JP2005236201A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、微細なコンタクトを有する半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a technique effective when applied to a semiconductor device having fine contacts.
SRAM(Static Random Access Memory)等の半導体記憶装置では、メモリセルが多数形成されたメモリセルアレイの周囲に、メモリセルとデータの授受を行なうためのデコーダ或いはI/O制御回路等の周辺回路が形成されている。半導体記憶装置のメモリセルアレイでは、メモリセルが通常Mビットの膨大な規模で形成されており、単位メモリセルのわずかな縮小でも、チップ全体では大きな縮小となるため、限界までメモリセルを縮小する必要がある。 In a semiconductor memory device such as SRAM (Static Random Access Memory), a peripheral circuit such as a decoder or an I / O control circuit for transferring data to and from the memory cell is formed around a memory cell array in which many memory cells are formed. Has been. In a memory cell array of a semiconductor memory device, memory cells are usually formed on an enormous scale of M bits, and even if a unit memory cell is slightly reduced, the entire chip is greatly reduced. Therefore, it is necessary to reduce the memory cell to the limit. There is.
SRAMのメモリセルは、2個のインバータの入出力を互いに結線した構成となっており、転送用、駆動用及び負荷用のFET2つずつ計6つのFETが形成され、これらのFETを半導体基板主面上に層間絶縁膜を介して形成された金属配線が接続している。金属配線と半導体基板主面若しくは他の金属配線とは、層間絶縁膜を貫通するプラグによって接続されている。 The SRAM memory cell has a configuration in which the input and output of two inverters are connected to each other. Two FETs for transfer, drive and load are formed, and a total of six FETs are formed. Metal wiring formed on the surface via an interlayer insulating film is connected. The metal wiring and the main surface of the semiconductor substrate or other metal wiring are connected by a plug penetrating the interlayer insulating film.
前述したメモリセル面積を縮小してコストの低減或いは記憶容量の大容量化を図るためにSRAMを構成するFETの微細化が進められており、このため配線を接続するためのコンタクトプラグを形成する場合に、ゲート電極に隣接する狭いソース領域或いはドレイン領域に、プラグを形成するための微細なコンタクト孔を形成しなければならなくなっており、コンタクト孔の合わせマージンが低下している。 In order to reduce the memory cell area and reduce the cost or increase the storage capacity, the miniaturization of the FET constituting the SRAM has been promoted. Therefore, a contact plug for connecting the wiring is formed. In this case, it is necessary to form a fine contact hole for forming a plug in a narrow source region or drain region adjacent to the gate electrode, and the contact hole alignment margin is reduced.
このため、例えば下記特許文献1には、ゲート電極のサイドウォールと層間絶縁膜とにエッチング選択比の異なる材料を用いることにより合わせマージンを確保する技術が開示されている。
For this reason, for example,
しかし、特許文献1に開示されている技術では層間絶縁膜及びサイドウォールに用いる絶縁膜材料にエッチング選択比の制限が課せられ、場合によっては最適な材料を選択できないことがある。
However, in the technique disclosed in
また、ガスを用いたドライエッチングによってコンタクト孔の加工を行なう場合には、孔の形状は壁面の傾斜が5°〜10°程度の上方が拡がった逆テーパ形状となる。このため、例えば500nmの厚さの層間絶縁膜に160nm幅の開口を設ける場合には、コンタクト孔の底面では傾斜によって幅が116nm〜72nm程度と狭くなってしまい、面積比では開口に対して底面の面積が半分から1/4程度となるために、基板とのコンタクト抵抗が増加してしまうという問題がある。これを防止するために層間絶縁膜を薄くした場合には、層間絶縁耐圧が劣化してしまう。 Further, when the contact hole is processed by dry etching using gas, the shape of the hole is a reverse taper shape in which the upper part of the wall surface is expanded by about 5 ° to 10 °. For this reason, for example, when an opening having a width of 160 nm is provided in an interlayer insulating film having a thickness of 500 nm, the width of the bottom surface of the contact hole is narrowed to about 116 nm to 72 nm due to the inclination. This causes a problem that the contact resistance with the substrate increases. In order to prevent this, if the interlayer insulating film is thinned, the interlayer dielectric strength is deteriorated.
