used as the first insulating
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1…半導体基板、2…素子分離絶縁膜、3…ゲート絶縁膜、4…メタルゲート電極、4a…金属層、5…サイドウォール絶縁膜、6…第1絶縁膜、7…第2絶縁膜、11…エクステンション部、12…ソース・ドレイン部、13…シリサイド層、14…層間絶縁膜、15…溝、16…ゲート開口部、21…ダミーゲート絶縁膜、22…ダミーゲート、22a…ダミーゲート下層部、22b…エッチングストッパ膜、22c…ダミーゲート上層部、23…マスク層、24…第1側壁スペーサ、25…第2側壁スペーサ、30…ソース・ドレイン領域、31…エクステンション層、32…ソース・ドレイン層、33…シリサイド層
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ゲート絶縁膜上に形成された金属を含むメタルゲート電極と、
前記メタルゲート電極の側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜と
を有し、
前記サイドウォール絶縁膜は、
前記メタルゲート電極の下層部の側壁に形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜の外側であって、前記メタルゲート電極の側壁全体に形成された第2絶縁膜と
を有し、
前記メタルゲート電極の上層部の幅は、前記メタルゲート電極の下層部の幅に比べて広い
半導体装置。 A gate insulating film formed on the substrate;
A metal gate electrode including a metal formed on the gate insulating film;
A sidewall insulating film formed on a side wall of the metal gate electrode,
The sidewall insulating film is
A first insulating film formed on the side wall of the lower layer of the metal gate electrode;
A second insulating film formed outside the first insulating film and over the entire sidewall of the metal gate electrode;
The width of the upper layer part of the metal gate electrode is wider than the width of the lower layer part of the metal gate electrode.
チャネル領域および2つの前記エクステンション層の端部を挟むように、前記エクステンション層上に形成されたサイドウォール絶縁膜と、
前記基板のチャネル領域および前記エクステンション層の端部上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記サイドウォール絶縁膜と前記エクステンション層により規定されるゲート開口部を埋め込んで形成されたメタルゲート電極と
を有し、
前記メタルゲート電極の上層部の幅は、前記メタルゲート電極の下層部の幅に比べて広い
半導体装置。 Two extension layers formed on the substrate so as to sandwich the channel region of the substrate;
A sidewall insulating film formed on the extension layer so as to sandwich a channel region and the ends of the two extension layers;
A gate insulating film formed on a channel region of the substrate and an end of the extension layer;
A metal gate electrode formed by embedding a gate opening defined by the sidewall insulating film and the extension layer;
The width of the upper layer part of the metal gate electrode is wider than the width of the lower layer part of the metal gate electrode.
前記ダミーゲートの側壁に、少なくとも第1絶縁膜および第2絶縁膜が順に積層されたサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、
前記サイドウォール絶縁膜を埋め込み、かつ前記ダミーゲートの上面を露出させる層間絶縁膜を形成する工程と、
前記ダミーゲートの上層部をエッチングして溝を形成する工程と、
前記ダミーゲートの下層部をマスクとしたエッチングにより、前記溝の側壁における前記第1絶縁膜を除去する工程と、
前記ダミーゲートの下層部を除去して前記基板を露出させて、下部に比べて上部の幅が広いゲート開口部を形成する工程と、
前記ゲート開口部に露出した前記基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート開口部を埋め込むメタルゲート電極を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 Forming a dummy gate on the substrate;
Forming a sidewall insulation film in which at least a first insulation film and a second insulation film are sequentially laminated on the sidewall of the dummy gate;
Forming an interlayer insulating film that embeds the sidewall insulating film and exposes the upper surface of the dummy gate;
Etching the upper layer of the dummy gate to form a groove;
Removing the first insulating film on the side wall of the trench by etching using the lower layer of the dummy gate as a mask;
Removing the lower layer portion of the dummy gate to expose the substrate and forming a gate opening having a wider upper portion than the lower portion;
Forming a gate insulating film on the substrate exposed in the gate opening;
Forming a metal gate electrode that embeds the gate opening.
請求項3記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein in the step of forming the dummy gate, the dummy gate in which the lower layer portion, the etching stopper film, and the upper layer portion are stacked is formed.
請求項3記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein in the step of forming the dummy gate, the dummy gate is formed of different materials in the lower layer portion and the upper layer portion.
請求項3記載の半導体装置の製造方法。 4. The semiconductor device manufacturing method according to claim 3, wherein in the step of forming the dummy gate, the dummy gate is formed by laminating the lower layer portion, an etching stopper film, and an upper layer portion made of a material different from the lower layer portion. Method.
前記サイドウォール絶縁膜を形成する工程の後、前記層間絶縁膜を形成する工程の前に、前記サイドウォール絶縁膜の両側における前記基板にソース・ドレイン部を形成する工程をさらに有する
請求項3記載の半導体装置の製造方法。 After the step of forming the dummy gate and before the step of forming the sidewall insulating film, the method further includes the step of forming extension portions on the substrate on both sides of the dummy gate,
4. The method according to claim 3, further comprising a step of forming source / drain portions on the substrate on both sides of the sidewall insulating film after the step of forming the sidewall insulating film and before the step of forming the interlayer insulating film. Semiconductor device manufacturing method.
前記ダミーゲートの両側における前記基板上にエクステンション層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記ダミーゲートの側壁に、側壁スペーサを形成する工程と、
前記側壁スペーサを介して前記ダミーゲートの側壁に、サイドウォール絶縁膜を形成する工程と、
前記サイドウォール絶縁膜を埋め込み、かつ前記ダミーゲートの上面を露出させる層間絶縁膜を形成する工程と、
前記ダミーゲートおよび前記側壁スペーサを除去して前記基板を露出させて、下部に比べて上部の幅が広いゲート開口部を形成する工程と、
前記ゲート開口部に露出した前記基板および前記エクステンション層の端部上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート開口部を埋め込むメタルゲート電極を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 Forming a dummy gate on the substrate;
Epitaxially growing an extension layer on the substrate on both sides of the dummy gate;
Forming a sidewall spacer on the sidewall of the dummy gate;
Forming a sidewall insulating film on the side wall of the dummy gate via the side wall spacer;
Forming an interlayer insulating film that embeds the sidewall insulating film and exposes the upper surface of the dummy gate;
Removing the dummy gate and the sidewall spacer to expose the substrate to form a gate opening having a wider upper portion than the lower portion;
Forming a gate insulating film on the substrate and the end of the extension layer exposed in the gate opening;
Forming a metal gate electrode that fills the gate opening.
請求項8記載の半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, further comprising a step of forming a source / drain portion after the step of forming the sidewall insulating film and before the step of forming the interlayer insulating film.
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