DE3242113A1

DE3242113A1 - Verfahren zur herstellung einer duennen dielektrischen isolation in einem siliciumhalbleiterkoerper

Info

Publication number: DE3242113A1
Application number: DE19823242113
Authority: DE
Inventors: Johann Dr. 7401 Pliezhausen Greschner; Hans-Joachim Dr. 05401 Burlington Vt. Trumpp
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1982-11-13
Filing date: 1982-11-13
Publication date: 1984-05-24
Also published as: JPS59107518A; EP0111086B1; EP0111086A2; EP0111086A3; US4502914A; DE3379363D1

Description

Anmelderin: IBM Deutschland GmbH

Pascalstraße 100 7000 Stuttgart 80

Verfahren zur Herstellung einer dünnen dielektrischen Isolation in einem Siliciumhalbleiterkörper

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen dielektrischen Isolation in einem Siliciumhalbleiterkörper.

In der monolithischen integrierten Schaltkreistechnologie ist es sowohl für bipolare, Feldeffekt- oder ähnliche Anordnungen im allgemeinen üblich, verschiedene aktive und/oder passive Elemente in der integrierten Schaltkreisstruktur voneinander zu isolieren. Eine der bekannten Isolationsmethoden ist die sog. Sperrschichtisolation. Dabei werden Isolationswannen dadurch gebildet, daß Halbleiterbereiche mit entgegengesetzt dotierten Halbleiterzonen umgeben werden. Die dabei zwischen den eingebrachten Halbleiterzonen und dem zu isolierenden Halbleiterbereich entstehenden Halbleiterübergänge bilden in Sperrichtung betriebene Dioden, was die angestrebte Isolation bewirkt.

Eine weitere bekannte, bei integrierten Halbleiteranordnungen angewendete Isolationsmethode ist die sog. dielektrische Isolation. Dabei werden die zu isolierenden Halbleiterbereiche mit einer dielektrischen Isolationswanne umgeben. Innerhalb dieser Isolationswanne werden dann die zu isolierenden Elemente erzeugt. Die dielektrische Isolation hat gegenüber der Sperrschicht-Isola-

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tion den wesentlichen Vorteil, daß die Schaltkreise direkt im Anschluß an die Isolation erzeugt werden können, woraus eine größere Packungsdichte der aktiven und passiven Elemente auf einem integrierten Halbleiterchip resultiert.

Bei einer Ausführungsform der dielektrischen Isolation werden Gräben in Silicium gebildet, in denen dann die Isolationsbereiche ausgebildet werden. Während der Ausbildung der Gräben wird die übrige Oberfläche des HaIbleitersubstrats durch eine Schutzschicht geschützt, die im wesentlichen von dem Ätzmittel zum Atzen von Silicium, das zur Ausbildung der Gräben verwendet wird, nicht angegriffen wird. Die übliche Schutzschicht besteht aus einer Siliciumdioxid-Siliciumnitrid-Sandwichstruktur. Im Anschluß an die Ausbildung der Gräben durch konventionelles Ätzen wird das Siliciumhalbleitersubstrat in konventioneller Weise einer Oxidation unterzogen, wodurch das Silicium im Bereich der Gräben oxidiert wird und das resultierende Siliciumdioxid die Gräben ausfüllt. Gleichzeitig findet eine weitere Oxidation in das Siliciumhalbleitersubstrat hinein unter Ausbildung von Isolationsbereichen statt. Bei der herkömmlichen thermischen Oxidation zum Auffüllen der Gräben mit Oxid entstehen jedoch unerwünschte Strukturen an den Kanten der Gräben, die als "Vogelschnäbel" (bird's beak) bezeichnet werden. Mit Vogelschnäbeln wird die Ausbildung eines nicht planaren Siliciumdioxids an der Oberfläche des Grabens bezeichnet, welches durch die laterale Oxidation unterhalb der Siliciumdioxidschicht verursacht wird. Da die Oxidation einer bestimmten Dicke des Siliciums einen nahezu äquivalenten Betrag an freiem Raum für die Ausdehnung des Oxids erfordert und andererseits die Siliciumdioxid/Siliciumnitrid-Sandwichstruktur eine unbegrenzte Ausdehnung nicht gestattet, ist das Er-

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gebnis eine Aufwölbung der Siliciumdioxid/Siliciumnitridstruktur an den Kanten des Grabens. Als Ergebnis wird eine allgemeine Spannung an der Peripherie des Grabens erhalten, und es treten Schwierigkeiten auf bei der Herstellung von Diffusionen, die unmittelbar an den vertikalen Teil der Siliciumdioxidisolation angrenzen sollen. Dieses nicht direkte Angrenzen der Diffusion an die Isolation macht einen wesentlichen Vorteil der ursprünglich geplanten Siliciumdioxidisolation zunichte. In der Patentliteratur wurden eine Reihe von Alternativen vorgeschlagen zur Eliminierung oder wesentlichen Reduzierung des Vogelschnabelproblems. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf die US-Patentschriften 3 886 000? 3 900 350; 3 958 040; 3 961 999; 3 966 514; 4 002 511 und 4 170 492.

