JP2011198849A - Method of manufacturing semiconductor wafer, method of manufacturing semiconductor element, semiconductor wafer, semiconductor element, and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ウェハの製造方法、半導体素子の製造方法、半導体ウェハ、半導体素子および電子装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor wafer, a method for manufacturing a semiconductor element, a semiconductor wafer, a semiconductor element, and an electronic device.
トランジスタ、発光ダイオード(LED)、半導体レーザ(LD)等の半導体素子は、各種電子装置の重要な部材である。特に、LD等の半導体発光素子は、画像表示装置、情報記録再生装置、光通信装置等に有用である。LDには、例えば、リッジストライプ型LD、インナーストライプ型LD等がある(特許文献1等)。
Semiconductor elements such as transistors, light emitting diodes (LEDs), and semiconductor lasers (LDs) are important members of various electronic devices. In particular, a semiconductor light emitting element such as an LD is useful for an image display device, an information recording / reproducing device, an optical communication device, and the like. Examples of the LD include a ridge stripe type LD and an inner stripe type LD (
前述のリッジストライプ型LDおよびインナーストライプ型LD等に用いる半導体ウェハの製造にあたっては、大幅な歩留まりの改善が求められている。 In the manufacture of semiconductor wafers used for the aforementioned ridge stripe LD, inner stripe LD, etc., a significant improvement in yield is required.
そこで、本発明の目的は、歩留まりが大幅に改善された半導体ウェハの製造方法、半導体素子の製造方法、半導体ウェハ、半導体素子および電子装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor wafer, a method for manufacturing a semiconductor element, a semiconductor wafer, a semiconductor element, and an electronic device with significantly improved yield.
前記目的を達成するために、本発明の半導体ウェハの製造方法は、
基板上の一部にストライプ状の保護膜を形成する保護膜形成工程と、
前記保護膜形成工程後、前記基板上における前記保護膜形成部位以外の部位に半導体結晶を成長させて半導体層を形成する半導体層形成工程とを含み、
前記基板として、前記保護膜の長さ方向と平行な方向のオフ角θpの絶対値|θp|が、前記保護膜の長さ方向と直交する方向のオフ角θoの絶対値|θo|よりも小さく、且つ、|θp|≦0.2°を満たすものを用いることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for producing a semiconductor wafer of the present invention comprises:
A protective film forming step of forming a stripe-shaped protective film on a part of the substrate;
A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer by growing a semiconductor crystal in a portion other than the protective film forming portion on the substrate after the protective film forming step;
As the substrate, the absolute value | θp | of the off angle θp in the direction parallel to the length direction of the protective film is larger than the absolute value | θo | of the off angle θo in the direction perpendicular to the length direction of the protective film. A small size and satisfying | θp | ≦ 0.2 ° is used.
本発明の半導体素子の製造方法は、前記本発明の半導体ウェハの製造方法により前記半導体ウェハを製造する半導体ウェハ製造工程と、
前記半導体ウェハを、前記保護膜形成部位において前記保護膜の長さ方向と平行な方向に分割する分割工程を含むことを特徴とする。
A semiconductor device manufacturing method of the present invention includes a semiconductor wafer manufacturing process for manufacturing the semiconductor wafer by the semiconductor wafer manufacturing method of the present invention,
The semiconductor wafer includes a dividing step of dividing the semiconductor wafer in a direction parallel to a length direction of the protective film at the protective film forming portion.
本発明の半導体ウェハは、前記本発明の半導体ウェハの製造方法により製造されることを特徴とする。 The semiconductor wafer of the present invention is manufactured by the method for manufacturing a semiconductor wafer of the present invention.
本発明の半導体素子は、前記本発明の半導体素子の製造方法により製造されることを特徴とする。 The semiconductor element of the present invention is manufactured by the method for manufacturing a semiconductor element of the present invention.
本発明の電子装置は、光源を含み、前記光源が、半導体発光素子である本発明の半導体素子を含むことを特徴とする。 The electronic device of the present invention includes a light source, and the light source includes the semiconductor element of the present invention which is a semiconductor light emitting element.
本発明によれば、歩留まりが大幅に改善された半導体ウェハの製造方法、半導体素子の製造方法、半導体ウェハ、半導体素子および電子装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of a semiconductor wafer, the manufacturing method of a semiconductor element, a semiconductor wafer, a semiconductor element, and an electronic device with the yield improved significantly can be provided.
本発明の半導体ウェハの製造方法において、さらに、リソグラフィーおよびエッチングにより、前記半導体層の一部に活性層ストライプを形成する活性層ストライプ形成工程を含み、製造される半導体ウェハが、半導体発光素子製造用の半導体ウェハであることが好ましい。 The semiconductor wafer manufacturing method of the present invention further includes an active layer stripe forming step of forming an active layer stripe on a part of the semiconductor layer by lithography and etching, and the manufactured semiconductor wafer is used for manufacturing a semiconductor light emitting device. The semiconductor wafer is preferably.
本発明の半導体ウェハの製造方法において、前記活性層ストライプは、リッジストライプであることが好ましい。前記活性層ストライプをリッジストライプとすることで、リッジ幅の変動をより少なくでき、安定したキンクレベルの半導体ウェハを歩留まり良く作製できる。 In the semiconductor wafer manufacturing method of the present invention, the active layer stripe is preferably a ridge stripe. By making the active layer stripe a ridge stripe, the fluctuation of the ridge width can be reduced, and a stable kink level semiconductor wafer can be manufactured with a high yield.
本発明の半導体ウェハの製造方法において、前記活性層ストライプは、インナーストライプであることが好ましい。前記活性層ストライプをインナーストライプとすることで、電流狭窄層開口部の幅の変動をより少なくでき、安定したキンクレベルの半導体ウェハを歩留まり良く作製できる。 In the semiconductor wafer manufacturing method of the present invention, the active layer stripe is preferably an inner stripe. By making the active layer stripe an inner stripe, the fluctuation of the width of the current confinement layer opening can be reduced, and a stable kink level semiconductor wafer can be manufactured with a high yield.
