JPH0685177A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPH0685177A
JPH0685177A JP4230787A JP23078792A JPH0685177A JP H0685177 A JPH0685177 A JP H0685177A JP 4230787 A JP4230787 A JP 4230787A JP 23078792 A JP23078792 A JP 23078792A JP H0685177 A JPH0685177 A JP H0685177A
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semiconductor
bipolar transistor
type
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JP4230787A
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Kozaburo Kurita
公三郎 栗田
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Hitachi Ltd
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    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 SOI構造を採用した混在型半導体集積回路
装置において、放熱効率を向上しかつ寄生容量を減少
し、回路の動作速度の高速化を図る。 【構成】 半導体基板1の表面上に絶縁層2を介在して
半導体層3が構成され、この半導体層3にバイポーラト
ランジスタTrが構成されるとともにMISFETQn
(又はQp)が構成される混在型半導体集積回路装置に
おいて、前記半導体層3のバイポーラトランジスタTr
の下地の絶縁層2Aの膜厚が薄く構成され、前記半導体
層3のMISFETQnの下地の絶縁層2Bが厚く構成
される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は同一基板上にバイポーラ
トランジスタ及びMISFETを搭載した混在型半導体
集積回路装置に関する。本発明は、特に、基板上に絶縁
層を介在して形成された半導体層にバイポーラトランジ
スタ及びMISFETが構成されたSOI(ilicon
n nsulator)構造を採用する混在型半導体集積回路装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】先に本願出願人によって出願された特開
平4−69966号(出願日、平成2年7月10日)に
SOI構造を採用する混在型半導体集積回路装置の開示
がある。この混在型半導体集積回路装置は、半導体基板
の表面上に絶縁層を介在して珪素層が構成され、この珪
素層にバイポーラトランジスタ及びMISFETが構成
される。
【0003】前記MISFETは、前記珪素層にソース
領域、チャネル形成領域、ドレイン領域の夫々が順次配
列され、前記チャネル形成領域の表面上にゲート絶縁膜
を介在してゲート電極が構成される。SOI構造が採用
される混在型半導体集積回路装置においては、MISF
ETのソース領域、ドレイン領域の大半が絶縁体で被覆
され、ソース領域、ドレイン領域の夫々に付加される寄
生容量が減少できる。例えば、相補型(Complementar
y)MISFETで構成される回路は、次段回路の駆動
に際し、充電速度、放電速度のいずれも高速化できるの
で、混在型半導体集積回路装置の動作速度の高速化が図
れる。
【0004】また、前記MISFETのチャネル形成領
域が構成された珪素層はバイポーラトランジスタが構成
された珪素層の膜厚に比べて選択的に薄い膜厚例えば1
00〔nm〕以下の膜厚で形成される。この結果、MI
SFETは、動作状態において、チャネル形成領域が完
全に空乏化され、キンク(Kink )特性を防止できる。
【0005】一方、前記バイポーラトランジスタは、動
作速度の高速化が要求される場合、縦型構造で構成され
かつnpn型で構成される。このバイポーラトランジス
タは、珪素層の膜厚方向に沿って表面から深さ方向に向
い、珪素膜にn型エミッタ領域、p型ベース領域、n型
コレクタ領域の夫々の動作領域が順次配列される。バイ
ポーラトランジスタが構成される珪素層はMISFET
が構成される珪素層の膜厚に比べて選択的に厚い膜厚で
形成される。この結果、バイポーラトランジスタは、珪
素膜中に形成され埋込型として形成されるn型コレクタ
領域の抵抗を減少でき、遮断周波数fT を向上できるの
で、混在型半導体集積回路装置の動作速度の高速化が図
れる。
【0006】また、前記バイポーラトランジスタにMI
SFETと同様にSOI構造が適用されることにより、
混在型半導体集積回路装置の素子構造、配線構造、製造
プロセスのいずれも共用でき簡略化できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
SOI構造が採用された混在型半導体集積回路装置にお
いては、以下の点が配慮されていない。
【0008】(1)前記混在型半導体集積回路装置は半
導体基板と珪素層との間の絶縁層が均一な膜厚で形成さ
れる。MISFETのソース領域、ドレイン領域の夫々
と半導体基板との間に形成される寄生容量を減少するこ
とを目的とした場合、前記絶縁層の膜厚は全体的に厚く
なる。絶縁層は一般的に酸化珪素膜が使用され、この酸
化珪素膜の熱伝導率は珪素の熱伝導率に比べて2桁程度
小さい。珪素の熱伝導率は168〔W/m・K〕、酸化
珪素膜の熱伝導率は0.5〜1.4〔W/m・K〕であ
る。バイポーラトランジスタで組み立てられた例えばE
CL(mitter oupled ogic)回路においては、動
作電源−基準電源間に定常電流が流れるので、発熱量が
大きい。このため、ECL回路で発生した熱が絶縁層を
通して半導体基板において放散することが期待できない
