JP4047075B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高誘電体からなるゲート絶縁膜を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体装置における高集積化及び高速化に対する技術進展に伴い、MOSFETの微細化が進められている。微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化を進めると、トンネル電流によるゲートリーク電流の増大等の問題が顕在化してくる。この問題を抑制するために、HfO2 、ZrO2 、La2O3、TiO2 又はTa2O5等の高誘電率材料を用いたゲート絶縁膜(以下、high-kゲート絶縁膜と称する)により、小さいSiO2 換算膜厚(以下、EOT(Equivalent Oxide Thickness)と称する)を実現しながら物理的膜厚を厚くするという手法が研究されている。
【0003】
また、昨今のシステムLSIにおいては、演算処理を行なう内部回路、入出力を受け持つ周辺回路、及びDRAM等の複数の機能を持つ回路を1つのチップに集積することが一般的になっている。このようなシステムLSIを構成するMOSFETに対しては、高駆動力と低リーク電流とが求められる。
【0004】
従来のhigh-kゲート絶縁膜の形成方法として、特開2000-058832号公報(United States Patent 6,013,553 )に記載された方法が知られている。
【0005】
図5は、前記公報に開示された従来の半導体装置、具体的には、オキシ窒化ジルコニウム又はオキシ窒化ハフニウムよりなるhigh-kゲート絶縁膜を有するMOSFETの断面構成を示している。
【0006】
図5に示すように、Si基板1の上にエピタキシャルSi層2が形成されている。エピタキシャルSi層2の上部には不純物がドーピングされており、該上部は電圧印加時にチャネル領域3となる。チャネル領域3の上にはhigh-kゲート絶縁膜4を介して導電性のゲート電極5が形成されている。
【0007】
high-kゲート絶縁膜4の形成方法は次の通りである。すなわち、Si基板1の上に、チャネル領域3となる部分を含むエピタキシャルSi層2を形成した後、圧力1.33×10-1Pa程度の酸素雰囲気内で、Si基板1に対して600〜700℃程度の加熱処理を30秒間程度行なうことによって、厚さ1nm未満の酸化物層を形成する。その後、この酸化物層に対して、そのまま残存させるか、希釈HFにより取り除いてSi表面を水素終端させるか、又は、クラスターツールを用いた超高真空状態(1.33×10-6Pa程度)での780℃程度の加熱処理により昇華して原子的に平滑なSi表面を形成するかのいずれかの処理が行なわれる。酸化物層つまりシリコン酸化膜を残存させる代わりに、オキシ窒化シリコン膜の超薄膜よりなる保護障壁層を形成してもよい。
【0008】
以上のようにクリーンなSi表面、酸化物層又は保護障壁層のいずれかを持つSi基板1を準備した後、Si基板1の上に、スパッタ法、蒸着法、化学的気相成長(CVD)法又はプラズマCVD法等により、ジルコニウム又はハフニウムよりなる金属層を堆積する。その後、該金属層に対して、NO若しくはN2 O等の酸素及び窒素を含むガスを用いた酸窒化処理、N2 及びO2 を用いた低温下での遠隔プラズマ処理(基板処理チャンバーとプラズマ生成チャンバーとが異なっている)、又は、NH3 を用いた遠隔プラズマ窒化処理及びそれに引き続く酸化処理を行なうこと等により、オキシ窒化ジルコニウム又はオキシ窒化ハフニウムよりなるhigh-kゲート絶縁膜4を形成する。
【0009】
その後、Ar等の不活性ガス雰囲気中又は還元性ガス雰囲気中で、high-kゲート絶縁膜4に対して750℃程度のアニールを20秒間行なうことにより、high-kゲート絶縁膜4を緻密化する。このように形成されたhigh-kゲート絶縁膜4は非晶質又は多結晶であり、SiO2 の比誘電率と比べて著しく高い比誘電率を有する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来のMOSFETにおいては、high-kゲート絶縁膜の信頼性寿命が短くなるという問題がある。
【0011】
前記に鑑み、本発明は、長い信頼性寿命を持つhigh-kゲート絶縁膜を実現することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本願発明者は、従来のhigh-kゲート絶縁膜の信頼性寿命が短くなる原因を検討した結果、次のような知見を得た。すなわち、前述の従来の方法を用いてシリコン基板上にhigh-kゲート絶縁膜を形成した場合、シリコン基板界面に、SiO2 の組成に近いシリケート(high-k材料(ジルコニウム酸化物等の金属酸化物)とシリコンとの3元系化合物)が形成される。一般的に、シリケートは、シリコンを含まない元のhigh-k材料よりも比誘電率が低い。また、high-kゲート絶縁膜堆積後のアニール(ゲート絶縁膜を緻密化するためのPDA(Post Deposition Anneal))によって、ゲート絶縁膜を構成するhigh-k材料の結晶化が進む結果、該high-k材料から結晶粒界を介して酸素がシリコン基板まで拡散し、それによりシリコン基板界面にSiO2 が形成されてしまう。すなわち、high-kゲート絶縁膜は、比誘電率の低いSiO2 又はSiO2 の組成に近いシリケートよりなる界面層と、比誘電率の高いhigh-k材料又はhigh-k材料の組成に近いシリケートよりなるhigh-k層との積層構造を持つ。ところが、このような積層構造においては、ゲート電極を介して電圧が印加されると低誘電率の界面層に電界集中が起こり、その結果、絶縁破壊が生じやすくなって、high-kゲート絶縁膜の重要な特性である信頼性が劣化してしまうと考えられる。
【0013】
そこで、本願発明者は、high-kゲート絶縁膜の信頼性寿命の長さと、界面層厚さのhigh-kゲート絶縁膜全体の厚さに対する比T1/(T1+T2)(但しT1は界面層の物理的厚さ、T2はhigh-k層の物理的厚さ)との相関をシミュレーションを用いて調べてみた。その結果を図1に示す。シミュレーションは、trap generation model(J.H.Stathis, Technical Digest of International Electron Device and Material (1998), p167.)をhigh-kゲート絶縁膜に応用することによって行なった。具体的には、high-kゲート絶縁膜について、リーク電流Jg 、ストレス印加直後のリーク電流J0 、注入電荷当たりの欠陥生成率Pg (=絶縁破壊時の電流増加比ΔJg/J0)、及び絶縁破壊に至るときの臨界欠陥密度Nbdのそれぞれの値を求め、これらの値に基づいて、high-kゲート絶縁膜における絶縁破壊寿命Tbd(=Nbd/Pg )を求めた。また、シュミュレーションにおいては、high-kゲート絶縁膜のEOTが常に1.5nmを保つように各物理的厚さT1及びT2を調整しながら比T1/(T1+T2)を変化させていった場合における、印加電圧1Vのストレス下(温度は室温)でのhigh-kゲート絶縁膜の信頼性寿命を算出した。但し、シュミュレーションにおいては、界面層の比誘電率ε1を3.9の一定値に固定したのに対して、high-k層の比誘電率ε2を8.0、12.0、18.0及び24.0の複数の値に変化させた。ここで、EOT=T1+(ε1/ε2)×T2の関係が成り立つ。