本発明の課題は、これらの問題点を解決し、プラグの合わせマージンを確保し、かつコンタクト抵抗を低減させることが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
An object of the present invention is to provide a technique capable of solving these problems, ensuring a plug alignment margin, and reducing contact resistance.
The above and other problems and novel features of the present invention will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
半導体基板或いは導体膜上に絶縁膜を介して積層された導体膜を、前記絶縁膜を貫通するプラグによって接続する半導体装置において、前記プラグの断面形状が順テーパ形状となっている。
Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
In a semiconductor device in which a conductor film laminated on a semiconductor substrate or conductor film via an insulating film is connected by a plug penetrating the insulating film, the cross-sectional shape of the plug is a forward tapered shape.
その製造方法において、前記プラグとなる金属膜を半導体基板全面に形成する工程と、前記金属膜をプラグの形状にパターニングする工程と、前記プラグ間に絶縁膜を充填する工程とを有する。 The manufacturing method includes a step of forming a metal film to be the plug over the entire surface of the semiconductor substrate, a step of patterning the metal film into a shape of a plug, and a step of filling an insulating film between the plugs.
上述した本発明によれば、プラグの形状を下方に拡がった順テーパ形状とすることができることにより、プラグのコンタクト抵抗を低減させることできるという効果がある。加えて、プラグの接続面積が拡大するので、プラグの合わせマージンの確保に有効である。更に、エッチング加工の幅に余裕があるので、更なるメモリセルの縮小にも対応することが可能となる。 According to the present invention described above, the plug can have a forward taper shape that extends downward, thereby reducing the contact resistance of the plug. In addition, since the connection area of the plug is increased, it is effective for securing a plug alignment margin. Further, since there is a margin for the etching process, it is possible to cope with further reduction of the memory cell.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
(1)本発明によれば、プラグの形状を下方に拡がった順テーパ形状とすることができるという効果がある。
(2)本発明によれば、上記効果(1)により、プラグの接続面積が確保されるので、プラグのコンタクト抵抗を低減させることができるという効果がある。
(3)本発明によれば、上記効果(1)により、プラグの接続面積が拡大するので、プラグの合わせマージンの確保に有効であるという効果がある。
(4)本発明によれば、金属膜をエッチング除去して形成したプラグ間に層間絶縁膜を充填するので、加工が容易となるという効果がある。
(5)本発明によれば、上記効果(4)により、加工幅に余裕があるので、更なるメモリセルの縮小にも対応することができるという効果がある。
(6)本発明によれば、上記効果(4)により、更なるメモリセル縮小の際にも、プラグの合わせマージンを確保することができるという効果がある。
(7)本発明によれば、上記効果(5)により、プラグの位置不良が低減するので半導体装置の歩留が向上するという効果がある。
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
(1) According to the present invention, there is an effect that the shape of the plug can be a forward taper shape extending downward.
(2) According to the present invention, due to the effect (1), since the connection area of the plug is secured, the contact resistance of the plug can be reduced.
(3) According to the present invention, the connection area of the plug is increased by the effect (1), and therefore, there is an effect that it is effective for securing a plug alignment margin.
(4) According to the present invention, the interlayer insulating film is filled between the plugs formed by etching away the metal film, so that there is an effect that the processing becomes easy.
(5) According to the present invention, due to the effect (4), since there is a margin in the processing width, there is an effect that it is possible to cope with further reduction of the memory cell.
(6) According to the present invention, due to the effect (4), it is possible to secure a plug alignment margin even when the memory cell is further reduced.
(7) According to the present invention, the above effect (5) has an effect of improving the yield of the semiconductor device because the position defect of the plug is reduced.
以下、本発明の実施の形態を説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
Embodiments of the present invention will be described below.
Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
図1及び図2は、本発明の一実施の形態の半導体装置であるSRAMのメモリセルを示す部分平面図であり、図1はプラグ形成前の状態を図2はプラグ形成後の状態を示している。図3は図1中のa‐a線に沿った部分縦断面図であり、図4は図2中のa‐a線に沿った部分縦断面図である。 1 and 2 are partial plan views showing SRAM memory cells which are semiconductor devices according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a state before plug formation, and FIG. 2 shows a state after plug formation. ing. FIG. 3 is a partial longitudinal sectional view taken along line aa in FIG. 1, and FIG. 4 is a partial longitudinal sectional view taken along line aa in FIG.
図1または図2に示すSRAMでは、二点鎖線にて囲まれた領域が1つのメモリセルになっており、n型の駆動用FETQd及び転送用FETQtと、p型の負荷用FETQlとを組み合わせた相補型のインバータをクロス接続した構成となっている。 In the SRAM shown in FIG. 1 or FIG. 2, the area surrounded by a two-dot chain line is one memory cell, and the n-type driving FET Qd and transfer FET Qt are combined with the p-type load FET Ql. The complementary inverter is cross-connected.
各FETの形成される活性領域は、シリコンを用いた半導体基板1に形成されたウェル2をトレンチ状の分離絶縁膜3によって分離したFETの活性領域にFETのソース領域4及びドレイン領域4が形成されており、半導体基板主面上にゲート絶縁膜5を介してゲート電極6が形成されている。ゲート電極6の側面にはサイドウォール7が形成され、ゲート電極6の上面は酸化シリコン等の絶縁膜8によって覆われている。
In the active region where each FET is formed, the
メモリセル回路としては、一方のインバータの入力となる共通ゲート電極4と他方のインバータの出力となる駆動用FETのドレイン領域4及び負荷用FETのドレイン領域4と転送用FETQtの一端とが、破線にて示すセル内配線Lによって接続されている。メモリセルの各ゲート電極4は図1,2中のx方向に延在させてある。
In the memory cell circuit, the
メモリセルアレイでは、このメモリセルが対称パターンで縦横に配列させて多数形成されており、上層の金属配線によって互いに接続されてメモリセルアレイが構成されている。上層の金属配線では、負荷用FETQlのソース領域4に電源配線が接続され、駆動用FETQdのソース領域4に接地配線が接続され、転送用FETQtのゲート電極4はワード線に接続され、転送用FETQtの他端4はデータ線に接続されている。金属配線と半導体基板主面とはコンタクトプラグ9によって接続されており、隣接するメモリセルではコンタクトプラグ9を共有し、コンタクトプラグ9間は層間絶縁膜10によって充填されている。
In the memory cell array, a large number of these memory cells are arranged in a vertical and horizontal pattern in a symmetrical pattern, and are connected to each other by an upper layer metal wiring to constitute a memory cell array. In the upper metal wiring, the power supply wiring is connected to the
半導体記憶装置では、このメモリセルが多数形成されたメモリセルアレイが複数形成され、各メモリセルアレイの周囲に、メモリセルアレイとデータの授受を行なうためのデコーダ或いはI/O制御回路等の周辺回路が形成されている。 In a semiconductor memory device, a plurality of memory cell arrays in which a large number of memory cells are formed are formed, and a peripheral circuit such as a decoder or an I / O control circuit for transferring data to and from the memory cell array is formed around each memory cell array. Has been.
メモリセルの場合には、全体の回路規模が大きいので、メモリセルのわずかな縮小でもチップ全体では大きな面積となるために、限界までメモリセルを縮小する必要がある。しかし、周辺回路の場合には、回路規模が小さいので、半導体チップ全体に与える縮小の影響は小さいために、図5に部分平面図を示すようにFETは素子面積に余裕をもたせて形成されている。 In the case of a memory cell, since the entire circuit scale is large, even if the memory cell is slightly reduced, the entire chip has a large area. Therefore, it is necessary to reduce the memory cell to the limit. However, in the case of a peripheral circuit, since the circuit scale is small, the influence of the reduction on the entire semiconductor chip is small. Therefore, as shown in the partial plan view in FIG. 5, the FET is formed with a margin for the element area. Yes.
