JP2014116556A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】拡散防止膜の膜厚を薄くして、層間容量を減らすこと。
【解決手段】下層配線構造の表面まで達するようにエッチングして、層間絶縁膜内にビア孔を形成し、層間絶縁膜の表面、ビア孔の側壁、およびビア孔の底部で露出する下層配線構造の表面上に、保護窒化膜を成膜し、ビア孔を埋めるように反射防止膜を塗布した後、反射防止膜をエッチバックして、保護窒化膜を介してビア孔内に反射防止膜を埋め込み、保護窒化膜、シリコン酸化膜、および低誘電率膜の上部をエッチングして、下層配線構造の表面が露出し、かつ、拡散防止膜および低誘電率膜の下部に形成されたビア孔の側壁にのみ保護窒化膜が残るように、ビア孔に連続するトレンチを形成する。
【選択図】図5
【解決手段】下層配線構造の表面まで達するようにエッチングして、層間絶縁膜内にビア孔を形成し、層間絶縁膜の表面、ビア孔の側壁、およびビア孔の底部で露出する下層配線構造の表面上に、保護窒化膜を成膜し、ビア孔を埋めるように反射防止膜を塗布した後、反射防止膜をエッチバックして、保護窒化膜を介してビア孔内に反射防止膜を埋め込み、保護窒化膜、シリコン酸化膜、および低誘電率膜の上部をエッチングして、下層配線構造の表面が露出し、かつ、拡散防止膜および低誘電率膜の下部に形成されたビア孔の側壁にのみ保護窒化膜が残るように、ビア孔に連続するトレンチを形成する。
【選択図】図5
Description
本発明は、配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関し、特に、ダマシン配線構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体装置においては、微細化および高速化に対応するために、多層構造配線が近年主流になっている。配線材料に関しても、配線を流れる信号伝播遅延を防ぐために、従来のAl配線からより電気抵抗率の低いCu配線の適用が検討されている。
Cu配線形成ではデュアルダマシン(dual-damascene)法が主流である。デュアルダマシン法は、コンタクトプラグと配線層とを同時に形成する技術である。すなわち、デュアルダマシン法は、多層配線層間のビア孔と上層配線層の溝とに同一工程で金属を埋め込み、その後研磨して凹部内にのみ金属を残す方法である。換言すれば、デュアルダマシン法は、あらかじめ絶縁膜に形成したビア・トレンチ(配線接続孔・配線溝)にバリアメタル(拡散防止膜)とCuシード(電解めっきの下地導電膜)をスパッタリング(Physical Vapor Deposition:PVD)法で順次形成した後、電解めっき(Electrochemical deposition:ECD)法でCu配線を埋め込みながら形成する方法である。
しかしながら、Cuを用いたデュアルダマシン法においては、その配線形成工程において、断線などの配線欠陥(ボイド)が生じるという問題があることが知られている(例えば、特開2001−298084号公報(特許文献1)参照)。
以下、特許文献1に記載されている、従来の技術(図20)について簡略的に説明する。
下層配線層を形成した後に、その上に層間絶縁膜として、第1のSiN層、第1のSiO2層、第2のSiN層、第2のSiO2層を堆積する。この層間絶縁膜中に、Viaエッチングにより第1のSiN層に達するビア孔を形成する。したがって、第1のSiN層は、拡散防止膜としてだけでなく、ビア孔のエッチングストッパ膜としても使用される。ビア孔をレジストなどにより埋め戻した後、第2のSiO2層、第2のSiN層を選択的に除去(Trenchエッチング)して、幅の広い配線用溝(トレンチ)を形成する。このとき、ビア孔の底面に、下層配線層が露出する。バリアメタル層をスパッタリングで堆積した後、その上に銅配線層を電解メッキで形成する。第2のSiO2層表面上に堆積したCuを研磨により除去して、デュアルダマシン配線を形成する。
このような従来の技術では、断線などの配線欠陥(ボイド)が生じるという問題がある。そこで、その問題を解決するために、特許文献1では、配線不良を防止して、信頼性の高いダマシン配線構造を有する半導体装置を提案している。すなわち、特許文献1に開示された半導体装置では、ビア孔の外側の領域で、配線用溝の下面から上方に突出した絶縁突起パターンを形成している。
