JP2009141375A - 半導体プロセスおよび集積回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板にバイポーラ・トランジスタの能動領域及びMOS素子の能動領域41を形成し、能動領域の周りに水平面において絶縁領域81を形成し、MOS素子の能動領域上にMOSゲート領域111、112を形成し、MOSゲート領域及びトランジスタの能動領域41上に絶縁材料層141を形成し、絶縁層141の残りの部分がバイポーラ・トランジスタの能動領域を部分的に覆うように、絶縁層141に開口143を形成することにより、トランジスタの能動領域内にベース領域を画定する。絶縁層141は、MOSゲート領域上に残り、後続の製造工程の間MOSゲート領域を密閉及び保護する。
【選択図】図14
Description
本発明は一般に、シリコンIC技術の分野、特に、バイポーラRF−ICのために特に設計されたプロセスフローにおける能動および受動素子の集積に関する。
改良シリコン・バイポーラ、CMOSあるいはBiCMOS回路は、今日、1−5GHzの周波数範囲における高速アプリケーションに対して使用され、以前はIII−Vに基づく技術を使用してのみ実現可能であった回路に取って代りつつある。これらの主なアプリケーション領域は、現代通信システムに対するものである。回路は、ほとんどの場合、例えば電流および電圧切替えのようなアナログ機能、および、例えば混合、増幅、および検出機能のような高周波無線機能のために使用されている。
従って、本発明の目的は、集積回路、特に無線周波数アプリケーションのための集積回路の製造方法を提供することである。本方法により、バイポーラ・トランジスタおよびMOS素子、特にPMOSトランジスタおよび他のp型MOS素子を含む高品質集積回路を、最少のプロセス工程を使用して効果的に製造することができる。
−シリコン基板を提供する。基板は、均質基板(homogenous substrateあるいはウエハ上のエピ層であってもよい。
−バイポーラ・トランジスタの能動領域、および、MOS素子の能動領域を、好ましくは、基板の2つの表面領域および/あるいは基板上のエピ層の2つの基板領域をドープすることによって、シリコン基板上に形成する。
−電界絶縁領域を、水平面において、好ましくは浅い溝絶縁(STI)によって、および選択的に深い溝絶縁(DT)によって、能動領域の周りに形成する。
−MOSゲート・スタックを、MOS素子の能動領域上に、好ましくはゲート酸化物層上のゲート・ポリシリコン層の形で、形成する。
−電気的絶縁材料、好ましくは窒化物の層を、MOSゲート・スタック上およびバイポーラ・トランジスタの能動領域上に形成する。
−バイポーラ・トランジスタの能動領域に、好ましくはエッチングにより電気的絶縁層に開口を形成することにより、ベース領域を画定する。
−電気的絶縁層における開口は、電気的絶縁層の残りの部分がバイポーラ・トランジスタのための能動領域を部分的に、つまり能動領域の円周に沿った外側部分を覆うように、形成される。
−電気的絶縁層は、MOSゲート領域上に残り、特にイオン打ち込み、熱酸化、および/あるいはエッチング工程を含む後続の製造工程の間、MOSゲート領域を密閉し保護する。
電気的絶縁層の一部分は、プロセスにおいて製造される並列プレート・コンデンサ内の誘電体として使用されることが好ましい。
−第1のドーピング型、好ましくはp、の半導体基板が提供される。
−バイポーラ・トランジスタのための第2のドーピング型、好ましくはn、の埋込みコレクタ領域が基板に形成される。
−シリコン層が基板上にエピタキシャル成長される。
−バイポーラ・トランジスタのための第2のドーピング型の能動領域が、エピタキシャル成長シリコン層内に形成され、能動領域は埋込みコレクタ領域の上に位置する。
−浅い溝が、エピタキシャル成長シリコン層およびシリコン基板内に形成され、浅い溝は、水平面において能動領域を囲み、基板内にある程度の距離垂直に延びる。
−浅い溝は、電気的絶縁材料で満たされる。
−第1のドーピング型、好ましくはp、の半導体基板であって、基板は上面を有する。
−基板に形成された縦型バイポーラ・トランジスタであって、トランジスタは第2のドーピング型、好ましくはn、の能動領域を含み、能動領域にはエミッタおよびベースが形成される。第2のドーピング型の埋込みコレクタ領域であって、埋込みコレクタ領域は能動領域の下に位置する。