各FETのソース領域4、ドレイン領域4及びゲート電極6には、上層の配線層と導通させるためのプラグ9が接続されており、本実施の形態のコンタクト層のプラグ9では、図4に示すように、その形状は壁面の傾斜が5°〜10°程度に下方が拡がった順テーパ形状となっている。
Each
本実施の形態では、形状が逆テーパ形状となる従来のプラグとは異なり、プラグ9の形状が下方に拡がった順テーパ形状となっているため、ソース領域4或いはドレイン領域4とプラグ9との接続面積を確保することができるので、プラグ9のコンタクト抵抗を低減させることが可能である。
In the present embodiment, unlike the conventional plug having a reverse tapered shape, the shape of the
続いて、このプラグ9の形成される半導体装置の製造方法について、図1乃至図10を用いて工程毎に説明する。
先ず、n型単結晶シリコン等の半導体基板1に、酸化膜をパターニングしたマスクを用いて不純物を注入し、注入した不純物のアニールを行なってウェル2を形成する。続いて、半導体基板1主面にトレンチ状の分離絶縁膜3を形成して各FETの活性領域を分離する。FETの活性領域に酸化シリコン等のゲート絶縁膜5を形成した上に、多結晶シリコン膜に金属膜を積層し、絶縁膜8によって上面を覆ってパターニング加工したゲート電極6を形成する。
Subsequently, a method for manufacturing a semiconductor device in which the
First, an impurity is implanted into a
続いて、ゲート電極6をマスクとして用い不純物を注入し、熱処理によって注入した不純物のアニールを行なってソース領域4及びドレイン領域4を形成し、半導体基板1全面に例えば酸化シリコンを堆積させ、異方性エッチングを行ないゲート電極6の側面にサイドウォール7を形成する。この状態が図1及び図3に示す状態である。
Subsequently, impurities are implanted using the
次に、図6に図1中のb‐b線に沿った縦断面図を示すように、タングステンを用いた金属膜9´を半導体基板全面に形成しCMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化処理を行ない、ホトリソグラフィによってy方向に延在するスリット状のレジストマスク11を形成する。このレジストマスク11を用いて、ガスを使ったドライエッチングによって、図7に部分平面図を示すように、金属膜9´を図1,2中のy方向に延在するラインパターンにパターニングする。ラインパターンの断面形状は壁面の傾斜が5°〜10°程度の下方が拡がった順テーパ形状となっている。
Next, as shown in FIG. 6 which is a longitudinal sectional view taken along line bb in FIG. 1, a metal film 9 'using tungsten is formed on the entire surface of the semiconductor substrate, and planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing). Then, a slit-like resist mask 11 extending in the y direction is formed by photolithography. Using this resist mask 11, the
次に、図8にa‐a線に沿った縦断面図を示すように、ホトリソグラフィによってx方向に延在するスリット状のレジストマスク12を形成し、このレジストマスク12を用いて、ガスを使ったドライエッチングによってラインパターンの金属膜9´を、図9に示すようにy方向に分離してコンタクトプラグ9にパターニングする。
Next, as shown in a longitudinal sectional view along the line aa in FIG. 8, a slit-like resist
なお、周辺回路のFETについては、同様にラインパターンの金属膜9´からコンタクトプラグ9にパターニングしてもよいし、一回のパターニングによって金属膜9´をコンタクトプラグ9にパターニングしてもよい。微細化の必要性がメモリセルよりも低いので、プラグ形成については多種の方法が考えられる。
The FET of the peripheral circuit may be similarly patterned from the
次に、図10に図中のa‐a線に沿った縦断面図を示すように、酸化シリコン膜等を用いた層間絶縁膜10を半導体基板全面に形成し、CMPによって平坦化処理し、図4に示すようにプラグ9の上面を露出させる。こうして、各プラグ9間を層間絶縁膜10によって埋めて、配線層のコンタクト層を形成する。
Next, as shown in a longitudinal sectional view along the line aa in FIG. 10, an
この後、このコンタクト層上に、銅を用いた金属膜の金属配線層を層間絶縁膜によって分離して積層し、メモリセル間の配線或いは電源配線として、各メモリセル間及びメモリセルアレイと周辺回路とを接続して記憶回路を構成し、全体を覆う保護膜を形成して、この保護膜にパッド等の開口を設けて半導体記憶装置が完成する。 Thereafter, a metal wiring layer of a metal film using copper is separated and laminated on the contact layer by an interlayer insulating film, and as a wiring between memory cells or a power wiring, between each memory cell and between the memory cell array and the peripheral circuit Are connected to each other to form a memory circuit, and a protective film covering the whole is formed, and openings such as pads are provided in the protective film to complete a semiconductor memory device.
