WO1991016731A1 - Semiconductor device having ferroelectric material and method of producing the same - Google Patents

Semiconductor device having ferroelectric material and method of producing the same Download PDF

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Kazuhiro Takenaka
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Seiko Epson Corporation
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    • H10B12/30—DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device having a ferroelectric material such as a ferroelectric capacitor applicable to a nonvolatile memory and the like, and a method of manufacturing the same.
  • the information writing time and the information reading time are equal in principle.
  • polarization in the stationary state (during backup), polarization (remanent polarization) is maintained even when no voltage is applied, so that it is considered promising as an ideal nonvolatile memory.
  • a semiconductor nonvolatile memory using a ferroelectric capacitor has a structure in which a ferroelectric capacitor is integrated on a silicon (S i) substrate, as in US Pat. No. 4,149,302. Also, as in US Pat. No. 3,832,700, a structure in which a ferroelectric film is arranged on a gate electrode of an MIS transistor has been proposed.
  • Nonvolatile memory cell is generally as shown in FIG. 8, the word lines W to connect Z o is a gate electrode G and the bit line B in SeMMitsuru drains electrode D and the ferroelectric key Yabashita C It has an N-type MOS transistor Tr having a source electrode S connected to one electrode, and has a circuit configuration in which the other electrode of the ferroelectric capacitor C is connected to a plate line P.
  • the word lines W to connect Z o is a gate electrode G and the bit line B in SeMMitsuru drains electrode D and the ferroelectric key Yabashita C
  • It has an N-type MOS transistor Tr having a source electrode S connected to one electrode, and has a circuit configuration in which the other electrode of the ferroelectric capacitor C is connected to a plate line P.
  • FIG. 9 As a practical semiconductor structure of such a memory cell, the one shown in FIG. 9 has recently been proposed.
  • the ferroelectric capacitor C formed on the interlayer insulating film 7 such as glass on the oxide film (LOCOS) 6 has a ferroelectric capacitor C on the interlayer sensitive film 7 which is made of platinum (Pt ) lower ⁇ 8 such as, beta and the upper electrode 10 is made of are sequentially stacked ferroelectric film 9 and the aluminum, such as PZT (A1), a high concentration of ⁇ region serving the source region 4 and the upper
  • the electrode 10 is connected to the electrode 10 via an AI wiring 12 via a contact hole 11.
  • Reference numeral 13 denotes a second interlayer film such as glass.
  • the ferroelectric capacitor C is formed via the layer edge on the local oxide layer 6, the ferroelectric capacitor C is formed by effectively utilizing the space on the local oxide film 6.
  • the length of the wiring 12 from the source region 4 to the upper electrode 10 is made redundant, resulting in an increase in the area occupied by the memory cell.
  • the memory cell of this structure causes an increase in cell area, it can be said that it is a realistic structure for the following reasons. That is, the inventor has killed a memory cell structure in which a ferroelectric film 9 as shown in FIG. 10 is directly deposited on the source region 4.
  • An upper electrode wiring 14 of polysilicon is formed on the strong dielectric film 9, and the source region 4 itself is also used as a lower electrode.
  • the ferroelectric capacitor C in series.
  • a partial voltage of the source voltage is applied to the parasitic capacitor (:.)
  • the film thickness must be made relatively large or If the silicon oxide film 15 is made too thick, its partial pressure is inevitably large, so it is hardly effective for improving the breakdown voltage. It is necessary to make the thickness of the film 15 extremely thin or the thickness of the ferroelectric film 9.
  • the setting of the silicon oxide film 15 to a very small thickness is based on the above-described oxygen ferrule.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems of the above structures, and has not reduced the function as a non-volatile memory using a ferroelectric material, and has reduced the cell area or formed a flat space accompanying the formation of a ferroelectric capacitor. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device provided with a squeezing compress having a structure that does not cause an increase and a method of manufacturing the same. Disclosure of the invention
  • the present invention basically provides a structure for forming a ferroelectric substance on a main surface or inside a semiconductor substrate or a semiconductor substrate.
  • a typical example of a semiconductor substrate is a silicon substrate, but a compound semiconductor such as gallium-arsenic can be similarly applied to a substrate having oxygen bonding properties.
  • the region may be an intrinsic semiconductor region or an N-type or P-type region of the impurity diffusion region.
  • Typical examples of the impurity diffusion region are a source region or a drain region of an MIS transistor and a diffusion nod region of a three-electrode of a bipolar transistor.
  • the impurity diffusion region is not limited to an active region of an active element.
  • a ferroelectric structure can be realized on each region of the passive element.
  • the ferroelectric capacitor structure can be realized not only when the ferroelectric capacitor structure is stacked on the diffusion region but also in the trench. That is, the means taken by the present invention lies in that a structure in which a conductive oxide film is sandwiched between a semiconductor substrate and a ferroelectric compressing electrode is employed. That is, in the present invention, the semiconductor substrate, the conductive oxide film,
  • the X 0 electrode and the compressive compress membrane are laminated in this order.
  • the ferroelectric film in General, PbT i 0 3, P ZT (P b Z r 0 5. PbT i 0 3), or PLZ T (L a, P b Z r 0 3, P bT i 0 3 ) is used.
  • This type of ferroelectric film is formed, for example, by a sputtering method, and then requires oxygen annealing to improve the dielectric constant and the like.
  • the electrodes of the ferroelectric film are, for example, Pt or P,
  • the conductive oxide film may be, for example, any one of a Ru oxide film, a Re oxide film, a Mo oxide film, an ITO (indium tin oxide) film, and a mixed film of two or more thereof. Sandwiched between between such conductive oxide film of the semiconductor substrate and the electrode, 3 ⁇ 4 to prevent the occurrence of the oxide film at the interface of the half-II base body in the oxygen Aniru process above Symbol
  • a conductive metal film capable of easily producing a conductive oxide is interposed between a semiconductor substrate and the above-described potato conductive oxide film.
  • the conductive metal film of No. 25 may be a metal film in which a conductive oxide cannot be generated. I mentioned earlier This is because the conductive oxide film itself is conductive and has an oxygen barrier or a dummy property. However, it is desirable that the II hail oxide be a conductive metal capable of being generated. This is to ensure sufficient oxygen dummy properties and to eliminate additional processes.