−縦型バイポーラ・トランジスタを絶縁するための浅い溝であって、
−浅い溝は、基板の表面に沿って見られるように、トランジスタの能動領域を囲み、電気的絶縁材料によって満たされ、基板の上面から埋込みコレクタ領域が位置する深さまで基板内を垂直に延びる。
以下の記述において、説明するためであって制限するためではなく、本発明が完全に理解されるように特定の詳細が説明される。しかし、この分野の技術者には、本発明はこれらの特定の詳細から離れた他の態様においても実施することができることが明らかであろう。
絶縁が高度にドープされたサブコレクタ層まで達するように、STIの深さを選択することが、特に重要である。
・NPN
・PMOS
・準ラテラルPNP素子(PMOSから派生)
・窒化物コンデンサ
・MIMコンデンサ
・ポリシリコン抵抗器
図1は、埋設n+層(サブコレクタ)の形成前の、ホウ素ドープされた、シリコンp型ウエハの断面を示している。シリコン・ウエハは、エピ・ウエハであり、通常10mOhmcmの抵抗率を持つ高度にドープされたp+ウエハ11から成る基板10を含み、低度にドープされたp型のシリコン層12がウエハ11上に成長している。このエピ層は、通常5−10μmの厚さであり、通常10−20Ohmcmの抵抗率を有する。
また、p型ウエハは、通常1−20Ohmcmの抵抗率を有する、均質に低度にドープされたp型ウエハ(図示されていない)であってもよい。
次に図2を参照すると、シリコン二酸化物の薄い保護層21が、シリコン基板10の表面上に、熱酸化により、通常20nmの厚さに形成される。この層の目的は、打ち込みの間、金属あるいは他の不純物による汚染に対するスクリーンとして機能することである。層の厚さは、後続の工程におけるイオン打ち込みを層21を通して実行することができるように、選択される。
次に、3工程熱プロセスが行われる。
最初に、打ち込み領域における損傷を再結晶化するために、600℃の焼きなましが使用される。
温度はそれから、約900℃に下げられ、そこで酸化が湿った空気の中で行われる。高度にドープされたn型領域はより高い酸化率を有するので、ヒ素を打ち込みされた領域においては、打ち込みされていない領域(70nmまで)よりもより厚い酸化物(170nmまで)が得られる。シリコン原子はこの酸化の間に消費されるので、酸化物を除去した後には、40−50nmの高さの段32がシリコン表面に残される。痕跡は後に、後続のリソグラフィ工程において、アライメントマークとして機能する。
酸化物21は、好ましくはウェット化学(フッ化水素酸、HF)によって除去される。シリコン表面において前記の段32が現れ、約0.5から1μmの厚さのドープされていない(真性の)エピタキシャル・シリコン層41が、一般的な技術を使用して、表面上に成長される。図4aを参照されたい。層41は、エピタキシャル成長の間、代替的にn型ドープされた層であってもよい。通常のドーピング・レベルは、約1E16cm-3であろう。ヘイブマンによる米国特許第5,374,845号においては、対応するエピタキシャル層は、軽度にドープされているが(抵抗率は10Ohmcmより高い)、まだ本質的には真性であるとみなされる。しかし、均一にドープされたn型エピタキシャル層は、プロセスフローのより後において、いわゆるトップ・ダウン接触である、基板表面接触の形成を複雑化する。
ここで、浅い溝の形成を検討する。フォトレジスト(図示されていない)が窒化物層43上に塗布され、第1のマスク、いわゆるSTIマスクを使用して露光され、それにより開口が残され、そこで浅い溝がエッチングされる。エッチングは、異方性であることが好ましく、反応イオン・エッチング(RIE)によって、窒化物/酸化物層を通りシリコン基板内まで実行され、図5aに示されるように、先細り(テーパ)の(垂直な)浅い溝51を形成する。溝の好ましい深さは、シリコン層41の上面から0.2−0.7μm、あるいはさらに典型的には0.3−0.5μmである。
フォトレジストは、浅い溝のエッチングに続いて除去される。
または、酸化物/窒化物2層42、43がエッチングされ、その後にレジストが剥離される。それから段において、STIが、2層42、43をハード・マスクとして使用してエッチングされる。
浅い溝51は、それらが、シリコン表面つまり基板10上のシリコン層41の表面から、埋込みコレクタ領域31に、好ましくは埋込みコレクタ層31の深さよりさらに深くまで垂直に延びるように、形成することができる。重複する距離は、図5bにおいてzによって示されている。