本発明の半導体ウェハの製造方法では、前記半導体層形成工程において、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の組成を有するIII族窒化物半導体から前記半導体層を形成することが好ましい。 In the semiconductor wafer manufacturing method of the present invention, in the semiconductor layer forming step, the composition of In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) is set. The semiconductor layer is preferably formed from a group III nitride semiconductor.
III族窒化物半導体は、禁制帯幅(バンドギャップ)が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型である等の優れた性質を有する。このため、III族窒化物半導体は、短波長発光素子等の各種半導体素子への適用が盛んに検討されている。例えば、III族窒化物半導体を用いた紫外から青および緑色の波長領域のLEDは、1990年代半ば頃から性能が急激に向上した。このため、前記LEDは、照明や各種ディスプレイ用途等への適用範囲が格段に広がり、非常に大きな市場を形成している。また、特に最近では地球温暖化対策の切り札の一つとして、白色の波長領域のLEDが次世代照明用光源として非常に大きな注目を集めている。III族窒化物半導体は、例えば、Blu−ray等の高密度光ディスク用光源に用いるLD用の材料としても重要である。例えば、発振波長405nmのLDの開発が精力的に進められ、既に製品化が進んでいる。光ディスクの書き込み速度の高速化には、LDの高出力化が必要である。LDの高出力化を図るためには、キャリアの注入効率を高めることがポイントとなる。また、光ディスク用光源として用いるには、LDのレーザビームをスポット状に絞り込むためにビーム形状を整える必要もある。このため、LDの横モードの制御が重要となる。さらに、光ディスクの転送速度の高速化に伴い、LDの高周波特性が重要となっており、素子抵抗の低減とともに素子の寄生容量をできるだけ小さくする必要もある。 The group III nitride semiconductor has excellent properties such as a sufficiently large forbidden band (band gap) and direct transition between bands. For this reason, group III nitride semiconductors are actively studied for application to various semiconductor elements such as short wavelength light emitting elements. For example, the performance of LEDs in the ultraviolet to blue and green wavelength regions using group III nitride semiconductors has improved dramatically since the mid-1990s. For this reason, the application range of the LED to illumination, various display uses, etc. is remarkably widened, forming a very large market. In particular, as one of the trump cards for countermeasures against global warming, LEDs in the white wavelength region have attracted a great deal of attention as light sources for next-generation lighting. The group III nitride semiconductor is also important as an LD material used for a light source for high-density optical disks such as Blu-ray. For example, development of an LD with an oscillation wavelength of 405 nm has been vigorously advanced, and commercialization has already progressed. In order to increase the writing speed of the optical disc, it is necessary to increase the output of the LD. In order to increase the output of the LD, it is important to increase the carrier injection efficiency. Further, in order to use as a light source for an optical disc, it is necessary to adjust the beam shape in order to narrow down the laser beam of the LD into a spot shape. For this reason, it is important to control the transverse mode of the LD. Furthermore, with the increase in the transfer speed of optical discs, the high-frequency characteristics of the LD are important, and it is necessary to reduce the element resistance and the parasitic capacitance of the element as much as possible.
また、光ディスク用光源以外でも、ディスプレイ等の光源として、青色(波長:約450nm)、緑色(波長:約530nm)で発振するIII族窒化物半導体を用いたLDの検討も活発化している。ディスプレイ用光源としても、大画面化に対応するためにLDの高出力化が求められるほか、レーザビームの形状制御の点で横モード制御は重量な課題である。 In addition to light sources for optical discs, LDs using Group III nitride semiconductors that oscillate in blue (wavelength: about 450 nm) and green (wavelength: about 530 nm) are also actively studied as light sources for displays and the like. As a light source for a display, in order to cope with the enlargement of the screen, it is required to increase the output of the LD, and the lateral mode control is a heavy problem in terms of laser beam shape control.
このような高度な要求性能を満たす単一横モードの高出力LDとしては、図1に示したリッジストライプ型LD100や図2に示したインナーストライプ型LD200がある。なお、図1および図2において、同一部分には同一符号を付している。 As a high power LD of a single transverse mode satisfying such a high required performance, there are a ridge stripe type LD100 shown in FIG. 1 and an inner stripe type LD200 shown in FIG. In FIG. 1 and FIG. 2, the same parts are denoted by the same reference numerals.
前記リッジストライプ型LD100は、構造的に寄生容量が小さいため、高周波特性の点で有利である。前記リッジストライプ型LD100において、リッジ111は、例えば、リソグラフィーとエッチングを併用して作製される。III族窒化物LDでは、溶液による化学エッチングが困難なため、前記エッチングには、例えば、ハロゲン系ドライエッチングが用いられる。前記リッジ111上部は、ストライプ状開口部を有する絶縁膜110でカバーされ、前記開口部にp型コンタクト層109が埋め込まれ、その上にp型電極112が設けられている。前記リッジストライプ型LD100において、電流狭窄は、前記リッジ111によってなされる。また、前記リッジストライプ型LD100の横モード特性は、前記p型電極112のストライプ幅、リッジ幅およびリッジ深さを調整することにより制御される。前記ストライプ幅および前記リッジ幅の精度は、前記リソグラフィーの精度で決まる。一方、前記リッジ深さは、エッチング量で決まり、エッチング時のプラズマ条件、エッチングガス流量、基板温度等の多くのパラメータに依存する。このため、大面積にわたり歩留まり良く素子作製を行うには、高度の制御技術を要する。また、前記リッジストライプ型LD100には、前記エッチング時に発生する荷電粒子により、活性層がダメージを受けやすいという問題もある。なお、これら以外の前記リッジストライプ型LD100の構成については、後述する。
The ridge stripe LD100 is advantageous in terms of high frequency characteristics because of its structurally small parasitic capacitance. In the
一方、前記インナーストライプ型LD200では、例えば、特許文献1に開示されているように、低屈折率で且つ絶縁性のAlN層114等の材料に1μmから1.5μm幅程度のストライプ状開口部114Aを形成してp型クラッド層108で埋め込み、電流狭窄と横モード制御を行う。前記インナーストライプ型LD200は、単一横モード光出力の上限(いわゆるキンクレベル)を支配するストライプ形状の制御性や放熱性、電気抵抗等の面で、ドライエッチングを用いた前記リッジストライプ型LD100に比べ優れており、高出力レーザ向きの構造として非常に有望である。なお、これら以外の前記インナーストライプ型LD200の構成については、後述する。
On the other hand, in the inner stripe type LD200, as disclosed in, for example,
本発明の半導体素子は、半導体発光素子であることが好ましい。本発明で得られる半導体発光素子は、特に制限されず、例えば、LD、LED、スーパールミネッセントダイオード(SLD)等、どのような半導体素子であってもよい。本発明の電子装置も、特に制限されず、例えば、画像表示装置、情報記録再生装置、光通信装置等、どのような電子装置であってもよい。 The semiconductor element of the present invention is preferably a semiconductor light emitting element. The semiconductor light emitting device obtained in the present invention is not particularly limited, and may be any semiconductor device such as an LD, LED, super luminescent diode (SLD), or the like. The electronic device of the present invention is not particularly limited, and may be any electronic device such as an image display device, an information recording / reproducing device, or an optical communication device.