ので、ECL回路での消費電力を削減しなければなら
ず、ECL回路の動作速度が遅くなる。
【0009】(2)また、前記課題(1)を解決するこ
とを目的とした場合、前記絶縁層の膜厚は全体的に薄く
なる。この絶縁層の膜厚が薄くなると、MISFETの
ソース領域、ドレイン領域の夫々と半導体基板との間に
形成される寄生容量が増大する。特に、最終出力段回路
を除き、内部論理回路例えばインバータ回路を組み立て
る駆動能力が小さいMISFETにおいては、ソース領
域、ドレイン領域の夫々に付加される寄生容量の割合が
大きくなるので、次段回路を駆動する際、充電速度、放
電速度のいずれも遅くなる。このため、内部論理回路の
動作速度が遅くなる。
【0010】本発明の目的は、下記の通りである。 (1)SOI構造を採用した混在型半導体集積回路装置
において、放熱効率を向上しかつ寄生容量を減少し、回
路の動作速度の高速化を図る。 (2)前記目的(1)を達成するとともに、SOI構造
を採用した混在型半導体集積回路装置において、MIS
FETのキンク特性の発生を防止するとともに、バイポ
ーラトランジスタの遮断周波数を向上する。 (3)前記目的(2)を達成するとともに、SOI構造
を採用した混在型半導体集積回路装置において、素子表
面の平坦化を図る。 本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。
【0011】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下
記のとおりである。
【0012】(1)基板の表面上に絶縁層を介在して半
導体層が構成され、この半導体層の第1領域にバイポー
ラトランジスタが構成されるとともに、前記半導体層の
前記第1領域と異なる第2領域にMISFETが構成さ
れる半導体集積回路装置において、前記半導体層の第1
領域に構成されたバイポーラトランジスタの下地の絶縁
層の膜厚が薄く構成されるとともに、前記半導体層の第
2領域に構成されたMISFETの下地の絶縁層が前記
第1領域の下地の絶縁層の膜厚に比べて厚く構成され
る。
【0013】(2)前記手段(1)に記載される半導体
層の第1領域の膜厚は厚く構成されるとともに、前記半
導体層の第2領域の膜厚は前記半導体層の第1領域の膜
厚に比べて薄く構成され、前記半導体層の第1領域に前
記半導体層の膜厚方向に沿ってコレクタ領域、ベース領
域、エミッタ領域の夫々の動作領域が順次配列される縦
型構造のバイポーラトランジスタが構成され、前記半導
体層の第2領域にゲート電極に電圧が印加されたときに
完全空乏化されるチャネル形成領域が配置されるMIS
FETが構成される。
【0014】(3)前記手段(2)に記載される半導体
層のバイポーラトランジスタが構成された第1領域の膜
厚とこの第1領域の絶縁層の膜厚との合計の膜厚は前記
半導体層のMISFETが構成された第2領域の膜厚と
この第2領域の絶縁層の膜厚との合計の膜厚と同一寸法
で構成される。
【0015】
【作用】上述した手段(1)によれば、下記の作用効果
が得られる。 (A)前記バイポーラトランジスタから基板までの間の
放熱経路の熱抵抗を減少できるので、バイポーラトラン
ジスタの動作で発生する熱が膜厚が薄い絶縁層を通して
基板の全域において放散できる。この結果、バイポーラ
トランジスタの温度上昇を減少し、バイポーラトランジ
スタの消費電力を増加できるので、バイポートランジス
タで組み立てられる回路の動作速度の高速化が図れる。 (B)前記MISFETと基板との間の離隔距離が増加
できるので、MISFET特にソース領域及びドレイン
領域に付加される寄生容量を減少できる。この結果、M
ISFETの充電速度、放電速度のいずれかの動作速度
を速くできるので、MISFETで組み立てられる回路
の動作速度の高速化が図れる。 (C)前記バイポーラトランジスタ、MISFETのい
ずれも、前記基板から絶縁層を介在して分離され、前記
基板中にα線が入射し発生する少数キャリアのバイポー
ラトランジスタ、MISFETの夫々への侵入を防止で
きるので、α線ソフトエラー耐性を向上できる。 (D)前記バイポーラトランジスタが基板から絶縁層を
介在して分離されるので、pn接合分離に比べて、バイ
ポーラトランジスタと基板との間の耐圧を向上できる。
【0016】上述した手段(2)によれば、前記手段
(1)の作用効果の他に、下記の作用効果が得られる。 (A)前記縦型構造のバイポーラトランジスタの半導体
層中に配列される埋込型となるコレクタ領域(又はエミ
ッタ領域)の半導体層の膜厚方向と一致する方向の寸法
を増加できるので、コレクタ領域の抵抗を減少し、バイ
ポーラトランジスタの遮断周波数fT を向上できる。 (B)前記MISFETのソース領域−ドレイン領域間
に発生するパンチスルーを排除し、チャネル形成領域の
長さ(チャネル長又はゲート長)を縮小できるので、M
ISFETのスイッチング動作速度を速くできる。ま
た、前記MISFETのチャネル形成領域において、キ
ャリアの散乱を低減し、キャリアの移動度を向上できる
ので、MISFETのスイッチング動作速度を速くでき
る。また、MISFETのチャネル形成領域が完全空乏
化できるので、キンク特性の発生を防止できる。
【0017】上述した手段(3)によれば、前記手段
(1)の作用効果の他に、前記バイポーラトランジスタ
の表面の高さ、MISFETの表面の高さの夫々を一致
できるので、素子表面の平坦化が図れる。
【0018】以下、本発明の構成について、単結晶珪素
基板を基板とするSOI構造を採用した混在型半導体集
積回路装置に本発明を適用した一実施例とともに説明す
る。
【0019】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。
【0020】
【実施例】(実 施 例 1)本発明の実施例1である混
在型半導体集積回路装置の要部の構成について、図1
(断面図)を使用し説明する。
【0021】図1に示すように、混在型半導体集積回路
装置はSOI構造が採用される。この混在型半導体集積
