JP3880207B2 - トレンチ隔離の形成方法 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トレンチ隔離(Trench Isolation)の形成方法に関し、より詳しくは、トレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜とのボンディング力(結合力)を強化する工程段階を有するトレンチ隔離の形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、シリコン基板上に形成された複数のMOS(Metal Oxide Silicon)トランジスタをそれぞれ隔離させる方法として、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)及びSEPOX(Selective Polysilicon Oxidation Technology)方法等が採られていた。しかし、シリコン基板上に形成された回路の高集積化により、回路パターンの幅が0.35μm以下である場合、従来の隔離方法は適合しない。そこで、シリコン基板上に、3.0μmより深く、1.25μmより幅が狭いスロットまたはトレンチを形成することが可能なシリコンエッチング技術を導入している。このようなシリコンエッチング方法を「トレンチエッチング方法(Trench Etching Method)」という。
【0003】
一般的に、シリコン基板上に形成されたトレンチは、CMOSとバイポーラ回路を隔離することに用いられるが、トレンチの内側に対して、垂直キャパシタ(Vertical Capacitor)又はトランジスタを形成することもできる。
【0004】
理想的なトレンチの構造は、シリコン基板の内部に、内側へ傾斜した内側壁および丸められた底面を有するものである。即ち、傾斜した内側壁は、エッチング工程進行中に副蒸着物(redeposition)により形成され、等角(Comformal)の蒸着工程中、トレンチの内部にボイド(Void)が形成されることを抑制するために必要なものである。そして、丸められた底面は、電界が集中することを防ぐために必要なものである。
【0005】
このようなトレンチ隔離(Trench Isolation)の形成工程は、一般的なCMOS工程で進行することができる。そして、このようなトレンチ隔離の構造は、エピタキシャルシリコン基板(Epitaxial Silicon Substrate)に形成することができる。トレンチは、エピタキシャル層を貫通することができる充分な深さにエッチングされ、バイポーラトランジスタを分離させることにおいて効果的である。
【0006】
図1は、従来技術によるトレンチ隔離の形成方法を示す工程図である。
【0007】
図1において、まず、シリコン基板を備え、その上部面に、シリコン酸化膜(SiO2),シリコン窒化膜(Si3N4),ハードマスクを順次形成する(段階61)。ここで、ハードマスクは、高温酸化により形成されたシリコン酸化膜であり、シリコン基板に対する反応性イオンエッチング工程の進行中に、エッチングマスクの役割を果たす。
【0008】
続いて、トレンチが形成されるべき部分のハードマスク,シリコン窒化膜,シリコン酸化膜を除去し、シリコン基板の上部面が露出されるようにホトエッチング(Photo Etching;段階62)工程を進行する。
【0009】
次に、ホトレジストを除去するアッシング/ストリップ(ashing/strip)工程を経た後、ハードマスク及びシリコン窒化膜をマスクとして、シリコン基板を乾式エッチング方法でエッチングすることにより、トレンチが形成される(段階63)。ここで、シリコン基板の乾式エッチング方法としては、主に反応性イオンエッチング方法が採られる。反応性イオンエッチング方法においては、物理的エッチング比率が化学的エッチング比率より高い。
【0010】
トレンチが形成された後、トレンチの内側壁に対し絶縁層として側壁シリコン酸化膜を側壁酸化(段階64)工程により成長させる。側壁シリコン酸化膜は、トレンチにおける露出された内側壁を保護し、且つ活性領域とフィールド領域間における自動ドーピング障壁の役割を果たす。
【0011】
そして、トレンチを絶縁物質で充填するため、2層以上の薄膜を蒸着する工程が進行される。即ち、PE−TEOS(Plasma Enhanced - Tetra Ethyl Ortho Silicate)層を形成(段階65)する工程が進行される。すなわち、PE−TEOS層を形成する工程65は、シリコン基板の上部面およびトレンチにPE−TEOS層を蒸着させる工程65aと、PE−TEOS層を平坦化する工程65bとから構成される。ここで、平坦化工程65bは、アルゴン(Ar)を用いたエッチ−バック(Etch-Back)工程により進行される。それは、PE−TEOS層を蒸着65aした後、トレンチの入口(開口部付近)に近接するPE−TEOS層(図2の符号18)をエッチングしてトレンチの入口を広く形成することにより、トレンチの内部を充填する工程を容易に実施するためのものである。
【0012】
一方、アルゴンを用いた平坦化工程65bが進行される間、プラズマの影響によりPE−TEOS層に不純物が蒸着されて、PE−TEOS層は不均一になる。そのため、PE−TEOS層の不純物を除去してPE−TEOS層を均一にし、そのPE−TEOS層の上部に形成されるべきO3−TEOS層との良好な相互結合力を確保するため、NH3プラズマ処理(段階66)工程を進行する。
【0013】
その後、トレンチを含むシリコン基板の上部面に、O3−TEOS層およびPE−TEOS層を順次形成し(段階67)、アニーリング(Annealing;段階68)工程を経る(段階68)と、トレンチ隔離(図2の符号20)の形成が完了される。ここで、アニーリング工程68は、約1050℃で窒素ガス雰囲気下にて約60分間進行する。
【0014】
前述のように、トレンチエッチング工程63を利用したトレンチ隔離の形成方法60は、次のような問題を有する。
【0015】
まず第一に、側壁酸化工程64は、トレンチの内側壁を保護し絶縁層を形成するために進行されるが、トレンチエッチング工程63中にプラズマがトレンチの内側壁に対して影響を与えるため、トレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜間の結合が不安定になってしまう。
【0016】
第二に、前記の不安定な結合を有する側壁シリコン酸化膜が成長した部分において、アルゴンを用いた平坦化工程65b中に再びプラズマにより影響を受けて、より一層不安定になってしまう。
【0017】
第三に、薄い側壁シリコン酸化膜が形成された後、トレンチを充填するために進行される2回以上の薄膜を形成する過程で、イオンや原子が側壁シリコン酸化膜とトレンチの内側壁の間に拡散されて過飽和状態になる、又は、アニーリング工程68における熱収縮により起因し側壁シリコン酸化膜とトレンチの内側壁間の剥離等の不良が生じてしまう。
