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技術 半導体素子の配線形成方法

出願人 三星電子株式会社
発明者 鄭佑仁金濟徳洪昌基
出願日 1995年10月26日 (25年2ヶ月経過) 出願番号 1995-278772
公開日 1996年11月1日 (24年2ヶ月経過) 公開番号 1996-288391
状態 特許登録済
技術分野 半導体の電極 半導体集積回路装置の内部配線 ウェットエッチング 洗浄、機械加工
主要キーワード エッチングレ 湿式食刻 食刻マスク リフティング 乾式食刻 良現象 段差塗布性 耐火性金属
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年11月1日)のものです。
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図面 (17)

課題

コンタクトホール内の突起発生を防止して信頼性の高い半導体素子配線形成方法を提供する。

解決手段

半導体基板50上にパタニングされた第1絶縁層52を形成しその上に下部キャッピング層54を形成した後、下部キャッピング層及び第1絶縁層を食刻して第1コンタクトホ−ルを形成する。次いで、配線層58を形成した後、この配線層及び下部キャッピング層54を第1絶縁層52が露出されるまでCMPし、前記結果物の全面に第2絶縁層60を形成したのち、この第2絶縁層60及び第1絶縁層52を食刻して第2コンタクトホ−ルを形成する。

概要

背景

現在、半導体素子の製造時、一般的に使用されているアルミニウム(Al)を基にした配線材料では、アルミニウムの融点が低いため金属配線層の形成後に500℃以上の後続工程が行えない。したがって、後続高温熱処理工程ができるように融点の高い耐火性金属を用いて金属配線層を形成する方法が提案されている。

しかしながら、このような耐火性金属を配線材料として使用し、500℃以上1000℃以下の後続工程を行うようになると、耐火性金属層とその下部絶縁層との熱膨張係数の違いにより発生するストレスなどにより耐火性金属層のリフティング、下部絶縁層のスプリットなどの不良が耐火性金属層と耐火性金属層下部の絶縁層との間で発生するようになる。

前記のような問題を防止するために通常、PECVDまたはLPCVD方法を使用して、前記耐火性金属の配線層の上部または下部を、酸化物あるいは窒化物のような延性のない絶縁物キャッピングして前記ストレスの発生を抑制する。

図1ないし図5は従来の技術による配線形成方法の一例を示した工程別断面図である。図1を参照すると、半導体基板10上に延性のある絶縁物、例えば、BPSG、PSG又はBSGを用いて第1絶縁層12を形成し、この第1絶縁層12の上部に延性のない絶縁物、例えば、シリコン窒化物(SiN)で第1キャッピング層14を形成したのち、通常の写真食刻工程により第1コンタクトホ−ルaを形成する。

図2を参照すると、第1コンタクトホ−ルaの形成された前記半導体基板10の全面に、例えば、チタン(Ti)又はチタン窒化物(TiN)を蒸着して障壁層16を形成したのち、この障壁層16上に前記コンタクトホ−ルaを埋め立てて一定の厚さを有するように、例えばタングステン(W)などの耐火性金属を蒸着して配線層18を形成する。

図3を参照すると、通常の写真食刻工程により前記配線層18及び障壁層16をパタニングし、前記半導体基板10の全面に延性のない絶縁物、例えばシリコン窒化物(SiN)を用いて第2キャッピング層20を形成する。

図4を参照すると、第2キャッピング層20の形成された前記結果物の全面に延性のある絶縁物、例えばBPSG、PSG又はBSGを蒸着して第2絶縁層22を形成する。

図5を参照すると、通常の写真食刻工程により第2絶縁層22、第2キャッピング層201、第1キャッピング層14、第1絶縁層12をそれぞれ食刻して前記半導体基板10を露出させる第2コンタクトホ−ルbを形成する。

