JP2018116971A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化アルミニウムガリウム層の厚さおよびアルミニウムの組成比のばらつきを抑制し、かつリーク電流を低減すること。
【解決手段】本発明は、基板の一方側から前記一方側とは反対の側に原料ガスを供給し、前記基板上に第１窒化ガリウム層、第２窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層の順にＭＯＣＶＤ法を用いて成長する半導体基板の製造方法であって、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記基板の前記他方側の温度よりも高く、前記一方側の温度と前記他方側の温度の差は、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の差より小さく、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程及び前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記他方側の温度よりも高い半導体基板の製造方法である。
【選択図】図９

Description

本件は半導体基板の製造方法に関する。

半導体基板は、基板の上に半導体層をエピタキシャル成長することで形成される。例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、基板上に核生成層をエピタキシャル成長し、核生成層の上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長する（例えば特許文献１および２参照）。こうした半導体基板に例えばソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を設けることで、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）が形成される。

特開２００５−７２１９６号公報 特開２０００−２９４５３８号公報

しかし、窒化物半導体層の厚さおよび組成が面内で不均一になることがある。例えば窒化アルミニウム（ＡｌＧａＮ）層の厚さおよびＡｌ組成比に不均一が生じる。この結果、半導体装置の特性がばらついてしまう。厚さおよびＡｌ組成比のばらつきを小さくするために、成長温度を面内で不均一にすることが考えられる。しかしこの場合、リーク電流が増大する。このように、ＡｌＧａＮ層の厚さおよびＡｌ組成比のばらつきの抑制とリーク電流の低減とを両立することは困難であった。

本願発明は、上記課題に鑑み、窒化アルミニウムガリウム層の厚さおよびアルミニウムの組成比のばらつきを抑制し、かつリーク電流を低減することが可能な半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態は、基板の一方側から前記一方側とは反対の側に原料ガスを供給し、前記基板上に第１窒化ガリウム層、第２窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層の順にＭＯＣＶＤ法を用いて成長する半導体基板の製造方法であって、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記基板の前記他方側の温度よりも高く、前記一方側の温度と前記他方側の温度の差は、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の差より小さく、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程及び前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記他方側の温度よりも高い半導体基板の製造方法である。

本半導体基板の製造方法によれば、窒化アルミニウムガリウム層の厚さおよびアルミニウムの組成比のばらつきを抑制し、かつリーク電流を低減することができる。

図１は半導体装置を例示する断面図である。 図２（ａ）は半導体基板の製造に用いるＭＯＣＶＤ装置のサセプタの平面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）の線Ａ−Ａに沿った断面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は半導体装置の製造方法を例示する断面図である。 図４（ａ）は電子供給層の厚さの測定結果を示す図である。図４（ｂ）は電子供給層におけるＡｌ組成比の測定結果を示す図である。 図５（ａ）はリーク電流の測定結果を示す図である。図５（ｂ）はＧａＮ層におけるＣ濃度の測定結果である。 図６は実施例１に係る半導体装置を例示する断面図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は半導体装置の製造方法を例示する断面図である。 図８（ａ）は電子供給層の厚さの測定結果を示す図である。図８（ｂ）は電子供給層におけるＡｌ組成比の測定結果を示す図である。 図９はリーク電流の測定結果を示す図である。

本発明の一形態は、（１）基板の一方側から前記一方側とは反対の側に原料ガスを供給し、前記基板上に第１窒化ガリウム層、第２窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層の順にＭＯＣＶＤ法を用いて成長する半導体基板の製造方法であって、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記基板の前記他方側の温度よりも高く、前記一方側の温度と前記他方側の温度の差は、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の差より小さく、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程及び前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記他方側の温度よりも高い半導体基板の製造方法である。窒化アルミニウムガリウム層の成長工程において、一方側の成長温度が高いことで窒化ガリウムの昇華が促進される。これによりアルミニウム組成比および厚さが均一な窒化アルミニウムガリウム層を形成することができる。また、他方側の成長温度が一方側の成長温度より低いため、炭素の取り込みが促進され、第２窒化ガリウム層の炭素濃度が高くなる。この結果、リーク電流を低減することができる。
（２）前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における、前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の平均温度は、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記基板の前記他方側の温度の平均温度より低くすることができる。これにより第２窒化ガリウム層の炭素濃度を高め、リーク電流を低減することができる。第１窒化ガリウム層の成長温度が高いため、炭素の濃度が過剰に高くなりにくい。したがって電流ドリフトを抑制することができ、またピットの発生を抑制することができる。
（３）前記第２窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記一方側の温度を、前記第１窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記一方側の温度に維持し、前記基板の前記他方側の温度を、前記第１窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記他方側の温度より低くすることができる。これにより第２窒化ガリウム層の炭素濃度を高め、リーク電流を低減することができる。また電流ドリフトおよびピットの発生を抑制することができる。
（４）前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度を、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度よりも高くし、前記基板の前記他方側の温度を、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記他方側の温度に維持し、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における成長圧力を、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程における成長圧力よりも低くてもよい。これにより第２窒化ガリウム層の炭素濃度を高め、リーク電流を低減することができる。また、第２窒化ガリウム層全体の成長温度は第１窒化ガリウム層全体の成長温度より高い。第２窒化ガリウム層への炭素の過剰な取り込みが抑制され、電流ドリフトが抑制される。
（５）前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程は、前記基板の一方側の温度を、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度に維持し、前記基板の前記他方側の温度を、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記他方側の温度に維持してもよい。第２窒化ガリウム層と窒化アルミニウムガリウム層とを連続して成長することができるため、第２窒化ガリウム層の表面におけるピットの発生および不純物の付着を抑制することができる。この結果、結晶性のよい窒化アルミニウムガリウム層を成長することができる。
（６）前記第１窒化ガリウム層を成長する工程は、前記第２窒化ガリウム層の膜厚より厚くなるように成長する工程でもよい。炭素濃度の高い第２窒化ガリウム層が薄いため、電流ドリフトを抑制することができる。
（７）前記第２窒化ガリウム層を成長する工程および前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度は、前記基板の前記他方側の温度より少なくとも５℃高くてもよい。これによりリーク電流を効果的に低減することができる。また窒化アルミニウムガリウム層のアルミニウム組成比および厚さをより均一に近づけることができる。
（８）前記第２窒化ガリウム層を成長する工程は、前記第１窒化ガリウム層の炭素濃度よりも高くなるように成長する工程でもよい。炭素濃度の高い第２窒化ガリウムを成長することで、リーク電流を効果的に低減することができる。

