JP5261137B2 - Bipolar semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bipolar type semiconductor device for suppressing occurrence of a surge voltage. <P>SOLUTION: An IGBT 100 has an n-type floating region 15 that is provided in a p-type body region 14 and parts the body region 14 in a direction for connecting a base region 13 and an emitter region 16. The ratio of the total number of carriers (the total number of free electrons/the total number of holes) between the total number of free electrons in the floating region 15 and the total number of holes in a body region 14b existing at the side of the base region 13 as compared of the floating region 15 is set to a range for preventing a parasitic thyristor from operating in turn-on. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、絶縁ゲートを有するバイポーラ型半導体装置に関する。   The present invention relates to a bipolar semiconductor device having an insulated gate.

絶縁ゲートを有するバイポーラ型半導体装置の一例に、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が知られている。IGBTは、n型のエミッタ領域から電子が注入され、p型のコレクタ領域から正孔が注入され、これらの電子・正孔が伝導度変調を起こすことによって低オン電圧で駆動される。   An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is known as an example of a bipolar semiconductor device having an insulated gate. The IGBT is driven at a low on-voltage by injecting electrons from the n-type emitter region and holes from the p-type collector region, and these electrons and holes undergo conductivity modulation.

特許文献1及び特許文献2には、p型のボディ領域内にn型のフローティング領域が設けられたIGBTが開示されている。フローティング領域は、エミッタ領域とベース領域を結ぶ方向においてボディ領域を分断している。フローティング領域は、正孔に対して電位障壁を形成する。これにより、フローティング領域よりもベース領域側に存在するボディ領域内に正孔が高濃度に蓄積され、さらに低いオン電圧を実現することができる。   Patent Documents 1 and 2 disclose IGBTs in which an n-type floating region is provided in a p-type body region. The floating region divides the body region in the direction connecting the emitter region and the base region. The floating region forms a potential barrier against holes. As a result, holes are accumulated at a higher concentration in the body region existing on the base region side than the floating region, and a further lower ON voltage can be realized.

特開2005−210047号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-210047 国際公開第WO2005/109521号パンフレットInternational Publication No. WO2005 / 109521 Pamphlet

正孔の蓄積効果を向上させるためには、フローティング領域のドーパント濃度を増加させることが望ましい。ところが、フローティング領域のドーパント濃度を増加させると、IGBTをターンオンさせた直後に、急激に電流が増加し、この急激な電流増加に誘発されてサージ電圧が発生することが分かってきた。この急激な電流増加を詳細に検討すると、p型のコレクタ領域、n型のベース領域、ベース領域側に存在するp型のボディ領域、及びn型のフローティング領域で構成されるpnpnの寄生サイリスタが原因であることが分かってきた。即ち、フローティング領域のドーパント濃度を増加させると、IGBTをターンオンさせた直後に、フローティング領域からベース領域側に存在するボディ領域に電子が注入され、そのボディ領域の電位が上昇し、寄生サイリスタが動作して急激に電流が増加し、この急激な電流増加に誘発されてサージ電圧が発生することが分かってきた。本発明は、上記現象を初めて見出したことを契機として創作されたものである。本発明は、サージ電圧の発生が抑制されたバイポーラ型半導体装置を提供することを目的としている。   In order to improve the hole accumulation effect, it is desirable to increase the dopant concentration in the floating region. However, it has been found that when the dopant concentration in the floating region is increased, the current increases rapidly immediately after the IGBT is turned on, and a surge voltage is induced by this rapid increase in current. When this rapid current increase is examined in detail, a pnpn parasitic thyristor composed of a p-type collector region, an n-type base region, a p-type body region existing on the base region side, and an n-type floating region is obtained. It turns out that this is the cause. That is, when the dopant concentration in the floating region is increased, immediately after the IGBT is turned on, electrons are injected from the floating region into the body region existing on the base region side, the potential of the body region rises, and the parasitic thyristor operates. Thus, it has been found that the current suddenly increases, and that a surge voltage is induced by this rapid current increase. The present invention was created when the above phenomenon was found for the first time. An object of the present invention is to provide a bipolar semiconductor device in which generation of a surge voltage is suppressed.

本明細書で開示される技術は、サージ電圧を抑制するために、ターンオンしたときに寄生サイリスタを実質的に動作させないことを特徴としている。本明細書で開示される技術は、寄生サイリスタを実質的に動作させないために、フローティング領域の好適な設計条件を提供することを特徴としている。従来のフローティング領域を利用する技術は、オン電圧を低減することに注視したものであり、サージ電圧を抑制するために寄生サイリスタの動作まで考慮してフローティング領域が設計されていない。本明細書で開示する技術は、オン電圧の低減化とサージ電圧の抑制の双方を考慮するものであり、極めて有用な効果を提供することができる。   The technique disclosed in this specification is characterized in that the parasitic thyristor is not substantially operated when turned on in order to suppress the surge voltage. The technique disclosed in this specification is characterized by providing a suitable design condition of the floating region so as not to substantially operate the parasitic thyristor. The conventional technology using the floating region is focused on reducing the on-voltage, and the floating region is not designed in consideration of the operation of the parasitic thyristor in order to suppress the surge voltage. The technology disclosed in this specification considers both reduction of on-voltage and suppression of surge voltage, and can provide a very useful effect.

