TW202010124A - Semiconductor devices and methods for forming same - Google Patents
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Abstract
Description
本發明實施例是關於半導體製造技術,特別是有關於半導體裝置及其製造方法。 The embodiments of the present invention relate to semiconductor manufacturing technologies, and in particular, to semiconductor devices and manufacturing methods thereof.
隨著半導體裝置尺寸的微縮,製造半導體裝置的難度也大幅提升,半導體裝置的製程期間可能產生不想要的缺陷,這些缺陷可能會造成裝置的效能降低或損壞。因此,必須持續改善半導體裝置,以提升良率並改善製程寬裕度。 As the size of semiconductor devices shrinks, the difficulty of manufacturing semiconductor devices also increases greatly. Undesirable defects may be generated during the manufacturing process of semiconductor devices. These defects may cause the performance of the device to be reduced or damaged. Therefore, it is necessary to continuously improve the semiconductor device to improve the yield and improve the process margin.
本發明提供一半導體裝置。此半導體裝置包含基底;介電結構,位於基底上方;以及蓋層,位於介電結構上方,其中蓋層的底部具有M型剖面輪廓,且蓋層與介電結構係由不同的材料形成。 The invention provides a semiconductor device. The semiconductor device includes a substrate; a dielectric structure above the substrate; and a cap layer above the dielectric structure, wherein the bottom of the cap layer has an M-shaped cross-sectional profile, and the cap layer and the dielectric structure are formed of different materials.
本發明另提供一種半導體裝置的製造方法。此方法包含提供基底;在基底上方形成介電結構;在介電結構上方形成具有U型剖面輪廓的第一蓋層;在第一蓋層上方形成第二蓋層,其中第二蓋層在第一蓋層的兩側具有一對足部朝基底延伸,使得第一蓋層和第二蓋層的複數個底部形成M型剖面輪廓。 The invention also provides a method for manufacturing a semiconductor device. This method includes providing a substrate; forming a dielectric structure above the substrate; forming a first cap layer having a U-shaped cross-sectional profile above the dielectric structure; forming a second cap layer above the first cap layer, wherein the second cap layer is located at the first The two sides of a cover layer have a pair of feet extending toward the base, so that a plurality of bottom portions of the first cover layer and the second cover layer form an M-shaped cross-sectional profile.
100‧‧‧基底 100‧‧‧ base
110、120‧‧‧隔離結構 110, 120‧‧‧ isolation structure
130‧‧‧阻障層 130‧‧‧ Barrier layer
140‧‧‧字元線 140‧‧‧ character line
150、200‧‧‧絕緣結構 150、200‧‧‧Insulation structure
185‧‧‧矽化物區 185‧‧‧Silicide area
190‧‧‧襯層 190‧‧‧lining
195‧‧‧第二導電結構 195‧‧‧Second conductive structure
210、210’‧‧‧凹槽 210, 210’‧‧‧ groove
220‧‧‧第一蓋層材料 220‧‧‧First cover material
225、265‧‧‧溝槽 225, 265‧‧‧Trench
230‧‧‧第一蓋層 230‧‧‧First cover
240‧‧‧間隙 240‧‧‧ gap
250‧‧‧第二蓋層材料 250‧‧‧Second cover material
255‧‧‧足部 255‧‧‧foot
160、160A、160B、160C、160D、270‧‧‧介電結構 160, 160A, 160B, 160C, 160D, 270‧‧‧ dielectric structure
165‧‧‧蝕刻停止層 165‧‧‧Etching stop layer
170‧‧‧保護層 170‧‧‧Protective layer
180‧‧‧第一導電結構 180‧‧‧The first conductive structure
260‧‧‧第二蓋層 260‧‧‧Second cover
275‧‧‧空氣間隙 275‧‧‧ Air gap
280‧‧‧電容器 280‧‧‧Capacitor
282‧‧‧下電極層 282‧‧‧Lower electrode layer
284、290‧‧‧介電層 284, 290‧‧‧ dielectric layer
286‧‧‧上電極層 286‧‧‧Upper electrode layer
1000、2000、3000、4000‧‧‧半導體裝置 1000, 2000, 3000, 4000 ‧‧‧ semiconductor device
A、B‧‧‧箭號 A, B‧‧‧Arrow
以下將配合所附圖式詳述本揭露之實施例。應注意的是,依據產業上的標準做法,各種特徵並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上,可能任意地放大或縮小元件的尺寸,以清楚地表現出本揭露的特徵。 The embodiments of the present disclosure will be described in detail below in conjunction with the accompanying drawings. It should be noted that, according to industry standard practices, various features are not drawn to scale and are for illustrative purposes only. In fact, the size of the elements may be arbitrarily enlarged or reduced to clearly show the features of the present disclosure.