（実験）
まず本願の課題を明らかにするために行った実験について説明する。

（サンプル）
図１は半導体装置９２を例示する断面図である。図１に示す半導体装置９２は実験のサンプルとして用いたものであり、半導体基板９０、ソース電極１３、ドレイン電極１５およびゲート電極１７を備える高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）である。半導体基板１００は、基板１０、核生成層１１および窒化物半導体層１９を含む。窒化物半導体層１９は窒化ガリウム（ＧａＮ）層１２、電子供給層１４および保護層１６を含む。核生成層１１は基板１０の上面に接触し、ＧａＮ層１２は核生成層１１の上面に接触する。電子供給層１４はＧａＮ層１２の上面に接触し、保護層１６は電子供給層１４の上面に接触する。保護層１６の上に、ソース電極１３、ドレイン電極１５およびゲート電極１７が設けられている。

基板１０は例えば炭化珪素（ＳｉＣ）などにより形成されている。核生成層１１は例えば厚さ１３ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている。ＧａＮ層１２は例えば厚さ０．７５μｍのアンドープのＧａＮにより形成されている。ＧａＮ層１２のうち下側はバッファ層１２ａとして機能する。ＧａＮ層１２の電子供給層１４との界面側は、電子が移動するチャネル層１２ｂとして機能する。電子供給層１４は例えば厚さ２４ｎｍ、アルミニウム（Ａｌ）組成比が０．２２のｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）により形成されている。保護層１６は例えば厚さ５ｎｍのｎ型ＧａＮにより形成されている。

ソース電極１３およびドレイン電極１５は、例えば保護層１６に近い方から順にタンタル／アルミニウム／タンタル（Ｔａ／Ａｌ／Ｔａ）などの金属を積層したものである。ゲート電極１７は、保護層１６に近い方から順にニッケル／パラジウム／金／タンタル（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｔａ）を積層したものである。

（ＭＯＣＶＤ装置）
図２（ａ）は半導体装置９２の製造に用いるＭＯＣＶＤ装置のサセプタ２０の平面図である。シャワーヘッドの図示は省略している。図２（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ装置のサセプタ２０には複数のポケット２２が設けられている。各ポケット２２には、図２（ａ）中に斜線で示す基板１０が配置される。各基板１０は例えば４インチのウェハの状態であり、半導体層の成長後のウェハを切断することで複数の半導体装置が形成される。基板１０のオリエンテーションフラット側の端部Ｐ２がサセプタ２０の外側を向き、トップ側の端部Ｐ１が内側を向いている。

図２（ｂ）は図２（ａ）の線Ａ−Ａに沿った断面図である。図２（ｂ）に示すように、サセプタ２０には回転軸２７が連結されており、回転軸２７によりサセプタ２０を回転させながら層の成長を行う。各ポケット２２の下にヒータ３０、３２および３４が配置され、サセプタ２０の上にシャワーヘッド２４が配置されている。ヒータを用いて基板１０を各層の成長温度まで加熱し、シャワーヘッド２４の孔２５および２６から原料ガスを供給することで、ＭＯＣＶＤ法を行う。孔２５からはＡｌおよびＧａなどＩＩＩ族元素の原料ガスを供給し、孔２６からは窒素（Ｎ）などＶ族元素の原料ガスを供給する。これにより基板１０の上に、核生成層１１、ＧａＮ層１２、電子供給層１４および保護層１６をエピタキシャル成長する。

ブロック矢印Ｂ１で示すように、シャワーヘッド２４の孔２５および２６から噴射される原料ガスはサセプタ２０に向かって流れる。ブロック矢印Ｂ２に示すように、原料ガスの一部はＭＯＣＶＤ装置を内側から外側に向けて流れ、ＭＯＣＶＤ装置の外部へと排気される。一方、ブロック矢印Ｂ３で示すように、サセプタ２０および基板１０に堆積した窒化物半導体層１９からは原料ガスが昇華する。矢印Ｂ２およびＢ４に示すように、図２（ｂ）の中央側が原料ガスの上流側であり、外側が下流側である。ブロック矢印Ｂ５で示すように原料ガスの一部は外側に向けて流れ、ＭＯＣＶＤ装置の外部へと排気される。従って、基板１０を図２（ａ）に示す系でＭＯＣＶＤ装置内に配置すると、いずれの基板１０（本例では４枚）についても、その一方側（ＭＯＣＶＤ装置の中央側）から他方（ＭＯＣＶＤ装置の周辺側）に向けて原料ガスは流れる。