前記の方法によると、延性のない硬い物質で前記配線層18を取り囲むようにキャッピング層14,20を形成することにより、配線層18のリフティング及び第1絶縁層12のスプリットなどの不良現象を防止することができる。しかしながら、前記の方法によると、通常の写真食刻工程を使用して第2コンタクトホ−ルbを形成しようとする時、延性のある絶縁物で形成された前記第1及び第2絶縁層12,22と延性のない絶縁物で形成された前記第1及び第2キャッピング層14,20とのエッチングレ−トの違いにより第2コンタクトホ−ルbの内部に突起(図5のc部分)が発生するようになる。このような突起cを積極的に利用する技術は、例えば、特開平06−291197号公報に開示されている。この技術によれば、コンタクトホール内壁面に意図的に突起を形成し、これをエッチングストッパとして利用している。しかし、このような特殊な利用方法の場合は別にして、一般的にはこの突起cは半導体装置配線工程の信頼性を低下させる。

概要

コンタクトホール内の突起発生を防止して信頼性の高い半導体素子の配線形成方法を提供する。

半導体基板50上にパタニングされた第1絶縁層52を形成しその上に下部キャッピング層54を形成した後、下部キャッピング層及び第1絶縁層を食刻して第1コンタクトホ−ルを形成する。次いで、配線層58を形成した後、この配線層及び下部キャッピング層54を第1絶縁層52が露出されるまでCMPし、前記結果物の全面に第2絶縁層60を形成したのち、この第2絶縁層60及び第1絶縁層52を食刻して第2コンタクトホ−ルを形成する。

目的

したがって、本発明の目的はコンタクトホ−ル内の突起発生を防止して信頼性の高い半導体素子の配線形成方法を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
8件

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請求項1

半導体基板上にパタニングされた第1絶縁層を形成する段階と、前記第1絶縁層上に下部キャッピング層を形成する段階と、前記下部キャッピング層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板の一部を露出させる第1コンタクトホ−ルを形成する段階と、前記第1コンタクトホ−ルの形成された前記結果物表面上に配線層を形成する段階と、前記配線層及び前記下部キャッピング層を前記第1絶縁層が露出されるまで化学機械ポリシングする段階と、前記第1絶縁層の露出された前記結果物表面上に第2絶縁層を形成する段階と、前記第2絶縁層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板の一部を露出させる第2コンタクトホ−ルを形成する段階とを備えることを特徴とする半導体素子配線形成方法

請求項2

前記配線層は耐火性金属で形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方法。

請求項3

前記耐火性金属はタングステン(W)、モリブデン(Mo)、チタン窒化物(TiN)、銅(Cu)の群から選ばれたいずれか一つであることを特徴とする請求項2記載の半導体素子の配線形成方法。

請求項4

前記第1コンタクトホ−ルの形成段階後、前記配線層の下層障壁層を形成する段階をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方法。

請求項5

前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層は延性のある絶縁物質で形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方法。

請求項6

前記延性のある絶縁物質はBPSG,BSG,PSG,GeSiO2,GeBPSG,AsBPSGの群から選ばれたいずれか一つであることを特徴とする請求項5記載の半導体素子の配線形成方法。

請求項7

前記下部キャッピング層は延性のない物質で形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の配線形成方法。

請求項8

前記延性のない絶縁物質は SiN, SiO2,Si3N4 ,BN,SiBN, Al2O3 の群から選ばれたいずれか一つであることを特徴とする請求項7記載の半導体素子の配線形成方法。

請求項9

半導体基板上にパタニングされた第1絶縁層を形成する段階と、前記第1絶縁層上に下部キャッピング層を形成する段階と、前記下部キャッピング層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板を露出させる第1コンタクトホ−ルを形成する段階と、前記第1コンタクトホ−ルの形成された前記結果物表面上に配線層を形成する段階と、前記配線層を前記下部キャッピング層が露出されるまで1次化学−機械的ポリシングする段階と、前記下部キャッピング層及び前記配線層を前記第1絶縁層が露出されるまで2次化学−機械的ポリシングする段階と、前記第1絶縁層の露出された前記結果物表面上に第2絶縁層を形成する段階と、前記第2絶縁層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板を露出させる第2コンタクトホ−ルを形成する段階とを備えることを特徴とする半導体素子の配線形成方法。

