JP2019145791A - 炭化ケイ素から成る半導体ボディを備えた半導体装置 - Google Patents

炭化ケイ素から成る半導体ボディを備えた半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本開示は、SiC半導体ボディ(102)を有する半導体装置(100)に関する。【解決手段】このSiC半導体ボディ(102)は、第1の導電型の第1の半導体領域(104)と第2の導電型の第2の半導体領域(106)とを有する。第1の半導体領域(104)は、SiC半導体ボディ(102)の第1の表面(108)に電気的に接触させられており、第2の半導体領域(106)とpn接合(110)を形成している。第1の半導体領域(104)および第2の半導体領域(106)は、第1の表面(108)に対し直角を成す垂直方向(y)で上下に配置されている。第1の半導体領域(104)は、第1のドーパント種と第2のドーパント種とを有する。【選択図】図1

Description

本発明は、炭化ケイ素SiCから成る半導体装置に関する。
例えばSiC電力用半導体電界効果トランジスタまたはSiC電力用半導体ダイオードなどのようなSiC半導体装置に対しては、特定の動作寿命期間中、信頼性に関する要求が課される。SiC半導体装置の信頼性は動作中、様々な劣化メカニズムによって損なわれるおそれがある。
本開示は、SiC半導体装置の信頼性を向上させることを目的としたものである。
本開示は、SiC半導体ボディを有する半導体装置に関する。このSiC半導体ボディは、第1の導電型の第1の半導体領域と、第2の導電型の第2の半導体領域と、を有する。第1の半導体領域は、SiC半導体ボディの第1の表面に電気的に接触させられており、第2の半導体領域とpn接合を形成している。第1の半導体領域および第2の半導体領域は、第1の表面に対し直角を成す垂直方向で上下に配置されている。第1の半導体領域は、第1のドーパント種と第2のドーパント種とを有する。
実施例を理解するために添付の図面が用いられ、それらは本開示に含まれており、本開示の一部分を成すものである。それらの図面は実施例を具体的に示したものにすぎず、明細書と共にそれらの実施例を説明するために用いられる。以下の詳細な説明からただちに、さらなる実施例および意図する利点のうち多くのものが明らかになる。図面に示された要素および構造は、必ずしも互いに原寸の比率どおりに描かれたものではない。同じ参照符号は、同じまたは互いに対応する要素および構造を指している。
実施例による半導体装置におけるSiC半導体ボディの概略断面図である。 実施例による半導体装置におけるSiC半導体ボディの概略断面図である。 実施例による半導体装置におけるSiC半導体ボディの概略断面図である。 実施例による半導体装置におけるSiC半導体ボディの概略断面図である。 第1の半導体領域における重畳された濃度特性を具体的に示す概略的なグラフである。 第1の半導体領域における重畳された濃度特性を具体的に示す概略的なグラフである。 第1の半導体領域における重畳された濃度特性を具体的に示す概略的なグラフである。 第1の半導体領域における重畳された濃度特性を具体的に示す概略的なグラフである。 ディープトレンチゲート電極を備え一方の側にトランジスタチャネルを含むストライプ状のトランジスタセルを有する1つの実施形態による半導体装置の1区間を概略的に示す水平方向断面図である。 図6Aによる半導体装置の区間を断面ラインB−Bに沿って概略的に示す垂直方向断面図である。 プレーナ型ゲート構造を有する1つの実施形態による半導体装置の1区間を概略的に示す垂直方向断面図である。 シャロートレンチゲート構造を有する1つの実施形態による半導体装置の1区間を概略的に示す垂直方向断面図である。 ディープトレンチゲート構造を有するさらに別の実施形態による半導体装置の1区間を概略的に示す垂直方向断面図である。
以下の詳細な説明では添付の図面が参照され、それらの図面は本開示の一部分を成すものであり、具体的に説明する目的でそれらの図面には特定の実施例が示されている。これに関連して、「上面」、「底面」、「前面」、「背面」、「前方の」、「後方の」等のように方向を表す用語は、上述の図面の向きに合わせて適用される。実施例の構成要素は様々な向きで配置することができるので、方向を表す用語は説明の都合上用いられるにすぎず、決してそれに限定するものとして捉えるべきではない。
自明のとおり、さらに別の実施例も存在しており、構造的または論理的な変更を、その際に特許請求の範囲により定義されたものから逸脱することなく、実施例に加えることができる。このかぎりでは、実施例の説明はそれに限定しようというものではない。特に、文脈から他のことが明らかではないかぎり、以下で説明されている実施例の要素を、説明されているそれらの実施例のうち他の実施例の要素と組み合わせることができる。
「有する」、「含有する」、「含む」、「備えている」等の用語は以下では、一方では言及した要素または特徴が存在することを表し、他方ではさらに別の要素または特徴が存在することを排除しない、という非制限的な用語である。不定冠詞および定冠詞は、文脈から一義的に他のことが明らかではないかぎり、複数も単数も含む。
1つの実施例によれば、半導体装置はSiC半導体ボディを有する。このSiC半導体ボディは、第1の導電型の第1の半導体領域と、第2の導電型の第2の半導体領域と、を有する。第1の半導体領域は、SiC半導体ボディの第1の表面に電気的に接触させられており、第2の半導体領域とpn接合を形成している。第1の半導体領域および第2の半導体領域は、第1の表面に対し直角を成す垂直方向で上下に配置されている。第1の半導体領域は、第1のドーパント種と第2のドーパント種とを有する。
1つの実施例によれば、第1のドーパント種から最も近いバンド端までのエネルギーギャップは250meVよりも小さく、第2のドーパント種から最も近いバンド端までのエネルギーギャップは250meVよりも大きい。第3のドーパント種が第1の半導体領域内に存在する場合には、このドーパント種から最も近いバンド端までのエネルギーギャップも、250meVよりも大きくすることができる。最も近いバンド端を例えば、ドーパント種がSiC半導体ボディの結晶格子に組み込まれた状態の価電子帯バンド端とすることができる。ドーパント種が組み込まれた状態の2つのバンド端のうちいずれのバンド端のほうが、SiCのバンドギャップ内でドーパント種のエネルギー準位にエネルギー的により近くに位置しているのか次第では、最も近いバンド端を、ドーパント種がSiC半導体ボディの結晶格子に組み込まれた状態の伝導帯バンド端とすることもできる。