本明細書で開示される技術は、第1導電型のベース領域と第1導電型のエミッタ領域を隔てている第2導電型のボディ領域に対向している絶縁ゲートを有するバイポーラ型半導体装置に具現化される。バイポーラ型半導体装置は、ボディ領域内に設けられており、ベース領域とエミッタ領域を結ぶ方向においてボディ領域を分断している第1導電型のフローティング領域を備えている。フローティング領域の第1キャリア総量とフローティング領域よりもベース領域側に存在するボディ領域の第2キャリア総量のキャリア総量比(第1キャリア総量を第2キャリア総量で除した値)が、ターンオンしたときに、寄生サイリスタが実質的に動作しない範囲に設定されていることを特徴とする。本明細書で開示される技術は、絶縁ゲートの形態がトレンチ型、プレーナ型のいずれの場合にも適用可能である。
ここで、キャリア総量とは、非動作状態(半導体装置が外部から電気的に絶縁された状態)における自由電子又は正孔の総量をいう。例えば、フローティング領域がn型の場合、フローティング領域の第1キャリア総量とは、非動作状態におけるフローティング領域に含まれる自由電子の総量をいう。具体的には、フローティング領域に含まれるn型ドーパントの総量からそこに含まれるp型ドーパントを差し引くことで算出することができる。ボディ領域がp型の場合、フローティング領域よりもベース領域側に存在するボディ領域の第2キャリア総量とは、非動作状態におけるフローティング領域よりもベース領域側に存在するボディ領域に含まれる正孔の総量をいう。具体的には、フローティング領域よりもベース領域側に存在するボディ領域に含まれるp型ドーパントからそこに含まれるn型ドーパントを差し引くことで算出することができる。本明細書で開示される技術は、サージ電圧の原因が寄生サイリスタであることを突き止め、その寄生サイリスタが動作するか否かが、第1キャリア総量と第2キャリア総量のキャリア総量比によって評価可能であることを初めて見出したことである。本明細書で開示される技術は、このキャリア総量比を利用することによって、寄生サイリスタが実質的に動作しないバイポーラ型半導体装置を設計可能なことを初めて提案するものである。
The technology disclosed in this specification is a bipolar semiconductor device having an insulating gate facing a body region of a second conductivity type that separates a base region of a first conductivity type and an emitter region of the first conductivity type. Embodied. The bipolar semiconductor device includes a first conductivity type floating region provided in the body region and dividing the body region in a direction connecting the base region and the emitter region. When the carrier total amount ratio (the value obtained by dividing the first carrier total amount by the second carrier total amount) between the first carrier total amount in the floating region and the second carrier total amount in the body region existing on the base region side from the floating region is turned on. The parasitic thyristor is set in a range that does not substantially operate. The technology disclosed in this specification can be applied to any case where the form of the insulated gate is a trench type or a planar type.
Here, the total amount of carriers refers to the total amount of free electrons or holes in a non-operating state (a state where the semiconductor device is electrically insulated from the outside). For example, when the floating region is n-type, the first total carrier amount in the floating region refers to the total amount of free electrons contained in the floating region in the non-operating state. Specifically, it can be calculated by subtracting the p-type dopant contained therein from the total amount of n-type dopant contained in the floating region. When the body region is p-type, the second carrier total amount of the body region existing on the base region side with respect to the floating region is the amount of holes contained in the body region existing on the base region side with respect to the floating region in the non-operating state. Refers to the total amount. Specifically, it can be calculated by subtracting the n-type dopant contained therein from the p-type dopant contained in the body region existing on the base region side of the floating region. The technology disclosed in this specification can determine that the cause of the surge voltage is a parasitic thyristor, and whether the parasitic thyristor operates can be evaluated by the carrier total amount ratio of the first carrier total amount and the second carrier total amount. It was the first time that I found out. The technology disclosed in this specification is the first to propose that a bipolar semiconductor device in which a parasitic thyristor does not substantially operate can be designed by using this carrier total amount ratio.

本明細書で開示される技術では、キャリア総量比を1.83以下に設定することで、寄生サイリスタが実質的に動作しないバイポーラ型半導体装置を具現化可能なことを見出した。この範囲内にキャリア総量比が設定されていると、寄生サイリスタが実質的に動作しないことが本明細書において確認されている。   The technology disclosed in this specification has found that a bipolar semiconductor device in which a parasitic thyristor does not substantially operate can be realized by setting the total carrier amount ratio to 1.83 or less. It is confirmed in this specification that the parasitic thyristor does not substantially operate when the carrier total amount ratio is set within this range.

キャリア総量比が0.4以上であることが好ましい。
この範囲内にキャリア総量比が設定されていると、オン電圧が顕著に低減されることが本明細書において確認されている。
The total carrier ratio is preferably 0.4 or more.
It has been confirmed in this specification that the on-state voltage is significantly reduced when the carrier total amount ratio is set within this range.

本明細書で開示される技術によると、寄生サイリスタの動作が抑えられ、サージ電圧が抑制されたバイポーラ型半導体装置を提供することができる。   According to the technology disclosed in this specification, a bipolar semiconductor device in which the operation of the parasitic thyristor is suppressed and the surge voltage is suppressed can be provided.

本明細書で開示される技術を整理しておく。
(第1特徴) 絶縁ゲートは、絶縁トレンチゲートである。
(第2特徴) フローティング領域の第1キャリア総量とフローティング領域よりもベース領域側に存在するボディ領域の第2キャリア総量のキャリア総量比(第1キャリア総量/第2キャリア総量)は、下限値が0を超えており、上限値が1.83以下であることが好ましい。オン電圧の低減効果とサージ電圧の抑制効果を得ることができる。
(第3特徴)キャリア総量比は、下限値が0.4以上であり、上限値が1.83以下であることがより好ましい。オン電圧の顕著な低減効果とサージ電圧の抑制効果を得ることができる。
The techniques disclosed in this specification will be summarized.
(First Feature) The insulated gate is an insulated trench gate.
(Second feature) The carrier total amount ratio (first carrier total amount / second carrier total amount) of the first carrier total amount in the floating region and the second carrier total amount in the body region existing on the base region side from the floating region has a lower limit value. It is preferably over 0 and the upper limit is preferably 1.83 or less. The effect of reducing the on-voltage and the effect of suppressing the surge voltage can be obtained.
(3rd characteristic) As for carrier total amount ratio, it is more preferable that a lower limit is 0.4 or more and an upper limit is 1.83 or less. A remarkable reduction effect of on-voltage and a suppression effect of surge voltage can be obtained.

図1に、IGBT100の要部斜視図を模式的に示す。図2に、図1のII−II線に対応した縦断面図を模式的に示す。図3に、図1のIII−III線に対応した縦断面図を模式的に示す。IGBT100は、イオン注入技術を利用して、シリコン単結晶の半導体基板10内にドーパントを導入することで製造されている。   FIG. 1 schematically shows a perspective view of a main part of the IGBT 100. FIG. 2 schematically shows a longitudinal sectional view corresponding to the line II-II in FIG. FIG. 3 schematically shows a longitudinal sectional view corresponding to the line III-III in FIG. The IGBT 100 is manufactured by introducing a dopant into a silicon single crystal semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique.

