KR20020018610A - Dual damascene contact for integrated devices - Google Patents
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Abstract
Description
발명의 분야Field of invention
본 발명은 반도체 디바이스들에 관한 것으로, 특히 회로 구조들에서 도전성 부재들 사이의 접속들에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor devices, and more particularly to connections between conductive members in circuit structures.
배경background
반도체 공정 집적 레벨이 진행됨에 따라, 다중 레벨 상호접속 방식의 밀도는 계속 증가하고, 연관된 특징부 크기들은 작아진다. 사실상, 반도체 상호접속 요건들은 초대규모 집적 성과들 중 가장 요구가 지나친 양상들 중의 하나로 고려된다. 기타 다른 관심사들 중에서, 복잡해지는 디바이스들이 소형으로 제조됨에 따라 허용 가능한 레벨들의 디바이스 신뢰도를 유지하기는 곤란하다.As the semiconductor process integration level progresses, the density of multilevel interconnect schemes continues to increase, and the associated feature sizes become smaller. In fact, semiconductor interconnect requirements are considered one of the most demanding aspects of ultra-scale integration performance. Among other concerns, it is difficult to maintain acceptable levels of device reliability as devices become increasingly compact.
통상적으로, 복잡한 반도체 디바이스들은 회로 접속들을 수행하기 위해 3개 이상의 상호접속 레벨들을 필요로 한다. 이 구조물들에서, 바이어스 또는 콘택트들의 형성에 의해 다른 상호접속 레벨들 상의 도전성 부재들 사이에 접속이 이루어진다. 예시에 의해, 알루미늄 금속화 방식에서, 구조물은 유전체층들을 대안으로 형성하고, 서로 상에 금속 도전체 층들을 패턴닝한다. 각각의 유전체층이 형성된 후 그리고 다음 금속화 레벨이 생성되기 전에, 콘택트들은 일반적으로 먼저 이전 금속화 레벨의 밑에 놓인 영역들을 노출시키도록 최상부 유전체층을 통해 개구들을 통해 에칭함으로써 형성된다. 배리어 금속들(예, Ti 및 TiN의 스택)이 개구들에 침착되고, 이어서, 텅스텐 등의 내화성 금속이 침착되지만, Co 및 Al 역시 침착될 수 있다. 디바이스 기하학들이 수축됨에 따라 점점 작아지는 개구들의 폭(또는 직경)에 의해, 보이드(void) 또는 시임(seam)은 금속이 침착됨에 따라 비아 개구로형성되는 것이 일반적이다. 종종 보이드는 유전체층의 표면을 통해 연장하고, 과량의 금속이 예를 들면 화학 기계적 연마에 의해 표면으로부터 제거됨에 따라 노출된다. 결과로서 생긴 구조물은 신뢰도 문제점들을 야기시키고 디바이스 제조 과정에서 반도체 웨이퍼들의 재가공을 빈번히 필요로 하기 때문에 많이 염려되는 과제가 되고 있다. B. Kassab 등의 "H2O2함유 슬러리들을 사용하는 서브-쿼터 미크론 텅스텐 화학 기계적 평탄화에서 재가공 및 플러그 코어링을 감소시키는 프로세서 방법론(Process Methodologies to Reduce Rework and Plug Coring in Sub-Quarter Micron Tungsten Chemical Mechanical Planarization Using H2O2Containing Slurries)", 6월 27-29일, Proc. VMIC 컨퍼런스, 189 내지 194 페이지(2000) 참조. 또한, Y.C. Chang 등의 "Al 압출을 방지하기 위해 N2/H2플라즈마 처리와 조합된 저온 CVD TiN 침착(Low Temperature CVD TiN Deposition Combined with N2/H2Plasma Treatment to Prevent Al Extrusion)", 6월 27-29일, Proc. VMIC 컨퍼런스, 297 내지 301 페이지(2000) 참조.Typically, complex semiconductor devices require three or more interconnect levels to perform circuit connections. In these structures, a connection is made between conductive members on different interconnect levels by bias or formation of contacts. By way of example, in an aluminum metallization scheme, the structure alternatively forms dielectric layers and patterns metal conductor layers on each other. After each dielectric layer is formed and before the next metallization level is produced, the contacts are generally formed by first etching through the openings through the top dielectric layer to expose regions underlying the previous metallization level. Barrier metals (eg, a stack of Ti and TiN) are deposited in the openings, followed by deposition of a refractory metal such as tungsten, but Co and Al may also be deposited. Due to the width (or diameter) of the openings, which become smaller as the device geometries shrink, the void or seam is typically formed into via openings as the metal is deposited. Often the voids extend through the surface of the dielectric layer and are exposed as excess metal is removed from the surface, for example by chemical mechanical polishing. The resulting structure is a problem of great concern because it causes reliability problems and frequently requires reworking of semiconductor wafers during device fabrication. B. Kassab such as the "sub of using H 2 O 2 containing slurry-processor methodology of reducing rework and plug core ring in the quarter-micron tungsten chemical mechanical planarization (Process Methodologies to Reduce Rework and Plug Coring in Sub-Quarter Micron Tungsten Chemical Mechanical Planarization Using H 2 O 2 Containing Slurries), June 27-29, Proc. See VMIC Conference, pp. 189-194 (2000). In addition, "N 2 / H 2 of a low temperature in combination with the plasma processing CVD TiN deposition (Low Temperature CVD TiN Deposition Combined with N 2 / H 2 Plasma Treatment to Prevent Al Extrusion) in order to prevent Al extrusion", 6, such as YC Chang 27-29, Proc. See VMIC Conference, pages 297-301 (2000).