【0014】
図1に示すように、比T1/(T1+T2)、つまりhigh-kゲート絶縁膜全体の厚さに対する界面層厚さの比が0.2以下である場合、high-kゲート絶縁膜の信頼性を高く維持できる。また、比T1/(T1+T2)が増加するに従い、high-kゲート絶縁膜の信頼性が劣化する傾向がある。さらに、図1の縦軸に対数目盛りを用いていることを考慮すると、比T1/(T1+T2)を0.2以下に設定することは、high-kゲート絶縁膜の信頼性を飛躍的に向上させる効果を持っていることが分かる。具体的には、比T1/(T1+T2)を0.2以下に設定することによって、例えば比T1/(T1+T2)が0.5程度である場合と比べて、信頼性寿命を3桁以上も長くすることができる。
【0015】
また、図1に示すように、比T1/(T1+T2)が0.0〜0.2である構造を持つゲート絶縁膜においては、high-k層の比誘電率ε2が8.0から12.0へ増加するに従って信頼性寿命の長さも増加し、ε2が12.0から18.0までの範囲で信頼性寿命の長さがほぼ飽和して最大値を示す。一方、ε2が18.0から24.0へ増加すると、信頼性寿命の長さは逆に減少してしまう。ところで、一般的に、high-k層における比誘電率ε2の値は厚さ方向に変化している。従って、high-k層における比誘電率ε2の平均値をε2avとしたときには、ε2avは12.0以上で且つ18.0以下であることが好ましい。また、high-k層として、一の金属とシリコンと酸素とを含むシリケート膜を用いた場合、high-k層の組成をMXSiYO(但しMは一の金属を表し、X>0、Y>0である)とすると、前述の12.0≦ε2av≦18.0の条件は、0.20≦Y/(X+Y)≦0.30の条件と等価である。すなわち、high-kゲート絶縁膜の信頼性の観点からは、high-k層の材料としてシリコンを含まない完全な金属酸化物を用いるよりも、0.20≦Y/(X+Y)≦0.30の関係を満たす、シリコン含有のシリケートMXSiYOを用いた方が好ましい。その理由は、high-k層と界面層との間の比誘電率の差を小さくすることによって、界面層への電界集中が緩和されるためと考えられる。尚、界面層もMXSiYOで表せるシリケートを含むことがあるが、このシリケートにおけるY/(X+Y)は0.90以上であって、組成的にはSiO2 とほぼ同等である。
【0016】
さらに、本願発明者は、high-kゲート絶縁膜の信頼性寿命の長さと、界面層厚さT1のhigh-kゲート絶縁膜全体の厚さ(T1+T2)(但しT2はhigh-k層の物理的厚さ)に対する比との相関を実験により調べてみた。その結果を図2に示す。尚、実験に用いた界面層は、組成がSiO2 に近いSiON膜(比誘電率ε1=3.9)であり、実験に用いたhigh-k層はCVD(chemical vapor deposition )法により形成されたSi3N4膜(比誘電率ε2=7.5)である。また、実験においては、high-kゲート絶縁膜のEOTが常に3.0nmを保つように各物理的厚さT1及びT2を調整しながら比T1/(T1+T2)を変化させていった場合における、印加電圧3.5Vのストレス下(温度は100℃)で絶縁破壊が生じるまでに絶縁膜に注入された総電荷量(絶縁破壊総電荷量Qbd)を測定した。ここで、絶縁破壊総電荷量Qbdの大きさがhigh-kゲート絶縁膜の信頼性寿命の長さと対応する。
【0017】
図2に示すように、比T1/(T1+T2)が0.2以下である場合、high-kゲート絶縁膜の信頼性を高く維持できる一方、該比が0.3を越えると信頼性が急激に劣化することが実験的に実証された。また、図2の縦軸に対数目盛りを用いていることを考慮すると、比T1/(T1+T2)を0.2以下に設定することは、high-kゲート絶縁膜の信頼性を飛躍的に向上させる効果を持っていることが分かる。
【0018】
以上のように、図1及び図2に示す結果から、high-kゲート絶縁膜の信頼性の観点からは、界面層厚さT1の全体厚さ(T1+T2)に対する比を0.3以下にすることが必須であり、また、比T1/(T1+T2)を0.2以下にすることがより好ましい。
【0019】
本発明は、以上の知見に基づきなされたものであって、具体的には、本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された高誘電率絶縁膜を有する半導体装置を前提とし、高誘電率絶縁膜は、半導体基板との界面に形成された界面層と、界面層の上に形成され、界面層よりも比誘電率が高い高誘電率層とを有し、界面層の厚さT1及び高誘電率層の厚さT2は、T1/(T1+T2)≦0.3の関係を満たす。
【0020】
本発明の半導体装置によると、高誘電率絶縁膜における界面層厚さT1の全体厚さ(T1+T2)に対する比を0.3以下にするため、高誘電率絶縁膜に電圧が印加された場合にも界面層への電界集中を抑制できる。従って、このような高誘電率絶縁膜を用いることによって、長い信頼性寿命を持つhigh-kゲート絶縁膜を実現することができる。また、このとき、比誘電率の低い界面層が薄く且つ比誘電率の高い高誘電率層が厚いので、high-kゲート絶縁膜のEOTを小さくすることができる。
【0021】
本発明の半導体装置において、T1及びT2は、T1/(T1+T2)≦0.2の関係を満たすことが好ましい。
【0022】
このようにすると、高誘電率絶縁膜の信頼性をより向上させることができる。
【0023】
本発明の半導体装置において、界面層の比誘電率ε1は3.9以上で且つ7.0以下であると共に高誘電率層の比誘電率ε2は7.0よりも大きく、高誘電率層における比誘電率ε2の平均値ε2avは12.0以上で且つ18.0以下であることが好ましい。
【0024】
このようにすると、高誘電率層と界面層との間の比誘電率の差が所定の範囲内に制限されるため、電圧印加時の界面層への電界集中がより緩和され、高誘電率絶縁膜の信頼性をより向上させることができる。
【0025】