（サンプルの製造方法）
半導体装置９２の製造方法について説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）に示したように、サセプタ２０のポケット２２にＳｉＣの基板１０を配置する。図３（ａ）および図３（ｂ）は半導体装置９２の製造方法を例示する断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ＧａＮ層１２の上に電子供給層１４および保護層１６を順にエピタキシャル成長する。

表１に各層の成長条件を示す。ＴＭＡはトリメチルアルミニウム（Trimethyl Aluminum）、ＴＭＧはトリメチルガリウム（Trimethyl Gallium）、ＮＨ_３はアンモニア、ＳｉＨ_４はシランである。１Ｔｏｒｒ＝１３３．３Ｐａ、１ｓｃｃｍ＝１．６６７×１０^−８ｍ^３／ｓ、１ｓｌｍ＝１．６６７×１０^−１１ｍ^３／ｓである。

ＭＯＣＶＤ装置内の圧力を１００Ｔｏｒｒとし、水素（Ｈ_２）ガスを供給し、基板１０の温度が１１４０℃の状態を２０分間保持する。その後、基板１０の温度を１１００℃まで低下させ、表１に示したように流量１３０ｓｃｃｍのＴＭＡおよび１５ｓｌｍのＮＨ_３ガスを供給する。これにより、図３（ａ）に示すように、厚さ１３ｎｍのＡｌＮで形成される核生成層１１を成長する。基板１０の温度を１０６０℃まで低下させ、流量５４ｓｃｃｍのＴＭＧおよび２０ｓｌｍのＮＨ_３ガスを供給する。これにより、厚さ０．７５μｍのＧａＮ層１２を成長する。

原料ガスの流量などを定めた。表１に示すように、４０ｓｃｃｍのＴＭＧ、１４０ｓｃｃｍのＴＭＡ、２０ｓｌｍのＮＨ_３ガス、６ｓｃｃｍのＳｉＨ_４を供給することで、電子供給層１４を成長する。この条件は、電子供給層１４の厚さが２４ｎｍ、Ａｌ組成比が０．２２となるように定めたものである。６０ｓｃｃｍのＴＭＧ、２０ｓｌｍのＮＨ_３ガス、２２ｓｃｃｍのＳｉＨ_４を供給することで、厚さ５ｎｍのＧａＮで形成される保護層１６を成長する。以上の工程で半導体基板１００が形成される。半導体基板１００の保護層１６の上面に、ソース電極１３、ドレイン電極１５およびゲート電極１７を形成することで、図１に示した半導体装置９２が形成される。

（実験結果）
実験では電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比、ならびにリーク電流の面内分布を測定した。以下に説明するように、実験から厚さおよびＡｌ組成比の均一化とリーク電流の低減との両立が困難であることがわかった。

まず電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比について説明する。電極は設けない状態（半導体基板９０の状態）で電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比を測定した。Ａｌ組成比の測定にはＸ線回折（ＸＲＤ：X-Ray Diffraction）を用いた。

図４（ａ）は電子供給層１４の厚さの測定結果を示す図である。横軸は基板１０の面内方向（図１の横方向）における測定位置である。測定位置−６０ｍｍは、図２（ａ）および図２（ｂ）に示した基板１０について原料ガスの流れの下流側Ｐ２に対応し、６０ｍｍは同上流側Ｐ１に対応する。縦軸は電子供給層１４の厚さを示す。図４（ａ）に示すように、下流側（Ｐ２側）ほど厚さは薄く、位置−２０ｎｍおよび−４０ｎｍにおける厚さは目標値２４ｎｍを下回った。一方、上流側（Ｐ１側）ほど厚さは厚く、位置２０ｎｍおよび４０ｎｍにおける厚さは２４ｎｍを上回った。位置−４０ｎｍと位置４０ｎｍとにおける厚さの差は０．５ｎｍ以上であった。

図４（ｂ）は電子供給層１４におけるＡｌ組成比の測定結果を示す図である。横軸は基板１０の面内方向（図１の横方向）における測定位置である。縦軸はＡｌ組成比を示す。図４（ｂ）に示すように、下流側（Ｐ２側）ほどＡｌ組成比は高く、位置−２０ｎｍおよび−４０ｎｍにおけるＡｌ組成比は目標値０．２２にほぼ等しい。一方、上流側（Ｐ１側）ほどＡｌ組成比は小さく、位置２０ｎｍおよび４０ｎｍにおける組成比は０．２２を大幅に下回った。位置−４０ｎｍと位置４０ｎｍとにおけるＡｌ組成比の差は約０．００８であった。

電子供給層１４の厚さおよび組成比のばらつきは、原料ガスの分解効率、およびＧａＮとＡｌＧａＮとの成長レートの違いに起因すると考えられる。電子供給層１４の成長において、ＭＯＣＶＤ装置内では原料ガスであるＴＭＡが分解し、活性化したＡｌが発生する。またＮＨ_３の分解によりＮも発生する。このＡｌとＮとは基板１０に到達する前に反応し、電子供給層１４の成長に寄与せずに図２（ｂ）に矢印Ｂ５で示したように外へ排出されることがある。一方、ＴＭＧに含まれるＧａはＡｌに比べて基板１０に到達しやすい。この結果、ＧａＮに近い組成の層はＡｌ組成比の高い層よりも速く成長する。