例えばSiC半導体ボディを、単結晶の炭化ケイ素(SiC)例えば2H−SiC(2HポリタイプのSiC)、6H−SiC、または15R−SiCから構築することができる。1つの実施例によれば、SiC半導体ボディの材料は4H−SiCである。この場合に、および以下の説明において、ある構成要素がある材料に「由来する」またはある材料から「構築されている」、ということが意味し得るのは、言及した構成要素が製造許容偏差の範囲内でドーピング以外はその材料から成る、ということである。
第1の表面はSiC半導体ボディの前面を成すことができ、平坦またはリブ状にすることができる。リブ状の第1の表面を、成長方向に対するSiC半導体ボディの主格子面の傾斜により生じたものとすることができる。第1の表面の平らな区間またはリブ状の第1の表面の中央平面への法線によって、垂直方向が規定される。垂直方向を、成長方向に沿って延在させることができる。リブ状の第1の表面のケースであればこの表面は、それぞれ垂直方向に対して斜めにすなわち傾斜して延在する同一平面上の複数の表面区間を含むことができる。垂直方向に対し直角を成す方向が、あるいは別の表現をすれば、第1の表面の平らな区間に対し平行な、またはリブ状の第1の表面の中央平面に対し平行な方向が、横(水平)方向である。
1つの実施例によれば、第1の導電型はp型であり、第2の導電型はn型である。別の実施例によれば、第1の導電型はp型であり、第2の導電型はn型である。
半導体装置を例えば、IGFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタinsulated gate field effect transistor)とすることができ、例えば電力用MOSFETのようなMOSFET(金属酸化物半導体FETmetal oxide semiconductor FET)とすることができ、ここで略語MOSFETには、金属のゲート電極を備えたFETのほか、半導体材料から成るゲート電極を備えたFETも含まれる。半導体装置を、MCD(MOS制御型ダイオードMOS controlled diode)とすることもでき、またはSiC電力用半導体ダイオードのようなpnダイオードとすることができる。同様に半導体装置をIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタinsulated gate bipolar transistor)とすることができ、またはJFET(接合型電界効果トランジスタjunction field effect transistor)とすることもできる。例示的に挙げたこれらの構成素子タイプのほか、当然ながら他のバイポーラ型の構成素子タイプも、またはpnフリーホイールダイオードが集積されたユニポーラ型の構成素子タイプも、ここで説明する教示に従った半導体装置として形成することができる。この目的で半導体装置を、例えば負荷電流を案内するチップ平面の相応の設計仕様によって、少なくとも1Aの負荷電流を流すように構成することができる。
第1の半導体領域と第2の半導体領域との間に形成されたpn接合は、例えば以下のようなpn接合である。すなわちこのpn接合を介して、半導体装置の特定の動作モード中、例えばダイオードの順方向動作中または反転ダイオードの順方向動作中、例えばFETのボディ−ドレインダイオードなどの順方向動作中、電荷キャリアが第2の半導体領域に注入され、次いでそれらの電荷キャリアは第2の半導体領域内で再結合することができる。かくして第1の半導体領域を、ダイオードとして構成された半導体装置であれば、例えばアノード領域(カソード領域)としてSiC半導体ボディの第1の表面に形成することができる。このケースでは第2の半導体領域を、ドリフトゾーンおよびカソード領域(アノード領域)として構成することができる。同様に第1の半導体領域をボディ領域として、またはボディの導電型であり注入のために使用可能なさらに別の半導体領域として、形成することができ、例えばFETまたはIGBTのトレンチ底部における誘電体に対する電気的遮蔽領域として、形成することができる。このケースでは第2の半導体領域をドリフトゾーンとして、または電流分布ゾーンとしても、構成することができる。
1つの実施例によれば、第1のドーパント種はアルミニウム(Al)に相当する。別の選択肢として、またはこれに加えて、第2のドーパント種はホウ素(B)またはガリウム(Ga)に相当する。
1つの実施例によれば、第1の半導体領域は、第1の導電型である第3のドーパント種を有する。第3のドーパント種は第2のドーパント種とは異なる。例えば第2のドーパント種はBであり、第3のドーパント種はGaであり、またはその逆である。さらに考えられるのは、第1のドーパント種はアルミニウムである一方、第2のドーパント種としてホウ素を、第3のドーパント種としてガリウムを、第1の半導体領域内に形成できるようにすることである。
ホウ素とガリウムとの組み合わせによるドーピングは、特に以下の点で有利なものとなり得る。すなわち、一方では双方ともに深いところに位置するエネルギー準位を有するドーパントとして用いられ、ただし他方ではこれら双方は著しく異なる拡散特性を有するので、例えば特にホウ素の深い拡散の作用を、注入されるドーパント量のそれ相応の選定によって選択することができ、それによって最終状態において結果としてドリフトゾーンに生じるホウ素ドーピングが、好ましくは窒素ドーピングを介して行われる調整されたドナードーピングよりもかなり下に位置するように、つまりは結果として生じる所期のn型ドーピングが妨げられないようにする。これに加え、エネルギー準位がそれぞれ異なる深さにある2つのドーパントを組み合わせることによって、上述のようにして形成されたp型ドーピング層の再結合特性を緻密に最適化することができる。
1つの実施例によれば、SiCのバンドギャップ内でSiC半導体ボディに組み込まれた状態の第2のドーパント種のエネルギー準位は、50meVを超えて、または100meVを超えて、または200meVですら超えて、第1のドーパント種のエネルギー準位よりもバンドギャップ中心に近いところに位置する。第3のドーパント種が第1の半導体領域内に形成されている場合であれば、SiCのバンドギャップ内でSiC半導体ボディに組み込まれた状態の第3のドーパント種のエネルギー準位も、50meVを超えて、または100meVを超えて、または200meVでさえ超えて、第1のドーパント種のエネルギー準位よりもバンドギャップ中心に近いところに位置させることができる。