IGBT100は、p型のコレクタ領域11と、n型のフィールドストップ領域12と、n型のベース領域13と、p型のボディ領域14と、n型のフローティング領域15と、n型のエミッタ領域16と、p型のボディコンタクト領域17と、絶縁トレンチゲート20を備えている。 The IGBT 100 includes a p + type collector region 11, an n + type field stop region 12, an n type base region 13, a p type body region 14, an n type floating region 15, and an n + type. Emitter region 16, p + -type body contact region 17, and insulating trench gate 20.

コレクタ領域11は、半導体基板10の裏面部に設けられている。コレクタ領域11は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の裏面からドーパントを導入することによって形成されている。ドーパントには、ボロンが用いられる。コレクタ領域11は、図示しないコレクタ電極に電気的に接続されている。コレクタ領域11の一例では、裏面におけるドーパント濃度のピーク値が約1×1018cm−3であり、厚みT11が約0.2μmである。 The collector region 11 is provided on the back surface portion of the semiconductor substrate 10. The collector region 11 is formed by introducing a dopant from the back surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. Boron is used as the dopant. The collector region 11 is electrically connected to a collector electrode (not shown). In an example of the collector region 11, the peak value of the dopant concentration on the back surface is about 1 × 10 18 cm −3 and the thickness T11 is about 0.2 μm.

フィールドストップ領域12は、コレクタ領域11上に設けられている。フィールドストップ領域12は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の裏面からドーパントを導入することによって形成されている。ドーパントには、リンが用いられる。フィールドストップ領域12の一例では、ドーパント濃度のピーク値が約1×1017cm−3であり、厚みT12が約0.3μmである。本実施例のIGBT100は、パンチスルー(PT)型であるが、フィールドストップ領域12が除去されたノンパンチスルー(NPT)型であってもよい。 The field stop region 12 is provided on the collector region 11. The field stop region 12 is formed by introducing a dopant from the back surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. Phosphorus is used as the dopant. In an example of the field stop region 12, the peak value of the dopant concentration is about 1 × 10 17 cm −3 and the thickness T12 is about 0.3 μm. The IGBT 100 of this embodiment is a punch-through (PT) type, but may be a non-punch-through (NPT) type from which the field stop region 12 is removed.

ベース領域13は、フィールドストップ領域12上に設けられている。ベース領域13は、半導体基板10に各種半導体領域を形成した後の残部として形成されている。このため、ベース領域13のドーパント濃度は、半導体基板10に含まれていたドーパント濃度に一致しており、そのプロファイルは厚み方向に一定である。ベース領域13の一例では、ドーパント濃度が約1×1014cm−3であり、厚みT13が約165μmである。 The base region 13 is provided on the field stop region 12. The base region 13 is formed as a remaining portion after various semiconductor regions are formed on the semiconductor substrate 10. For this reason, the dopant concentration of the base region 13 matches the dopant concentration contained in the semiconductor substrate 10, and the profile thereof is constant in the thickness direction. In an example of the base region 13, the dopant concentration is about 1 × 10 14 cm −3 and the thickness T13 is about 165 μm.

ボディ領域14は、ベース領域13上に設けられている。ボディ領域14は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面からドーパントを導入することによって形成されている。ドーパントには、ボロン(B)が用いられる。ボディ領域14は、ベース領域13とエミッタ領域16の間に介在して設けられており、両者を隔てている。ボディ領域14の一例では、表面におけるドーパント濃度のピーク値が約1×1017cm−3であり、厚みT14が約4.5μmである。 The body region 14 is provided on the base region 13. The body region 14 is formed by introducing a dopant from the surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. Boron (B) is used as the dopant. The body region 14 is provided between the base region 13 and the emitter region 16 and separates the two. In an example of the body region 14, the peak value of the dopant concentration at the surface is about 1 × 10 17 cm −3 and the thickness T14 is about 4.5 μm.

フローティング領域15は、ボディ領域14内に設けられている。フローティング領域15は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面からドーパントを導入することによって形成されている。ドーパントには、リン(P)が用いられる。フローティング領域15は、電位が固定されておらず、周囲の電位に応じて変動する。本明細書では、このように電位が固定されていない状態をフローティング状態という。フローティング領域15は、隣接する絶縁トレンチゲート20間に亘って延びており、ベース領域13とエミッタ領域16を結ぶ方向(紙面上下方向)においてボディ領域14を分断している。本実施例では、フローティング領域15よりもエミッタ領域16側に存在するボディ領域14を第1ボディ領域14aといい、フローティング領域15よりもベース領域13側に存在するボディ領域14を第2ボディ領域14bという。第2ボディ領域14bは、フローティング領域15によって第1ボディ領域14aから隔てられており、フローティング状態である。フローティング領域15の一例では、ドーパント濃度のピーク値が約1×1017cm−3であり、ピーク値の深さが半導体基板10の表面から約2μmであり、厚み(又は半値巾)T15が約0.6μmである。また、第1ボディ領域14aの一例では、表面におけるドーパント濃度のピーク値が約1×1017cm−3であり、厚みT14aが約1.6μmである。第2ボディ領域14bの一例では、ドーパント濃度のピーク値が約3×1016cm−3であり、ピーク値の深さが半導体基板10の表面から約2.2μmであり、厚みT14bが約2.3μmである。なお、後述する実験では、IGBT100のオン電圧及びターンオン時の電圧変化量に係る特性を評価するために、フローティング領域15のドーパント濃度を変えたいくつかの例を検討する。 The floating region 15 is provided in the body region 14. The floating region 15 is formed by introducing a dopant from the surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. Phosphorus (P) is used as the dopant. The potential of the floating region 15 is not fixed and varies depending on the surrounding potential. In this specification, such a state where the potential is not fixed is referred to as a floating state. The floating region 15 extends between adjacent insulating trench gates 20 and divides the body region 14 in the direction connecting the base region 13 and the emitter region 16 (vertical direction in the drawing). In this embodiment, the body region 14 present on the emitter region 16 side of the floating region 15 is referred to as a first body region 14a, and the body region 14 present on the base region 13 side of the floating region 15 is referred to as the second body region 14b. That's it. The second body region 14b is separated from the first body region 14a by the floating region 15, and is in a floating state. In an example of the floating region 15, the peak value of the dopant concentration is about 1 × 10 17 cm −3 , the depth of the peak value is about 2 μm from the surface of the semiconductor substrate 10, and the thickness (or full width at half maximum) T15 is about 0.6 μm. In one example of the first body region 14a, the peak value of the dopant concentration on the surface is about 1 × 10 17 cm −3 and the thickness T14a is about 1.6 μm. In an example of the second body region 14b, the peak value of the dopant concentration is about 3 × 10 16 cm −3 , the depth of the peak value is about 2.2 μm from the surface of the semiconductor substrate 10, and the thickness T14b is about 2 .3 μm. In the experiment described later, several examples in which the dopant concentration of the floating region 15 is changed are examined in order to evaluate the characteristics related to the on-voltage of the IGBT 100 and the voltage change amount at the turn-on.

