JP2017509156A - バルク/soiハイブリッド基板上の組込型メモリデバイス及びそれを製作する方法 - Google Patents

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Abstract

半導体デバイスは、シリコン基板を有し、該基板は、絶縁層の上及び下にシリコンを伴う埋設絶縁層(10b)を含む第1の領域(20)、並びに任意のシリコンの下に配置される埋設絶縁層を含まない第2の領域(22)を有する。論理MOSデバイス(62)は、絶縁層の上にあるシリコン(10c)の中の第1の領域の中に形成される。メモリセル(49)は、第2の領域の中に形成され、離間された第2のソース及び第2のドレイン領域(42、48)であって、基板の中に形成され、該領域の間にチャネル領域(47)を画定する、離間された第2のソース領域及び第2のドレイン領域と、チャネル領域の第1の部分の上に配置され、かつそこから絶縁される浮遊ゲート(34)と、チャネル領域の第2の部分の上に配置され、かつそこから絶縁される選択ゲート(44)と、を含む。

Description

本発明は、組込型不揮発性メモリデバイスに関する。
バルクシリコン半導体基板上に形成される不揮発性メモリデバイスは、よく知られている。例えば、米国特許第6,747,310号、第7,868,375号、及び第7,927,994号は、バルク半導体基板上に形成される4つのゲート(浮遊ゲート、制御ゲート、選択ゲート、及び消去ゲート)を有するメモリセルを開示している。ソース及びドレイン領域は、基板の中への拡散注入領域として形成され、基板においてそれらの間にチャネル領域を画定する。浮遊ゲートが、チャネル領域の第1の部分の上に配置され、該領域を制御し、選択ゲートが、チャネル領域の第2の部分の上に配置され、該領域を制御し、制御ゲートが、浮遊ゲートの上に配置され、消去ゲートが、ソース領域の上に配置される。バルク基板は、ソース領域とドレイン領域との接合部を形成するために基板の中への深い拡散を使用することができるので、これらのタイプのメモリデバイスに理想的である。これらの3つの特許は、全ての目的に対して参照により本明細書に組み込まれる。
シリコンオンインシュレータ(SOI)デバイスは、マイクロエレクトロニクスの技術分野でよく知られている。SOIデバイスは、固体シリコンである代わりに組込型絶縁層がシリコン表面の下にある(すなわち、シリコン−絶縁体−シリコンである)状態で基板が層状であるという点で、バルクシリコン基板デバイスとは異なる。SOIデバイスの場合、シリコン基板に組み込まれる電気絶縁体の上に配置される薄いシリコン層の中に、シリコン接合が形成される。絶縁体は、典型的に、二酸化ケイ素(酸化物)である。この基板構成は、寄生デバイス静電容量を低減させ、それによって、性能が向上する。SOI基板は、SIMOX(酸素イオンビーム注入を使用した酸素の注入による分離−米国特許第5,888,297号及び第5,061,642号を参照されたい)、ウエハボンディング(酸化シリコンと第2の基板とをボンディングし、第2の基板大部分を除去する−米国特許第4,771,016号を参照されたい)、又はシーディング(最上のシリコン層を絶縁体上に直接成長させる−米国特許第5,417,180号を参照されたい)によって製造することができる。これらの4つの特許は、全ての目的に対して参照により本明細書に組み込まれる。
高電圧の入力/出力及び/又はアナログデバイスなどのコア論理デバイスを、不揮発性メモリデバイスとして同じ基板上に形成することが知られている(すなわち、一般的には、組込型メモリデバイスと称される)。デバイスのジオメトリが縮小し続けていることから、これらのコア論理デバイスは、SOI基板の利点から大きな利益を享受することができる。しかしながら、不揮発性メモリデバイスは、SOI基板に貢献していない。SOI基板上に形成されるコア論理デバイスの利点を、バルク基板上に形成されるメモリデバイスと組み合わせることが必要である。