回路装置は、母体としての半導体基板1の一表面上に絶
縁層2を介在し半導体層3が構成され、この半導体層3
にバイポーラトランジスタTr及び相補型MISFET
が構成される。
【0022】前記半導体基板1は単結晶珪素基板で形成
され、前記絶縁層2は酸化珪素で形成される。この単結
晶珪素基板は、酸化珪素(熱伝導率は0.5〜1.4〔W
/m・K〕)に比べて熱伝導率(168〔W/m・
K〕)が高く、しかも絶縁層2との接着力が高い。
【0023】前記絶縁層2は基本的には半導体基板1、
半導体層3に形成された素子の夫々の間を電気的に分離
することを目的として構成される。この絶縁層2は、バ
イポーラトランジスタTrが形成される領域において薄
い膜厚を有する絶縁層2Aとして構成され、相補型MI
SFETが形成される領域において厚い膜厚を有する絶
縁層2Bとして構成される。
【0024】前記絶縁層2Aは、バイポーラトランジス
タTrと半導体基板1との間の放熱経路において熱抵抗
を減少し、バイポーラトランジスタTrの動作で発生す
る熱を半導体基板1に効率良く伝達できる。絶縁層2A
は、半導体基板1の表面が本実施例において平坦に構成
されるので、この半導体基板1の表面からの膜厚が例え
ば400〔nm〕で構成される。また、詳細な数値は後
述するが、本実施例のバイポーラトランジスタTrのn
型グラフトコレクタ領域に付加される寄生容量の値は、
300〜350〔nm〕の膜厚の絶縁層2Aで分離する
と、半導体基板1との間をpn接合部で分離したときと
同等になり、寄生容量を減少できない。したがって、絶
縁層2Aは、前述の通り400〔nm〕の膜厚で若しく
は絶縁層2Bの膜厚に比べて薄い膜厚の範囲内において
400〔nm〕よりも厚い膜厚で形成する。
【0025】前記絶縁層2Bは、相補型MISFET特
にソース領域及びドレイン領域と半導体基板1との間に
付加される寄生容量を減少できる。絶縁膜2Bは半導体
基板1の表面からの膜厚が例えば 2.0〔μm〕で構成
される。
【0026】前記バイポーラトランジスタTrは、図1
中、中央部分に示すように、半導体層3のうち厚い膜厚
で形成された半導体層3Aに構成される。この厚い膜厚
で形成された半導体層3Aは下地の絶縁層2の薄い膜厚
で形成された絶縁層2A上において配置される。前記相
補型MISFETはnチャネルMISFETQn及びp
チャネルMISFETQpで構成される。前記nチャネ
ルMISFETQnは、図1中、左側部分に示すよう
に、半導体層3のうち薄い膜厚で形成された半導体層3
Bに構成される。同様に、pチャネルMISFETQp
は、図1中、右側部分に示すように、半導体層3のうち
薄い膜厚で形成された半導体層3Bに構成される。前記
薄い膜厚で形成された半導体層3Bは下地の絶縁層2の
厚い膜厚で形成された絶縁層2B上において配置され
る。
【0027】前記半導体層3は基本的には単結晶珪素で
形成される。半導体層3のうち、半導体層3Aは、バイ
ポーラトランジスタTrのn型グラフトコレクタ領域に
おいて、半導体層3の膜厚方向と一致する方向の厚さを
増加し、コレクタ抵抗の低減を主目的として、厚い膜厚
で形成される。半導体層3Aは例えば 1.7〔μm〕の
膜厚で構成される。
【0028】前記半導体層3のうち、半導体層3Bは、
相補型MISFETの夫々のチャネル形成領域5、6に
おいて、半導体層3の膜厚方向と一致する方向の厚さを
減少し、動作状態で完全空乏化の実現を主目的として、
薄い膜厚で形成される。半導体層3Bは例えば100
〔nm〕若しくはそれ以下の膜厚で構成される。
【0029】また、前記半導体層3の半導体層3Aの表
面の位置と半導体層3Bの表面の位置とは実質的に一致
され、半導体層3の表面の全体は平坦に構成される。つ
まり、半導体層3の厚い膜厚で形成された半導体層3A
の膜厚とその下地となる絶縁層2の薄い膜厚で形成され
た絶縁層2Aの膜厚との合計の膜厚は、薄い膜厚で形成
された半導体層3Bの膜厚とその下地となる厚い膜厚で
形成された絶縁層2Bの膜厚との合計の膜厚と同一寸法
に構成される。
【0030】前記バイポーラトランジスタTrは、底面
が絶縁層2Aで囲まれ、かつ側面が絶縁層2B及び素子
間分離絶縁膜(LOCOS:Local xidizition of
ilicon)4で囲まれた領域内において、前述のように半
導体層3Aに構成される。つまり、バイポーラトランジ
スタTrは半導体層3Aの膜厚方向と一致する方向にn
型コレクタ領域、p型ベース領域、n型エミッタ領域の
夫々の動作領域を順次配列した縦型構造で構成されかつ
npn型で構成される。
【0031】前記n型コレクタ領域はn型真性コレクタ
領域、n+ 型グラフトコレクタ領域及びn+ 型コレクタ
電位引上げ用領域で構成される。n型真性コレクタ領域
は例えば1016〔atoms/cm3〕程度の低い不純物濃度の
n型半導体領域5で構成される。このn型半導体領域5
は、半導体層3A中、この半導体層3Aの表面から深さ
方向に200〜700〔nm〕の範囲内において構成さ
れる。n+ 型グラフトコレクタ領域は例えば1019〜1
20〔atoms/cm3〕程度の高い不純物濃度のn+ 型半導
体領域7で構成される。このn+ 型半導体領域7は、半
導体層3A中、この半導体層3Aの表面から深さ方向に
700〔nm〕〜 1.7〔μm〕の範囲内において、つ
まり半導体層3Aの膜厚方向と一致する方向に約 1.0
〔μm〕の厚い寸法で構成される。したがって、n+ 型
グラフトコレクタ領域は、飽和領域に近い高い不純物濃
度で構成され、かつ厚い膜厚で形成される半導体層3A
の膜厚の約3分の2を占める膜厚で構成されるので、コ
レクタ抵抗を充分に減少できる。n+ 型コレクタ電位引
上げ用領域は高い不純物濃度のn+ 型半導体領域8で構
成される。
【0032】前記p型ベース領域は、n型コレクタ領域
のn型真性コレクタ領域の主面部に構成され、例えば1
18〜1019〔atoms/cm3〕程度の中程度の不純物濃度
のp型半導体領域12で構成される。
【0033】前記n型エミッタ領域は、p型ベース領域