금속 콘택트들에서 보이드들 또는 시임들의 형성과 연관된 한가지 특수한 문제점은 코어링으로서 공지되어 있으며, 여기서 연마 공정은 그것이 다음 제조에 영향을 미치는 지점까지 보이드의 확대를 가져오고, 신뢰도 문제를 야기한다. 제2의 관련 문제점은 콘택트들 상에 침착된 물질들의 등각 특성(conformal nature)으로부터 유래한다. 예를 들면, 비교적 얇은 유전체층이 콘택트의 노출된 보이드 또는 시임 상에 침착될 때, 이 콘택트 둘레의 층의 두께는 더욱 감소할 수 있다. 이는단락을 생성할 수 있거나 또는 영역들 내에 박층을 제공함으로써 전기적 응력 하에 절연 파괴를 가져온다. 콘택트 시임들과 연관있고, 다시 코어링에 의해 확대되는 제3 문제점은 금속 이동, 특히 Al 상호접속 시스템들에서의 금속 이동이다. 전기 이동은 콘택트 시임으로의 Al의 이동을 가져오고, 상호접속층들 내에 보이드들을 생성하고, 디바이스 고장을 유도하는 것으로 공지되어 있다.One particular problem associated with the formation of voids or seams in metal contacts is known as coring, where the polishing process leads to enlargement of the voids to the point where it affects the next production and causes reliability problems. A second related problem stems from the conformal nature of materials deposited on contacts. For example, when a relatively thin dielectric layer is deposited on an exposed void or seam of a contact, the thickness of the layer around the contact can be further reduced. This may create a short or provide a breakdown in the regions resulting in dielectric breakdown under electrical stress. A third problem associated with contact seams and again magnified by coring is metal movement, in particular metal movement in Al interconnect systems. Electrophoresis is known to result in the movement of Al to contact seams, creating voids in the interconnect layers, and inducing device failure.
금속 콘택트들에서 시임들(seams)과 연관된 문제점들을 극복함으로써, 특히, 감하는 금속 에칭 공정들에 의해 제조되는 금속화 방식들을 갖는 디바이스들에 대해 집적 레벨 및 디바이스 신뢰도의 진보에 기여할 수 있다.By overcoming the problems associated with seams in metal contacts, it can contribute to the advancement of integration level and device reliability, especially for devices with metallization schemes made by subtractive metal etching processes.
본 발명의 일 실시예에 따라, 반도체 구조물은 각각의 레벨이 도전성 부재를 포함하는 반도체층 상에 형성된 공간 분리된 금속화 레벨들을 포함한다. 콘택트는 제1 레벨들의 도전성 부재를 제2 레벨들의 도전성 부재와 접속시킨다. 콘택트는 제1 레벨의 도전성 부재로 연장하는 좁은 부분 및 이 좁은 부분으로부터 제2 레벨의 도전성 부재 쪽으로 연장하는 넓은 부분을 포함한다.According to one embodiment of the invention, the semiconductor structure comprises spatially separated metallization levels formed on a semiconductor layer each level comprising a conductive member. The contact connects the first levels of conductive member with the second levels of conductive member. The contact includes a narrow portion extending to the first level conductive member and a wide portion extending from the narrow portion toward the second level conductive member.
본 발명의 다른 양상에 따라, 평면을 따라 표면이 형성된 반도체층을 갖는 집적 회로 디바이스가 역시 제공된다. 금속화 레벨은 표면 상에 형성된 도전성 부재를 포함하고, 상부면을 갖는 유전체 물질층이 반도체 표면과 도전성 부재 사이에 형성된다. 전기적 콘택트는 표면에 대하여 수직 배향축을 따라 유전체 물질층을 통해 연장한다. 이 콘택트는 상부면으로부터 축을 따라 유전체층 내에 연장하는 넓은 부분 및 이 넓은 부분으로부터 축을 따라 반도체층의 표면쪽으로 연장하는 좁은 부분을 포함한다.According to another aspect of the invention, there is also provided an integrated circuit device having a semiconductor layer surfaced along a plane. The metallization level includes a conductive member formed on the surface, and a layer of dielectric material having an upper surface is formed between the semiconductor surface and the conductive member. The electrical contact extends through the dielectric material layer along an axis of normal alignment with respect to the surface. The contact includes a wide portion extending from the top surface along the axis in the dielectric layer and a narrow portion extending from this wide portion along the axis toward the surface of the semiconductor layer.
또 다른 실시예에서, 반도체 구조물의 제조 방법은 상부면을 갖는 유전체 물질층을 반도체층 상에 형성하는 단계를 포함한다. 개구는 유전체층 내에 형성된다. 개구는 상부면으로부터 연장하는 넓은 부분 및 이 넓은 부분으로부터 반도체층 쪽으로 개구를 연장시키는 좁은 부분을 포함한다. 개구의 좁은 부분 및 넓은 부분 모두는 도전체 물질로 채워지고, 도전성 부재를 포함하는 금속화 레벨은 도전체 물질과의 전기적 콘택트 내의 개구 상에 형성된다.In yet another embodiment, a method of making a semiconductor structure includes forming a dielectric material layer having a top surface on a semiconductor layer. The opening is formed in the dielectric layer. The opening includes a wide portion extending from the top surface and a narrow portion extending from the wide portion toward the semiconductor layer. Both narrow and wide portions of the opening are filled with a conductor material, and a metallization level comprising the conductive member is formed on the opening in the electrical contact with the conductor material.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도.1 is a cross-sectional view illustrating an exemplary embodiment of the present invention.
도 2 내지 5는 도 1의 실시예의 제조와 관련한 세부 사항들을 예시하는 단면도.2-5 are cross-sectional views illustrating details relating to the manufacture of the embodiment of FIG. 1.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Explanation of symbols for the main parts of the drawings *
10: 집적 회로 구조물 12: 상부면 영역10: integrated circuit structure 12: top surface area
14: 반도체층 18: 트랜지스터14 semiconductor layer 18 transistor
20: 소스/드레인 영역 22: 게이트 구조물20: source / drain region 22: gate structure
30: 콘택트 62: 도전성 부재30: contact 62: conductive member
70: 커패시터 88: 커패시터 플레이트70: capacitor 88: capacitor plate
92: 개구 95, 98: 넓은 부분92: opening 95, 98: wide part
96, 100: 좁은 부분 97: 변형된 개구96, 100: narrow portion 97: deformed opening
본 발명의 수많은 장점들은 본 발명의 하기 상세한 설명을 첨부된 도면을 참조하여 읽을 때 명백해질 것이다.Numerous advantages of the present invention will become apparent upon reading the following detailed description of the invention with reference to the accompanying drawings.
같은 부호들은 도면 전반의 같은 소자들을 나타내지만, 도면에 예시된 여러 가지 특징들은 서로 비교되지 않음에 주의해야 한다.Although the same reference numerals represent the same elements throughout the drawings, it should be noted that the various features illustrated in the drawings are not compared with each other.