半導体デバイスは、シリコン基板であって、該基板が絶縁層の上及び下にシリコンを伴う埋設絶縁層を含む第1の領域を有し、また、該基板が任意のシリコンの下に配置される埋設絶縁層を含まない第2の領域を有する、シリコン基板を含む。論理デバイスは、第1の領域の中に形成され、論理デバイスの各々が、絶縁層の上にあるシリコンの中に形成される離間されたソース領域及びドレイン領域と、絶縁層の上及びソース領域とドレイン領域との間にあるシリコンの一部分の上に形成され、かつそこから絶縁される導電性ゲートと、を含む。メモリセルは、第2の領域の中に形成され、メモリセルの各々が、基板の中に形成される離間された第2のソース領域及びドレイン領域であって、該領域の間にチャネル領域を画定する、離間された第2のソース領域及びドレイン領域と、チャネル領域の第1の部分の上に形成され、かつそこから絶縁される浮遊ゲートと、チャネル領域の第2の部分の上に形成され、かつそこから絶縁される選択ゲートと、を含む。
半導体デバイスを形成する方法は、絶縁層の上及び下にシリコンを伴う埋設絶縁層を含むシリコン基板を提供することと、基板の第1の領域の中の埋設絶縁層を維持しながら、基板の第2の領域から埋設絶縁層を除去することと、論理デバイスを基板の第1の領域の中に形成することであって、絶縁層の上にあるシリコンの中に形成される離間されたソース領域及びドレイン領域と、絶縁層の上及びソース領域とドレイン領域との間にあるシリコンの一部分の上に形成され、かつそこから絶縁される導電性ゲートと、を含む、形成することと、メモリセルを基板の第2の領域の中に形成することであって、メモリセルの各々が、基板の中に形成される離間された第2のソース領域及びドレイン領域であって、該領域の間にチャネル領域を画定する、離間された第2のソース領域及びドレイン領域と、チャネル領域の第1の部分の上に形成され、かつそこから絶縁される浮遊ゲートと、チャネル領域の第2の部分の上に形成され、かつそこから絶縁される選択ゲートと、を含む、形成することと、を含む。
本発明の他の目的及び特徴は、明細書、請求項、付属の図面を見直すことにより明らかになるであろう。
本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる次の加工工程加工工程を例示する側断面図である。 本構造のメモリ領域について、図10Aの側断面図に対して直角の側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる次の加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる次の加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる次の加工工程を順番に例示する側断面図である。 本発明の組込型メモリデバイスを製造するために行われる次の加工工程を順番に例示する側断面図である。 本構造のコア論理領域及びメモリ領域について、図14の側断面図に対して直角の側面断面図である。
本発明は、不揮発性メモリセルがコア論理デバイスと並んでSOI基板上に形成される、組込型メモリデバイスである。組込型絶縁体は、不揮発メモリが形成されるSOI基板のメモリ領域から除去される。図1に例示されるように、SOI基板上に組込型メモリデバイスを形成するプロセスは、SOI基板10を提供することから始める。SOI基板は、3つの部分、すなわち、シリコン10aと、シリコン10aの上の絶縁材料の層10b(例えば、酸化物)と、絶縁層10bの上のシリコンの薄層10cとを含む。SOI基板を形成することは、上で説明される当該技術分野及び上で特定される米国特許においてよく知られており、したがって、本明細書で更に説明されない。
