JP2016139718A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】寄生容量をより低減することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置1は、半導体層11に設けられ、ゲート電極15、ソース電極13、及びドレイン電極14を備えるFET16と、半導体層11上に設けられた絶縁層20と、絶縁層20上に設けられ、ゲート電極15に接続されたフィールドプレート電極21と、フィールドプレート電極21上に設けられた絶縁層25と、絶縁層25上に設けられ、ソース電極13に接続されたフィールドプレート電極26とを含む。フィールドプレート電極26は、開口部を空けて配置された電極26A及び26Bを備える。【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に係り、化合物半導体を用いた半導体装置に関する。
電界効果トランジスタ(FET:field effect transistor)の電界緩和技術として、フィールドプレート電極が知られている。ゲート電極を覆うようにしてフィールドプレート電極を形成することで、ゲート電極近傍の電界集中を緩和し、その結果、FETの耐圧を向上することができる。
しかしながら、フィールドプレート構造を採用すると、寄生容量が大きくなる。このため、FETの高速動作とって不利となる。
特開2014−72379号公報
実施形態は、寄生容量をより低減することが可能な半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、半導体層に設けられ、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を備えるFETと、前記半導体層上に設けられた第1絶縁層と、前記第1絶縁層上に設けられ、前記ゲート電極及び前記ソース電極のうち一つに接続された第1フィールドプレート電極と、前記第1フィールドプレート電極上に設けられた第2絶縁層と、前記第2絶縁層上に設けられ、前記ゲート電極及び前記ソース電極のうち他の一つに接続された第2フィールドプレート電極とを具備する。前記第2フィールドプレート電極は、開口部を空けて配置された第1及び第2電極部分を備える。
第1実施形態に係る半導体装置の平面図。 図1に示したA−A´線に沿った半導体装置の断面図。 図1に示したB−B´線に沿った半導体装置の断面図。 第2実施形態に係る半導体装置の平面図。 図4に示したA−A´線に沿った半導体装置の断面図。 第3実施形態に係る半導体装置の平面図。 図6に示したA−A´線に沿った半導体装置の断面図。 図6に示したB−B´線に沿った半導体装置の断面図。 第4実施形態に係る半導体装置の平面図。 図9に示したA−A´線に沿った半導体装置の断面図。 図9に示したB−B´線に沿った半導体装置の断面図。
以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らない。以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
[第1実施形態]
半導体装置1は、電界効果トランジスタ(FET)を備える。本実施形態では、FETとして、高電子移動度トランジスタ(HEMT:high electron mobility transistor)を例に挙げて説明する。また、化合物半導体として窒化物半導体を用いたHEMTを例に挙げて説明する。
図1は、第1実施形態に係る半導体装置1の平面図である。図2は、図1に示したA−A´線に沿った半導体装置1の断面図である。図3は、図1に示したB−B´線に沿った半導体装置1の断面図である。なお、図1には、1つのソース電極と、これを共有する2つのHEMTを抽出して示している。実際には、ソース電極及びドレイン電極を交互に共有するようにして、複数のHEMTが設けられる。
基板10は、例えば、(111)面を主面とするシリコン(Si)基板から構成される。基板10としては、炭化シリコン(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ガリウムリン(GaP)、インジウムリン(InP)、ガリウム砒素(GaAs)、又はサファイア(Al)などを用いても良い。