さらに、埋込みコレクタ領域31および浅い溝51は、埋込みコレクタ領域31が対応する浅い溝の下に位置する領域にまで延びるように、相対的に形成することができる。浅い溝の下に位置する領域は、図5bにおいてxによって示されている。
図6を参照して、深い溝のためのハード・マスクの形成を記述する。通常0.1−0.5μmの厚さのシリコン二酸化物層61が、例えばCVDによって、好ましくは適合的に、その構造の上部(つまり、窒化物層の残りの部分および浅い溝の中)に付着される。酸化物層は適合的に付着されることが好ましい。そうでなければ後続のマスキングおよびエッチングに対するマージンを減少させるからである。フォトレジストが塗布され、第2のマスク、いわゆる深い溝マスク(図示されていない)を使用して露光される。溝マスクの開口は、浅い溝領域内のどこにでも置くことができる。深い溝の幅は、異なる大きさのマスクを使用することにより選択することができる。通常、好ましくは約1μm以下の固定の横幅(厚さ)の溝を使用することが好ましい。そうでなければ、一様でないエッチングを使用することで問題が生じ、深い溝を再充填し平面化することが困難になるからである。
前記の国際公開第WO 0120664号において、深い溝が浅い溝の端と自己整合するように、どのように付着されたシリコン二酸化物層を選択し、溝マスクを整列させるかが記述されている。
深い溝のパターン形成のための酸化物ハード・マスクは、後に、例えばHFにおいて除去される。
次に続く溝領域51、63の充填および平面化は、従来技術において知られているいくつかの方法で実行することができる。例えば、プロセスは、ライナ酸化を行うことにより続けられる。この目的は、溝の尖った端を丸い角にし、圧力および望ましくない電気的影響を減少させることである。このことは、薄い(20−30nm)熱酸化物71を高温(>1000℃)において成長させることにより、達成される。図7を参照されたい。溝は、従来の方法により、200nmの厚さのTEOS層および1500nmのポリシリコン72で満たされる。ポリシリコンは、それから、浅い溝領域から全てのポリシリコンを除去するために、再びエッチングされる。
この結果の構造が、図7に示されている。
次に、残りの浅い溝が、例えばCVD酸化物あるいは高密度プラズマ(HDP)酸化物81で満たされ、ドライ・エッチング方法あるいは化学的機械的研磨のいずれかにより平面化される。図8を参照されたい。
このプロセスモジュールの仕上げの工程として、素子領域上の窒化物43および酸化物42(特に図7に見られる)が、好ましくはウェットな方法により、除去される。その結果の構造は、絶縁領域上の酸化物81および素子領域上の露出したシリコン41から成る。
選択された領域において(図面には示されていない)、pウェルが次に形成される。BiCMOSプロセスにおいて、pウェルは主に、NMOSトランジスタおよびp型基板接触のために使用される。純粋なバイポーラプロセスにおいて、pウェル領域は主に、基板接触のために使用される。プロセスフローの後の段階において、表面に、高度にドープされたp+接触を形成することができる。pウェル領域は、pウェル領域の下にはサブコレクタn+領域は存在せず、従って、pウェル領域がp型基板と直接接触できるように、設計される。
この時点で、ウエハ表面は、図9に示されるように、厚い酸化物81(STI)を有する電界酸化物領域、および、薄い酸化物91(10nmのpウェル酸化物)を有する素子領域から成る。
続いて、フォト・マスク101が除去される。
pウェル酸化物(図9−10におけるクーイ(Kooi)酸化物91としても知られる)は、HFにおけるウェット・エッチングによって除去され、熱酸化を使用して、PMOSトランジスタのためのゲート酸化物111に取って代わられる。図11を参照されたい。この酸化物の更新は、高度MOS要求によるものである。pウェル酸化物の品質は、数回のイオン打ち込みを経てきたので、通常十分でないからである。
通常、ゲート酸化物111の厚さに対しては、15nm以下の厚さが選択される。この特定の例においては、5Vの動作を支持しなければならないので、12nmの厚さが使用される。
この結果の構造が、図11に示されている。
PMOSゲートの一部を形成するのに必要とされた付着シリコン層112は、ここで、ウエハの他の領域から除去されなければならない。