二酸化ケイ素(酸化物)などの第1の絶縁材料の層12が、シリコン10cの上に形成される層12は、例えば、酸化によって、又は蒸着(例えば、化学気相蒸着CVD)によって形成することができる。窒化ケイ素(窒化物)などの第2の絶縁材料の層14が、層12の上に形成される。フォトリソグラフィプロセスが行われ、該プロセスは、窒化物14の上にフォトレジスト材料を形成することと、その後の、光マスクを使用してフォトレジスト材料を選択的に光に露出することと、その後の、フォトレジスト材料の一部分を選択的に除去して、窒化物層14の一部分を露出することとを含む。フォトリソグラフィは、当該技術分野でよく知られている。次いで、それらの露出した領域において一連のエッチングを行って、窒化物14、酸化物12、シリコン10c、酸化物10b、及びシリコン10aを除去して(すなわち、窒化物エッチングして酸化物12を露出し、酸化物エッチングしてシリコン10cを露出し、シリコンエッチングして酸化物10bを露出し、酸化物エッチングしてシリコン10aを露出し、シリコンエッチングして)、層14、12、10c、10bを通ってシリコン10の中へ下方に延在するトレンチ16を形成する。フォトレジスト材料を除去した後に、酸化物蒸着及び酸化物エッチング(例えば、エッチングストップとして窒化物14を使用する、化学機械的研磨CMP)によって、トレンチ16に絶縁材料18(例えば、酸化物)を充填すると、図2に示される構造が得られる。絶縁材料18は、基板10のコア論理領域20及びメモリ領域22の分離領域としての役割を果たす。
次に、窒化物エッチングを行って、窒化物14を除去する。フォトリソグラフィプロセスを行って、構造の上にフォトレジストを形成し、その後に、マスキング工程を行い、該工程では、フォトレジストをメモリ領域22から除去するが、構造のコア論理領域20からは除去しない。露出したメモリ領域22において一連のエッチングを行って、酸化物12、シリコン10c、及び酸化物10bを除去する(すなわち、酸化物18の間に、シリコン10aまで下方に延在するトレンチ24を形成する)。次いで、フォトレジストを除去すると、図3の構造が得られる。図4に例示されるように、次いで、選択的なエピタキシャルシリコン成長プロセスを(すなわち、シリコン10aに対して)行って、コア論理領域20の中のシリコン層10cのレベルまで、メモリ領域22の中のトレンチ24の中にシリコンを形成する。本質的に、このシリコン成長プロセスは、シリコン層10cのレベルまで、シリコン10aを延在させる。したがって、SOI基板10の組込型酸化物10bは、コア論理領域20の中に維持しながら、メモリ領域22から効果的に除去される。
この地点から前方へ、コア論理デバイスをコア論理領域20の中のシリコン層10c上に形成することができ、メモリデバイスをメモリ領域22の中のシリコン10a上に形成することができる。次に、図4の構造から始まる例示的なコア論理デバイス及びメモリデバイスを形成する工程を説明する。酸化物蒸着又は酸化工程を使用して、基板10a上に酸化物層26を形成する。図5に例示されるように、窒化物などの絶縁層28を構造の上(すなわち、酸化物12、18、及び26の上)に形成する。次いで、フォトレジスト30を構造全体の上に蒸着させ、その後に、フォトリソグラフィプロセスを行い、フォトレジスト30をコア論理領域20の中に保持しながら、メモリ領域22の中では除去する。次いで、窒化物エッチング(例えば、等方性窒化物エッチング)を使用して、メモリ領域22の中の露出した窒化物28を除去する。得られる構造を図6に示す。
図7に示されるように、フォトレジスト30を除去した後に、酸化物エッチングを使用して、メモリ領域22から酸化物26を除去する。酸化物エッチングはまた、メモリ領域22の中の酸化物18の高さも低減させる。次いで、図8に示されるように、酸化物形成工程(例えば、酸化)を使用して、メモリ領域22の中の基板10a上に酸化物層32を形成する(浮遊ゲートがその上に形成される酸化物となる)。構造の上にポリシリコンを形成し、その後に、ポリ除去(例えば、CMP)を行い、コア論理領域20及びメモリ領域22の双方にポリ層34を残す。好ましくは、必ずしもそうではないが、メモリ領域22の中のポリ34及び酸化物18の頂面は、同一平面上である(すなわち、ポリ除去のためのエッチングストップとして酸化物18を使用する)。得られる構造を図9に示す。