請求項10

半導体基板上にパタニングされた第1絶縁層を形成する段階と、前記第1絶縁層上に下部キャッピング層を形成する段階と、前記下部キャッピング層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板の一部を露出させる第1コンタクトホ−ルを形成する段階と、前記第1コンタクトホ−ルの形成された前記結果物表面上に配線層を形成する段階と、前記配線層及び前記下部キャッピング層を前記第1絶縁層が露出されるまで1次化学−機械的ポリシングする段階と、前記配線層の一部のみを選択食刻して前記配線層と前記第1絶縁層との間に段差を形成する段階と、前記段差の形成された前記結果物表面上に上部キャッピング層を形成する段階と、前記上部キャッピング層、前記第1絶縁層及び前記下部キャッピング層を前記段差が取り除かれるように2次化学−機械的ポリシングする段階と、前記第1絶縁層の露出された前記結果物表面上に第2絶縁層を形成する段階と、前記第2絶縁層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板を露出させる第2コンタクトホ−ルを形成する段階とを備えることを特徴とする半導体素子の配線形成方法。

請求項11

前記上部キャッピング層は延性のない絶縁物質で形成することを特徴とする請求項10記載の半導体素子の配線形成方法。

技術分野

0001

本発明は高集積半導体素子配線形成方法係り、特にキャッピング層を使用する際にコンタクトホ−ルの内部に突起が形成されることを防止した信頼性のある配線形成方法に関する。

背景技術

0002

現在、半導体素子の製造時、一般的に使用されているアルミニウム(Al)を基にした配線材料では、アルミニウムの融点が低いため金属配線層の形成後に500℃以上の後続工程が行えない。したがって、後続高温熱処理工程ができるように融点の高い耐火性金属を用いて金属配線層を形成する方法が提案されている。

0003

しかしながら、このような耐火性金属を配線材料として使用し、500℃以上1000℃以下の後続工程を行うようになると、耐火性金属層とその下部絶縁層との熱膨張係数の違いにより発生するストレスなどにより耐火性金属層のリフティング、下部絶縁層のスプリットなどの不良が耐火性金属層と耐火性金属層下部の絶縁層との間で発生するようになる。

0004

前記のような問題を防止するために通常、PECVDまたはLPCVD方法を使用して、前記耐火性金属の配線層の上部または下部を、酸化物あるいは窒化物のような延性のない絶縁物キャッピングして前記ストレスの発生を抑制する。

0005

図1ないし図5は従来の技術による配線形成方法の一例を示した工程別断面図である。図1を参照すると、半導体基板10上に延性のある絶縁物、例えば、BPSG、PSG又はBSGを用いて第1絶縁層12を形成し、この第1絶縁層12の上部に延性のない絶縁物、例えば、シリコン窒化物(SiN)で第1キャッピング層14を形成したのち、通常の写真食刻工程により第1コンタクトホ−ルaを形成する。

0006

図2を参照すると、第1コンタクトホ−ルaの形成された前記半導体基板10の全面に、例えば、チタン(Ti)又はチタン窒化物(TiN)を蒸着して障壁層16を形成したのち、この障壁層16上に前記コンタクトホ−ルaを埋め立てて一定の厚さを有するように、例えばタングステン(W)などの耐火性金属を蒸着して配線層18を形成する。

0007

図3を参照すると、通常の写真食刻工程により前記配線層18及び障壁層16をパタニングし、前記半導体基板10の全面に延性のない絶縁物、例えばシリコン窒化物(SiN)を用いて第2キャッピング層20を形成する。

0008

図4を参照すると、第2キャッピング層20の形成された前記結果物の全面に延性のある絶縁物、例えばBPSG、PSG又はBSGを蒸着して第2絶縁層22を形成する。

0009

図5を参照すると、通常の写真食刻工程により第2絶縁層22、第2キャッピング層201、第1キャッピング層14、第1絶縁層12をそれぞれ食刻して前記半導体基板10を露出させる第2コンタクトホ−ルbを形成する。