尚、Viaエッチングの後で、且つビア孔をレジストなどなどで埋めも戻す前に、Wet Clean処理が行われる場合がある。また、層間容量を低くするために、拡散防止膜の膜厚を薄くすることが望まれている。
上述したように、デュアルダマシン法によるCu配線工程において、拡散防止膜の膜厚を薄くすると層間容量を減らすことができる。しかしながら、次に述べる制約のために、拡散防止膜の膜厚を薄くすることができない。
1)Viaエッチング後にCuが露出したままにしていると、Cuが酸化し、コンタクト抵抗が上昇する。
2)Viaエッチング後の拡散防止膜の残膜の膜厚が40nm未満でWet Clean処理を行うと、Cuが消失する。
3)拡散防止膜をビア孔のエッチングストッパ膜として使用する。
2)Viaエッチング後の拡散防止膜の残膜の膜厚が40nm未満でWet Clean処理を行うと、Cuが消失する。
3)拡散防止膜をビア孔のエッチングストッパ膜として使用する。
このような制約があるために、Viaエッチング後に拡散防止膜の残膜が40nmになるように、80nm狙いで拡散防止膜を成膜している。
Cuの拡散防止の機能としては、拡散防止膜の膜厚が30nmあれば問題ないが、上記制約のために、拡散防止膜の膜厚を薄くすることができない。
本発明による半導体装置は、下層配線構造と;下層配線構造を覆う層間絶縁膜であって、下層配線構造の表面まで達するビア孔と、このビア孔に連続して層間絶縁膜の上部に形成されたトレンチとを持つ、層間絶縁膜と;トレンチ及びビア孔に埋め込こんで形成され、Cu配線よりなるデュアルダマシン配線と;を有する半導体装置であって、上記層間絶縁膜は、下層配線構造の表面上に形成された所定の膜厚の拡散防止膜と、この拡散防止膜の表面上に形成された低誘電率膜と、この低誘電率膜の表面上に形成されたシリコン酸化膜と、を含み、ビア孔は、拡散防止膜と低誘電率膜の下部とに形成され、トレンチは、低誘電率膜の上部とシリコン酸化膜とに形成されており、ビア孔の側壁を覆う保護窒化膜を有する、ことを特徴とする。
本発明による半導体装置の製造方法は、下層配線構造を形成する工程と、下層配線構造の表面上に、所定の膜厚の拡散防止膜と低誘電率膜とシリコン酸化膜とを順次成膜して、層間絶縁膜を形成する工程と、下層配線構造の表面まで達するようにエッチングして、層間絶縁膜内にビア孔を形成する工程と、層間絶縁膜の表面、ビア孔の側壁、およびビア孔の底部で露出する下層配線構造の表面上に、保護窒化膜を成膜する工程と、ビア孔を埋めるように反射防止膜を塗布した後、反射防止膜をエッチバックして、保護窒化膜を介してビア孔内に反射防止膜を埋め込む工程と、保護窒化膜、シリコン酸化膜、および低誘電率膜の上部をエッチングして、下層配線構造の表面が露出し、かつ、拡散防止膜および低誘電率膜の下部に形成されたビア孔の側壁にのみ保護窒化膜が残るように、ビア孔に連続するトレンチを形成する工程と、トレンチ及びビア孔を埋め込むようにCuを成膜した後に、シリコン酸化膜の表面上に堆積したCuを化学機械研磨により除去して、トレンチ及びビア孔内に、Cu配線よりなるデュアルダマシン配線を形成する工程と、を含む。
本発明によると、下層配線構造の表面まで達するようにビア孔を形成し、ビア孔の側壁および下層配線構造の表面を保護窒化膜で保護しておき、エッチングによりトレンチを形成する際に、同時に、下層配線構造の表面の保護窒化膜もエッチングしているので、拡散防止膜の膜厚を薄くして、層間容量を減らすことができる、という効果を有する。
[関連技術]
本発明について説明する前に、本発明の理解を容易にするために、図面を参照して、関連技術について詳細に説明する。
本発明について説明する前に、本発明の理解を容易にするために、図面を参照して、関連技術について詳細に説明する。
以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。また、XYZ座標系を設定し、各構成の配置を説明する。この座標系において、Z方向は半導体基板の表面に垂直な方向であり、X方向は半導体基板の表面と水平な面においてZ方向と直交する方向であって、Y方向は半導体基板の表面と水平な面においてX方向と直交する方向である。このように、Y方向とX方向とは、互いに直交している。