【0018】
即ち、従来技術によるトレンチ隔離の形成方法によると、トレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜との境界面が脆弱になる等の不良が生じてしまう。このような不良は、ディスロケーション(dislocation)又はウェルリーキッジポイント(well leakage point)に作用し、半導体チップにおける正常的な駆動を不可能にしてしまう。
【0019】
一方、図2に示したように、シリコン基板10に形成されたトレンチ13の断面構造を検査するため垂直走査形電子顕微鏡(Vertical-Scanning Electro Microscope;V−SEM)で写した写真を見ると、シリコン基板10と側壁シリコン酸化膜12aとの間に隙間(Void)15が形成されることを確認することができた。前記隙間15は、トレンチ13の断面を化学的に処理する際、シリコン基板10と側壁シリコン酸化膜12aとの境界面に形成された物質がエッチングされることにより、形成されるものと把握される。即ち、トレンチ13の内側壁と側壁シリコン酸化膜12aとの間に隙間15が存在するということは、側壁シリコン酸化膜12a及びシリコンと比較してエッチング率の高い不純物が存在する、又はトレンチ13の内側壁と側壁シリコン酸化膜12a間で剥離が生じるからであると把握される。
【0020】
なお、図2は、図1に示した形成方法により形成されたトレンチ隔離の断面図であり、シリコン基板10上部のシリコン酸化膜12、シリコン窒化膜14、ハードマスク16及びトレンチ13が絶縁物質17で覆われている状態を概略的に示しているものである。ここで、絶縁物質は、PE−TEOS層17c、O3−TEOS層17b及びPE−TEOS層17aを含む。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、トレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜とにおけるボンディング力を強化するための工程段階を有するトレンチ隔離の形成方法を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達するため、シリコン基板上にトレンチ隔離を形成する方法である。その過程を説明すると、まず、シリコン基板上部に、シリコン酸化膜,シリコン窒化膜,ハードマスクを順次形成する。そして、シリコン基板の上部面の一部が露出されるように、シリコン窒化膜およびハードマスクをエッチングし、露出されたシリコン基板をエッチングしてトレンチを形成する。トレンチの内側壁には、1次側壁酸化工程により側壁シリコン酸化膜を形成する。シリコン基板およびトレンチの内側壁上にはPE−TEOS層を形成する。その後、側壁シリコン酸化膜を安定化するため、2次側壁酸化工程を進行する。そして、トレンチの内部をO3−TEOS層で充填し、O3−TEOS層の上部にPE−TEOS層を形成する。また、シリコン基板の上部をアニーリングすることを特徴とするトレンチ隔離の形成方法が提供される。特に、本発明による酸化工程は、熱酸化(Thermal Oxidation)工程であり、O2ガス、O2とHClの混合ガス、またはH2とO2の反応ガスのような酸化剤を用いて600℃〜1200℃で進行される。
【0023】
さらに、本発明によるトレンチ隔離の形成方法において、2次側壁酸化工程の代わりとして、アニーリング工程を行うことを特徴とする。アニーリング工程は、600℃〜1200℃の窒素ガス雰囲気下で約60分間進行される。
【0024】
なお、側壁シリコン酸化膜を安定させるために進行される2次側壁酸化工程およびアニーリング工程を順次的に進行することができるが、好ましくは2次側壁酸化工程の後にアニーリング工程を進行する。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0026】
図3は、本発明の実施の形態におけるトレンチ隔離の形成方法を示す工程図であり、図4〜図12は、本発明の実施の形態におけるトレンチ隔離の形成方法による各工程段階を示す断面図である。
【0027】
図3に示すように、本発明の実施の形態におけるトレンチ隔離の形成方法50は、シリコン基板上に酸化膜,窒化膜,ハードマスクを形成する工程(段階51)と、ホトエッチングする工程(段階52)と、トレンチをエッチングする工程(段階53)と、1次側壁酸化を進行する工程(段階54)と、PE−TEOS層を形成しPE−TEOS層を平坦化する工程(段階55)と、2次側壁酸化またはアニーリングを進行する工程(段階56)と、PE−TEOS層をNH3プラズマ処理する工程(段階57)と、O3−TEOS層およびPE−TEOS層を順次形成する工程(段階58)と、アニーリング工程(段階59)とを含む。
【0028】
図3のトレンチ隔離の形成方法50における各々の工程段階を、図4〜図12に図示されたシリコン基板の断面図に基づいてそれぞれ説明する。
【0029】
(A) 図3及び図4に基づいて、シリコン基板30上に酸化膜32,窒化膜34,ハードマスク36を形成する工程段階51を説明する。
【0030】
まず、シリコン基板30を備え、その上部面に、シリコン酸化膜32,シリコン窒化膜34,ハードマスク36を順次形成する。ここで、シリコン酸化膜32とシリコン窒化膜34は、化学的気相蒸着(Chemical Vapor Deposition;CVD)工程により形成される。そして、ハードマスク36は、高温酸化により成長したシリコン酸化膜であり、シリコン基板30における反応性イオンエッチングが進行する間、エッチングマスクの役割を果たす。
【0031】
(B) 図3及び図5〜図7に基づいて、ホトエッチングする工程段階52を説明する。ホトエッチング工程52は、トレンチ(図8の符号33)に形成されるべき部分のハードマスク36,シリコン窒化膜34,シリコン酸化膜32を除去し、シリコン基板30の上部面が露出されるようにする工程である。
【0032】
図5において、シリコン基板30のハードマスク36上に、マスクパターンを形成するためにホトレジスト31が塗布され、トレンチに形成されるべき部分のホトレジスト31を現像して、ハードマスク36の上部面が露出された溝31aを形成する。
【0033】
図6において、ホトレジスト31をマスクとして、ホトレジストの溝31aを介してハードマスク36,シリコン窒化膜34,シリコン酸化膜32を順次に乾式エッチングすることにより、シリコン基板30の上部面を露出させる。図中の符号39は、シリコン基板30の上部面が露出された溝を示すものである。
【0034】
図7において、シリコン基板30の上部面に至るまでエッチングした後、ホトレジスト(図6の符号31)を除去するアッシング/ストリップ工程が進行される。
【0035】