以下、本発明の実施形態についてさらに具体的に説明する。ただし、以下の実施形態は例示であって、本発明を限定しない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more specifically. However, the following embodiment is an illustration and does not limit the present invention.
III族窒化物LD等の半導体素子用の基板としては、GaN基板やサファイア基板等が用いられる。このとき、レーザの発光領域の欠陥密度やクラックを低減するために、基板表面の一部にSiO2等の誘電体マスク(保護膜)を形成し、選択成長によってレーザの層構造を形成することができる。このような選択成長では、図3に模式的に示したように、保護膜302近傍領域において基板301表面への原料供給量が増加し成長速度が増大するいわゆる選択成長効果によってリッジ成長部305が形成される。このリッジ成長部305では、前記保護膜302からの距離によって層厚や組成が変化する。このため、実際のLDの発光領域となる共振器は、前記リッジ成長部305から充分離れた平坦成長部304に形成することが好ましい。前記リッジ成長部305と前記平坦成長部304との成長層厚差をリッジ成長高さhrと定義すると、例えば、インナーストライプ型LD用の半導体ウェハの製造において、前記平坦成長部304の成長層厚が2μmのとき、前記リッジ成長高さhrは、1μm以下から2μm以上にまで変動する。このような表面に大きな高低差を有するウェハ上にリソグラフィーで1.0μm前後の開口幅のストライプ状開口部を形成しようとすると、前記リソグラフィーで使用するフォトレジストに斑が発生しやすい。前記方法において、前記フォトレジストの斑を解消できれば、インナーストライプ型LDの作製における歩留まりを更に大幅に向上できる。このリッジ成長部305に起因したフォトレジストの斑の発生は、リッジストライプ型LDの作製においても解消することが好ましい。なお、図3において、303は、前記保護膜302上に堆積した多結晶層を示す。
A GaN substrate, a sapphire substrate, or the like is used as a substrate for a semiconductor element such as a group III nitride LD. At this time, in order to reduce the defect density and cracks in the laser emission region, a dielectric mask (protective film) such as SiO 2 is formed on a part of the substrate surface, and the laser layer structure is formed by selective growth. Can do. In such selective growth, as schematically shown in FIG. 3, the
本発明者らが実験を重ねた結果、前述のリソグラフィーで使用するフォトレジストの斑は、前記リッジ成長高さhrに依存し、前記リッジ成長高さhrの高いウェハほど、前記フォトレジストの斑が顕著となる傾向にあることを見出した。つぎに、実験的に得られた基板オフ角とリッジ成長高さhrとの関係について説明する。GaN基板上の一部に<1−100>方向にストライプ状のSiO2マスク(保護膜)を形成した場合、図4に示すように、前記保護膜の長さ方向と平行な<1−100>方向の基板オフ角θpの絶対値|θp<1−100>|の減少と共に前記リッジ高さhrも減少し、|θp<1−100>|=0.3°では前記リッジ成長高さhrが約2.0μmであるのに対し、|θp<1−100>|=0°では前記リッジ成長高さhrが約1.0μm以下と半分以下となった。 As a result of repeated experiments by the present inventors, the spots of the photoresist used in the above-mentioned lithography depend on the ridge growth height hr, and the higher the ridge growth height hr, the more the spots of the photoresist appear. We found that it tends to be prominent. Next, the relationship between the experimentally obtained substrate off angle and the ridge growth height hr will be described. When a striped SiO 2 mask (protective film) is formed on a part of the GaN substrate in the <1-100> direction, as shown in FIG. 4, <1-100 parallel to the length direction of the protective film. As the absolute value of the substrate off angle θp in the> direction | θp <1-100> | decreases, the ridge height hr also decreases, and when | θp <1-100> | = 0.3 °, the ridge growth height hr. Is about 2.0 μm, but when | θp <1-100> | = 0 °, the ridge growth height hr is about 1.0 μm or less, which is half or less.
一方、図5に示すように、前記保護膜の長さ方向と直交する<11−20>方向の基板オフ角θo<11−20>と前記リッジ成長高さhrとに相関関係はなかった。 On the other hand, as shown in FIG. 5, there was no correlation between the substrate off angle θo <11-20> in the <11-20> direction orthogonal to the length direction of the protective film and the ridge growth height hr.
以上の結果は、成長原料の表面拡散現象で説明できると考えられる。すなわち、図7に示すように、前記保護膜の長さ方向と平行な方向の基板オフ角θp<1−100>が減少し、前記保護膜の長さ方向と直交する方向の原子ステップ間隔が広がると、横方向成長速度が増加し、前記リッジ成長高さhrが抑制されると考えられる。 The above results can be explained by the surface diffusion phenomenon of the growth raw material. That is, as shown in FIG. 7, the substrate off-angle θp <1-100> in the direction parallel to the length direction of the protective film decreases, and the atomic step interval in the direction orthogonal to the length direction of the protective film is reduced. When spread, it is considered that the lateral growth rate increases and the ridge growth height hr is suppressed.