  • the conductive metal film for example, R u film, R e film, either or M o film, for the purpose to reduce the ⁇ further 3 ⁇ 4 Ru contact resistance is their more mixed film of a semiconductor It is desirable to form a gold-silicide film at the interface of the substrate.
  • the metal silicide film for example, a silicide film containing any one of Ti, Pt, Ru, Re, Mo, W, and Ta as a main component is used.
  • the method for manufacturing a semiconductor device uses the oxygen annealing process for the ferroelectric film extraordinarly.
  • a conductive metal film capable of forming a conductive oxide is deposited on a main plane or an inner surface of a semiconductor substrate.
  • the sputtering method is used.
  • the electrode and the ferroelectric film are sequentially stacked on the conductive metal layer. These films are also formed by, for example, a sputter method.
  • oxygen ferrule heat treatment in an atmosphere containing oxygen for improving the crystallinity of the ferroelectric film is performed.
  • FIG. 1 is a main cross-sectional view showing a semiconductor device g including a ferroelectric capacitor according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a main cross-sectional view showing a semiconductor device including a strong dielectric capacitor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a main cross-sectional view showing another semiconductor structure according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a main cross-sectional view showing a semiconductor device including a ferroelectric capacitor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6 is an essential sectional view showing another semiconductor structure according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a main cross-sectional view showing a modified example according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a plan view showing a nonvolatile memory cell.
  • FIG. 9 is a main cross-sectional view showing a semiconductor device including a ferroelectric capacitor according to the prior art.
  • FIG. 10 is a main cross-sectional view showing another example of a semiconductor device provided with a strong dielectric capacitor according to the prior art.
  • FIGS. 11A and 11B are circuit diagrams showing equivalent circuits of a nonvolatile memory cell having a semiconductor structure according to another example.
  • FIG. 1 is a main cross-sectional view showing a semiconductor device including a ferroelectric capacitor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • This semiconductor device is a non-volatile memory. It has a file.
  • a P-type silicon substrate 20 as a wafer having a specific resistance of 20 ohm cm is used, and an N-type MOS transistor Tr and a ferroelectric capacitor C are formed thereon.
  • the semiconductor structure of the N-type M'OS transistor Tr is composed of a gate electrode 22 which is a doped polysilicon formed through a gate film 5 (silicon oxide film) 21 on a silicon substrate 20.
  • a high concentration N-type of the gate electrode 22 as a mask self-alignment (self integer if) by accelerating the ⁇ 80 K e V, injection density 5 X e 1S cn 2 by ion implantation to the substrate formed by It comprises a source region 23 and a drain region 2 which are impurity diffusion regions.
  • the drain region 24 is connected to an A1 wiring electrode 25 formed by a zero evaporation method via a contact hole.
  • Reference numeral 26 denotes a local oxide film (L0C0S) for element isolation having a thickness of about 6,000.
  • Reference numeral 27 denotes a first interlayer insulating film
  • reference numeral 28 denotes a second interlayer insulating film, which is, for example, phosphor glass having a thickness of about 4,000 by a vapor phase formation method.
  • a so-called ferroelectric body which is a strong S-body forming structure, is imprinted on the source region 235 between the gate electrode 22 and the local oxide film 26.
  • This structure has a basic ferroelectric film 29 and an upper electrode 30 and a lower electrode 31 serving as electrode plates sandwiching the ferroelectric film 29, and a conductive film is formed between the lower electrode 31 and the source region 23.
  • the conductive oxide film 32 is provided.
  • Strength is a dielectric film 29 P bT i 0 3, PZT (P b Z r 0 3 f P bT i 0 3), or PLZTo (L a, P b Z r 0 3, P b T i 0 3)
  • the upper electrode 30 is made of low specific resistance aluminum (A 1) or an alloy thereof, for example, by an evaporation method.
  • the lower electrode 31 is made of platinum (Pt) or palladium (Pd), for example, by a sputtering method.
  • Active region 2 3 and the lower electrode 3 1 and the conductive oxide film 3 2 sandwiched is, ITO (Injiumu tin Okisai de), rhenium oxide (R e O z), oxide lutein Yuumu (R u 0 2) , Molybdenum oxide (Mo 0 s ), etc., formed by, for example, a sputtering method.
  • This conductive oxide layer 32 is buried in a contact hole 33 opened in the first layer simplified film 27 of glass and is in conductive contact with the high-concentration N-type source region 23.
  • a method of forming such a ferroelectric capacitor C first, a first interlayer film 27 covering the source region 23 is opened, and a conductive oxide layer is deposited by a sputter method. A buried conductive oxide film 32 is formed in the opening of the window, and a lower electrode 31 and a ferroelectric film 29 are further laminated by a sputtering method, and then the entire surface is covered with a second layer ⁇ ⁇ ⁇ film 28 S Then, the upper electrode 30 and its wiring (plate line) and the drain electrode wiring 25 are formed by photolithography.
  • the compressing cap C is strongly stacked on the source region 23 with the conductive oxide film 32 interposed therebetween.
  • a simple wiring plane occupation area between the source region 23 and the lower electrode 31 can be effectively saved, so that the cell area can be reduced.
  • the silicon oxide film is not parasitic on the surface of the source region 23, a storage capacitor including only the strong induction capacitor C is realized.
  • a heat treatment oxygen annealing
  • oxygen annealing oxygen annealing
  • oxygen enters the crystal grain boundaries of the ferroelectric film 29 and the lower electrode 31 and further slightly enters the conductive oxide film 32.
  • the conductive oxide film 32 may be further oxidized, because the conductive oxide film 32 still has the simplicity.
  • retaining the oxidation reaction with the conductive oxide film 32 has the effect of reducing the formation of a silicon oxide film at the interface between the source region 23 and the conductive oxide film 32 in that sense. It can be called an oxidation barrier or a dummy layer. For this reason, since a silicon oxide film is hardly generated at the interface of the source region 23, the contact resistance can be reduced or the series parasitic capacitance can be avoided.
  • platinum (Pt) is used for the lower electrode 31, as described above, the crystallinity is modified simultaneously with the ferroelectric film 29 in the oxygen annealing treatment.