上述の例によって例えば、第1の半導体領域から第2の半導体領域への電荷キャリアの注入低減を実現することができる。このことは、第2のドーパント種およびオプションとして第3のドーパント種の再結合作用によって達成され、これらのドーパント種は第1のドーパント種と比べると、バンドギャップ内においていっそう深いところに位置し、かついっそう強い再結合作用を有しており、しかも非空乏化状態においても、つまり例えば順方向動作中、第1のドーパント種よりも低いドーピング活性度を有する。このようにすることで、第1の半導体領域が単にただ1つのドーパント種だけしか有しておらず、または第1のドーパント種と第2のドーパント種とを有してはいない、択一的な半導体装置と比較して、例えば第2の半導体領域への電荷キャリア注入を、注入低減と再結合増加とにより少なくすることができる。第2の半導体領域への電荷キャリア注入が低減されることによって例えば、基底面すなわち平行に延在する平坦な層において再結合に起因して積層欠陥が成長することにより半導体装置が劣化してしまうことが少なくなる、という技術的利点が実現される。このような積層欠陥によって電荷の搬送が妨げられ、個々の半導体装置の順方向電圧および順方向抵抗に悪影響が及ぼされる。かかる積層欠陥は例えば、熱力学的に安定した3Cポリタイプが、格子定数に制約されて4Hまたは6Hの環境に含まれているものを表す可能性がある。このためここで述べた教示によって、SiC半導体装置の信頼性を向上させることができる。
図1の概略断面図には、半導体装置100の1つの実施例が描かれている。半導体装置100はSiC半導体ボディ102を有する。SiC半導体ボディ102は、第1の導電型の第1の半導体領域104と、第2の導電型の第2の半導体領域106と、を有する。第1の半導体領域104を、上述の第1の半導体領域とすることができる。同様に第2の半導体領域106を、上述の第2の半導体領域とすることができる。
第1の半導体領域104は、SiC半導体ボディ102の第1の表面108に電気的に接触させられている。電気コンタクトは、単に第1のコンタクトK1として描かれている。第1のコンタクトK1は例えば導電性構造であって、この構造は、互いに電気的に接続された導電性素子例えばコンタクトラグ、金属化路および接続パッドなどを含むことができる。導電性素子自体は、導電性材料例えば金属、金属シリサイド、金属合金、高濃度ドーピングされた半導体、またはこれらの組み合わせから成る。これらの導電性素子は例えば、半導体装置100において第1の表面108の上に形成された金属化領域および配線領域の一部分である。IGBTとして形成された半導体装置100のケースであれば、第1のコンタクトK1をエミッタコンタクトとすることができる。FETまたはJFETとして形成された半導体装置100のケースであれば、第1のコンタクトK1をソースコンタクトとすることができる。ダイオードまたはサイリスタとして形成された半導体装置100のケースであれば、第1のコンタクトK1をアノードコンタクト(カソードコンタクト)とすることができる。
第1の半導体領域104は、第2の半導体領域106とpn接合110を形成している。第1の半導体領域104および第2の半導体領域106は、第1の表面108に対し直角を成す垂直方向yで上下に配置されている。
第2の半導体領域106は、SiC半導体ボディ102において第1の表面108とは反対側の第2の表面112に電気的に接触させられている。電気コンタクトは、単に第2のコンタクトK2として描かれている。第2のコンタクトK2については、第1のコンタクトK1との関連で述べた上記の記載が、内容的に同じように当てはまる。IGBTとして形成された半導体装置100のケースであれば、第2のコンタクトK2をコレクタコンタクトとすることができる。FETまたはJFETとして形成された半導体装置100のケースであれば、第2のコンタクトK2をドレインコンタクトとすることができる。ダイオードまたはサイリスタとして形成された半導体装置100のケースであれば、第2のコンタクトK2をカソードコンタクト(アノードコンタクト)とすることができる。
図2の概略断面図に示されている半導体装置100の実施例によれば、第1の半導体領域104は、SiC半導体ボディ102の垂直方向yに沿って垂直方向の広がりdを有する。この実施例によれば、第1の表面108から出発して、深さt=0からt=d/2までのSiC半導体ボディ102の第1の深さ範囲114では、第1の導電型のドーパントの少なくとも60%またはそれどころか少なくとも80%が、第1のドーパント種に相当する。第1のドーパント種の第1の導電型のドーパントは、比較的浅いエネルギー準位を有することができる。t=d/2からt=dまでの第2の深さ範囲115では、第1の導電型のドーパントの少なくとも30%またはそれどころか少なくとも50%が、第2のドーパント種に相当する。第1の導電型の第2のドーパント種は、それぞれ深いところに位置するエネルギー準位を有し得る1つまたは2つのドーパントを含むことができる。特に、第2のドーパント種のドーパントは不純物を除きもっぱら1つまたはもっぱら2つのドーパントによって形成されている、というようにすることができる。第1の深さ範囲114は例えば第1の半導体領域104の上部であり、第2の深さ範囲115は第1の半導体領域104の下部である。
第1の半導体領域104の第1の深さ範囲114において、第1の導電型のドーパント量を、すなわち第1の導電型のドーパント種全体に関するドーパント量をq1で表し、第1および第2のドーパント種の量を、q11およびq12で表すならば、第1の深さ範囲114において以下が成り立つ。すなわち、
q11/q1>0.6 (1)
第2の深さ範囲115において、第1の半導体領域104の第1の導電型のドーパント量を、すなわち第1の導電型のドーパント種全体に関するドーパント量をq2で表し、第1および第2のドーパント種の量を、q21およびq22で表すならば、第2の深さ範囲115において以下が成り立つ。すなわち、
q22/q2>0.3 (2)
第1の深さ範囲114におけるドーパント量は、垂直方向に沿ってt=0からt=d/2までの第1の深さ範囲114において積分されたドーパント濃度を表し、すなわち例えばcmといった単位面積あたりのドーパント量を表す。第2の深さ範囲115におけるドーパント量は、垂直方向に沿ってt=d/2からt=dまでの第2の深さ範囲115において積分されたドーパント濃度を表し、すなわち例えばcmといった単位面積あたりのドーパント量を表す。この実施例によれば、再結合のために用いられる第2のドーパント種は平均的に、第1のドーパント種よりもpn接合110の近くに配置されている。換言すれば、第2のドーパント種の大部分の割合は、第1のドーパント種の大部分の割合よりもpn接合110の近くに配置されており、ただし「大部分」とは、個々のドーパント種の量の少なくとも50%、特に少なくとも80%を意味するものとすることができる。本願の場合には一般に用語「平均的に」を、個々のドーパント種の大部分の割合に当てはめることができる。よって、第1のドーパント種に起因するとみなせる電荷キャリア注入は、第2のドーパント種が平均的にそれよりも深く配置されていることからすれば、この第2のドーパント種の再結合作用によって減少させることができる。このことによって、半導体装置の信頼性に有利な作用を及ぼすことができる。