(C) 図3及び図8に基づいてトレンチエッチング工程段階53を説明する。トレンチエッチング工程53は、ホトエッチング工程52を経た後、シリコン基板30上にトレンチ33を形成するために進行されるエッチング工程である。即ち、ホトレジストを除去するアッシング/ストリップ工程を経た後、ハードマスク36とシリコン窒化膜34とをマスクとして、露出されたシリコン基板30を乾式エッチングすることにより、トレンチ33を形成する。シリコン基板30における乾式エッチング方法としては、主に反応性イオンエッチング方法が採られ、物理的エッチング比率が化学的エッチング比率より高い。本発明の実施の形態により形成されるトレンチの深さは、約0.8μmである。
【0036】
(D) 図3及び図9に基づいて、1次側壁酸化工程段階54を説明すると、1次側壁酸化工程54は、トレンチ33の内側壁に絶縁層の側壁シリコン酸化膜32aを成長させる工程である。1次側壁酸化工程54は、熱酸化工程により600℃〜1200℃の温度で、O2,H2O,またはHCl等の酸化剤を用いた酸化方法により、シリコン基板30と接する境界面に対して側壁シリコン酸化膜32aを成長させる。より詳しく説明すると、熱酸化工程は、600℃〜1200℃の反応室にシリコン基板30を入れた状態で、O2ガス,O2とHClとの混合ガス,またはH2とO2との反応ガスを吹き込み、側壁シリコン酸化膜32aを成長させる。その際、側壁シリコン酸化膜32aの形成状況において、酸化剤が拡散や内部への運動により側壁シリコン酸化膜32aとシリコン基板30との境界面に移動して、酸化が起こる。ここで、側壁シリコン酸化膜32aの45%は、シリコン基板30を蚕食(侵食)させた部分であり、前記数値は、シリコンと側壁シリコン酸化膜との密度差から得られた結果である。当然、側壁シリコン酸化膜32aは、シリコン基板に形成されたトレンチ33の内側壁に形成され、シリコン基板30上部面のシリコン酸化膜32に連結される。
【0037】
このように、側壁シリコン酸化膜32aがトレンチ33の内側壁に形成された後、トレンチ33の内部を複数の絶縁物質(図12の符号37)で充填する工程が進行される。
【0038】
(E) 図3と、図10及び図11に基づいて、PE−TEOS層を形成する工程段階55を説明すると、PE−TEOS層37aを蒸着する工程55a(後述するE1)と、PE−TEOS層37aを平坦化する工程55b(後述するE2)とを含む。
【0039】
(E1) 図3及び図10において、トレンチ33の内側壁に側壁シリコン酸化膜32aが形成された後、側壁シリコン酸化膜32aの上部面を含むシリコン基板30上に、PE−TEOS層37aを蒸着する工程55aが進行される。ここで、PE−TEOS層37aは、常圧化学的気相蒸着(Atmospheric CVD)工程により形成される。
【0040】
(E2) 図3及び図11において、トレンチ33の入口(開口部付近)に近接するPE−TEOS層37aをエッチングして、トレンチ33の入口を広く形成する平坦化工程55bが進行される。ここで、平坦化工程55bとしては、アルゴンを用いたエッチ−バック工程が進行される。なお、図中の符号38は、トレンチ33の入口周囲に位置するPE−TEOS層37aがエッチ−バックされた状態を示す。
【0041】
(F) 次の工程として、従来はNH3プラズマ処理工程段階が進行されたが、本発明の実施の形態では、側壁シリコン酸化膜とトレンチの内側壁との結合を安定化するための2次側壁酸化またはアニ−リング工程段階56が進行される。
【0042】
即ち、アルゴンを用いたエッチ−バック工程のような平坦化工程55bを進行する際、プラズマの影響により側壁シリコン酸化膜32aとトレンチ33の内側壁間との結合が不安定になる。従って、本発明の実施の形態においては、側壁シリコン酸化膜32aとトレンチ33の内側壁間との結合を安定化させるため、2次側壁酸化またはアニーリング工程56を進行する。ここで、2次側壁酸化工程では、前述の1次側壁酸化工程54と同一工程条件の熱酸化工程が進行され、アニーリング工程では、600℃〜1200℃の窒素ガス雰囲気下で約60分間進行される。
【0043】
なお、2次側壁酸化工程とアニーリング工程のいずれかを選択的に進行することができ、両方を進行することもできる。そして、両方を進行する場合においては、第2側壁酸化工程を進行した後、アニーリング工程を進行することが好ましい。
【0044】
次に、NH3プラズマ処理の工程段階57が進行される。即ち、PE−TEOS層37aは、アルゴンを利用した平坦化工程55bが進行される際、プラズマの影響により、不純物が蒸着されて不均一になる。そこで、トレンチ33を含むシリコン基板30上のPE−TEOS層37aに蒸着された不純物を除去してPE−TEOS層37aを均一にし、且つPE−TEOS層37a上に形成されるべきO3−TEOS層(図12の符号37b)との良好な相互結合力を確保するため、NH3プラズマ処理工程57を進行する。
【0045】
一方、NH3プラズマ処理工程57が完了した後、ハードマスク36及び側壁シリコン酸化膜32a上に蒸着されたPE−TEOS層37aは、1000Å〜5000Åの厚さを有する。
【0046】
(G) 図12に基づいて、トレンチ33の内部を充填するためにO3−TEOS層37b及びPE−TEOS層37cを形成する工程段階58を説明する。シリコン基板30上に形成されたPE−TEOS層37aの上部に、O3−TEOS層37bを蒸着することにより、トレンチ33をO3−TEOS層37bで充填する。続いて、O3−TEOS層37bの上部にPE−TEOS層37cを蒸着する。ここで、O3−TEOS層37b及びPE−TEOS層37cを形成する工程58は、常圧化学的気相蒸着工程により行われる。そして、O3−TEOS層37b及びPE−TEOS層37cは、PE−TEOS層37cの上部に、各々3000Å〜7000Åの厚さで形成される。
【0047】
(H) 最後に、アニーリング工程段階59を進行して、トレンチ隔離40の形成工程を完了する。ここで、アニーリング工程59は、約1050℃の窒素ガス雰囲気下で約60分間進行される。
【0048】
このようなトレンチ隔離40を形成した後、半導体の製造における必要な他の工程を進行する。
【0049】
なお、図12は、シリコン基板30に形成されたトレンチ33の断面構造を検査するためにV−SEMで写したものを概略的に示した図であり、トレンチ33の内側壁と側壁シリコン酸化膜32aの間に、図2のような隙間が形成されていないことを確認することができる。そして、図12は、シリコン基板30上部のシリコン酸化膜32、シリコン窒化膜34、ハードマスク36及びトレンチ33が、PE−TEOS層37a、O3−TEOS層37b及びPE−TEOS層37cのような絶縁物質37で充填されていることを示す。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、1次側壁酸化工程により側壁シリコン酸化膜が形成された後、PE−TEOS層の平坦化工程により誘発されるトレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜との不安定な結合を強化するために、PE−TEOS層上に2次側壁酸化工程またはアニーリング工程を進行する。従って、従来のトレンチ内側壁とシリコン酸化膜間における剥離等の不良を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術によるトレンチ隔離の形成方法を示す工程図。