窒化物半導体層11は、例えば、バッファ層11A、チャネル層11B、及びバリア層11Cの3層が積層されて構成される。窒化物半導体層11には、アクティブ領域17が設けられ、半導体装置1が備える複数のHEMTは、アクティブ領域17内に設けられる。アクティブ領域17は、キャリアが活性化された領域である。具体的には、窒化物半導体層のうちアクティブ領域以外の領域(素子分離領域)に、不純物元素(アルゴン(Ar)、窒素(N)、又は炭素(C)など)をドープすることで、窒化物半導体の結晶構造を破壊又は劣化させ、素子分離領域のキャリアを不活性化させる。このようにして、半導体装置1には、アクティブ領域17が形成される。
バッファ層11Aは、基板10上に設けられる。バッファ層11Aは、バッファ層11A上に形成される窒化物半導体層の格子定数と、基板10の格子定数との相違によって生じる歪みを緩和するとともに、バッファ層11A上に形成される窒化物半導体層の結晶性を制御する機能を有する。バッファ層11Aは、例えば、AlGa1−XN(0≦X≦1)から構成される。バッファ層11Aは、組成比が異なる複数のAlGa1−XNを積層して構成しても良い。バッファ層11Aを積層構造で構成する場合、この積層構造に含まれる複数の層の格子定数が、バッファ層11Aを挟む上下の層のうち下層の格子定数から上層の格子定数に向かって変化するように、積層構造の組成比を調整する。
チャネル層11Bは、バッファ層11A上に設けられる。チャネル層11Bは、トランジスタのチャネル(電流経路)が形成される層である。チャネル層11Bは、AlInGa1−(X+Y)N(0≦X<1、0≦Y<1、0≦X+Y<1)から構成される。チャネル層11Bは、チャネル層11Bは、例えばアンドープ層であり、かつ結晶性が良好な(高品質な)窒化物半導体から構成される。アンドープとは、意図的に不純物をドープしないことをいい、例えば、製造過程等で入り込む程度の不純物量はアンドープの範疇である。本実施形態では、チャネル層11Bは、アンドープのGaN(真性GaNともいう)から構成される。
バリア層11Cは、チャネル層11B上に設けられる。バリア層11Cは、AlInGa1−(X+Y)N(0≦X<1、0≦Y<1、0≦X+Y<1)から構成される。バリア層11Cは、チャネル層11Bのバンドギャップより大きい窒化物半導体から構成される。本実施形態では、バリア層11Cは、例えば、アンドープのAlGaNから構成される。
なお、半導体装置1を構成する複数の半導体層は、例えば、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法を用いたエピタキシャル成長により順次形成される。すなわち、半導体装置1を構成する複数の半導体層は、エピタキシャル層から構成される。
ソース電極13及びドレイン電極14は、バリア層11C上に互いに離間して設けられる。ソース電極13及びドレイン電極14の各々は、Y方向に延在し、アクティブ領域17をY方向に横切る。ソース電極13とバリア層11Cとは、オーミック接触している。同様に、ドレイン電極14とバリア層11Cとは、オーミック接触している。すなわち、ソース電極13及びドレイン電極14の各々は、バリア層11Cとオーミック接触する材料を含むように構成される。ソース電極13及びドレイン電極14としては、例えば、Al/Tiの積層構造が用いられる。”/”の左側が上層、右側が下層を表している。
バリア層11C上かつソース電極13及びドレイン電極14間には、ゲート絶縁膜12が設けられる。ゲート絶縁膜12上には、ゲート電極15が設けられる。ゲート−ドレイン間の耐圧を向上させるために、ゲート電極15及びドレイン電極14間の距離は、ゲート電極15及びソース電極13間の距離より長く設定される。ゲート電極15は、Y方向に延在し、アクティブ領域17をY方向に横切る。ゲート絶縁膜12としては、例えば、シリコン酸化物(SiO)、シリコン窒化物(SiN)、又は窒化アルミニウム(AlN)などが用いられる。ゲート電極15としては、例えば、ニッケル(Ni)、又はチタン(Ti)などが用いられる。
HEMT16は、ソース電極13、ドレイン電極14、ゲート電極15、ゲート絶縁膜12、及び窒化物半導体層11の一部から構成される。本実施形態のHEMTは、MIS(metal insulator semiconductor)型HEMTである。なお、MIS型HEMTに限定されず、ゲート絶縁膜12を介在させずにゲート電極15とバリア層11Cとをショットキー接合させて構成したショットキー障壁型HEMTであっても良い。また、接合型ゲート構造をHEMTに適用しても良い。接合型ゲート構造は、バリア層11C上に、p型窒化物半導体層(例えばGaN層)を設け、このp型窒化物半導体層上にゲート電極15を設けるようにして構成される。