図1Aおよび図1Bは、本発明が適用される、関連する半導体装置1の構造を示す図である。図1Aは、半導体装置1を示す平面図である。図1Bは、図1Aの線A−A’についての断面図である。なお、図1Aにおいては、第一配線コンタクト、第1のCu配線、第2のCu配線/プラグのみを図示している。
半導体装置1はプレーナ型トランジスタ2を含む。半導体基板100上において、素子分離領域102に囲まれた活性領域101が配置される。素子分離領域102は溝に埋設した素子分離絶縁膜で構成されている。活性領域101には上記プレーナ型トランジスタ2が構成されている。
活性領域101および素子分離領域102に跨って、Y方向に連続して延在するゲート200が配置されている。
ゲート200は、半導体基板100の上面を覆うゲート絶縁膜201と、ゲート導電膜202と、カバー絶縁膜とから構成される。半導体基板100において、ゲート200に対して自己整合となる位置にSD(ソース/ドレイン)拡散層103を備えた構造になっている。
半導体基板100の、SD拡散層103および素子分離領域102上には、ゲート200を囲むように、第一層間絶縁膜300が設けられている。
第一層間絶縁膜300を貫通して、コンタクトホールが設けられ、このコンタクトホールによって、SD拡散層103に第一配線コンタクト400が接続している。
第一層間絶縁膜300の表面上には、ゲート200を覆う第二層間絶縁膜500と、第一配線コンタクト400に接続された第1のCu配線600とが形成されている。なお、第二層間絶縁膜500は下層絶縁層とも呼ばれ、第1のCu配線600はCu下層配線とも呼ばれる。下層絶縁層とCu下層配線とによって、下層配線構造が構成される。
すなわち、下層配線構造において、第二層間絶縁膜(下層絶縁層)500中に幅の狭い下層配線用溝部が形成され、この下層配線用溝部内に第1のCu配線(Cu下層配線)600が形成されている。
第1のCu配線(Cu下層配線)600上に、第三層間絶縁膜700が堆積されている。第三層間絶縁膜700は、プラズマシリコン窒化膜(p−SiN膜)701と、低誘電率膜(Low−K膜)702と、プラズマシリコン酸化膜(p−SiO膜)703とから構成される。尚、第三層間絶縁膜700は、単に層間絶縁膜とも呼ばれ、プラズマシリコン窒化膜(p−SiN膜)701は拡散防止膜とも呼ばれる。
第三層間絶縁膜700中に、第2のCu配線/プラグ800が形成されている。第2のCu配線/プラグ800は、第2のダマシン・ビア孔801と、第2のダマシン・トレンチ802と、Cu膜802とから構成される。
第2のCu配線/プラグ800の表面に保護絶縁膜900が形成される。保護絶縁膜900は上層絶縁層とも呼ばれる。
次に、図2および図3A〜図3Fを参照して、第三層間絶縁膜700成膜後のデュアルダマシン工程の実験例について説明する。図2は、関連技術(実験例)によるデュアルダマシン工程を示すブロック図である。図3A〜図3Fは、関連技術(実験例)によるデュアルダマシン工程を説明するための、図1BのA部の詳細を示す断面図である。
先ず、第1の工程S101では、図3Aに示されるように、第1のCu配線600上に、膜厚が80nmの拡散防止膜であるp−SiN膜701、膜厚が60nmのLow−K膜702、および膜厚が180nmのp−SiO膜703を順次堆積する。これにより、下層配線構造の表面上に第三層間絶縁膜700が成膜される。
次に、第2の工程S102では、図3Bに示されるように、p−SiO膜703上にレジスト91を形成した後、第三層間絶縁膜700をViaエッチングして第2のダマシン・ビア孔801を形成する。このViaエッチングは、p−SiN膜701内でストップする。その後、レジスト91を除去する。
第3の工程S103では、図3Cに示されるように、SST−A47の薬剤を使用してWet clean処理を行う。
第4の工程S104では、第2のダマシン・ビア孔801を埋め込むように反射防止膜(BARC)を塗布する。
第5の工程S105では、図3Dに示されるように、BARCをエッチバックして、第2のダマシン・ビア孔801内にBARC92を残す。
第6の工程S106では、図3Eに示されるように、トレンチ用のマスク(フォトレジスト)(図示せず)を形成した後、Trenchエッチングして、第2のダマシン・トレンチ802を形成する。これにより、第1のCu膜600の表面が露出する。