Eine Alternative zu der eingelagerten Oxidisolation ist die tiefe dielektrische Isolation, welche die Ausbilbildung von rechtwinkligen Gräben durch reaktive Ionenätzverfahren und die Ausfüllung der Gräben zur Ausbildung der Isolation für die einzelnen Siliciumbereiche des Substrats betrifft. Dieses Verfahren weist jedoch auch einige erhebliche Nachteile auf. So kann beispielsweise zur Auffüllung der Gräben kein thermisches Oxid verwendet werden, sondern ein Oxid, welches chemisch aus einer silan- und sauerstoffhaltigen Gasphase abgeschieden wird oder Polysilicium. Das Auffüllen der Gräben mit Oxid durch chemische Abscheidung aus der Gasphase kann zu einer schlechten Oxidqualität bzw. einer Nahtlinie in der Mitte der Gräben führen. Diese Nahtlinie kann die Kontinuität des auf der Oberfläche verlaufenden metallischen Leiterzugs beeinflussen und schließlich einen Leitfähigkeitsfehler verursachen. Das chemisch aus der Gasphase abgeschiedene Oxid weist während der nachfolgenden verschiedenen Temperaturprozesse

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nicht den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Silicium auf. Bei Prozeßtemperaturen über etwa 1000 ⁰C werden daher Spannungen in dem Siliciumbereich um die Gräben erzeugt, aus denen Defekte resultieren, die sich bis in die Bereiche der einzelnen Strukturen erstrecken können. Des weiteren ist chemisch aus der Gasphase abgeschiedenes Oxid schwierig zu planarisieren. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei diesem Verfahren ein Oxid von etwa gleicher Schichtdicke innerhalb und außerhalb der Gräben erzeugt wird. Ein Verfahren zur Herstellung von tiefen dielektrischen Isolationen ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 966 577 beschrieben.

In der US-Patentschrift 4 209 349 ist ein Verfahren zur Ausbildung sehr kleiner Maskenöffnungen für die Herstellung von Halbleiterschaltungsanordnungen beschrieben. Bei diesem Verfahren werden auf einem Substrat zunächst Bereiche einer ersten Isolierschicht ausgebildet, so daß im wesentlichen horizontale sowie im wesentlichen vertikale Oberflächen vorliegen. Darüber wird eine zweite Isolierschicht aus gegenüber der ersten Isolierschicht verschiedenem Material aufgebracht und einem reaktiven Ionenätzverfahren derart unterzogen, daß die horizontalen Bereiche der zweiten Isolierschicht abgetragen werden und lediglich sehr schmale Bereiche dieser Schicht auf den vertikal gerichteten Oberflächenbereichen der ersten Isolierschicht bzw. den betreffenden Bereichen des Substrats verbleiben. Anschließend wird eine thermische Oxidation der freiliegenden Substratbereiche vorgenommen und zur endgültigen Freilegung der gewünschten Maskenöffnungen die dort befindlichen Bereiche der zweiten Isolierschicht entfernt. Mit diesem Verfahren sollen sich kleinere als die mit bisher üblichen photoli-

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thographischen Verfahren bestimmten Minimaldimensionen erzielen lassen.

In dem Verfahren der US-Patentschrift bestimmt die erste Isolierschicht (SiO₂) die Position und Dicke der Maske (Spalte 2, Zeile 62). Alle Öffnungen in der Isolierschicht werden durch Standardphotolithographie und Ätztechniken hergestellt (Spalte 3, Zeile 21), bei denen keine vertikalen Seitenwände erhalten werden. In

TO dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt die Photoresistschicht die Position und Dicke der Maske. In dem Verfahren der US-Patentschrift werden durchweg Heißprozesse durchgeführt, beispielsweise eine thermische Oxidation bei 970° (Spalte 4, Zeile 65) und die Abscheidung von Si-,Ν. aus der Gasphase bei ungefähr 1000° (Spalte 5, Zeile 69), während bei dem erfindüngsgemäßen Verfahren sog. .Kaltprozesse unterhalb 300 ⁰C durchgeführt werden, die eine universellere Anwendbarkeit gestatten. Mit dem Verfahren der US-Patentschrift sind Masken mit einer Schichtdicke < 0,5 μΐη herstellbar, welche als Masken zum Ätzen von tiefen Gräben nicht geeignet sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen können Masken mit einer Dicke von 2 bis 3 um hergestellt werden, die zum fitzen von 4 bis 5 um tiefen Gräben in das Siliciumsubstrat geeignet sind. Aus der thermischen Oxidation (Spalte 4, Zeile 64 der US-Patentschrift) resultiert eine asymmetrische Maske, bei der das oben näher beschriebene Vogelschnabelproblem eine Rolle spielt, durch welches die Maske zum Ätzen von Gräben unbrauchbar wird. Die erfindungsgemäß hergestellte Maske weist streng vertikale Seitenwände auf und ist symmetrisch aufgebaut.

In der US-Patentschrift 4 274 909 ist ein Verfahren zur Herstellung dünner dielektrischer Isolationszonen in

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einem Halbleitersubstrat beschrieben. Dazu wird eine
erste Schicht über erste für Halbleiterstrukturen vorgesehene Bereiche des Substrats aufgetragen. Ein Überzug wird auf der ersten Schicht und auf dem Siliciumsubstrat angeordnet, wobei die Dicke dieses Überzugs
der Breite der geplanten Isolation entspricht. Eine
zweite Schicht aus gegenüber der ersten Schicht verschiedenem Material wird dann auf dem überzug angeordnet. Die Struktur wird planarisiert, wobei zweite, für Halbleiterstrukturen vorgesehene Bereiche, die von dem überzug und der zweiten Schicht bedeckt sind, durch
Teile des Überzugs von den ersten, für Halbleiterstrukturen vorgesehenen Bereichen, die von der ersten
Schicht und dem überzug bedeckt sind, getrennt werden.

Die Teile des Überzugs, die beide bedeckten Bereiche
trennen, werden bis zum Siliciumsubstrat über den vorgesehenen Isolationszonen entfernt. Ein Graben wird
dann in das Siliciumsubstrat bis zur gewünschten Tiefe geätzt unter Verwendung der bedeckten Bereiche als

Maske und in typischer Weise durch thermische Oxidation aufgefüllt.