  • the lower electrode 31 of platinum (Pt) is in direct contact with the source region 23, the reactivity of platinum and silicon (Si) is too strong, causing the diffusion of Pt into the substrate. .
  • the downward diffusion can be prevented by the conductive oxide film 32 interposed therebetween.
  • a metal silicide such as a titanium (T i) silicide film may be formed between the conductive oxide film 32 and the source region 23.
  • a Ti film or the like may be interposed between the conductive oxide film 32 and the lower electrode 31.
  • the advantage of building the ferroelectric capacitor C having a vertically stacked structure on the source nod region 23 in this way is not only the cell area is reduced, but also the electrode contact part (contact resistance part) as compared with the structure of FIG. ) Can be reduced by one. This is because the wiring 12 shown in FIG. 9 can be substantially eliminated. Therefore, it contributes to shortening of information writing / reading time.
  • the pole 10 topologically corresponds to the lower electrode 31 of this example, and the lower electrode 8 of FIG. 9 corresponds to the upper electrode 30 of this example. It is desirable to select Pt for the lower electrode 31 in this example, but Pt has a higher specific resistance than A1.
  • the lower electrode 31 of this example has a small thickness and the contact area is larger than that of the contact hole, so that the resistance value between the source region 23 and the ferroelectric capacitor C is almost a problem.
  • the upper electrode 30 serving as the plate line P and its wiring can be formed by A1.
  • the plate wire P can be formed on the ferroelectric material 29, ⁇ r ⁇ fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc fc, ''' ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • the ferroelectric capacitor C was formed on a thick LO COS, and there was a problem with the step coverage of each film.In this example, the ferroelectric capacitors C were placed on both sides of the gate hail pole 22. The step coverage is improved because of the formation of steps.
  • FIG. 2 is a main cross-sectional view showing a semiconductor device including a ferroelectric capacitor according to a second embodiment of the present invention.
  • a ferroelectric capacitor C is formed on the source region 23 in a stacked manner.
  • a gold silicide film 40, a conductive metal film 41, and a conductive oxide film 42 are sequentially stacked between the source region 23 and the lower electrode 31.
  • the conductive metal film 41 is made of a metal such as rhenium (R e), ruthenium (Ru), or molybdenum (Mo), and has conductivity.
  • the lower layer of the conductive metal film 41 is a metal silicide film 40 containing the metal as a main component. Between the 3 ⁇ 4 ⁇ metal film 4 1 and the lower electrode 30, rhenium oxide (R e O-), ruthenium oxide (Ru0 2), a conductive oxide film 4 1 such as an oxide molybdenum (Mo 0 3) It is sandwiched. The difference from Example 1 is that the metal silicide film 40 is located between the source region 23 and the conductive oxide film 42. And where the conductive metal film 41 is interposed.
  • the significance of the existence of the conductive metal film 41 such as rhenium (R e), ruthenium (R u), and molybdenum (Mo) depends on the purpose of forming the metal silicide film 40 and the oxygen annealing treatment of the strong dielectric film 29. At the same time, it serves the purpose of forming the conductive oxide film 42. The presence of the metal silicide film 40 reduces the contact resistance.
  • a gate electrode 22 is formed, a high-concentration N-type source region 23 and a drain region 24 are formed in a P-type semiconductor substrate 20 by self-alignment. Next, cover the entire surface with fired glass to form the first interlayer insulating film.
  • a contact hole 27a is opened in the interlayer film on the source region 23 by etching.
  • a rhenium (R e) film 4 is used as a metal for forming a conductive oxide by, for example, a sputtering method.
  • a metal silicide film 40 mainly composed of Re is formed on the side of the (R e) film that contacts the source region 22, a metal silicide film 40 mainly composed of Re is formed.
  • the (top-down) surface side of the rhenium (R e) film is on the conductive oxide film 42 of rhenium oxide (R e O 2 ), and the lower side (back side). May be changed to the metal silicide film 40, respectively, or, as shown in FIG. 3 (C), the conductive metal film 41 of rhenium (R e) may remain partially unchanged. Is also good.
  • the significance of directly depositing the metal film 45 for forming the conductive oxide on the source region 23 is more convenient in terms of function and process than the method of forming the conductive oxide film as in the first embodiment. is there. This is because the self-generation of the gold-silicide film 40 contributes to the reduction of the contact resistance, and the benefit of shortening the access time can be obtained without additional processes.
  • FIG. 5 is a main cross-sectional view showing a semiconductor device including a ferroelectric capacitor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the ferroelectric capacitors C are formed on the source nod region 23 in a stacked manner.
  • a Pt silicide film 50 and a conductive oxide film 52 are sequentially stacked.
  • the conductive oxide ⁇ 5 2, ITO, oxidation Leni ⁇ beam (R e 0 2), ruthenium oxide (R u 0 2), molybdenum oxide (M o 0 3), and the like.
  • Pt silicide film 50 is interposed between source region 23 and conductive oxide film 52. This is to reduce the contact resistance.
  • the Pt silicide film 50 As a method of forming the Pt silicide film 50, Pt is deposited by a thickness of 100 persons by the Spack method, the contact holes are filled, and then the Pt of the contact holes and the source nod region are heat-treated. By reacting with 23 Si, Pt silicide is produced. After that, a conductive oxide film 52 is formed on the ⁇ Pt silicide film 50 for removing unreacted Pt with aqua regia, for example, by a sputtering method. Instead of spattering, as described above, a metal film is formed by sputtering a metal that generates conductive oxides (R e, Ru, Mo, etc.), and then the compressibility is reduced by oxygen annealing. Oxidation can be formed. In such a case, as shown in FIG. 6, the gold film 41 may remain partially. This is because the conductivity of both is almost equal.
  • FIG. 7 is a main cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to a modification of the present embodiment.
  • the Pt silicide film 50 is formed only in the contact hole.
  • a Pt silicide film 60 is formed on the source region 23, the drain region 24, and the gate electrode 22 by using a self-aligned silicide (metal silicide). I have. Even if such a process is used, the contact resistance of the source and contact parts is low *
  • a Ti silicide film may be formed by heat treatment after depositing a mixed film of silicon and titanium (T i).
  • a metal silicide such as u> Re, Mo, W, Ta, Pd may be used.
