JP6135383B2 - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置に関する。

炭化珪素半導体装置は、現在主流である珪素半導体装置に比べて、電力損失が少なく、高温動作が可能である等の多くの利点を有しており、次世代の電力用半導体装置として期待されている。現在、炭化珪素半導体装置のさらなる高性能化を追求すべく、装置の構造面から様々なアプローチが行なわれている（たとえば、特許文献１参照。）。

国際公開第２００２／０２９９００号

プレーナ構造は、最も基本的な構造の一つであり、広く利用されている。プレーナ構造では、チャネル領域が半導体基板に対して平行に形成される。この構造は、高耐圧化に適した構造であるが、ＪＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor）抵抗と呼ばれる寄生抵抗が存在するため、低オン抵抗化が困難である。

これに対して、トレンチゲート構造は、ＪＦＥＴ抵抗成分を含まない構造であるため、低オン抵抗化に適している。しかしながら、トレンチゲート構造では、トレンチの底部でゲート絶縁膜の絶縁破壊が発生しやすく、高耐圧化が困難である。

また、電力用半導体装置は、大電流を扱うため、電力損失を低減するとの観点から、閾値電圧が高く、ゲート電圧を印加しない状態で電流を遮断できるノーマリーオフ型であることが求められる。ところが、高い閾値電圧と低オン抵抗とは、一般にトレードオフの関係にあり、これらの両立は容易ではない。

このような課題に対応するため、様々な技術が提案されている。たとえば、国際公開第２００２／０２９９００号（特許文献１）では、プレーナ構造を有する炭化珪素半導体装置において、ｎ型の蓄積型チャネルを設けることにより、チャネル抵抗成分を低減し、低オン抵抗化を図っている。

特許文献１に開示される半導体装置は、プレーナ構造であるため、比較的高い耐圧を有することができる。しかしながら、特許文献１で用いられているｎ型の蓄積型チャネルは、ｐ型半導体をチャネルとして用いる場合に比べて、閾値電圧が低いという問題がある。また、プレーナ構造では平面方向の装置サイズの制約から、チャネル長を制御することによって、閾値電圧を調整することも困難である。他方、この構造において、オン抵抗を低減するためにチャネル長を短くすると、短チャネル効果により、閾値電圧が急激に低下し、場合によってはパンチスルーに至るという問題がある。すなわち、この構造では、高耐圧でありながら、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立することは極めて困難である。

本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、高耐圧であり、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立した炭化珪素半導体装置を提供することにある。

本発明の炭化珪素半導体装置は、第１の主面と、第１の主面と反対の第２の主面とを有する炭化珪素層を備える。

ここで、炭化珪素層は、第１の主面を構成し第１の導電型を有する第１の層と、第１の層内に設けられ第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の層と、少なくとも第２の層内に設けられ第２の主面の一部を構成しかつ第１の導電型を有する第３の層とを含む。

そして、炭化珪素層の第２の主面にはトレンチが設けられており、当該トレンチは第２の層と第３の層とが表出する第１の側壁部と第１の側壁部に連なり第２の層内に位置する底部とを有し、さらに上記炭化珪素半導体装置は、第１の側壁部および底部の各々を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を備える。

本発明の炭化珪素半導体装置は、高耐圧であり、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立することができる。

図１は、本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置の構成の一例を概略的に示す図であり、図２の線Ｉ−Ｉに沿う部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素層の形状を概略的に示す部分平面図である。 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置の構成の他の一例を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置の構成の他の一例を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態におけるトレンチの断面形状の一変形例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるトレンチの断面形状の他の変形例を示す図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造過程の第３段階（ステップ３）を概略的に示す部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造過程の第４段階（ステップ４）を概略的に示す部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造過程の第５段階（ステップ５）を概略的に示す部分断面図である。 図１の炭化珪素半導体装置の製造過程の第６段階（ステップ６）を概略的に示す部分断面図である。 炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素層の表面の微細構造を概略的に示す部分断面図である。 ポリタイプ４Ｈの六方晶における（０００−１）面の結晶構造を示す図である。 図１２の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに沿う（１１−２０）面の結晶構造を示す図である。 図１１の複合面の表面近傍における結晶構造を（１１−２０）面内において示す図である。 図１１の複合面を（０１−１０）面から見た図である。 巨視的に見たチャネル面および（０００−１）面の間の角度と、チャネル移動度との関係の一例を、熱エッチングが行われた場合と行われなかった場合との各々について示すグラフ図である。 チャネル方向および＜０−１１−２＞方向の間の角度と、チャネル移動度との関係の一例を示すグラフ図である。 図１２の変形例を示す図である。 チャネル長と、閾値電圧および特性オン抵抗との関係の一例を示すグラフ図である。 チャネル長と、閾値電圧および特性オン抵抗との関係の他の一例を示すグラフ図である。

以下、本発明に係わる実施の形態についてさらに詳細に説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、本明細書中の結晶学的な記載においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面{}で、それぞれ示すものとする。なおまた、結晶学上の指数が負であることは、通常、”−”（バー）を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に負の符号を付すことで表現するものとする。

[本願発明の実施形態の説明]
まず、本願発明の実施の形態（以下、「本実施の形態」とも記す）の概要を以下の（１）〜（７）に列記して説明する。

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行なったところ、プレーナ構造の利点とトレンチゲート構造の利点とを併せ持つ、新規な装置構造を見出した。すなわち、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置は、以下の構成を備える。

（１）本実施の形態の炭化珪素半導体装置２０１は、第１の主面Ｐ１と、第１の主面Ｐ１と反対の第２の主面Ｐ２とを有する炭化珪素層１０１を備える。

ここで、炭化珪素層１０１は、第１の主面Ｐ１を構成し第１の導電型を有する第１の層８１と、第１の層８１内に設けられ第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の層８２と、少なくとも第２の層８２内に設けられ第２の主面Ｐ２の一部を構成しかつ第１の導電型を有する第３の層８３とを含む。