基板１０について原料ガスの流れの上流側は下流側に比べてその濃度が高い。このため、上流側においてＡｌとＮとの反応が起こりやすく、Ａｌは基板１０に到達せず外部に排出されやすい。この結果、下流側に比べて上流側においてＡｌ組成比が低くなり、ＧａＮに近い組成の層が速く成長する。したがって図４（ａ）および図４（ｂ）に示したように、基板１０について、原料ガスの流れの上流側では下流側に比べてＡｌ組成比が小さく、かつ厚い電子供給層１４が成長する。この結果、例えばＨＥＭＴの閾値電圧および飽和電流など半導体装置の特性がばらついてしまう。

層の成長レートは、原料ガスが基板１０に付着する速度と、基板１０に堆積した層から原料が昇華する速度により定まる。成長温度が高いほど基板１０に堆積した層からＧａＮが昇華する。このためＧａＮの成長レートは遅くなり、厚さは薄くなる。成長レートが低下するとＡｌの取り込み量が多くなるため、Ａｌ組成比が高くなると考えられる。そこで厚さおよびＡｌ組成比のばらつきを小さくするために、成長温度を面内で不均一にすればよいと考えられる。

図２（ｂ）に示した基板１０について、原料ガスの流れの上流側に位置するヒータ３０の出力を下流側のヒータ３４の出力より大きくすることで、下流側に比べて上流側の成長温度を高くすることができる。表２に条件を示す。

表２に示すように、上流側（ここでは図４（ａ）および図４（ｂ）における２０〜６０ｍｍに対応する位置）の成長温度を１０６５℃、中央側（−２０〜２０ｍｍに対応する位置）および下流側（−６０〜−２０ｍｍに対応する位置）の成長温度を１０６０℃とする。これにより電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比を均一にすることができる。しかし以下に説明するように、この場合にはリーク電流が増大する。

半導体装置９２のゲート電極１７に逆バイアス電圧をかけ、半導体装置９２をピンチオフさせる。ドレイン電極１５に５０Ｖの電圧をかけ、ソース電極１３とドレイン電極１５との間のリーク電流を測定した。

図５（ａ）はリーク電流の測定結果を示す図である。横軸は基板１０の面内方向（図１の横方向）における測定位置である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示した基板１０の下流側の位置Ｐ２を０、上流側の位置Ｐ１を２５と番号付けして測定位置を示す。縦軸はリーク電流を示す。図５（ａ）に示すように、上流側ほどリーク電流は大きく、位置２５付近におけるリーク電流は位置０付近の約１０倍であった。

リーク電流の増大は層の中の炭素（Ｃ）濃度に起因すると考えられる。図５（ｂ）はＧａＮ層１２におけるＣ濃度の測定結果である。横軸はＧａＮ層１２の上面からの深さを示す。縦軸は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）分析によるＣ濃度を示す。実線はＧａＮ層１２中の上流側、点線は中央側の結果を示す。ここで上流側は例えば図５（ａ）の位置１５〜２５、中央側は例えば位置１０〜１５、下流側は例えば０〜１０にそれぞれ対応する。図５（ｂ）に示すように、同じ深さで比較すると上流側のＣ濃度は中央側より小さい。

表３はＧａＮ層１２の上流側、中央側、および下流側における不純物濃度を示す表であり、上面からの深さ０．２μｍ〜０．４μｍ間の平均値を示す。

表３に示すように、Ｃおよび水素（Ｈ）の濃度は、上流側において小さく、下流側において大きい。Ｃ濃度は上流側において１．４８×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、中央側において１．９０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、下流側において１．８５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。Ｈ濃度は上流側において１．３８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、中央側において１．４７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、下流側において１．６９×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。酸素（Ｏ）およびシリコン（Ｓｉ）の濃度は、上流側において大きく、下流側において小さい。Ｏ濃度は上流側において１．７２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、中央側において１．２４×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、下流側において１．１６×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。Ｓｉ濃度は上流側において８．３４×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、中央側において６．８７×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、下流側において７．１９×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。

上流側の成長温度が高くなることで、ＴＭＧが分解してしまい、ＴＭＧ中のＣのＧａＮ層１２への取り込みが抑制される。この結果、表３に示すように上流側におけるＣ濃度が小さくなる。アクセプタとなるＣの濃度が低下することで、ドナーの影響が大きくなり、窒化物半導体層１９の導電性が大きくなる。この結果、図５（ａ）に示したように、上流側においてリーク電流が大幅に増大すると考えられる。また、成長温度が高いためＧａＮ層１２へのＯおよびＳｉの取り込みが促進される。ＯおよびＳｉが窒化物半導体層１９に拡散し、ドナーとなることでリーク電流が増大する恐れもある。

このように、電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比のばらつきの抑制とリーク電流の低減とを両立することは困難であった。次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１では、ＧａＮ層１２を成長条件の異なる２つの層（第１ＧａＮ層１２ｃおよび第２ＧａＮ層１２ｄ）で形成し、第２ＧａＮ層１２ｄおよび電子供給層１４では上流側の成長温度を上流側以外の成長温度よりも高くする。

（半導体装置）
図６は実施例１に係る半導体装置１１０を例示する断面図である。半導体装置１１０は半導体基板１００、ソース電極１３、ドレイン電極１５およびゲート電極１７を備えるＨＥＭＴである。半導体基板１００は基板１０、核生成層１１、および窒化物半導体層１９（ＧａＮ層１２、電子供給層１４および保護層１６）を含む。基板１０は例えばＳｉＣなどの絶縁体で形成された絶縁基板である。ＧａＮ層１２は第１ＧａＮ層１２ｃおよび第２ＧａＮ層１２ｄを含む。第１ＧａＮ層１２ｃは核生成層１１の上面に接触し、第２ＧａＮ層１２ｄは第１ＧａＮ層１２ｃの上面に接触している。電子供給層１４は第２ＧａＮ層１２ｄの上面に接触している。保護層１６は電子供給層１４の上面に接触している。