したがって、前記基板として、前記保護膜の長さ方向と平行な方向のオフ角θpの絶対値|θp|が、|θp|≦0.2°の関係を満たすものを用いることで、リソグラフィーで使用するフォトレジストの斑を大幅に低減し、半導体ウェハの作製における歩留まりを大幅に改善できる。 Therefore, as the substrate, a substrate in which the absolute value | θp | of the off angle θp in the direction parallel to the length direction of the protective film satisfies the relationship of | θp | ≦ 0.2 ° is used in lithography. As a result, it is possible to greatly reduce the spots of the photoresist to be produced and to greatly improve the yield in the production of the semiconductor wafer.
さらに、前記LD構造を欠陥領域に隣接して作製することで、共振器内の欠陥やクラックの発生頻度を低下させ、安定したキンクレベルのLDを歩留まり良く作製できる。 Furthermore, by producing the LD structure adjacent to the defect region, the frequency of occurrence of defects and cracks in the resonator can be reduced, and a stable kink level LD can be produced with a high yield.
本実施形態においては、製造される半導体ウェハが、図2に示すインナーストライプ型LD200製造用の半導体ウェハである場合を例にとり、本発明について説明する。ただし、本発明は、以下の説明により限定されない。前述のとおり、本発明の半導体ウェハの製造方法は、保護膜形成工程と、半導体層形成工程とを含む。
In the present embodiment, the present invention will be described by taking as an example the case where the semiconductor wafer to be manufactured is a semiconductor wafer for manufacturing the inner
(保護膜形成工程)
まず、n型GaN基板101上の一部にストライプ状の保護膜(誘電体膜)を形成する(図示せず)。前記保護膜の長さ方向は、レーザ共振器を形成する<1−100>方向であることが好ましい。前記n型GaN基板としては、前記保護膜の長さ方向と平行な方向のオフ角θpの絶対値|θp|が、前記保護膜の長さ方向と直交する方向のオフ角θoの絶対値|θo|よりも小さく、且つ、|θp|≦0.2°を満たすものを用いる。
(Protective film formation process)
First, a stripe-shaped protective film (dielectric film) is formed on a part of the n-type GaN substrate 101 (not shown). The length direction of the protective film is preferably a <1-100> direction that forms a laser resonator. In the n-type GaN substrate, the absolute value | θp | of the off angle θp in the direction parallel to the length direction of the protective film is the absolute value of the off angle θo in the direction perpendicular to the length direction of the protective film | A material smaller than θo | and satisfying | θp | ≦ 0.2 ° is used.
(半導体層形成工程)
つぎに、前記n型GaN基板101上における前記保護膜形成部位以外の部位に、n型バッファ層102、n型クラッド層103、n型光閉じ込め層104、量子井戸層105、キャップ層106、およびp型ガイド層107を、前記順序で積層する。前記n型バッファ層102は、Siドープn型GaN(Si濃度4×1017cm−3、厚さ1μm)から形成される。前記n型クラッド層103は、Siドープn型Al0.05Ga0.95N(Si濃度4×1017cm−3、厚さ2μm)から形成される。前記n型光閉じ込め層104は、Siドープn型GaN(Si濃度4×1017cm−3、厚さ0.1μm)から形成される。前記量子井戸層105は、In0.1Ga0.9N(厚さ3nm)井戸層とアンドープGaNバリア層(厚さ10nm)からなる3周期多重量子井戸(Multi−Quantum Well: MQW)構造により形成される。前記キャップ層106は、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nから形成される。前記p型ガイド層107は、Mgドープp型GaN(Mg濃度2×1019cm−3、厚さ0.1μm)から形成される。この形成方法は、特に制限されず、例えば、気相成長法、より具体的には、例えば、有機金属気相エピタキシャル(MOVPE)法等の通常の方法を用いることができる。各層形成時のガス濃度、成長温度等の条件は、例えば、気相成長法で一般に用いている条件を参考に適宜設定可能である。
(Semiconductor layer forming process)
Next, an n-
つぎに、前記p型ガイド層107の上面に、AlNから形成される非結晶層を形成する。この非結晶層は、後に結晶化されて電流狭窄層114となる。
Next, an amorphous layer made of AlN is formed on the upper surface of the p-
前記非結晶層は、MOVPE法により600℃以下の低温で約0.1μm堆積する。これは、MOVPE法により前記p型ガイド層107上に高温で単結晶AlN層を形成すると、堆積時にAlN層にクラックが発生するためである。
The amorphous layer is deposited by a MOVPE method at a low temperature of 600 ° C. or less and about 0.1 μm. This is because if a single crystal AlN layer is formed on the p-
つぎに、フォトリソグラフィーおよびウェットエッチングにより、前記非結晶層の一部を除去して開口部114Aを形成する。具体的には、まず、前記非結晶層上にSiO2を100nm堆積し、SiO2層を形成する。ついで、このSiO2層上面にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅1.5μmのストライプパターンを前記レジスト上に形成する。つぎに、バッファードフッ酸により、前記レジストをマスクとして前記SiO2層をエッチング後、前記レジストを有機溶媒で除去し、さらに水洗する。つぎに、前記SiO2層をマスクとして前記非結晶層のエッチングを行う。エッチング液にはリン酸と硫酸を体積比1:1の割合で混合したリン酸/硫酸混合液を用いる。さらに、前記SiO2マスクでカバーされていない領域の前記非結晶層を、90℃に保持した前記溶液中、9分間のエッチングにより除去し、ストライプ状の開口部114Aを形成する。本例において、フォトリソグラフィーおよびウェットエッチングによる前記開口部114Aの形成工程が、前記「活性層ストライプ形成工程」に相当する。
Next, an