そして、炭化珪素層１０１の第２の主面Ｐ２にはトレンチＴＲが設けられており、トレンチＴＲは第２の層８２と第３の層８３とが表出する第１の側壁部ＳＷ１と第１の側壁部ＳＷ１に連なり第２の層８２内に位置する底部ＢＴとを有し、さらに炭化珪素半導体装置２０１は、第１の側壁部ＳＷ１および底部ＢＴの各々を覆うゲート絶縁膜９１と、ゲート絶縁膜９１上に設けられたゲート電極９２と、を備える。

この炭化珪素半導体装置２０１によれば、トレンチＴＲの底部ＢＴが第２の層８２内に位置するため、ゲート絶縁膜９１に強電界が印加されることがなく、高耐圧を示すことができる。また、トレンチゲート構造の半導体装置と同様に、トレンチＴＲの側壁に沿ってチャネル領域ＣＨが形成される。したがって、装置の微細化が容易であり、低オン抵抗化が可能である。また、通常のプレーナ構造に比べて、チャネル長が装置サイズに及ぼす影響が小さいため、十分なチャネル長を確保することができる。したがって、高い閾値電圧を有することができる。このように、炭化珪素半導体装置２０１によれば、高耐圧であり、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立した炭化珪素半導体装置が実現可能である。

（２）第１の側壁部ＳＷ１において第２の層８２が表出する部分には、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面Ｓ１を含む表面が設けられていることが好ましい。

閾値電圧をさらに高くするためには、チャネル領域ＣＨを構成する第２の層８２における不純物濃度を高くすることが考えられる。しかしながら、通常、第２の層８２における不純物濃度を高くすると、ドーパントが増加したことによる不純物の散乱が顕著となるため、チャネル移動度が大幅に低下し、オン抵抗が増大する。しかし、第１の側壁部ＳＷ１において第２の層８２が表出する部分が、面方位{０−３３−８}を有する第１の面Ｓ１を含むことにより、第２の層８２における不純物濃度を高くしても、チャネル移動度を大きく低下させることがない。したがって、このような構成を採用することにより、高い閾値電圧と低オン抵抗とを高度に両立することができる。

（３）トレンチＴＲの断面形状は、Ｖ字形状であることが好ましい。従来、トレンチＴＲの断面形状がＶ字形状であると、ゲート絶縁膜９１が底部ＢＴにおいて大きく突出するため、当該部分に電界が集中しやすく、耐圧が低下していた。しかし、炭化珪素半導体装置２０１によれば、底部ＢＴは第２の層８２内に位置し、電界が集中しないため、Ｖ字形状としても耐圧が低下することがない。そして、Ｖ字形状を採用することにより、トレンチＴＲの第１の側壁部ＳＷ１に、前述の面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面Ｓ１を容易に含ませることができる。すなわち、高い閾値電圧と低オン抵抗とを高度に両立することができる。

（４）トレンチＴＲは、第１の側壁部ＳＷ１と対向配置されるとともに底部ＢＴと連なる第２の側壁部ＳＷ２を有し、第２の側壁部ＳＷ２では、第２の層８２と第３の層８３とが表出することが好ましい。

この構成において、チャネル領域ＣＨは、第１の側壁部ＳＷ１、底部ＢＴおよび第２の側壁部ＳＷ２に沿って形成される。これにより、チャネル長は、実質的にトレンチＴＲの断面形状に依存して決定されることとなるため、チャネル長の制御が容易になるとともに、チャネル長のばらつきが顕著に低減される。

（５）ゲート電極９２に電圧を印加したときに、トレンチＴＲの少なくとも第１の側壁部ＳＷ１に表出する第２の層８２および底部ＢＴを含む領域はチャネル領域ＣＨとなり、チャネル領域ＣＨのチャネル長は、０．６μｍ以上であることが好ましい。

チャネル長を０．６μｍ以上とすることにより、閾値電圧をさらにプラス側へシフトさせ、炭化珪素半導体装置２０１を安定したノーマリーオフ型とすることができる。

（６）第２の層８２における不純物濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることが好ましい。前述のように、本実施の形態では、第１の側壁部ＳＷ１が、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面Ｓ１を含むことができるため、第２の層８２における不純物濃度を５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上という高濃度とすることが可能である。これにより、閾値電圧をより一層高くすることができる。

（７）第１の導電型はｎ型であり、第２の導電型はｐ型であることが好ましい。これにより、第２の層８２内に形成されたチャネル領域ＣＨがｐ型半導体となることができるため、閾値電圧をより一層高くすることができる。

[本願発明の実施の形態の詳細]
以下、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置について、より詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜炭化珪素半導体装置＞
図１に示す実施の形態に係る炭化珪素半導体装置２０１は、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）として構成されている。炭化珪素半導体装置２０１は、単結晶基板８０と、炭化珪素層１０１（エピタキシャル層）と、ゲート絶縁膜９１、ゲート電極９２、層間絶縁膜９３と、ソース電極９４と、ソース配線層９５と、ドレイン電極９８とを有する。単結晶基板８０は、炭化珪素からなり、ｎ型（第１の導電型）を有する。単結晶基板８０上には、炭化珪素層１０１が設けられている。

炭化珪素層１０１は、単結晶基板８０上にエピタキシャルに成長させられた炭化珪素層である。炭化珪素層１０１は、ポリタイプ４Ｈの六方晶の結晶構造を有する。かかる結晶構造を採用することにより、炭化珪素半導体装置２０１のオン抵抗を低くすることができる。炭化珪素層１０１は、単結晶基板８０に面する下面Ｐ１（第１の主面）と、下面Ｐ１と反対の上面Ｐ２（第２の主面）とを有する。炭化珪素層１０１は、ｎドリフト層８１（第１の層）と、ｐボディ層８２（第２の層）と、ｎ＋層８３（第３の層）と、ｐコンタクト領域８４とを有する。