チャネル層11Bとバリア層11Cとのヘテロ接合構造において、バリア層11Cの方がチャネル層11Bよりも格子定数が小さいことから、バリア層11Cに歪みが生じる。この歪みに起因するピエゾ効果によりバリア層11C内にピエゾ分極が生じ、チャネル層11Bにおけるバリア層11Cとの界面付近に2次元電子ガス(2DEG: two-dimensional electron gas)が発生する。この2次元電子ガスが、ソース電極13及びドレイン電極14間のチャネルとなる。そして、ゲート電極15に印加されるゲート電圧に応じて、チャネル層11Bに印加される電界が制御され、ドレイン電流の制御が可能となる。
(フィールドプレート電極の構成)
半導体装置1は、ゲート電極15に電気的に接続されたフィールドプレート電極(ゲートフィールドプレート電極)と、ソース電極13に電気的に接続されたフィールドプレート電極(ソースフィールドプレート電極)とを備える。すなわち、半導体装置1は、いわゆるダブルフィールドプレート構造を有する。
以下に、フィールドプレート電極の詳細について説明する。なお、以下では、1つのHEMT16に接続されるフィールドプレート電極について説明するが、この説明は、他の複数のHEMTにも適用される。
ゲート電極15及びゲート絶縁膜12上には、層間絶縁層20が設けられる。層間絶縁層20としては、シリコン酸化物(SiO)、シリコン窒化物(SiN)、又は高誘電率膜(high-k膜)などが用いられる。high-k膜としては、酸化ハフニウム(HfO)などが挙げられる。
層間絶縁層20上には、ゲートフィールドプレート電極21が設けられる。ゲートフィールドプレート電極21は、コンタクト22を介してゲート電極15に電気的に接続される。コンタクト22は、ゲートフィールドプレート電極21とゲート電極15とを電気的に接続する機能を果たしていれば良く、コンタクト22の構成及び配置については任意に設計可能である。コンタクト22は、アクティブ領域17外のみに配置しても良いし、アクティブ領域17内のみに配置しても良いし、アクティブ領域17内及びアクティブ領域17外の両方に配置しても良い。さらに、柱状の複数のコンタクト22を設けても良いし、ライン状のコンタクト22を設けても良い。
ゲートフィールドプレート電極21は、Y方向に延在し、アクティブ領域17をY方向に横切る。また、ゲートフィールドプレート電極21は、ゲート電極15のX方向(Y方向に直交する方向)における両端を覆いつつ、ドレイン電極14に向かって張り出している。ゲートフィールドプレート電極21のX方向における幅は、ゲート電極15のX方向における幅より大きく設定される。ゲートフィールドプレート電極21は、X方向に延在する電極23に電気的に接続される。電極23は、ゲート用の電極パッド24に電気的に接続される。
ゲートフィールドプレート電極21及び層間絶縁層20上には、層間絶縁層25が設けられる。層間絶縁層25としては、シリコン酸化物(SiO)、シリコン窒化物(SiN)、又は高誘電率膜(high-k膜)などが用いられる。
層間絶縁層25上には、ソースフィールドプレート電極26(26A、26B、26C)が設けられる。ソースフィールドプレート電極26は、コンタクト28を介してソース電極13に電気的に接続される。また、ソースフィールドプレート電極26は、ソース用の電極パッド29に電気的に接続される。
ソースフィールドプレート電極26は、アクティブ領域17において、電極26A及び電極26Bに分割される。電極26A及び電極26Bはそれぞれ、Y方向に延在し、アクティブ領域17をY方向に横切る。本実施形態では、電極26A及び電極26Bは、Y方向の端部において電極26Cによって電気的に接続される。電極26A及び電極26Bは、開口部27を空けて配置される。なお、電極26Cを形成せずに、ソースフィールドプレート電極26を櫛形にしても良い。すなわち、櫛形を有するソースフィールドプレート電極26は、電極パッド29からそれぞれがY方向に延在する電極26A及び電極26Bを含むように構成される。
ソースフィールドプレート電極26のX方向における端部は、ゲートフィールドプレート電極21のX方向における端部よりドレイン電極14側に配置される。ソースフィールドプレート電極26の開口部27は、ゲートフィールドプレート電極21の上方に設けられる。