本発明の半導体装置において、界面層の比誘電率ε1は3.9以上で且つ7.0以下であると共に高誘電率層の比誘電率ε2は7.0よりも大きく、高誘電率層は、一の金属とシリコンと酸素とを含むシリケートよりなり、高誘電率層の組成をMXSiYO(但し、Mは一の金属を表し、X>0、Y>0である)としたときに、X及びYは、0.20≦Y/(X+Y)≦0.30の関係を満たすことが好ましい。
【0026】
このようにすると、高誘電率層の材料としてシリコンを含まない完全な金属酸化物を用いた場合と比べて、高誘電率層と界面層との間の比誘電率の差が小さくなるため、電圧印加時の界面層への電界集中がより緩和され、その結果、高誘電率絶縁膜の信頼性をより向上させることができる。
【0027】
本発明の半導体装置において、高誘電率層は、ハフニウム又はジルコニウムとシリコンと酸素とを含むシリケートよりなることが好ましい。
【0028】
このようにすると、長い信頼性寿命を持つhigh-kゲート絶縁膜を確実に実現することができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【0030】
図3(a)〜(e)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【0031】
図3(a)に示すように、例えばSi(100)基板11上に素子分離用絶縁膜12を形成し、それによってデバイス領域RD を規定する。
【0032】
次に、Si基板11に対して、標準RCA洗浄及び希釈HF洗浄を順次行なった後、例えばNH3 ガス中でSi基板11に対して600〜700℃程度の熱処理を行なう。これにより、図3(b)に示すように、デバイス領域RD のSi基板11上にシリコン窒化膜(Si3N4膜)13が形成される。
【0033】
次に、図3(c)に示すように、例えばCVD法を用いて、Si3N4膜13の上にHfO2 膜14を形成する。具体的には、液体HfソースであるHf t-butoxide (C16H36HfO4 )中にN2 等のキャリアガスを吹き込んでバブリングを行なう。これにより、液体Hfソースを気体状態にして該ソースガスをキャリアガスと共に反応炉内に導入し、500℃程度の温度下でRT−CVD(Rapid Thermal CVD )処理を使用してHfO2 膜14を形成する。このとき、HfO2 膜14の成長速度又は膜質の向上のために乾燥O2 ガスを反応炉内に導入する。このように形成されたHfO2 膜14に対して組成分析を行なったところ、Hfソース中にHf、O、C及びHが含まれているため、HfO2 膜14の内部に1〜2原子%程度以下の微量なC及びHが含有されていた。尚、反応炉内にはN2 ガスも導入されるが、500℃程度の温度下ではN2 ガスは非常に不活性であるため、N2 ガスの寄与は非常に小さい。
【0034】
次に、例えばN2 ガス中で、HfO2 膜14に対して600〜800℃程度のPDA処理を30秒間程度行なう。これにより、Si基板11の酸化、HfO2 膜14からの水素の脱離、HfO2 膜14の緻密化及び微結晶化、並びに、Si基板11又はSi3N4膜13とHfO2 膜14との間におけるSi及びHfの相互拡散等の反応が生じる。その結果、HfO2 膜14の堆積当初(図3(c)参照)における、Si基板11上にSi3N4膜13が形成され且つSi3N4膜13上にHfO2 膜14が形成された構造は、最終的に、図3(d)に示すように、Si基板11上に比誘電率の低い界面層15が形成され且つ界面層15上に比誘電率の高いhigh-k層16が形成された構造に変化する。ここで、界面層15はSiO2 又はSiO2 の組成に近いシリケートよりなり、high-k層16はHfO2 又はHfO2 の組成に近いシリケートよりなる。また、界面層15及びhigh-k層16にはそれぞれ微量のNが含まれる。
【0035】
次に、図3(e)に示すように、界面層15とhigh-k層16との積層構造を有するhigh-kゲート絶縁膜の上に、例えばポリシリコンよりなるゲート電極17を形成する。具体的には、SiH4 を用いて540℃程度の蒸着温度でポリシリコン膜を形成した後、該ポリシリコン膜に対して例えば5×1015cmー2のドーズ量でPイオンを注入し、その後、イオン注入されたポリシリコン膜をパターン化することによりゲート電極17を形成する。これにより、nMOSFET構造が完成する。尚、ゲート電極17に注入された不純物に対する活性化アニールは、乾燥N2 ガス中における900℃、30秒間のRTP(Rapid Thermal Process )により行なった。
【0036】
本実施形態の特徴は、例えばHfO2 膜14の形成前にSi基板11上にSi3N4膜13を形成することにより、又は例えばHfO2 膜14に対するPDAの処理温度を低めに設定したり若しくは該PDAの処理時間を短めに設定すること等により、high-kゲート絶縁膜全体の厚さに対する界面層15の厚さの比を所定の範囲内に設定することである。具体的には、high-kゲート絶縁膜全体の厚さ、つまり界面層15の厚さT1とhigh-k層16の厚さT2との合計厚さ(T1+T2)に対する界面層15の厚さT1の比を0.3以下、より好ましくは0.2以下に設定することである。これにより、本実施形態においては、ゲート電圧印加時にも界面層15への電界集中を抑制できるので、長い信頼性寿命を持つhigh-kゲート絶縁膜を実現することができる。また、界面層15とhigh-k層16とが積層されてなるゲート絶縁膜を有するMOSキャパシタに対して、LCR(inductance - capacitance - resistance )メータを用いてCV(capacitance - voltage )測定を行ない、その測定結果に基づいて、ゲート電極の空乏化又は基板の量子化効果等を考慮して、シミュレーションプログラムによりゲート絶縁膜のEOTを算出したところ、十分に小さなEOTが得られた。すなわち、本実施形態においては、比誘電率の低い界面層15が薄く且つ比誘電率の高いhigh-k層16が厚いので、high-kゲート絶縁膜のEOTを小さくすることができる。
【0037】
図4(a)は、本実施形態の半導体装置、つまりHfプレカーサーを用いて形成されたHfO2 誘電体をhigh-k材料とするゲート絶縁膜を備えたMOSFETの高分解能断面TEM(transmission electron microscope)像を示している。図4(a)に示すように、本実施形態の半導体装置におけるhigh-kゲート絶縁膜の全体厚さ(界面層15の厚さT1とhigh-k層16の厚さT2との合計(T1+T2))は3.0〜3.3nm程度である。また、界面層15の厚さT1は0.4〜0.5nm程度である。すなわち、high-kゲート絶縁膜全体の厚さに対する界面層15の厚さの比T1/(T1+T2)は0.12〜0.17程度であり、本発明で推奨する関係:T1/(T1+T2)≦0.3(より好ましくはT1/(T1+T2)≦0.2)を十分に満たしている。