ｎドリフト層８１は、ｎ型を有する。ｎドリフト層８１は、炭化珪素層１０１の下面Ｐ１を構成している。ｎドリフト層８１の不純物濃度は、単結晶基板８０の不純物濃度よりも低いことが好ましい。ここで、ｎドリフト層８１の不純物濃度は、好ましくは１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である。

ｐボディ層８２は、ｐ型（第１の導電型と異なる第２の導電型）を有する。ｐボディ層８２は、ｎドリフト層８１内に設けられている。ｐボディ層８２の不純物濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

ｎ＋層８３は、ｎ型を有する。ｎ＋層８３は、ｎドリフト層８１およびｐボディ層８２内に設けられており、ｐコンタクト領域８４とともに炭化珪素層１０１の上面Ｐ２を構成している。すなわち、ｎ＋層８３は、ｐボディ層８２内からｎドリフト層８１にまで延びるように形成され、炭化珪素層１０１の上面の一部を構成している。

炭化珪素層１０１の上面Ｐ２には、トレンチＴＲが設けられている。トレンチＴＲは、平面視（図２）において、ｐコンタクト領域８４およびｎ＋層８３の一部を取り囲むように六角形状に形成されている。トレンチＴＲは、第１の側壁部ＳＷ１と、第１の側壁部ＳＷ１と連なる底部ＢＴと、第１の側壁部ＳＷ１と対向配置されるとともに底部ＢＴと連なる第２の側壁部ＳＷ２とを有している。第１の側壁部ＳＷ１および第２の側壁部ＳＷ２には、各々ｐボディ層８２とｎ＋層８３とが表出している。また、底部ＢＴはｐボディ層８２内に位置している。なお、本明細書では、第１の側壁部ＳＷ１および第２の側壁部ＳＷ２を総称して、単に「側壁部ＳＷ」と記すことがある。すなわち、「側壁部ＳＷ」は、第１の側壁部ＳＷ１および第２の側壁部ＳＷ２の少なくともいずれかを示す。

ゲート絶縁膜９１は、トレンチＴＲ上に形成されており、トレンチＴＲの第１の側壁部ＳＷ１、底部ＢＴおよび第２の側壁部ＳＷ２の各々を覆っている。ゲート絶縁膜９１は酸化珪素膜であることが好適である。そして、ゲート絶縁膜９１上には、ゲート電極９２が設けられている。層間絶縁膜９３はゲート電極９２上に設けられ、ゲート電極９２とソース電極９４との間を絶縁している。ソース配線層９５は、層間絶縁膜９３およびソース電極９４に接している。ソース配線層９５は、たとえばアルミニウム層である。ドレイン電極９８は、炭化珪素層１０１の下面Ｐ１上に単結晶基板８０を介して設けられている。

以上の構成を有する炭化珪素半導体装置２０１では、トレンチＴＲの底部ＢＴがｐボディ層８２内に位置している。したがって、ゲート絶縁膜９１に強電界が印加されることがなく、極めて高い耐圧を実現することが可能である。

また、炭化珪素半導体装置２０１は、ｎドリフト層８１内に、１対のｐボディ層８２に挟まれたＪＦＥＴ領域８５を有する。ＪＦＥＴ領域８５は、ｎドリフト層８１の一部であり、ｎ型の導電型を有する。本実施の形態では、ＪＦＥＴ領域８５は、ｎドリフト層８１よりも不純物濃度が高いことが好ましい。ＪＦＥＴ領域８５の不純物濃度は、たとえば、ｎ型の不純物をｎドリフト層８１にイオン注入することによって、ｎドリフト層８１のうちＪＦＥＴ領域８５を除く部分よりも高くすることができる。なお、より好ましくは、ＪＦＥＴ領域８５は、ｎ＋層８３よりも不純物濃度が低い。

通常のプレーナ構造では、装置の耐圧を確保するため、ＪＦＥＴ領域の不純物濃度は低く設定される。そのため、装置のオン抵抗は高くならざるを得ない。これに対して、炭化珪素半導体装置２０１では、トレンチＴＲの底部ＢＴがｐボディ層８２内に位置することにより、十分な耐圧が確保されているため、ＪＦＥＴ領域８５の不純物濃度を高めることができ、半導体装置のさらなる低オン抵抗化が可能である。

すなわち、本実施の形態の炭化珪素半導体装置２０１は、第１の層８１内に１対の第２の層８２に挟まれた第１の導電型を有するＪＦＥＴ領域８５を含み、ＪＦＥＴ領域８５は第１の層８１よりも不純物濃度が高いことが好ましい。

また、第１の側壁部ＳＷ１に表出するｐボディ層８２の部分、第２の側壁部ＳＷ２に表出するｐボディ層８２の部分、および底部ＢＴを含む領域は、ゲート電極９２にゲート電圧を印加したときに、チャネル領域ＣＨを構成する。すなわち、チャネル領域ＣＨは、トレンチＴＲの第１の側壁部ＳＷ１から、底部ＢＴを通って、第２の側壁部ＳＷ２に到るように形成される。つまり、チャネル領域ＣＨは、第１の側壁部ＳＷ１に連なるｎ＋層８３とｎドリフト層８１とを電気的に接続可能に形成される。このように、本実施の形態では、チャネル領域ＣＨを装置の縦方向に形成するため、装置の微細化が容易であり、オン抵抗を低減することができる。また、この構造において、チャネル長は、主にトレンチＴＲの深さおよび側壁部ＳＷの傾斜角度によって、容易に制御することができる。よって、チャネル長を制御することにより、高い閾値電圧を得ることも可能である。