【図2】図1の形成方法により形成されたトレンチ隔離の断面図(V−SEMで写した写真を概略的に示す図)。
【図3】本発明の実施の形態におけるトレンチ隔離の形成方法を示す工程図。
【図4】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階51)を示す断面図。
【図5】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階52;その1)を示す断面図。
【図6】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階52;その2)を示す断面図。
【図7】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階52;その3)を示す断面図。
【図8】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階53)を示す断面図。
【図9】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階54)を示す断面図。
【図10】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階55a)を示す断面図。
【図11】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階55b)を示す断面図。
【図12】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階58)を示す断面図。
【符号の説明】
30…シリコン基板
31…ホトレジスト
32,32a…シリコン酸化膜
33…トレンチ
34…シリコン窒化膜
36…ハードマスク
37…絶縁物質
37a,37c…PE−TEOS層
37b…O3−TEOS層
40…トレンチ隔離
【発明の属する技術分野】
本発明は、トレンチ隔離(Trench Isolation)の形成方法に関し、より詳しくは、トレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜とのボンディング力(結合力)を強化する工程段階を有するトレンチ隔離の形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、シリコン基板上に形成された複数のMOS(Metal Oxide Silicon)トランジスタをそれぞれ隔離させる方法として、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)及びSEPOX(Selective Polysilicon Oxidation Technology)方法等が採られていた。しかし、シリコン基板上に形成された回路の高集積化により、回路パターンの幅が0.35μm以下である場合、従来の隔離方法は適合しない。そこで、シリコン基板上に、3.0μmより深く、1.25μmより幅が狭いスロットまたはトレンチを形成することが可能なシリコンエッチング技術を導入している。このようなシリコンエッチング方法を「トレンチエッチング方法(Trench Etching Method)」という。
【0003】
一般的に、シリコン基板上に形成されたトレンチは、CMOSとバイポーラ回路を隔離することに用いられるが、トレンチの内側に対して、垂直キャパシタ(Vertical Capacitor)又はトランジスタを形成することもできる。
【0004】
理想的なトレンチの構造は、シリコン基板の内部に、内側へ傾斜した内側壁および丸められた底面を有するものである。即ち、傾斜した内側壁は、エッチング工程進行中に副蒸着物(redeposition)により形成され、等角(Comformal)の蒸着工程中、トレンチの内部にボイド(Void)が形成されることを抑制するために必要なものである。そして、丸められた底面は、電界が集中することを防ぐために必要なものである。
【0005】
このようなトレンチ隔離(Trench Isolation)の形成工程は、一般的なCMOS工程で進行することができる。そして、このようなトレンチ隔離の構造は、エピタキシャルシリコン基板(Epitaxial Silicon Substrate)に形成することができる。トレンチは、エピタキシャル層を貫通することができる充分な深さにエッチングされ、バイポーラトランジスタを分離させることにおいて効果的である。
【0006】
図1は、従来技術によるトレンチ隔離の形成方法を示す工程図である。
【0007】
図1において、まず、シリコン基板を備え、その上部面に、シリコン酸化膜(SiO2),シリコン窒化膜(Si3N4),ハードマスクを順次形成する(段階61)。ここで、ハードマスクは、高温酸化により形成されたシリコン酸化膜であり、シリコン基板に対する反応性イオンエッチング工程の進行中に、エッチングマスクの役割を果たす。
【0008】
続いて、トレンチが形成されるべき部分のハードマスク,シリコン窒化膜,シリコン酸化膜を除去し、シリコン基板の上部面が露出されるようにホトエッチング(Photo Etching;段階62)工程を進行する。
【0009】
次に、ホトレジストを除去するアッシング/ストリップ(ashing/strip)工程を経た後、ハードマスク及びシリコン窒化膜をマスクとして、シリコン基板を乾式エッチング方法でエッチングすることにより、トレンチが形成される(段階63)。ここで、シリコン基板の乾式エッチング方法としては、主に反応性イオンエッチング方法が採られる。反応性イオンエッチング方法においては、物理的エッチング比率が化学的エッチング比率より高い。
【0010】
トレンチが形成された後、トレンチの内側壁に対し絶縁層として側壁シリコン酸化膜を側壁酸化(段階64)工程により成長させる。側壁シリコン酸化膜は、トレンチにおける露出された内側壁を保護し、且つ活性領域とフィールド領域間における自動ドーピング障壁の役割を果たす。
【0011】