エミッタ領域16は、半導体基板10の表面部に分散して設けられている。エミッタ領域16は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面からドーパントを導入することによって形成されている。ドーパントには、リンが用いられる。なお、リンに代えてヒ素を用いてもよい。エミッタ領域16は、絶縁トレンチゲート20に接する部位を少なくとも有している。これにより、エミッタ領域16から絶縁トレンチゲート20の側面の反転層を経由しベース領域13に電子が注入される。エミッタ領域16は、図示しないエミッタ電極に電気的に接続されている。エミッタ領域16の一例では、表面におけるドーパント濃度のピーク値が約1×1019cm−3であり、厚みT16が約0.2μmである。 The emitter regions 16 are provided in a distributed manner on the surface portion of the semiconductor substrate 10. The emitter region 16 is formed by introducing a dopant from the surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. Phosphorus is used as the dopant. Arsenic may be used instead of phosphorus. The emitter region 16 has at least a portion in contact with the insulating trench gate 20. As a result, electrons are injected from the emitter region 16 into the base region 13 via the inversion layer on the side surface of the insulating trench gate 20. The emitter region 16 is electrically connected to an emitter electrode (not shown). In one example of the emitter region 16, the peak value of the dopant concentration at the surface is about 1 × 10 19 cm −3 and the thickness T16 is about 0.2 μm.

ボディコンタクト領域17は、半導体基板10の表面部に分散して設けられている。ボディコンタクト領域17は、イオン注入技術を利用して、半導体基板10の表面からドーパントを導入することによって形成されている。ドーパントには、ボロンが用いられる。ボディコンタクト領域17は、図示しないエミッタ電極に電気的に接続されている。ボディコンタクト領域17の一例では、表面におけるドーパント濃度のピーク値が約1×1019cm−3であり、厚みT17が約0.3μmである。本実施例に係るボディコンタクト領域17及びエミッタ領域16のパターンは一例であり、必要に応じて他のパターンで形成することがある。 The body contact regions 17 are provided in a distributed manner on the surface portion of the semiconductor substrate 10. The body contact region 17 is formed by introducing a dopant from the surface of the semiconductor substrate 10 using an ion implantation technique. Boron is used as the dopant. The body contact region 17 is electrically connected to an emitter electrode (not shown). In an example of the body contact region 17, the peak value of the dopant concentration on the surface is about 1 × 10 19 cm −3 and the thickness T17 is about 0.3 μm. The pattern of the body contact region 17 and the emitter region 16 according to the present embodiment is an example, and may be formed with other patterns as necessary.

絶縁トレンチゲート20は、酸化シリコンのゲート絶縁膜24と、ゲート絶縁膜24で被覆されたポリシリコンのゲート電極部22を備えている。絶縁トレンチゲート20は、半導体基板10の表面から深部に向けて伸びており、ボディ領域14を貫通している。絶縁トレンチゲート20は、ベース領域13とエミッタ領域16を隔てているボディ領域14に対向している。絶縁トレンチゲート20の幅W20は約1μmであり、隣接する絶縁トレンチゲート20間の間隙G20は約4μmであり、ボディ領域14からベース領域13内に突出する突出深さT20は約5.5μmである。本実施例に係る絶縁トレンチゲート20のパターンはストライプ状であるが、必要に応じて他のパターンで形成することがある。   The insulating trench gate 20 includes a gate insulating film 24 made of silicon oxide and a gate electrode portion 22 made of polysilicon covered with the gate insulating film 24. The insulating trench gate 20 extends from the surface of the semiconductor substrate 10 toward the deep part and penetrates the body region 14. The insulating trench gate 20 faces the body region 14 that separates the base region 13 and the emitter region 16. The width W20 of the insulating trench gate 20 is about 1 μm, the gap G20 between adjacent insulating trench gates 20 is about 4 μm, and the protruding depth T20 protruding from the body region 14 into the base region 13 is about 5.5 μm. is there. Although the pattern of the insulating trench gate 20 according to the present embodiment is striped, it may be formed with other patterns as necessary.

図4(A)に、半導体基板10内におけるドーパント濃度の深さ方向のプロファイルを模式的に示す。図4(B)に、半導体基板10内におけるキャリア濃度の深さ方向のプロファイルを模式的に示す。なお、図4(A)及び(B)の縦軸は対数表示である。   FIG. 4A schematically shows a profile in the depth direction of the dopant concentration in the semiconductor substrate 10. FIG. 4B schematically shows a profile of the carrier concentration in the semiconductor substrate 10 in the depth direction. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 4 (A) and (B) is a logarithm display.