PMOS素子領域を覆っているフォト・マスク121(PMOS/VTPマスク101の反転マスクであるMOSBLKマスク)が、ウエハに当てられる。図12を参照されたい。マスク121を使用して、シリコンは、フィールド酸化物/ゲート酸化膜81/111をエッチング止めとして使用しながら、ドライ・エッチングによって除去される。この結果の構造が、図12に示されている。
フォト・マスクはそれから、従来の方法を使用して除去される。
能動素子(例えば、トランジスタ)を形成するためには、ウエハの表面からサブコレクタへの低抵抗パス(例えば、コレクタ・プラグ)が必要である。また、他の種類のこのような低抵抗パスが必要であるかもしれない。このようなパスは、フォトレジストを付着およびパターン形成して、コレクタ・プラグのようなパスが形成されるべきところに開いた領域132、133、134、135が生成されるようなDNCAPマスク131を得ることによって、リソグラフィ的に画定される。図13を参照されたい。図示されている回路の例において、開いた領域134は、プラグがサブコレクタと共に、並列プレート・コンデンサにおける1つの電極を形成する場所にある。その結果、フォト・マスクはまた、コンデンサ領域135も画定する。
この結果の構造が、図13に示されている。
熱プロセスの後、図14において141で示される薄いシリコン窒化物層が、好ましくはLPCVD技術を使用して、通常20nmの範囲の厚さに付着される。この層の目的は以下の3つである。
(i)コンデンサ領域におけるシリコン・ウエハと直接接触している窒化物層の部分が、これから形成されるコンデンサにおける誘電体として機能する。シリコン窒化物は、シリコン二酸化物の誘電定数より約2倍高い誘電定数(εr)を有するので、酸化物の代わりに窒化物を使用すると、領域単位ごとのより高い容量を得ることができる。
(ii)能動領域における酸化物上に付着された窒化物層の部分に、これからベース接続が形成され、この部分においてこの絶縁誘電体層が付加的に厚くなり、ベース−コレクタ接合に対する寄生容量がより低くなる。
(iii)窒化物層の一部は、後続のプロセスの間、PMOSトランジスタの第1のゲート材料112を密閉する。
シリコン窒化物層を付着するのに先立ち、高度にドープされたn+領域上に形成された可能性のあるシリコン二酸化物を全部除去するために、希釈したHFでウエハを短時間洗浄してもよい。
この結果の構造が、図14に示されている。
窒化物141および酸化物111のシリコン層41へのエッチングに続き、フォト・マスク142が従来の方法により除去される。
200nmの範囲の薄いシリコン層151が次に、CVD技術を使用して構造上に付着される。図15を参照されたい。付着条件は、層151がアモルファスであるように選択されるが、微結晶あるいは多結晶シリコンを代替的に使用することもできる。この層の目的は、NPNトランジスタのための外因性ベース接触、および窒化物コンデンサの上部電極として機能することである。
この結果の構造が、図15に示されている。
次に、RFEMITマスクと呼ばれるフォト・マスク161が、構造に当てられる。図16を参照されたい。レジストは、窒化物コンデンサの上部電極、p型基板接触および、NPNトランジスタの外因性ベース領域を形成する領域を保護する。フォトレジストをマスクとして使用して、先の工程において付着されたシリコン二酸化物152およびアモルファス・シリコン151は、ここでドライ・エッチングを使用して除去される。エッチングは、シリコン窒化物層141が、開いたフィールド領域上の、コレクタ領域およびMOS素子を保護している場所で、完全に露出された時に止められる。
この結果の構造が、図16に示されている。
次の工程は、図16および17において171で示される、NPNトランジスタのコレクタ、いわゆる2次的埋込みコレクタ(SIC)を形成する、付加的ドーピングである。この目的は、ベースの幅の広がりを最小にし、それにより、トランジスタの高周波特性を改良することである。この特定の場合において、このドーピングは、二重リン打ち込みとして実行される。第1の工程の間、5E12cm-2のリンが200keVのエネルギにおいて打ち込みされ、第2の工程の間、4E12cm-2のリンが420keVのエネルギにおいて打ち込みされる。これらの工程の順序は反対でもよく、正確なエネルギおよびドーズ量は、エピの厚さ、温度駆動等の、プロセスにおける実際のプロセスパラメータに適応するよう調整されなければならないかもしれない。