基板１０は例えばＳｉＣなどにより形成されている。核生成層１１は例えば厚さ１３ｎｍのＡｌＮにより形成されている。第１ＧａＮ層１２ｃの厚さは例えば０．６５μｍ、第２ＧａＮ層１２ｄの厚さは例えば０．１μｍである。ＧａＮ層１２はアンドープのＧａＮにより形成されている。電子供給層１４は例えば厚さ２４ｎｍ、Ａｌ組成比が０．２２のｎ型ＡｌＧａＮにより形成されている。保護層１６は例えば厚さ５ｎｍのｎ型ＧａＮにより形成されている。

ソース電極１３およびドレイン電極１５は、例えば保護層１６に近い方から順に厚さ６ｎｍのＴａ層、厚さ３００ｎｍのＡｌ層、および厚さ６ｎｍのＴａ層を積層したものである。ゲート電極１７は、保護層１６に近い方から順に厚さ６０ｎｍのＮｉ層、厚さ４０ｎｍのＰｄ層、厚さ３５０ｎｍのＡｕ層、および厚さ１０ｎｍのＴａ層を積層したものである。

（半導体装置の製造方法）
次に実施例１に係る半導体装置１１０の製造方法について説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）に示したように、サセプタ２０のポケット２２にＳｉＣの基板１０を配置し、各層をエピタキシャル成長する。

表４に実施例１における成長条件を示す。

表４に示すように、第１ＧａＮ層１２ｃの成長温度は面内で同一であり、例えば１０６０℃である。一方、第２ＧａＮ層１２ｄの成長温度は上流側（ここでは図４（ａ）および図４（ｂ）における２０〜６０ｍｍに対応する位置）と中央側（−２０〜２０ｍｍ）および下流側（−６０〜０ｍｍに対応する位置）とで異なる。上流側の成長温度は中央側および下流側より高く、例えば１０６０℃である。中央側および下流側の成長温度は例えば１０５５℃である。電子供給層１４および保護層１６の成長温度は第２ＧａＮ層１２ｄの成長温度と同じである。原料ガスの種類および供給量は表１に示したものと同じである。

図７（ａ）および図７（ｂ）は半導体装置１１０の製造方法を例示する断面図である。図７（ａ）に示すように、基板１０の上に核生成層１１を成長する。核生成層１１の成長後、基板１０の温度を１０６０℃、ＭＯＣＶＤ装置内の圧力を１２０Ｔｏｒｒとする。５０ｓｃｃｍのＴＭＧ、および２０ｓｌｍのＮＨ_３を供給し、第１ＧａＮ層１２ｃをエピタキシャル成長する。厚さ０．６５μｍの第１ＧａＮ層１２ｃの成長後、ＴＭＧの供給を停止する。第１ＧａＮ層１２ｃの表面からのＮ抜けを抑制するため、ＮＨ_３は供給し続ける。

ＴＭＧの停止中に、図２（ｂ）に示したヒータ３０、３２および３４の出力を調整し、基板１０の上流側の温度は１０６０℃に維持し、上流側以外（中央側および下流側）の温度は１０５５℃に低下させる。温度変化の後、５０ｓｃｃｍのＴＭＧ、および２０ｓｌｍのＮＨ_３を供給し、図７（ｂ）に示すように厚さ０．１μｍの第２ＧａＮ層１２ｄを成長する。さらに成長温度を維持したまま、表４に示した原料ガスを供給し、電子供給層１４および保護層１６を成長する。図６に示したように保護層１６の上面に、ソース電極１３、ドレイン電極１５およびゲート電極１７を形成する。半導体基板１００を水分などから保護するため、保護層１６の上に例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜などの絶縁膜を設けてもよい。

実施例１において、電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比、ならびにリーク電流を測定した。はじめに電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比について説明する。

（電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比）
電極を設けない状態（半導体基板９０の状態）で電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比を測定した。図８（ａ）は電子供給層１４の厚さの測定結果を示す図である。図８（ａ）に示すように、下流側（Ｐ２側）に比べて上流側（Ｐ１側）がわずかに厚いが、位置−４０ｍｍと位置４０ｍｍとにおける厚さとの差は０．５ｎｍ未満である。すなわち実施例１によれば、図４（ａ）の例よりも電子供給層１４の厚さが均一となる。

図８（ｂ）は電子供給層１４におけるＡｌ組成比の測定結果を示す図である。Ａｌ組成比は図４（ｂ）の例と同様にＸＲＤを用いて測定した。図８（ｂ）に示すように、下流側に比べて上流側のＡｌ組成比は小さいが、位置−４０ｍｍと位置４０ｍｍとにおけるＡｌ組成比の差は０．００５未満である。すなわち実施例１によれば、図４（ｂ）の例よりもＡｌ組成比が均一となる。

（リーク電流）
次にリーク電流について説明する。図９はリーク電流の測定結果を示す図である。図９の結果においては、図５（ａ）に比べて上流側（Ｐ１側）のリーク電流が大幅に低減し、位置２５付近におけるリーク電流は位置０付近のリーク電流と同程度である。図８（ａ）から図９に示したように、実施例１によれば、電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比の均一化とリーク電流の低減との両立が可能である。