図4(A)に示すように、ボディ領域14のp型ドーパント濃度のプロファイルは、表面から深部に向けて低下している。フローティング領域15のn型ドーパント濃度のプロファイルは、ボディ領域14内にピーク値を持つ。半導体基板10には、元来含まれているn型ドーパントが存在しており、そのn型ドーパント濃度のプロファイルは深さ方向に一定である。   As shown in FIG. 4A, the profile of the p-type dopant concentration in the body region 14 decreases from the surface toward the deep portion. The profile of the n-type dopant concentration in the floating region 15 has a peak value in the body region 14. The n-type dopant originally contained in the semiconductor substrate 10 exists, and the profile of the n-type dopant concentration is constant in the depth direction.

図4(B)に示すように、キャリア濃度は、n型ドーパント濃度とp型ドーパント濃度の差である。p型ドーパント濃度よりもn型ドーパント濃度の方が濃い領域では、キャリア濃度は自由電子の濃度となる。n型ドーパント濃度よりもp型ドーパント濃度の方が濃い領域では、キャリア濃度は正孔の濃度となる。このため、n型ドーパント濃度とp型ドーパント濃度が一致する領域、例えばフローティング領域15と第1ボディ領域14aの界面、及びフローティング領域15と第2ボディ領域14bの界面では、キャリア濃度が存在しない。また、ベース領域13と第2ボディ領域14bの界面は、空乏化によってキャリア濃度が存在しない領域が広い。   As shown in FIG. 4B, the carrier concentration is the difference between the n-type dopant concentration and the p-type dopant concentration. In the region where the n-type dopant concentration is higher than the p-type dopant concentration, the carrier concentration is the concentration of free electrons. In a region where the p-type dopant concentration is higher than the n-type dopant concentration, the carrier concentration is the hole concentration. For this reason, there is no carrier concentration in a region where the n-type dopant concentration and the p-type dopant concentration coincide, for example, in the interface between the floating region 15 and the first body region 14a and in the interface between the floating region 15 and the second body region 14b. Further, the interface between the base region 13 and the second body region 14b has a wide region where no carrier concentration exists due to depletion.

IGBT100は、ボディ領域14内にフローティング領域15を備えていることを特徴としている。フローティング領域15は、正孔に対して電位障壁を形成する。このため、IGBT100がオンしているときに、裏面のコレクタ領域11から注入された正孔は、第2ボディ領域14b内に高濃度に蓄積される。このため、IGBT100は、低いオン電圧で駆動することができる。   The IGBT 100 is characterized by including a floating region 15 in the body region 14. The floating region 15 forms a potential barrier against holes. For this reason, when the IGBT 100 is on, holes injected from the collector region 11 on the back surface are accumulated in the second body region 14b at a high concentration. For this reason, the IGBT 100 can be driven with a low on-voltage.

この正孔の蓄積効果を向上させるためには、フローティング領域15のドーパント濃度を増加させることが望ましい。ところが、フローティング領域15のドーパンド濃度を増加させると、ターンオンした直後に、p型のコレクタ領域11、n型のベース領域13、第2ボディ領域14b、及びn型のフローティング領域15で構成されるpnpnの寄生サイリスタが動作して急激な電流増加が発生し、サージ電圧を誘発してしまう。IGBT100では、ターンオンした直後に、この寄生サイリスタが実質的に動作しないように、フローティング領域15のドーパンド濃度が調整されていることを特徴としている。   In order to improve the hole accumulation effect, it is desirable to increase the dopant concentration of the floating region 15. However, when the dopant concentration of the floating region 15 is increased, immediately after the turn-on, the pnpn composed of the p-type collector region 11, the n-type base region 13, the second body region 14b, and the n-type floating region 15 is formed. The parasitic thyristor operates and a sudden current increase occurs, causing a surge voltage. The IGBT 100 is characterized in that the dopant concentration of the floating region 15 is adjusted so that the parasitic thyristor does not substantially operate immediately after being turned on.

寄生サイリスタは、IGBT100をターンオンさせた直後に、フローティング領域15から第2ボディ領域14bに電子が注入され、その第2ボディ領域14bの電位が上昇することが原因である。この現象を抑制するためには、フローティング領域15の自由電子総量と第2ボディ領域14bの正孔総量のキャリア総量比(自由電子総量/正孔総量)を所定値よりも小さくすることが重要である。   The parasitic thyristor is caused by the fact that immediately after the IGBT 100 is turned on, electrons are injected from the floating region 15 into the second body region 14b, and the potential of the second body region 14b increases. In order to suppress this phenomenon, it is important to make the carrier total amount ratio (total free electron amount / total hole amount) of the total free electron amount in the floating region 15 and the total hole amount in the second body region 14b smaller than a predetermined value. is there.

図5に、フローティング領域15の自由電子総量と第2ボディ領域14bの正孔総量のキャリア総量比を変えたときの、IGBT100のオン電圧及びターンオン時の電圧変化量を示す。オン電圧を左目盛りに示し、ターンオン時の電圧変化量を右目盛りに示す。図6は、キャリア総量比が0〜3までの結果を拡大したものである。なお、自由電子総量及び正孔総量は、SIMS(Secondary Ionization Mass Spectrometer:2次イオン質量分析)を用いて検出したドーパント濃度の深さ方向のプロファイルをデータとし、以下の数1を用いて深さ方向のキャリア濃度を算出し、以下の数2を用いてキャリア濃度を深さ方向に積分してフローティング領域15の自由電子総量及び第2ボディ領域14bの正孔総量を算出している。また、本実験では、キャリア総量比を変えたいくつかの例を比較しているが、このキャリア総量比の変化は、フローティング領域15に導入するドーパント濃度を変えることによって実施している。図5及び図6において、キャリア総量比が「0」の例は、フローティング領域15が形成されていない場合の結果である。キャリア総量比が増加した例は、フローティング領域15のキャリア濃度(自由電子濃度)が濃い場合の結果である。   FIG. 5 shows the on-voltage of the IGBT 100 and the voltage change at turn-on when the ratio of the total amount of free electrons in the floating region 15 to the total amount of holes in the second body region 14b is changed. The on-voltage is shown on the left scale, and the amount of voltage change at turn-on is shown on the right scale. FIG. 6 is an enlarged view of the results when the carrier total amount ratio is 0-3. The total amount of free electrons and the total amount of holes are obtained by using the profile in the depth direction of the dopant concentration detected by SIMS (Secondary Ionization Mass Spectrometer) as data, and using the following equation (1). The carrier concentration in the direction is calculated, and the total concentration of free electrons in the floating region 15 and the total amount of holes in the second body region 14b are calculated by integrating the carrier concentration in the depth direction using Equation 2 below. In this experiment, several examples in which the carrier total amount ratio is changed are compared. The carrier total amount ratio is changed by changing the dopant concentration introduced into the floating region 15. 5 and 6, the example in which the carrier total amount ratio is “0” is a result when the floating region 15 is not formed. An example in which the total carrier amount ratio is increased is a result when the carrier concentration (free electron concentration) of the floating region 15 is high.