Da die erste Schicht der US-Patentschrift 4 274 909,
die aus Siliciumnitrid oder polykristallinem Silicium

besteht und zur Definition der Maskenöffnungen dient,
unter Anwendung konventioneller Photoresisttechnologie geätzt wird, werden keine vertikalen Maskenprofile erhalten. Erfindungsgemäß definieren streng vertikal ge-. ätzte Resiststrukturen die Maskenöffnungen. Weiterhin

werden die öffnungen über den vorgesehenen Isolationszonen gemäß der US-Patentschrift durch Naßätzen des
Überzugs aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid (Spalte 4, Zeile 6) hergestellt, wobei eine Unterätzung der
Maske stattfindet. Erfindungsgemäß werden die Masken-

öffnungen durch Trockenätzen hergestellt. Die Planari-

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sierung der Struktur gemäß der US-Patentschrift durch Zurückätzen der zweiten Schicht (Photoresist) und des Überzugs ist problematisch, wenn gleichzeitig schmale und breite Strukturen zu planarisieren sind. Erfindungsgemäß muß eine derartige Planarisierung nicht durchgeführt werden. Die Ätzmaske, die gemäß dem Verfahren der US-Patentschrift hergestellt wird, besteht aus verschiedenen Materialien, beispielsweise aus Siliciumnitrid und Resist, wobei letzterer nicht gegen die zum Trockenätzen verwendeten, SF,- und Cl~-halti-

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gen Gase resistent ist. Erfindungsgemäß besteht die Ätzmaske aus Siliciumdioxid. Wie bereits im Zusammenhang mit der US-Patentschrift 4 209 349 erörtert, macht auch das Verfahren gemäß USP 4 274 909 von Heißprozessen Gebrauch, und es können nur sehr dünne Masken mit einer Dicke < 1 μΐη, vorzugsweise < 0,5 μπι hergestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, mit dem dünne dielektrische Isolationen mit einer Breite von ungefähr 1 μπι und einer Tiefe von etwa 5 μπι in Siliciumhalbleitersubstraten hergestellt werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht Gebrauch von einem Dreilagenprozeß zur Herstellung einer Resiststruktur mit streng vertikalen Seitenwänden, die zur Herstellung dünner Wände aus Siliciumnitrid verwendet werden. Diese dienen in einem Maskenumkehrverfahren zur Definition von öffnungen einer Siliciumdioxidmaske. Die Siliciumdioxidmaske, welche Schichtdicken bis zu etwa 1,5 μπι aufweist, kann zum Ätzen von etwa 5 μπι tiefen Gräben in das SiIi-

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ciurahalbleitersubstrat verwendet werden. Die Auffüllung der Gräben erfolgt durch thermische Oxidation od3r durch Aufspinnen eines Kunststoffs, beispielsweise Polyimid. Wie zu bemerken ist, wird die Breite des Isolat^J.onsgrabens bei einer Auffüllung durch thermische Oxidation verdoppelt, während bei einer Auffüllung mit Kunststoff die ursprüngliche Breite von etwa 0,5 ',im erhalten bleibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:
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Fign. IA den grundsätzlichen Verfahrensabiruf zur bis IE Herstellung einer dünnen dielektr.sehen

Isolation gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Dreilagenstruktur zur Herstellung

eines steilen Resistprofils;

Fig. 3 das Ätzen eines steilen Resistprofils;

Fig. 4 die Abscheidung von Siliciumnitrid auf

den horizontalen und vertikalen Qöerflachen der Photoresiststruktur;

Fig. 5 die Herstellung von Siliciumnitridwänden durch Ätzen;

Fig. 6A die Abscheidung des eigentlichen F.askenmaterials zum Ätzen der Gräben in das Substrat;

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BÄD~QBimiNAL

Fig.. 6B eine Variante des Verfahrens zur Abschei- und 6C scheidung von Maskeranaterial und zur Planarisierung der Oberflächeϊ

Fig. 7 die Entfernung der in das Maskenmaterial

eingebetteten Siliciumnitridwande;

Fig» 8 das öffnen der Maske durch reaktives

Ionenätzen;
10

Fi::, 9 das litzen der tiefen Gräben in das Substrat;

Fig. 10 das Auffüllen der Gräben durch thermisehe Oxidation;

Fig. 11 das Abätzen des Siliciumdioxids von der Oberfläche und die anschließende Reoxidation;
20

F^g. 12 das Auffüllen der Gräben mit Kunststoff.

SSM 1 (Sekundärelektronenmikroskop- oder Raster- · elektronenmikroskopaufnähme) entspricht

Fig. 3 und zeigt ein Photoresistprofil mit vertikalen Seitenwänden;

SiSM 2 entspricht Fig. 4 und zeigt den mit Siliciumnitrid bedeckten Photoresist mit vertikalen

Seitenwänden;

S5!4 3 entspricht Fig. 5 und zeigt etwa 0,3 um breite Wände aus Siliciumnitrid;

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BAD ORIGfMAL

SEM 4 entspricht Fig. 6A und zeigt Siliciumnitridwände, eingebettet in mittels Kathodenzerstäubung aufgetragenes Siliciumdioxid;

SEM 5 entspricht Fig. 8 und zeigt eine Siliciumdioxidmaske, die bis zum Siliciumsubstrat geöffnet ist;

SEM 6 entspricht Fig. 9 und zeigt die tiefen"Gräben im SiI
fernt;

im Silicium, die SiO^-Maske ist bereits ent-

SEM 7 entspricht Fig. 11 und zeigt die Gräber nach dem Auffüllen durch thermische Oxidation.