図１に示すように、炭化珪素半導体装置２０１では、トレンチＴＲの断面形状はＶ字形状を有している。Ｖ字形状は、製造プロセスを簡略化できるため好適である。なおここで、トレンチＴＲの断面形状は、Ｖ字形状に限定されるものではなく、たとえば、図５に示すような台形状であってもよいし、図６に示すような矩形状であってもよいが、トレンチＴＲの第１の側壁部ＳＷ１および第２の側壁部ＳＷ２は、炭化珪素層１０１の上面Ｐ２に対して傾斜していることが好ましい。トレンチＴＲの側壁が傾斜することにより、チャネル長を減少させたとき、短チャネル効果の発現が緩やかとなり、高い閾値電圧を維持しながら低オン抵抗化が可能である。

ここで、短チャネル効果は、主に、ｐｎ接合による空乏層がチャネル領域ＣＨにまで広がることによって発現する。一般に、短チャネル効果の抑制には、チャネル領域ＣＨの不純物濃度を高くして、空乏層の広がりを抑制することが有効である。したがって、ｐ型半導体層をチャネル領域ＣＨに用いる場合、ｐ型半導体層におけるアクセプタ数（Ｎｐ）を、ｎ型半導体層におけるドナー数（Ｎｎ）に対して多くする（すなわちＮｐ／Ｎｎを大きくする）ことが有効である。炭化珪素半導体装置２０１では、ｎ＋層８３およびｐボディ層８２の一部が除去されることにより、上面Ｐ２に向かってテーパ状に開口するトレンチＴＲが形成されている。そのため、トレンチＴＲの形成によって、ｎ＋層８３からは、ｐボディ層８２に比べてより多くの体積が除去されている。これにより、トレンチＴＲの形成前に比べて、ＮｐをＮｎで除した値（Ｎｐ／Ｎｎ）を増加させることができている。よって、炭化珪素半導体装置２０１のように、側壁部ＳＷが傾斜したトレンチを設けることにより短チャネル効果を抑制することができる。

ここで、トレンチＴＲにおける側壁部ＳＷの傾斜は、具体的には次のような態様であることが好ましい。すなわち、側壁部ＳＷの面方位は、{０００１}面に対して５０°以上６５°以下傾斜していることが好ましく、（０００−１）面に対して５０°以上６５°以下傾斜していることが好ましい。このような傾斜を有する側壁部ＳＷにチャネル領域ＣＨを形成することにより、チャネル領域ＣＨを構成するｐボディ層８２における不純物濃度を高くしても、チャネル移動度が低下することがない。したがって、ｐボディ層８２の不純物濃度を高くすることができ、以って高い閾値電圧を得ることができる。ここで、ｐボディ層８２における不純物濃度は５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることが好ましい。不純物濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることにより、半導体装置をノーマリーオフ型に近付けることができる。より安定したノーマリーオフ型とするとの観点から、ｐボディ層８２における不純物濃度は、より好ましくは１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であり、特に好ましくは５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であり、さらに好ましくは１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である。

≪特殊面≫
側壁部ＳＷが、上面Ｐ２に対して傾斜している場合、側壁部ＳＷは、特にｐボディ層８２上の部分において、所定の結晶面（以下、「特殊面」と称する）を有することが好ましい。チャネル領域ＣＨを構成している側壁部ＳＷに表出したｐボディ層８２が、特殊面を有することにより、半導体装置のオン抵抗のうちチャネル抵抗成分が低減される。すなわち、半導体装置の低オン抵抗化が可能である。

特殊面が設けられた側壁部ＳＷは、図１１に示すように、面方位｛０−３３−８｝を有する面Ｓ１（第１の面）を含む。換言すれば、トレンチＴＲの側壁部ＳＷのｐボディ層８２には、面Ｓ１を含む表面が設けられている。面Ｓ１は好ましくは面方位（０−３３−８）を有する。

さらに、より好ましくは、側壁部ＳＷは、面Ｓ１を微視的に含み、側壁部ＳＷは、面方位{０−１１−１}を有する面Ｓ２（第２の面）を微視的に含む。ここで、「微視的」とは、「原子間隔の２倍程度の寸法を少なくとも考慮する程度に詳細に」ということを意味している。このように微視的な構造の観察方法としては、たとえばＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）を用いることができる。なお、面Ｓ２は好ましくは面方位（０−１１−１）を有する。

さらに、好ましくは側壁部ＳＷにおける面Ｓ１および面Ｓ２は、面方位{０−１１−２}を有する複合面ＳＲを構成している。すなわち複合面ＳＲは、面Ｓ１およびＳ２が周期的に繰り返されることによって構成されている。このような周期的構造は、たとえばＴＥＭまたはＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）により観察することができる。この場合、複合面ＳＲは{０００−１}面に対して巨視的に６２°のオフ角を有する。ここで、「巨視的」とは、原子間隔程度の寸法を有する微細構造を無視することを意味している。このように、巨視的なオフ角の測定方法としては、たとえば一般的なＸ線回折を用いた方法を挙げることができる。また、複合面ＳＲは、面方位（０−１１−２）を有することが好ましい。この場合、複合面ＳＲは（０００−１）面に対して巨視的に６２°のオフ角を有する。

また、好ましくは、チャネル面上においてキャリアが流れる方向（すなわち、ＭＯＳＦＥＴの厚さ方向（図１などにおける縦方向））であるチャネル方向ＣＤは、上述した周期的繰り返しが行なわれる方向に沿っている。次に複合面ＳＲの詳細な構造について説明する。

一般に、ポリタイプ４Ｈの炭化珪素単結晶を（０００−１）面から見ると、図１２に示すように、Ｓｉ原子（またはＣ原子）は、Ａ層の原子（図中の実線）と、この下に位置するＢ層の原子（図中の破線）と、この下に位置するＣ層の原子（図中の一点鎖線）と、この下に位置するＢ層の原子（図示せず）とが繰り返し設けられている。つまり４つの層ＡＢＣＢを１周期としてＡＢＣＢＡＢＣＢＡＢＣＢ・・・のような周期的な積層構造が設けられている。