【0038】
図4(b)は、比較例としての半導体装置、つまり本実施形態と同様の方法により形成されたHfO2 誘電体をhigh-k材料とするゲート絶縁膜を備えた他のMOSFETの高分解能断面TEM像を示している。図4(b)に示すように、比較例の半導体装置においては、図4(a)に示す本実施形態のMOSキャパシタ構造と対応するように、Si基板21上に、界面層25とhigh-k層26との積層構造からなるゲート絶縁膜を介して、Poly−Siよりなるゲート電極27が形成されている。また、比較例の半導体装置においては、high-kゲート絶縁膜の全体厚さ(界面層25の厚さT1’とhigh-k層26の厚さT2’との合計(T1’+T2’))は3.0〜3.3nm程度である。また、界面層25の厚さT1’は1.0nm程度である。すなわち、high-kゲート絶縁膜全体の厚さに対する界面層25の厚さの比T1’/(T1’+T2’)は0.30〜0.33程度であり、前述の本発明で推奨する関係を満たしていない。
【0039】
図4(a)に示す本実施形態のMOSキャパシタ構造、及び、図4(b)に示す比較例のMOSキャパシタ構造のそれぞれについて、ゲート面積を5000μm2 として、印加電圧3.0V(ゲート電極側が低電位)のストレス下(温度は室温)でのゲート絶縁膜の信頼性寿命を算出した。その結果、界面層の相対厚さが小さい本実施形態のゲート絶縁膜の信頼性寿命は1×104 秒程度であり、界面層の相対厚さが大きい比較例のゲート絶縁膜の信頼性寿命は1×102 秒程度であった。すなわち、high-kゲート絶縁膜全体の厚さに対する界面層の厚さの比T1/(T1+T2)が0.2以下であると、high-kゲート絶縁膜の信頼性寿命が劇的に向上する。これは、Si基板表面に形成される低誘電率の界面層を薄くできると、該界面層に集中する強い電界強度に起因して信頼性劣化が生じる事態を回避できるためと考えられる。
【0040】
ところで、図4(a)及び(b)に示すように、high-kゲート絶縁膜の高分解能断面TEM像においては、界面層の像はhigh-k層の像と比べて明らかに白くなる。ここで、high-kゲート絶縁膜の組成をHfXSiYO(但しX>0、Y>0)とすると、Y/(X+Y)=0.90が界面層とhigh-k層との境界に対応する。尚、high-kゲート絶縁膜の組成は、Si基板側から次第にSi組成が減少するように、言い換えると、Y/(X+Y)の値が1.0から次第に減少するように変化する。すなわち、0.90≦Y/(X+Y)≦1.0の関係を満たす範囲が界面層であり、Y/(X+Y)<0.90の関係を満たす範囲がhigh-k層である。このとき、界面層の比誘電率ε1は3.9以上で且つ7.0以下であると共にhigh-k層の比誘電率ε2は7.0よりも大きい。
【0041】
尚、本実施形態において、Si基板11上にSi3N4膜13を介してHfO2 膜14を形成した後、HfO2 膜14に対してPDA処理を行ない、それにより、界面層15とhigh-k層16との積層構造を有するhigh-kゲート絶縁膜を形成したが、このとき、窒素原子がゲート絶縁膜のいずれかの部分(基板近傍、電極近傍、膜中央部等)に含まれていてもよい。また、PDA処理条件は特に限定されるものではないが、PDA処理温度は800℃程度以下であり、PDA処理温度は30秒程度以下であることが好ましい。
【0042】
また、本実施形態において、液体HfソースであるHf t-butoxide を用いてHfO2 膜14を形成したが、HfO2 膜14の形成方法は特に限定されるものではない。具体的には、例えば固体原料であるHf nitrato(Hf(NO3)4)を加熱して液体状態にすると共に該液状の原料中にAr等のキャリアガスを吹き込んでバブリングを行なった後、気化した原料をキャリアガスと共に、基板ヒーターとコールドウォールとを有するCVD装置の反応炉内に導入し、その後、200℃程度の温度下でRT−CVD処理を使用してHfO2 膜14を形成してもよい。このとき、HfO2 膜14の成長速度又は膜質の向上のために乾燥O2 ガスを反応炉内に導入する。このように形成されたHfO2 膜14に対して組成分析を行なった場合、Hfソース中にHf、O、及びNが含まれているため、HfO2 膜14の内部に1〜2原子%程度以下の微量なNが含有される。尚、反応炉内にはArガスも導入されるが、200℃程度の温度下ではArガスは非常に不活性であるため、Arガスの寄与は非常に小さい。
【0043】
また、本実施形態において、high-kゲート絶縁膜(つまりその中のhigh-k層16)の材料としてHfO2 を用いた。しかし、これに代えて、他の金属酸化物、具体的には、Hfと同様の性質を持つZrの酸化物(ZrO2 )、TiO2 、Ta2O5、La2O3又はAl2O3等を用いた場合にも、界面層15の厚さT1及びhigh-k層16の厚さT2がT1/(T1+T2)≦0.3の関係(より好ましくはT1/(T1+T2)≦0.2の関係)を満たす限り、high-kゲート絶縁膜の信頼性寿命について本実施形態と同様の劇的な向上効果が生じる。特に、界面層の比誘電率ε1が3.9以上で且つ7.0以下であると共にhigh-k層16の比誘電率ε2が7.0よりも大きく、さらに、high-k層16における比誘電率ε2の平均値ε2avが12.0以上で且つ18.0以下である場合には、次のような特別な効果が得られる。すなわち、high-k層16と界面層15との間の比誘電率の差が所定の範囲内に制限されるため、電圧印加時の界面層15への電界集中がより緩和され、high-kゲート絶縁膜の信頼性をより向上させることができる。
【0044】
また、本実施形態において、high-kゲート絶縁膜(つまりその中のhigh-k層16)の材料として、組成がMXSiYO(但しMは一の金属を表し、X>0、Y>0である)で表される金属シリケート(金属、シリコン及び酸素以外の元素を含んでいてもよい)、例えばHfシリケート(HfXSiYO2 )又はZrシリケート(ZrXSiYO2 )等を用いた場合にも、比T1/(T1+T2)≦0.3の関係(好ましくはT1/(T1+T2)≦0.2の関係)を満たす限り、high-kゲート絶縁膜の信頼性寿命について本実施形態と同様の劇的な向上効果が生じる。特に、界面層の比誘電率ε1が3.9以上で且つ7.0以下であると共にhigh-k層16の比誘電率ε2が7.0よりも大きく、さらに、high-k層16が0.20≦Y/(X+Y)≦0.30の関係を満たす金属シリケートMXSiYOである場合には、次のような特別な効果が得られる。すなわち、シリコンを含まない完全な金属酸化物を用いた場合と比べて、high-k層16と界面層15との間の比誘電率の差が小さくなるため、電圧印加時の界面層15への電界集中がより緩和され、その結果、high-kゲート絶縁膜の信頼性をより向上させることができる。