そして、トレンチを絶縁物質で充填するため、2層以上の薄膜を蒸着する工程が進行される。即ち、PE−TEOS(Plasma Enhanced - Tetra Ethyl Ortho Silicate)層を形成(段階65)する工程が進行される。すなわち、PE−TEOS層を形成する工程65は、シリコン基板の上部面およびトレンチにPE−TEOS層を蒸着させる工程65aと、PE−TEOS層を平坦化する工程65bとから構成される。ここで、平坦化工程65bは、アルゴン(Ar)を用いたエッチ−バック(Etch-Back)工程により進行される。それは、PE−TEOS層を蒸着65aした後、トレンチの入口(開口部付近)に近接するPE−TEOS層(図2の符号18)をエッチングしてトレンチの入口を広く形成することにより、トレンチの内部を充填する工程を容易に実施するためのものである。
【0012】
一方、アルゴンを用いた平坦化工程65bが進行される間、プラズマの影響によりPE−TEOS層に不純物が蒸着されて、PE−TEOS層は不均一になる。そのため、PE−TEOS層の不純物を除去してPE−TEOS層を均一にし、そのPE−TEOS層の上部に形成されるべきO3−TEOS層との良好な相互結合力を確保するため、NH3プラズマ処理(段階66)工程を進行する。
【0013】
その後、トレンチを含むシリコン基板の上部面に、O3−TEOS層およびPE−TEOS層を順次形成し(段階67)、アニーリング(Annealing;段階68)工程を経る(段階68)と、トレンチ隔離(図2の符号20)の形成が完了される。ここで、アニーリング工程68は、約1050℃で窒素ガス雰囲気下にて約60分間進行する。
【0014】
前述のように、トレンチエッチング工程63を利用したトレンチ隔離の形成方法60は、次のような問題を有する。
【0015】
まず第一に、側壁酸化工程64は、トレンチの内側壁を保護し絶縁層を形成するために進行されるが、トレンチエッチング工程63中にプラズマがトレンチの内側壁に対して影響を与えるため、トレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜間の結合が不安定になってしまう。
【0016】
第二に、前記の不安定な結合を有する側壁シリコン酸化膜が成長した部分において、アルゴンを用いた平坦化工程65b中に再びプラズマにより影響を受けて、より一層不安定になってしまう。
【0017】
第三に、薄い側壁シリコン酸化膜が形成された後、トレンチを充填するために進行される2回以上の薄膜を形成する過程で、イオンや原子が側壁シリコン酸化膜とトレンチの内側壁の間に拡散されて過飽和状態になる、又は、アニーリング工程68における熱収縮により起因し側壁シリコン酸化膜とトレンチの内側壁間の剥離等の不良が生じてしまう。
【0018】
即ち、従来技術によるトレンチ隔離の形成方法によると、トレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜との境界面が脆弱になる等の不良が生じてしまう。このような不良は、ディスロケーション(dislocation)又はウェルリーキッジポイント(well leakage point)に作用し、半導体チップにおける正常的な駆動を不可能にしてしまう。
【0019】
一方、図2に示したように、シリコン基板10に形成されたトレンチ13の断面構造を検査するため垂直走査形電子顕微鏡(Vertical-Scanning Electro Microscope;V−SEM)で写した写真を見ると、シリコン基板10と側壁シリコン酸化膜12aとの間に隙間(Void)15が形成されることを確認することができた。前記隙間15は、トレンチ13の断面を化学的に処理する際、シリコン基板10と側壁シリコン酸化膜12aとの境界面に形成された物質がエッチングされることにより、形成されるものと把握される。即ち、トレンチ13の内側壁と側壁シリコン酸化膜12aとの間に隙間15が存在するということは、側壁シリコン酸化膜12a及びシリコンと比較してエッチング率の高い不純物が存在する、又はトレンチ13の内側壁と側壁シリコン酸化膜12a間で剥離が生じるからであると把握される。
【0020】
なお、図2は、図1に示した形成方法により形成されたトレンチ隔離の断面図であり、シリコン基板10上部のシリコン酸化膜12、シリコン窒化膜14、ハードマスク16及びトレンチ13が絶縁物質17で覆われている状態を概略的に示しているものである。ここで、絶縁物質は、PE−TEOS層17c、O3−TEOS層17b及びPE−TEOS層17aを含む。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、トレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜とにおけるボンディング力を強化するための工程段階を有するトレンチ隔離の形成方法を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達するため、シリコン基板上にトレンチ隔離を形成する方法である。その過程を説明すると、まず、シリコン基板上部に、シリコン酸化膜,シリコン窒化膜,ハードマスクを順次形成する。そして、シリコン基板の上部面の一部が露出されるように、シリコン窒化膜およびハードマスクをエッチングし、露出されたシリコン基板をエッチングしてトレンチを形成する。トレンチの内側壁には、1次側壁酸化工程により側壁シリコン酸化膜を形成する。シリコン基板およびトレンチの内側壁上にはPE−TEOS層を形成する。その後、側壁シリコン酸化膜を安定化するため、2次側壁酸化工程を進行する。そして、トレンチの内部をO3−TEOS層で充填し、O3−TEOS層の上部にPE−TEOS層を形成する。また、シリコン基板の上部をアニーリングすることを特徴とするトレンチ隔離の形成方法が提供される。特に、本発明による酸化工程は、熱酸化(Thermal Oxidation)工程であり、O2ガス、O2とHClの混合ガス、またはH2とO2の反応ガスのような酸化剤を用いて600℃〜1200℃で進行される。
【0023】
さらに、本発明によるトレンチ隔離の形成方法において、2次側壁酸化工程の代わりとして、アニーリング工程を行うことを特徴とする。アニーリング工程は、600℃〜1200℃の窒素ガス雰囲気下で約60分間進行される。
【0024】
なお、側壁シリコン酸化膜を安定させるために進行される2次側壁酸化工程およびアニーリング工程を順次的に進行することができるが、好ましくは2次側壁酸化工程の後にアニーリング工程を進行する。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0026】
図3は、本発明の実施の形態におけるトレンチ隔離の形成方法を示す工程図であり、図4〜図12は、本発明の実施の形態におけるトレンチ隔離の形成方法による各工程段階を示す断面図である。
【0027】