0010

前記の方法によると、延性のない硬い物質で前記配線層18を取り囲むようにキャッピング層14,20を形成することにより、配線層18のリフティング及び第1絶縁層12のスプリットなどの不良現象を防止することができる。しかしながら、前記の方法によると、通常の写真食刻工程を使用して第2コンタクトホ−ルbを形成しようとする時、延性のある絶縁物で形成された前記第1及び第2絶縁層12,22と延性のない絶縁物で形成された前記第1及び第2キャッピング層14,20とのエッチングレ−トの違いにより第2コンタクトホ−ルbの内部に突起(図5のc部分)が発生するようになる。このような突起cを積極的に利用する技術は、例えば、特開平06−291197号公報に開示されている。この技術によれば、コンタクトホール内壁面に意図的に突起を形成し、これをエッチングストッパとして利用している。しかし、このような特殊な利用方法の場合は別にして、一般的にはこの突起cは半導体装置配線工程の信頼性を低下させる。

発明が解決しようとする課題

0011

したがって、本発明の目的はコンタクトホ−ル内の突起発生を防止して信頼性の高い半導体素子の配線形成方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0012

前記目的を達成するために本発明では、半導体基板上にパタニングされた第1絶縁層を形成し、前記第1絶縁層上に下部キャッピング層を形成し、前記下部キャッピング層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板を露出させる第1コンタクトホ−ルを形成し、前記第1コンタクトホ−ルの形成された前記結果物表面上に配線層を形成し、前記配線層及び前記下部キャッピング層を前記第1絶縁層が露出されるまで化学機械ポリシング(Chemical Mechanical Polishing; 以下“CMP”という)し、前記第1絶縁層の露出された前記結果物表面上に第2絶縁層を形成し、前記第2絶縁層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板の一部を露出させる第2コンタクトホ−ルを形成する。

0013

前記配線層は耐火性金属で形成し、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、チタン窒化物(TiN)、銅(Cu)の群からいずれか一つを選ぶことが望ましい。前記第1コンタクトホ−ルの形成段階後、前記配線層の下層に障壁層を形成する段階を設けても良い。さらに、前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層は延性のある絶縁物質で形成し、BPSG,BSG,PSG,GeSiO2,GeBPSG,AsBPSGの群からいずれか一つを選ぶことが望ましい。前記下部キャッピング層は延性のない絶縁物で形成し、 SiN, SiO2,Si3N4 ,BN,SiBN, Al2O3 の群からいずれか一つを選ぶことが望ましい。

0014

前記の目的を達成するために本発明ではまた、半導体基板上にパタニングされた第1絶縁層を形成し、前記第1絶縁層上に下部キャッピング層を形成し、前記下部キャッピング層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板を露出させる第1コンタクトホ−ルを形成し、前記第1コンタクトホ−ルの形成された前記結果物表面上に配線層を形成し、前記配線層を前記下部キャッピング層が露出されるまで1次CMPし、前記下部キャッピング層及び前記配線層を前記第1絶縁層が露出されるまで2次CMPし、前記第1絶縁層の露出された前記結果物表面上に第2絶縁層を形成し、前記第2絶縁層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板を露出させる第2コンタクトホ−ルを形成する。

0015

前記の目的を達成するために本発明ではさらに、半導体基板上にパタニングされた第1絶縁層を形成し、前記第1絶縁層上に下部キャッピング層を形成し、前記下部キャッピング層及び前記第1絶縁層を食刻して前記半導体基板の一部を露出させる第1コンタクトホ−ルを形成し、前記第1コンタクトホ−ルの形成された前記結果物表面上に配線層を形成し、前記配線層及び前記下部キャッピング層を前記第1絶縁層が露出されるまで1次CMPし、前記配線層の一部のみを選択食刻して前記第1配線層と前記第1絶縁層との間に段差を形成し、前記段差の形成された前記結果物の表面上に上部キャッピング層を形成し、前記上部キャッピング層、前記第1絶縁層及び前記下部キャッピング層を前記段差が取り除かれるように2次CMPし、前記第1絶縁層の露出された前記結果物の表面上に第2絶縁層を形成し、前記第2絶縁層及び第1絶縁層を食刻して前記半導体基板を露出させる第2コンタクトホ−ルを形成する。なお前記上部キャッピング層は延性のない絶縁物質で形成することが望ましい。