【0045】
ところで、本実施形態のHfO2 膜14に代えて例えばHfシリケート膜を形成する場合、次のような方法を用いることができる。すなわち、液体HfソースであるHf t-butoxide (C16H36HfO4 )及びSiソースであるTDEAS(Tetrakis Diethyl Amino Silicon:Si[N(C2H5)2]4 )を気化して、キャリアガスであるN2 ガスと共に反応炉内に導入した後、300〜500℃程度の温度下でCVD処理を行なうことにより、Hfシリケート膜を形成できる。このとき、HfソースとSiソースとの混合比、又はCVD処理の温度を調節することによって、Hfシリケート膜の組成を変化させることができる。また、Hfシリケート膜の成長速度又は膜質の向上のために、乾燥O2 ガスを反応炉内に導入してもよい。
【0046】
また、本実施形態において、基板としてSi基板11を用いたが、これに代えて、他の半導体基板、例えばSiGe基板又はSiC基板等を用いてもよい。
【0047】
また、本実施形態において、ゲート電極17としてPoly−Siゲート電極を用いたが、これに代えて、メタルゲート電極を用いてもよい。具体的には、例えばArスパッタによるPVD(physical vapor deposition )法を用いて、TiN膜とAl膜との積層構造、又はTaN膜の単層構造を有するメタルゲート電極を形成してもよい。
【0048】
【発明の効果】
本発明によると、high-kゲート絶縁膜における界面層厚さT1の全体厚さ(T1+T2)に対する比を0.3以下、より好ましくは0.2以下にするため、ゲート電圧印加時における界面層への電界集中を抑制できるので、high-kゲート絶縁膜の信頼性寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 high-kゲート絶縁膜の信頼性寿命の長さと、界面層厚さT1のhigh-kゲート絶縁膜全体の厚さ(T1+T2)(但しT2はhigh-k層の物理的厚さ)に対する比との相関をシミュレーションを用いて調べた結果を示す図である。
【図2】 high-kゲート絶縁膜の信頼性寿命の長さと、界面層厚さT1のhigh-kゲート絶縁膜全体の厚さ(T1+T2)(但しT2はhigh-k層の物理的厚さ)に対する比との相関を実験により調べた結果を示す図である。
【図3】(a)〜(e)は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図4】(a)は本発明の一実施形態に係る半導体装置の高分解能断面TEM像を示す図であり、(b)は比較例に係る半導体装置の高分解能断面TEM像を示す図である。
【図5】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
11 Si基板
12 素子分離用絶縁膜
13 Si3N4膜
14 HfO2 膜
15 界面層
16 high-k層
17 ゲート電極
21 Si基板
25 界面層
26 high-k層
27 ゲート電極
RD デバイス領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a gate insulating film made of a high dielectric material.
[0002]
[Prior art]
With the recent progress in technology for higher integration and higher speed in semiconductor devices, MOSFETs have been miniaturized. As the gate insulating film is made thinner with miniaturization, problems such as an increase in gate leakage current due to tunneling current become obvious. In order to suppress this problem, HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O Three TiO 2 Or Ta 2 O Five By using a gate insulating film (hereinafter referred to as a high-k gate insulating film) using a high dielectric constant material such as 2 A method of increasing the physical film thickness while realizing the equivalent film thickness (hereinafter referred to as EOT (Equivalent Oxide Thickness)) has been studied.
[0003]
In recent system LSIs, it is common to integrate an internal circuit that performs arithmetic processing, a peripheral circuit that handles input and output, and a circuit having a plurality of functions such as a DRAM on a single chip. For a MOSFET constituting such a system LSI, high driving force and low leakage current are required.
[0004]
As a conventional method for forming a high-k gate insulating film, a method described in JP 2000-058832 A (United States Patent 6,013,553) is known.
[0005]
FIG. 5 shows a cross-sectional structure of a conventional semiconductor device disclosed in the above publication, specifically, a MOSFET having a high-k gate insulating film made of zirconium oxynitride or hafnium oxynitride.