第1A-1E圖根據本發明一些實施例繪示在製造半導體裝置的各個階段之剖面示意圖。 1A-1E are schematic cross-sectional views at various stages of manufacturing a semiconductor device according to some embodiments of the present invention.
第2A-2E圖根據本發明另一些實施例繪示在製造半導體裝置的各個階段之剖面示意圖。 2A-2E are schematic cross-sectional views at various stages of manufacturing a semiconductor device according to other embodiments of the present invention.
第3-4圖根據本發明又一些實施例繪示半導體裝置的剖面示意圖。 FIGS. 3-4 are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to still other embodiments of the present invention.
以下概述一些實施例,使本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更容易理解本發明。然而,這些實施例並非用於限制本發明。可以理解的是,本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以根據需求調整以下描述的實施例,例如改變製程順序及/或包含比在此描述的更多或更少步驟。 The following summarizes some embodiments so that those with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can more easily understand the present invention. However, these examples are not intended to limit the invention. It can be understood that those with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can adjust the embodiments described below according to needs, for example, changing the process sequence and/or including more or fewer steps than described herein.
此外,可以在以下敘述的實施例的基礎上添加其他元件。舉例來說,「在第一元件上形成第二元件」的描述可能包含第一元件與第二元件直接接觸的實施例,也可能包含第一元件與第二元件之間具有其他元件,使得第一元件與第二元件不直接接觸的實施例,並且第一元件與第二元件的上下關係可能隨著裝置在不同方位操作或使用而改變。 In addition, other elements may be added on the basis of the embodiments described below. For example, the description of "forming a second element on a first element" may include an embodiment where the first element and the second element are in direct contact, or may include other elements between the first element and the second element, so that An embodiment in which an element does not directly contact the second element, and the up-down relationship of the first element and the second element may change as the device is operated or used in different orientations.
本發明利用具有M型底部輪廓的蓋層,以保護底 下的膜層,避免受到例如蝕刻製程等後續製程的影響而暴露出來,產生不想要的漏電或短路的路徑,進而提升半導體裝置的良率。在以下的實施例中,是以記憶體裝置的製作為例進行說明,但本發明之蓋層也可應用在其他半導體元件的製作,例如類比/邏輯電路、光電半導體、微機電系統等。 The present invention uses a capping layer with an M-shaped bottom profile to protect the underlying film layer from being exposed to subsequent processes such as an etching process and generating undesirable leakage or short-circuit paths, thereby improving the yield of semiconductor devices . In the following embodiments, the fabrication of a memory device is taken as an example for description, but the cap layer of the present invention can also be applied to the fabrication of other semiconductor devices, such as analog/logic circuits, optoelectronic semiconductors, and micro-electromechanical systems.