の主面部に構成され、例えば1020〜1021〔atoms/c
m3〕程度の高い不純物濃度のn+ 型半導体領域13で構
成される。このn+ 型半導体領域13の表面はエミッタ
引出し電極14に電気的に接続される。エミッタ引出し
電極14は例えばn型不純物としてAs(又はP)が導
入された多結晶珪素膜で形成され、このエミッタ引出し
電極14はn型エミッタ領域を形成する不純物拡散源と
しても構成される。
【0034】前記バイポーラトランジスタTrのn型コ
レクタ領域のn+ 型コレクタ電位引上げ用領域、p型ベ
ース領域の夫々は個々に配線17が電気的に接続され
る。また、n型エミッタ領域はエミッタ引出し電極14
を介在し配線17に電気的に接続される。配線17は、
層間絶縁膜16の表面上に形成され、この層間絶縁膜1
5に形成された接続孔16を通して各々の領域に接続さ
れる。配線17は例えばアルミニウム合金で構成され
る。アルミニウム合金は例えばアロイスパイク耐性を向
上するSi、マイグレーション耐性を向上するCuの少
なくともいずれか一方が添加されたアルミニウムであ
る。
【0035】前記相補型MISFETのnチャネルMI
SFETQnは、底面が絶縁層2Bで囲まれ、かつ側面
が素子間分離絶縁膜4で囲まれた領域内において、半導
体層3Bに構成される。つまり、nチャネルMISFE
TQnは、半導体層3Bの表面方向と一致する方向にn
型ソース領域、p型(若しくはi型)チャネル形成領
域、n型ドレイン領域の夫々が順次配列されるととも
に、p型チャネル形成領域の表面上にゲート絶縁膜9を
介在してゲート電極10が構成される。
【0036】相補型MISFETの動作電圧Vccが
3.3〔V〕場合、n型ソース領域、n型ドレイン領域
の夫々は例えば1019〜1020〔atoms/cm3〕程度の高
い不純物濃度のn+ 型半導体領域11で構成される。p
型チャネル形成領域は例えば1015〔atoms/cm3〕程度
の低い不純物濃度のp型半導体領域6で構成される。ゲ
ート絶縁膜9は例えば酸化珪素膜で構成され、この酸化
珪素膜は例えば8〜10〔nm〕程度の膜厚で構成され
る。ゲート電極10は例えば多結晶珪素膜で構成され、
この多結晶珪素膜は抵抗値を低減する不純物例えばPが
導入される。また、ゲート電極10は、多結晶珪素膜に
変えて、多結晶珪素膜及びその上部に積層されたWSi
x,MoSix(xは例えば2)等の高融点金属珪化膜
で形成される複合膜(polycide)を使用してもよい。
【0037】pチャネルMISFETQpは、nチャネ
ルMISFETQnと同様に、底面が絶縁層2Bで囲ま
れ、かつ側面が素子間分離絶縁膜4で囲まれた領域内に
おいて、半導体層3Bに構成される。つまり、pチャネ
ルMISFETQpは、半導体層3Bにp型ソース領
域、n型(若しくはi(イントリンシック)型)チャネ
ル形成領域、p型ドレイン領域の夫々が順次配列される
とともに、n型チャネル形成領域の表面上にゲート絶縁
膜9を介在してゲート電極10が構成される。
【0038】前記p型ソース領域、p型ドレイン領域の
夫々は例えば1019〜1020〔atoms/cm3〕程度の高い
不純物濃度のp+ 型半導体領域12で構成される。n型
チャネル形成領域は例えば1015〔atoms/cm3〕程度の
低い不純物濃度のn型半導体領域5で構成される。
【0039】前記nチャネルMISFETQnのn型ソ
ース領域、n型ドレイン領域、pチャネルMISFET
Qpのp型ソース領域、p型ドレイン領域の夫々には配
線17が電気的に接続される。
【0040】図2(A)に前記相補型MISFETで形
成された一例のインバータ回路の回路図を示し、図2
(B)に前記バイポーラトランジスタTrで形成された
一例のECL回路の回路図を示す。また、図2(C)に
前記インバータ回路の入出力電圧波形図、図2(E)に
電源電流波形図の各々を示し、図2(D)に前記ECL
回路の入出力電圧波形図、図2(F)に電源電流波形図
の各々を示す。
【0041】図2(A)に示すように、インバータ回路
はnチャネルMISFETQn及びpチャネルMISF
ETQpで構成される。nチャネルMISFETQn、
pチャネルMISFETQpの夫々のゲート電極は入力
端子VINに接続され、夫々のドレイン領域は出力端子V
OUT に接続される。nチャネルMISFETQnのソー
ス領域は基準電源電圧VEEに接続される。基準電源電圧
EEは例えば回路の接地電圧0〔V〕が使用される。p
チャネルMISFETQpのソース領域は動作電源電圧
CCが接続される。動作電源電圧VCCは本実施例におい
ては前述のように 3.3〔V〕が使用される。
【0042】図2(B)に示すように、ECL回路は4
個のバイポーラトランジスタTr1〜Tr4及び4個の
抵抗素子R1〜R4で構成される。バイポーラトランジ
スタTr1のベース電極は入力端子VINに接続され、バ
イポーラトランジスタTr2のベース電極は基準判定電
圧Vref に接続される。また、バイポーラトランジスタ
Tr3のベース電極は端子VB に接続され、バイポーラ
トランジスタTr4のエミッタ電極は出力端子VOUT
接続される。
【0043】図2(C)及び図2(E)に示すように、
インバータ回路は、入力電圧の切替え並びに出力電圧の
切替えの際の振幅(電圧差)は大きいが、この切替えの
際に瞬時に電流が流れるだけなので、電力の消費は少な
く、発熱量も極めて小さい。これに対して、図2(D)
及び図2(F)に示すように、ECL回路は、入力電圧
の切替え並びに出力電圧の切替えの際の振幅は小さい
が、定常電流I0 として常時電流が流れるので、電力の
消費は多く、発熱量も大きい。
【0044】次に、前記混在型半導体集積回路装置の形
成方法について、図3乃至図20(各工程毎に示す断面
図)を使用し、簡単に説明する。
【0045】まず、半導体層3として使用される単結晶
珪素基板3を準備し、図3に示すように、この単結晶珪
素基板3の主面部の全域にn+ 型半導体領域7を形成す
る。このn+ 型半導体領域7はバイポーラトランジスタ
Trのn型グラフトコレクタ領域として使用される。n