1つの実施例によれば、第1の深さ範囲114における第1のドーパント種の最大ドーパント濃度は、第2の深さ範囲115における第2のドーパント種の最大ドーパント濃度よりも高い。
さらに別の実施例によれば、第1の深さ範囲114における第1のドーパント種の最大ドーパント濃度は、第2の深さ範囲115における第2のドーパント種の最大ドーパント濃度よりも低い。なお、ドーパント濃度のこのような分布は注入条件にとってクリティカルなものではない、とすることができ、その理由は、中性状態においてエネルギー準位が深いところに位置する場合には、導入されるドーパントの比較的僅かな割合だけしか電気的に活性ではなく、したがって電荷キャリア注入には比較的僅かにしか寄与しないからである。
図3の概略断面図に示された半導体装置100の実施例によれば、SiC半導体ボディ102の第1の表面108に隣接する第1の半導体領域104の第1の部分118における第1のドーパント種の平均ドーパント濃度
Figure 2019145791
は、第2のドーパント種の平均ドーパント濃度
Figure 2019145791
よりも高い。第2の半導体領域106に隣接する第1の半導体領域104の第2の部分119において、第2のドーパント種の平均ドーパント濃度
Figure 2019145791
は、第1のドーパント種の平均ドーパント濃度
Figure 2019145791
よりも高い。平均ドーパント濃度によって、個々の領域におけるドーパント濃度の平均値が表される。
よって、第1の部分118では、すなわちt=0からt=trefまでの深さ範囲では、
Figure 2019145791
が成り立つ。ただし、trefは基準深さを表し、この深さにおいて第1の部分118は垂直方向yに沿って第2の部分119に隣接する。
同様に第2の部分119では、すなわちt=trefからt=dまでの深さ範囲では、
Figure 2019145791
成り立つ。ただしc1は、比較的浅いエネルギー準位を有するドーパント(例えば窒素原子)であり、c2は、比較的深いエネルギー準位を有する1つまたは複数のドーパント(例えばホウ素および/またはガリウム)である。
この実施例において上述の式(3)および(4)が満たされているかぎりは、上述の領域よりも狭い深さ範囲において、注入条件例えば用いられる注入エネルギーおよびアニーリング条件などに応じて、それぞれ逆の特性を生じさせてもよい。同様に、第1の部分内のいずれの深さについても、c1(t)>c2(t)を満たすことができ、他方、第2の部分内のいずれの深さについても、c2(t)>c1(t)を満たすことができる。
図2による実施例に関連して述べたように、図3による実施例の場合にも、再結合のために用いられる第2のドーパント種は平均的に、第1のドーパント種よりもpn接合110の近くに配置されている。したがってこの実施例の場合にも、図2の実施例に関連して説明した利点を達成することができる。
例えば基準深さtrefは、SiC半導体ボディ102への第1の半導体領域104の垂直方向の広がりdの50%〜80%の範囲内にあり、つまりこの実施例によれば、
0.5 d≦tref≦0.8 d (5)
が成り立つ。
1つの実施例によれば、第1の半導体領域はp型ドーピングされており、第2の半導体領域はn型ドーピングされている。p型ドーピングされた第1の半導体領域に隣接するn型ドーピングされたドリフトゾーンの一部分において、ホウ素によるn型ドーピングの部分的な補償を生じさせることができる。その結果、ドリフトゾーン内のホウ素の付加的な拡散中心に基づき、電荷キャリア移動度が減少するようになる。しかも部分的なドーパント補償によって、正味のバックグラウンド電荷が低減される。これによって有利には、ブレークダウン耐性を高めることができる。しかもドリフトゾーンにおける付加的なホウ素ドーピングによって、悪影響を及ぼす結晶欠陥の伝播に対して有利な作用を及ぼすことができる。
図4の概略図に例えば具体的に示されている1つの実施例によれば、第1のドーパント種はアルミニウムであり、第2のドーパント種はホウ素であり、第1の半導体領域104の第1の部分領域1181と、第1の部分領域1181に対し垂直方向yで離間された第2の領域1182と、において、アルミニウムの濃度cAlはホウ素の濃度cよりも高い。第1の部分領域1181と第2の部分領域1182との間に第3の部分領域1183が設けられており、この領域ではホウ素の濃度cがアルミニウムの濃度cAlよりも高い。このようにすれば例えば、第1の半導体領域104を形成する際のAl注入の数を、ドーパント種Alが優位である垂直方向に離間された部分領域同士をドーパント種Bが優位である領域を介して互いに電気的に接続することによって、低減することができる。したがって、SiCにおいてホウ素はAlに比べて強く拡散することを考慮すれば、第1の半導体領域104を形成する際の注入の総数を低減することができる。例えば第1の部分領域1181および第2の領域1182におけるアルミニウムの最大濃度は、第3の部分領域1183におけるホウ素の最大濃度よりも高い。第2の部分領域1182の下方に続けて、第1の半導体領域104の1つまたは複数のさらに別の部分領域を、例えば図2による第2の部分領域115の一部分を、設けることができる。オプションとして、これらの部分領域のうちの1つまたは複数に付加的に、ドーパント種ガリウムを含めることができる。
図5A〜図5Dには、第1の半導体領域104を形成するためのドーパント濃度の特性が示されている。これらの図面によれば、第1の半導体領域104を形成する注入の特性が、深さtへの垂直方向の広がりに対して描かれている。
図5Aのグラフによれば、Al濃度c1Alの第1の特性と、Al濃度c1Alのこの第1の特性に比べて深いところに位置するB濃度c1の第1の特性と、の重畳によって、第1の半導体領域104が形成される。濃度c1Alが濃度c1よりも高い深さ範囲は、例えば図3における実施例の第1の部分118に相当し、濃度c1が濃度c1Alよりも高い深さ範囲は、例えば図3における実施例の第2の部分119に相当する。当然ながら第1の半導体領域104を、それぞれ異なる深さに最大値がある複数のAl注入特性を重畳することから、構築することもできる。同様に第1の半導体領域104を、それぞれ異なる深さに最大値がある複数のB注入特性を重畳することから、構築することもできる。このことは、図5B〜図5Dに描かれたさらに別の例示的な特性についても同様に当てはまる。第2の半導体領域106におけるドーパント濃度ccの特性は、図5A〜図5Dにおいては例えば一定の特性として描かれている。オプションとして、これらの部分領域のうちの一方にまたは両方共に、付加的にドーパント種ガリウムを含めることができる。