용어Terms
예시된 층들 및 다른 소자들은 2개 이상의 서브-층들 또는 서브-소자들을 포함할 수 있다. 다른 특징부 상에 형성되거나 배치된 하나의 층 또는 다른 소자가 개시될 때, 그 소자는 다른 특징부와의 직접적인 콘택트일 수 있거나 또는 예를 들면 개재되는 소자에 의해 다른 특징부로부터 공간 분리될 수 있다. 더욱이, 다른 특징부 상에 개시된 소자는 특징부 상에 반드시 수직으로 존재할 필요는 없고, 예를 들면 다른 특징부의 측면 부분 상에 형성될 수 있다.The illustrated layers and other elements can include two or more sub-layers or sub-elements. When a layer or other device is formed or disposed on another feature, the device can be a direct contact with the other feature or can be spatially separated from the other feature by, for example, an intervening device. have. Moreover, elements disclosed on other features need not necessarily be perpendicular to the features, but may be formed on the side portions of other features, for example.
수직 및 수평이라는 용어는 다른 표면에 관하여 하나의 표면의 대략의 직교배향을 나타내고, 여기서 어느 하나의 표면이 한 평면 내에 형성될 수 있는 한편, 한 표면 또는 모든 표면은 불규칙성을 가질 수 있거나 또는 반도체 디바이스들의 다른 특징부 및 층들을 따라 존재하는 바의 곡률을 가질 수 있다. 예를 들면, 일부의 이른바 수직으로 에칭된 개구들은 테이퍼된 프로파일들을 갖는 것으로 공지되어 있다. 일반적으로, 이방성 에칭으로 초래되는 특징부들, 예를 들면, 바이어스는 벽들이 직선들에 따를 수 없지만 결정 평면에 관하여 수직임을 특징으로 하고, 배향은 기준 평면에 관하여 직교일 수 없다.The terms vertical and horizontal refer to approximately orthogonal orientation of one surface with respect to the other surface, wherein either surface may be formed in one plane, while one or all surfaces may have irregularities or semiconductor devices May have curvature of what exists along other features and layers of the same. For example, some so-called vertically etched openings are known to have tapered profiles. In general, features resulting from anisotropic etching, such as bias, are characterized in that the walls cannot follow straight lines but are perpendicular to the crystal plane, and the orientation cannot be orthogonal with respect to the reference plane.
상호접속 구조물들은 1개 이상의 회로 기능들의 구현을 지원하도록 구성된 복수의 도전성 부재들이다. 복잡한 회로 설계에서, 상호접속 구조물들은 순차로 형성되는 층들의 레벨들 또는 라미네이트들을 포함하고, 이는 도전성 부재들을 생성하고 전기적으로 절연시킨다. 금속화 또는 상호접속 레벨은 도전성 부재들의 네트워크를 제공하기 위해 같은 시퀀스의 처리 동안, 예를 들면 포토리소그래피 단계 및 관련 에칭 단계에서 형성된 도전성 부재들의 그룹이고, 이중 일부는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 등의 유전체 물질에 의해 다른 것들로부터 절연된다. 도전성 부재들은 폴리실리콘을 포함할 수 있고, Al 또는 Cu는 합금일 수 있고, 시트 저항을 감소시키기 위해 규화물에 포함될 수 있다.The interconnect structures are a plurality of conductive members configured to support the implementation of one or more circuit functions. In a complex circuit design, interconnect structures comprise layers or layers of layers that are formed sequentially, which creates and electrically insulates conductive members. The metallization or interconnect level is a group of conductive members formed during the same sequence of processing, for example in the photolithography step and the associated etching step, to provide a network of conductive members, some of which are dielectrics such as silicon oxide or silicon nitride Insulated from others by materials. The conductive members may comprise polysilicon, Al or Cu may be an alloy, and may be included in the silicide to reduce sheet resistance.
상세한 설명details
예시된 실시예들에서, 본 발명은 개선된 신뢰도를 갖는 바이어스와 함께 반도체 구조물들을 제공할 수 있다. 본 발명은 복잡한 아날로그 회로 및 이른바 칩 상의 시스템들을 포함하는 매우 광범위한 반도체 설계들에 적용될 수 있다. 제공된 실시예들에서, 본 발명은 3개 이상의 금속화 레벨들을 갖는 집적 회로 구조물들에 적용된다. 표시의 간결성을 위해, 몇 개 이상의 레벨들이 사용될 수 있지만, 예시된 실시예들은 3개의 금속화 레벨들을 나타낸다. 예를 들면 0.25μ이하의 특징부 크기를 생성하기 위해 전형적인 초대규모 집적(ULSI) 공정들로 제조할 때, 집적 회로 구조물들은 디바이스 신뢰도를 보장하기 위해 본 발명의 사용을 필요로 할 수 있는 회로 밀도들 및 전기적 성능 요건들을 가질 것이다.In the illustrated embodiments, the present invention can provide semiconductor structures with a bias having improved reliability. The invention is applicable to a wide range of semiconductor designs, including complex analog circuits and so-called on-chip systems. In the embodiments provided, the invention applies to integrated circuit structures having three or more metallization levels. Several or more levels may be used for the sake of brevity of indication, but the illustrated embodiments represent three metallization levels. For example, when fabricated in typical ultra-scale integrated (ULSI) processes to produce feature sizes less than 0.25 μ, integrated circuit structures may require the use of the present invention to ensure device reliability. And electrical performance requirements.
도 1을 참조하면, 본 발명은 반도체 기판 상의 상호접속 레벨의 금속 산화물 금속 커패시터 구조물의 형성 및 접속에 관해서 또한 2개의 상호접속 레벨들 사이의 콘택트의 형성에 관하여 기재한다. 부분적 단면으로 도시된 집적 회로 구조물(10)은 수평 결정 평면을 따라 형성된 상부면 영역(12)을 갖는 반도체층(14)을 포함한다. 금속 산화물 반도체(MOS) 전계 효과 트랜지스터들(18)은 영역(12)내에 형성된다. 다이오드들 및 기타 다른 유형의 트랜지스터들(예, 바이폴러 디바이스들 또는 MESFET들)을 포함하는 다른 디바이스들은 표면 영역(12)내에 형성될 수 있지만, 이들은 본 발명을 기재하는 목적상 예시될 필요가 없다.Referring to FIG. 1, the present invention describes the formation and connection of interconnect level metal oxide metal capacitor structures on a semiconductor substrate as well as the formation of contacts between two interconnect levels. Integrated circuit structure 10 shown in partial cross section includes a semiconductor layer 14 having a top surface region 12 formed along a horizontal crystal plane. Metal oxide semiconductor (MOS) field effect transistors 18 are formed in region 12. Other devices, including diodes and other types of transistors (eg, bipolar devices or MESFETs) can be formed in the surface region 12, but they need not be illustrated for the purpose of describing the present invention. .