発明を実施するための最良の形態

0016

以下、添付した図面に基づき本発明を詳細に説明する。図6ないし図11は本発明による配線形成方法の第1実施例を示した工程別断面図である。図6は下部キャッピング層54を形成する段階を示す。半導体基板50上に延性のある絶縁物、例えばBPSGを使用して第1絶縁層52を形成したのち、通常の写真食刻工程を用いて配線層の形成される部分の第1絶縁層52をパタニングする。次いで、第1絶縁層52上に延性のない絶縁物、例えばSiNを塗布して下部キャッピング層54を形成する。第1絶縁層52の形成時、BPSGの代わりにBSG,PSG,GeSiO2,GeBPSG,AsBPSGなどが用いられる。下部キャッピング層54の厚さは10〜3,000Åまで配線の幅に応じて変化させることができ、前記 SiNの代わりに SiO2 ,Si3N4 ,BN,SiBN, Al2O3 などが用いられる。前記下部キャッピング層54はPECVD,LPCVD又はスパッタリング方法を使用して形成する。

0017

図7は第1コンタクトホ−ルh1 を形成する段階を示す。下部キャッピング層54の形成された前記結果物の全面にフォトレジストを塗布したのち、コンタクトホ−ルの形成のためのフォトレジストパタ−ン(図示せず)を形成する。前記フォトレジストパタ−ンを食刻マスクとして使用して前記下部キャッピング層54及び第1絶縁層52を食刻することにより、前記半導体基板50の一部を露出させる第1コンタクトホ−ルh1 を形成する。

0018

図8は障壁層56及び配線層58を形成する段階を示す。第1コンタクトホ−ルh1 の形成された前記結果物上に、例えばチタンを蒸着して障壁層56を形成したのち、この障壁層56上に、例えばタングステンを蒸着して配線層58を形成する。障壁層56は、通常の場合と同様にシリコン基板と配線層との接触抵抗の改善及び基板内シリコン拡散を防止するために形成され、前記チタン(Ti)の代わりにチタン窒化物(TiN)、チタンタングステン(TiW)、モリブデン(Mo)又は前記物質の化合物を使用することができる。配線層58は後続の高温工程が行えるように、融点600℃以上の耐火性金属、例えばタングステン(W)、モリブデン(Mo)、チタン窒化物(TiN)、銅(Cu)などを使用して形成することが望ましい。さらに、配線層58はPECVDなどのCVD方法とスパッタリングなどのPVD方法とを使用して蒸着し得るが、段差塗布性の優れたCVD方法を使用することが望ましい。

0019

図9はCMP段階を示す。通常のCMP方法を用いて第1絶縁層52が露出されるまで配線層58、障壁層56及び下部キャッピング層54をポリシングして半導体基板50の表面を平坦化させる。

0020

図10は第2絶縁層60を形成する段階を示す。CMPの行われた前記結果物の全面にBPSGのような延性のある絶縁物を塗布して第2絶縁層60を形成する。

0021

図11は第2コンタクトホ−ルh2 を形成する段階を示す。通常の写真食刻工程を通じて第2絶縁層60及び第1絶縁層52を食刻して半導体基板50の一部を露出させる第2コンタクトホ−ルh2 を形成する。このように、本発明の第1実施例では、コンタクトホ−ルの形成前にCMPを用いてコンタクトホ−ルの内部キャッピング層を取り除くことにより突起の形成を防止する。

0022

図12及び図13は本発明による配線形成方法の第2実施例を示した工程別断面図である。図12は1次CMP段階を示す。配線層58を形成する工程(図8参照)まで1実施例と同様にした後、通常のCMP方法を用いて下部キャッピング層54が露出されるまで配線層58及び障壁層56を、第1実施例と同一のCMP条件でポリシングする。この際、延性のない下部キャッピング層54をポリシングストッパ−(polishing stopper)として使用する。

0023

図13は2次CMP工程を示す。1次CMP工程後、延性のない絶縁膜をポリシング可能のCMP方法を使用して第1絶縁層52が露出されるまで下部キャッピング層54、配線層58及び障壁層56をポリシングする。1次及び2次CMP段階後の工程は第1実施例と同様にする(図10及び11参照)。

