JP3248818B2 - 半導体素子の電極パッドおよびその製造方法 - Google Patents

半導体素子の電極パッドおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、配線接続用の半導体素
子の電極パッドおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、トランジスタの電極パッド、例え
ばMES電界効果トランジスタ(以下FETという)や
HEMTのゲート電極は図14に示すような構造になっ
ている。図14において、実際にゲート電極として動作
するのは、ゲートメタル1における能動層2上のゲート
電極部1aであり、能動層2に対してゲート電極部1a
の容量Cgsを持つ。この容量Cgsはゲート電極部1aに
加えられる電圧により変化する。ゲート電極部1aの長
さLgは、例えばGaAsの低雑音用FETでは0.2
μm程度であり、そのままでは上層の配線と接続するの
が困難であるため、ゲートメタル1としてゲート電極部
1aと一体的に電極パッド部1bを設けている。このと
き、ゲート電極部1aと電極パッド部1bは同時に形成
されるので、電極パッド部1bは能動層2ではない半導
体基板上、例えばGaAsの半絶縁性基板上に形成さ
れ、電極パッド部1bに容量Cpを持つ。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のFETにお
ける遮断周波数ftや最高発振周波数fmaxには、ゲート
電極部1aの容量Cgsのみが関係するはずであるが、実
際には、電極パッド部1bの容量Cpも寄与し、その寄
与の仕方は電極パッド部1bの形状に依存する。このこ
とは、文献(楳田等「微細ゲートFETの遮断周波数f
t、最高発振周波数fmaxに対する電極面積縮小の効
果」、1993年電子情報通信学会秋期大会C−31)
に述べられている。これは、図15に示すように、電極
パッド部1bにより半絶縁性基板に形成する空乏層がゲ
ート電極部1a下の能動層2側にも広がるため、ゲート
容量が実効的に大きくなるためであると考えられる。こ
のことは、短ゲート幅のFETに対して狭チャネル効果
の原因にもなる。
【0004】その他にも隣のFETのn+層からゲート
電極パッドを経由してリーク電流が流れサイドゲート効
果が生じることが文献(猪口等「半絶縁性基板上のGa
AsLSIのアイソレーション技術の検討」、沖電気研
究開発 1991年1月号)に述べられている。
【0005】即ち、電極パッド部1bが半導体基板上に
形成されていることにより、FETに対して以下のよう
な問題点〜を有している。
【0006】遮断周波数ft、最高発振周波数fmaxが
低下する。
【0007】電極パッドの形状に制約があるため設計
の自由度が低下する。
【0008】短ゲート幅のFETに対して狭チャネル
効果が生じるため、ゲート幅に対してしきい値電圧など
のトランジスタ特性が不均一になる。
【0009】サイドゲート効果が生じる。
【0010】以上述べたように、本発明者等は、上記問
題点〜が、電極パッド1bが半導体基板上に形成さ
れていることにより生ずるため、電極パッドが半導体基
板に接さないようにすれば上記問題点〜は解決でき
るものと考える。しかし、従来はゲート電極と電極パッ
ドは同時に形成されるので、そのような構造をとること
はできなかった。また、例えば、図16および図17に
示す方法や図18および図19に示す方法により、電極
パッド部1bが半導体基板に接しないように形成できる
ことが考えられる。
【0011】上記図16および図17に示す方法の場合
には、まず、図16に示すように、窒化膜3に形成され
た微細なゲート開口部(低雑音トランジスタでは0.2
μm程度)4に対して、ゲート電極蒸着用パターン5を
アライメントすることにより電極パッド部を窒化膜3上
に形成する方法である。しかし、この方法では微細なゲ
ート開口部4に対してゲート電極蒸着用パターン(同じ
く0.2μm程度)5のアライメント時に誤差が生じ
る。この誤差は現在の露光装置では0.1μm程度であ
るがゲート寸法の半分程度あり、この方法では、ゲート
電極を再現性よく形成することができないことが解る。
【0012】この問題を回避するためには、図17
(b)に示したような断面がT型になったゲート構造の
ゲート電極6が考えられる。図17(a)のようにレジ