第1A-1H圖是根據一些實施例繪示在製造半導體裝置1000的各個階段之剖面示意圖。如第1A圖所示,首先提供基底100。可以使用任何適用於半導體裝置的基底材料,並且可以是整塊的半導體基底或包含由不同材料形成的複合基底。另外,基底100上也可能預先形成有不同的半導體元件。 FIGS. 1A-1H are schematic cross-sectional views illustrating various stages of manufacturing a
在一些實施例中,如第1A圖所示,在基底100中形成隔離結構110和隔離結構120,其中隔離結構110和隔離結構120沿著相同方向延伸,且隔離結構110位於相鄰的隔離結構120之間的基底100中。在一些實施例中,隔離結構110和隔離結構120可以各自獨立地包含單層、雙層或多層結構。 In some embodiments, as shown in FIG. 1A, an
在一些實施例中,隔離結構110和隔離結構120的形成包含使用蝕刻製程形成溝槽,然後藉由沉積製程在溝槽中填入隔離結構110和隔離結構120的絕緣材料。沉積製程可包含化學氣相沉積製程或電漿增強化學氣相沉積製程。隔離結構110和隔離結構120的絕緣材料可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、前述之組合或類似的材料。並且,隔離結構110和隔離結構120可以選用相同或不同的材料。 In some embodiments, the formation of the
然後藉由蝕刻製程和沉積製程,在隔離結構120中形成阻障層130、字元線140和絕緣結構150。阻障層130可 包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、前述之組合或類似的材料。字元線140可包含導電材料,例如非晶矽、多晶矽、金屬、金屬矽化物、金屬氮化物、導電金屬氧化物、前述之組合或類似的材料。絕緣結構150可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、前述之組合或類似的材料。 Then, through an etching process and a deposition process, a
如第1B圖所示,接著,在基底102上方依序形成蝕刻停止層165和介電層160。介電層160為一層間介電層,且可包含磷矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、摻雜氟的矽酸鹽玻璃、摻雜硼的磷矽酸鹽玻璃、未摻雜的矽酸鹽玻璃、四乙氧基矽烷氧化物、低介電常數材料、氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、旋塗式玻璃、前述之組合或類似的材料。蝕刻停止層165可包含氮化矽、氮氧化矽、前述之組合或類似的材料。在一實施例中,介電層160和蝕刻停止層165的形成可包含沉積製程,例如化學氣相沉積、旋轉塗佈或類似的製程。 As shown in FIG. 1B, next, an
接著藉由例如圖案化製程形成穿過介電層160和蝕刻停止層165的開口以露出基底,並且在此開口中形成保護層170、第一導電結構180、矽化物區185、襯層190和第二導電結構195,其中保護層170覆蓋介電層160和蝕刻停止層165的兩側,以保護介電層160免於在形成第一導電結構180、矽化物區185、襯層190和第二導電結構195的製程期間受到損傷。保護層170可包含氮化矽、氮氧化矽、前述之組合或類似的材料,並可使用例如化學氣相沉積製程形成保護層170。 Next, an opening through the
然後可以藉由沉積製程和回蝕刻製程形成第一導電結構180。第一導電結構180可以包含半導體材料,例如摻 雜或未摻雜的多晶矽。在一實施例中,第一導電結構180可以包含金屬材料,例如銅、鋁、鎢、前述之組合或類似的金屬材料。之後在第一導電結構180上依序形成矽化物區185、襯層190和第二導電結構195,其中矽化物區185的形成是選擇性的(selective)。在第一導電結構180包含多晶矽的實施例中,第一導電結構180上具有矽化物區185。襯層190的材料可以包含氮化鈦、氮化鉭、氮化鎢、前述之組合或類似的材料。第二導電結構195可以包含金屬材料,例如鎢、銅、鋁、金、鉻、鎳、鉑、鈦、前述之組合或類似的金屬材料。 Then, the first
接著蝕刻出穿過第一導電結構180、矽化物區185、襯層190和第二導電結構195的開口,以露出基底100中的隔離結構110。並在開口中沉積絕緣材料,以形成絕緣結構200。 Then, the openings through the first
然後,可藉由蝕刻製程凹蝕介電結構160,以在介電結構160上方形成用於保護介電結構160的蓋層。如第1C圖所示,蝕刻製程在介電結構160的中間部分凹蝕出凹槽,形成具有頂部凹槽210的介電結構160A。蝕刻製程可包含乾式蝕刻製程,例如反應性離子蝕刻、電子迴旋共振式蝕刻、感應耦合式電漿蝕刻、中子束蝕刻或類似的蝕刻製程。此外,凹槽210的形狀不限於圖中的U型,也可以是V形或其他形狀。 Then, the
然後,如第1D圖所示,可藉由沉積製程在凹槽210中過填充第一蓋層材料220。沉積製程可包含原子層沉積、化學氣相沉積、前述之組合或類似的製程。第一蓋層材料220可包含與介電結構160A具有不同蝕刻選擇比的材料。在一實施例中,第一蓋層材料220可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、 碳化矽、氮碳化矽、前述之組合或類似的材料。 Then, as shown in FIG. 1D, the