트랜지스터들(18)중 예시적인 것은 소스/드레인 영역들(20) 및 게이트 구조물(22)을 포함하는 것으로 나타난다. 비록 게이트 구조물(22)이 상세히 기재되지 않았지만, 도면은 인접하는 도전성 소자들로부터 게이트 구조물을 절연시키기 위해 게이트 유전체, 게이트 도전체(통상적으로 시트 저항을 감소시키기 위해 그 위에 형성된 규화물에 의해 침착된 폴리실리콘) 및 도전성 부분들 상에 형성된 측벽 필라멘트들을 포함하는 공통 MOSFET 부품들을 도시한다. 표시의 간결성을 위해, 상부면 영역(12)(예, 절연 구조물들) 둘레에 일반적으로 형성된 다른 특징부들은 도면들에 도시되지 않는다.An example of the transistors 18 is shown to include source / drain regions 20 and gate structure 22. Although the gate structure 22 has not been described in detail, the figure shows a gate dielectric, a gate conductor (typically deposited by a silicide formed thereon to reduce sheet resistance) to insulate the gate structure from adjacent conductive elements. Silicon MOSFETs and common MOSFET components including sidewall filaments formed on conductive portions. For the sake of brevity of display, other features generally formed around the top surface area 12 (eg, insulating structures) are not shown in the figures.
유전 절연체의 초기 레벨(28)은 트랜지스터들 상에 침착되고, 콘택트들(30a)을 포함하는 통상적으로 형성되는 콘택트들(30)은 여러 트랜지스터 영역들 및 다른 특징부들로부터 중첩되는 금속화 레벨들(40, 50 및 60)로 및 금속화 레벨들 사이에 접속을 제공한다. 각각의 금속화 레벨은 다중 도전성 부재들(62)을 포함하고, 그중 일부는 도면들에 도시되어 있다. 도 1은 상호접속 레벨(50)의 부재(62a)가 뻗어있는 방향에 평행한 평면을 따라 취한 것이다. 이 도면은 또한 부재(62a)가 연장하는 방향에 직교하는 방향으로 뻗어있는 레벨(50)의 부재(62b)를 도시한다. 레벨들(40 및 60)로 형성된 다중 부재들(62)은 부재(62b)에 평행한 방향으로 연장한다. 일반적으로, 각각의 레벨의 부재(62)는 절연층(64a 또는 64b)에 형성된다. 이러한 예시에서, 부재들은 Al로 형성되는 것으로 추정된다.An initial level 28 of dielectric insulator is deposited on the transistors, and typically formed contacts 30 comprising contacts 30a are provided with metallization levels (overlapping from various transistor regions and other features). 40, 50, and 60) and between the metallization levels. Each metallization level includes multiple conductive members 62, some of which are shown in the figures. 1 is taken along a plane parallel to the direction in which the member 62a of the interconnect level 50 extends. This figure also shows the member 62b of the level 50 extending in a direction orthogonal to the direction in which the member 62a extends. Multiple members 62 formed of levels 40 and 60 extend in a direction parallel to member 62b. Generally, each level of member 62 is formed in insulating layer 64a or 64b. In this example, the members are assumed to be formed of Al.
예시된 실시예에 따라, 커패시터(70)는 이중 상감 콘택트(74)을 통해 금속화 레벨(50)의 도전성 부재(62a)로의 접속에 의해 금속화 레벨(60)에 형성된다. 가장 바람직하게는, 콘택트(74)은 인터페이스를 제공하는 평면 상부면(78)을 갖고, 그 위에 제1 금속층이 제1 커패시터 플레이트(80)를 제공하도록 형성되고, 절연층은 플레이트(80) 상에서 패턴화되어 커패시터 유전체(84)를 제공하고, 제2 금속층은 유전체층(84) 상에 형성되어 제2 커패시터 플레이트(88)를 제공한다. 종래의 콘택트(30)은 제2 커패시터 플레이트(88)로부터 다른 금속화 레벨로 또는 결합 패드(예시하지 않음)로의 접속을 제공한다. 본 발명의 일반적인 유용성을 예시하는 목적상, 다른 이중 상감 콘택트(74a)은 레벨(50)의 도전성 부재(62b)를 중복 레벨(60)의 부재(60c)에 접속시키는 것으로서 예시되어 있다.In accordance with the illustrated embodiment, capacitor 70 is formed at metallization level 60 by connection of metallization level 50 to conductive member 62a via double damascene contact 74. Most preferably, the contact 74 has a planar top surface 78 that provides an interface, on which a first metal layer is formed to provide the first capacitor plate 80, and an insulating layer is formed on the plate 80. Patterned to provide a capacitor dielectric 84, and a second metal layer is formed on dielectric layer 84 to provide second capacitor plate 88. Conventional contact 30 provides a connection from the second capacitor plate 88 to another metallization level or to a bond pad (not illustrated). For purposes of illustrating the general utility of the present invention, another dual damascene contact 74a is illustrated as connecting the conductive member 62b of level 50 to member 60c of overlapping level 60.
집적 회로 구조물(10)에 대한 선택 제조의 상세한 설명을 하기에 개시한다. 그러나, 유전체 및 도전성 물질들의 선택은 용도에 따라 변화할 수 있다. 적절한 유전체 물질들을 형성하는 데 유용한 간단한 논의안이 바람직한 실시예에 관련하여 먼저 제공된다.Details of selective fabrication for integrated circuit structure 10 are described below. However, the choice of dielectric and conductive materials may vary depending on the application. A brief discussion useful for forming suitable dielectric materials is first provided in connection with the preferred embodiment.