スト7よりなるゲート電極蒸着用パターン5aを、例え
ば0.5μm程度と広くすることにより前記したアライ
メント誤差に対するマージンを広げ、電極パッドを窒化
膜3上に形成する方法である。しかし、この方法では今
度はゲート電極6のオーバーラップ部(図17(b)の
断面図でゲート電極6がSiNxよりなる窒化膜3上に
形成されている部分)に容量を持つため、ゲート電極6
の容量Cgsが大きくなるという問題が生じる。
【0013】これらの問題を回避するために、図18に
示すように能動層2全部またはゲート寸法に比べて充分
広い範囲にゲート開口部8を開口し、ゲート電極蒸着用
パターン5bをレジスト7aで形成して電極パッドを窒
化膜3上に形成する方法が考えられる。しかし、この方
法では能動層2がレジスト7aおよび剥離液の工程に晒
されるため不純物に汚染され、FETのトランジスタ特
性が安定しないという問題が生じる。
【0014】以上のように、FETのトランジスタ特性
の改善などに対する寄与が大きいにもかかわらず電極パ
ッドが半導体基板に接さないように形成することは容易
なことではなかった。
【0015】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、電極パッドが半導体基板に接して形成されているこ
とに起因する問題、例えば電極容量の増加・狭チャネル
効果の発生・サイドゲート効果などを抑制でき、かつ素
子特性が安定した半導体素子の電極パッドおよびその製
造方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子の電
極パッドは、半導体基板上に形成された半導体素子の電
極部および、該半導体基板上に該電極部の配線接続用の
電極パッド部があり、該電極パッド部は該電極部に支持
され、また、該電極パッド部は空中に設けられて該半導
体基板には接していないものであり、そのことにより上
記目的が達成される。請求項1記載の半導体素子の電極
パッドにおいて、前記電極部がゲート電極部である。ま
た、好ましくは、請求項1記載の半導体素子の電極パッ
ドにおいて、前記半導体基板が半絶縁性化合物半導体基
板である。
【0017】請求項1〜3の何れかに記載の半導体素子
の電極パッドにおいて、前記電極部が半導体基板上の一
部に形成された能動層上に設けられている。また、好ま
しくは、請求項4記載の半導体素子の電極パッドにおい
て、前記パッド部の立ち上がり部がアール付き側壁で補
強されている。さらに、好ましくは、請求項4記載の半
導体素子の電極パッドにおいて、前記能動層から前記半
導体基板に対し、水平方向に所定の距離以上離れた位置
の電極パッド部直下に、少なくとも1箇所支持部を設け
ている。さらに、好ましくは、請求項6記載の半導体素
子の電極パッドにおいて、前記所定の距離が10μm以
上である。
【0018】本発明の半導体素子の電極パッドの製造方
法は、一部に能動層が形成された半導体基板上に、電極
位置に対応して該能動層が露出するように保護膜および
薄膜を形成する工程と、該露出した能動層および薄膜上
に、該電極部と電極パッド部を一体化し同時に形成する
工程と、該薄膜を除去する工程とを含むものであり、そ
のことにより上記目的が達成される。
【0019】本発明の半導体素子の電極パッドの製造方
法は、一部に能動層が形成された半導体基板上に、電極
位置に対応して該能動層が露出するように保護膜および
薄膜を形成する工程と、該能動層が露出した該保護膜お
よび薄膜の電極開口部に沿って、内側にアールの付いた
側壁を形成する工程と、該露出した能動層、側壁および
薄膜上に、該電極部と電極パッド部を一体化し同時に形
成する工程と、該薄膜を除去する工程とを含むものであ
り、そのことにより上記目的が達成される。
【0020】さらに、好ましくは、本発明の半導体素子
の電極パッドの製造方法において、薄膜除去工程は選択
エッチングにより行う。
【0021】
【作用】本発明の構造は、電極部と電極パッドを一体化
したメタルと選択エッチングが可能な薄膜を用いて電極
パッド部を空中に設けたので、以下のような機能を持
つ。
【0022】請求項1,の構成により、電極パッドの
下はどこにも接していないので、電極パッドの容量はほ
とんど無い。また、従来の構造では必ず生じる隣のFE
Tなどの素子のn+層から電極パッドを経由したリーク
電流も発生しない。
【0023】また、請求項,10の構成により、