なお、前記ウェットエッチングにおいて、エッチング液の種類、液温、マスクの種類等の各種条件は、前述の記載に限定されず、適宜設定可能である。例えば、前述の記載においては、90℃のリン酸/硫酸混合液を用いたが、選択的且つ効率的なエッチングが実現できるのであれば、他のエッチング液を用いてもよい。前記リン酸/硫酸混合液において、エッチング速度は、例えば、硫酸の配合量および液温により調整できる。なお、前述の記載においては、前記非結晶層の直下の前記p型ガイド層107(GaN)が結晶層であるために、前者のエッチング速度が後者のエッチング速度よりも大幅に大きく、選択的且つ効率的なエッチングが可能となるのである。したがって、前記非結晶層を効率的にエッチングでき、且つ、前記p型ガイド層107を不必要にエッチングすることのないエッチング速度となるように、前記エッチング液の組成、液温等を適宜設定することが好ましい。この観点から、前記エッチング液の液温は、50℃以上200℃以下が好ましい。また、前述の記載では、前記非結晶層のエッチングマスクとしてSiO2を用いたが、前記エッチング液に侵されない材料であればSiNxやレジストを含む有機物を用いてもよい。
In the wet etching, various conditions such as the type of etching solution, the liquid temperature, and the type of mask are not limited to those described above, and can be set as appropriate. For example, in the above description, a phosphoric acid / sulfuric acid mixed solution at 90 ° C. is used, but other etching solutions may be used as long as selective and efficient etching can be realized. In the phosphoric acid / sulfuric acid mixed solution, the etching rate can be adjusted by, for example, the blending amount of sulfuric acid and the liquid temperature. In the above description, since the p-type guide layer 107 (GaN) immediately below the non-crystalline layer is a crystalline layer, the former etching rate is significantly higher than the latter etching rate. Efficient etching is possible. Therefore, the composition, temperature, etc. of the etching solution are appropriately set so that the amorphous layer can be etched efficiently and the etching rate does not unnecessarily etch the p-
つぎに、前記非結晶層の上面を覆い、且つ、前記開口部114Aから露出した前記p型ガイド層107上面を覆うように(前記開口部114Aを埋め込むように)、前記p型クラッド層108を形成(埋め込み再成長)する。このとき、前記p型クラッド層108の形成開始に先立ち、基板温度を、前記p型クラッド層108の形成温度まで昇温させる。この形成温度が充分に高いと、前記昇温開始時から前記p型クラッド層108の形成完了までの間に、前記非結晶層が熱処理され、結晶化して、前記電流狭窄層114となる。前記p型クラッド層108は、Mgドープp型Al0.05Ga0.95N(Mg濃度1×1019cm−3、厚さ0.5μm)から形成される。
Next, the p-
なお、前記非結晶層の熱処理(結晶化)と、前記p型クラッド層108の形成とは、別工程としてもよい。しかし、前述のように、前記p型クラッド層108の形成と前記非結晶層の熱処理とを同時に行うと、半導体ウェハの製造において、非結晶層の熱処理工程を別途設けて工程数を増やす必要がないため好ましい。前記非結晶層の熱処理時の最高温度は、好ましくは、700〜1300℃、より好ましくは、900〜1300℃とする。これにより、前記非結晶層を好適に結晶層(前記電流狭窄層114)に転換できる。前記非結晶層の形成材料がAlN以外の場合には、形成材料に応じて適宜前記熱処理温度を設定すればよい。
The heat treatment (crystallization) of the amorphous layer and the formation of the p-
つぎに、前記p型クラッド層108上面に前記p型コンタクト層109を形成する。前記p型コンタクト層109は、Mgドープp型GaN(Mg濃度2×1020cm−3、厚さ0.02μm)から形成される。
Next, the p-
つぎに、前記p型コンタクト層109の上面にp型電極112を、前記n型GaN基板101の底面にn型電極113を、それぞれ形成する。これら電極の形成条件は、特に制限されず、一般的な半導体素子の電極形成条件等を参考にして適宜設定できる。このようにして製造した半導体ウェハを、前記保護膜形成部位において前記保護膜の長さ方向と平行な方向に分割することで、図2に示すインナーストライプ型LD200を製造できる。前記分割にあたって、前記保護膜形成部位周辺の前記半導体層および前記基板へのドライエッチングによりガイド溝を形成することで、正確な劈開が可能となる。前記インナーストライプ型LD200は、必要に応じ、前記保護膜の長さ方向と垂直な方向に劈開し、チップとしてもよい。この場合、前記保護膜の長さ方向と垂直な方向にもガイド溝を形成できるよう、前記基板に対する前記保護膜の形成パターンを工夫しておくことで、前記保護膜の長さ方向と垂直な方向においても、正確な劈開が可能となる。前記チップの長さ(素子長)は、半導体発光素子に所望される特性によって適宜設定できる。ただし、前記半導体チップの分割および劈開方法は、前記ドライエッチングによりガイド溝を形成する方法に制限されず、いかなる方法で行ってもよい。
Next, a p-
本例では、前記n型バッファ層102から前記電流狭窄層114までの層厚がウェハ面内で均一となるため、フォトリソグラフィーおよびウェットエッチングで前記電流狭窄層114に前記開口部114Aを形成する際の開口幅のばらつきが小さくなる。これにより、本例で得られるインナーストライプ型LD200のキンクレベルや閾値のばらつきを抑制できる。
In this example, since the layer thickness from the n-
また、前記開口部114A近傍の前記p型クラッド層108の厚みのばらつきも防止できるため、光閉じ込め構造の設計とのずれを防止でき、より高精度に閾値やキンクレベル等の特性のばらつきを抑制できる。
In addition, since variations in the thickness of the p-
図1に示すリッジストライプ型LD100製造用の半導体ウェハは、例えば、前記p型ガイド層107と前記p型クラッド層108との間に前記電流狭窄層114を形成せず、リソグラフィーとドライエッチングを併用して前記リッジ111を形成する点を除き、図2に示すインナーストライプ型LD200と同様にして製造できる。前記ドライエッチングにあたっては、例えば、前記p型コンタクト層109および前記p型クラッド層108を塩素(Cl2)系のドライエッチング装置でエッチングする。
In the semiconductor wafer for manufacturing the
つぎに、本発明の実施例について比較例と併せて説明する。なお、本発明は、下記の実施例および比較例によってなんら限定ないし制限されない。 Next, examples of the present invention will be described together with comparative examples. The present invention is not limited or restricted by the following examples and comparative examples.