도 1에 도시된 바와 같이 다중 레벨의 상호접속 구조물 내에서 도전체들을 서로 전기적으로 절연시키는 실리콘 산화물을 형성하는 데 유용한 수많은 방법들이 일반적으로 존재한다. 종종, 레벨간 유전체는 갭 필 및 평면성 등의 목적하는 속성 세트를 최적화시키기 위한 서브층들을 포함할 것이다. 트랜지스터 구조물들 및 폴리실리콘 도전체들 상에 일반적으로 침착된 제1 상호접속 레벨은 종종 인 및 붕소-도핑 침착이다. 인의 존재는 약 1000℃에서 재환류를 허용하는 한편, 붕소 및 인의 사용은 흐름 온도를 더욱 감소시킨다. 상호접속 구조물(금속간 유전체)의 다른 레벨들의 금속 도전체들 사이에 절연을 제공하는 유전체 물질들은 화학 증기 증착(CVD) 공정에 의해 침착된 실리콘 산화물일 수 있다. 이들은 대기 CVD, 저압 CVD(LPCVD), 및 플라즈마 강화 CVD(PECVD)를 포함하고, 이들 모두는 실란의 분해에 기초할 수 있다. 반응에 인을 부가하는 것은 일반적이고, 습기 및 게터링(gettering)에 대한 저항을 개선시키는 포스포실리케이트 글래스(PSG)를 초래한다.There are generally a number of methods useful for forming silicon oxide that electrically insulates conductors from each other within a multilevel interconnect structure, as shown in FIG. Often, the interlevel dielectric will include sublayers to optimize the desired set of attributes, such as gap fill and planarity. The first interconnect level generally deposited on transistor structures and polysilicon conductors is often phosphorus and boron-doped deposition. The presence of phosphorus allows recirculation at about 1000 ° C., while the use of boron and phosphorus further reduces the flow temperature. Dielectric materials that provide insulation between different levels of metal conductors of an interconnect structure (intermetallic dielectric) may be silicon oxide deposited by a chemical vapor deposition (CVD) process. These include atmospheric CVD, low pressure CVD (LPCVD), and plasma enhanced CVD (PECVD), all of which may be based on the decomposition of silanes. Adding phosphorus to the reaction is common and results in phosphosilicate glass (PSG), which improves resistance to moisture and gettering.
테트라에틸 오르토실리케이트, 또는 TEOS, Si(OC2H5)4는 모든 레벨간 유전체들에 대한 실리콘 산화물의 형성에 있어서 전구체로서 널리 사용되고 있다. 실리콘 산화물 막(TEOS-침착된 산화물)을 형성하기 위해 증발된 액체 TEOS를 분해시키는 것은 통상적으로 산소 환경에서 650℃ 내지 750℃에서 CVD에 의해 발생한다. 그러한 TEOS 침착들은 양호한 균일성 및 스텝 커버리지를 제공하는 것으로 공지되어 있다. 일반적으로, 침착된 막은 그것이 종종 실리콘 이산화물로서 언급되지만, 실리콘의 비화학량론 산화물인 것으로 이해된다. 예를 들면 반응하는 산소의 10%에 이르는 오존(O3)을 포함시키는 것은 양호한 형태적 특성들, 낮은 점도 및 개선된 갭-충전 특성들에 의해 저온 침착들을 조장한다. 통상적인 반응 환경은 분당 4표준 리터(slm) 산소에 의해 400℃ 및 300Torr이고, 산소는 6% 오존, 1.5slm He 및 분당 300 표준 세제곱 센티미터(sccm) TEOS를 포함한다. 결과로서 생긴 침착물은 같은 금속화 레벨 상의 개개의 금속 라인들 사이의 영역들에 적절한 갭-충전 특성들을 갖는다. TEOS-침착 막은 인으로 도핑될 수 있다.Tetraethyl orthosilicate, or TEOS, Si (OC 2 H 5 ) 4, is widely used as a precursor in the formation of silicon oxide for all interlevel dielectrics. Decomposition of the vaporized liquid TEOS to form a silicon oxide film (TEOS-deposited oxide) typically occurs by CVD at 650 ° C. to 750 ° C. in an oxygen environment. Such TEOS depositions are known to provide good uniformity and step coverage. In general, a deposited film is understood to be the nonstoichiometric oxide of silicon, although it is often referred to as silicon dioxide. Inclusion of ozone (O 3 ), for example up to 10% of the reacting oxygen, promotes low temperature depositions by good morphological properties, low viscosity and improved gap-filling properties. Typical reaction environments are 400 ° C. and 300 Torr with 4 standard liters of oxygen per minute and oxygen includes 6% ozone, 1.5 slm He and 300 standard cubic centimeters per minute (sccm) TEOS. The resulting deposit has gap-filling properties appropriate for regions between individual metal lines on the same metallization level. The TEOS-deposition film can be doped with phosphorus.
대안으로, 실리콘 산화물층 고밀도 플라즈마 침착(HDP)에 의해 형성될 수 있다. HDP 산화물이라 칭하는 침착물은 도핑되지 않은 실리케이트 유리(USG) 또는 플루오로-도핑된 실리케이트 유리(FSG)를 포함할 수 있다.Alternatively, the silicon oxide layer may be formed by high density plasma deposition (HDP). Deposits referred to as HDP oxides may include undoped silicate glass (USG) or fluoro-doped silicate glass (FSG).
상기 유전체 물질들 및 기타 다른 변종들에 관한 상세한 설명이 잘 공지되어 있다. 예를 들면, Wolf의 Silicon Processing for the Vlsi Era. 제2권, Process Integration, Lattice Press 1990 참조.Detailed descriptions of such dielectric materials and other variants are well known. For example, Wolf's Silicon Processing for the Vlsi Era. See Volume 2, Process Integration, Lattice Press 1990.
집적 회로 구조물(10)의 제조에 대한 선택적인 예시적인 상세한 설명은 예시적인 감산 금속 에칭 기술에 대해 도 2 및 3에 도시되어 있다. 유전체 절연체의초기 층(28)은 트랜지스터(18) 상에 형성되어 있고, 표면 영역(12)의 일부들을 노출시킨다. 절연체 층(28)은 350℃ 내지 550℃에서 실란으로부터 먼저 HDP 산화물(200nm±20nm)을 침착시키고, 700℃에서 120분 동안 치밀화에 의해 TEOS로부터 실리콘 산화물의 플라즈마 강화 침착에 의해 형성될 수 있다. 절연층의 생성 두께는 9500nm에 이르는 28 범위일 수 있다.Optional exemplary details of fabrication of integrated circuit structure 10 are shown in FIGS. 2 and 3 for an exemplary subtracted metal etching technique. An initial layer 28 of dielectric insulator is formed on the transistor 18 and exposes portions of the surface region 12. Insulator layer 28 may be formed by first depositing HDP oxide (200 nm ± 20 nm) from silane at 350 ° C. to 550 ° C. and plasma enhanced deposition of silicon oxide from TEOS by densification at 700 ° C. for 120 minutes. The resulting thickness of the insulating layer can range from 28 up to 9500 nm.