  • a non-volatile io memory As the above-mentioned ferroelectric diffusion region or the formation structure on the substrate, a non-volatile io memory was mainly described. However, it can be applied to a memory (DRAM) utilizing a high compressibility. Needless to say, it can be applied to a network that requires high capacitance. Further, the present invention is applicable to forming a pressure element, an elastic wave element, and a pyroelectric element on a semiconductor substrate.
  • the semiconductor device including the ferroelectric according to the present invention and the method for manufacturing the same provide a structure for forming a ferroelectric on a main plane or inside a silicon substrate or the like.
  • a ferroelectric substance can be formed on a substrate having oxygen binding properties.
  • the region of the ferroelectric formation structure may be an intrinsic semiconductor region or an N-type or P-type region of an impurity diffusion region.
  • a typical example is a source region or a drain region of an MIS transistor, which is a bipolar transistor.
  • An impurity diffusion region of three electrodes of a transistor is a typical example, but is not limited to an active region of an active device.
  • a ferroelectric formation structure can be realized on each of the regions.
  • the ferroelectric capacitor structure can be realized not only in the case where the ferroelectric capacitor structure is stacked on the diffusion region but also in the trench ⁇ .
  • Non-volatility demands high-density integration Suitable for use in memory,

Description

明 細 謇 強誘電体を備えた半導体装置及びその製造方法 技術分野
本発明は、 不揮発性メモリ等に適用可能の強誘電体キャパシタ等の強誘電 体を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。 背景技術
I o 印加電圧の正逆極性により分極反転可能の強誘電体を用いた不揮発性メモ リは、 情報書込み時間と情報読出し時間が原理的に等しい。 また静止状態 （ バックアップ時） は電圧無印加でも分極 （残留分極） が保持されるため、 理 想的な不揮発性メモリとして有望視されている。
従来、 強誘電体キヤバシタを用いた半導体不揮発性メモリとしては、 米国 i s 特許 4 1 4 9 3 0 2号のように、 シリコン （S i ) 基板上に強誘電体キャパ シタを集積した構造のものや、 米国特許 3 8 3 2 7 0 0号のように、 M I S 型トランジスタのゲート電極上に強誘電体膜を配置した構造のものが提案さ れている。
不揮発性メモリセルは、 一般的に、 図 8に示すように、 ワード線 Wに接続 Z o されたゲート電極 Gとビッ ト線 Bに接統されたドレイン電極 Dと強誘電体キ ャバシタ Cの一方の電極に接続されたソース電極 Sを持つ N型 M O S トラン ジスタ T rを有し、 強誘電体キャパシタ Cの他方の電極がブレート線 Pに接 統された回路構成である。 このようなメモリセルの現実的な半導体構造とし ては、 最近では図 9に示すものが提案されている。 図 9に示す半 II体構造は、 2 S P型シリコン基板 1上のゲート酸化膜 2を介して形成されたポリシリコン （ 多結晶シリコン） のゲート電極 3と、 セルファラインによりシリコン基板 1 内に拡散形成された高濃度 N型のソース領域 4及びドレイン領域 5とからな る N型 MOSトランジスタ Trと、 素子分離用の局所酸化膜 （LOCOS) 6上において癀ガラス等の層間絶緣膜 7の上に形成された強誘電体キャパシ タ Cを有し、 層間敏緣膜 7上の強誘電体キヤバシタ Cは、 白金 （P t)等の 下部罨極 8, PZT等の強誘電体膜 9及びアルミニウム （A1 ) の上部電極 10が順次積層形成されてなるものである β そして、 高濃度の拔散領域たる ソース領域 4と上部電極 10とはコンタク ト孔 11を介して A Iの配線 12 を以て接続されている。 なお、 13は烧ガラス等の第 2層間铯緣膜である。