(実施例)
図2に示すインナーストライプ型LD200を作製した。n型GaN基板101には、n型キャリアSi濃度が1×1018cm−3程度、<1−100>方向のオフ角が±0.2°以下のn型GaN(0001)基板を複数枚用いた(図6参照)。素子の作製には400hPaの減圧MOVPE装置を用いた。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用いた。Ga、Al、Inの供給源としては、それぞれトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアンモニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMIn)を用いた。n型ドーパントとしては、シラン(SiH4)を用いた。p型ドーパントとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いた。
(Example)
An inner stripe type LD200 shown in FIG. 2 was produced. The n-
まず、欠陥低減およびクラック防止のために、前記n型GaN基板101上の一部にストライプ状の保護膜(誘電体膜)を形成した(図示せず)。これ以降、この工程を「保護膜形成工程」という。具体的には、前記n型GaN基板101上に厚さ0.2μm程度のSiO2を堆積し、SiO2層を形成した。このSiO2層上面にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより<1−100>方向に伸びる幅50μmのストライプパターンを400μmピッチで前記レジスト上に形成した。つぎに、バッファードフッ酸により、前記レジストをマスクとして、前記SiO2層をエッチングした。その後、前記レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行った。このようにして、前記保護膜をストライプ状に形成した。
First, in order to reduce defects and prevent cracks, a stripe-shaped protective film (dielectric film) was formed on a part of the n-type GaN substrate 101 (not shown). Hereinafter, this process is referred to as a “protective film forming process”. Specifically, SiO 2 having a thickness of about 0.2 μm was deposited on the n-
つぎに、n型バッファ層102、n型クラッド層103、n型光閉じ込め層104、量子井戸層105、キャップ層106、p型ガイド層107、p型クラッド層108、および電流狭窄層114となるIII族窒化物から形成されている各層の成長を実施した。これ以降、これらの工程をまとめて「活性層成長工程」という。
Next, an n-
すなわち、まず、n型GaN基板101を減圧MOVPE装置に投入後、NH3を供給しながらn型GaN基板101を昇温し、成長温度まで達した時点で前記各層の成長を開始した。これにより、Siドープn型GaN(Si濃度4×1017cm−3、厚さ1μm)から形成されるn型バッファ層102、Siドープn型Al0.05Ga0.95N(Si濃度4×1017cm−3、厚さ2μm)から形成されるn型クラッド層103、Siドープn型GaN(Si濃度4×1017cm−3、厚さ0.1μm)から形成されるn型光閉じ込め層104、In0.1Ga0.9N(厚さ3nm)井戸層とアンドープGaN(厚さ10nm)バリア層とから形成される3周期多重量子井戸(MQW)層105、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nから形成されているキャップ層106、Mgドープp型GaN(Mg濃度2×1019cm−3、厚さ0.1μm)から形成されるp型ガイド層107を順次堆積した。GaN成長は、基板温度1080℃、TMG供給量58μmol/分、NH3供給量0.36mol/分で実施した。AlGaN成長は、基板温度1080℃、TMA供給量36μmol/分、TMG供給量58μmol/分、NH3供給量0.36mol/分で実施した。InGaNのMQW成長は、基板温度850℃、TMG供給量8μmol/分、NH3供給量0.36mol/分で実施した。なお、TMIn供給量は、井戸層で48μmol/分とした。
That is, first, after the n-
つぎに、基板温度を400℃程度まで降温し、前記p型ガイド層107の上に非結晶AlN層(後に結晶化して電流狭窄層114となる)を堆積させた。前記非結晶AlN層堆積時のTMAおよびNH3供給量は、それぞれ36μmol/分、0.36mol/分とし、堆積膜厚は0.1μmであった。
Next, the substrate temperature was lowered to about 400 ° C., and an amorphous AlN layer (later crystallized to become the current confinement layer 114) was deposited on the p-
この段階で、ウェハの一部を割り出してSEM(走査型電子顕微鏡)で確認したところ、図6に示すように、全てのウェハでリッジ成長高さhrは、約1.2μm以下であった。 At this stage, a part of the wafer was determined and confirmed by SEM (scanning electron microscope). As shown in FIG. 6, the ridge growth height hr was about 1.2 μm or less for all the wafers.
つぎに、前記非結晶AlN層の一部をエッチングにより除去することで<1−100>方向に延びるストライプ状の開口部114Aを形成した。これ以降、この工程を「活性層ストライプ形成工程」という。
Next, a part of the amorphous AlN layer was removed by etching to form a stripe-shaped
すなわち、まず、前記非結晶AlN層上にSiO2を100nm堆積し、SiO2層を形成した。このSiO2層上面にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅1.5μmのストライプパターンを前記レジスト上に形成した。 That is, first, SiO 2 was deposited to a thickness of 100 nm on the amorphous AlN layer to form a SiO 2 layer. After applying a resist on the upper surface of the SiO 2 layer, a stripe pattern having a width of 1.5 μm was formed on the resist by photolithography.
この段階で、顕微鏡により確認したところ、ほとんどのウェハで幅1.5μmのレジスト開口がきれいに抜けており、レジストの残渣等は全く残っていなかった。 At this stage, it was confirmed by a microscope that the resist opening with a width of 1.5 μm was clearly removed in most wafers, and no resist residue or the like remained.