次の工程において、ホウ素が構造内に打ち込みされ、NPNトランジスタの真性ベース領域174を形成する。この特定の例において、約1.5E14cm-2のドーズ量のホウ素が約6keVのエネルギにおいて打ち込みされる。先の工程において形成された薄い酸化物の厚さが変化すると、打ち込みパラメータを変更する必要があるかもしれない。打ち込みは、ベース領域におけるシリコンにのみ浸透する。他のシリコン領域は、窒化物層141によって保護されているからである。
打ち込みの後、構造は、好ましくは800℃の湿った空気においてさらに酸化され、シリコン/シリコン二酸化物表面におけるホウ素原子の集中を減少させる。
この結果の構造が、図18aに示されている。
第1に、ウエハの全表面に、約50keVのエネルギにおいて3E15cm-2のドーズ量のヒ素が打ち込みされる。
第2に、低値(RLO)および高値(RHI)を有する抵抗器の領域上にレジストを残すために、パターン形成されたフォトレジスト・マスク(図示されていない)を使用して、約150keVのエネルギにおいて1.2E16cm-2のドーズ量のヒ素打ち込みが行われる。レジスト・マスクは、続いて、除去される。
第3に、低値抵抗器(RLO)のための領域および接触プラグ領域132、133、134のための領域を画定する他のマスク層183、図18cを参照、がパターン形成され、約25keVのエネルギにおいて4E15cm-2のドーズ量のリンが打ち込みされる。レジスト・マスク183は、この後、除去される。
しかし、コレクタと接触しているポリシリコンは、通常ヒ素とリンの組み合わせを使用して打ち込みされる。同じドーピング型であるが異なる拡散率を有する2つの異なるドーパント種類を使用することによって、低い抵抗率および深いコレクタ接触が達成される。
ドープされたポリシリコン182(図18cにおける)は、次に、リソグラフィおよびドライ・エッチングを使用してパターン形成される。図19aを参照されたい。この工程において、NPNトランジスタのエミッタ191およびコレクタ192への接触領域、窒化物コンデンサのより深い電極193、PMOSトランジスタのゲート194、PMOSトランジスタの基板接触195、および、低値および高値抵抗器(図19aにおいては明示的には図示されていない)、が画定される。図示されているPMOS素子は、(準ラテラルPNP素子を製造するために)2つのPMOSトランジスタを含み、従って2つのゲート領域194を有することに留意されたい。
この結果の構造が、図19aに示されている。
このエッチングの後、レジストは従来の方法を使用して除去される。
約30nmの薄い酸化物層200が、ウエハ上に付着される。TEOSが使用されることが好ましいが、LTOあるいはPECVDのような他の酸化物を代替的に使用することもできる。
酸化物200の上に、約100nmの厚さのシリコン窒化物層201が、LPCVD技術を使用して適合的に付着される。その結果の構造が、図20aに示されている。
好ましい実施例において、熱プロセスは、2工程手順において実行される。ウエハは、第1に、約30分の間、850℃の電気炉において焼きなまされる。この目的は、打ち込みを受けた層において、ドーパントをより均一に再分布することである。この第1の工程は、実際、本発明のプロセスフローにおいては省略することができる。半導体ウエハは、通常約790℃において3時間以上行われる、シリコン酸化物/窒化物200/201の付着の間に、既に十分な熱プロセスを受けているからである。
p型ポリシリコン層からのホウ素の外方拡散により、基板接触が対応する方法で形成される。
PMOSトランジスタのソース/ドレイン領域もまた、熱プロセスによって活性化される。
この結果の構造が、図20aに示されている。
図20dは、ベース−コレクタ電圧の作用としての、NPNトランジスタのベース−コレクタ容量を示している。下部曲線は、ここに記述される本発明の製造プロセスに従って製造されたNPNに対する容量を示し、上部曲線は、より厚いエピおよびより高度なウェル・ドーピングを使用した従来技術のプロセスにより製造されたNPNトランジスタに対する容量を示している。(0 V VbcにおけるCbcによって表わされる)合計容量値が得られ、全範囲において変化がより少なくなる。本発明により製造されたトランジスタは、約1Vのバイアス電圧において既に完全に空乏することに、注意されたい。