接著在此結構上形成電容器。如第1E圖所示,在第一蓋層材料220上方形成介電層270,然後蝕刻介電層270,形成露出第二導電結構195的溝槽225,以在其中製作電容器。 Next, a capacitor is formed on this structure. As shown in FIG. 1E, a
然而,此時可能會由於製程變異等問題,使得鄰近的介電結構160A暴露出來,產生不想要的漏電或短路路徑(如箭號A所示),造成半導體裝置1000損壞。因此,本發明進一步提供以下的實施例,改善上述問題。 However, at this time, due to process variation and other problems, the
第2A-2E圖是根據一些其他實施例繪示半導體裝置2000的剖面示意圖。第2A圖係接續第1D圖的製程步驟,為簡化起見,以下以相同符號描述相同元件。這些元件的形成方式和材料如前所述,故不再贅述。相較於第1A-1E圖的實施例而言,以下的實施例將進一步調整蓋層的形狀,以防止介電結構160A受到後續蝕刻而暴露出來。 2A-2E are schematic cross-sectional views of the
如第2A圖所示,可以回蝕刻第一蓋層材料220,直到露出介電結構160A的複數個周圍部分,並且形成第一蓋層230以及在第一蓋層230上方的凹槽210’。在一實施例中,第一蓋層材料220的回蝕刻可選用乾式蝕刻製程,例如反應性離子蝕刻、電子迴旋共振式蝕刻、感應耦合式電漿蝕刻、中子束蝕刻、前述之組合或類似的蝕刻製程。 As shown in FIG. 2A, the
此外,第一蓋層230的上表面的形狀不限於圖式中的凹面,也可以是凸面、大致上水平的平面或其他形貌,且第一蓋層230的底部的形狀不限於U型剖面輪廓,也可以是V形或其他形狀。 In addition, the shape of the upper surface of the
然後,如第2B圖所示,可藉由蝕刻製程,使用第一蓋層230作為遮罩,蝕刻介電結構160A被第一蓋層230露出的這些周圍部分,以在第一蓋層230的兩側形成間隙240。在一些實施例中,這些間隙240的底部不低於第一蓋層230的底部。蝕刻後的介電結構160A形成介電結構160B。相較於介電結構160A,介電結構160B具有降低的頂部高度。在一實施例中,蝕刻製程可包含對第一蓋層230和介電結構160A具有不同蝕刻速率的乾式蝕刻製程及/或濕式蝕刻製程。 Then, as shown in FIG. 2B, the surrounding portion of the
然後,如第2C圖所示,藉由沉積製程在第一蓋層230上方的凹槽210’和這些間隙240中過填充第二蓋層材料250,用於隔開介電結構160B的頂部與保護層170的頂部,以保護介電結構160B不受後續製程的影響而產生缺陷,提升半導體裝置2000的良率。 Then, as shown in FIG. 2C, the second capping material 250 is overfilled in the grooves 210' above the
如第2C圖所示,在這些間隙240中沉積的第二蓋層材料250形成朝基底100延伸的一對足部255,且這對足部255的底部與第一蓋層230的底部形成M型剖面輪廓。此外,由於蝕刻製程移除第一蓋層230上方的一部分的介電結構160A,這對足部255的第二蓋層材料250的邊緣與介電結構160B的邊緣在保護層170上形成共同側壁。 As shown in FIG. 2C, the second capping material 250 deposited in these
在一實施例中,第二蓋層材料250的沉積製程可包含原子層沉積、化學氣相沉積、前述之組合或類似的製程。在一實施例中,第二蓋層材料250可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、氮碳化矽、前述之組合或類似的材料。在一特定實施例中,第二蓋層材料250可以選用與第一蓋層230 相同的材料,例如氮化矽。在其他實施例中,第二蓋層材料250可以選用與第一蓋層230不同的材料。應理解的是,雖然圖式中並未繪示第一蓋層230和第二蓋層材料250之間的界面,但在第二蓋層材料250選用與第一蓋層230不同的材料的實施例中,第一蓋層230和第二蓋層材料250之間具有界面。 In one embodiment, the deposition process of the second capping material 250 may include atomic layer deposition, chemical vapor deposition, a combination of the foregoing, or a similar process. In an embodiment, the second capping material 250 may include silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon carbide, silicon nitride carbide, a combination of the foregoing, or similar materials. In a particular embodiment, the second capping material 250 may be the same material as the
然後,如第2D圖所示,在第二蓋層材料250上方形成介電層270,接著蝕刻介電層270,形成露出第二導電結構195的溝槽265,以在其中製作電容器。由於此時的介電結構160B的頂部受到蓋層的保護,此蓋層係包含第一蓋層230和第二蓋層260的複合式蓋層,因此不會暴露出來而產生不想要的漏電或短路路徑(如箭號B所示)因此可以提升半導體裝置2000的良率。 Then, as shown in FIG. 2D, a