図5Bのグラフによれば、Al濃度c1Alの第1の特性と、Al濃度c1Alのこの第1の特性に比べて深いところに位置するAl濃度c2Alの第2の特性と、濃度c2Alの最大値の深さの領域に最大値があるB濃度c1の第1の特性と、の重畳によって、第1の半導体領域104が形成される。Al濃度c2Alの第2の特性を、ガリウムドーピング特性によって置き換えることまたは補うこともできる。
図5Cのグラフによれば、Al濃度c1Alの第1の特性と、Al濃度c1Alのこの第1の特性に比べて深いところに位置するAl濃度c2Alの第2の特性と、濃度c2Alの最大値よりも深いところに最大値があるB濃度c1の第1の特性と、の重畳によって、第1の半導体領域104が形成される。Al濃度c2Alの第2の特性を、ガリウムドーピング特性によって置き換えることまたは補うこともできる。
図5Dのグラフによれば、Al濃度c1Alの第1の特性と、Al濃度c1Alのこの第1の特性に比べて深いところに位置するGa濃度c1Gaの第1の特性と、の重畳によって、第1の半導体領域104が形成される。濃度c1Alが濃度c1Gaよりも高い深さ範囲は、例えば図3における実施例の第1の部分118に相当し、濃度c1Gaが濃度c1Alよりも高い深さ範囲は、例えば図3における実施例の第2の部分119に相当する。ホウ素に比べてガリウムは、半導体ボディの深部へと急速に拡散する部分を有していない。このことは、図5A〜図5Cの特性c1における末端部分から識別することができ、これは図5Dの特性c1Gaには欠けている。特性c1におけるこのような末端部分によって、ホウ素によるn型ドーパントの部分的なドーパント補償が生じる。その結果、ホウ素の付加的な拡散中心に基づき、電荷キャリア移動度の減少が生じる。しかも部分的ドーパント補償によって、正味のバックグラウンド電荷が低減される。これによって有利には、ブレークダウン耐性を高めることができ、かつ欠陥伝播を低減することができるけれども、この作用によってMOSFETのスイッチオン抵抗が僅かに高まる可能性があり、そのため3つのドーパントすなわちAl、GaおよびBすべての組み合わせによって、半導体チップの電気特性の最適化の可能性を実現することもできる。
図6Aおよび図6Bには、ストライプ状のトランジスタセルTCとディープトレンチゲート構造150とを備えたSiC半導体ボディ102を含む半導体装置500が示されている。
SiC半導体ボディ102は第1の表面108を前面に有しており、この表面は同一平面上の複数の表面区間を含むことができ、これによってリブ状の第1の表面を形成することができる。第1の表面108を主格子面と一致させることができ、または格子面例えば(0001)格子面に対し角度偏差αで斜めに延在させることができ、この場合、角度偏差を最大で12°例えば約4°とすることができる。
図示されている実施形態の場合には、<0001>結晶方向が法線Nに対し角度偏差αだけ傾斜させられている。<11−20>結晶方向は、水平面に対し同じ角度偏差αだけ傾斜させられている。<1−100>結晶方向は、断面に対し直交している。
SiC半導体ボディ102は、第1の表面108に対し平行な第2の表面112を背面に有する。
SiC半導体ボディ102内に形成されたドリフト構造130は、第2の表面112に隣接する少なくとも1つの高濃度ドーピングされたコンタクト層139と、第1の表面108と高濃度ドーピングされたコンタクト層139との間に位置する第2の導電型の低濃度ドーピングされたドリフトゾーン131と、を含む。オプションとして、ドリフトゾーン131と高濃度ドーピングされたコンタクト層139との間に、さらに緩衝層を組み込むことができ、この緩衝層は、平均的にドリフトゾーン131内のドーピング濃度よりも高く、かつコンタクト層139内のドーピング濃度よりも低いドーピング濃度を有しており、これら両方のゾーンと同じ導電型を有する。
高濃度ドーピングされたコンタクト層139は、ドリフトゾーン131と同じ導電型であり、結晶から鋸引きされたもしくは結晶から切断された基板区間とすることができ、またはかかる基板区間を含むことができ、または完全にエピタキシャル法により生じさせることができる。コンタクト層139は、第2の表面112とじかに隣接させることのできる第2の負荷電極320とオーム接触を形成している。第2の表面112に沿ってコンタクト層139のドーピング濃度は、第2の負荷電極320との低抵抗接触を形成するのに十分に高い。
ドリフトゾーン131を、エピタキシによりコンタクト層139上で成長させられる層において形成することができる。ドリフトゾーン131における平均ドーパント濃度は、例えば少なくとも1015cm−3から最大5×1016cm−3の範囲内にある。ドリフトゾーン131およびコンタクト層139のほか、ドリフト構造130はさらに別のドーピング領域を含むことができ、例えばフィールドストップゾーン、阻止ゾーンもしくはバリアゾーン、および/またはドリフトゾーン131の導電型の電流拡散ゾーン、および/または相補的な導電型のアイランド状、柱状および/またはストライプ状の領域を含むことができる。
SiC半導体ボディ102の前面におけるトランジスタセルTCは、ゲート構造150に沿って形成されており、それらのゲート構造150は、第1の表面108からSiC半導体ボディ102中へ延びており、その際にSiC半導体ボディ102のメサ型区間190によって、隣り合うゲート構造150が互いに分離されている。
第1の水平方向x1に沿ったゲート構造150の長手方向の広がりは、第1の水平方向に対し直交しかつ長手方向の広がりと交差する第2の水平方向x2に沿ったゲート構造150の幅よりも大きい。ゲート構造150を縦型トレンチとすることができ、このトレンチは、トランジスタセルTCを含むセルフィールド領域の一方の側から反対側まで延びている。ゲート構造150の長さを数100μmまでとすることができ、または数mmまで、またはそれどころか数cmまでとすることができる。
別の実施例によればゲート構造150を、それぞれセルフィールド領域の一方の側から反対側まで延びる平行なラインに沿って形成することができ、その際にそれぞれ同じラインに沿って互いに分離された多数のゲート構造150が形成されている。ゲート構造150は、格子の網目にメサ型区間190が設けられた格子を形成することもできる。