Figure 0005261137
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Figure 0005261137
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ここで、n(x)は深さ方向の自由電子濃度であり、p(x)は深さ方向の正孔濃度であり、Nfloating(x)はフローティング領域15の深さ方向のドーパント濃度であり、Nsub(x)は半導体基板10の深さ方向のドーパント濃度であり、Nbody(x)はボディ領域14の深さ方向のドーパント濃度である。   Here, n (x) is the free electron concentration in the depth direction, p (x) is the hole concentration in the depth direction, and Nfloating (x) is the dopant concentration in the depth direction of the floating region 15. , Nsub (x) is a dopant concentration in the depth direction of the semiconductor substrate 10, and Nbody (x) is a dopant concentration in the depth direction of the body region 14.

図5及び図6に示すように、フローティング領域15が設けられていると、オン電圧は急激に低下する。キャリア総量比が0.4以上になると、オン電圧の低減効果は飽和する。キャリア総量比が0.4以上であれば、顕著なオン電圧の低減効果が得られる。なお、キャリア総量比が0.4の場合、フローティング領域15のキャリア濃度のピーク値と第2ボディ領域14bのキャリア濃度のピーク値の濃度差で生じる内蔵電位が0.732eVである。また、キャリア総量比が0.4の場合、フローティング領域15の自由電子総量は5.37×1011cm−2であり、第2ボディ領域の正孔総量は1.28×1012cm−2である。 As shown in FIGS. 5 and 6, when the floating region 15 is provided, the on-voltage rapidly decreases. When the carrier total amount ratio is 0.4 or more, the on-voltage reduction effect is saturated. When the carrier total amount ratio is 0.4 or more, a remarkable on-voltage reduction effect is obtained. When the carrier total amount ratio is 0.4, the built-in potential generated by the concentration difference between the carrier concentration peak value of the floating region 15 and the carrier concentration peak value of the second body region 14b is 0.732 eV. Further, when the carrier total amount ratio is 0.4, the total amount of free electrons in the floating region 15 is 5.37 × 10 11 cm −2 , and the total amount of holes in the second body region is 1.28 × 10 12 cm −2. It is.

図5及び図6に示すように、ターンオン時の電圧変化量は、キャリア総量比が1.83まで一定であり、キャリア総量比が1.83を超えると急激に増加する。このキャリア総量比「1.83」が寄生サイリスタが動作する点である。キャリア総量比が1.83以下では、ターンオンに伴う必然的な電圧変化が存在するものの、寄生サイリスタが動作することに伴う電圧変化は存在しない。なお、キャリア総量比が1.83の場合、フローティング領域15のキャリア濃度のピーク値と第2ボディ領域14bのキャリア濃度のピーク値の濃度差で生じる内蔵電位が0.754eVである。また、キャリア総量比が1.83の場合、フローティング領域15の自由電子総量は1.93×1012cm−2であり、第2ボディ領域の正孔総量は1.09×1012cm−2である。 As shown in FIGS. 5 and 6, the amount of voltage change at turn-on is constant up to the carrier total amount ratio of 1.83, and increases rapidly when the carrier total amount ratio exceeds 1.83. This carrier total amount ratio “1.83” is the point at which the parasitic thyristor operates. When the total carrier ratio is 1.83 or less, there is an inevitable voltage change associated with turn-on, but there is no voltage change associated with the operation of the parasitic thyristor. When the carrier total amount ratio is 1.83, the built-in potential generated by the concentration difference between the carrier concentration peak value of the floating region 15 and the carrier concentration peak value of the second body region 14b is 0.754 eV. In addition, when the carrier total amount ratio is 1.83, the free electron total amount in the floating region 15 is 1.93 × 10 12 cm −2 and the hole total amount in the second body region is 1.09 × 10 12 cm −2. It is.

図5及び図6の結果から、キャリア総量比が0を超えるとともに1.83以下であれば、オン電圧の低減効果を得るとともに、寄生サイリスタを実質的に動作させない状態を得ることができる。即ち、キャリア総量比が0を超えるとともに1.83以下であれば、オン電圧の低減効果とサージ電圧の抑制効果の双方を同時に達成することができる。さらに、キャリア総量比が0.4以上であるとともに1.83以下であれば、オン電圧の顕著な低減効果とサージ電圧の抑制効果の双方を同時に達成することができる。なお、製造公差等を考慮しても、キャリア総量比の下限値は0.6以上が好ましく、上限値は1.60以下が好ましい。より好ましくは、キャリア総量比の下限値は0.8以上であり、上限値は1.40以下である。   From the results of FIGS. 5 and 6, if the total carrier ratio exceeds 0 and is 1.83 or less, it is possible to obtain an effect of reducing the on-voltage and a state in which the parasitic thyristor is not substantially operated. That is, if the total carrier ratio exceeds 0 and is equal to or less than 1.83, both the ON voltage reduction effect and the surge voltage suppression effect can be achieved simultaneously. Furthermore, if the carrier total amount ratio is 0.4 or more and 1.83 or less, it is possible to simultaneously achieve both a remarkable reduction effect of the ON voltage and a suppression effect of the surge voltage. Even when manufacturing tolerances are taken into consideration, the lower limit of the carrier total amount ratio is preferably 0.6 or more, and the upper limit is preferably 1.60 or less. More preferably, the lower limit value of the carrier total amount ratio is 0.8 or more, and the upper limit value is 1.40 or less.