図3に示すように、本発明の実施の形態におけるトレンチ隔離の形成方法50は、シリコン基板上に酸化膜,窒化膜,ハードマスクを形成する工程(段階51)と、ホトエッチングする工程(段階52)と、トレンチをエッチングする工程(段階53)と、1次側壁酸化を進行する工程(段階54)と、PE−TEOS層を形成しPE−TEOS層を平坦化する工程(段階55)と、2次側壁酸化またはアニーリングを進行する工程(段階56)と、PE−TEOS層をNH3プラズマ処理する工程(段階57)と、O3−TEOS層およびPE−TEOS層を順次形成する工程(段階58)と、アニーリング工程(段階59)とを含む。
【0028】
図3のトレンチ隔離の形成方法50における各々の工程段階を、図4〜図12に図示されたシリコン基板の断面図に基づいてそれぞれ説明する。
【0029】
(A) 図3及び図4に基づいて、シリコン基板30上に酸化膜32,窒化膜34,ハードマスク36を形成する工程段階51を説明する。
【0030】
まず、シリコン基板30を備え、その上部面に、シリコン酸化膜32,シリコン窒化膜34,ハードマスク36を順次形成する。ここで、シリコン酸化膜32とシリコン窒化膜34は、化学的気相蒸着(Chemical Vapor Deposition;CVD)工程により形成される。そして、ハードマスク36は、高温酸化により成長したシリコン酸化膜であり、シリコン基板30における反応性イオンエッチングが進行する間、エッチングマスクの役割を果たす。
【0031】
(B) 図3及び図5〜図7に基づいて、ホトエッチングする工程段階52を説明する。ホトエッチング工程52は、トレンチ(図8の符号33)に形成されるべき部分のハードマスク36,シリコン窒化膜34,シリコン酸化膜32を除去し、シリコン基板30の上部面が露出されるようにする工程である。
【0032】
図5において、シリコン基板30のハードマスク36上に、マスクパターンを形成するためにホトレジスト31が塗布され、トレンチに形成されるべき部分のホトレジスト31を現像して、ハードマスク36の上部面が露出された溝31aを形成する。
【0033】
図6において、ホトレジスト31をマスクとして、ホトレジストの溝31aを介してハードマスク36,シリコン窒化膜34,シリコン酸化膜32を順次に乾式エッチングすることにより、シリコン基板30の上部面を露出させる。図中の符号39は、シリコン基板30の上部面が露出された溝を示すものである。
【0034】
図7において、シリコン基板30の上部面に至るまでエッチングした後、ホトレジスト(図6の符号31)を除去するアッシング/ストリップ工程が進行される。
【0035】
(C) 図3及び図8に基づいてトレンチエッチング工程段階53を説明する。トレンチエッチング工程53は、ホトエッチング工程52を経た後、シリコン基板30上にトレンチ33を形成するために進行されるエッチング工程である。即ち、ホトレジストを除去するアッシング/ストリップ工程を経た後、ハードマスク36とシリコン窒化膜34とをマスクとして、露出されたシリコン基板30を乾式エッチングすることにより、トレンチ33を形成する。シリコン基板30における乾式エッチング方法としては、主に反応性イオンエッチング方法が採られ、物理的エッチング比率が化学的エッチング比率より高い。本発明の実施の形態により形成されるトレンチの深さは、約0.8μmである。
【0036】
(D) 図3及び図9に基づいて、1次側壁酸化工程段階54を説明すると、1次側壁酸化工程54は、トレンチ33の内側壁に絶縁層の側壁シリコン酸化膜32aを成長させる工程である。1次側壁酸化工程54は、熱酸化工程により600℃〜1200℃の温度で、O2,H2O,またはHCl等の酸化剤を用いた酸化方法により、シリコン基板30と接する境界面に対して側壁シリコン酸化膜32aを成長させる。より詳しく説明すると、熱酸化工程は、600℃〜1200℃の反応室にシリコン基板30を入れた状態で、O2ガス,O2とHClとの混合ガス,またはH2とO2との反応ガスを吹き込み、側壁シリコン酸化膜32aを成長させる。その際、側壁シリコン酸化膜32aの形成状況において、酸化剤が拡散や内部への運動により側壁シリコン酸化膜32aとシリコン基板30との境界面に移動して、酸化が起こる。ここで、側壁シリコン酸化膜32aの45%は、シリコン基板30を蚕食(侵食)させた部分であり、前記数値は、シリコンと側壁シリコン酸化膜との密度差から得られた結果である。当然、側壁シリコン酸化膜32aは、シリコン基板に形成されたトレンチ33の内側壁に形成され、シリコン基板30上部面のシリコン酸化膜32に連結される。
【0037】
このように、側壁シリコン酸化膜32aがトレンチ33の内側壁に形成された後、トレンチ33の内部を複数の絶縁物質(図12の符号37)で充填する工程が進行される。
【0038】
(E) 図3と、図10及び図11に基づいて、PE−TEOS層を形成する工程段階55を説明すると、PE−TEOS層37aを蒸着する工程55a(後述するE1)と、PE−TEOS層37aを平坦化する工程55b(後述するE2)とを含む。
【0039】
(E1) 図3及び図10において、トレンチ33の内側壁に側壁シリコン酸化膜32aが形成された後、側壁シリコン酸化膜32aの上部面を含むシリコン基板30上に、PE−TEOS層37aを蒸着する工程55aが進行される。ここで、PE−TEOS層37aは、常圧化学的気相蒸着(Atmospheric CVD)工程により形成される。
【0040】
(E2) 図3及び図11において、トレンチ33の入口(開口部付近)に近接するPE−TEOS層37aをエッチングして、トレンチ33の入口を広く形成する平坦化工程55bが進行される。ここで、平坦化工程55bとしては、アルゴンを用いたエッチ−バック工程が進行される。なお、図中の符号38は、トレンチ33の入口周囲に位置するPE−TEOS層37aがエッチ−バックされた状態を示す。
【0041】
(F) 次の工程として、従来はNH3プラズマ処理工程段階が進行されたが、本発明の実施の形態では、側壁シリコン酸化膜とトレンチの内側壁との結合を安定化するための2次側壁酸化またはアニ−リング工程段階56が進行される。
【0042】
即ち、アルゴンを用いたエッチ−バック工程のような平坦化工程55bを進行する際、プラズマの影響により側壁シリコン酸化膜32aとトレンチ33の内側壁間との結合が不安定になる。従って、本発明の実施の形態においては、側壁シリコン酸化膜32aとトレンチ33の内側壁間との結合を安定化させるため、2次側壁酸化またはアニーリング工程56を進行する。ここで、2次側壁酸化工程では、前述の1次側壁酸化工程54と同一工程条件の熱酸化工程が進行され、アニーリング工程では、600℃〜1200℃の窒素ガス雰囲気下で約60分間進行される。
【0043】
なお、2次側壁酸化工程とアニーリング工程のいずれかを選択的に進行することができ、両方を進行することもできる。そして、両方を進行する場合においては、第2側壁酸化工程を進行した後、アニーリング工程を進行することが好ましい。
【0044】