+ 型半導体領域7は例えばn型不純物をイオン打ち込み
法で導入することにより形成される。
【0046】次に、図4に示すように、前記n+ 型半導
体領域7の主面上の全域に酸化珪素膜20を形成する。
この酸化珪素膜20は、エッチングマスクとして使用さ
れ、例えば熱酸化法で形成する。
【0047】次に、図5に示すように、前記酸化珪素膜
20にパターンニングを施し、バイポーラトランジスタ
Trの形成領域に酸化珪素膜20を残存し、この残存し
た酸化珪素膜20でエッチングマスク20を形成する。
前記パターンニングは、同図5に示すように、フォトリ
ソグラフィ技術で形成されたフォトレジストマスクを使
用し行われる。
【0048】次に、図6に示すように、前記エッチング
マスク20を使用し、相補型MISFETの形成領域に
おいて、単結晶珪素基板3の主面の一部分をエッチング
で除去し、膜厚が厚く形成される半導体層3A、膜厚が
薄く形成される半導体層3Bの夫々に相当する領域を形
成する。
【0049】次に、図7に示すように、単結晶珪素基板
3のエッチングされた領域つまり相補型MISFETの
形成領域において、ストッパー層22を形成する。この
ストッパー層22は、後工程において、単結晶珪素基板
3の裏面を化学的研磨するときに、化学的研磨の終点判
定としての機能を備え、半導体層3の半導体層3Aの膜
厚、半導体層3Bの膜厚の夫々の膜厚を高い精度で設定
できる。ストッパー層22は、単結晶珪素基板3との間
に化学的研磨に対する選択比が確保できる、例えば選択
熱酸化法、酸素のイオン打ち込み法のいずれかの方法で
形成された酸化珪素膜で形成される。
【0050】次に、前記エッチングマスク20を除去し
た後、図8に示すように、前記単結晶珪素基板3の主面
上の全域に半導体基板1と半導体層3との間を分離する
絶縁層2を形成する。絶縁層2は、単結晶珪素基板3の
主面において、バイポーラトランジスタTrの形成領域
の膜厚が薄い絶縁層2Aとして形成され、相補型MIS
FETの形成領域の膜厚が厚い絶縁層2Bとして形成さ
れる。結果的に、絶縁層2の表面の全域は平坦化され
る。絶縁層2は、例えば石英バイアススパッタ法で堆積
された酸化珪素膜、塗布法(pin n lass)で塗布
及び硬化させた酸化珪素膜のいずれかの単層、若しくは
それを主体とした積層で形成される。また、絶縁層2は
フォトレジスト膜を併用したエッチングバック法で形成
してもよい。つまり、まず、全域にCVD法で酸化珪素
膜を堆積し、この酸化珪素膜の表面上にそれとエッチン
グ選択比を持たないフォトレジスト膜を塗布することで
このフォトレジスト膜の表面を平坦化し、この後、前記
フォトレジスト膜の表面から異方性エッチングを行い、
前記酸化珪素膜の表面を平坦化することで絶縁層2を形
成してもよい。
【0051】次に、図9に示すように、前記絶縁層2の
表面上に単結晶珪素で形成された半導体基板1を貼り合
わせる。
【0052】次に、図10に示すように、単結晶珪素基
板3にポリッシング技術を施す。このポリッシング技術
は単結晶珪素基板3の裏面を化学的に研磨する技術であ
り、この研磨された単結晶珪素基板3から膜厚が異なる
半導体層3A及び3Bを有する半導体層3が形成され
る。同図10に示すように、半導体層3特に膜厚が薄く
形成された半導体層3Bは予め形成されたストッパー層
22でその膜厚が制御される。この半導体層3を形成す
る工程により、半導体基板1、絶縁層2、半導体層3の
夫々を重ね合わせた所謂SOI基板が完成する。
【0053】次に、図11に示すように、前記SOI基
板を反転し、素子形成プロセスを開始する。
【0054】まず、図12に示すように、nチャネルM
ISFETQnの形成領域を不純物導入マスク23で被
覆し、バイポーラトランジスタTrの形成領域である半
導体層3A及びpチャネルMISFETQpの形成領域
である半導体層3Bにn型半導体領域5を形成する。こ
の後、前記不純物導入マスク23は除去される。前記n
型半導体領域5は、バイポーラトランジスタTrのn型
真性コレクタ領域、pチャネルMISFETQpのn型
チャネル形成領域の夫々を形成する。n型半導体領域5
は例えばイオン打ち込み法を使用し形成される。前記不
純物導入マスク23はフォトリソグラフィ技術で形成さ
れるフォトレジスト膜が使用される。
【0055】なお、この素子形成プロセスにおいて使用
されるSOI基板は、前述のように予めバイポーラトラ
ンジスタTrのn型グラフトコレクタ領域が形成されて
いるので、エピタキシャル成長技術を使用した複雑な埋
込層としてのグラフトコレクタ領域の形成プロセスを廃
止できる。
【0056】次に、図13に示すように、バイポーラト
ランジスタTrの形成領域及びpチャネルMISFET
Qpの形成領域を不純物導入マスク24で被覆し、pチ
ャネルMISFETQpの形成領域である半導体層3B
にp型半導体領域6を形成する。この後、前記不純物導
入マスク24は除去される。前記p型半導体領域6は前
記n型半導体領域5と同様な方法で形成される。p型半
導体領域6はnチャネルMISFETQnのp型チャネ
ル形成領域として使用される。
【0057】次に、図14に示すように、前記半導体層
3の表面上の全域に薄い膜厚で酸化珪素膜(符号は付け
ない)を形成した後、バイポーラトランジスタTrの形
成領域等、活性領域において、前記酸化珪素膜上に耐酸
化マスク25を形成する。この耐酸化マスク25は例え
ば窒化珪素膜が使用される。
【0058】次に、図15に示すように、前記耐酸化マ
スク25を使用し、半導体層3の非活性領域を酸化し、
酸化珪素膜からなる素子間分離絶縁膜4を形成する。こ
の後、前記耐酸化マスク25は除去される。
【0059】次に、図16に示すように、少なくとも、
相補型MISFETの形成領域において、前記半導体層
3Bの表面(半導体領域5、6の夫々の表面)にゲート
絶縁膜9を形成する。ゲート絶縁膜9は熱酸化法で形成
する。
【0060】次に、図17に示すように、前記相補型M
ISFETの形成領域において、ゲート絶縁膜9の表面
上にゲート電極10を形成する。ゲート電極10は、例