実施例１においては、表４に示したように電子供給層１４の成長条件に関し、基板１０について原料ガスの流れの上流側の成長温度が上流側以外（中央側および下流側）の成長温度よりも高い。上流側では原料ガスの濃度が高いため、ＡｌとＮとが結合して装置の外部に排出されやすく、基板１０にはＧａＮが堆積しやすい。しかし成長温度が高いため、基板１０の表面からＧａＮが多く昇華する。このため電子供給層１４の成長レートが低下し、Ａｌが多く取り込まれる。これにより上流側においてＧａＮの成長が抑制され、ＡｌＧａＮが成長する。また、中央側および下流側ではＡｌおよびＮが基板１０に堆積しやすく、ＡｌＧａＮが成長する。この結果、成長温度を均一にした場合に比べ、上流側において厚さが薄くなり、かつＡｌ組成比が増加する。したがって図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、電子供給層１４のＡｌ組成比および厚さを従来のそれらに比較して均一とすることができる。

第２ＧａＮ層１２ｄの成長条件に関し、基板１０について原料ガスの流れの上流側の成長温度は上流側以外（中央側および下流側）の成長温度より高い。成長温度の低い中央側および下流側においてはＴＭＧが分解されにくく、Ｃの取り込みが促進される。取り込まれたＣは第２ＧａＮ層１２ｄに拡散する。このため第２ＧａＮ層１２ｄにおけるＣ濃度は、第１ＧａＮ層１２ｃよりも高くなる。Ｃはアクセプタとしてドナーを補償するため、図９に示したようにリーク電流を低減することができる。この結果、実施例１によれば、電子供給層１４のＡｌ組成比および厚さの均一化とリーク電流の低減とを両立することができる。

第１ＧａＮ層１２ｃおよび第２ＧａＮ層１２ｄの両方において、中央側および下流側の成長温度を低くすると、炭素の取り込み量が多くなり、リーク電流を抑制できると考えられる。しかし、ＧａＮ層１２中の炭素の濃度が高くなりすぎる恐れがある。半導体装置１１０を高周波信号で動作させた際、炭素はキャリアである電子またはホールの捕獲と放出とを繰り返す。このため、ＧａＮ層１２全体で炭素の濃度が高いと電流ドリフトが発生する。また、第１ＧａＮ層１２ｃの成長温度を低くすると、ピットが発生しやすくなる。第１ＧａＮ層１２ｃにピットが発生すると、第２ＧａＮ層１２ｄおよび窒化物半導体層もピットを含んで成長し、ピットに起因するリーク電流が増大する可能性がある。

電流ドリフトおよびピットの発生を抑制するために、第１ＧａＮ層１２ｃを成長する際、基板１０について原料ガスの流れの上流側（一方側）から下流側（他方側）にかけての成長温度の差は、第２ＧａＮ層１２ｄを成長する際の成長温度の差より小さくする。これにより第１ＧａＮ層１２ｃ中の炭素濃度は第２ＧａＮ層１２ｄ中の濃度より低くなり、電流ドリフトが抑制される。また、第１ＧａＮ層１２ｃにおいてピットの発生が抑制される、この結果、第２ＧａＮ層１２ｄおよびその上の層においてもピットの発生が抑制される。

第２ＧａＮ層１２ｄにおける炭素濃度は、例えば１．８×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、２．０×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。一方、第１ＧａＮ層１２ｃにおける炭素濃度は例えば１．５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度である。

第２ＧａＮ層１２ｄを成長する工程において、上流側と下流側とで平均した成長温度は、第１ＧａＮ層１２ｃを成長する工程における平均した成長温度より低い。この結果、第２ＧａＮ層１２ｄへの炭素の取り込みが効果的に促進され、炭素濃度が高まる。このためリーク電流が低減する。また、上記のように第１ＧａＮ層１２ｃの炭素濃度は低いため、電流ドリフトを抑制することができる。第１ＧａＮ層１２ｃ全体の成長温度が高いため、ピットの発生が抑制される。

表４に示したように、第２ＧａＮ層１２ｄを成長する際の、基板１０について原料ガスの流れの上流側の成長温度は第１ＧａＮ層１２ｃの成長温度に維持し、上流側以外の成長温度を第１ＧａＮ層１２ｃの成長温度より低くする。このため第２ＧａＮ層１２ｄは全体として第１ＧａＮ層１２ｃより低い成長温度で成長する。したがって第２ＧａＮ層１２ｄの炭素濃度が高くなり、リーク電流を低減することができる。また上記のように電流ドリフトおよびピットの発生を抑制することができる。

ＧａＮ層１２全体で成長温度を低くし、電子供給層１４の成長では、基板１０について原料ガスの流れの上流側の成長温度を高くすることで、リーク電流の抑制と、電子供給層１４の厚さおよびＡｌ組成比の均一化とを両立できるとも考えられる。しかし二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の分布が悪化する恐れがある。すなわち、ＧａＮ層１２の成長後から温度変化が完了するまで層の成長を停止する必要がある。成長を停止している間、ＧａＮ層１２の表面から窒素（Ｎ）が抜け、ＧａＮ層１２と電子供給層１４との界面に結晶欠陥が生じる恐れがある。ＧａＮ層１２の表面に不純物が付着し、ＧａＮ層１２および電子供給層１４に拡散する恐れもある。この結果、２ＤＥＧの分布が悪化する可能性がある。