このように局所酸化胰 6上の層闞艳縁胰 Ίを介して強誘電体キャパシタ C を形成した構造では、 局所酸化膜 6上のスペースを有効活用して強誘電体キ ャバシタ Cが形成されているものの、 ソース領域 4から上都電極 10までの 配線 12の長さが冗長化しており、 メモルセル占有面積の増大を招いている。 しかしながら、 この構造のメモリセルはセル面積の増大を招くものの、 以下 の理由により現実的な構造であると言える。 即ち、 本発明者は、 図 10に示 すような強誘電体膜 9をソース領域 4上に直接堆積したメモリセル構造を弑 作した。 強誘鼋体膜 9の上にポリシリコンの上部電極配線 14が形成され、 下部鼋極としてはソース領域 4自身が兼用している。 ところが、 強誘罨体膜 9の形成後においては、 その膜の結晶性を改善して比誘電率 er を高めるた めに酸素ァニール処理を施す必要がある， 酸素ァニール処理工程における酸 素の強い反応性の故、 ソース領域 4と強誘罨体膜 9との間にシリコン酸化膜 (S i 02 ) 15がどうしても形成されてしまう。 この胰 15の胰厚が非 に蘀ぃときには、 図 11 (A) に示す如く、 シリコン酸化膜 15は直列の接 触抵抗 R。 となる。 この寄生した接触抵抗 R。 の存在はアクセス速度の遅れ をもたらす。 また膜 15が比較的厚いときには、 この膜 15は図 1 1 (B) に示す如く直列の寄生キヤバシタ C。 となる。 かかる場合、 メモリセルの記 憶容量としては寄生キャパシタ C。 と強誘電体キャパシタ Cの直列合成容量 である。 しかし、 その寄生キャパシタ（：。 にはソース電圧の分圧が印加する。 その分圧によるシリコン酸化膜 1 5の铯縁破壌を防止するにはその膜厚を相 当厚く形成するか、 その分圧自身を抑える必要がある。 シリコン酸化膜 1 5 を相当厚くすると、 その分圧も必然的に大きなるから耐圧改善には殆ど有効 的ではない。 また分圧を直接抑えるには、 シリコン酸化膜 1 5の膜厚を非常 に薄くするか、 強誘電体膜 9の膜厚を相当厚くする必要がある。 シリコン酸 化膜 1 5の膜厚を非常に薄く設定することは上述の酸素ァュール処理を施す 都合上無理であり、 また強誘電体膜 9の膜厚を相当厚くすることは、 強誘電 体キャパシタ Cの容量を下げることを意味するので、 その強誘電体キヤバシ タの機能が発揮されなくなる。 このような理由により、 図 8に示す構造は強 誘電体の機能を充分に引出し不揮発性メモリ構造として有益な構造である。 しかしながら、 上述したように、 セル面積が大きいとういう問題点を有して いた。
そこで、 本発明は、 上記各構造の問題点に鑑み、 強誘電体を用いた不揮発 性メモリとしての機能を損なわずに、 セル面積の縮小化ないし強誘電体キヤ バシタの形成に伴う平面スペースの増大を招かずに済む構造の強誘罨体を備 えた半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 発明の開示
本発明は、 基本的には、 半導体基体ないし半導体基板の主平面又は内部に おける強誘電体の形成構造を提供するものである。 代表的な半導体基板とし てはシリコン基板があるが、 ガリウム一砒素などの化合物半導体なども同様 なように、 酸素結合性のある基体に対して適用できる。 強誘電体形成構造の 領域は真性半導体領域でも良いし、 不純物拡散領域の N型又は P型頡域でも 構わない。 不純物拡散領域としては M I S型トランジスタのソース領域又は ドレイン領域やバイボーラ · トランジスタの 3電極の拡散頷域などが代表例 であるが、 能動素子の活性領域に限らず、 拡散抵抗層ゃストッパ領垓などの 受動素子の各領域の上に強誘電体形成構造を実現することができる。 拡散領 .域上に積み上げ的に強誘電体キャパシタ構造を実現する場合は勿詒のこと、 トレンチ内にも強誘電体形成構造を実現できる。 即ち、 本発明の講じた手段 は、 半鬈体基体と強誘電体の罨極との間において導電性酸化膜の挟み込み構 造を採用する点にある。 つまり、 本発明では、 半導体基体， 導電性酸化膜，
X 0 電極， 及び強誘罨体膜の順の積層構造を採用する。 強誘電体膜としては、一 般に、 PbT i 03 , P ZT (P b Z r 05 . PbT i 03 ) , 又は PLZ T (L a, P b Z r 03 , P bT i 03 ) が用いられる。 そしてこの種の強 誘電体膜は例えばスパッタ法で成膜され、 その後、 誘電率等を改善するため に酸素ァニール処理を必要とする。 強誘電体膜の電極は例えば P tや P で、
I 5 強誘罨体膜の結晶の格子定数が近い P tの方が望ましい。 導電性酸化膜は、 例えば、 Ru酸化膜， Re酸化膜， Mo酸化膜， IT0 (インジウム ♦スズ •ォキサイ ド） 膜のいずれかや、 それらの 2以上の混合膜であっても良い。 このような導電性酸化膜を半導体基体と電極との間に挟み込んだ構造は、 上 記の酸素ァニール処理における半 II体基体の界面の酸化膜の発生を阻止する ¾
20 それ故、 接触抵抗の低減や直列容量の寄生面避が達成される。 従って、 半導 体基体の L 0 C 0 S上に強誘電体素子を設ける必要がなく、 その形成領域の 自由度が拡大するので、 高密度集積化に寄与する。
また本発明の第 2の手段としては、 半導体基体と上述の薯電性酸化膜との 簡にその導電性酸化物を生成可能の導電金属膜を介在させるものである。 こ
25 の導電金属膜は導電性酸化物の生成不能の金属膜でも構わない。 前述したよ うに、 その導電性酸化膜自身が導電性があり、 酸素バリアないしダミー性を 有しているからである。 しかし、 当該 II雹性酸化物を生成可能の導電性金属 とするとが望ましい。 その酸素ダミー性を充分確保し、 またプロセス追加を 排除するためである。 導電金属膜としては、 例えば、 R u膜， R e膜， M o 膜のいずれかや、 それらの 2以上の混合膜である β 更¾る接触抵抗の低減を 目的とするためには、 半導体基体の界面に金厲シリサイ ド膜を形成すること が望ましい。 その金属シリサイ ド膜としては、 例えば、 T i , P t , R u , R e , M o , W, T aのうちいずれかの金属を主成分としたシリサイ ド膜で
¾>る。