つぎに、バッファードフッ酸により前記レジストをマスクとして前記SiO2層をエッチングした。その後、前記レジストを有機溶媒により除去し、水洗した。前記非結晶AlN層は、バッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはなかった。つぎに、前記SiO2層をマスクとして前記非結晶AlN層をエッチングした。エッチング液としては、リン酸と硫酸とを体積比1:1の割合で混合した溶液を用いた。前記SiO2マスクでカバーされていない領域の前記AlN層は、90℃に保持した前記溶液中で9分間のエッチングにより除去された。これにより、前記開口部114Aが形成された。その後、バッファードフッ酸によりマスクとして用いた前記SiO2層を除去した。このようにして、前記活性層ストライプ形成工程を実施することができた。
Next, the SiO 2 layer was etched with buffered hydrofluoric acid using the resist as a mask. Thereafter, the resist was removed with an organic solvent and washed with water. The amorphous AlN layer was not etched or damaged in each step of buffered hydrofluoric acid, organic solvent, and water washing. Next, the amorphous AlN layer was etched using the SiO 2 layer as a mask. As an etching solution, a solution in which phosphoric acid and sulfuric acid were mixed at a volume ratio of 1: 1 was used. The AlN layer in the region not covered with the SiO 2 mask was removed by etching for 9 minutes in the solution kept at 90 ° C. Thereby, the
つぎに、前記非結晶AlN層を熱処理により結晶層(電流狭窄層)114に変換した。その後、前記活性層ストライプ形成工程で形成された前記開口部114Aを埋め込んで開口埋め込み部を形成するようにp型クラッド層108を積層し、さらに、p型コンタクト層109を堆積した。これ以降、これらの工程をまとめて「p型クラッド層再成長工程」という。
Next, the amorphous AlN layer was converted into a crystalline layer (current confinement layer) 114 by heat treatment. Thereafter, a p-
すなわち、まず、前記活性層ストライプ形成工程により形成された半導体ウェハを、MOVPE装置に投入した。続いて、前記MOVPE装置内部を、NH3供給量0.36mol/分、N2キャリアガス供給量0.9mol/分で700℃程度まで昇温した。そのまま700℃で10分間アニールした後、キャリアガスの一部をH2に切り換え、NH3供給量0.36mol/分、N2キャリアガス供給量0.45mol/分、H2キャリアガス供給量0.45mol/分でp型クラッド層の成長温度である1100℃まで再び昇温した。1100℃に達した後、Mgドープp型Al0.05Ga0.95N(Mg濃度1×1019cm−3、厚さ0.5μm)から形成されるp型クラッド層108を堆積した。その後、基板温度を1080℃に下げてから、Mgドープp型GaN(Mg濃度1×1020cm−3、厚さ0.02μm)から形成されるp型コンタクト層109を堆積した。なお、p型AlGaNおよびp型GaNの堆積条件は、ドーパントの違いを除き前記n型AlGaNおよび前記n型GaNの形成時と同様とした。
That is, first, the semiconductor wafer formed by the active layer stripe forming process was put into a MOVPE apparatus. Subsequently, the inside of the MOVPE apparatus was heated to about 700 ° C. with an NH 3 supply rate of 0.36 mol / min and an N 2 carrier gas supply rate of 0.9 mol / min. After annealing at 700 ° C. for 10 minutes, a part of the carrier gas is switched to H 2 , the NH 3 supply rate is 0.36 mol / min, the N 2 carrier gas supply rate is 0.45 mol / min, and the H 2 carrier gas supply rate is 0. The temperature was raised again to 1100 ° C., which is the growth temperature of the p-type cladding layer, at .45 mol / min. After reaching 1100 ° C., a p-
p型クラッド層再成長工程後にSEM観察を行ったところ、前記開口部114A上でも前記電流狭窄層114上でも埋め込み再成長面にはクラックやピット等の欠陥は見られず、前記非結晶AlN層が結晶化し、前記p型クラッド層108により平坦に埋め込まれていることが確認できた。
When SEM observation was performed after the p-type cladding layer regrowth step, no defects such as cracks and pits were found on the buried regrowth surface on the
このようにして得られた構造体の前記n型GaN基板101裏面(底面)にn型電極113を、前記p型コンタクト層109上面にp型電極112を、それぞれ真空蒸着法で形成した。これ以降、この工程を「電極形成工程」という。そして、前記電極形成工程後の試料を、前記保護膜の長さ方向に直交する方向に劈開し、インナーストライプ型LD200とした。なお、素子長は、800μmとした。
The n-
(比較例)
n型GaN基板101に、<1−100>方向のオフ角が±0.2°を超えるn型GaN(0001)基板を2枚用いた(図6参照)こと以外は、実施例と同様にして、インナーストライプ型LDを作製した。なお、本比較例においては、図6に示すように、実施例でリッジ成長高さhrを確認したのと同じ段階で、2枚のウェハのリッジ成長高さhrは、いずれも約1.5μm以上であった。また、本比較例においては、実施例でレジスト残渣を確認したのと同じ段階で、2枚のウェハにいずれもレジスト残渣が確認された。
(Comparative example)
Except that two n-type GaN (0001) substrates having an off angle in the <1-100> direction exceeding ± 0.2 ° were used for the n-type GaN substrate 101 (see FIG. 6), the same as in the example. Thus, an inner stripe type LD was produced. In this comparative example, as shown in FIG. 6, the ridge growth height hr of the two wafers is about 1.5 μm at the same stage where the ridge growth height hr is confirmed in the embodiment. That was all. Moreover, in this comparative example, the resist residue was confirmed on both of the two wafers at the same stage where the resist residue was confirmed in the example.
(評価)
実施例および比較例で得られたインナーストライプ型LDを、それぞれヒートシンクに融着し、発光特性を調べた。その結果、実施例のインナーストライプ型LDの90%以上が、閾電流40mA以下、電圧4.0V程度で発振し、キンクレベルは600mW以上であった。また、450mW出力時の平均寿命は、10000時間以上であった。一方、比較例のインナーストライプ型LDは、特性にばらつきが大きく、450mW以上で安定して動作可能な素子を得ることが困難であった。
(Evaluation)
The inner stripe LDs obtained in the examples and comparative examples were each fused to a heat sink, and the light emission characteristics were examined. As a result, 90% or more of the inner stripe type LD of the example oscillated at a threshold current of 40 mA or less and a voltage of about 4.0 V, and the kink level was 600 mW or more. Moreover, the average life at the time of 450 mW output was 10,000 hours or more. On the other hand, the inner stripe type LD of the comparative example has a large variation in characteristics, and it is difficult to obtain an element that can stably operate at 450 mW or more.
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。 A part or all of the above-described embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.