図１３に示すように、（１１−２０）面（図１２の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩの断面）において、上述した１周期を構成する４つの層ＡＢＣＢの各層の原子は、（０−１１−２）面に完全に沿うようには配列されていない。図１３においてはＢ層の原子の位置を通るように（０−１１−２）面が示されており、この場合、Ａ層およびＣ層の各々の原子は（０−１１−２）面からずれていることがわかる。このため、炭化珪素単結晶の表面の巨視的な面方位、すなわち原子レベルの構造を無視した場合の面方位が（０−１１−２）に限定されたとしても、この表面は、微視的には様々な構造をとり得る。

図１４に示すように、複合面ＳＲは、面方位（０−３３−８）を有する面Ｓ１と、面Ｓ１につながりかつ面Ｓ１の面方位と異なる面方位を有する面Ｓ２とが交互に設けられることによって構成されている。面Ｓ１および面Ｓ２の各々の長さは、Ｓｉ原子（またはＣ原子）の原子間隔の２倍である。なお面Ｓ１および面Ｓ２が平均化された面は、（０−１１−２）面に対応する。

図１５に示すように、複合面ＳＲを（０１−１０）面から見て単結晶構造は、部分的に見て立方晶と等価な構造（面Ｓ１の部分）を周期的に含んでいる。具体的には複合面ＳＲは、上述した立方晶と等価な構造における面方位（００１）を有する面Ｓ１と、面Ｓ１につながりかつ面Ｓ１の面方位と異なる面方位を有する面Ｓ２とが交互に設けられることによって構成されている。このように、立方晶と等価な構造における面方位（００１）を有する面（図１５においては面Ｓ１）と、この面につながりかつこの面方位と異なる面方位を有する面（図１５においては面Ｓ２）とによって表面を構成することは４Ｈ以外のポリタイプにおいても可能である。ポリタイプは、たとえば６Ｈまたは１５Ｒであってもよい。

次に図１６を参照して、側壁部ＳＷの結晶面と、チャネル面の移動度ＭＢとの関係について説明する。図１６のグラフにおいて、横軸は、チャネル面を有する側壁部ＳＷの巨視的な面方位と（０００−１）面とのなす角度Ｄ１（°）を示し、縦軸は移動度ＭＢを示す。プロット群ＣＭは側壁部ＳＷが熱エッチングによる特殊面として仕上げられた場合に対応し、プロット群ＭＣはそのような熱エッチングがなされない場合に対応する。なお、熱エッチング等の製造方法については後述する。

プロット群ＭＣにおける移動度ＭＢは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が（０−３３−８）のときに最大となった。この理由は、熱エッチングが行われない場合、すなわち、チャネル表面の微視的な構造が特に制御されない場合においては、巨視的な面方位が（０−３３−８）とされることによって、微視的な面方位（０−３３−８）、つまり原子レベルまで考慮した場合の面方位（０−３３−８）が形成される割合が確率的に高くなったためと考えられる。

一方、プロット群ＣＭにおける移動度ＭＢは、チャネル面の表面の巨視的な面方位が（０−１１−２）のとき（矢印ＥＸ）に最大となった。この理由は、図１４および図１５に示すように、面方位（０−３３−８）を有する多数の面Ｓ１が面Ｓ２を介して規則正しく稠密に配置されることで、チャネル面の表面において微視的な面方位（０−３３−８）が占める割合が高くなったためと考えられる。

なお移動度ＭＢは複合面ＳＲ上において方位依存性を有する。図１７に示すグラフにおいて、横軸はチャネル方向と＜０−１１−２＞方向との間の角度Ｄ２（°）を示し、縦軸はチャネル面の移動度ＭＢ（任意単位）を示す。破線はグラフを見やすくするために補助的に付してある。このグラフから、チャネル移動度ＭＢを大きくするには、チャネル方向ＣＤ（図１１）が有する角度Ｄ２（°）は、０°以上６０°以下であることが好ましく、ほぼ０°であることがより好ましいことがわかった。

図１８に示すように、側壁部ＳＷは、複合面ＳＲに加えてさらに面Ｓ３（第３の面）を含んでもよい。より具体的には、面Ｓ３および複合面ＳＲが周期的に繰り返されることによって構成された複合面ＳＱを側壁部ＳＷが含んでもよい。この場合、側壁部ＳＷの｛０００−１｝面に対するオフ角は、理想的な複合面ＳＲのオフ角である６２°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±１０°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が{０−３３−８}面となる表面がある。より好ましくは、側壁部ＳＷの（０００−１）面に対するオフ角は、理想的な複合面ＳＲのオフ角である６２°からずれる。このずれは小さいことが好ましく、±１０°の範囲内であることが好ましい。このような角度範囲に含まれる表面としては、たとえば、巨視的な面方位が（０−３３−８）面となる表面がある。このような周期的構造は、たとえば、ＴＥＭまたはＡＦＭにより観察し得る。

上述した理由により、トレンチＴＲの第１の側壁部ＳＷ１（図１）上においてｐボディ層８２には、面方位｛０−３３−８｝を有する面Ｓ１（図１１）を含む表面が設けられていることが好ましい。また、より好ましくは第１の側壁部ＳＷ１および第２の側壁部ＳＷ２上においてｐボディ層８２には、面方位｛０−３３−８｝を有する面Ｓ１（図１１）を含む表面が設けられていることが好適である。これにより、炭化珪素半導体装置２０１のオン抵抗のうち、ｐボディ層８２によって構成されるチャネル部分の抵抗を小さくすることができる。よってｎドリフト層８１の抵抗がより大きくても許容される。よってｎドリフト層８１の不純物濃度をより小さくすることができる。これにより炭化珪素半導体装置のさらなる高耐圧化が可能となる。