次に、NH3プラズマ処理の工程段階57が進行される。即ち、PE−TEOS層37aは、アルゴンを利用した平坦化工程55bが進行される際、プラズマの影響により、不純物が蒸着されて不均一になる。そこで、トレンチ33を含むシリコン基板30上のPE−TEOS層37aに蒸着された不純物を除去してPE−TEOS層37aを均一にし、且つPE−TEOS層37a上に形成されるべきO3−TEOS層(図12の符号37b)との良好な相互結合力を確保するため、NH3プラズマ処理工程57を進行する。
【0045】
一方、NH3プラズマ処理工程57が完了した後、ハードマスク36及び側壁シリコン酸化膜32a上に蒸着されたPE−TEOS層37aは、1000Å〜5000Åの厚さを有する。
【0046】
(G) 図12に基づいて、トレンチ33の内部を充填するためにO3−TEOS層37b及びPE−TEOS層37cを形成する工程段階58を説明する。シリコン基板30上に形成されたPE−TEOS層37aの上部に、O3−TEOS層37bを蒸着することにより、トレンチ33をO3−TEOS層37bで充填する。続いて、O3−TEOS層37bの上部にPE−TEOS層37cを蒸着する。ここで、O3−TEOS層37b及びPE−TEOS層37cを形成する工程58は、常圧化学的気相蒸着工程により行われる。そして、O3−TEOS層37b及びPE−TEOS層37cは、PE−TEOS層37cの上部に、各々3000Å〜7000Åの厚さで形成される。
【0047】
(H) 最後に、アニーリング工程段階59を進行して、トレンチ隔離40の形成工程を完了する。ここで、アニーリング工程59は、約1050℃の窒素ガス雰囲気下で約60分間進行される。
【0048】
このようなトレンチ隔離40を形成した後、半導体の製造における必要な他の工程を進行する。
【0049】
なお、図12は、シリコン基板30に形成されたトレンチ33の断面構造を検査するためにV−SEMで写したものを概略的に示した図であり、トレンチ33の内側壁と側壁シリコン酸化膜32aの間に、図2のような隙間が形成されていないことを確認することができる。そして、図12は、シリコン基板30上部のシリコン酸化膜32、シリコン窒化膜34、ハードマスク36及びトレンチ33が、PE−TEOS層37a、O3−TEOS層37b及びPE−TEOS層37cのような絶縁物質37で充填されていることを示す。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、1次側壁酸化工程により側壁シリコン酸化膜が形成された後、PE−TEOS層の平坦化工程により誘発されるトレンチの内側壁と側壁シリコン酸化膜との不安定な結合を強化するために、PE−TEOS層上に2次側壁酸化工程またはアニーリング工程を進行する。従って、従来のトレンチ内側壁とシリコン酸化膜間における剥離等の不良を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術によるトレンチ隔離の形成方法を示す工程図。
【図2】図1の形成方法により形成されたトレンチ隔離の断面図(V−SEMで写した写真を概略的に示す図)。
【図3】本発明の実施の形態におけるトレンチ隔離の形成方法を示す工程図。
【図4】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階51)を示す断面図。
【図5】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階52;その1)を示す断面図。
【図6】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階52;その2)を示す断面図。
【図7】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階52;その3)を示す断面図。
【図8】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階53)を示す断面図。
【図9】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階54)を示す断面図。
【図10】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階55a)を示す断面図。
【図11】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階55b)を示す断面図。
【図12】図3のトレンチ隔離の形成方法による工程段階(段階58)を示す断面図。
【符号の説明】
30…シリコン基板
31…ホトレジスト
32,32a…シリコン酸化膜
33…トレンチ
34…シリコン窒化膜
36…ハードマスク
37…絶縁物質
37a,37c…PE−TEOS層
37b…O3−TEOS層
40…トレンチ隔離
Claims (28)
- シリコン基板上にトレンチ隔離を形成する方法であり、
(a)前記シリコン基板の上部にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びハードマスクを順次形成する段階と、
(b)前記シリコン基板の上部面の一部が露出されるように、前記シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びハードマスクをホトエッチングする段階と、
(c)前記露出されたシリコン基板をエッチングしてトレンチを形成する段階と、
(d)前記トレンチの内側壁に、1次側壁酸化工程により側壁シリコン酸化膜を形成する段階と、
(e)前記シリコン基板およびトレンチの内側壁上にPE−TEOS層を形成する段階と、
(f)前記側壁シリコン酸化膜を安定化させるため、2次側壁酸化工程を進行する段階と、
(g)前記トレンチの内部をO3−TEOS層で充填し、前記O3−TEOS層の上部にPE−TEOS層を形成する段階と、
(h)前記シリコン基板の上部をアニーリングする段階とを含むことを特徴とするトレンチ隔離の形成方法。 - 前記1次側壁酸化工程および2次側壁酸化工程は、熱酸化工程であることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記熱酸化工程は、600℃〜1200℃の温度で進行されることを特徴とする請求項2に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記熱酸化工程は、O2ガス、O2とHClとの混合ガス、またはH2とO2との反応ガスのような酸化剤を用いることを特徴とする請求項2または請求項3に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記(f)段階以後、前記側壁シリコン酸化膜を安定化させるために、アニーリング段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記アニーリング段階は、600℃〜1200℃の窒素ガス雰囲気下で約60分間進行されることを特徴とする請求項5に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記トレンチを形成する段階(c)は、反応性イオンエッチング段階であることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記(c)段階において、前記トレンチは少なくとも0.5μm以上の深さを有することを特徴とする請求項1または請求項7に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記PE−TEOS層を形成する段階(e)は、