本発明の第 2の手段に係る半導体装置の製造方法は、 強誘電体膜に対する 酸素ァニール処理を絶妙に利用するものである。 先ず、 半導体基体の主平面 又は内部面に導電性酸化物を生成可能の導電金属膜を堆積する。 例えばスパ ッタ法により行う。 次に、 その導電性金属層の上に前記電極及び前記強誘電 体膜を頫次積層する。 これらの成膜も例えばスバッタ法で行う。 そして、 強 誘電体膜に対する結晶性の改質を目的とする酸素ァユール （酸素を舍む雰囲 気中で熱処理） を施す。 この酸素ァニールによって強誘電体膜の結晶性の改 善による比誘電率の向上は勿論のこと、 電極として P tを用いる場合にはそ の結晶性の改質も行われるが、 同時に、 導電性金属膜に対しては 2つの作用 が施される。 つまり、 電極側の導電性金属膜では酸化が進行して導電性酸化 膜が形成され、 また基体界面では金属シリサイ ド膜が形成される。 後者の生 成は接触抵抗の低減に寄与する。 II電金属膜としては二面性のある金属で、 R u , R e , M oのいずれかの金属か、 それらの 2以上の混合物とすること が望ましい。 図面の簡単な鋭明 図 1は本発明の実施例 1に係る強誘電体キヤバシタを備えた半導体装 gを 示す主要断面図である。
図 2は本発明の実施例 2に係る強誘鼋体キャパシタを備えた半導体装置を 示す主要断面図である。
図 3 ( A) , ( B ) , ( C ) は実施例 2の主要製造プロセスをそれぞれ説 明するための断面図である。
図 4は実施例 2に係る別の半導体構造を示す主要断面図である。
図 5は本発明の実施例 3に係る強誘電体キャパシタを備えた半導体装置を 示す主要断面図である，
i o 図 6は実施例 3に係る別の半導体構造を示す生要断面図である。
図 7は実施例 3に係る変形例を示す主要断面図である。
図 8は不揮発性メモリセルを示す面路図である。
図 9は先行技術に係る強誘電体キャパシタを備えた半導体装置を示す主要 断面図である。
図 1 0は先行技術に係る強誘鼋体キャパシタを備えた半導体装置の別例を 示す主要断面図である。
図 1 1 ( A ) , ( B ) は同別例に係る半導体構造の不揮発性メモリセルの 等価回路をそれぞれ示す画路図である。
2 0 発明を実施するための最良の形態
次に本発明に係る実施例を添付図面に基づいて説明する。
(実施例 1 )
図 1は本発明の実施例 1に係る強誘電体キャパシタを備えた半導体装置を 示す主要断面図である。
Z S この半導体装置は不揮発性メモリで、 等価回路的には図 8に示すメモリセ ルを有するものである。 この実施例では例えば 20オーム ' cmの比抵抗の ウェハたる P型シリコン基板 20を用い、 それに N型 M OSトランジスタ T rと強誘電体キヤバシタ Cの構造が形成されている。 周知のように、 N型 M ' OSトランジスタ Trの半導体構造は、 シリコン基板 20上のゲート艳緣膜 5 (シリコン酸化膜） 21を介して形成された憐ドープのポリシリコンたるゲ ート電極 22と、 このゲート電極 22をマスクとしセルファライン （自己整 合） により爝を加速鼋圧 80 K e V, 注入密度 5 X e 1S cn 2でイオン注入 して形成された基板内の高濃度 N型不純物拡散領域たるソース領域 23及び ドレイン領域 2 とからなる。 ドレイン領域 24にはコンタク ト孔を介して0 蒸着法により形成された A 1の配線罨極 25が接続されている。 26は厚さ 約 6000人の素子分離用の局所酸化膜 （L0C0S) である。 また 27は 第 1層間絶緣膜、 28は第 2層間絶緣膜で、 例えば気相形成法による厚さ約 4000人の燐ガラスである。
本実施例では、 ゲート電極 22と局所酸化膜 26との間のソース領域 235 上において強 S¾¾体形成構造たる強耪 体千ャパシタじの稱适体が鼓けられ ている。 この構造体は、 基本となる強誘電体膜 29とこれを上下に挟む極板 層たる上部電極 30及び下部電極 3 1を有し、 その下部電極 3 1とソース領 域 23との間に導電性酸化膜 32を備えるものである。 強誘電体膜 29とし ては P bT i 03 , PZT (P b Z r 03 f P bT i 03 ) , 又は PLZTo (L a， P b Z r 03 , P b T i 03 ) で、 例えばスパッタ法で形成されて いる。 上部電極 30としては低比抵抗のアルミニウム （A 1 )又はその合金 で、 例えば蒸着法で形成されている。 下部電極 31としては白金 （P t ) 又 はパラジウム （P d) で、 例えばスバッタ法で形成されている。 白金 （P t ) を下部電極 31として選択した場合には、 強誘電体膜 29の P bT i 03 ,s P ZT, 又は PLZTと格子定数が近いので、 強誘電体膜 29に対する酸素 ァニール処理により同時に結晶性が改質され、 良好な蕙気特性が得られる。 活性領域 2 3と下部電極 3 1とに挟み込まれた導電性酸化膜 3 2は、 I T O (ィンジゥム ·スズ ·ォキサイ ド） ， 酸化レニウム ( R e O z ) ， 酸化ルテ ユウム （R u 02 ) , 酸化モリブデン （M o 0 s ) などであり、 例えばスパ ッタ法で形成される。 この導電性酸化腠 3 2は璲ガラスの第 1層簡铯緣膜 2 7に窓明けしたコンタク ト孔 3 3に埋め込まれ高濃度 N型のソース領域 2 3 に導電接触している。
このような強誘電体キャパシタ Cの形成法としては、 先ず、 ソース領域 2 3上を被覆した第 1層間铯緣膜 2 7を窓明けし、 スパツタ法で導電性酸化物 層を堆積してその窓明け部に埋め込み鬈電性酸化膜 3 2を形成し、 更に下部 電搔 3 1及び強誘電体膜 2 9をそれぞれスパッタ法で積層し、 しかる後全面 を第 2層閟铯緣膜 2 8で被 Sする。 その後、 ホトリソグラフィー技術により 上部電極 3 0及びその配線 （プレート線） やドレイン鼋極配線 2 5を形成す る。
このようにソース領域 2 3の上に導鼋性酸化膜 3 2を介して強誘罨体キヤ パシタ Cが積み上げ的に積層されている。 このため、 ソース領域 2 3と下部 電極 3 1との簡の配線平面占有面積を有効的に節約できるので、 セル面積の 縮小化が実現されている。 またソース領域 2 3の表面にはシリコン酸化膜が 寄生していないので、 強誘鼋休キャパシタ Cだけの記憶キャパシタが実現さ れる。