本実施形態では、平面視において、ソースフィールドプレート電極26とゲートフィールドプレート電極21との重なり領域を減らす。すなわち、ソースフィールドプレート電極26は、アクティブ領域17において、ゲートフィールドプレート電極21の端部にのみ重なるように形成される。電極26Aの端は、ゲートフィールドプレート電極21の端(ソース電極13側)よりドレイン電極14側に配置される。電極26Bの端(ソース電極13側)は、ゲートフィールドプレート電極21の端(ドレイン電極14側)よりソース電極13側に配置される。電極26Bは、ゲートフィールドプレート電極21の端部からドレイン電極14側に張り出している。
ドレイン電極14上には、コンタクト31を介して電極30が設けられる。電極30は、Y方向に延在し、アクティブ領域17をY方向に横切る。電極30は、ドレイン用の電極パッド32に電気的に接続される。
層間絶縁層20、ソースフィールドプレート電極26、及び電極30上には、保護層33が設けられる。保護層33は、パッシベーション層とも呼ばれる。保護層33は、絶縁体から構成され、シリコン窒化物(SiN)、又はシリコン酸化物(SiO)などが用いられる。
(効果)
以上詳述したように第1実施形態では、半導体装置1は、ゲート電極15に電気的に接続されたゲートフィールドプレート電極21と、ソース電極13に電気的に接続されかつゲートフィールドプレート電極21の上方に配置されたソースフィールドプレート電極26とを備える。ソースフィールドプレート電極26は、開口部27を空けて配置された電極26A及び電極26Bを備える。そして、開口部27は、ゲートフィールドプレート電極21の上方に配置される。
従って第1実施形態によれば、ゲートフィールドプレート電極21とソースフィールドプレート電極26との重なり領域の面積を低減することができる。これにより、フィールドプレート電極に起因した寄生容量を低減することができる。よって、半導体装置1の高速動作が可能となる。
ゲート電極近傍、及び窒化物半導体層の上面に電界が集中する傾向がある。特に、ゲート電極のドレイン電極側の端部に電界が集中する傾向がある。しかし、本実施形態では、ゲート電極15をゲートフィールドプレート電極21が覆っているため、ゲート電極15近傍における電界集中が緩和され、半導体装置1の耐圧を向上させることができる。
また、ソースフィールドプレート電極26に含まれる電極26A及び電極26Bの端部は、ゲートフィールドプレート電極21の端部の上方に配置される。これにより、フィールドプレート電極の端に対応する電界集中ポイントの数を低減できる。これにより、半導体装置1の耐圧を向上することができる。
[第2実施形態]
第2実施形態では、アクティブ領域17において、ソースフィールドプレート電極26を2つの電極に分割しつつ、ソースフィールドプレート電極26とゲートフィールドプレート電極21とが重ならないようにしている。
図4は、第2実施形態に係る半導体装置1の平面図である。図5は、図4に示したA−A´線に沿った半導体装置1の断面図である。図4に示したB−B´線に沿った半導体装置1の断面図は、図3と同じである。
ソースフィールドプレート電極26は、アクティブ領域17において、ゲートフィールドプレート電極21と重ならないように構成される。具体的には、電極26Aの端は、ゲートフィールドプレート電極21の端(ソース電極13側)よりソース電極13側に配置される。電極26Bの端(ソース電極13側)は、ゲートフィールドプレート電極21の端(ドレイン電極14側)よりドレイン電極14側に配置される。その他の構成は、第1実施形態と同じである。
第2実施形態によれば、フィールドプレート電極に起因した寄生容量を第1実施形態に比べてより低減することができる。また、フィールドプレート電極に起因した電界集中ポイントが増えるため、各電界集中ポイントのピーク電界を低減できる。これにより、半導体装置1の耐圧を向上させることができる。その他の効果は、第1実施形態と同じである。
[第3実施形態]
第3実施形態では、ソースフィールドプレート電極を平面状に形成し、一方、ゲートフィールドプレート電極を分割して構成するようにしている。
図6は、第3実施形態に係る半導体装置1の平面図である。図7は、図6に示したA−A´線に沿った半導体装置1の断面図である。図8は、図6に示したB−B´線に沿った半導体装置1の断面図である。