30a로 지정된 콘택트들은 절연체층(28) 내에 형성되어 예를 들면 여러 가지 트랜지스터 영역들과 아직 형성되어야 하는 제1 금속화 레벨(40) 사이에 접속을 제공한다. 절연체 레벨(28)에서 콘택트 형성은 바이어스를 한정하기 위해 침착된 포토레지스트를 패턴화하고, 이어서 이방성 에칭, 예를 들면 CHF3/C2F6에 의해 시작된다. 콘택트는 전형적으로 내화성 금속들을 포함한다. 선택 물질들로는 W, Ti 및 Ta를 들 수 있다. 바람직하게는, 모든 콘택트들은 W로 형성된다.Contacts designated 30a are formed in insulator layer 28 to provide a connection, for example, between the various transistor regions and the first metallization level 40 still to be formed. Contact formation at insulator level 28 begins by patterning the deposited photoresist to limit the bias and then by anisotropic etching, for example CHF 3 / C 2 F 6 . The contact typically includes refractory metals. Optional materials include W, Ti and Ta. Preferably, all the contacts are formed of W.
바이어스가 에칭된 후, 콘택트들(30a)은 연속적인 스퍼터에 의해 먼저 Ti 배리어 서브층을 (400℃에서 약 60nm, 예시하지 않음) 침착시키고, 이어서 TiN 서브층을 (역시 400℃에서 약 75nm, 예시하지 않음) 침착시킨 후 어니일링시킴으로써 내부에 형성된다. 다음으로, 400nm의 W가 침착되고 (425℃에서), 구조물은 절연체 표면 레벨(28)로부터 금속을 제거하도록 연마되고, 제1 금속화 레벨의 형성 전에 충분한 평면성을 제공한다. 결과로서 생긴 콘택트는 약 0.32μ폭이고, 650nm에서 950nm로 연장한다.After the bias is etched, the contacts 30a first deposit a Ti barrier sublayer (about 60 nm at 400 ° C., not illustrated) by successive sputtering, followed by depositing the TiN sublayer (also about 75 nm at 400 ° C., Not illustrated) and then formed inside by depositing and annealing. Next, 400 nm of W is deposited (at 425 ° C.), and the structure is polished to remove metal from the insulator surface level 28, providing sufficient planarity before formation of the first metallization level. The resulting contact is about 0.32μ wide and extends from 650nm to 950nm.
콘택트들(30a)의 밑에 놓인 세트를 한정한 후, 제1 금속화 레벨(40)은 Ti/TiN 스택(37nm의 Ti, 60nm의 TiN)을 형성하기 위해 400℃ 연속적인 스퍼터 등의일반적으로 널리 공지된 시퀀스에 의해 형성되고, 이어서 400 내지 700nm의 Al/Cu 합금 및 25nm의 TiN을 침착시킴으로써 형성된다. 금속화 레벨(40)의 도전성 부재들(62)은 표준 패턴 및 에칭 공정에 의해 한정된다. 금속화 레벨(40)(뿐만 아니라 순차로 형성된 레벨(50 및 60)) 상에는 절연층(64), 예를 들면 600nm의 HDP 산화물 및 1500nm의 TEOS-침착된 실리콘 산화물이 침착된다. 레벨(40) 상의 절연층은 도면들에서 층(64a)으로 지정되어 있다. 구조물은 금속 지형학적 축소에 이어 화학 기계적 연마에 의해 평탄화된다. 콘택트(30)의 제2 레벨은 다음으로 유전체층(64a)에 형성되어 완료된 금속화 레벨(40)과 다음 금속화 레벨(50) 사이에 전기적 접속을 제공한다. 제1 레벨의 콘택트들에 대해 기재된 바와 같이, 제2 레벨의 통상의 콘택트들(30)은 먼저 Ti 배리어를 침착시키고, 이어서 TiN을 침착시킨 후, 어니일링시키고 W를 침착시킴으로써 형성된다. 이어서, 노출된 표면은 콘택트들(30)을 완전히 한정하도록 뒤로 연마되고, 유전체층(64)에 중첩되는 금속을 제거하고, 다음 금속화 레벨의 형성 전에 충분한 평면성을 제공한다. 결과로서 생긴 콘택트들은 약 36μ폭을 갖는다.After defining the set underneath the contacts 30a, the first metallization level 40 is generally widely used, such as a 400 ° C. continuous sputter to form a Ti / TiN stack (Ti at 37 nm, TiN at 60 nm). It is formed by a known sequence and then by depositing an Al / Cu alloy of 400-700 nm and TiN of 25 nm. Conductive members 62 of metallization level 40 are defined by standard patterns and etching processes. On the metallization level 40 (as well as sequentially formed levels 50 and 60), an insulating layer 64, for example 600 nm HDP oxide and 1500 nm TEOS-deposited silicon oxide, is deposited. The insulating layer on level 40 is designated as layer 64a in the figures. The structure is planarized by metal topography followed by chemical mechanical polishing. The second level of contact 30 is then formed in dielectric layer 64a to provide an electrical connection between the completed metallization level 40 and the next metallization level 50. As described for the first level of contacts, the second level of conventional contacts 30 are formed by first depositing a Ti barrier, then depositing TiN, then annealing and depositing W. The exposed surface is then polished back to fully define the contacts 30, removing the metal that overlaps the dielectric layer 64, and providing sufficient planarity before the formation of the next metallization level. The resulting contacts are about 36μ wide.
콘택트들(30)과 중첩되는 절연체층(64a)과 제1 상호접속 레벨을 형성하는 것에 대한 상기 설명은 각각의 다음 상호접속 레벨에 적용될 수 있다. 커패시터(70)(도 1), 콘택트(74) 및 콘택트(74a)에 관련된 특징부를 제외하고, 다음 금속화 레벨들의 제조법은 상세히 개시되어 있지 않다.The above description of forming the first interconnect level with the insulator layer 64a overlapping the contacts 30 can be applied to each subsequent interconnect level. Except for the features associated with capacitor 70 (FIG. 1), contact 74 and contact 74a, the fabrication of the following metallization levels is not disclosed in detail.