(e1)前記シリコン基板およびトレンチの内側壁上に、PE−TEOS層を蒸着する段階と、
(e2)前記トレンチの入口を広げるため、前記トレンチの入口に近接するPE−TEOS層を平坦化する段階とを含むことを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離の形成方法。 - 前記PE−TEOS層を蒸着する段階(e1)は、常圧化学的気相蒸着段階であることを特徴とする請求項9に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記PE−TEOS層を平坦化する段階(e2)は、アルゴンエッチ−バック工程段階であることを特徴とする請求項9に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記アルゴンエッチ−バック工程により、前記PE−TEOS層の表面に形成された不純物を除去して、前記(g)段階で形成されるO3−TEOS層との良好な相互結合力を維持するため、前記PE−TEOS層の表面をNH3プラズマ処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記O3−TEOS層およびPE−TEOS層を形成する段階(g)は、常圧化学的気相蒸着段階であることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記アニーリング段階(h)は、約1050℃の窒素ガス雰囲気下で約60分間進行されることを特徴とする請求項1に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- シリコン基板上にトレンチ隔離を形成する方法であり、
(a)前記シリコン基板の上部にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びハードマスクを順次形成する段階と、
(b)前記シリコン基板の上部面の一部が露出されるように、前記シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びハードマスクをホトエッチングする段階と、
(c)前記露出されたシリコン基板をエッチングしてトレンチを形成する段階と、
(d)前記トレンチの内側壁に、1次側壁酸化工程により側壁シリコン酸化膜を形成する段階と、
(e)前記シリコン基板およびトレンチの内側壁上にPE−TEOS層を形成する段階と、
(f)前記側壁シリコン酸化膜を安定化させるため、アニーリングする段階と、
(g)前記トレンチの内部をO3−TEOS層で充填し、前記O3−TEOS層の上部にPE−TEOS層を形成する段階と、
(h)前記シリコン基板の上部をアニーリングする段階とを含むことを特徴とするトレンチ隔離の形成方法。 - 前記アニーリング段階(f)は、600℃〜1200℃の窒素ガス雰囲気下で進行されることを特徴とする請求項15に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記(f)段階以後、前記側壁シリコン酸化膜を安定化させるために、2次側壁酸化段階をさらに含むことを特徴とする請求項15に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記酸化工程は、熱酸化工程であることを特徴とする請求項15または請求項17に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記熱酸化工程は、600℃〜1200℃の温度で進行されることを特徴とする請求項18に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記熱酸化工程は、O2ガス、O2とHClとの混合ガス、またはH2とO2との反応ガスのような酸化剤を用いることを特徴とする請求項19に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記トレンチを形成する段階(c)は、反応性イオンエッチング段階であることを特徴とする請求項15に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記(c)段階において、前記トレンチは少なくとも0.5μm以上の深さを有することを特徴とする請求項15または請求項21に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記PE−TEOS層を形成する段階(e)は、
(e1)前記シリコン基板およびトレンチの内側壁上に、PE−TEOS層を蒸着する段階と、
(e2)前記トレンチの入口を広げるため、前記トレンチの入口に近接するPE−TEOS層を平坦化する段階とを含むことを特徴とする請求項15に記載のトレンチ隔離の形成方法。 - 前記PE−TEOS層を蒸着する段階(e1)は、常圧化学的気相蒸着段階であることを特徴とする請求項23に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記PE−TEOS層を平坦化する段階(e2)は、アルゴンエッチ−バック工程段階であることを特徴とする請求項23に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記アルゴンエッチ−バック工程により、前記PE−TEOS層の表面に形成された不純物を除去して、前記(g)段階で形成されるO3−TEOS層との良好な相互結合力を維持するために、前記PE−TEOS層の表面をNH3プラズマ処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項25に記載にトレンチ隔離の形成方法。
- 前記O3−TEOS層およびPE−TEOS層を形成する段階(g)は、常圧化学的気相蒸着段階であることを特徴とする請求項15に記載のトレンチ隔離の形成方法。
- 前記アニーリング段階(h)は、約1050℃の窒素ガス雰囲気下で約60分間進行されることを特徴とする請求項15に記載のトレンチ隔離の形成方法。
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