第2のダマシン・ビア孔801は、p−SiN膜701とLow−K膜702の下部とに形成され、第2のダマシン・トレンチ802は、Low−K膜702の上部とp−SiO膜703とに形成される。
第7の工程S107では、電解メッキでCu膜803を成膜する。
最後に、第8の工程S108では、p−SiO膜703の表面上に堆積したCuを、化学機械研磨(CMP)により除去する。これにより、Cu膜803から成るデュアルダマシン配線(第2のCu配線/プラグ)800が形成される。
尚、その後は、図1Bに示されるように、第2のCu配線/プラグ800の表面に保護絶縁膜900が形成される。
次に、図4Aおよび図4Bを参照して、関連技術(実験例)によるデュアルダマシン工程における問題点について説明する。
図4Aは、図3BにおけるViaエッチング工程(図2の工程S102)後の残p−SiN膜701の膜厚tが40nm未満の場合を示す断面図である。この状態で、図3CにおけるWet Clean処理(図2の工程S103)を行うと、図4AのD1で示されるように、Cuが消失してしまう。
図4Bは、図3BにおけるViaエッチング工程(図2の工程S102)後にp−SiN膜701を残さない場合を示す断面図である。このように、Viaエッチング後に第1のCu配線600が露出したままにしておくと、図4BのD2で示されるように、Cu酸化被膜が形成される。その結果、コンタクト抵抗が上昇してしまう。
そのため、関連技術(実験例)によるデュアルダマシン工程では、p−SiN膜701をビア孔のエッチングストッパ膜として使用する必要がある。
このような制約があるため、関連技術(実験例)によるデュアルダマシン工程においては、Viaエッチング後のp−SiN残膜の膜厚が40nmになるように、80nm狙いでp−SiN膜701を成膜している。
その結果、p−SiN膜701の膜厚を薄くことができず、層間容量を減らすことができない。
次に、図5および図6A〜図6Fを参照して、本発明の第1の実施例に係る、第三層間絶縁膜700成膜後のデュアルダマシン工程について説明する。図5は、本発明の第1の実施例によるデュアルダマシン工程を示すブロック図である。図6A〜図6Fは、本発明の第1の実施例によるデュアルダマシン工程を説明するための、図1BのA部の詳細を示す断面図である。
先ず、第1の工程S201では、図6Aに示されるように、第1のCu配線600上に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)により、膜厚が30nmの拡散防止膜であるp−SiN膜701、膜厚が600nmのLow−K膜702、および膜厚が180nmのp−SiO膜703を順次堆積する。これにより、下層配線構造の表面上に第三層間絶縁膜700が成膜される。
尚、本第1の実施例では、上述した関連技術(実験例)とは異なり、拡散防止膜であるp−SiN膜701の膜厚を30nmのように薄くしていることに注意されたい。このように、p−SiN膜701の膜厚を薄くしたので、層間容量を減らすことができる。
次に、第2の工程S202では、図6Bに示されるように、p−SiO膜703上にレジスト91を形成した後、第三層間絶縁膜700をViaエッチングして第2のダマシン・ビア孔801を形成する。このViaエッチングでは、上述した関連技術(実験例)とは異なり、p−SiN膜701を抜き、第1のCu配線600の表面を露出させている。その後、レジスト91を除去する。
このように、本第1の実施例では、上述した関連技術(実験例)とは異なり、Viaエッチングでp−SiN膜701を抜く(第1のCu配線600の表面を露出させる)ので、p−SiN膜701を第2のダマシン・ビア孔801のエッチングストッパ膜として使用しない。
第3の工程S203では、SST−A47の薬剤を使用してWet Clean処理を行う。
上述したように、Viaエッチングでp−SiN膜701を抜いているので、Wet Clean処理でCuは消失しない。その結果、p−SiN残膜の膜厚を40nm以上確保する必要がなくなる。
次に、第4の工程S204では、図6Cに示されるように、第1のCu配線600の表面、第2のダマシン・ビア孔801の側壁、およびp−SiO膜703の表面を覆うように、温度400℃の条件で、膜厚が30nmの保護窒化膜704を成膜する。図示の例では、保護窒化膜704は、ALD(Atomic Layer Deposition)−SiN膜から成る。