Wesentlichstes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bereitstellung einer Siliciumdioxid-Ätzmaske mit nur 0,2 tun breiten öffnungen mit vertikalen Seitenwänden. Diese wird verwendet zum Ätzen von 0,5 μΐη breiten Gräben in das Siliciumsubstrat. Die Gräben werdei anschließend mit dielektrischem Material aufgefüllt.

Zur Herstellung der Siliciumdioxidmaske sind gemäß den Fign. IA bis C folgende Schritte notwendig:

- Die Ausbildung eines vertikalen Resistprofils durch reaktives Ionenätzen und die Abscheidvng von Siliciumnitrid aus einem Plasma (Fig. "IJs.) ;

- Die Entfernung von Siliciumnitrid von allen horizontalen Oberflächen durch reaktives Ionenätzen und das Entfernen des Resists unter Erhalt, von Siliciumnitridwänden (Fig. 2B);

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BAD ORIGIiSJAL

Umwandlung der Sillciumnitridwände in Öffnungen einer Maske in einem Umkehrverfahren durch Abscheidung des Maskierungsmaterials Siliciumdioxid über den Siliciumnitridwänden, Abtragen des Siliciumdioxids durch Ätzen, bis die Spitzen der

Siliciumnitridwände freigelegt sind und Entfer-. . nung der Siliciumnitridwände durch Plasmaätzen (Fig. IC).

D.'.e Gräben werden durch reaktives Ionenätzen in das Siljciumsubstrat geätzt, und das Maskenmaterial wird entfernt (Fig. ID). Anschließend werden die Gräben durch thermische Oxidation mit Siliciumdioxid oder mit einem anderen Material gefüllt. Das Siliciumdioxid auf der Substratoberfläche wird durch reaktives Ionenätzen entfernt (Fig. IE), und das Silicium wird reoxidiert zu einer Schichtdicke, die für weitere Prozesse erwünscht i^t. Werden die Gräben mit Polyimid aufgefüllt, dann erfolgt dies im Anschluß an die Heißprozesse.

Vor dem Auffüllen mit Polyimid 13 (Fig. 12) wird eine thermische Oxidation durchgeführt, bis die Grabenwände mit einer etwa 25 nm dicken Oxidschicht 11 bedeckt sind. Diese wird durch Abscheidung von etwa 50 nm Si— liciumnitrid 12 .versiegelt. .

D^.e Fign. 2 bis 12 zeigen verschiedene Stadien des Verfahrens gemäß der Erfindung. Auf ein Halbleiterplättchen aus P leitendem Material, z.B. einem Siliciumsubstrat mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ω-cm, in dem eine N leitende Zone hergestellt wurde (nicht gezeigt) , wird in einem üblichen Verfahren bei einer Temper, atur im Bereich zwischen 950 und 1170 ⁰C und einer Ciuer von etwa 17 Minuten eine N leitende Schicht mit

18 Giner maximalen Störelementkonzentration von 10 Ato-

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BAD ORIGINAL

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men/cm epitaktisch aufgewachsen. Während des Niederschlagens dieser Schicht findet eine Ausdiffusion der N leitenden Zone in diese Schicht hinein statt. Die Epitaxieschicht 1 (Fig. 2) hat eine Stärke in der Großenordnung zwischen 1 und 4 μπι, entsprechend den übrigen Daten der integrierten Schaltung. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird eine Epitaxieschicht 1 mit einer Stärke von 2,35 um angenommen, wobei dx« Epitaxieschicht 0,35 um dicker ist als für übliche Prozesse, weil 0,35 μπι Silicium durch Oxidation währene der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbraucht werden. Die Epitaxieschicht 1 kann beispielsweise unter Verwendung einer Vorrichtung und eines Verfahrens aufgebracht werden, wie sie in der US-Patentschrift 3 424 beschrieben sind. In Fig. 2 wird dann eine Schicht 2 aus dielektrischem Material nach üblichen Verfahren aufgetragen. Die Schicht 2 kann beispielsweise aus Siliciumdioxid bestehen, welches durch thermische Oxidation bei 925 ⁰C erzeugt wird. Die Schicht 2 kann auch aus einer Siliciumdioxid- und einer Siliciumnitridschicht bestehen, wobei die Siliciumdioxidschicht eine Schichtdicke von etwa 160 nm und die Siliciumnitridschicht eine Schichtdicke von etwa 100 nm aufweist. Die Siliciumdioxidschicht wird in üblicher Weise durch thermische Oxidation erzeugt, und die Siliciumnitridschicht wird in bekannter Weise aus einer Silan, Ammoniak und Arcon haltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1000 ⁰C niedergeschlagen. Die weiteren Schichten können auch auf die blanke Oberfläche des Siliciumsubstrats 1 äufgetragen werden. Auf die Schicht 2 wird eine Resistschicht 3 in einer Schichtdicke von etwa 1,8 μπι auf gesponnen. Es sei hervorgehoben, daß die Resistschichtdicke die Höhe der Siliciumnitridwände, die im weiteren Verlauf"des Verfahrens hergestellt werden, bestimmt. Als Res;.st kann ein Positivresistmaterial der Firma Shipley, das unter

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der Handelsbezeichnung 1350J erhältlich ist,- und aus einem Phenolformaldehydharz und einem Naphthochinondiazid-Sensibilisator besteht, welcher als 3,4-Dihydroxybenzophenon-4-[naphthochinone!,2)diazid(2) Isulfonat identifiziert wird, verwendet werden. Die Resistschicht 3 wird bei einer Temperatur von 210⁰C etwa 30 Minuten lang ausgehärtet. Auf die Resistschicht 3 wird eine Siliciumnits.idschicht 4 in einer Schichtdicke von etwa 100 nm aufgetragen. Das Siliciumnitrid wird durch Plasmaabscheidang aus einer Silan, Ammoniak und Argon haltigen Atmosphäre bei einem Druck von etwa 1 mbar und einer Lei-

stung von 100 Watt (Leistungsdichte 0,05 W/cm ) niedergeschlagen. Die hierfür erforderliche Zeit beträgt 3 bis 4 Minuten. Die Abscheidungstemperatür beträgt 21O⁰C,