これに対して、従来のプラグ形成では、図1及び図3に示す状態から、先ず図11に縦断面図を示すように、酸化シリコンを用いた層間絶縁膜10を半導体基板1全面に形成しCMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化処理を行ない、ホトリソグラフィによってプラグ形成領域を開口させたレジストマスク13を形成する。このレジストマスク13を用いて、ガスを使ったドライエッチングによって、図12に示すようにプラグ9のパターンの孔を形成し、レジストマスク13を除去する。次に、図13に示すように、タングステン等を用いた金属膜9´を半導体基板1全面に形成し、CMPによって平坦化処理を行なって、図14に示すようにプラグ9を形成する。
On the other hand, in the conventional plug formation, an
このように、層間絶縁膜10をエッチング加工してコンタクトプラグを形成する従来の方法とは異なり、本実施の形態では金属膜9´をエッチング加工してコンタクトプラグ9を形成するので、プラグ9の形状が下方に拡がった順テーパ形状となっている。このため、ソース領域4或いはドレイン領域4との接続面積を確保することができるので、コンタクト抵抗を低減させることができる。
Thus, unlike the conventional method of forming the contact plug by etching the
また、図2に示すメモリセルでは、メモリセル全体のサイズが2000nm×870nmとなっており、配線層の加工では、x方向に延在するゲート電極6とは直交するy方向の加工に精度が求められることになる。例えばy方向の加工では、ゲート電極6の幅が80nm、サイドウォール7の幅が55nm〜60nmとすると、サイドウォール7の両端までの幅は190nm〜200nmとなり、残った470nm〜490nmの幅に160nmのコンタクトプラグ9を2つ形成することになる。
Further, in the memory cell shown in FIG. 2, the size of the entire memory cell is 2000 nm × 870 nm, and the processing of the wiring layer is accurate in the processing in the y direction orthogonal to the
層間絶縁膜10をエッチングして孔を形成する従来の方法ではプラグ9のために160nmの孔を形成しなければならなかったが、金属膜9´をエッチング除去して形成したプラグ9間に層間絶縁膜10を充填する本実施の形態のプラグでは、層間絶縁膜10のために235nm〜245nmの幅の加工を行なうことになるため、加工が容易となる。
In the conventional method in which the hole is formed by etching the
また、メモリセルを縮小するために、より微細な加工を行なう場合にも、従来のコンタクト孔形成では、解像度限界からコンタクト孔の縮小が困難であり、図15に示すように合わせマージンを縮小せざるを得なかったが、本実施の形態の方法では加工幅に余裕があるので、図16に示すように層間絶縁膜10の加工幅を縮小して、更なるメモリセルの縮小にも対応することが可能である。
Further, even when finer processing is performed in order to reduce the memory cell, it is difficult to reduce the contact hole due to the resolution limit in the conventional contact hole formation, and the alignment margin can be reduced as shown in FIG. However, since the processing width of the method of this embodiment has a margin, the processing width of the
このため本実施の形態では、プラグ9の合わせマージンを縮小しなくてもよいので、プラグ9の位置不良が低減するので半導体装置の歩留が向上する。加えて、プラグ9の形状が順テーパ形状となり、接続面積が拡大するので、プラグ9の合わせマージンの確保に有効である。
For this reason, in this embodiment, the alignment margin of the
また、本実施の形態ではエッチングによって除去するのが金属膜9´であり、その後に絶縁体の層間絶縁膜10を充填するので、仮にエッチングがサイドウォール7或いは絶縁膜8に及んだ場合でも、続く層間絶縁膜10の形成によって絶縁体が充填されるため、短絡の生じるおそれがない。
Further, in this embodiment, the
以上、本発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。 Although the present invention has been specifically described based on the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the scope of the invention. It is.