例えば電界効果トランジスタなどの半導体素子の電極パ
ッドを形成する過程において、電極形成前にメタルと選
択エッチングが可能な薄膜が少なくとも電極パッド下の
全面に形成されているので、従来の半導体プロセスで用
いられた材料・装置のみを用いて、空中に電極パッドを
設けた構成を実現できる。また、メタルと選択エッチン
グが可能な薄膜を選択エッチングして除去する前に、半
導体基板を保護する保護膜が形成されているので、本構
造を実現する際に、半導体プロセス中の薬品からの汚染
やエッチングなどから半導体基板が保護できる。さら
に、請求項2,3の構成により、本発明の電極パッドの
製造方法が、トランジスタなどのゲート電極と一体化さ
れたゲート電極パッドに適応できる。
【0024】さらに、請求項の構成により、側壁
の内側がアール形状で形成されているので、電極および
電極パッドが薄くても段差が緩和されて折れ曲がり部で
断線を生じることがない。
【0025】さらに、請求項の構成により、電極パッ
ドの一部が支柱として半導体基板に接しているので、大
面積の電極パッド部もその大部分(支柱部を除いた部
分)を空中に保持することが可能となる。
【0026】さらに、請求項の構成により、半導体基
板に接している支柱部と能動層との距離を10μm以上
取れば、支柱部の空乏層が能動層まで確実に至らない。
【0027】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【0028】図1は本発明の実施例1におけるGaAs
FETの製造工程を示し、(a)はウエハ表面より見た
平面図、(b)は(a)のAA’断面図である。図1
(a)(b)において、半絶縁性GaAs基板11の一
部には能動層12が選択イオン注入により形成されてい
る。このGaAs基板11の全面に表面を保護するため
の窒化膜(SiNx)13が、例えば2000オングス
トロームの膜厚で形成されている。Al薄膜14は能動
層12の部分の窒化膜13が露出するように形成されて
いる。このAl薄膜14の厚さは、例えば2000オン
グストロームである。このAl薄膜14の形成はリフト
オフ法やエッチング法により形成される。
【0029】次に、図2に示すように、ゲートパターン
15をレジスト16で形成する。このゲートパターン1
5のゲートパッド部およびその反対側の端部からはAl
薄膜14が露出し、能動層12に対応したゲートパター
ン15の中央部からは窒化膜13が露出している。ここ
では、ゲートパッド部とゲート電極部との境界部と、能
動層12の端部とが一致しているが、必ずしも一致して
いなくても良い。このように、ゲートパターン15をマ
スクとし、図3(a)および、図3(a)のBB’断面
図である図3(b)に示すように、緩衝フッ酸で窒化膜
13のゲート部のみをエッチングすることにより、ゲー
ト開口部17を形成する。ここで重要なことは、Al薄
膜14は緩衝フッ酸でエッチングされないため、Al薄
膜14の下の窒化膜13はエッチングされない。
【0030】続いて、図4に示すように、ゲートメタル
(本実施例ではTi/Pt/Au)18を、例えばTi
/Pt/Auの順に1000/1000/5000オン
グストローム=7000オングストロームの厚さで蒸着
してリフトオフによりゲート電極を形成する。さらに、
図5に示すように、60℃に加熱したリン酸(H3PO
4)によりAl薄膜14をエッチングする。このとき、
ゲートメタル18のTi/Pt/Auおよび窒化膜13
は加熱したリン酸でエッチングされないため、ゲートメ
タル18のゲート電極パッド部18aは、一端部に支持
されて基板面に平行に空中に形成された形になる。以上
により半導体基板11に接していない、半導体素子とし
てのトランジスタのゲート電極パッド部18aを製造す
ることができる。
【0031】これにより先に述べた問題は全て解決され
ることになる。即ち、ゲート電極パッド部18aが半導
体基板11に接して形成されていることに起因する問
題、例えば電極容量の増加・狭チャネル効果の発生・サ
イドゲート効果などを抑制することができるとともに、
従来のように能動層12が汚染されてトランジスタ特性
が安定化しないようなことはなくなる。
【0032】ここに示した材料とエッチャントとの耐性
をまとめると次の(表1)のようになる。
【0033】
【表1】
【0034】この(表1)において、括弧内には本実施