ヨハンソンおよびアルンボルグによる米国特許第6,198,156号に記述されるように、逆行プロファイルを慎重に調整することにより、トランジスタの線形性をさらに高めることができる。
図21a−cは、前記段落において説明した、3つの主要な素子(NPNトランジスタ、準ラテラルPNP(つまり、PMOS素子)および窒化物コンデンサ)のマスク設計図を示している。第1の金属層に対する(格子縞にパターン形成された)接触ホールも、示されている。
さらに、接触ホールは、ベース214に対して、エミッタ215に対して、そしてコレクタ216に対してそれぞれ図示されている。
さらに、接触ホールは、ゲート217(接地)に対して、ソース218(コレクタ)およびドレイン219(エミッタ)に対して、そして基板接触220(ベース)に対してそれぞれ図示されている。
さらに、接触ホールは、上部222および下部221電極に対して図示されている。
図22a−bは、トランジスタを第1の金属層に接続する時の、NPNトランジスタの付加的特徴を示している。
(最良の周波数性能に対応する)最も低いベース抵抗を得るために、ベース接触221は、図22aに示されるように、エミッタEの両側に置かれる。厳密な設計規則のために、このことは、トランジスタの大きさを変えることなく達成することができる(このことは、従来技術のプロセス方法においては、通常可能ではない)。
さらに、同じトランジスタ設計を、二重および単一のベース接触のために使用することができる(接触ホールおよび金属層を異なるように生成しなければならないだけである)。
このプロセスにおいてNMOS素子が製造される場合、通常、4つのさらなるプロセス工程を追加しなければならない:NMOSゲート領域のマスキングおよびイオン打ち込み、および、NMOSソースおよびドレイン領域のマスキングおよびイオン打ち込み)。
さらに、米国特許第6,100,133号(発明者 H.ノルストロムおよびS.ナイグレン)として公開されている国際特許出願において記述されるように、MIMコンデンサをフローに追加することができる。
Claims (6)
- 特に無線周波数アプリケーションのための集積回路の製造における、集積回路に含まれる縦型バイポーラ・トランジスタの絶縁のための浅い溝を形成する方法であって、
第1のドーピング型の半導体基板(10)を提供する工程と、
前記基板に、前記バイポーラ・トランジスタの第2のドーピング型の埋込みコレクタ領域(31)を形成する工程と、
前記基板上にシリコン層(41)をエピタキシャル成長させる工程と、
前記バイポーラ・トランジスタの前記第2のドーピング型の能動領域(41)を、前記エピタキシャル成長したシリコン層に形成し、前記能動領域は埋込みコレクタ領域(31)の上に位置する工程と、
浅い溝(51)を前記エピタキシャル成長したシリコン層と前記シリコン基板に形成し、前記浅い溝は前記能動領域を水平面で囲み、前記基板内へ距離(z)を垂直に延ばす工程と、
前記浅い溝を電気的絶縁材料(81)で満たす工程と、
を含む前記浅い溝の形成方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記埋込みコレクタ領域(31)及び前記浅い溝(51)は、前記埋込みコレクタ領域が前記浅い溝の下に位置する領域(x)内に延びるように、互いに形成される、前記方法。
- 請求項1あるいは請求項2に記載の方法において、前記浅い溝は、マスキング及びエッチングによって形成される、前記方法。
- 請求項1から請求項3のいずれかに記載の方法において、前記基板ドーピングはp型であり、前記埋込みコレクタ領域及び前記能動領域ドーピングはn型である、前記方法。
- 請求項4に記載の方法において、前記埋込みコレクタ領域は、好ましくは少なくとも約1E19cm-3の濃度に強度にnドープされ、前記能動領域は、約1E17cm-3以下の濃度、好ましくは約5E16cm-3以下、さらに好ましくは約1E16cm-3以下、そして最も好ましくは約1E16cm-3の濃度にドープされる、前記方法。
- 請求項1から請求項5のいずれかひとつに記載の方法において、深い溝(63)が前記浅い溝(51)において形成され、特に前記浅い溝に自己整合される、前記方法。
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