ゲートフィールドプレート電極21は、アクティブ領域17において、電極21A及び電極21Bに分割される。電極21A及び電極21Bはそれぞれ、Y方向に延在し、アクティブ領域17をY方向に横切る。本実施形態では、電極21A及び電極21Bは、Y方向の端部において電極21Cによって電気的に接続される。電極21A及び電極21Bは、開口部40を空けて配置される。なお、電極21Cを形成せずに、ゲートフィールドプレート電極21を櫛形にしても良い。すなわち、櫛形を有するゲートフィールドプレート電極21は、電極23からそれぞれがY方向に延在する電極21A及び電極21Bを含むように構成される。
ソースフィールドプレート電極26は、複数の電極に分割されず、平面状に形成される。ソースフィールドプレート電極26は、ゲートフィールドプレート電極21を覆うように構成される。すなわち、ソースフィールドプレート電極26の端は、ゲートフィールドプレート電極21の端(ドレイン電極14側)よりドレイン電極14側に配置される。
以上詳述したように第3実施形態では、ゲートフィールドプレート電極21を複数の電極に分割している。これにより、ゲートフィールドプレート電極21とソースフィールドプレート電極26との重なり領域の面積を減らすことができる。よって、フィールドプレート電極に起因した寄生容量を低減することができる。
ゲートフィールドプレート電極21を構成する電極21Aと電極21Bとの間隔は、適宜設定可能であるが、容量を低減するという観点からは、電極21Aと電極21Bとの間隔は、より大きい方が望ましい。電極21Aと電極21Bとの間隔を大きくすることで、ゲートフィールドプレート電極21とソースフィールドプレート電極26との重なり領域の面積を減らすことができる。
[第4実施形態]
第4実施形態は、ゲートフィールドプレート電極及びソースフィールドプレート電極の両方を分割することで、より寄生容量を低減するようにしている。
図9は、第4実施形態に係る半導体装置1の平面図である。図10は、図9に示したA−A´線に沿った半導体装置1の断面図である。図11は、図9に示したB−B´線に沿った半導体装置1の断面図である。
ゲートフィールドプレート電極21の構成は、第3実施形態と同じである。すなわち、ゲートフィールドプレート電極21は、アクティブ領域17において、電極21A及び電極21Bに分割される。
ソースフィールドプレート電極26は、アクティブ領域17において、ゲートフィールドプレート電極21の端部にのみ重なるように形成される。具体的には、ソースフィールドプレート電極26は、電極26A、電極26B、及び電極26Dに分割される。電極26A、電極26B、及び電極26Dはそれぞれ、Y方向に延在し、アクティブ領域17をY方向に横切る。本実施形態では、電極26A、電極26B、及び電極26Dは、Y方向の端部において電極26Cによって電気的に接続される。
電極26A及び電極26Dは、開口部27Aを空けて配置され、電極26D及び電極26Bは、開口部27Bを空けて配置される。開口部27Aは、ゲート用の電極21Aの上方に設けられる。開口部27Bは、ゲート用の電極21Bの上方に設けられる。
第1実施形態と同様に、ソース用の電極26Aとゲート用の電極21Aとは、端部が重なるように配置される。ソース用の電極26Dの両端部はそれぞれ、ゲート用の電極21A及び電極21Bの端部と重なるように配置される。ソース用の電極26Bの端部は、ゲート用の電極21Bの端部と重なるように配置される。
なお、第2実施形態と同様に、ソースフィールドプレート電極26は、アクティブ領域17において、ゲートフィールドプレート電極21と重ならないように構成しても良い。
また、電極26Cを形成せずに、ソースフィールドプレート電極26を櫛形にしても良い。すなわち、櫛形を有するソースフィールドプレート電極26は、電極パッド29からそれぞれがY方向に延在する電極26A、電極26B、及び電極26Dを含むように構成される。
以上詳述したように第4実施形態によれば、ゲートフィールドプレート電極21とソースフィールドプレート電極26との重なり領域の面積をより低減することができる。これにより、フィールドプレート電極に起因した寄生容量をより低減することができる。
なお、ソースフィールドプレート電極を分割する電極の数は、上記実施形態に限定されず、さらに多くの電極に分割しても良い。同様に、ゲートフィールドプレート電極をさらに多くの電極に分割しても良い。