例で用いた材料を示し、○印はエッチングされること
を、×はエッチングされないことを示している。
【0035】なお、(表1)のエッチャントとの耐性を
満足する材料であれば本実施例の材料に限らないことは
言うまでもないことである。また、本実施例では湿式エ
ッチングを用いたが、適当なドライエッチングでも良
い。
【0036】例えば、本実施例では表面保護膜として窒
化膜13を用いたが、表面保護膜としてSiO2膜やS
iON膜を用いてもよい。また、本実施例ではゲートメ
タル18としてTi/Pt/Auを用いたが、ゲートメ
タル18としてPt、Au、Pt/Au、Ti/Ptま
たはTi/Au(以下Ti/Pt/Au系という)を用
いてもよく、また、Cr、Cr/Au、Cr/Ti/P
t/Au(以下Cr系という)を用いてもよい。
【0037】また、ゲートメタル18としてタングステ
ンW、窒化タングステンWN、珪化タングステンWSi
またはタングステン−アルミW−AlなどのW系メタル
を用いてもよい。このとき、ゲート電極の形成はリフト
オフではなくエッチングで行っても良い。また、W系メ
タルの上にTi/Pt/Au系が蒸着されていてもよ
い。
【0038】さらに、本実施例では、薄膜としてAl薄
膜14を用いたが、薄膜としてW系メタルを用いてもよ
い。このとき、ゲートメタル18としてはTi/Pt/
Au系やAl、Ti/AlまたはCr系が有効であり、
エッチャントBとしては過酸化水素水が有効である。
【0039】また、本実施例では、薄膜としてAl薄膜
14を用いたが、薄膜としてCrを用いてもよい。この
とき、ゲートメタル18としてはTi/Pt/Au系や
W系が有効であり、エッチャントBとしては塩酸が有効
である。
【0040】さらに、本実施例では、薄膜としてAl薄
膜14を用いたが、薄膜としてAuを用いてもよい。こ
のとき、ゲートメタル18としてはAl系やW系が有効
であり、エッチャントBとしてはKI/I2/H2O(例
えば4g:1g:40mlの比率で混合したもの)が有
効である。
【0041】さらに、本実施例では、薄膜としてAl薄
膜14を用いたが、薄膜14としてNiを用いてもよ
い。このとき、ゲートメタル18としてはW系が有効で
あり、エッチャントBとしてはHNO3/CH3COOH
/H2SO4(混合比率は例えば5:5:2)を適量の水
で希釈した液が有効である。
【0042】さらに、本実施例では、薄膜としてAl薄
膜14を用いたが、薄膜としてレジストやポリイミドな
ど有機物の薄膜を用いてもよい。このとき、ゲートメタ
ル18としてはTi/Pt/Au系やAlやTi/Al
やW系メタルが有効であり、エッチャントBとしてはア
セトンなどの有機溶剤や市販のレジスト剥離液または酸
素プラズマによるアッシングが有効である。
【0043】次に、本発明の実施例2について説明す
る。
【0044】図4では半導体表面に表面保護膜としての
窒化膜13が2000オングストローム形成され、さら
に、窒化膜13上にAl薄膜14が2000オングスト
ロームの合計4000オングストローム形成されてお
り、実施例1においてゲートメタル18が薄いとき、折
れ曲がり部で断線する恐れがある。それを防ぐためにS
iO2膜を用いて、内側にアールの付いた側壁を形成す
る。
【0045】図6は図3(b)の工程後、SiO2膜2
0を基板全面に5000オングストローム形成したとこ
ろを示しており、図3(b)の場合と異なるのは側壁2
0aを設ける分だけ大きく開口している点である。その
後、図7に示すように、これをRIE(Reactiv
e Ion Etching)して、能動層12が露出
した保護膜としてのAl薄膜14および、薄膜である窒
化膜13のゲート電極開口部に沿って、内側が丸くなっ
た側壁20aを形成する。このRIEの条件としては、
例えばCF4+H2の混合ガスを流量比46:100、圧
力0.5[mtorr]、RFパワー340[W]で約
25分間行う。以下、実施例1の図4および図5の工程
と同様に、図8に示すように、ゲート電極パッド部が空
中に浮いたゲートメタル21を形成する。側壁20aの
内側が図8に示すようなアール形状で形成されているた
めに、ゲートメタル21が薄くても折れ曲がり部で断線
を生じることがない。
【0046】さらに、本発明の実施例3について説明す
る。
【0047】本実施例では、電極パッド部に支柱を付け
る場合である。つまり、電極パッド部はゲート電極に比