なお、この表面は面Ｓ１を微視的に含んでもよく、表面はさらに、面方位｛０−１１−１｝を有する面Ｓ２（図１１）を微視的に含んでもよい。この表面の面Ｓ１およびＳ２は、面方位｛０−１１−２｝を有する複合面ＳＲ（図１１）を構成することが好ましい。またこの表面は｛０００−１｝面に対して、巨視的に６２°±１０°のオフ角を有することがより好ましい。これによりチャネル部分の抵抗をより小さくすることができる。

≪チャネル長≫
チャネル長は、０．６μｍ以上であることが好ましい。これにより、炭化珪素半導体装置を、ノーマリーオフ型とすることができる。図１９は、炭化珪素半導体装置において、ｐボディ層における不純物濃度を３×１０¹⁷ｃｍ^-3に固定し、チャネル長（Ｌ_ch）を変化させたときの、弱反転領域における閾値電圧と特性オン抵抗（オン抵抗×装置活性領域の面積）との関係を示す図である。図１９中、縦軸は特性オン抵抗（単位：ｍΩ・ｃｍ²）を示し、横軸は弱反転領域における閾値電圧（単位：Ｖ）を示す。

ここで、図１９および後述する図２０におけるチャネル長（Ｌ_ch）は、不純物注入時のマスク寸法から求めた値である。半導体装置における実際のチャネル長（実効的なチャネル長）は、このＬ_chに０．２μｍを加えた値となる。このように、実際のチャネル長が、マスク寸法から求めたチャネル長より０．２μｍ長いことは、たとえば、ＳＣＭ（Scanning Capacitance Microscopy）法によって、ｐｎ接合の界面近傍におけるキャリア分布を観察することにより確かめることができる。

図１９に示すように、チャネル長（Ｌ_ch）が増加するに従って、閾値電圧と特性オン抵抗は緩やかに増加していく。そして、チャネル長（Ｌ_ch）が０．６μｍでは、閾値電圧は完全にプラスの値を示している。すなわち、ノーマリーオフ型となっている。チャネル長（Ｌ_ch）が、０．８μｍ、１．２μｍとさらに増加すると特性オン抵抗は急激に増加していく。したがって、高い閾値電圧と低オン抵抗を両立するとの観点から、チャネル長は好ましくは１．２μｍ以下であり、より好ましくは０．８μｍ以下である。すなわち、半導体装置における実際のチャネル長は、０．８μｍ以上１．４μｍ以下であることが好ましく、０．８μｍ以上１．０μｍ以下であることがより好ましい。

図２０は、ｐボディ層における不純物濃度を４×１０¹⁶ｃｍ^-3に固定し、チャネル長（Ｌ_ch）を変化させたときの、弱反転領域における閾値電圧と特性オン抵抗との関係を示す図である。図２０に示すように、この場合も、チャネル長（Ｌ_ch）が増加するに従って、閾値電圧と特性オン抵抗は緩やかに増加していき、チャネル長（Ｌ_ch）が０．６μｍとなる付近から閾値電圧はプラス側へ転じ、その後は特性オン抵抗が急激に上昇していく。したがって、この場合も、炭化珪素半導体装置をノーマリーオフ型とするためには、チャネル長（Ｌ_ch）は０．６μｍ以上であることが好ましい。また、高い閾値電圧と低オン抵抗を両立するとの観点から、チャネル長は好ましくは１．２μｍ以下であり、より好ましくは０．８μｍ以下である。すなわち、半導体装置における実際のチャネル長は、０．８μｍ以上１．４μｍ以下であることが好ましく、０．８μｍ以上１．０μｍ以下であることがより好ましい。

また、図１９と図２０とを比較すると、不純物濃度が低い場合（図２０）の方が、チャネル長（Ｌ_ch）を増加させていったとき、特性オン抵抗が急激に上昇し始める閾値電圧が低い。したがって、低オン抵抗と高い閾値電圧を両立するためには、ｐボディ層８２の不純物濃度は高い方が好ましい。しかし、ｐボディ層８２の不純物濃度が高くなると、通常は不純物の散乱が顕著となりチャネル移動度が低下し、オン抵抗が増大する。上述のように、本実施の形態では、少なくとも第１の側壁部ＳＷ１が特殊面を含むことにより、不純物濃度を高めても、チャネル移動度が低下しないため、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立することが可能である。

＜炭化珪素半導体装置の製造方法＞
次に本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図３は、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の概略を示すフローチャートである。図３に示すように、ステップ１（Ｓ１）〜ステップ７（Ｓ７）を実行することにより、本実施の形態の炭化珪素半導体装置を製造することができる。

≪ステップ１（Ｓ１）≫
ステップ１（Ｓ１）では炭化珪素の単結晶基板８０を準備する。

≪ステップ２（Ｓ２）≫
ステップ２（Ｓ２）では、上記で準備された単結晶基板８０上に、エピタキシャル成長によって、ｎドリフト層８１を形成する。このエピタキシャル成長は、たとえば原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄）とプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素ガス（Ｈ₂）を用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により行うことができる。この際、不純物として、たとえば窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）を導入することが好ましい。