在一些實施例中,介電結構270的材料可包含摻雜或未摻雜的介電材料,例如磷矽酸鹽玻璃、硼矽酸鹽玻璃、摻雜氟的矽酸鹽玻璃、摻雜硼的磷矽酸鹽玻璃、未摻雜的矽酸鹽玻璃、四乙氧基矽烷氧化物、低介電常數材料、氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、旋塗式玻璃、氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、前述之組合或類似的材料,並且可以藉由沉積製程形成介電結構270。此外,第二蓋層260的頂部的形狀不限於圖式中的大致上平坦的上表面,也可以是凸的、凹的或其他形貌,且第二蓋層260的側壁的形狀不限於圖式中的傾斜側壁,也可以是大致上垂直的側壁或其他形貌。 In some embodiments, the material of the
然後如第2E圖所示,依序形成電容器280的下電極層282、介電層284和上電極層286,並接著填充溝槽265的 剩餘空間,形成覆蓋電容器280的介電層290。下電極層282和上電極層286的材料可以包含金屬材料,例如鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭。介電層284的材料可以包含具有高介電常數的介電材料,例如氧化鋯、氧化鋁、前述之組合或類似的介電材料。介電層290的材料可以包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、前述之組合或類似的材料,並且可以藉由沉積製程形成介電層290。 Then, as shown in FIG. 2E, the
如上所述,本發明通過在半導體裝置2000中設置包含第一蓋層230和第二蓋層260的複合式蓋層,其中第一蓋層230的底部和第二蓋層260的底部共同形成M型剖面輪廓,因此可以保護介電結構160B的頂部不在後續蝕刻製程中暴露出來而形成漏電或短路的路徑,提升半導體裝置2000的良率。 As described above, the present invention provides a compound cap layer including the
值得一提的是,雖然在第2A-2E圖中蓋層的M型剖面輪廓的中間底部低於兩側(足部255)的底部,但本發明不限於此。本發明亦可在第2B圖蝕刻介電結構160A的多個周圍部分以形成間隙240的過程中,控制間隙240進一步向下延伸以使得兩側(足部255)的底部低於中間的底部,以確保後續形成的蓋層255可覆蓋住介電結構160C(如第3圖所示),使得介電結構160C不會在後續蝕刻製程中暴露出來而產生漏電或短路的路徑,提升半導體裝置3000的良率。 It is worth mentioning that although the middle bottom of the M-shaped cross-sectional profile of the cap layer in FIGS. 2A-2E is lower than the bottom of the two sides (foot 255), the present invention is not limited to this. The present invention can also control the
第4圖是根據又另一些實施例繪示半導體裝置4000的剖面示意圖。相似地,第4圖所示實施例的製作步驟大致與第2A-2E相同,差異在於在第2B圖蝕刻介電結構160A的多個周圍部分以形成間隙240的過程中,係蝕刻介電結構160A直到這些間隙240的底部穿過介電結構160A,並且露出介電結 構160A底下的蝕刻停止層165。其中,經上述蝕刻製程後的介電結構以160D表示。接著,在第2C圖在間隙240中沉積的第二蓋層材料250以形成朝基底100延伸的一對足部255的過程中,可僅在間隙240的上半部形成足部255以形成空氣間隙275。在本實施例中,由於半導體裝置4000更具有空氣間隙275,因此可進一步降低位元線對位元線(bit line to bit line)的寄生電容。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a
如上所述,本發明藉由兩次蝕刻製程和兩次沉積製程,在半導體裝置中形成具有M型剖面輪廓的蓋層,因此可避免介電結構在後續的蝕刻製程中暴露出來而產生漏電或短路的路徑,造成半導體裝置損壞。因此,本發明在半導體裝置中設置包含第一蓋層和第二蓋層的複合式蓋層可以提升半導體裝置的良率。此外,具有M型底部輪廓的蓋層可以完整覆蓋介電結構,因此可以改善製程寬裕度。 As described above, the present invention uses two etching processes and two deposition processes to form a capping layer with an M-shaped cross-sectional profile in the semiconductor device, thus preventing the dielectric structure from being exposed during subsequent etching processes and causing leakage or The short circuit path causes damage to the semiconductor device. Therefore, the present invention provides a compound cap layer including the first cap layer and the second cap layer in the semiconductor device to improve the yield of the semiconductor device. In addition, the cap layer with the M-shaped bottom profile can completely cover the dielectric structure, so the process margin can be improved.