えばCVD法で多結晶珪素膜を堆積し、この多結晶珪素
膜をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術でパタ
ーンニングすることにより形成する。前記多結晶珪素膜
はその堆積中又は堆積後にn型不純物が導入される。
【0061】次に、pチャネルMISFETQpの形成
領域及びバイポーラトランジスタTrのp型ベース領域
の形成領域を不純物導入マスク26で被覆する。そし
て、図18に示すように、nチャネルMISFETQn
の形成領域において、半導体層3Bのp型半導体領域6
の主面部にn+ 型半導体領域11を形成するとともに、
バイポーラトランジスタTrの形成領域において、半導
体層3Aのn型半導体領域5の主面部の一部分にn+ 型
半導体領域8を形成する。前記n+ 型半導体領域11は
nチャネルMISFETQnのソース領域、ドレイン領
域の夫々として形成される。n+ 型半導体領域8はバイ
ポーラトランジスタTrのn型コレクタ領域のn+ 型コ
レクタ電位引上げ用領域として使用される。n+ 型半導
体領域11、8の夫々はイオン打ち込み法を使用し形成
される。このn+ 型半導体領域11を形成する工程によ
り、nチャネルMISFETQnが完成する。そして、
不純物導入マスク26は除去される。
【0062】次に、nチャネルMISFETQnの形成
領域及びバイポーラトランジスタTrのn+ 型コレクタ
電位引上げ用領域を不純物導入マスク27で被覆する。
そして、図19に示すように、pチャネルMISFET
Qpの形成領域において、半導体層3Bのn型半導体領
域5の主面部にp+ 型半導体領域12を形成するととも
に、バイポーラトランジスタTrの形成領域において、
半導体層3Aのn型半導体領域5の主面部の一部分にp
+ 型半導体領域12を形成する。前記p+ 型半導体領域
12はpチャネルMISFETQpのソース領域、ドレ
イン領域の夫々として形成される。p+ 型半導体領域1
2はバイポーラトランジスタTrのp型ベース領域とし
て使用される。p+ 型半導体領域12はイオン打ち込み
法を使用し形成される。このp+ 型半導体領域12を形
成する工程により、pチャネルMISFETQpが完成
する。そして、不純物導入マスク27は除去される。
【0063】次に、前記相補型MISFETの夫々のゲ
ート電極10の表面上を含む全域に層間絶縁膜15Uを
形成し、バイポーラトランジスタTrのn型エミッタ領
域の形成領域において、前記層間絶縁膜15Uにエミッ
タ開口を形成する。そして、図20に示すように、前記
層間絶縁膜15U上に前記エミッタ開口を通してp型ベ
ース領域の表面に接触するエミッタ引出し電極14を形
成するとともに、このエミッタ引出し電極14を不純物
の拡散源としてp型ベース領域の主面部にn型エミッタ
領域を形成する。n型エミッタ領域はn+ 型半導体領域
13で形成される。このn型エミッタ領域を形成する工
程により、バイポーラトランジスタTrが完成する。
【0064】次に、前記図1に示すように、層間絶縁膜
15、接続孔16、配線17の夫々を順次形成すること
により、本実施例の混在型半導体集積回路装置は完成す
る。
【0065】このように、本実施例の混在型半導体集積
回路装置によれば、下記の構成及びこの構成に基づく作
用効果が得られる。
【0066】(1)半導体基板1の表面上に絶縁層2を
介在して半導体層3が構成され、この半導体層3の第1
領域にバイポーラトランジスタTrが構成されるととも
に、前記半導体層3の前記第1領域と異なる第2領域に
MISFETQn(又はQp)が構成される混在型半導
体集積回路装置において、前記半導体層3の第1領域に
構成されたバイポーラトランジスタTrの下地の絶縁層
2Aの膜厚が薄く構成されるとともに、前記半導体層3
の第2領域に構成されたMISFETQnの下地の絶縁
層2Bが前記第1領域の下地の絶縁層2Aの膜厚に比べ
て厚く構成される。
【0067】この構成(1)によれば、下記の作用効果
が得られる。(A)前記バイポーラトランジスタTrか
ら半導体基板1までの間の放熱経路の熱抵抗を減少でき
るので、バイポーラトランジスタTrの動作で発生する
熱が膜厚が薄い絶縁層2Aを通して半導体基板1の全域
において放散できる。この結果、バイポーラトランジス
タTrの温度上昇を減少し、バイポーラトランジスタT
rの消費電力を増加できるので、バイポートランジスタ
Trで組み立てられる回路例えばECL回路の動作速度
の高速化が図れる。(B)前記MISFETQnと半導
体基板1との間の離隔距離が増加できるので、MISF
ETQn特にソース領域及びドレイン領域(11又は1
2)に付加される寄生容量を減少できる。この結果、M
ISFETQnの放電速度(又はQpの充電速度)の動
作速度を速くできるので、MISFETQnで組み立て
られる回路例えばインバータ回路の動作速度の高速化が
図れる。(C)前記バイポーラトランジスタTr、MI
SFETQnのいずれも、前記半導体基板1から絶縁層
5を介在して分離され、前記半導体基板1中にα線が入
射し発生する少数キャリアのバイポーラトランジスタT
r、MISFETQnの夫々への侵入を防止できるの
で、α線ソフトエラー耐性を向上できる。特に、メモリ
回路を構成する場合に最適である。(D)前記バイポー
ラトランジスタTrが半導体基板1から絶縁層2を介在
して分離されるので、pn接合分離に比べて、バイポー
ラトランジスタTrと半導体基板1との間の耐圧を向上
できる。
【0068】(2)前記構成(1)に記載される半導体
層3の第1領域の半導体層3Aの膜厚は厚く構成される
とともに、前記半導体層3の第2領域の半導体層3Bの
膜厚は前記半導体層3Aの膜厚に比べて薄く構成され、
前記半導体層3Aにその膜厚方向に沿ってn型コレクタ
領域、p型ベース領域、n型エミッタ領域の夫々の動作
領域が順次配列される縦型構造のバイポーラトランジス
タTrが構成され、前記半導体層3の半導体層3Bにゲ
ート電極10に電圧が印加されたときに完全空乏化され
るチャネル形成領域6(又は5)が配置されるMISF