≪ステップ３（Ｓ３）≫
ステップ３（Ｓ３）では、イオン注入によって、図７に示すように、ｎドリフト層８１内にｐボディ層８２、ｎ＋層８３およびｐコンタクト領域８４を形成する。これらの形成は、たとえば、ｎドリフト層８１へのイオン注入により行なうことができる。ｐボディ層８２およびｐコンタクト領域８４を形成するためのイオン注入においては、たとえばアルミニウム（Ａｌ）などの、ｐ型を付与するための不純物を用いることができる。またｎ＋層８３を形成するためのイオン注入においては、たとえばリン（Ｐ）などの、ｎ型を付与するための不純物を用いることができる。イオン注入によって形成されるｐボディ層８２の深さは、たとえば、深さ０．７〜０．８μｍ程度とすることができる。なお、このとき、１対のｐボディ層８２に挟まれたＪＦＥＴ領域８５に、ｎ型の不純物を注入し、ＪＦＥＴ領域８５の不純物濃度を、ｎドリフト層８１のうちＪＦＥＴ領域８５を除く部分よりも高くすることもできる。

また、イオン注入の代わりに、不純物の添加をともなうにエピタキシャル成長を行なってもよい。

次に、不純物を活性化するための熱処理を行なう。この熱処理の温度は、好ましくは１５００℃以上１９００℃以下であり、たとえば１７００℃程度である。熱処理の時間は、たとえば３０分程度である。熱処理の雰囲気は、好ましくは不活性ガス雰囲気であり、たとえばＡｒ雰囲気である。

≪ステップ４（Ｓ４）≫
ステップ４（Ｓ４）では、図８に示すように、上面Ｐ２にトレンチＴＲを形成する。図８に示すようなＶ字形状の断面形状を有するトレンチＴＲは、たとえば、少なくとも１種以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中での加熱、すなわち熱エッチングによって、形成することができる。

エッチング箇所の特定は、マスク層により行なう。マスク層としては、たとえば、酸化珪素膜を使用することができる。酸化珪素膜は、上面Ｐ２を熱酸化することにより容易に形成できるため好適である。

ここで、少なくとも１種以上のハロゲン原子は、塩素（Ｃｌ）原子およびフッ素（Ｆ）原子の少なくともいずれかを含むことが好ましい。この雰囲気は、たとえば、Ｃｌ₂、ＢＣＬ₃、ＳＦ₆、またはＣＦ₄である。また、たとえば、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを反応ガスとして用い、熱処理温度を、７００℃以上１０００℃以下とすることもできる。

また、反応ガスは、上述した塩素ガスと酸素ガスとに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、たとえば窒素（Ｎ₂）ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いることができる。そして、上述のように熱処理温度を７００℃以上１０００℃以下とした場合、炭化珪素のエッチング速度はたとえば約７０μｍ／時になる。また、この場合に、酸化珪素から作られたマスク層は、炭化珪素に対する選択比が極めて大きいので、炭化珪素のエッチング中に実質的にエッチングされない。そして、これにより、第１の側壁部ＳＷ１および第２の側壁部ＳＷ２上、特にｐボディ層８２上において、特殊面が自己形成される。なお、ここで用いたマスク層はエッチングなど任意の方法により除去することができる。また、炭化珪素半導体装置２０１のチャネル長が実質的に０．６μｍ以上となるようにトレンチＴＲの深さを調整することが好ましい。トレンチＴＲの深さは、たとえばエッチング時間により、調整することができる。

また、図６に示すように、トレンチＴＲの断面形状を矩形状とするためには（すなわち垂直トレンチを形成するためには）、たとえば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）や誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ＲＩＥを用いることができる。具体的には、たとえば反応ガスとしてＳＦ₆またはＳＦ₆とＯ₂との混合ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥを用いることができる。

さらに、図５に示すように、トレンチＴＲの断面形状を台形状とするためには、一旦、断面形状が矩形状である垂直トレンチを形成した後、上述の熱エッチングを行なうことができる。熱エッチングにより、トレンチＴＲの側壁部ＳＷが選択的にエッチングされ、第１の側壁部ＳＷ１および第２の側壁部ＳＷ２上、特にｐボディ層８２上に特殊面を有するトレンチＴＲが形成される。

≪ステップ５（Ｓ５）≫
ステップ５（Ｓ５）では、図９に示すように、トレンチＴＲの第１の側壁部ＳＷ１、第２の側壁部ＳＷ２および底部ＢＴの各々を覆うように、ゲート絶縁膜９１を形成する。ゲート絶縁膜９１は、たとえば熱酸化により形成することができる。

ゲート絶縁膜９１が形成した後に、雰囲気ガスとして一酸化窒素（ＮＯ）ガスを用いるＮＯアニールを行なってもよい。温度プロファイルは、たとえば、温度１１００℃以上１３００℃以下、保持時間１時間程度の条件とすることができる。これにより、ゲート絶縁膜９１とｐボディ層８２との界面領域に窒素原子が導入される。その結果、界面領域における界面準位の形成が抑制されることで、チャネル移動度を向上させることができる。なお、このような窒素原子の導入が可能であれば、ＮＯガス以外のガスが雰囲気ガスとして用いてもよい。

このＮＯアニールの後にさらに、雰囲気ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を用いるＡｒアニールを行なってもよい。Ａｒアニールの加熱温度は、上記ＮＯアニールの加熱温度よりも高く、ゲート絶縁膜９１の融点よりも低いことが好ましい。この加熱温度が保持される時間は、たとえば１時間程度とすることができる。これにより、ゲート絶縁膜９１とｐボディ層８２との界面領域における界面準位の形成がさらに抑制される。なお、雰囲気ガスとして、Ａｒガスに代えて窒素ガスなどの他の不活性ガスを用いてもよい。

≪ステップ６（Ｓ６）≫
ステップ６（Ｓ６）では、図１０に示すように、ゲート絶縁膜９１上にゲート電極９２を形成する。具体的には、トレンチＴＲの内部の領域をゲート絶縁膜９１を介して埋めるように、ゲート絶縁膜９１上にゲート電極９２を形成する。ゲート電極９２の形成方法は、たとえば、導体またはドープトポリシリコンの成膜とＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）またはＲＩＥとによって行なうことができる。