雖然本發明已以多個實施例描述如上,但這些實施例並非用於限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應可理解,他們能以本發明實施例為基礎,做各式各樣的改變、取代和替換,以達到與在此描述的多個實施例相同的目的及/或優點。本發明所屬技術領域中具有通常知識者也可理解,此類修改或設計並未悖離本發明的精神和範圍。因此,本發明之保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。 Although the present invention has been described above with multiple embodiments, these embodiments are not intended to limit the present invention. Those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs should understand that they can make various changes, substitutions, and replacements based on the embodiments of the present invention to achieve the same purpose as the multiple embodiments described herein And/or advantages. Those with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can also understand that such modifications or designs do not depart from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the protection scope of the present invention shall be deemed as defined by the appended patent application scope.
100‧‧‧基底 100‧‧‧ base
110、120‧‧‧隔離結構 110, 120‧‧‧ isolation structure
130‧‧‧阻障層 130‧‧‧ Barrier layer
140‧‧‧字元線 140‧‧‧ character line
150、200‧‧‧絕緣結構 150、200‧‧‧Insulation structure
160B、270‧‧‧介電結構 160B, 270‧‧‧dielectric structure
165‧‧‧蝕刻停止層 165‧‧‧Etching stop layer
170‧‧‧保護層 170‧‧‧Protective layer
180‧‧‧第一導電結構 180‧‧‧The first conductive structure
185‧‧‧矽化物區 185‧‧‧Silicide area
190‧‧‧襯層 190‧‧‧lining
195‧‧‧第二導電結構 195‧‧‧Second conductive structure
230‧‧‧第一蓋層 230‧‧‧First cover
260‧‧‧第二蓋層 260‧‧‧Second cover
280‧‧‧電容器 280‧‧‧Capacitor
282‧‧‧下電極層 282‧‧‧Lower electrode layer
284、290‧‧‧介電層 284, 290‧‧‧ dielectric layer
286‧‧‧上電極層 286‧‧‧Upper electrode layer
2000‧‧‧半導體裝置 2000‧‧‧Semiconductor device
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TW (1) | TWI671900B (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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TWI825423B (en) * | 2020-08-18 | 2023-12-11 | 南亞科技股份有限公司 | Semiconductor device with boron nitride layer and method for fabricating the same |
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US9064900B2 (en) * | 2013-07-08 | 2015-06-23 | Globalfoundries Inc. | FinFET method comprising high-K dielectric |
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- 2018-08-13 TW TW107128171A patent/TWI671900B/en active
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TWI671900B (en) | 2019-09-11 |
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