금속화 레벨(50)이 침착되고, 패턴화되고 에칭됨에 따라, 다른 유전체 물질층(64)(도 2에서 64b로 지정됨)이 구조물(10) 상에 침착된다. 이중 상감콘택트들(74 및 74a)의 형성은 금속화 레벨(50)과 아직 형성되지 않은 레벨(60) 사이의 유전체층(64b) 내의 개구들(92)을 통해 둘을 에칭시킴으로써 시작한다. 종래의 콘택트들(30)이 또한 레벨들(50 및 60) 사이에 형성되어야 하는 경우, 부가의 개구들(92)(예시되지 않음)이 동시에 에칭된다. 개구들(92)은 리소그래피으로 약 0.36μ 폭으로 패턴화되고, 이방성으로 약 600nm로 에칭되어(CHF3/C2F6/N2) 레벨(50)의 도전성 부재들(62)을 노출시킨다. 개구들(92)은 원통형이고, 표면 영역(12)에 관하여 수직으로 배향된다. 다시 도 2 참조.As metallization level 50 is deposited, patterned and etched, another layer of dielectric material 64 (designated 64b in FIG. 2) is deposited on structure 10. The formation of the dual inlay contacts 74 and 74a begins by etching the two through the openings 92 in the dielectric layer 64b between the metallization level 50 and the level 60 not yet formed. If conventional contacts 30 must also be formed between levels 50 and 60, additional openings 92 (not shown) are etched simultaneously. The openings 92 are lithographically patterned to about 0.36 micron wide and etched to about 600 nm anisotropic (CHF 3 / C 2 F 6 / N 2 ) to expose the conductive members 62 of the level 50. . The openings 92 are cylindrical and oriented perpendicular to the surface area 12. See FIG. 2 again.
다음으로, 도 3 참조. 표준 정화 후, 2개의 개구들(92) 상의 영역은 리소그래피으로 약 1.2μ폭으로 패턴화되고, 약 250nm 깊이로 이방성으로 에칭되어(CHF3/C2F6/N2) 원래 개구(92)의 남아있는 좁은 부분(96) 상에 넓은 부분(95)을 생성한다. 이는 도 3에 예시된 변형된 개구(97)를 가져온다. 각 변형된 개구(97)의 넓은 부분(95)은 원통형이고, 리소그래피 정렬 허용 오차 범위내에서, 전체 개구(92)와 축상으로 대칭된다. 바람직한 실시예에서, 좁은 부분(96)은 넓은 부분(95)으로부터 반도체층(14) 쪽으로 그리고 유전체층을 통해 개구를 연장시킨다. 그러나, 좁은 부분(96)은 개구가 층(64)을 통해 연장됨에 따라 확대될 수 있다.Next, see FIG. 3. After standard purification, the area on the two openings 92 is lithographically patterned to about 1.2 micron wide and anisotropically etched to about 250 nm deep (CHF 3 / C 2 F 6 / N 2 ) so that the original opening 92 Create a wide portion 95 on the remaining narrow portion 96 of the. This results in the modified opening 97 illustrated in FIG. 3. The wide portion 95 of each deformed opening 97 is cylindrical and axially symmetric with the entire opening 92 within the lithographic alignment tolerance. In a preferred embodiment, the narrow portion 96 extends the opening from the wide portion 95 toward the semiconductor layer 14 and through the dielectric layer. However, the narrow portion 96 can enlarge as the opening extends through the layer 64.
도전체는 먼저 Ti 배리어층을(400℃에서 약 60nm, 예시하지 않음) 침착시키고, 이어서 약 75nm의 TiN을(역시 400℃에서, 예시하지 않음) 침착시킨 후 어니일링시킴으로써 변형된 개구(97) 내에 형성된다. 다음으로, 400nm의 W가 연속적으로CVD에 의해 침착되어(425℃에서) 개구(97)의 좁은 부분(96) 및 넓은 부분(95) 모두를 채운다. 구조물은 연마되어 절연체 레벨 표면(28)으로부터 금속을 제거하고, 다음 금속화 레벨의 형성 전에 충분한 평면성을 제공한다. 도 4 참조. 생성된 콘택트(74)은 하부의 좁은 부분(100) 상에 상위의 넓은 부분(98)을 포함한다. 넓은 부분(98)은 약 1.2μ폭의 평면 상부면(102)을 갖고, 관련 깊이는 약 250nm이다. 좁은 부분(100)은 약 0.36μ의 폭 및 350nm의 깊이를 갖는다. 좁은 부분(100)은 W 침착의 인공 산물로서 보이드(104)를 포함할 수 있다. 본 발명의 수많은 실시예의 특징은 그러한 보이드(104)가 콘택트(74 및 74a)에 형성될 때까지, 그것이 표면(102)을 초과하지 못한다는 것이다. 그러한 보이드들은 좁은 부분와 관련된 표면에서 개구의 폭을 확대시킴으로써 표면(102)으로부터 억제될 수 있다고 생각한다.The conductor is deformed by first depositing a Ti barrier layer (about 60 nm at 400 ° C., not illustrated), followed by annealing after depositing about 75 nm of TiN (also not at 400 ° C., not illustrated). It is formed within. Next, 400 nm of W is continuously deposited by CVD (at 425 ° C.) to fill both the narrow portion 96 and the wide portion 95 of the opening 97. The structure is polished to remove metal from the insulator level surface 28 and provide sufficient planarity before the formation of the next metallization level. See FIG. 4. The resulting contact 74 includes an upper wide portion 98 on the lower narrow portion 100. The wide portion 98 has a planar top surface 102 about 1.2 microns wide, with an associated depth of about 250 nm. The narrow portion 100 has a width of about 0.36 μ and a depth of 350 nm. Narrow portion 100 may include void 104 as an artificial product of W deposition. A feature of numerous embodiments of the present invention is that it does not exceed surface 102 until such voids 104 are formed in contacts 74 and 74a. It is contemplated that such voids can be suppressed from surface 102 by enlarging the width of the opening in the surface associated with the narrow portion.