T5 d.h. es handelt sich um einen sog. "Kaltprozeß", bei dem di.s Material der Schicht 3 nicht geschädigt wird. Auf di.e Plasma-Siliciumnitridschicht 4 wird eine Resistschicht 5 in einer Schichtdicke von etwa 1 ,.0 p,m aufgetragen. Die Schicht 5 kann aus dem gleichen Resistmaterial wie die Schicht 3 bestehen» In der Schicht 5 wird durch Belichten und Entwickeln ein Muster erzeugt. Anschließend wird, wie in Fig. 3 und SEM 1 gezeigt ist, durch reaktives lonenätzen eine Resistmaske mit möglichst steilen Kantenwinkeln erzeugt. Für die Herstellung der gewünschten Siliciumdioxidmaske mit möglichst steilen Kantenwinkeln ist Voraussetzung, daß die Resistseitenwände so steil wie möglich sind.

Unter Verwendung der obersten Resistschicht 5 als Maske werden in die Plasmanitridschicht 4 Öffnungen geätzt. Die Schicht 4 und die nachfolgende Schicht 3 werden d*rch reaktive Ionen geätzt. Die Plasmanitridschicht 4 wird in einem Reaktor mit Kohlenstofftetrafluorid unter fclgenden Bedingungen geätzt!

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CF₄-FIuB : 30 cm³/Min.;

Druck : 50 ubar;

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Leistungsdichte : 0,2 Watt/cm .

Die Ätzrate für Plasmanitrid beträgt unter diesen Bedingungen etwa 30 nm/Min.

Die Schicht 4 mit den geätzten öffnungen wird als Maske zum Ätzen der Resistschicht 3 verwendet. Die Schicht 3 wird in einem reaktiven Ionenätzverfahren mit Saverstoff unter folgenden Bedingungen geätzt:

O₂-FIuB : 27 cm³/Min.;

Druck : 2-3 μbar;

Leistungsdichte ; 0,2 Watt/cm .

Die Ätzrate für den Resist beträgt unter diesen Bedingungen etwa 150 nm/Min. Um möglichst steile Resirtseitenwände zu erhalten, wird das reaktive Ionenätasen bei sehr niedrigem Sauerstoffdruck durchgeführt. Würde man bei einem höheren Sauerstoff druck arbeiten, dar.! würde der Anteil des lateralen Ätzens größer werden, welcher sich in einer seitlichen Unterätzung der Siliciumnitridmaske bemerkbar macht. Rückstände von Plasmanitrid und Resist werden in bekannter Weise durch Ätzen mit gepufferter Flußsäure entfernt.

In den Fign. 4 und 5 (SEM 2 und 3) ist die Plasmaabscheidung von Siliciumnitrid 6 auf den horizontalen und vertikalen Oberflächen der Resiststruktur 3 und des Substrats 2 gezeigt und die Herstellung der Plasmanitridwände durch Entfernen des Nitrids von allen horizontalen Oberflächen durch reaktives Ionenätzen und, eben "alls
durch reaktives Ionenätzen das Entfernen des Res..sts

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Gemäß Fig. 4 wird Siliciumnitrid 6 aus einem Plasma einer Silan, Ammoniak und Argon haltigen Atmosphäre bei einem Druck von 1 mbar und einer Leistung von 100 Watt bei einer Temperatur von 21O⁰C in einer Schichtdicke von etwa 400 nm abgeschieden. Das Siliciumnitrid 6 bedeckt alle horizontalen und vertikalen Oberflächen der Resiststruktur 3 und des Substrats 2 (SEM 2). Anschließend wird das Siliciumnitrid von allen horizontalen Ooerflächen durch reaktives Ionenätzen in Kohlenstofftetrafluorid entfernt. Hierzu arbeitet man beispiels-

3 weise bei einem CF.-Fluß von 30 cm /Min., einem Druck von etwa 50 μbar und einer Leistungsdichte von 0,2 Watt/cm . Das Ätzen mit CF. wird unterbrochen, wenn alles Siliciumnitrid von den horizontalen Oberflächen entfernt ist. Die Endpunktbestimmung der Ätzung erfolgt mit Laserinterferenz bei 5%iger Uberätzung. Der Resist wird, wie zuvor beschrieben, durch reaktives ionenätzen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre entfernt. Die Einhaltung eines besonders niedrigen Sauerstoffdrucks bei diesem Schritt ist nicht erforderlich.

Gemäß Fig. 5 (SEM 3) bleiben nach diesen beiden Ätzsanritten 250 nm dicke Silxciumnitridwände 6 zurück.

Gemäß Fig. 6A erfolgt jetzt die Abscheidung des eigentlichen Maskenmaterials. Als solches wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung Siliciumdioxid gewählt. Das Siliciumdioxid kann aufgebracht werden mittels Kathodenzerstäubung, durch Abscheidung aus einem Silan und Sauerscoff haltigen Gasplasma oder durch chemischen Niederschlag aus einer SiH. und Sauerstoff oder SiH₂Cl- und F^O haltigen Gasphase. Die verschiedenen Abscheidungsi.iethoden führen zu einer verschiedenen Form des Silier, umdioxids, welches die Plasmasiliciumnitridwände 6 be-ieckt.