[0006]
As shown in FIG. 5, an
[0007]
The formation method of the high-k gate insulating film 4 is as follows. That is, after forming the
[0008]
After preparing the
[0009]
Thereafter, the high-k gate insulating film 4 is densified by annealing the high-k gate insulating film 4 at about 750 ° C. for 20 seconds in an inert gas atmosphere such as Ar or a reducing gas atmosphere. To do. The high-k gate insulating film 4 thus formed is amorphous or polycrystalline, and SiO 2 The dielectric constant is significantly higher than the relative dielectric constant.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional MOSFET has a problem that the reliability life of the high-k gate insulating film is shortened.
[0011]
In view of the above, an object of the present invention is to realize a high-k gate insulating film having a long reliability life.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventor has studied the cause of shortening of the reliability life of the conventional high-k gate insulating film, and as a result, has obtained the following knowledge. That is, when a high-k gate insulating film is formed on a silicon substrate by using the above-described conventional method, SiO interface is formed on the silicon substrate interface. 2 A silicate (a ternary compound of high-k material (metal oxide such as zirconium oxide) and silicon) is formed. In general, silicates have a lower dielectric constant than the original high-k material that does not contain silicon. Further, as a result of the crystallization of the high-k material constituting the gate insulating film being advanced by annealing (PDA (Post Deposition Anneal) for densifying the gate insulating film) after the deposition of the high-k gate insulating film, oxygen diffuses from the -k material through the grain boundaries to the silicon substrate, which causes SiO at the silicon substrate interface 2 Will be formed. That is, the high-k gate insulating film is made of SiO having a low relative dielectric constant. 2 Or SiO 2 And a high-k layer having a high relative dielectric constant or a high-k layer having a silicate close to the composition of the high-k material. However, in such a laminated structure, when a voltage is applied through the gate electrode, electric field concentration occurs in the interface layer having a low dielectric constant, and as a result, dielectric breakdown is likely to occur, resulting in a high-k gate insulating film. It is considered that the reliability, which is an important characteristic of, deteriorates.
[0013]
Accordingly, the inventor of the present application has determined that the reliability lifetime of the high-k gate insulating film and the ratio of the interface layer thickness to the total thickness of the high-k gate insulating film are T1 / (T1 + T2) (where T1 is the interface layer thickness). The correlation with the physical thickness (T2 is the physical thickness of the high-k layer) was examined using simulation. The result is shown in FIG. The simulation was performed by applying a trap generation model (JHStathis, Technical Digest of International Electron Device and Material (1998), p167.) To a high-k gate insulating film. Specifically, for the high-k gate insulating film, the leakage current J g Leakage current J immediately after stress application 0 , Defect generation rate per injected charge P g (= Current increase ratio ΔJ at dielectric breakdown) g / J 0 ), And critical defect density N when it leads to dielectric breakdown bd , And based on these values, the dielectric breakdown lifetime T in the high-k gate insulating film is obtained. bd (= N bd / P g ) In the simulation, the ratio T1 / (T1 + T2) is changed while adjusting the physical thicknesses T1 and T2 so that the EOT of the high-k gate insulating film is always kept at 1.5 nm. The reliability lifetime of the high-k gate insulating film under a stress of 1 V applied voltage (temperature is room temperature) was calculated. However, in the simulation, the relative dielectric constant ε1 of the interface layer is fixed to a constant value of 3.9, whereas the relative dielectric constant ε2 of the high-k layer is 8.0, 12.0, 18.0. And multiple values of 24.0. Here, the relationship EOT = T1 + (ε1 / ε2) × T2 holds.
[0014]
As shown in FIG. 1, when the ratio T1 / (T1 + T2), that is, the ratio of the interface layer thickness to the total thickness of the high-k gate insulating film is 0.2 or less, the reliability of the high-k gate insulating film Can be kept high. Further, as the ratio T1 / (T1 + T2) increases, the reliability of the high-k gate insulating film tends to deteriorate. Furthermore, considering that the logarithmic scale is used for the vertical axis in FIG. 1, setting the ratio T1 / (T1 + T2) to 0.2 or less dramatically improves the reliability of the high-k gate insulating film. It turns out that it has the effect to make it. Specifically, by setting the ratio T1 / (T1 + T2) to 0.2 or less, for example, the reliability life is increased by three orders of magnitude or more compared to the case where the ratio T1 / (T1 + T2) is about 0.5. can do.
[0015]
Further, as shown in FIG. 1, in a gate insulating film having a structure where the ratio T1 / (T1 + T2) is 0.0 to 0.2, the high-k layer has a relative dielectric constant ε2 of 8.0 to 12.2. As the value increases to 0, the length of the reliability life increases, and in the range of ε2 from 12.0 to 18.0, the length of the reliability life is almost saturated and shows the maximum value. On the other hand, when ε2 increases from 18.0 to 24.0, the length of the reliability life decreases. Incidentally, in general, the value of the relative dielectric constant ε2 in the high-k layer changes in the thickness direction. Therefore, the average value of the relative dielectric constant ε2 in the high-k layer is ε2 av Ε2 av Is preferably 12.0 or more and 18.0 or less. When a silicate film containing one metal, silicon and oxygen is used as the high-k layer, the composition of the high-k layer is M X Si Y Assuming O (where M represents one metal and X> 0 and Y> 0), 12.0 ≦ ε2 described above av The condition of ≦ 18.0 is equivalent to the condition of 0.20 ≦ Y / (X + Y) ≦ 0.30. That is, from the viewpoint of the reliability of the high-k gate insulating film, 0.20 ≦ Y / (X + Y) ≦ 0.30 rather than using a complete metal oxide containing no silicon as the material of the high-k layer. Silicon-containing silicate M satisfying the relationship X Si Y It is preferable to use O. The reason is considered to be that the electric field concentration on the interface layer is reduced by reducing the difference in relative dielectric constant between the high-k layer and the interface layer. The interface layer is also M X Si Y In some cases, silicate represented by O may be included, but Y / (X + Y) in this silicate is 0.90 or more, and compositionally SiO 2 2 Is almost equivalent.