べて大きい場合である。例えばゲート長0.2μmでゲ
ート幅200μmのFETでは、ゲート電極の面積は
0.2×200=40μm2、一方、電極パッド部の面
積は〜4000μm2と2ケタ大きい。したがって、ゲ
ート電極の端部だけで電極パッド部を空中に保持するの
は重量的に困難な場合がある。そこで、図9に示したよ
>うに、Al薄膜14を形成する際に、能動層12があ
る領域だけではなく、支柱部の開口30を設けておく。
以降、実施例1と同様に、図10、図11(a)(b)
さらに図12の工程を踏んだ後、図13の工程を踏むこ
とにより、図13に示すようにゲートメタル31の電極
パッド部31aに支柱部31bを3箇所形成することが
でき、電極パッド部31aは両端部でブリッジ状に支持
されることになる。
【0048】なお、本実施例では支柱部31bを3箇所
に断面4角形状に形成しているが、支柱部31bの形状
は断面円状や断面多角形状であってもよく、また、その
個数も少なくとも1個あればよく、この例に限るもので
はない。ただし、支柱部31bが能動層12と余り近い
と支柱部31bによる空乏層32が図15に示した効果
(電極パッド部による素子特性への影響)を示すため良
くない。実験の結果、この距離を10μm程度取ればほ
ぼ問題ないことが分かった。勿論、本実施例3に対して
実施例2の側壁形成工程を付加してもよいことは言うま
でもないことである。実施例3の場合は、半導体基板に
接しているゲート電極パッドの一部とゲート電極との距
離が10μm以上あるように構成した。
【0049】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、空中に浮
いた電極パッドにより半導体基板に空乏層が形成されな
いため、以下に示す効果〜が得られる。
【0050】容量が増加しないため、遮断周波数ft
や最高発振周波数fmaxが低下しない。また、短ゲート
幅のFETにも狭チャネル効果が生じないためにトラン
ジスタ特性が均一になる。さらに、サイドゲート効果を
防ぐことができるため集積度を上げることができる。
【0051】従来の半導体プロセスで用いられた材料
・装置のみを用いているので、量産プロセスへの導入が
容易である。
【0052】本構造を実現する際に、半導体プロセス
中の薬品からの汚染やエッチングなどから半導体基板が
保護されるため、安定に半導体を作成することができ
る。
【0053】本構造を実現する際に、側壁を形成して
段差を緩和しているため、薄いゲートメタルでも断線せ
ずに本構造を実現できて歩留りが高い。
【0054】電極パッド部の一部に支柱を形成するこ
とにより、大面積のパッド部もその大部分(支柱部を除
いた部分)を空中に形成することができ、パッド形状の
設計に自由度が生じる。
【0055】支柱部とトランジスタの能動層部の距離
を10μm以上取ることにより、支柱部の空乏層が能動
層まで至らないため、効果と効果の両方を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1におけるGaAsFETの製
造工程を示し、(a)はウエハ表面より見た第1工程の
平面図、(b)は(a)のAA’断面図である。
【図2】本発明の実施例1におけるGaAsFETの第
2工程の平面図である。
【図3】本発明の実施例1におけるGaAsFETの製
造工程を示し、(a)はウエハ表面より見た第3工程の
平面図、(b)は(a)のBB’断面図である。
【図4】本発明の実施例1におけるGaAsFETの第
4工程の平面図である。
【図5】本発明の実施例1におけるGaAsFETの第
5工程の平面図である。
【図6】本発明の実施例2におけるGaAsFETの第
4工程の平面図である。
【図7】本発明の実施例2におけるGaAsFETの第
5工程の平面図である。
【図8】本発明の実施例2におけるGaAsFETの第
6工程の平面図である。
【図9】本発明の実施例3におけるGaAsFETの第
1工程の平面図である。
【図10】本発明の実施例3におけるGaAsFETの
第2工程の平面図である。
【図11】本発明の実施例3におけるGaAsFETの
製造工程を示し、(a)はウエハ表面より見た第3工程
の平面図、(b)は(a)のCC’断面図である。
【図12】本発明の実施例3におけるGaAsFETの
第4工程の平面図である。
【図13】本発明の実施例3におけるGaAsFETの