このように、第1のCu配線600の表面は、保護窒化膜704で保護されるので、酸化しない。
第5の工程S205では、第2のダマシン・ビア孔801を埋め込むように反射防止膜(BARC)を塗布する。
第6の工程S206では、図6Dに示されるように、BARCをエッチバックして、第2のダマシン・ビア孔801内にBARC92を残す。
次に、第7の工程S207では、図6Eに示されるように、トレンチ用のマスク(フォトレジスト)(図示せず)を形成した後、所定の条件(圧力:125mT、RFパワー:1000W/500W、流量:200sccm/100sccm)で、プロセスガスとしてCH4/CHF3を導入して、ALD−SiN膜704、p−SiO膜703、およびLow−K膜704をTrenchエッチングして、第2のダマシン・トレンチ802を形成する。これにより、第1のCu膜600の表面が露出する。
第2のダマシン・ビア孔801は、p−SiN膜701とLow−K膜702の下部に形成される。第2のダマシン・トレンチ802は、Low−K膜702の上部とp−SiO膜703に形成される。第2のダマシン・ビア孔801の側壁にのみ、保護窒化膜704が残る。
次に、第8の工程S208では、電解メッキでCu膜803を成膜する。
最後に、第9の工程S209では、p−SiO膜703表面上に堆積したCuを、化学機械研磨(CMP)により除去する。これにより、Cu膜803から成るデュアルダマシン配線(第2のCu配線/プラグ)800が形成される。
尚、その後は、図1Bに示されるように、第2のCu配線/プラグ800の表面に保護絶縁膜900が形成される。
上述したことから明らかなように、本第1の実施例では、p−SiN膜701の膜厚の制約をなくすことができる。その結果、p−SiN膜701の膜厚を30nmにすることができ、層間容量を減らすことができる。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は、上記の実施例に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
1 半導体装置
2 プレーナ型トランジスタ
91 レジスト
92 反射防止膜(BARC)
100 半導体基板
101 活性領域
102 素子分離領域
103 SD(ソース/ドレイン)拡散層
200 ゲート
201 ゲート絶縁膜
202 ゲート導電膜
203 カバー絶縁膜
300 第一層間絶縁膜
400 第一配線コンタクト
500 第二層間絶縁膜(下地絶縁層)
600 第1のCu配線(Cu下地配線)
700 第三層間絶縁膜(層間絶縁膜)
701 プラズマシリコン窒化膜(p−SiN膜)
702 低誘電率膜(Low−K膜)
703 プラズマシリコン酸化膜(p−SiO膜)
704 保護窒化膜(ALD−SiN膜)
800 第2のCu配線/プラグ
801 第2のダマシン・ビア孔
802 第2のダマシン・トレンチ
803 Cu膜
900 保護絶縁膜(上層絶縁層)
2 プレーナ型トランジスタ
91 レジスト
92 反射防止膜(BARC)
100 半導体基板
101 活性領域
102 素子分離領域
103 SD(ソース/ドレイン)拡散層
200 ゲート
201 ゲート絶縁膜
202 ゲート導電膜
203 カバー絶縁膜
300 第一層間絶縁膜
400 第一配線コンタクト
500 第二層間絶縁膜(下地絶縁層)
600 第1のCu配線(Cu下地配線)
700 第三層間絶縁膜(層間絶縁膜)
701 プラズマシリコン窒化膜(p−SiN膜)
702 低誘電率膜(Low−K膜)
703 プラズマシリコン酸化膜(p−SiO膜)
704 保護窒化膜(ALD−SiN膜)
800 第2のCu配線/プラグ
801 第2のダマシン・ビア孔
802 第2のダマシン・トレンチ
803 Cu膜
900 保護絶縁膜(上層絶縁層)
Claims (11)
- 下層配線構造と、
前記下層配線構造を覆う層間絶縁膜であって、前記下層配線構造の表面まで達するビア孔と、該ビア孔に連続して前記層間絶縁膜の上部に形成されたトレンチとを持つ、前記層間絶縁膜と、
前記トレンチ及び前記ビア孔に埋め込こんで形成され、Cu配線よりなるデュアルダマシン配線と、