(シミュレーションによる検討)
上記の実験結果は、フローティング領域15の厚み、第2ボディ領域14bのドーパント濃度及び厚みが一定の条件で、フローティング領域15のドーパント濃度を変えることによってキャリア総量比を変えた場合に得られた結果である。例えば、キャリア総量比は、フローティング領域15の厚みを変えた場合でも、第2ボディ領域14bのドーパント濃度を変えた場合でも、又は第2ボディ領域14bの厚みを変えた場合でも変化するものである。以下のシミュレーションでは、寄生サイリスタが実質的に動作しない指標としてキャリア総量比のみで評価可能であることを検証した。
(Examination by simulation)
The above experimental results are obtained when the carrier total amount ratio is changed by changing the dopant concentration of the floating region 15 under the condition that the thickness of the floating region 15 and the dopant concentration and thickness of the second body region 14b are constant. It is. For example, the carrier total amount ratio changes even when the thickness of the floating region 15 is changed, when the dopant concentration of the second body region 14b is changed, or when the thickness of the second body region 14b is changed. . In the following simulation, it was verified that the parasitic thyristor can be evaluated only by the carrier total amount ratio as an index that the parasitic thyristor does not substantially operate.

図7に、シミュレーションに用いた第1ボディ領域14a、フローティング領域15、及び第2ボディ領域14bのそれぞれの濃度及び厚みの関係を模式的に示す。図7(A)がシミュレーション例1であり、図7(B)がシミュレーション例2であり、図7(C)がシミュレーション例3であり、図7(D)がシミュレーション例4である。なお、図8に、シミュレーションに用いた試料の条件を具体的に示す。また、図8では、シミュレーション2〜4において、シミュレーション例1を基準として異なる部分を強調して示す。なお、シミュレーションでは、各領域のドーパント濃度が厚み方向に一定である。   FIG. 7 schematically shows the relationship between the concentration and thickness of each of the first body region 14a, the floating region 15, and the second body region 14b used in the simulation. FIG. 7A is a simulation example 1, FIG. 7B is a simulation example 2, FIG. 7C is a simulation example 3, and FIG. 7D is a simulation example 4. FIG. 8 specifically shows the sample conditions used in the simulation. Further, in FIG. 8, in simulations 2 to 4, different portions are highlighted with reference to simulation example 1. In the simulation, the dopant concentration in each region is constant in the thickness direction.

シミュレーション例1では、第1ボディ領域14aのドーパント濃度が2×1017cm−3であり、その厚みが1.7μmであり、フローティング領域15の厚みが0.4μmであり、その中心位置(ドーパント濃度のピーク位置)の深さが1.9μmであり、第2ボディ領域14bの濃度が1.5×1016cm−3であり、その厚みが2.4μmであり、その中心位置(ドーパント濃度のピーク位置)の深さが3.3μmである。シミュレーション例1では、第1ボディ領域14a、フローティング領域15、及び第2ボディ領域14bの合計の厚み(トータル深さ)が4.5μmである。また、絶縁トレンチゲートの深さが5.5μmであり、ベース領域に突出する深さ(トレンチ突出量)は1.0μmである。 In Simulation Example 1, the dopant concentration of the first body region 14a is 2 × 10 17 cm −3 , the thickness thereof is 1.7 μm, the thickness of the floating region 15 is 0.4 μm, and the central position (dopant The depth of the concentration peak position is 1.9 μm, the concentration of the second body region 14 b is 1.5 × 10 16 cm −3 , its thickness is 2.4 μm, and its center position (dopant concentration) The depth of the peak position is 3.3 μm. In the simulation example 1, the total thickness (total depth) of the first body region 14a, the floating region 15, and the second body region 14b is 4.5 μm. The depth of the insulating trench gate is 5.5 μm, and the depth protruding from the base region (trench protruding amount) is 1.0 μm.

シミュレーション例2は、第2ボディ領域14bの厚みにおいてシミュレーション例1から相違している。シミュレーション例3は、第2ボディ領域14bの濃度においてシミュレーション例1から相違している。シミュレーション例4は、フローティング領域15の厚みにおいてシミュレーション例1から相違している。   The simulation example 2 differs from the simulation example 1 in the thickness of the second body region 14b. The simulation example 3 differs from the simulation example 1 in the concentration of the second body region 14b. The simulation example 4 differs from the simulation example 1 in the thickness of the floating region 15.

図9に、シミュレーション例1〜3において、フローティング領域15の自由電子総量と第2ボディ領域14aの正孔総量のキャリア総量比を変えたときの、オン電圧及びターンオン時の電圧変化量を示す。オン電圧を左目盛りに示し、ターンオン時の電圧変化量を右目盛りに示す。また、シミュレーション例1〜3では、キャリア総量比を変えたいくつかの結果を示しているが、このキャリア総量比の変化は、フローティング領域15のドーパント濃度を変えることによって実施している。   FIG. 9 shows the on-state voltage and the amount of voltage change at turn-on when the ratio of the total amount of free electrons in the floating region 15 and the total amount of holes in the second body region 14a is changed in simulation examples 1 to 3. The on-voltage is shown on the left scale, and the amount of voltage change at turn-on is shown on the right scale. In simulation examples 1 to 3, some results of changing the carrier total amount ratio are shown. The carrier total amount ratio is changed by changing the dopant concentration of the floating region 15.

図9に示すように、シミュレーション例1〜4のいずれにもいても、同様の結果が得られることが分かる。即ち、フローティング領域15及び第2ボディ領域14bのそれぞれのドーパント濃度及び厚みのいずれを変更しても同様の結果が得られることから、オン電圧及びターンオン時の電圧変化量に係る特性は、キャリア総量比によって評価可能であることが分かる。   As shown in FIG. 9, it can be seen that the same results are obtained in any of the simulation examples 1 to 4. That is, since the same result can be obtained by changing any of the dopant concentration and thickness of each of the floating region 15 and the second body region 14b, the characteristics relating to the on-voltage and the amount of voltage change at turn-on are the total carrier amount. It can be seen that the ratio can be evaluated.