第5工程の平面図である。
【図14】従来のMESFETやHEMTのゲート電極
部近傍の模式図である。
【図15】従来のゲート電極パット部によるFET特性
への影響を説明するための素子断面図である。
【図16】従来例1のゲート電極パッドの一製造工程を
示す素子平面図である。
【図17】従来例2のゲート電極パッドの一製造工程を
示し、(a)はその素子平面図、(b)は(a)のD
D’断面図である。
【図18】従来例3のゲート電極パッドの第1製造工程
を示す素子平面図である。
【図19】従来例3のゲート電極パッドの第2製造工程
を示す素子平面図である。
【符号の説明】
11 半絶縁性GaAs基板 12 能動層 13 窒化膜 14 Al薄膜 15 ゲートパターン 16 レジスト 17 ゲート開口部 18,21,31 ゲートメタル 18a ゲート電極パッド部 20 SiO2膜 20a 側壁 30 支柱部の開口 31a 電極パッド部 31b 支柱部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/04 H01L 21/60 H01L 21/822

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成された半導体素子の
    電極部および、該半導体基板上に該電極部の配線接続用
    の電極パッド部があり、該電極パッド部は該電極部に支
    持され、また、該電極パッド部は空中に設けられて該半
    導体基板には接していない半導体素子の電極パッド。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体素子の電極パッド
    において、前記電極部がゲート電極部である半導体素子
    の電極パッド。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の半導体素子の電極パッド
    において、前記半導体基板が半絶縁性化合物半導体基板
    である半導体素子の電極パッド。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3の何れかに記載の半導体素
    子の電極パッドにおいて、前記電極部が半導体基板上の
    一部に形成された能動層上に設けられている半導体素子
    の電極パッド。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の半導体素子の電極パッド
    において、前記パッド部の立ち上がり部がアール付き側
    壁で補強されている半導体素子の電極パッド。
  6. 【請求項6】 請求項4記載の半導体素子の電極パッド
    において、前記能動層から前記半導体基板に対し、水平
    方向に所定の距離以上離れた位置の電極パッド部直下
    に、少なくとも1箇所支持部を設けた半導体素子の電極
    パッド。
  7. 【請求項7】 請求項6記載の半導体素子の電極パッド
    において、前記所定の距離が10μm以上である半導体
    素子の電極パッド。
  8. 【請求項8】 一部に能動層が形成された半導体基板上
    に、電極位置に対応して該能動層が露出するように保護
    膜および薄膜を形成する工程と、 該露出した能動層および薄膜上に、該電極部と電極パッ
    ド部を一体化し同時に形成する工程と、 該薄膜を除去する工程とを含む半導体素子の電極パッド
    の製造方法。
  9. 【請求項9】 一部に能動層が形成された半導体基板上
    に、電極位置に対応して該能動層が露出するように保護
    膜および薄膜を形成する工程と、 該能動層が露出した該保護膜および薄膜の電極開口部に
    沿って、内側にアールの付いた側壁を形成する工程と、 該露出した能動層、側壁および薄膜上に、該電極部と電
    極パッド部を一体化し同時に形成する工程と、 該薄膜を除去する工程とを含む半導体素子の電極パッド
    の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記薄膜除去工程は選択エッチングに
    より行う請求項8または9記載の半導体素子の電極パッ
    ドの製造方法。
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