そこで第１ＧａＮ層１２ｃの成長工程と第２ＧａＮ層１２ｄの成長工程との間でその成長温度を変化させ、電子供給層１４を成長する工程と第２ＧａＮ層１２ｄを成長する工程とでは成長温度を変更しないことが好ましい。すなわち、電子供給層１４を成長する際に、基板１０について原料ガスの流れの上流側の成長温度は、第２ＧａＮ層１２ｄを成長する際の原料ガスの流れの上流側の成長温度に維持し、上流側以外の成長温度は第２ＧａＮ層１２ｄを成長する際の基板１０について上流側以外の成長温度に維持する。第２ＧａＮ層１２ｄの成長と電子供給層１４の成長との間で温度変化をせず、両者を連続して成長するため、ＧａＮ層１２の表面における不純物の付着およびピットの発生を抑制することができる。この結果、結晶性の高い電子供給層１４を成長することができる。

ＧａＮ層１２全体において炭素濃度が高いと、電流ドリフトが生じる恐れがある。そこで第１ＧａＮ層１２ｃの膜厚が第２ＧａＮ層１２ｄより厚いことが好ましい。炭素濃度の高い第２ＧａＮ層１２ｄが薄いため、電流ドリフトが抑制される。成長温度が高いため第１ＧａＮ層１２ｃのピットは少ない。このため第１ＧａＮ層１２ｃを厚くすることで、窒化物半導体層１９の結晶性が向上する。第１ＧａＮ層１２ｃの厚さは例えば０．５μｍ以上とすることができる。

第１ＧａＮ層１２ｃの成長後から第２ＧａＮ層１２ｄの成長開始までの成長停止中に、第１ＧａＮ層１２ｃの表面に結晶欠陥が生じる恐れがある。結晶欠陥による２ＤＥＧの分布の悪化を抑制するため、第２ＧａＮ層１２ｄを薄くし、２ＤＥＧの形成される部分を第１ＧａＮ層１２ｃと第２ＧａＮ層１２ｄとの界面から離すことが好ましい。第２ＧａＮ層１２ｄの厚さは例えば０．２μｍ以下とすることができる。

第２ＧａＮ層１２ｄおよび電子供給層１４の成長において、基板１０について原料ガスの流れの上流側の成長温度は上流側以外の成長温度より例えば５℃高い。これにより電子供給層１４のＡｌ組成比および厚さをより均一に近づけることができる。したがってＨＥＭＴの閾値電圧および飽和電流などの変動を抑制することができる。また第２ＧａＮ層１２ｄの炭素濃度が高くなり、リーク電流を効果的に低減することができる。上流側の成長温度は上流側以外の成長温度に比べ５℃以上高いことが好ましい。成長温度の差は例えば１５℃以下、２０℃以下などとすることができる。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ装置のサセプタ２０に基板１０を配置すると、基板１０の一方側（ＭＯＣＶＤ装置の中央側）から他方側（同装置の周辺部）に向けて原料ガスが流れる。サセプタ２０の下のヒータ３０、３２および３４の出力を調整し、各基板１０において表４に示したような成長温度とする。これにより複数の基板１０上に、２つの第１ＧａＮ層１２ｃおよび第２ＧａＮ層１２ｄと、厚さおよびＡｌ組成比が均一な電子供給層１４とを成長し、さらにリーク電流を抑制することができる。

実施例２において述べるように、成長圧力を低くすることで炭素の取り込みが促進される。表４に示したように、第１ＧａＮ層１２ｃ、第２ＧａＮ層１２ｄおよび電子供給層１４を成長する際の成長圧力は互いに等しい。このため第２ＧａＮ層１２ｄへの過剰な炭素の取り込みが抑制され、電流ドリフトが抑制される。

実施例２では、第２ＧａＮ層１２ｄおよび電子供給層１４を成長する際の基板１０について原料ガスの流れの上流側の成長温度を下流側よりも高くし、かつ第２ＧａＮ層１２ｄを第１ＧａＮ層１２ｃに比べて低圧で成長する。実施例１と同様の構成については説明を省略する。半導体装置の構成は実施例１と同じである。

（半導体装置の製造方法）
実施例２に係る半導体装置の製造方法について説明する。表５に実施例２における成長条件を示す。

表５に示すように、第１ＧａＮ層１２ｃの成長温度は面内で同一であり、例えば１０６０℃である。一方、第２ＧａＮ層１２ｄの成長温度は上流側と下流側とで異なる。上流側の成長温度は例えば１０６５℃であり、第１ＧａＮ層１２ｃの成長温度より高い。中央側および下流側の成長温度は上流側より低く、例えば１０６０℃である。第１ＧａＮ層１２ｃの成長圧力は１２０Ｔｏｒｒであり、第２ＧａＮ層１２ｄ、電子供給層１４および保護層１６の成長圧力は１００Ｔｏｒｒである。他の条件は表１および表４に示したものと同じである。

核生成層１１の成長後、基板１０の温度を１０６０℃、ＭＯＣＶＤ装置内の圧力を１２０Ｔｏｒｒとする。原料ガスとして５０ｓｃｃｍのＴＭＧ、および２０ｓｌｍのＮＨ_３を供給し、図７（ａ）に示すように第１ＧａＮ層１２ｃをエピタキシャル成長する。第１ＧａＮ層１２ｃの成長後、原料ガスの供給を停止する。

原料ガスの停止中に、図２（ｂ）に示したヒータ３０、３２および３４の出力を調整し、基板１０について原料ガスの流れの上流側の温度を１０６５℃まで上昇させ、上流側以外の温度は１０６０℃に維持する。また、ＭＯＣＶＤ装置内の圧力を１００Ｔｏｒｒに低下させる。温度および圧力を変更した後、原料ガスとして５０ｓｃｃｍのＴＭＧ、および２０ｓｌｍのＮＨ_３を供給し、図７（ｂ）に示すように第２ＧａＮ層１２ｄを成長する。さらに成長温度および成長圧力を変化させずに、表５に示した原料ガスを供給し、電子供給層１４および保護層１６を成長する。