ETQn(又はQp)が構成される。
【0069】この構成(2)によれば、前記構成(1)
の作用効果の他に、下記の作用効果が得られる。(A)
前記縦型構造のバイポーラトランジスタTrの半導体層
3A中に配列される埋込型となるn型コレクタ領域(特
に、n+ 型グラフトコレクタ領域、n+ 型半導体領域
7)の半導体層3Aの膜厚方向と一致する方向の寸法を
増加できるので、n型コレクタ領域の抵抗を減少し、バ
イポーラトランジスタTrの遮断周波数fT を向上でき
る。(B)前記MISFETQnのソース領域−ドレイ
ン領域間に発生するパンチスルーを排除し、チャネル形
成領域の長さ(チャネル長又はゲート長)を縮小できる
ので、MISFETQnのスイッチング動作速度を速く
できる。また、前記MISFETQnのチャネル形成領
域において、キャリアの散乱を低減し、キャリアの移動
度を向上できるので、MISFETQnのスイッチング
動作速度を速くできる。また、MISFETQnのチャ
ネル形成領域が完全空乏化できるので、キンク特性の発
生を防止できる。
【0070】(3)前記構成(2)に記載される半導体
層3のバイポーラトランジスタTrが構成された第1領
域の半導体層3Aの膜厚とこの第1領域の絶縁層2Aの
膜厚との合計の膜厚は前記半導体層3のMISFETQ
nが構成された第2領域の半導体層3Bの膜厚とこの第
2領域の絶縁層2Bの膜厚との合計の膜厚と同一寸法で
構成される。
【0071】この構成(3)によれば、前記構成(1)
の作用効果の他に、前記バイポーラトランジスタTrの
表面の高さ、MISFETQnの表面の高さの夫々を一
致できるので、素子表面の平坦化が図れる。この結果、
混在型半導体集積回路装置において、層間絶縁膜15の
表面の平坦化が図れるので、配線17の断線不良の防止
等、信頼性を向上できる。
【0072】(実 施 例 2)本実施例2は、混在型半
導体集積回路装置で使用されるSOI基板の他の形成方
法について説明する、本発明の第2実施例である。
【0073】本発明の実施例2であるSOI基板の形成
方法について、図21乃至図27(各工程毎に示す断面
図)を使用し、簡単に説明する。
【0074】まず、前述の実施例1の形成プロセスと同
様に単結晶珪素基板3を準備し、図21に示すように、
この単結晶珪素基板3の主面上の全域に窒化珪素膜28
を形成する。
【0075】次に、前記窒化珪素膜28にパターンニン
グを施し、図22に示すように、前記バイポーラトラン
ジスタTrの形成領域において、前記窒化珪素膜28を
残存し、この窒化珪素膜28で耐酸化マスク28を形成
する。前記パターンニングは、フォトリソグラフィ技術
で形成されたエッチングマスク29を使用し、エッチン
グを施すことにより行われる。パターンニング後はエッ
チングマスク29は除去される。
【0076】次に、図23に示すように、前記耐酸化マ
スク28を使用し、相補型MISFETの形成領域にお
いて、単結晶珪素基板3の主面上の一部の領域に酸化珪
素膜2Lを形成する。この酸化珪素膜2Lは、熱酸化法
で形成され、絶縁層2の一部分を構成する。この酸化珪
素膜2Lを形成した後、前記耐酸化マスク28は除去さ
れる。
【0077】次に、図24に示すように、前記酸化珪素
膜2Lを不純物導入マスクとして使用し、バイポーラト
ランジスタTrの形成領域において、単結晶珪素基板3
の主面部の一部分にn+ 型半導体領域7を形成する。こ
のn+ 型半導体領域7は、イオン打ち込み法でn型不純
物を導入することにより形成され、前記酸化珪素膜2L
に対して自己整合で形成される。なお、n+ 型半導体領
域7はバイポーラトランジスタTrのn型コレクタ領域
のn+ 型グラフトコレクタ領域として使用される。
【0078】次に、図25に示すように、前記n+ 型半
導体領域7の表面上及び酸化珪素膜2Lの表面上を含む
全域に絶縁膜を堆積し、この堆積された絶縁膜で絶縁層
2を形成する。この絶縁層2は、バイポーラトランジス
タTrの形成領域において、堆積された絶縁膜で薄い膜
厚の絶縁層2Aを形成し、相補型MISFETの形成領
域において、堆積された絶縁膜及び酸化珪素膜2Lで厚
い膜厚の絶縁層2Bを形成する。
【0079】次に、前記実施例1の形成プロセスと同様
に、図26に示すように、前記単結晶珪素基板3の主面
上に絶縁層2を介在して半導体基板1を貼付ける。そし
て、図27に示すように、ポリッシング技術を使用し、
単結晶珪素基板3の裏面を化学的に研磨し、研磨された
単結晶珪素基板3で半導体層3が形成される。この半導
体層3が形成されると、SOI基板が完成する。
【0080】この後、前記実施例1の形成プロセスと同
様に、素子形成プロセスを施すことにより、本実施例の
混在型半導体集積回路装置は完成する。
【0081】このように、本実施例の混在型半導体集積
回路装置によれば、前記実施例1と同様の構成及びこの
構成に基づく作用効果が得られる。
【0082】(実 施 例 3)本実施例3は、混在型半
導体集積回路装置で使用されるSOI基板の他の形成方
法について説明する、本発明の第3実施例である。
【0083】本発明の実施例3であるSOI基板の形成
方法について、図28乃至図30(各工程毎に示す断面
図)を使用し、簡単に説明する。
【0084】まず、図28に示すように、半導体基板1
の主面上に絶縁層2Aを介在して半導体層3を備えたS
OI基板を準備する。絶縁層2Aは予め薄い膜厚で形成
され、半導体層3は予め厚い膜厚で形成される。
【0085】次に、バイポーラトランジスタTrの形成
領域において、前記半導体層3の表面上に不純物導入マ
スク30を形成する。そして、この不純物導入マスク3
0を使用し、イオン打ち込み法で半導体層3の深い領域
に酸素を導入し、図29に示すように、相補型MISF
ETの形成領域において厚い膜厚の絶縁層2Bを形成
し、絶縁層2を完成させる。この絶縁層2の厚い膜厚の
絶縁層2Bが形成されると、半導体層3に厚い膜厚で形
成される半導体層3A及び薄い膜厚で形成される半導体
層3Bが形成される。前記半導体層3が形成された後に
不純物導入マスク30は除去される。