0024

第2実施例は二回のCMP工程を施すことを除いては、第1実施例と同一である。本発明の第2実施例によると、配線層58、下部キャッピング層54及び障壁層56のCMP工程を2段階に分けて行うことにより、CMPの対象となる膜をより精密に制御できる。

0025

図14ないし図16は本発明による配線形成方法の第3実施例を示した工程別断面図である。図14は配線層58及び障壁層56を食刻する段階を示す。CMP工程(図9参照)まで第1実施例と同様にしたのち、湿式食刻または乾式食刻方法を使用して配線層58及び障壁層56の一部を食刻することにより、配線層58と第1絶縁層52との間に段差を発生させる。ここで、配線層58及び障壁層56のみを取り除くために、例えばCl2 ,SF6 などのエッチングガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)方法又はMERIE(Magnetic Enhanced RIE)方法を使用すると、10:1以上の前記配線層58と障壁層56との食刻比を確保することができる。一方、第2実施例でのように2段階に分けたCMP工程以後、本実施例の前記工程を行うこともできる。

0026

図15は上部キャッピング層62を形成する段階を示す。前記結果物の全面に延性のない絶縁物、例えばシリコン窒化物(SiN)を蒸着して上部キャッピング層62を形成する。

0027

図16はCMP段階を示す。通常のCMP方法を用いて配線層58の上部の上部キャッピング層62と第1絶縁層52の段差がなくなるまでに上部キャッピング層62及び第1絶縁層52をポリシングする。この際、配線層58の上部に形成された上部キャッピング層62のみを残すように前記CMP工程を行う。前記CMP段階以後の工程は第1実施例と同様である(図10及び11参照)。

0028

本発明の第3実施例によると、上部キャッピング層及び下部キャッピング層を形成することにより、耐火性金属の配線層に加えられるストレスを抑制することがさらに容易である。

発明の効果

0029

本発明によると、CMP工程を用いて配線層の表面のみを酸化物又は窒化物のような延性のない絶縁物で被覆させることにより、後続の熱処理工程時に発生する配線層のリフティング、下部絶縁層のスプリット及びコンタクトホ−ル内の突起などを防止して信頼性ある金属配線を形成することができる。本発明は前記の実施例にのみ限定されず、多くの変形が本発明の属する技術思想内で当分野での通常の知識を持つ者により可能なことは明白である。

図面の簡単な説明

0030

図1従来の技術による配線形成方法の一例を示した工程断面図(その1)である。
図2従来の技術による配線形成方法の一例を示した工程断面図(その2)である。
図3従来の技術による配線形成方法の一例を示した工程断面図(その3)である。
図4従来の技術による配線形成方法の一例を示した工程断面図(その4)である。
図5従来の技術による配線形成方法の一例を示した工程断面図(その5)である。
図6本発明による配線形成方法の第1実施例を示した工程断面図(その1)である。
図7本発明による配線形成方法の第1実施例を示した工程断面図(その2)である。
図8本発明による配線形成方法の第1実施例を示した工程断面図(その3)である。
図9本発明による配線形成方法の第1実施例を示した工程断面図(その4)である。
図10本発明による配線形成方法の第1実施例を示した工程断面図(その5)である。
図11本発明による配線形成方法の第1実施例を示した工程断面図(その6)である。
図12本発明による配線形成方法の第2実施例を示した工程断面図(その1)である。
図13本発明による配線形成方法の第2実施例を示した工程断面図(その2)である。
図14本発明による配線形成方法の第3実施例を示した工程断面図(その1)である。
図15本発明による配線形成方法の第3実施例を示した工程断面図(その2)である。
図16本発明による配線形成方法の第3実施例を示した工程断面図(その3)である。

--

0031

50半導体基板
52 第1絶縁層
54 下部キャッピング層
56障壁層
58配線層
60 第2絶縁層
62 上部キャッピング層
h1 第1コンタクトホール
h2 第2コンタクトホール

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