を有する半導体装置であって、
前記層間絶縁膜は、前記下層配線構造の表面上に形成された所定の膜厚の拡散防止膜と、該拡散防止膜の表面上に形成された低誘電率膜と、該低誘電率膜の表面上に形成されたシリコン酸化膜と、を含み、
前記ビア孔は、前記拡散防止膜と前記低誘電率膜の下部とに形成され、前記トレンチは、前記低誘電率膜の上部と前記シリコン酸化膜とに形成されており、
前記ビア孔の側壁を覆う保護窒化膜を有する、ことを特徴とする、半導体装置。 - 前記所定の膜厚が40nm未満である、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記所定の膜厚が実質的に30nmに等しい、請求項2に記載の半導体装置。
- 前記拡散防止膜がシリコン窒化膜から成る、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記保護窒化膜がALD−SiN膜から成る、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 下層配線構造を形成する工程と、
前記下層配線構造の表面上に、所定の膜厚の拡散防止膜と低誘電率膜とシリコン酸化膜とを順次成膜して、層間絶縁膜を形成する工程と、
前記下層配線構造の表面まで達するようにエッチングして、前記層間絶縁膜内にビア孔を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の表面、前記ビア孔の側壁、および前記ビア孔の底部で露出する前記下層配線構造の表面上に、保護窒化膜を成膜する工程と、
前記ビア孔を埋めるように反射防止膜を塗布した後、前記反射防止膜をエッチバックして、前記保護窒化膜を介して前記ビア孔内に前記反射防止膜を埋め込む工程と、
前記保護窒化膜、前記シリコン酸化膜、および前記低誘電率膜の上部をエッチングして、前記下層配線構造の表面が露出し、かつ、前記拡散防止膜および前記低誘電率膜の下部に形成された前記ビア孔の側壁にのみ前記保護窒化膜が残るように、前記ビア孔に連続するトレンチを形成する工程と、
前記トレンチ及び前記ビア孔を埋め込むようにCuを成膜した後に、前記シリコン酸化膜の表面上に堆積した前記Cuを化学機械研磨により除去して、前記トレンチ及び前記ビア孔内に、Cu配線よりなるデュアルダマシン配線を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 - 前記ビア孔を形成した後で、前記保護窒化膜を成膜する前に、Wet Clean処理をする工程を更に含む、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記所定の膜厚が40nm未満である、請求項6又は7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記所定の膜厚が実質的に30nmに等しい、請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記拡散防止膜を成膜する工程が、プラズマCVDによりプラズマシリコン窒化膜を形成する工程からなる、請求項6乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記保護窒化膜を形成する工程が、原子層堆積(ALD)法によりALD−SiN膜を形成する工程から成る、請求項6乃至10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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JP2012271666A Pending JP2014116556A (ja) | 2012-12-12 | 2012-12-12 | 半導体装置およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2014116556A (ja) |
-
2012
- 2012-12-12 JP JP2012271666A patent/JP2014116556A/ja active Pending
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