≪ステップ７（Ｓ７）≫
ステップ７（Ｓ７）では、ソース電極９４およびドレイン電極９８等を形成する後工程が実行され、図１に示す炭化珪素半導体装置２０１が製造される。具体的には、ゲート電極９２の露出面を覆うように、ゲート電極９２およびゲート絶縁膜９１上に層間絶縁膜９３を形成した後、層間絶縁膜９３およびゲート絶縁膜９１に開口部が形成されるようにエッチングを行なう。これにより、当該開口部から、上面Ｐ２上にｎ＋層８３およびｐコンタクト領域８４の各々が露出する。次に上面Ｐ２上においてｎ＋層８３およびｎコンタクト領域８４の各々に接するソース電極９４を形成する。そして、ｎドリフト層８１からなる下面Ｐ１上に単結晶基板８０を介してドレイン電極９８を形成する。

＜変形例＞
次に、図４Ａおよび図４Ｂを参照して、本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の変形例について説明する。

図４Ａに示す炭化珪素半導体装置３０１は、トレンチＴＲの第２の側壁部ＳＷ２には、ｎ＋層８３が表出していない点で、図１に示す炭化珪素半導体装置２０１と相違する。

この構成では、図１に示す炭化珪素半導体装置２０１と同様に、トレンチＴＲの側壁部ＳＷに沿ってチャネル領域ＣＨが形成されているため、短チャネル効果の発現を抑制し、高い閾値電圧と低オン抵抗とを両立することができる。また、トレンチＴＲの底部ＢＴがｐボディ層８２内に位置しているため、トレンチＴＲの底部ＢＴを覆うゲート絶縁膜９１の部分に電界が集中しない。さらに、トレンチＴＲの第２の側壁部ＳＷ２をｐボディ層８２内に形成するという制約がないため、ｐボディ層８２を小さくすることも可能である。すなわち、トレンチＴＲの底部ＢＴにおける電界集中を回避した上で、半導体装置のさらなる微細化が可能となる。

図４Ａに示す炭化珪素半導体装置３０１では、第２の側壁部ＳＷ２にはｎ＋層８３が表出していない。この構造では、たとえば、図４Ｂに示す炭化珪素半導体装置４０１ように、トレンチＴＲの形成位置（底部ＢＴの位置）が、図４Ｂの平面方向へずれた場合、チャネル長が変化することになる。これに対して図１に示す炭化珪素半導体装置２０１では、第１の側壁部ＳＷ１および第２の側壁部ＳＷ２の両方にｎ＋層８３が表出するように、トレンチＴＲが形成されている。したがって、チャネル長は、トレンチＴＲの平面方向の位置に影響されない。よって、図１に示す炭化珪素半導体装置２０１は、チャネル長のばらつきが極めて小さく、性能の安定した炭化珪素半導体装置となることができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述した各実施の形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

８０ 単結晶基板
８１ ｎドリフト層（第１の層）
８２ ｐボディ層（第２の層）
８３ ｎ＋層（第３の層）
８４ ｐコンタクト層
８５ ＪＦＥＴ領域
９１ ゲート絶縁膜
９２ ゲート電極
９３ 層間絶縁膜
９４ ソース電極
９５ ソース配線層
９８ ドレイン電極
１０１ 炭化珪素層
２０１，３０１，４０１ 炭化珪素半導体装置
ＴＲ トレンチ
ＢＴ 底部
ＳＷ 側壁部
ＳＷ１ 第１の側壁部
ＳＷ２ 第２の側壁部
ＣＤ チャネル方向
ＣＨ チャネル領域
Ｐ１ 下面（第１の主面）
Ｐ２ 上面（第２の主面）
Ｓ１ 第１の面
Ｓ２ 第２の面
ＳＱ，ＳＲ 複合面

Claims (6)

1. 第１の主面と、前記第１の主面と反対の第２の主面とを有する炭化珪素層を備え、
   前記炭化珪素層は、前記第１の主面を構成し第１の導電型を有する第１の層と、
   前記第１の層内に設けられ前記第１の導電型と異なる第２の導電型を有する第２の層と、
   少なくとも前記第２の層内に設けられ前記第２の主面の一部を構成しかつ前記第１の導電型を有する第３の層と、を含み、
   前記炭化珪素層の前記第２の主面にはトレンチが設けられており、
   前記トレンチは前記第２の層と前記第３の層とが表出する第１の側壁部と前記第１の側壁部に連なり前記第２の層内に位置する底部と、前記第１の側壁部と対向配置されるとともに前記底部に連なり、かつ前記第２の層と前記第３の層とが表出する第２の側壁部とを有し、さらに、
   前記第１の側壁部側に位置する前記第３の層に接し、かつ前記第２の側壁部側に位置する前記第３の層に接しないように配置されるソース電極と、
   前記第１の側壁部および前記底部の各々を覆うゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備え、
   前記第１の層は、前記第２の側壁部側に位置する前記第３の層と接するＪＦＥＴ領域を含み、
   前記第１の側壁部から表出する前記第２の層、前記第２の側壁部から表出する前記第２の層及び前記底部から表出する前記第２の層は、前記ゲート電極に電圧を印加した際に前記第１の側壁部側に位置する前記第３の層と前記第２の側壁部側に位置する前記第３の層とを電気的に接続するチャネル領域を構成する、炭化珪素半導体装置。
2. 前記第１の側壁部において前記第２の層が表出する部分には、面方位｛０−３３−８｝を有する第１の面を含む表面が設けられている、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
3. 前記トレンチの断面形状は、Ｖ字形状である、請求項１または請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。
4. 前記ゲート電極に電圧を印加したときに、前記トレンチの少なくとも前記第１の側壁部に表出する前記第２の層および前記底部を含む領域はチャネル領域となり、
   前記チャネル領域のチャネル長は、０．６μｍ以上である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
5. 前記第２の層における不純物濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
6. 前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。

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