ゲート構造150を互いに等間隔に離間させることができ、それらが同じ幅を有することができ、かつ/または規則的なパターンを形成することができる。ゲート構造150の中央から中央の間隔を、少なくとも1μmから最大で10μmの範囲内にあるものとすることができ、例えば少なくとも2μmから最大で5μmの範囲内にあるものとすることができる。ゲート構造150の垂直方向の広がりを、少なくとも300nmから最大で5μmとすることができ、例えば少なくとも500nmから最大で2μmの範囲内にあるものとすることができる。
ゲート構造150の側壁を、第1の表面108に対し垂直に配向することができ、または垂直方向に対しいくらか傾斜させることができ、その際に互いに対向する側壁を、互いに平行または斜めに延在させることができる。1つの実施形態によれば、ゲート構造150の幅は、第1の表面108から離れるにつれて減少する。例えば一方の側壁は角度偏差αだけ逸れており、他方の側壁は法線Nから−αだけ逸れている。
メサ型区間190は、互いに対向する2つのメサ型側壁191,192を有しており、これらの側壁は、隣り合う2つのゲート構造150にじかに隣接している。少なくとも1つの第1のメサ型側壁191は、電荷キャリア移動度が高い格子面に位置しており、例えば4H−SiCのケースでは(11−20)格子面いわゆるA面に位置している。第1のメサ型側壁191に対向する第2のメサ型側壁192を、角度偏差αの2倍だけ、例えば約8°だけ、該当する格子面に対し傾斜させることができる。
ゲート構造150は導電性ゲート電極155を有しており、この電極は、高濃度ドーピングされた多結晶ケイ素層、1つまたは複数の部分から成る金属構造、またはこれらの両方を有することができる。ケイ素層をゲート金属化部と電気的に接続することができ、このゲート金属化部はゲート端子を成しており、またはかかるゲート端子と電気的に接続または結合されている。
ゲート構造150の少なくとも一方の側に沿って、ゲート誘電体159によりゲート電極155がSiC半導体ボディ102から分離されている。ゲート誘電体159は半導体誘電体を有することができ、例を挙げると熱成長または堆積させられた半導体酸化物例えば酸化ケイ素、半導体窒化物例えば堆積または熱成長させられた窒化ケイ素、半導体酸窒化物例えば酸窒化ケイ素、堆積させられた他の誘電体材料、またはここで挙げた材料の任意の組み合わせを有することができる。ゲート誘電体159の層厚を例えば、トランジスタセルTCの閾値電圧が1V〜8Vの範囲内にあるように選定することができる。
ゲート構造150は、もっぱらゲート電極155およびゲート誘電体159だけを有することができ、またはそれらのゲート電極155およびゲート誘電体159に加えて、さらに別の導電性および誘電性の構造例えばフィールドプレートおよびアイソレーション誘電体を有することができる。
メサ型区間190において、SiC半導体ボディ102の前面に向かってソース領域111が形成されており、この領域を第1の表面108と個々のメサ区間190の第1のメサ型側壁191とに直接、隣接させることができる。この場合、各メサ型区間190は、SiC半導体ボディ102内で互いに結合された区間またはSiC半導体ボディ102内で互いに分離された少なくとも2つの区間を含む1つのソース領域111を有することができ、この領域は、メサ型区間190に隣接するコンタクトまたはトレンチコンタクトを介して、低抵抗で互いに電気的に接続されている。
さらにメサ型区間190はドーピング領域120を含み、この領域はソース領域111をドリフト構造130から分離し、ドリフト構造130と第1のpn接合pn1を形成し、かつソース領域111と第2のpn接合pn2を形成している。ドーピング領域120は、第1の負荷電極310とオーム接触を形成している。
図示の実施例の場合、ドーピング領域120は、低濃度ドーピングされたボディ領域121と高濃度ドーピングされた遮蔽領域122とを含む。
ボディ領域121は、第1のメサ型側壁191とじかに隣接している。トランジスタセルTCのスイッチオン状態において、ボディ領域121内でゲート構造150に沿って、ソース領域111をドリフト構造130と接続する反転チャネルが形成される。ボディ領域121の垂直方向の広がりは、トランジスタセルTCのチャネル長に相当し、これを例えば200nm〜1500nmとすることができる。
阻止状態において高い電界強度が生じた場合にゲート構造150の底部(いわゆるトレンチボトム)の保護を保証する遮蔽領域122が、ボディ領域121と第2のメサ型側壁192との間に形成されており、これをボディ領域121にじかに隣接させることができる。遮蔽領域122の垂直方向の広がりを、ボディ領域121の垂直方向の広がりよりも大きくすることができ、例えばゲート構造150の垂直方向の広がりよりも大きくすることができる。遮蔽領域122の一部分を、ゲート構造150の底部と第2の表面112との間に直線的に形成することができ、ゲート構造150を第2の負荷電極320の電位に対し遮蔽することができる。第2のメサ型側壁192に沿った遮蔽領域122における最大ドーパント濃度p12は、第1のメサ型側壁191に沿ったボディ領域121における最大ドーパント濃度p11よりも高く、例えば少なくとも2倍またはそれどころか5倍高い。
第1の負荷電極310はソース端子Sを成すことができ、またはソース端子Sと電気的に接続または結合することができる。背面に設けられた第2の負荷電極320はドレイン端子Dを成すことができ、またはドレイン端子Dと電気的に接続または結合することができる。
1つの実施例によれば、トランジスタセルTCは、p型ドーピングされたボディ領域121とn型ドーピングされたソース領域111とn型ドーピングされたドリフトゾーン131とを備えたnチャネルFETセルである。別の実施形態によれば、トランジスタセルTCは、n型ドーピングされたボディ領域121とp型ドーピングされたソース領域111とp型ドーピングされたドリフトゾーン131とを備えたpチャネルFETセルである。
半導体装置500のスイッチオン状態において第1の負荷電極310と第2の負荷電極320との間でSiC半導体ボディ102を通って流れる負荷電流は、ゲート誘電体159に沿って誘導される反転チャネル内でボディ領域121を通過する。ボディ領域121内のドーパント濃度に比べて遮蔽領域122内のドーパント濃度が高いことから、絶対的な限界データ内で動作しているとき、第2のメサ型側壁192に沿った反転チャネルの形成が抑圧され、これによって特に、阻止状態において高い電界強度が生じた場合にゲート構造150の底部の保護が提供される。この領域は特に、阻止状態においてゲート構造150の底部を保護する役割を果たすので、深いところに位置するエネルギー準位を有するドーパントによってこの領域をドーピングするのが特に有利である。この領域によって、自由電荷キャリアが比較的僅かにしか注入されないようになるのが望ましいことから、このことは導通状態において、上述のドーパントが比較的僅かにしか活性化されないことにより格別優れた手法で保証され、ただしゲート構造150の底部に対する保護作用において損失を甘受しなくてもよく、その理由は、深いところに位置するエネルギー準位を有するそれらの原子は、それらが空間電荷ゾーン内に入るとただちに、再びほぼ完全に活性化されるからである。