도 5를 참조하면, 도 1의 커패시터(70)는 금속화 레벨(60)의 도전성 부재들(62)의 형성과 관련하여 콘택트 표면(102) 상에 형성된다. 금속층(110)(제1 커패시터 플레이트(80) 및 도전성 부재들(62)의 하부층을 형성함)이 전체적으로 침착된다. 이어서, 이는 금속층(110) 상에 절연층(112)(커패시터 유전체(84)를 제공함)이 침착된다.Referring to FIG. 5, the capacitor 70 of FIG. 1 is formed on the contact surface 102 in connection with the formation of the conductive members 62 of the metallization level 60. The metal layer 110 (which forms the lower layer of the first capacitor plate 80 and the conductive members 62) is deposited as a whole. This is followed by the deposition of an insulating layer 112 (which provides a capacitor dielectric 84) on the metal layer 110.
금속층(110)은 연속적인 스퍼터에 의해 통상적으로 형성되어 Ti/TiN 스택, 예를 들면 30nm Ti 및 60nm TiN을 형성한다. 절연층은 CVD에 의해 금속층(110) 상에 침착된 실리콘 산화물 또는 탄탈 과산화물로 구성될 수 있다. 또한, 비교적 큰 유전 상수를 갖는 다른 절연체 물질들이 바람직하다.Metal layer 110 is typically formed by a continuous sputter to form a Ti / TiN stack, such as 30 nm Ti and 60 nm TiN. The insulating layer may be composed of silicon oxide or tantalum peroxide deposited on the metal layer 110 by CVD. In addition, other insulator materials having a relatively large dielectric constant are desirable.
금속화 레벨(60)의 도전체 부재들(62)의 형성 전에, 커패시터 유전체층(84)은 패턴화 및 에칭 단계들에 의해 한정되어 구조물(10)의 다른 영역들로부터 절연층(112)을 제거한다. 층(112)의 나머지 부분은 표면 영역(12)이고 평행한 평면에서 직사각형이고, 목적하는 커패시턴스와 일치하는 미리정해진 영역을 커버한다. 본 발명의 본 실시예에서, 제2 커패시터 플레이트(88)(도 1)는 금속화 레벨(60)의 나머지 부분이 침착됨에 따라 형성되고, 패턴화되고, 에칭된다. 금속화 레벨(60)은 400 내지 700nm의 Al/Cu 합금 및 25nm의 TiN을 침착시킴으로써 완료될 수 있다. 금속화 레벨(60)의 도전성 부재들(62)이 표준 패턴 및 에칭 공정에 의해 한정될 때, 제2 커패시터 플레이트(88)는 또한 층(84) 상에서 한정된다. 도 1 참조. 콘택트(30)은 제2 플레이트(88) 상에 형성되어 상위 상호접속 레벨 또는 결합 패드에 대한 접속을 수행한다.Prior to the formation of the conductor members 62 of the metallization level 60, the capacitor dielectric layer 84 is defined by patterning and etching steps to remove the insulating layer 112 from other regions of the structure 10. do. The remaining portion of layer 112 is surface area 12 and is rectangular in parallel planes and covers a predetermined area that matches the desired capacitance. In this embodiment of the present invention, second capacitor plate 88 (FIG. 1) is formed, patterned, and etched as the remainder of metallization level 60 is deposited. Metallization level 60 may be completed by depositing an Al / Cu alloy of 400-700 nm and TiN of 25 nm. When the conductive members 62 of the metallization level 60 are defined by a standard pattern and an etching process, the second capacitor plate 88 is also defined on the layer 84. See FIG. 1. Contact 30 is formed on second plate 88 to make a connection to a higher interconnect level or bond pad.
회로 구조물들 내에 다양한 형상들, 예를 들면, 원통형 직사각형, 테이퍼되는 등의 콘택트 영역들에 유용한 구조가 개시되었다. 개시된 실시예에 따른 이러한 설계의 용도는 전기적 콘택트들의 인터페이스에서 평면 표면의 형성을 보장하고, 형태적 침착 특성을 갖는 중첩 층들의 형성과 연관된 문제점들을 피한다. 상세하게는, 금속층들 및 절연체 물질이 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 금속 콘택트들 상에 침착될 때, 콘택트들은 중첩층들이 시임 윤곽들에 따르는 노출된 시임들을 갖지 않는다. 따라서, 예를 들면, 콘택트 시임 둘레의 커패시터 유전체의 집적과 연관된 신뢰성 문제점들을 피하게 된다. 또한, 예를 들면 Al을 포함하는 상호접속 부재들이 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 형성된 콘택트들 상에침착될 때, Al 금속은 장치 고장을 유도하는 Al 금속 이동을 유발할 수 있는 콘택트 시임에 노출되지 않는다.Structures useful for various shapes within the circuit structures, for example, contact areas such as cylindrical rectangles, tapered, and the like, have been disclosed. The use of this design according to the disclosed embodiment ensures the formation of a planar surface at the interface of electrical contacts and avoids the problems associated with the formation of overlapping layers with morphological deposition properties. Specifically, when metal layers and insulator material are deposited on metal contacts made in accordance with a preferred embodiment of the present invention, the contacts do not have exposed seams with overlapping layers along seam contours. Thus, for example, reliability problems associated with the integration of the capacitor dielectric around the contact seam are avoided. Also, for example, when interconnecting members comprising Al are deposited on contacts formed in accordance with a preferred embodiment of the present invention, the Al metal is not exposed to contact seams which may cause Al metal migration leading to device failure. Do not.
본 발명의 특정 용도를 예시하였지만, 본 명세서에 개시된 원리들은 III-V 화합물 및 다른 반도체 물질들에 의해 형성된 구조물을 포함하는 다양한 회로 구조물에 대해 다양한 방식으로 본 발명을 실시하는 근간을 제공한다. 수많은 변형이 자명할 것이다. 따라서, 본 명세서에 특별히 기재하지 않았지만 다른 구성들은 하기 특허 청구의 범위에 의해서 유일하게 제한되는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다.Although specific uses of the invention have been illustrated, the principles disclosed herein provide the basis for practicing the invention in a variety of ways on various circuit structures, including structures formed by III-V compounds and other semiconductor materials. Numerous variations will be apparent. Accordingly, other elements that are not specifically described herein do not depart from the scope of the present invention, which is solely limited by the following claims.
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