また、上記実施形態では、ゲートフィールドプレート電極を下側、ソースフィールドプレート電極を上側に配置しているが、これに限定されず、ゲートフィールドプレート電極とソースフィールドプレート電極との配置を逆(すなわち、ゲートフィールドプレート電極を上側、ソースフィールドプレート電極を下側)にしても良い。
本願明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。また、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に他の層が挿入されて設けられる場合も含む。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…半導体装置、10…基板、11…窒化物半導体層、11A…バッファ層、11B…チャネル層、11C…バリア層、12…ゲート絶縁膜、13…ソース電極、14…ドレイン電極、15…ゲート電極、17…アクティブ領域、20,25…層間絶縁層、21…ゲートフィールドプレート電極、22,28,31…コンタクト、23,30…電極、24,29,32…電極パッド、26…ソースフィールドプレート電極、27,40…開口部、33…保護層

Claims (8)

  1. 半導体層に設けられ、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を備えるFETと、
    前記半導体層上に設けられた第1絶縁層と、
    前記第1絶縁層上に設けられ、前記ゲート電極及び前記ソース電極のうち一つに接続された第1フィールドプレート電極と、
    前記第1フィールドプレート電極上に設けられた第2絶縁層と、
    前記第2絶縁層上に設けられ、前記ゲート電極及び前記ソース電極のうち他の一つに接続された第2フィールドプレート電極と、
    を具備し、
    前記第2フィールドプレート電極は、開口部を空けて配置された第1及び第2電極部分を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1フィールドプレート電極は、前記ゲート電極に接続され、
    前記第2フィールドプレート電極は、前記ソース電極に接続されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記開口部は、前記第1フィールドプレート電極の上方に配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1及び第2電極部分は、前記第1フィールドプレート電極と部分的に重なることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第1及び第2電極部分は、前記第1フィールドプレート電極と重ならないことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記第1フィールドプレート電極は、開口部を空けて配置された第3及び第4電極部分を備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 半導体層に設けられ、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を備えるFETと、
    前記半導体層上に設けられた第1絶縁層と、
    第1方向に延びるようにして前記第1絶縁層上に設けられ、前記ゲート電極及び前記ソース電極のうち一つに接続された第1フィールドプレート電極と、
    前記第1フィールドプレート電極上に設けられた第2絶縁層と、
    前記第1方向に延びるようにして前記第2絶縁層上に設けられ、前記ゲート電極及び前記ソース電極のうち他の一つに接続された第2フィールドプレート電極と、
    を具備し、
    前記第1フィールドプレート電極は、開口部を空けて配置された第1及び第2電極部分を備えることを特徴とする半導体装置。
  8. 前記第2フィールドプレート電極の幅は、前記第1フィールドプレート電極の幅より大きいことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体装置。
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