(付記1)基板上の一部にストライプ状の保護膜を形成する保護膜形成工程と、
前記保護膜形成工程後、前記基板上における前記保護膜形成部位以外の部位に半導体結晶を成長させて半導体層を形成する半導体層形成工程とを含み、
前記基板として、前記保護膜の長さ方向と平行な方向のオフ角θpの絶対値|θp|が、前記保護膜の長さ方向と直交する方向のオフ角θoの絶対値|θo|よりも小さく、且つ、|θp|≦0.2°を満たすものを用いることを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
(Supplementary note 1) a protective film forming step of forming a stripe-shaped protective film on a part of the substrate;
A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer by growing a semiconductor crystal in a portion other than the protective film forming portion on the substrate after the protective film forming step;
As the substrate, the absolute value | θp | of the off angle θp in the direction parallel to the length direction of the protective film is larger than the absolute value | θo | of the off angle θo in the direction perpendicular to the length direction of the protective film. A method for producing a semiconductor wafer, which is small and satisfies | θp | ≦ 0.2 °.
(付記2)さらに、リソグラフィーおよびエッチングにより、前記半導体層の一部に活性層ストライプを形成する活性層ストライプ形成工程を含み、
製造される半導体ウェハが、半導体発光素子製造用の半導体ウェハであることを特徴とする付記1に記載の半導体ウェハの製造方法。
(Appendix 2) Further, an active layer stripe forming step of forming an active layer stripe on a part of the semiconductor layer by lithography and etching,
2. The method of manufacturing a semiconductor wafer according to
(付記3)前記活性層ストライプが、リッジストライプであることを特徴とする付記2に記載の半導体ウェハの製造方法。
(Additional remark 3) The said active layer stripe is a ridge stripe, The manufacturing method of the semiconductor wafer of
(付記4)前記活性層ストライプが、インナーストライプであることを特徴とする付記2に記載の半導体ウェハの製造方法。
(Additional remark 4) The said active layer stripe is an inner stripe, The manufacturing method of the semiconductor wafer of
(付記5)前記半導体層形成工程において、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の組成を有するIII族窒化物半導体から前記半導体層を形成することを特徴とする付記1から4のいずれかに記載の半導体ウェハの製造方法。
(Supplementary Note 5) Group III nitride semiconductor having a composition of In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) in the semiconductor layer forming step. The method for manufacturing a semiconductor wafer according to any one of
(付記6)付記1から5のいずれかに記載の製造方法により前記半導体ウェハを製造する半導体ウェハ製造工程と、
前記半導体ウェハを、前記保護膜形成部位において前記保護膜の長さ方向と平行な方向に分割する分割工程を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
(Additional remark 6) The semiconductor wafer manufacturing process which manufactures the said semiconductor wafer with the manufacturing method in any one of
A method of manufacturing a semiconductor element, comprising: a dividing step of dividing the semiconductor wafer in a direction parallel to a length direction of the protective film at the protective film forming portion.
(付記7)付記1から5のいずれかに記載の製造方法により製造されることを特徴とする半導体ウェハ。
(Appendix 7) A semiconductor wafer manufactured by the manufacturing method according to any one of
(付記8)付記6に記載の製造方法により製造されることを特徴とする半導体素子。 (Appendix 8) A semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to Appendix 6.
(付記9)半導体レーザであることを特徴とする付記8に記載の半導体素子。 (Supplementary note 9) The semiconductor device according to supplementary note 8, which is a semiconductor laser.
(付記10)光源を含み、前記光源が、半導体発光素子である付記8に記載の半導体素子を含むことを特徴とする電子装置。 (Supplementary note 10) An electronic apparatus comprising a semiconductor element according to supplementary note 8, including a light source, wherein the light source is a semiconductor light emitting element.
(付記11)画像表示装置であることを特徴とする付記10に記載の電子装置。
(Supplementary note 11) The electronic device according to
(付記12)情報記録再生装置であることを特徴する付記10に記載の電子装置。
(Supplementary note 12) The electronic device according to
(付記13)光通信装置であることを特徴とする付記10に記載の電子装置。
(Supplementary note 13) The electronic device according to
100 リッジストライプ型LD
101、301 基板
102 n型バッファ層
103 n型クラッド層
104 n型光閉じ込め層
105 量子井戸層
106 キャップ層
107 p型ガイド層
108 p型クラッド層
109 p型コンタクト層
110 絶縁膜
111 リッジ
112 p型電極
113 n型電極
114 電流狭窄層
114A 開口部
200 インナーストライプ型LD
302 保護膜(誘電体膜)
303 多結晶層
304 平坦成長部
305 リッジ成長部
hr リッジ成長高さ
100 ridge stripe LD
101, 301 Substrate 102 n-type buffer layer 103 n-type cladding layer 104 n-type
302 Protective film (dielectric film)
303
Claims (10)
前記保護膜形成工程後、前記基板上における前記保護膜形成部位以外の部位に半導体結晶を成長させて半導体層を形成する半導体層形成工程とを含み、
前記基板として、前記保護膜の長さ方向と平行な方向のオフ角θpの絶対値|θp|が、前記保護膜の長さ方向と直交する方向のオフ角θoの絶対値|θo|よりも小さく、且つ、|θp|≦0.2°を満たすものを用いることを特徴とする半導体ウェハの製造方法。 A protective film forming step of forming a stripe-shaped protective film on a part of the substrate;
A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer by growing a semiconductor crystal in a portion other than the protective film forming portion on the substrate after the protective film forming step;
As the substrate, the absolute value | θp | of the off angle θp in the direction parallel to the length direction of the protective film is larger than the absolute value | θo | of the off angle θo in the direction perpendicular to the length direction of the protective film. A method for producing a semiconductor wafer, which is small and satisfies | θp | ≦ 0.2 °.
製造される半導体ウェハが、半導体発光素子製造用の半導体ウェハであることを特徴とする請求項1記載の半導体ウェハの製造方法。 Furthermore, an active layer stripe forming step of forming an active layer stripe on a part of the semiconductor layer by lithography and etching,
The semiconductor wafer manufacturing method according to claim 1, wherein the semiconductor wafer to be manufactured is a semiconductor wafer for manufacturing a semiconductor light emitting device.
前記半導体ウェハを、前記保護膜形成部位において前記保護膜の長さ方向と平行な方向に分割する分割工程を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 A semiconductor wafer manufacturing process for manufacturing the semiconductor wafer by the manufacturing method according to claim 1,
A method of manufacturing a semiconductor element, comprising: a dividing step of dividing the semiconductor wafer in a direction parallel to a length direction of the protective film at the protective film forming portion.
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