[0016]
Further, the inventor of the present application has determined the reliability lifetime of the high-k gate insulating film and the total thickness (T1 + T2) of the high-k gate insulating film having the interface layer thickness T1 (where T2 is the physicality of the high-k layer). The correlation with the ratio to the thickness was determined experimentally. The result is shown in FIG. The interface layer used in the experiment has a composition of SiO. 2 SiON film (relative permittivity ε1 = 3.9) close to, and the high-k layer used in the experiment is Si formed by CVD (chemical vapor deposition) method. Three N Four It is a film (relative dielectric constant ε2 = 7.5). In the experiment, the ratio T1 / (T1 + T2) was changed while adjusting the physical thicknesses T1 and T2 so that the EOT of the high-k gate insulating film always kept 3.0 nm. The total amount of charge injected into the insulating film before breakdown occurs under a stress of applied voltage 3.5 V (temperature is 100 ° C.) (total breakdown charge Q bd ) Was measured. Here, the total dielectric breakdown Q bd Corresponds to the reliability lifetime of the high-k gate insulating film.
[0017]
As shown in FIG. 2, when the ratio T1 / (T1 + T2) is 0.2 or less, the reliability of the high-k gate insulating film can be maintained high. On the other hand, when the ratio exceeds 0.3, the reliability increases rapidly. It was experimentally proved to deteriorate. In addition, considering that the logarithmic scale is used on the vertical axis in FIG. 2, setting the ratio T1 / (T1 + T2) to 0.2 or less dramatically improves the reliability of the high-k gate insulating film. It turns out that it has the effect to make it.
[0018]
As described above, from the results shown in FIGS. 1 and 2, from the viewpoint of the reliability of the high-k gate insulating film, the ratio of the interface layer thickness T1 to the total thickness (T1 + T2) is set to 0.3 or less. It is essential that the ratio T1 / (T1 + T2) is 0.2 or less.
[0019]
The present invention has been made based on the above knowledge. Specifically, the semiconductor device according to the present invention is premised on a semiconductor device having a high dielectric constant insulating film formed on a semiconductor substrate. The dielectric constant insulating film has an interface layer formed at the interface with the semiconductor substrate, and a high dielectric constant layer formed on the interface layer and having a higher relative dielectric constant than the interface layer, and the thickness of the interface layer T1 and the thickness T2 of the high dielectric constant layer satisfy the relationship of T1 / (T1 + T2) ≦ 0.3.
[0020]
According to the semiconductor device of the present invention, when the ratio of the interface layer thickness T1 to the total thickness (T1 + T2) in the high dielectric constant insulating film is set to 0.3 or less, the voltage is applied to the high dielectric constant insulating film. Also, the electric field concentration on the interface layer can be suppressed. Therefore, a high-k gate insulating film having a long reliability life can be realized by using such a high dielectric constant insulating film. At this time, since the interface layer having a low relative dielectric constant is thin and the high dielectric constant layer having a high relative dielectric constant is thick, the EOT of the high-k gate insulating film can be reduced.
[0021]
In the semiconductor device of the present invention, T1 and T2 preferably satisfy the relationship of T1 / (T1 + T2) ≦ 0.2.
[0022]
In this way, the reliability of the high dielectric constant insulating film can be further improved.
[0023]
In the semiconductor device of the present invention, the relative dielectric constant ε1 of the interface layer is 3.9 or more and 7.0 or less, and the relative dielectric constant ε2 of the high dielectric layer is larger than 7.0. Average value ε2 of relative permittivity ε2 av Is preferably 12.0 or more and 18.0 or less.
[0024]
In this way, since the difference in relative dielectric constant between the high dielectric constant layer and the interface layer is limited within a predetermined range, the electric field concentration on the interface layer during voltage application is further relaxed, and the high dielectric constant The reliability of the insulating film can be further improved.
[0025]
In the semiconductor device of the present invention, the relative dielectric constant ε1 of the interface layer is 3.9 or more and 7.0 or less, and the relative dielectric constant ε2 of the high dielectric layer is larger than 7.0. , Which consists of a silicate containing one metal, silicon and oxygen, and the composition of the high dielectric constant layer is M X Si Y When O (where M represents one metal and X> 0 and Y> 0), X and Y satisfy the relationship of 0.20 ≦ Y / (X + Y) ≦ 0.30. Is preferred.
[0026]
In this way, the relative dielectric constant difference between the high dielectric constant layer and the interface layer is reduced compared to the case where a complete metal oxide not containing silicon is used as the material of the high dielectric constant layer. Electric field concentration on the interface layer during voltage application is further relaxed, and as a result, the reliability of the high dielectric constant insulating film can be further improved.
[0027]
In the semiconductor device of the present invention, the high dielectric constant layer is preferably made of silicate containing hafnium or zirconium, silicon, and oxygen.
[0028]
In this way, a high-k gate insulating film having a long reliability life can be reliably realized.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
3A to 3E are cross-sectional views showing respective steps of the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment.