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Gemäß Fig. 6A (SEM 4) werden die Siliciumnitridwände 6 mittels Kathodenzerstäubung mit Siliciumdioxid bedeckt. Dieses Verfahren ist das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugte. Zunächst werden etwa 1,3 μπι SiIiciumdioxid (Standardquarz) im Standard-Verfahren /nittels Kathodenzerstäubung aufgetragen. Anschließend wird eine etwa 0,5 μπι dicke Siliciumdioxidschicht (Pl< narquarz) im Planarverfahren mittels Kathodenzerstäubung bei erhöhter Anodenleistung aufgetragen. Bei diesem Verfahren findet während des Auftragens gleichzeitig eine Abtragung von Siliciumdioxid statt, wodurcVi Strukturen mit einer Qberflächentopologie im wesentlichen planarisiert werden (Fig. 6A).

Eine andere Möglichkeit, die Siliciumnitridwände 6 mit Siliciumdioxid zu bedecken, ist in den Fign. 6B und 6C dargestellt. Gemäß Fig. 6B wird eine 0,5 μΐη dicke Siliciumdioxidschicht 7a mitttels chemischen Niederschlags aus der Gasphase auf der gesamten Oberfläche der Struktür mit den Siliciumnitridwänden abgeschieden. Das chemische Niederschlagen aus der Gasphase verwendet SiH. und O₂ bei etwa 500 ⁰C oder SiH-Cl- und N„0 bei etwa 800⁰C und Atmosphärendruck oder geringer. Anschließend wird mittels Kathodenzerstäubung eine etwa 1 um dicke Siliciumdioxidschicht bei erhöhter Anodenleistung aufgetragen (Planarquarz). Während das aus der Gasphase abgeschiedene Siliciumdioxid 7a rund um die Wände gleichförmig aufwächst, bewirkt das mittels Kathodenzerstäubung aufgetragene Siliciumdioxid 7b eine Erhöhung der SiIiciumdioxid-Schichtdicke und eine Planarisierung der Bereiche über den Siliciumnitridwänden 6 (Fig. 6C). Eine weitere Möglichkeit, eine Struktur gemäß Fig. 6B zu planarisieren besteht darin, Quarz unter den üblichen Kathodenzerstäubungsbedingungen aufzutragen und zurückzuätzen, bis die Spitzen der Siliciumnitridwände 6

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freigelegt sind (Fig, 6C). Eine Planarisierung der Struktur kann auch in der Weise durchgeführt werden, daß ein Photoresist in einer Schichtdicke von 2,0 μια aufgetragen und bei 180° ausgehärtet wird und anschließend von der Resistschicht so viel abgeätzt wird, bis die Spitzen der Siliciumnitridwände freigelegt sind.

Im nächsten Verfahrensschritt werden gemäß Fig. 7 die in Siliciumdioxid eingebetteten Siliciumnitridwände durch Ätzen entfernt« Zunächst wird das Siliciumdioxid ganzflächig in einer Schichtdicke von etwa 0,3 um durch reaktives Ionenätzen mit CF. abgetragen. Anschließend wexden die Siliciumnitridwände durch Plasmaätzen in einen⁵ System der LFE-Corporation mit Kohlenstofftetrafluorid bei einem Druck von etwa 1,33 rnbar unter Erhalt der Öffnungen 8 mit einer Weite von 0,2 bis 0,3 μπι U^?xg. 7) entfernt. Die Siliciumnitridwände können auch darch Naßätzen entfernt werden. Gemäß Fig» 8 werden die öffnungen 8 der Siliciumdioxidmaske durch ganzflächiges reaktives Ionenätzen mit CF. bis zum Siliciumsubstrat 1 hin vertieft. Dieser Schritt kann auch mit CHF^-Gas durchgeführt werden, weil dadadurch eine bessere Unterbrechung des Ätzens an der Siliciumoberfläche gewährleistet ist. Während des Ätzens wird auch Siliciumdioxid an dir Oberfläche der Maske abgetragen«, In Fig. 8 (SEM 5) i.3t die fertiggestellte Ätzmaske aus Siliciumdioxid 7, cie zum Ätzen von tiefen Gräben 9 in das Siliciumsubstrat 1 verwendet wird, gezeigt. Sie weist eine Dicke von etwa 0,6 bis 1 um und öffnungen mit nahezu vertikaler„ Seitenwänden und mit einer Weite von 0,2 bis 0,3 um auf.

Fig. 9 (SEM 6) zeigt das Ätzen der Gräben 9 in das Siliciumsubstrat 1. Das reaktive lonenätzen, welches hierzu

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durchgeführt wird, findet unter folgenden Bedingungen statt:

Ätzmedium · : 10 % Chlor, Rest Argen; F'luß : 30 cm /Min.;

Druck : 15 mbar;

Leistung : 0,2 Watt/cm .

Unter diesen Bedingungen werden etwa 0,5 μΐη breite und 5 μια tiefe Gräben 9 in das Siliciumsubstrat 1 geätzt.

Andere Verfahren zum Ätzen von Silicium bedienen sich Gasmischungen mit einem Gehalt an SF,, Cl- und Helium oder CClpF- und O_ oder SiF., Cl^, Helium oder Argon. Allgemein können Chlor, Fluor und/oder sauerstoffhaltige Gasgemische zum reaktiven Ionenätzen von Silicium verwendet werden. In einem System mit 10 % Cl₂ in Argon werden in einem reaktiven Ionenätzer der Firma Leybold Ätzratenverhältnisse von Silicium zu Siliciumdiorid von bis zu 20:1 erhalten. Sollen gleichzeitig tiefe und flache Gräben geätzt werden, dann muß der zuvor beschriebene Prozeß zweimal durchgeführt werden, oder es muß eine Abdeckmaske verwendet werden, mit der die flachen Gräben während des weiteren Ätzens der tiefen Gräben abgedeckt werden. Gemäß Fig. 9 wird die verbleibende Siliciumdioxid-Ätzmaske in einem Naßätzschritt mit gepufferter Flußsäure entfernt.