次に、一連の加工工程を行って、メモリ領域22におけるメモリセルの形成を完了するが、該加工工程は、当該技術分野でよく知られている。具体的には、ポリ34が浮遊ゲートを形成する。絶縁層36(例えば、酸化物)をポリ34の上に形成する。導電性制御ゲート38を酸化物36上に形成し、ハードマスク材料40(例えば、窒化物、酸化物、及び窒化物の複合層)を制御ゲート38の上に形成する。基板10aにおいて浮遊ゲートの一方にソース拡散42を形成する。選択ゲート44は、浮遊ゲート34のもう一方に、基板10aの上に形成され、かつそこから絶縁される。消去ゲート46をソース領域42の上に形成する。基板10aにおいて選択ゲート44に隣接してドレイン拡散48を形成する。ソース領域42及びドレイン領域48は、それらの間にチャネル領域47を画定し、浮遊ゲート34がチャネル領域47の第1の部分の上に配置され、該部分を制御し、選択ゲート44がチャネル領域47の第2の部分の上に配置され、該部分を制御する。これらのメモリセルの形成は、当該技術分野で知られており(上で参照することによって本明細書に組み込まれる、米国特許第6,747,310号、第7,868,375号、及び第7,927,994号を参照されたい)、本明細書では更に説明しない。得られる構造を図10A及び10Bに示す(図10Bは、メモリ領域22の中に形成されるメモリセル49の図10Aの図に対して直角の図である)。メモリセル49は、浮遊ゲート34と、制御ゲート38と、ソース領域42と、選択ゲート44と、消去ゲート46と、ドレイン領域48とを有する。メモリセルの加工工程は、最終的には、図10Aに例示されるように、コア論理領域20からポリ34を除去し、窒化物層28の上に絶縁層50(例えば、高温酸化物層−HTO)を加える。
フォトレジスト52を構造の上に形成し、フォトリソグラフィプロセスを使用してコア論理領域20のみから除去する。図11に示されるように、酸化物エッチング及び窒化物エッチングを行って、コア論理領域20から酸化物層50及び窒化物層28を除去する。酸化物エッチング(例えば、ドライ及びウェット)を行って、コア論理領域20から酸化物層12を除去する(また、酸化物18の頂部まで除去する)。次いで、フォトレジスト52を除去すると、図12に例示される構造が得られる。薄い絶縁層を、露出したシリコン層10c(例えば、酸化を介した酸化物)上に形成し、これが、コア論理デバイスのためのゲート酸化物となる。次いで、図13に例示されるように、ポリシリコン層56を構造上に形成する。図14に示されるように、フォトリソグラフィプロセスを使用して、ポリ層56上に(酸化物18の上に配置される)フォトレジストのブロックを形成し、その後に、ポリエッチングプロセスを行い、コア論理領域20の中にポリブロック56aを残す。ポリブロック56aは、コア論理デバイスのための論理ゲートを領域20の中に形成する。図15(図14の図に対して直角の図)に示されるように、好適なソース拡散領域58及びドレイン拡散領域60を薄いシリコン層10cの中に形成して、論理デバイス62を完成させる。
上で説明される製造プロセスは、メモリセル49及びコア論理デバイスを同じSOI基板上に形成し、SOI基板10の組込型絶縁層10bが、メモリ領域22から効果的に除去される。この構成は、メモリセルのソース領域42及びドレイン領域48が、コア論理領域20の中のソース領域58及びドレイン領域60よりも深く、基板の中へ延在することを可能にする(すなわち、ソース領域42及びドレイン領域48を、シリコン層10cの厚さよりも深く、したがって、コア論理領域の中の絶縁層10bの頂面よりも深く、更には、コア論理領域の中の絶縁層10bの底面よりも深く延在させることができる)。
本発明は、図示された上記実施例(複数可)に限定されるものではなく、添付の請求の範囲にあるあらゆる全ての変形例も包含することが理解されよう。例えば、本明細書における本発明への言及は、いかなる特許請求の範囲又は特許請求の範囲の用語も限定することを意図するものではなく、代わりに特許請求の範囲の1つ以上によって網羅され得る1つ以上の特徴に言及するにすぎない。上述の材料、プロセス、及び数値例は、単なる例示であり、請求項を限定するものと見なされるべきではない。更に、特許請求の範囲及び明細書から明らかなように、全ての方法の工程が例示又は特許請求された正確な順序で実施される必要はなく、むしろ任意の順序であっても本発明のメモリセル領域及びコア論理領域の適切な形成が可能である。メモリセル49は、上で説明され、図面に例示されるよりも多い又は少ないゲートを含むことができる。最後に、単一層の材料をそのような又は同様の材料の複数層として形成することができ、逆もまた同様である。