ところで、 上述の製造プロセスにおいては、 強誘電体膜 2 9の形成後、 酸 素を舍む雰囲気中で熱処理 （酸素ァニール処理） を行う。 これは強誘電体膜 2 9の拮晶性を改質して比誘電率 e r を例えば 1 0 0 0以上に高めるためで ある。 この酸素ァニール処理においては酸素が強誘電体膜 2 9及び下部電極 3 1の結晶粒界に進入し、 また更に導電性酸化膜 3 2にも若干進入する。 し かし、 その酸素進入によって導鼋性酸化膜 3 2が更に酸化されても一行に差 支えない， 依然として鬈霄性を有しているからである。 むしろ導電性酸化膜 3 2との酸化反応を留保しておく方はソース頜域 2 3の界面でのシリコン酸 化膜の生成を減じる作用があり、 その意味では導電性酸化膜 3 2がいわば酸 化バリアないしダミー層と言える。 このため、 ソース領域 2 3の界面でのシ リコン酸化膜の生成は殆ど起こらないので、 接触抵抗の低減ないし直列寄生 容量の回避を達成することができる。 下部電極 3 1に白金 （P t ) を用いた 場合、 前述したように、 酸素ァニール処理において強誘電体膜 2 9と同時に 結晶性が改質される。 例えば、 白金 （P t ) の下部電極 3 1がソース領域 2 3に直接接触していると、 白金とシリコン （S i ) の反応性が強過ぎて、 P tの基板内への拡散を招く。 しかし、 それらの間に介在する導電性酸化膜 3 2によって下方拡散を防止することができる。 なお、 導電性酸化膜 3 2とソ —ス領域 2 3との間にチタン （T i ) シリサイ ド膜などの金厲シリサイ ドを 形成しても良い。 更に、 導電性酸化膜 3 2と下部電極 3 1との間に T i膜な どを挟んでも良い。
図 9に示すような従来の強誘電体キャパシタ構造を有する不揮発性メモリ においては、 導電性酸化膜 3 2が存在しない場合の情報書き換え回数は高々 1 0 5 回であつたが、 本実施例において導電性酸化膜 3 2として酸化レニゥ ム （R e O z ) を用いた場合には、 情報書換回数は 1 0 1 D回にまで達した。 また強誘電体膜の比誘電率 としては 2 0 0 0前後の値が得られた。
このようにソース頷域 2 3上に縦積み構造の強誘電体キャバシタ Cを構築 できる利益は、 セル面積の縮小化は勿論のこと、 図 9の構造と比較して電極 接触部分 （接触抵抗部分） を 1つ減らすことができる。 実質的に図 9に示す 配線 1 2部分を排除できるためである。 その故、 情報書込み ·読出時間の短 縮化に寄与する。 また図 1と図 9の比較から明らかなように、 図 9の上都電 極 10が本例の下部電搔 3 1に、 図 9の下部電極 8が本例の上部電極 30に トポロジー的に対応している。 本例における下部電極 3 1は P tを選択する ことが望ましいが、 P tは A 1に比して比抵抗が大である。 しかし、 本例の 下部電極 3 1は膜厚が薄く接触面積がコンタク ト孔のそれをより大であるの s で、 ソース領域 23と強誘電体キヤバシタ Cとの間の抵抗値は殆ど問題とな らない。 またプレート線 Pたる上部電極 30及びその配線は A 1で形成可能 である。 つまりブレート線 Pが強誘電体 29の上に形成できるからである β r 徙籴 irifcして ,し毎のブレート罨位の '、' 5· ' 本が顛饔に改害され る さらに、 従来は厚い LO COS上 強誘電体キヤバシタ Cが縱犢.み構成 0 されており、 各膜の段差被覆性に問題があつたが、 本例ではゲート雹極 22 の両脇に強誘電体キャパシタ Cが形成されているので、 段差被覆性が改蔷さ れている。
(実施例 2 )
図 2は本発明の実施例 2に係る強誘電体キャパシタを備えた半導体装置を 15 示す主要断面図である。 なお、 同図において図 1に示す部分と同一部分には 同一参照符号を付し、 その説明は省略する。 この実施例においてもソース額 域 23上には強誘電体キャパシタ Cが積み上げ形成されている。 ソース領域 23と下部電極 3 1との間には金厲シリサイ ド膜 40, 導電性金属膜 4 1及 び導電性酸化膜 42が頫次積み上げ形成されている。 ¾踅性金属膜 4 1とし 0 てはレニウム （R e) , ルテニウム （Ru) , モリブデン （Mo ) などの金 属で、 導電性を有する。 この導電性金厲膜 4 1の下層はその金属を主成分と する金厲シリサイ ド膜 40である。 ¾罨性金属膜 4 1と下部電極 30との間 には、 酸化レニウム （R e O- ) , 酸化ルテニウム (Ru02 ) , 酸化モリ ブデン （Mo 03 ) などの導電性酸化膜 4 1が挟まれている。 実施例 1と異 Z なる点は、 ソース領域 23と導電性酸化膜 42と間に金属シリサイ ド膜 40 及び導電性金属膜 4 1が介在しているところにある。
レニウム （R e ) , ルテニウム （R u) , モリブデン （Mo ) などの導電 性金属膜 4 1の存在意義は、 金属シリサイ ド膜 40を形成させる目的と強誘 電体膜 29に対する酸素ァニール処理において同時に導電性酸化膜 42を形 成させる目的を兼ねるものである。 金属シリサイ ド膜 40の存在は接触抵抗 を低減させる。
次に、 上記実施例の製造方法を図 3に基づいて説明する。
先ず、 図 3 (A) に示すように、 ゲート電極 22を形成した後、 セルファ ラインにより高濃度 N型のソ ス領域 23及びドレイン領域 24を P型半導 体基板 20内に作り込む。 次に、 焼ガラスを全面に被覆して第 1層間絶緣膜
27を形成する。 次に、 ソース領域 23上の層間铯緣膜をエッチングにより コンタク ト孔 27 aを窓明けする。 次に、 図 3 (B) に示すように、 例えば スパッタ法により導電性酸化物を生成する金属としてレニウム （R e ) 膜 4
5を厚さ 200 OAで全面被覆する。 これによりコンタク ト孔内はレニウム
(R e ) で埋め込みされる。 しかる後、 酸素を舍む雰囲気中で熱処理を施す。 この酸素ァニールによって、 レニウム （R e ) 膜 45の表面側が酸化され、 酸化レニウム （R e O- ) の導電性酸化膜 42が形成される。 またレニウム
(R e ) 膜のソース領域 22に接触する側には R eを主体とする金属シリサ ィ ド膜 40が形成される。 この酸素ァニール処理の結果、 図 4に示すように、 レニウム （R e ) 膜の （上面倒） 表面側が酸化レニウム (R e 02 ) の導電 性酸化膜 42に、 その下面側 （裏面側） が金属シリサイ ド膜 4 0にそれぞれ 変化しても良いし、 図 3 (C) に示すように、 一部にレニウム （R e ) の導 電性金属膜 4 1が無変化のまま残っていても良い。 導電性酸化物を生成する 金属膜 45をソース領域 23上に直接堆積する意義は、 実施例 1のように導 電性酸化膜を形成する方法に比して、 機能上もプロセス上も好都合である。 金厲シリサイ ド膜 4 0の自己生成によりコンタク ト抵抗の低滅に寄与しァク セスタイムの短縮化に資する利益が追加プ口セスのない態様で首尾良く得ら れるからである。