In Fig. 10 ist das Auffüllen der Gräben durch thermische Oxidation dargestellt. Diese erfolgt bei etwa 1000⁰C und wird als Trocken-Naß-Trocken-Oxidation durchgeführt, bis sich in den Gräben von jeder Grabenwandung aus etwa 0,5 μ,πι Siliciumdioxid und auf der Oberfläche ein Siliciumdioxid vergleichbarer Schichtdicke gebildet hat. Die Oxidation kann auch in Form einer Hochdruckoxidai.ion bei

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85O³C durchgeführt werden. Um eine Oxidschicht 10 auf der Siliciumsubstratoberflache 1 (Fig. 11, SEM 7) in einer für die nachfolgenden fitz- und Diffusionsprozess \ erforderlichen Schichtdicke zu erhalten, wird das O::id in Fig. 10 durch ganzflächiges reaktives Ionenät:zen in CHF., mit Unterbrechung der fitzung an der Siliciumoberfläche entfernt. Anschließend wird das Silicium reoxidiert zu einer Schichtdicke von etwa 160 nm. Anstelle des Auffüllens der Gräben durch thermische Oxidation kann auch folgendes Verfahren angewendet werden (Fig. 12):

a,. thermische; Oxidation zur Erzeugung von etwa 25 nm

Siliciumdioxid 11;
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b) Abscheiden von etwa 50 nm Siliciumnitrid 12 aus der Gasphase?

c) vollständiges Auffüllen der Gräben mit Polyimid 13, welches in bekannter Weise aufgesponnen wird.

Nachfolgend werden noch einmal die wesentlichen Merkmale und Vorteile des zuvor beschriebenen Verfahrens angegeben:
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Es ist möglich, dielektrische Isolationen mit einer Breite von etwa 0,5 bis 1,0 um herzustellen.

Es können gleichzeitig tiefe und flache Isolationen, beispielsweise eine Subkollektorisolation mit einer Tiefe von 4 bis 5 um und eine Basisisolation mit einer Tiefe von 1 um hergestellt werden.

- Der Minimalabstand zwischen zwei Isolationen beträgt etwa 1,5 bis 2,0 um.

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- Die Grenzfläche zwischen der Isolation und dem Siliciumsubstrat weist aufgrund der thermischen Oxidation ein niedriges Ladungsniveau auf.

- Die Auffüllung der Gräben mit Polyimid anstelle der Auffüllung durch thermische Oxidation i?t vorteilhaft, weil bei völlig durch Oxid gefüllten Gräben Defekte im Silicium beobachtet wurden.

- Das beschriebene Verfahren ist ein Planarprezeß, deshalb wird die Ausbildung der unerwünschten "Vogelköpfe" vermieden.

Die Diffusionen von Subkollektor, Basis und Emitter können direkt an die Isolation anschließen, die Ausbildung der unerwünschten "Vogelschnäbel" wird ebenfalls vermieden. Im Falle der Auffüllung mit Polyimid werden die Gräben im Anschluß an die Diffusion von Subkollektor, Basis und Emitter geätzt.

Die Qualität der mit dem erfindungsgemäßen Verfah-. ren hergestellten Anordnungen ist verbessert aufgrund der niedrigeren Kapazität, welche auf das direkte Anschließen der Diffusionen an die Isolationen und kürzere elektrische Leitungswege zurückzuführen ist.

Aus der geringen Breite der Isolationen und den direkt daran anschließenden Diffusionen resultiert eine höhere Integrationsdichte.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung einer dünnen dielektrischen Isolation (9) in einem Siliciumkörper (1), dadurch gekennzeichnet,

a) daß zunächst auf das Siliciumsubstrat (1) eine Isolierschicht (2) und auf diese mittels an sich bekannter Aufbringungsverfahren drei Schichten (3, 4 und 5) aufgebracht werden, wobei die auf der Isolierschicht (2) direkt aufgebrachte Schicht (3) und die oberste

Schicht (5) aus Photoresist bestehen und die dazwischenliegende Schicht (4) aus Siliciumnitrid (Fig. 2);

b) daß ein gewünschtes Muster in der obersten

Schicht (5) erzeugt wird und durch reaktives Ionenätzen in die Siliciumnitridschicht (4) bzw. in die Resistschicht (3) übertragen wird unter Erhalt von Resiststrukturen (3) mit im wesentlichen horizontalen und vertikalen

Oberflächen (Fig. 3);

c) daß auf die im wesentlichen horizontalen und vertikalen Oberflächen der Resiststruktur (3) sowie auf die freiliegenden horizontalen Be

reiche der Isolierschicht (2) eine Siliciumnitridschicht (6) aufgebracht wird (Fig. 4);

d) daß die horizontalen Bereiche der Siliciumnitridschicht (6) sowie die Resiststruktur (3)

durch reaktives Ionenätzen in der Weise abgetragen werden, daß sehr schmale Wände aus Si-

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liciumnitrid (6) auf der Isolierschicht (2) verbleiben (Fig. 5);

e) daß anschließend das eigentliche Maskenmaterial (7) auf die Isolierschicht (2) mit den