本明細書で使用される場合、「の上に(over)」及び「の上に(on)」という用語は両方とも、「の上に直接」(中間材料、要素、又は空間がそれらの間に何ら配置されない)と、「の上に間接的に」(中間材料、要素、又は空間がそれらの間に配置される)と、を包括的に含むことに留意するべきである。同様に、「隣接する」という用語は、「直接隣接する」(中間材料、要素、又は空間がそれらの間に何ら配置されない)、及び「間接的に隣接する」(中間材料、要素、又は空間がそれらの間に配置される)を含む。例えば、要素を「基板の上に」形成することは、その要素を基板の上に直接、中間材料/要素をそれらの間に何ら伴わずに、形成すること、並びにその要素を基板の上に間接的に、1つ以上の中間材料/要素をそれらの間に伴って、形成することを含み得る。

Claims (20)

  1. 半導体デバイスであって、
    シリコン基板であって、前記基板が絶縁層の上及び下にシリコンを伴う前記埋設絶縁層を含む第1の領域を有し、かつ前記基板が任意のシリコンの下に配置される埋設絶縁層を含まない第2の領域を有する、シリコン基板と、
    前記第1の領域の中に形成される論理デバイスであって、前記論理デバイスの各々が、
    前記絶縁層の上にある前記シリコンの中に形成される離間されたソース領域及びドレイン領域と、
    前記絶縁層の上及び前記ソース領域と前記ドレイン領域との間にある前記シリコンの一部分の上に形成され、かつそこから絶縁される導電性ゲートと、を含む、論理デバイスと、
    前記第2の領域の中に形成されるメモリセルであって、前記メモリセルの各々が、
    離間された第2のソース領域及び第2のドレイン領域であって、前記基板の中に形成され、該領域の間にチャネル領域を画定する、離間された第2のソース領域及び第2のドレイン領域と、
    前記チャネル領域の第1の部分の上に配置され、かつそこから絶縁される浮遊ゲートと、
    前記チャネル領域の第2の部分の上に配置され、かつそこから絶縁される選択ゲートと、を含む、メモリセルと、備える、半導体デバイス。
  2. 前記第2の領域の中に形成される前記第2のソース領域及びドレイン領域が、前記第1の領域の中に形成される前記ソース領域及びドレイン領域よりも深く、前記基板の中へ延在する、請求項1に記載の半導体デバイス。
  3. 前記第2の領域の中に形成される前記第2のソース領域及びドレイン領域が、前記第1の領域の中の前記埋設絶縁層の上に配置される前記シリコンの厚さよりも深く、前記基板の中へ延在する、請求項2に記載の半導体デバイス。
  4. 前記第2の領域の中に形成される前記第2のソース領域及びドレイン領域が、前記第1の領域の中の前記埋設絶縁層の頂面の深さよりも深く、前記基板の中へ延在する、請求項2に記載の半導体デバイス。
  5. 前記第2の領域の中に形成される前記第2のソース領域及びドレイン領域が、前記第1の領域の中の前記埋設絶縁層の底面の深さよりも深く、前記基板の中へ延在する、請求項2に記載の半導体デバイス。
  6. 前記メモリセルの各々が、
    前記浮遊ゲートの上に配置され、かつそこから絶縁される制御ゲートと、
    前記ソース領域の上に配置され、かつそこから絶縁される消去ゲートと、を更に備える、請求項1に記載の半導体デバイス。
  7. 前記基板の前記第1の領域が、
    前記埋設絶縁層の上にある前記シリコンを通って、前記埋設絶縁層を通って、前記埋設絶縁層の下にある前記シリコンの中へ延在する絶縁材料で各々が形成される、分離領域を更に備える、請求項1に記載の半導体デバイス。
  8. 前記基板の前記第2の領域が、
    前記シリコン基板の中へ延在する絶縁材料で各々が形成される、第2の分離領域を更に備える、請求項7に記載の半導体デバイス。
  9. 半導体デバイスを形成する方法であって、
    絶縁層の上及び下にシリコンを伴う前記埋設絶縁層を含むシリコン基板を提供することと、