図7には、SiC半導体ボディ102の前面にプレーナ型ゲート構造150を備えた半導体装置500が示されている。この場合、1つのセルフィールド領域内において個々のゲート構造150が、そのゲート構造150に対して対称に形成された2つのトランジスタセルTCに対応づけられている。
ゲート構造150は、導電性ゲート電極155と、第1の表面108上にじかに形成されていてゲート電極155をSiC半導体ボディ102から分離するゲート誘電体159と、を含む。第1の表面108からSiC半導体ボディ102中に延びているドーピング領域120は、2つの隣り合うゲート構造150のそれぞれ2つの隣り合うトランジスタセルTCに対応づけられている。これら2つのトランジスタセルTCのソース領域111は、第1の表面108からドーピング領域120中に延びている。ドーピング領域120はコンタクト領域129を有しており、このコンタクト領域129においてドーパント濃度は、コンタクト領域129外側のドーピング領域120の主領域におけるドーパント濃度よりも高く、さらにこのコンタクト領域129は、ソース領域111間で第1の表面108に隣接することができる。ドーピング領域120の主領域は、トランジスタセルTCのボディ領域121を形成している。
ドリフトゾーン131とコンタクト層139とを含むドリフト構造130によって、トランジスタセルTCがSiC半導体ボディ102の第2の表面112から分離されており、この場合、ドリフトゾーン131は、隣り合うボディ領域121間でゲート電極155の下方において、第1の表面108に達することができる。
スイッチオン状態でトランジスタセルTCは、ボディ領域121のチャネル領域においてゲート誘電体159に沿って横方向の反転チャネルを形成し、この反転チャネルによってソース領域111が、第1の表面108に隣接するドリフト構造130の区間と、例えばドリフトゾーン131と接続される。
中間層誘電体210によってゲート電極155が、SiC半導体ボディ102の前面に設けられた第1の負荷電極310から分離される。中間層誘電体210の開口部におけるコンタクト315によって、第1の負荷電極310がコンタクト領域129およびソース領域111と接続される。
図8の場合には、ほぼV字型の垂直方向断面を有するシャロートレンチ内に、ゲート構造150が形成されている。ゲート電極155を、ほぼ等しい層厚でトレンチの側壁および底部に沿って延ばすことができる。隣り合うゲート構造150間におけるSiC半導体ボディ102のメサ型区間190は、第1の表面108に沿って形成されたソース領域111と、それらのソース領域111とドリフト構造130との間のドーピング領域120と、を含み、この場合、ドーピング領域120はそれぞれ、いっそう低濃度でドーピングされたボディ領域121と、いっそう高濃度でドーピングされたコンタクト領域129と、を有することができる。
図9の半導体装置500は、第1の表面108からSiC半導体ボディ102中へ延びるゲート構造150を有しており、この場合、ゲート構造150の側壁は第1の表面108に対し垂直に延在している。隣り合うゲート構造150間のSiC半導体ボディ102のメサ型区間190に、ドーピング領域120が形成されており、このドーピング領域120は、ドリフト構造130と第1のpn接合pn1を形成しており、かつ第1の表面108に沿って形成されたソース領域111と第2のpn接合pn2を形成している。
中間層誘電体210によって、ゲート構造150のゲート電極155が第1の負荷電極310から分離される。隣り合うゲート構造150間において、トレンチコンタクト316が第1の負荷電極310からメサ型区間190中に延びており、SiC半導体ボディ102と側方で接触し、かつソース領域111を第1の負荷電極310と接続している。SiC半導体ボディ102内におけるトレンチコンタクト316の区間の垂直方向の広がりを、ゲート構造150の垂直方向の広がりとほぼ一致させることができる。
ドーピング領域120の一部分を、それぞれトレンチコンタクト316の下方に形成することができ、これによってトレンチコンタクト316をドリフト構造130から分離することができる。ドーピング領域120のいっそう高濃度にドーピングされたコンタクト領域129が、トレンチコンタクト316にじかに続くようにすることができる。
図6A〜図9に示した実施例は、図1〜図5Dに示した半導体装置100の例示的なFETであり、その際に図6B、図7、図8、図9におけるボディ領域121を、図1に関連して説明した第1の半導体領域104に対応させることができる。同様に図6Bにおける遮蔽領域122も、図1に関連して説明した第1の半導体領域104に対応させることができる。また、ボディ領域121も遮蔽領域122も、図1に関連して説明した第1の半導体領域104のように構築することができる。さらに図6B、図7、図8、図9におけるドリフトゾーン131を、例えば図1に関連して説明した第2の半導体領域106に対応させることができる。
本明細書において特定の実施形態について具体的に示して説明してきたけれども、当業者であればわかるように、図示し説明したそれら特定の実施形態を、本発明の保護範囲から逸脱することなく、数多くの代替構成および/または均等構成によって置き換えることができる。本願は、本明細書で述べた特定の実施形態のいかなる適合または変形もカバーするものである。したがって本発明は、特許請求の範囲およびそれらの均等物によってのみ限定される。

Claims (19)

  1. 半導体装置(100)であって、前記半導体装置(100)は、
    第1の導電型の第1の半導体領域(104)と、第2の導電型の第2の半導体領域(106)と、を含むSiC半導体ボディ(102)を有しており、
    前記第1の半導体領域(104)は、前記SiC半導体ボディ(102)の第1の表面(108)に電気的に接触させられており、前記第2の半導体領域(106)とpn接合(110)を形成しており、
    前記第1の半導体領域(104)および前記第2の半導体領域(106)は、前記第1の表面(108)に対し直角を成す垂直方向(y)で上下に配置されており、
    前記第1の半導体領域(104)は、第1のドーパント種と第2のドーパント種とを有しており、
    前記第1のドーパント種から最も近いバンド端までのエネルギーギャップは、250meVよりも小さく、
    前記第2のドーパント種から最も近いバンド端までのエネルギーギャップは、250meVよりも大きい、