Siliciumnitridwänden (6) aufgetragen und zur Erzielung einer verbesserten Oberflächenplanarität wieder teilweise abgetragen wird (Fig. 6A);
10

f) daß die in das Maskenmaterial (7) eingebetteten Siliciumnitridwände (6) durch Ätzen entfernt werden unter Erhalt von Öffnungen (8) (Fig. 7);

g) daß die Öffnungen (8) durch reaktives Ionenätzen bis zum Substrat (1) hin vertieft werden (Fig. 8);

h) daß durch die fertiggestellte Maske Gräben (9) in das Siliciumsubstrat (1) durch reaktives Ionenätzen mit Chlor und/oder sauerstoffhaltigen Gasen geätzt werden (Fig. 9);

i) daß die Gräben (9) durch thermische Oxidation allein (Fig. 10), oder mit thermischem Oxid (11), Nitrid (12) und einem Kunststoff (13; Fig. 12) aufgefüllt werden;

j) und daß im Falle des Füllens durch thermische Oxidation allein nach dem ganzflächigen Abätzen des Oxids an der Oberfläche des SiIiciumkörpers (1) eine Reoxidation unter Erhalt einer Siliciumdioxidschicht (10) vorgenommen wird (Fig. 11).

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2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß auf dem Siliciumsubstrat (1) als Isolierschicht (2) mittels thermischer Oxidation eine Siliciumdioxidschicht erzeugt wird oder eine Siliciumdioxidschicht und auf dieser mittels Abscheidung aus einer Silan, Ammoniak und Argon haltigen Atmosphäre eine Siliciumnitridschicht erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß von den Schichten (3, 4 und 5) die Schicht (3) aus einem Posxtivphotoresist besteht und eine Schichtdicke im Bereich von 1,0 \xm bis 2,0 μπι aufweist; die nächste Schicht (4) aus Siliciumnitrid besteht und eine Schichtdicke im Bereich von 0,2 μπι bis 0,5 μΐΐι aufweist und die oberste Schicht (5) aus einem hochempfindlichen Positivphotoresist besteht und eine Schichtdicke im Bereich von 0,5 μπι bis 1,5 μπι aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Muster in der Schicht (5) durch reaktives Ionenätzen mit CF. in die Schicht (4) aus Siliciumnitrid und mit Sauerstoff bei einem Druck unterhalb 4 μbar in die Resistschicht (3) übertragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß Siliciumnitrid (6) auf die im wesentlichen horizontalen und vertikalen Oberflächen der Resiststruktur (3) und der Isolierschicht (2) durch Plasmaabscheidung aus einer Silan, Ammoniak

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und Argon haltigen Atmosphäre bei einem Druck von etwa 1 mbar, einer Leistung von 100 Watt (Lei-

2
stungsdichte von 0,05 W/cm )

von 210 ⁰C aufgetragen wird.

stungsdichte von 0,0 5 W/cm ) und einer Temperatur

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Silicxumnitridschicht (6) in den horizontalen Bereichen durch reaktives Ionenätzen mit CF. und die Resiststruktur (3) durch reaktives Ionenätzen mit Sauerstoff abgetragen werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß als Maskenmaterial (7) auf das Substrat (1) mit den Siliciumnitridwänden (6) Siliciumdioxid mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht wird, wobei eine erste, etwa 1,3 μΐη dicke Schicht unter üblichen Bedingungen und eine zweite, etwa 0,5 μΐη dicke Siliciumdioxidschicht mit erhöhter Anodenleistung aufgebracht wird zur Erzielung einer verbesserten Oberflächenplanarität.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß man eine etwa 0,5 μΐη dicke Siliciumdioxidschicht (7a) mittels chemischen Niederschlags aus

3Q der Gasphase gleichförmig rund um die Siliciumnitridwände (6) aufwachsen läßt und daß anschließend mittels Kathodenzerstäubung eine etwa 1 μ,πι dicke Siliciumdioxidschicht (7b) bei erhöhter Anodenleistung aufgebracht wird zur Erhöhung der Si-

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liciumdioxid-Schichtdicke und zur Erzielung einer verbesserten Oberflächenplanarität.

9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß zur Entfernung der Siliciumnitridwände (6) die Siliciuitidioxidschicht (7) ganz flächig durch reaktives Ionenätzen abgetragen wird, bis die Spitzen der Siliciumnitridwände (6) freigelegt sind und daß anschließend das Siliciumnitrid durch Plasmaätzen mit CF. oder durch Naßätzen entfernt wird'.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Öffnungen (8) bis zur Oberfläche des SiIiciumsubstrats (1) durch ganzflächiges reaktives Ionenätzen mit CF. vertieft werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Gräben (9) in dem Siliciumsubstrat (1) mittels reaktiven Ionenätzens mit Chlor/Argon; SF,-/Chlor/HeIium? CC1~F„/Sauerstoff oder SiF-/ Chlor/Helium oder Argon-Gasgemischen durch die Siliciumdioxidmaske (7) hergestellt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß bei der gleichzeitigen Herstellung von tiefen und flachen Gräben die flachen Gräben während des weiteren Ätzens der tiefen Gräben abgedeckt werden.

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13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Gräben durch thermische Oxidation mit SiIiciumdioxid aufgefüllt werden (Fig. 10), oder eine thermische Oxidation zur Erzeugung von etwa 25 nm Siliciumdioxid (11), eine Abscheidung von etwa 50 nm Siliciumnitrid (12) aus der Gasphase vorgenommen und die Gräben vollständig mit Polyimid (13) aufgefüllt werden (Fig. 12).

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,

dadurch gekennzeichnet,

daß im Falle des Füllens durch thermische Oxidation das Oxid auf der Siliciumsubstratoberflache (1) durch ganzflächiges reaktives Ionenätzen mit CHF^ entfernt und anschließend das Siliciumsubstrat (1) reoxidiert wird zur einer für die nachfolgenden Prozesse erforderlichen Oxidschichtdicke (10.) .

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