[0031]
As shown in FIG. 3A, for example, an element
[0032]
Next, after sequentially performing standard RCA cleaning and diluted HF cleaning on the
[0033]
Next, as shown in FIG. 3C, for example, the CVD method is used to form Si. Three N Four HfO on the film 13 2
[0034]
Next, for example, N 2 In gas, HfO 2 The
[0035]
Next, as shown in FIG. 3E, a
[0036]
The feature of this embodiment is, for example, HfO 2 Before the
[0037]
FIG. 4A shows the semiconductor device of this embodiment, that is, HfO formed using an Hf precursor. 2 3 shows a high-resolution cross-sectional TEM (transmission electron microscope) image of a MOSFET provided with a gate insulating film whose dielectric is a high-k material. As shown in FIG. 4A, the total thickness of the high-k gate insulating film in the semiconductor device of this embodiment (the sum of the thickness T1 of the
[0038]
FIG. 4B shows a semiconductor device as a comparative example, that is, HfO formed by the same method as in this embodiment. 2 The high-resolution cross-sectional TEM image of the other MOSFET provided with the gate insulating film which uses a dielectric as a high-k material is shown. As shown in FIG. 4B, in the semiconductor device of the comparative example, the interface layer 25 and the high-layer are formed on the Si substrate 21 so as to correspond to the MOS capacitor structure of this embodiment shown in FIG. A gate electrode 27 made of Poly-Si is formed through a gate insulating film having a laminated structure with the
[0039]
The gate area is 5000 μm for each of the MOS capacitor structure of the present embodiment shown in FIG. 4A and the MOS capacitor structure of the comparative example shown in FIG. 2 As a result, the reliability life of the gate insulating film under a stress (temperature is room temperature) under an applied voltage of 3.0 V (the gate electrode side is low potential) was calculated. As a result, the reliability lifetime of the gate insulating film of this embodiment in which the relative thickness of the interface layer is small is 1 × 10. Four The reliability life of the gate insulating film of the comparative example in which the relative thickness of the interface layer is large is about 1 × 10 seconds. 2 It was about a second. That is, when the ratio T1 / (T1 + T2) of the interface layer thickness to the total thickness of the high-k gate insulating film is 0.2 or less, the reliability life of the high-k gate insulating film is dramatically improved. . This is presumably because if the low dielectric constant interface layer formed on the surface of the Si substrate can be made thin, it is possible to avoid the occurrence of reliability degradation due to the strong electric field strength concentrated on the interface layer.
[0040]
Incidentally, as shown in FIGS. 4A and 4B, in the high-resolution cross-sectional TEM image of the high-k gate insulating film, the image of the interface layer is clearly white compared to the image of the high-k layer. Here, the composition of the high-k gate insulating film is Hf X Si Y If O (where X> 0, Y> 0), Y / (X + Y) = 0.90 corresponds to the boundary between the interface layer and the high-k layer. Note that the composition of the high-k gate insulating film changes so that the Si composition gradually decreases from the Si substrate side, in other words, the value of Y / (X + Y) gradually decreases from 1.0. That is, the range satisfying the relationship of 0.90 ≦ Y / (X + Y) ≦ 1.0 is the interface layer, and the range satisfying the relationship of Y / (X + Y) <0.90 is the high-k layer. At this time, the relative dielectric constant ε1 of the interface layer is not less than 3.9 and not more than 7.0, and the relative dielectric constant ε2 of the high-k layer is larger than 7.0.
[0041]
In the present embodiment, Si on the Si substrate 11 Three N Four HfO through
[0042]
In the present embodiment, HfO is used by using Hf t-butoxide which is a liquid Hf source. 2 A
[0043]
In this embodiment, HfO is used as a material for the high-k gate insulating film (that is, the high-
[0044]
In the present embodiment, the composition of the high-k gate insulating film (that is, the high-
[0045]
By the way, HfO of this embodiment 2 When, for example, an Hf silicate film is formed instead of the
[0046]
In the present embodiment, the
[0047]
In the present embodiment, a Poly-Si gate electrode is used as the
[0048]
【The invention's effect】
According to the present invention, the ratio of the interface layer thickness T1 to the total thickness (T1 + T2) in the high-k gate insulating film is 0.3 or less, more preferably 0.2 or less. Therefore, the reliability life of the high-k gate insulating film can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the reliability lifetime of a high-k gate insulating film and the total thickness of the high-k gate insulating film having an interface layer thickness T1 (T1 + T2) (where T2 is the physical thickness of the high-k layer) It is a figure which shows the result of having investigated the correlation with the ratio with respect to) using simulation.
FIG. 2 shows the reliability lifetime of the high-k gate insulating film and the total thickness of the high-k gate insulating film having the interface layer thickness T1 (T1 + T2) (where T2 is the physical thickness of the high-k layer) It is a figure which shows the result of having investigated the correlation with ratio to) by experiment.
FIGS. 3A to 3E are cross-sectional views illustrating steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIGS.
4A is a diagram showing a high-resolution cross-sectional TEM image of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a diagram showing a high-resolution cross-sectional TEM image of a semiconductor device according to a comparative example. is there.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
11 Si substrate
12 Insulating film for element isolation
13 Si Three N Four film
14 HfO 2 film
15 Interface layer
16 high-k layers
17 Gate electrode
21 Si substrate
25 Interface layer
26 high-k layer
27 Gate electrode
R D Device area
Claims (28)
前記高誘電率絶縁膜は、
前記半導体基板との界面に形成された界面層と、
前記界面層の上に形成され、前記界面層よりも比誘電率が高い高誘電率層とを有し、
前記界面層の厚さT1及び前記高誘電率層の厚さT2は、
T1/(T1+T2)≦0.3の関係を満たし、
前記界面層の比誘電率ε1は3.9以上で且つ7.0以下であると共に前記高誘電率層の比誘電率ε2は7.0よりも大きく、
前記高誘電率層は、第1の金属とシリコンと酸素とを含むシリケートよりなり、
前記高誘電率層の組成をM X Si Y O(但し、Mは前記第1の金属を表し、X>0、Y>0である)としたときに、
X及びYは、
0.20≦Y/(X+Y)≦0.30の関係を満たすことを特徴とする半導体装置。A semiconductor device having a high dielectric constant insulating film formed on a semiconductor substrate,
The high dielectric constant insulating film is
An interface layer formed at the interface with the semiconductor substrate;
A high dielectric constant layer formed on the interface layer and having a relative dielectric constant higher than that of the interface layer;
The interface layer thickness T1 and the high dielectric constant layer thickness T2 are:
Meet the relationship of T1 / (T1 + T2) ≦ 0.3,
The relative dielectric constant ε1 of the interface layer is 3.9 or more and 7.0 or less, and the relative dielectric constant ε2 of the high dielectric layer is larger than 7.0.
The high dielectric constant layer is made of a silicate containing a first metal, silicon, and oxygen,
When the composition of the high dielectric constant layer is M X Si Y O (where M represents the first metal and X> 0, Y> 0),
X and Y are
A semiconductor device characterized by satisfying a relationship of 0.20 ≦ Y / (X + Y) ≦ 0.30 .
T1/(T1+T2)≦0.2の関係を満たすことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。T1 and T2 are
T1 / (T1 + T2) The semiconductor device according to any one of claims 1-5 characterized by satisfying the relation of ≦ 0.2.
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