    半導体装置(100)。
  2. 前記第1のドーパント種は、アルミニウムであり、前記第2のドーパント種は、ホウ素またはガリウムである、
    請求項1記載の半導体装置(100)。
  3. 前記第1の半導体領域(104)は、さらに、前記第1の導電型の第3のドーパント種も有しており、
    前記第2のドーパント種は、ホウ素またはガリウムであり、
    前記第3のドーパント種は、ホウ素およびガリウムのうち前記第2のドーパント種とは異なる種に相当する、
    請求項1または2記載の半導体装置(100)。
  4. 前記第1の半導体領域(104)は、前記SiC半導体ボディ(102)の垂直方向(y)に沿って垂直方向の広がりdを有しており、
    前記第1の半導体領域(104)において、前記第1の表面(108)から出発して0からd/2までの第1の深さ範囲(114)では、前記第1の導電型のドーパントの少なくとも60%が前記第1のドーパント種に相当し、d/2からdまでの第2の深さ範囲(115)では、前記第1の導電型のドーパントの少なくとも30%が前記第2のドーパント種に相当する、
    請求項1から3までのいずれか1項記載の半導体装置(100)。
  5. 前記第1の深さ範囲(114)における前記第1のドーパント種の最大ドーパント濃度は、前記第2の深さ範囲(115)における前記第2のドーパント種の最大ドーパント濃度よりも高い、
    請求項4記載の半導体装置(100)。
  6. 前記第1の深さ範囲(114)における前記第1のドーパント種の最大ドーパント濃度は、前記第2の深さ範囲(115)における前記第2のドーパント種の最大ドーパント濃度よりも低い、
    請求項4記載の半導体装置(100)。
  7. 前記SiC半導体ボディ(102)の前記第1の表面(108)に隣接する前記第1の半導体領域(104)の第1の部分(118)における前記第1のドーパント種の平均ドーパント濃度
    Figure 2019145791
    は、前記第2のドーパント種の平均ドーパント濃度
    Figure 2019145791
    よりも高く、
    前記第2の半導体領域(106)に隣接する前記第1の半導体領域(104)の第2の部分(119)における前記第2のドーパント種の平均ドーパント濃度
    Figure 2019145791
    は、前記第1のドーパント種のドーパント濃度
    Figure 2019145791
    よりも高い、
    請求項1から6までのいずれか1項記載の半導体装置(100)。
  8. 前記第1の部分(118)は、前記第1の表面(108)から出発して深さtにおいて前記第2の部分(119)に移行しており、
    前記深さtは、前記SiC半導体ボディ(102)への前記第1の半導体領域(104)の垂直方向侵入深さ(d)の50%〜80%の範囲内にある、
    請求項7記載の半導体装置(100)。
  9. 前記第2の半導体領域(106)は、ドリフトゾーンである、
    請求項1から8までのいずれか1項記載の半導体装置(100)。
  10. 前記ドリフトゾーンは、第1の領域と、前記第1の領域よりも低濃度でドーピングされた第2の領域と、を有しており、
    前記ドリフトゾーンの前記第1の領域は、前記第1の半導体領域と前記ドリフトゾーンの前記第2の領域との間に配置されている、
    請求項9記載の半導体装置(100)。
  11. 前記第1の半導体領域(104)は、p型ドーピングされており、前記第2の半導体領域(106)は、n型ドーピングされている、
    請求項1から10までのいずれか1項記載の半導体装置(100)。
  12. p型ドーピングされた前記第1の半導体領域(104)に隣接するn型ドーピングされたドリフトゾーンの部分において、ホウ素によるn型ドーピングの部分的な補償が行われる、
    請求項11記載の半導体装置(100)。
  13. 前記第1の半導体領域(104)の、第1の部分領域(1181)と前記第1の部分領域(1181)に対し垂直方向に離間された第2の部分領域(1182)とにおいて、前記第1のドーパント種の濃度が前記第2のドーパント種の濃度を上回っており、
    前記第1の部分領域(1181)と前記第2の部分領域(1182)との間に、第3の部分領域(1183)が位置しており、前記第3の部分領域において、前記第2のドーパント種の濃度が前記第1のドーパント種の濃度を上回っている、
    請求項1から12までのいずれか1項記載の半導体装置(100)。
  14. 前記第1の部分領域(1181)および前記第2の部分領域(1182)における前記第1のドーパント種の最大濃度は、前記第3の部分領域(1183)における前記第2のドーパント種の最大濃度よりも高い、
    請求項13記載の半導体装置(100)。
  15. 前記半導体装置(100)は、さらに、
    前記SiC半導体ボディ(102)の前記第1の表面(108)に設けられた第1の負荷端子と、
    前記SiC半導体ボディの第2の表面に設けられた第2の負荷端子と、
    を有しており、
    前記半導体装置は、少なくとも1Aの負荷電流を流すように構成されている、
    請求項1から14までのいずれか1項記載の半導体装置(100)。
  16. 前記半導体装置は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタIGFETであり、前記第1の半導体領域(104)は、ゲート誘電体に隣接するボディ領域である、
    請求項1から15までのいずれか1項記載の半導体装置(100)。
  17. 前記半導体装置は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタIGFETであり、前記第1の半導体領域(104)は、ゲート誘電体に隣接するボディ領域よりも深く前記SiC半導体ボディ(102)中に達している、
    請求項1から15までのいずれか1項記載の半導体装置(100)。
  18. 前記IGFETの前記ゲート誘電体は、ゲートトレンチ内に形成されており、前記ボディ領域は、前記ゲートトレンチの第1の側壁に隣接しており、
    前記第1の側壁は、前記ゲートトレンチの第2の側壁と対向しており、前記第1の領域は、前記ゲートトレンチの前記第2の側壁に隣接している、
    請求項17記載の半導体装置(100)。
  19. 前記半導体装置(100)は、電力用半導体ダイオードであり、前記第1の領域は、アノード領域である、
    請求項1から15までのいずれか1項記載の半導体装置(100)。
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