なお、シミュレーション例1〜4の結果では、寄生サイリスタが動作するキャリア総数比が上記実施例のIGBT100に係る実験結果(1.83)と相違する。これは、実際に製造されたIGBT100とシミュレーションの相違から生じるものである。しかし、シミュレーション結果から得られる知見は、オン電圧及びターンオン時の電圧変化量に係る特性がキャリア総量比のみによって評価可能であるということである。このため、実際に製造されたIGBT100において、フローティング領域15及び第2ボディ領域14bのドーパント濃度及び厚みのいずれを変更しても、図5及び図6に示す結果(キャリア総量比が1.83を超えると寄生サイリスタが実質的に動作する)が得られることが推測される。したがって、バイポーラ型半導体装置では、キャリア総量比が1.83以下であれば寄生サイリスタが実質的に動作しないことが確認された。   In the results of simulation examples 1 to 4, the carrier total ratio in which the parasitic thyristor operates is different from the experimental result (1.83) related to the IGBT 100 of the above embodiment. This arises from the difference between the actually manufactured IGBT 100 and the simulation. However, the knowledge obtained from the simulation result is that the characteristics relating to the on-voltage and the voltage change amount at the turn-on can be evaluated only by the carrier total amount ratio. Therefore, in the actually manufactured IGBT 100, the results shown in FIG. 5 and FIG. 6 (the total carrier ratio is 1.83) even if the dopant concentration and thickness of the floating region 15 and the second body region 14b are changed. It is presumed that a parasitic thyristor will operate substantially if exceeded. Therefore, it was confirmed that in the bipolar semiconductor device, the parasitic thyristor does not substantially operate if the total carrier ratio is 1.83 or less.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

IGBTの要部斜視図を模式的に示す。The principal part perspective view of IGBT is shown typically. 図1のII−II線に対応した縦断面図を模式的に示す。The longitudinal cross-sectional view corresponding to the II-II line of FIG. 1 is shown typically. 図1のIII−III線に対応した縦断面図を模式的に示す。The longitudinal cross-sectional view corresponding to the III-III line of FIG. 1 is shown typically. (A)半導体基板内のドーパント濃度の厚み方向のプロファイルを示す。(B)半導体基板内のキャリア濃度の厚み方向のプロファイルを示す。(A) The profile of the thickness direction of the dopant concentration in a semiconductor substrate is shown. (B) The profile of the thickness direction of the carrier concentration in a semiconductor substrate is shown. キャリア総量比をパラメータとしたときの、IGBTに係るオン電圧及びターンオン時の電圧変化量を示す。The on-voltage related to the IGBT and the amount of voltage change at turn-on when the carrier total amount ratio is used as a parameter are shown. 図5の一部拡大図を示す。FIG. 6 shows a partially enlarged view of FIG. 5. (A)シミュレーション例1のドーパント濃度及び厚みの関係を模式的に示す。(B)シミュレーション例2のドーパント濃度及び厚みの関係を模式的に示す。(C)シミュレーション例3のドーパント濃度及び厚みの関係を模式的に示す。(D)シミュレーション例4のドーパント濃度及び厚みの関係を模式的に示す。(A) The relationship between the dopant concentration and thickness of Simulation Example 1 is schematically shown. (B) The relationship between the dopant concentration and thickness of Simulation Example 2 is schematically shown. (C) The relationship between the dopant concentration and thickness of Simulation Example 3 is schematically shown. (D) The relationship between the dopant concentration and thickness of Simulation Example 4 is schematically shown. シミュレーションの条件を具体的に示す。The simulation conditions are specifically shown. キャリア総量比をパラメータとしたときの、各シミュレーション例に係るオン電圧及びターンオン時の電圧変化量を示す。The on-voltage and the voltage change amount at turn-on according to each simulation example when the carrier total amount ratio is used as a parameter are shown.

符号の説明Explanation of symbols

10:半導体基板
11:コレクタ領域
12:フィールドストップ領域
13:ベース領域
14:ボディ領域
14a:第1ボディ領域
14b:第2ボディ領域
15:フローティング領域
16:エミッタ領域
17:ボディコンタクト領域
20:絶縁トレンチゲート
10: Semiconductor substrate 11: Collector region 12: Field stop region 13: Base region 14: Body region 14a: First body region 14b: Second body region 15: Floating region 16: Emitter region 17: Body contact region 20: Insulating trench Gate

Claims (3)

第1導電型のベース領域と第1導電型のエミッタ領域を隔てている第2導電型のボディ領域に対向している絶縁ゲートを有する半導体装置であって、
ボディ領域内に設けられており、ベース領域とエミッタ領域を結ぶ方向においてボディ領域を分断している第1導電型のフローティング領域を備え、
外部から電気的に絶縁された非動作状態において、フローティング領域に含まれる多数キャリアの総量である第1キャリア総量フローティング領域よりもベース領域側に存在するボディ領域に含まれる多数キャリアの総量である第2キャリア総量で除したキャリア総量比が、1.83以下であることを特徴とするバイポーラ型半導体装置。
A semiconductor device having an insulated gate facing a body region of a second conductivity type that separates a base region of a first conductivity type and an emitter region of the first conductivity type,
A first conductivity type floating region provided in the body region and dividing the body region in a direction connecting the base region and the emitter region;
In the non-operating state of being electrically insulated from the outside, in a total amount of majority carriers contained the first carrier amount is the total amount of majority carriers included in the floating region to the body region that is present in the base region side than the floating region A bipolar semiconductor device, wherein a carrier total amount ratio divided by a second carrier total amount is 1.83 or less.
前記第1導電型がn型であり、The first conductivity type is n-type;
前記第2導電型がp型であり、The second conductivity type is p-type;
前記第1キャリア総量が自由電子の総量であり、The first carrier total amount is the total amount of free electrons;
前記第2キャリア総量が正孔の総量である請求項1に記載のバイポーラ型半導体装置。The bipolar semiconductor device according to claim 1, wherein the total amount of the second carriers is the total amount of holes.
前記キャリア総量比が、0.4以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のバイポーラ型半導体装置。 3. The bipolar semiconductor device according to claim 1 , wherein the carrier total amount ratio is 0.4 or more.
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