実施例２によれば、実施例１と同様に、電子供給層１４を成長する際の基板１０について原料ガスの流れの上流側の成長温度が上流側以外よりも高いため、電子供給層１４中のＡｌ組成比およびその厚さを均一にすることができる。また、第２ＧａＮ層１２ｄの成長圧力は第１ＧａＮ層１２ｃの成長圧力より低い。このため、ＴＭＡ中の炭素の第２ＧａＮ層１２ｄへの取り込みが促進される。第２ＧａＮ層１２ｄの炭素の濃度は例えば１．８×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であり、第１ＧａＮ層１２ｃにおける炭素の濃度より高い。この結果、第２ＧａＮ層１２ｄ中の炭素がアクセプタとしてドナーを補償し、リーク電流が低減する。以上のように、実施例２によれば、電子供給層１４のＡｌ組成比および厚さの均一化とリーク電流の低減とを両立することができる。

第１ＧａＮ層１２ｃおよび第２ＧａＮ層１２ｄの両方において成長圧力を例えば１００Ｔｏｒｒなどと低くすると、ＧａＮ層１２全体において炭素濃度が高くなり、電流ドリフトが発生する恐れがある。電流ドリフトを抑制するため、第１ＧａＮ層１２ｃの成長圧力を高くし、第２ＧａＮ層１２ｄの成長圧力を低くすることが好ましい。これにより第１ＧａＮ層１２ｃの炭素濃度は第２ＧａＮ層１２ｄより低くなり、電流ドリフトが抑制される。第２ＧａＮ層１２ｄの成長圧力は例えば１１０Ｔｏｒｒ以下などとすることが好ましい。

第２ＧａＮ層１２ｄを成長する際の基板１０について原料ガスの流れの上流側の成長温度は第１ＧａＮ層１２ｃの成長温度より高く、第２ＧａＮ層１２ｄの上流側以外の成長温度は第１ＧａＮ層１２ｃの成長温度に維持する。このため、第２ＧａＮ層１２ｄ全体の成長温度は第１ＧａＮ層１２ｃ全体の成長温度より高くなる。これにより第２ＧａＮ層１２ｄに炭素が過剰に取り込まれることを抑制し、電流ドリフトを抑制することができる。

実施例１および２において、半導体装置の耐湿性向上のため、窒化物半導体層１９の上に絶縁膜を設けてもよい。絶縁膜は例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸窒化（ＳｉＯＮ）などの絶縁体により形成される。

実施例１および２に係る半導体基板にはＨＥＭＴ以外のトランジスタ、およびトランジスタ以外の半導体素子を形成してもよい。半導体基板にソース電極１３、ドレイン電極１５およびゲート電極１７以外の電極などを形成してもよい。

保護層はＧａＮ以外の窒化物半導体で形成してもよい。すなわち保護層は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮ以外に窒素（Ｎ）を含む半導体、例えば窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、および窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）などを含んでもよい。基板１０はＳｉＣの他、シリコン（Ｓｉ）、サファイア、ＧａＮなどにより形成されてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 基板
１１ 核生成層
１２ ＧａＮ層
１２ａ バッファ層
１２ｂ チャネル層
１２ｃ 第１ＧａＮ層
１２ｄ 第２ＧａＮ層
１３ ソース電極
１４ 電子供給層
１５ ドレイン電極
１６ 保護層
１７ ゲート電極
１９ 窒化物半導体層
２０ サセプタ
２２ ポケット
２４ シャワーヘッド
２５、２６ 孔
２７ 軸
３０、３２、３４ ヒータ
９０、１００ 半導体基板
９２、１１０ 半導体装置

Claims (8)

1. 基板の一方側から前記一方側とは反対の側に原料ガスを供給し、前記基板上に第１窒化ガリウム層、第２窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層の順にＭＯＣＶＤ法を用いて成長する半導体基板の製造方法であって、
   前記第１窒化ガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記基板の前記他方側の温度よりも高く、前記一方側の温度と前記他方側の温度の差は、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の差より小さく、
   前記第２窒化ガリウム層を成長する工程及び前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記他方側の温度よりも高い半導体基板の製造方法。
2. 前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における、前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の平均温度は、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記基板の前記他方側の温度の平均温度より低い請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
3. 前記第２窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記一方側の温度を、前記第１窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記一方側の温度に維持し、前記基板の前記他方側の温度を、前記第１窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記他方側の温度より低くする請求項１または２に記載の半導体基板の製造方法。
4. 前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度を、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度よりも高くし、前記基板の前記他方側の温度を、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記他方側の温度に維持し、
   前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における成長圧力を、前記第１窒化ガリウム層を成長する工程における成長圧力よりも低くする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
5. 前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程は、前記基板の一方側の温度を、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度に維持し、
   前記基板の前記他方側の温度を、前記第２窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記他方側の温度に維持する請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
6. 前記第１窒化ガリウム層を成長する工程は、前記第２窒化ガリウム層の膜厚より厚くなるように成長する工程である請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
7. 前記第２窒化ガリウム層を成長する工程および前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度は、前記基板の前記他方側の温度より少なくとも５℃高い請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
8. 前記第２窒化ガリウム層を成長する工程は、前記第１窒化ガリウム層の炭素濃度よりも高くなるように成長する工程である請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
   

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