    前記基板の第1の領域の中の前記埋設絶縁層を維持しながら、前記基板の第2の領域から前記埋設絶縁層を除去することと、
    論理デバイスを前記基板の前記第1の領域の中に形成することであって、前記論理デバイスの各々が、
    前記絶縁層の上にある前記シリコンの中に形成される離間されたソース領域及びドレイン領域と、
    前記絶縁層の上及び前記ソース領域とドレイン領域との間にある前記シリコンの一部分の上に形成され、かつそこから絶縁される導電性ゲートと、を含む、形成することと、
    前記メモリセルを前記基板の前記第2の領域の中に形成することであって、前記メモリセルの各々が、
    離間された第2のソース領域及び第2のドレイン領域であって、前記基板の中に形成され、該領域の間にチャネル領域を画定する、離間された第2のソース領域及び第2のドレイン領域と、
    前記チャネル領域の第1の部分の上に形成され、かつそこから絶縁される浮遊ゲートと、
    前記チャネル領域の第2の部分の上に形成され、かつそこから絶縁される選択ゲートと、を含む、形成することと、を含む、方法。
  10. 前記基板の前記第2の領域の中の前記埋設絶縁層を前記除去することは、
    前記第2の領域の中の前記埋設絶縁層の上の前記シリコンを除去することと、
    前記第2の領域の中の前記埋設絶縁層を除去することと、
    前記埋設絶縁層及びシリコンを除去した場所で前記基板上にシリコンを成長させることと、を含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記第2の領域の中に形成される前記第2のソース領域及びドレイン領域が、前記第1の領域の中に形成される前記ソース領域及びドレイン領域よりも深く、前記基板の中へ延在する、請求項9に記載の方法。
  12. 前記第2の領域の中に形成される前記第2のソース領域及びドレイン領域が、前記第1の領域の中の前記埋設絶縁層の上に配置される前記シリコンの厚さよりも深く、前記基板の中へ延在する、請求項11に記載の方法。
  13. 前記第2の領域の中に形成される前記第2のソース領域及びドレイン領域が、前記第1の領域の中の前記埋設絶縁層の頂面の深さよりも深く、前記基板の中へ延在する、請求項11に記載の方法。
  14. 前記第2の領域の中に形成される前記第2のソース領域及びドレイン領域が、前記第1の領域の中の前記埋設絶縁層の底面の深さよりも深く、前記基板の中へ延在する、請求項11に記載の方法。
  15. 前記メモリセルの各々が、
    前記浮遊ゲートの上に形成され、かつそこから絶縁される制御ゲートと、
    前記ソース領域の上に形成され、かつそこから絶縁される消去ゲートと、を更に備える、請求項9に記載の方法。
  16. 前記埋設絶縁層の上にある前記シリコンを通って、前記埋設絶縁層を通って、前記埋設絶縁層の下にある前記シリコンの中へ延在する絶縁材料を各々が含む分離領域を、前記第1の領域の中に形成することを更に含む、請求項9に記載の方法。
  17. 前記シリコン基板の中へ延在する第2の絶縁材料を各々が含む第2の分離領域を、前記第2の領域の中に形成することを更に含む、請求項16に記載の方法。
  18. 前記分離領域を前記形成すること、及び前記第2の分離領域を前記形成することが、前記基板の前記第2の領域から前記埋設絶縁層を前記除去する前に行われる、請求項17に記載の方法。
  19. 前記第1の領域の中に前記分離領域を前記形成することが、
    前記埋設絶縁層の上の前記シリコンを通って、前記埋設絶縁層を通って、前記埋設絶縁層の下の前記シリコンの中へ延在するトレンチを形成することと、前記トレンチに前記絶縁材料を充填することと、を含む、請求項18に記載の方法。
  20. 前記第2の領域の中に前記第2の分離領域を前記形成することが、
    前記シリコン基板の中へ延在する第2のトレンチを形成することと、
    前記第2のトレンチに前記第2の絶縁材料を充填することと、を含む、請求項19に記載の方法。
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