【0086】次に、前記半導体層3の半導体層3Bの領
域上に不純物導入マスク31を形成する。そして、この
不純物導入マスク31を使用し、半導体層3の半導体層
3Aの深い領域にイオン打ち込み法でn型不純物を導入
し、n+ 型半導体領域7を形成する。このn+ 型半導体
領域7はバイポーラトランジスタTrのn型コレクタ領
域のn+ 型グラフトコレクタ領域として使用される。前
記n+ 型半導体領域7が形成されると、前記実施例1、
2の夫々のSOI基板と同様のSOI基板が形成され
る。この後、前記不純物導入マスク31は除去される。
【0087】次に、前記実施例1の形成プロセスと同様
に、素子形成プロセスを施すことにより、本実施例の混
在型半導体集積回路装置は完成する。
【0088】このように、本実施例の混在型半導体集積
回路装置によれば、前記実施例1と同様の構成及びこの
構成に基づく作用効果が得られる。
【0089】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。
【0090】例えば、本発明は、半導体基板1を化合物
半導体基板で構成するとともに、半導体層を化合物半導
体層で形成してもよい。また、本発明は、半導体層3と
しては好ましくは単結晶であるが、多結晶若しくは非晶
質であってもよい。
【0091】また、本発明は、エミッタ領域を埋込型と
して使用する所謂逆方向バイポーラトランジスタに適用
してもよい。
【0092】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。
【0093】(1)SOI構造を採用した混在型半導体
集積回路装置において、放熱効率を向上できかつ寄生容
量を減少でき、回路の動作速度の高速化が図れる。 (2)前記効果(1)が得られるとともに、SOI構造
を採用した混在型半導体集積回路装置において、MIS
FETのキンク特性の発生を防止でき、バイポーラトラ
ンジスタの遮断周波数を向上できる。 (3)前記効果(2)が得られるとともに、SOI構造
を採用した混在型半導体集積回路装置において、素子表
面の平坦化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1である混在型半導体集積回
路装置の断面図。
【図2】 (A)はインバータ回路図、(B)はECL
回路図、(C)及び(D)入出力電圧波形図、(E)及
び(F)は電源電流波形図。
【図3】 前記混在型半導体集積回路装置の第1形成工
程での断面図。
【図4】 第2形成工程での断面図。
【図5】 第3形成工程での断面図。
【図6】 第4形成工程での断面図。
【図7】 第5形成工程での断面図。
【図8】 第6形成工程での断面図。
【図9】 第7形成工程での断面図。
【図10】 第8形成工程での断面図。
【図11】 第9形成工程での断面図。
【図12】 第10形成工程での断面図。
【図13】 第11形成工程での断面図。
【図14】 第12形成工程での断面図。
【図15】 第13形成工程での断面図。
【図16】 第14形成工程での断面図。
【図17】 第15形成工程での断面図。
【図18】 第16形成工程での断面図。
【図19】 第17形成工程での断面図。
【図20】 第18形成工程での断面図。
【図21】 本発明の実施例2である混在型半導体集積
回路装置の第1形成工程での断面図。
【図22】 第2形成工程での断面図。
【図23】 第3形成工程での断面図。
【図24】 第4形成工程での断面図。
【図25】 第5形成工程での断面図。
【図26】 第6形成工程での断面図。
【図27】 第7形成工程での断面図。
【図28】 本発明の実施例3である混在型半導体集積
回路装置の第1形成工程での断面図。
【図29】 第2形成工程での断面図。
【図30】 第3形成工程での断面図。
【符号の説明】
1…半導体基板、2,2A,2B…絶縁層、3,3A,
3B…半導体層、4…素子間分離絶縁膜、5,6,7,
8,11,12,13…半導体領域、9…ゲート絶縁
膜、10,14…電極、17…配線、Tr…バイポーラ
トランジスタ、Q…MISFET。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板の表面上に絶縁層を介在して半導体
    層が構成され、この半導体層の第1領域にバイポーラト
    ランジスタが構成されるとともに、前記半導体層の前記
    第1領域と異なる第2領域にMISFETが構成される
    半導体集積回路装置において、前記半導体層の第1領域
    に構成されたバイポーラトランジスタの下地の絶縁層の
    膜厚が薄く構成されるとともに、前記半導体層の第2領
    域に構成されたMISFETの下地の絶縁層が前記第1
    領域の下地の絶縁層の膜厚に比べて厚く構成されたこと
    を特徴とする半導体集積回路装置。
  2. 【請求項2】 前記請求項1に記載される半導体層の第
    1領域の膜厚は厚く構成されるとともに、前記半導体層
    の第2領域の膜厚は前記半導体層の第1領域の膜厚に比
    べて薄く構成され、前記半導体層の第1領域に前記半導
    体層の膜厚方向に沿ってコレクタ領域、ベース領域、エ
    ミッタ領域の夫々の動作領域が順次配列される縦型構造
    のバイポーラトランジスタが構成され、前記半導体層の
    第2領域にゲート電極に電圧が印加されたときに完全空
    乏化されるチャネル形成領域が配置されるMISFET
    が構成されたことを特徴とする半導体集積回路装置。
  3. 【請求項3】 前記請求項2に記載される半導体層のバ
    イポーラトランジスタが構成された第1領域の膜厚とこ
    の第1領域の絶縁層の膜厚との合計の膜厚は前記半導体
    層のMISFETが構成された第2領域の膜厚とこの第
    2領域の絶縁層の膜厚との合計の膜厚と同一寸法で構成
    されたことを特徴とする半導体集積回路装置。
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