例えば前述した説明では、ソース領域、ドレイン領域或いはゲート電極と接続するプラグを例として説明したが、層間絶縁膜を介して積層された配線と配線とを接続するプラグに本発明を適用してもよい。また、半導体記憶装置について説明したがSRAM混載システムLSI等の他の半導体装置であっても、プラグを有する半導体装置であれば、適用が可能である。 For example, in the above description, the plug connected to the source region, the drain region, or the gate electrode has been described as an example. However, the present invention may be applied to a plug that connects a wiring and a wiring stacked through an interlayer insulating film. Good. Further, although the semiconductor memory device has been described, other semiconductor devices such as an SRAM embedded system LSI can be applied as long as the semiconductor device has a plug.
1…半導体基体、2…ウェル、3…分離絶縁膜、4…ソース領域,ドレイン領域、5…ゲート絶縁膜、6…ゲート電極、7…サイドウォール、8…絶縁膜、9…プラグ、10…層間絶縁膜、11,12,13…レジストマスク、L…セル内配線、Qd…駆動用FET、Qt…転送用FET、Ql…負荷用FET。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記プラグの断面形状が順テーパ形状となっていることを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device in which a conductor film laminated via an insulating film on a semiconductor substrate or a conductor film is connected by a plug penetrating the insulating film,
A semiconductor device characterized in that a cross-sectional shape of the plug is a forward tapered shape.
前記プラグとなる金属膜を半導体基板全面に形成する工程と、
前記金属膜をプラグの形状にパターニングする工程と、
前記プラグ間に絶縁膜を充填する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a semiconductor device manufacturing method in which a conductor film laminated on a semiconductor substrate or a conductor film via an insulating film is connected by a plug penetrating the insulating film,
Forming a metal film to be the plug on the entire surface of the semiconductor substrate;
Patterning the metal film into a plug shape;
And a step of filling an insulating film between the plugs.
前記プラグとなる金属膜を半導体基板全面に形成する工程と、
前記金属膜を平坦化処理する工程と、
一の方向に延在するスリット状のレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いて、前記金属膜をラインパターンにパターニングする工程と、
前記一の方向とは直交する他の方向に延在するスリット状のレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いて、前記ラインパターンの金属膜をプラグの形状にパターニングする工程と、
前記半導体基板全面に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を平坦化処理し、この平坦化処理によって前記プラグの上面を露出させ、前記プラグ間に絶縁膜を充填する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a semiconductor device manufacturing method in which a conductor film laminated on a semiconductor substrate or a conductor film via an insulating film is connected by a plug penetrating the insulating film,
Forming a metal film to be the plug on the entire surface of the semiconductor substrate;
A step of planarizing the metal film;
Forming a slit-like resist mask extending in one direction, and using this resist mask, patterning the metal film into a line pattern;
Forming a slit-like resist mask extending in another direction orthogonal to the one direction, and using this resist mask, patterning the metal film of the line pattern into a plug shape;
Forming an insulating film on the entire surface of the semiconductor substrate;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: planarizing the insulating film, exposing the upper surface of the plug by the planarizing process, and filling the insulating film between the plugs.
The semiconductor device according to claim 3, wherein the patterning is performed by dry etching using a gas.
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