(実旌例 3 )
図 5は本発明の実施例 3に係る強誘電体キャパシタを備えた半導体装置を 示す主要断面図である。 なお、 同図において図 1に示す部分と同一部分には 同一参照符号を付し、 その説明は省略する。 この実施例においてもソース頷 域 2 3上に強誘電体キャパシタ Cが積み上げ形成されている。 ソース領域 2 3と下部電極 3 1との間には P tシリサイ ド膜 5 0 , 導電性酸化膜 5 2が顢 次積み上げ形成されている。 導電性酸化腠 5 2としては、 I T O , 酸化レニ ゥム （R e 0 2 ) , 酸化ルテニウム ( R u 0 2 ) , 酸化モリブデン （M o 03 ) などである。 ソース領域 2 3と導電性酸化膜 5 2との間には P tシリ サイ ド膜 5 0が挟み込まれている。 これは接触抵抗を低滅させるためである。
P tシリサイ ド膜 5 0の形成法としては、 P tをスパック法で厚さ 1 0 0 0 人で堆積し、 コンタク ト孔を埋めた後、 熱処理によりコンタク ト孔の P tと ソース頷域 2 3の S iとを反応させて P tシリサイ ドを生成させる。 その後、 王水で未反応の P tを除去する β P tシリサイ ド膜 5 0の上には例えばスバ ッタ法で導電性酸化膜 5 2を形成する， 勿 ¾、 導電性酸化物を直接スバッタ するのではなく、 前述したように、 導電性酸化物 （R e , R u , M oなど） を生成する金厲をスパッタして金属膜を形成し、 その後、 酸素ァニール処理 によって導罨性酸化胰を形成しても差支えない。 かかる場合は図 6に示すよ うに、 一部に金厲膜 4 1が残っても構わない。 両者の導電率はほぼ等しいか らである。
図 7は本実施例の変形例を示す半導体装置を示す主要断面図である。 上記 の実施例においてはコンタク ト孔内のみに P tシリサイ ド膜 5 0が形成され ているが、 この変形例においてはセルフ 'ァライ ド ' シリサイ ド （金属シリ サイ ド） によりソース領域 2 3 , ドレイン領域 2 4及びゲート電極 2 2上に P tシリサイ ド膜 6 0が形成されている。 かようなプロセスを援用しても、 ソース . コンタク ト部の接触抵抗が低'减する *
なお、 上記各実施例では P tシリサイ ド膜を形成してあるが、 シリコンと チタン （T i ) の混合膜を堆積させてから熱処理により T i シリサイ ド膜を 成形しても良いし、 R u > R e , M o , W, T a , P dのような金厲シリサ ィ ドでも良い。
上述の強誘電体の拡散領域ないし基板上の形成構造としては、 主に不揮発 i o 性メモリについて説明したが、 比誘罨率が大きいことを利用したメモリ （D R A M ) などに応用することができることは言う迄もなく、 また高容量性を 必要とする回路網に適用できる。 更に、 本発明は圧 素子， 弾性波素子， 焦 電性素子を半導体基板上に形成するのに適用できる。
1 5 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明に係る強誘電体を備えた半導体装置及びその製造方 法は、 シリコン基板等の主平面又は内部における強誘電体の形成構造を提供 する。 酸素結合性のある基体に対して強誘電体を形成できる。 強誘電体形成 構造の領域は真性半鬈体領域でも良いし、 不純物拡散領域の N型又は P型領 0 域でも構わない。 M I S型トランジスタのソース領域又はドレイ ン領域ゃバ ィポーラ · トランジスタの 3電極の不純物拡散領域どが代表例であるが、 能 動素子の活性領域に限らず、 拡散抵抗層ゃストツバ領域などの受動素子の各 領域の上に強誘電体形成構造を実現することができる。 拡散領域上に積み上 げ的に強誘電体キャパシタ構造を実現する場合は勿論のこと、 トレンチ內に も強誘電体形成構造を実現できる。 高密度集積化が要請されている不揮発性 メモリに用いるのに適している,

Claims

請 求 の 範 囲
1. 酸素結合性のある半導体基体の主平面上または内部において電極を介し て形成された強誘罨体膜を素子要素とする半導体装置であって、 該半導体基
5 体と該電極との間には導電性酸化膜が形成されてなることを特徴とする強誘 電体を備えた半導体装置。
2. 請求項 1において、 前記導電性酸化膜は、 Ru酸化膜， Re酸化膜， M 0酸化膜， I TO (ィンジゥム 'スズ ·ォキサイ ド） 膜のいずれか又はそれ らの金属の混合膜であることを特徴とする強誘電体を備えた半導体装置。
.0 3. 酸素結合性のある半導体基体の主平面上または内部において電極を介し て形成された強誘電体膜を素子要素とする半導体装置であって、 該半導体基 体と該電極との間には導電性酸化膜が形成され、 また前記半導体基体と前記 導電性酸化膜との間には導電金厲膜が形成されてなることを特徴とする強誘 電体を備えた半導体装置。 '
i s 4. 請求項 3において、 前記導電金属膜は前記導電性酸化膜を生成可能の金 属膜であることを特徴とする強誘電体膜を有する半導体装置。
5. 請求項 4において、 前記導鼋金厲膜は、 Ru膜， R e膜， Mo膜のいず れか又はそれら金属の混合膜であることを特徵とする強誘電体を備えた半導 体装置。
o 6. 請求項 1ないし請求項 5のいずれか一項において、 前記半導体基体の界 面には金属シリサイ ド膜が形成されてなることを特徴とする強誘電体を備え た半導体装置。
7. 請求項 6において、 前記金属シリサイ ド膜は、 T i, P t, Ru, R e, Mo, W, Taのうちいずれかの金属を主成分としたシリサイ ド膜である 5 とを特徴とする強誘電体を備えた半導体装置。
8. 酸素拮合性のある半導体基体の主平面上または内部において電極を介し て形成された強誘電体膜を素子要素とする半導体装置の製造方法であって、 該半導体基体の主平面又は内部面に薯電性酸化物を生成可能の導電金属膜を 堆積し、 その薯電性金属層の上に前記電 S及び前記強誘電体膜を順次積層し た後、 酸素を含む雰囲気中で熱処理を施すことを特徴とする強誘電体を備え た半導体装置の製造方法。
9. 請求項 8において、 前記導 ¾金属膜は Ru, R e, Moのいずれかの金 属又はそれらの混合物からなることを特徴とする強誘電体を備えた半導体装 置の製造方法。
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