JP2009170468A - MOS field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体デバイスの構造、プロセス及び製造に関するものであり、特に横方向トレンチ型MOS電界効果トランジスタに関するものである。 The present invention relates to the structure, process and manufacture of semiconductor devices, and more particularly to lateral trench MOS field effect transistors.
横方向拡散MOS電界効果トランジスタ(The Lateral Double-Diffused MOS field effect transistor、以降LDMOSFETと称する)は、その効率的な構造上、高いブレークダウン電圧及び低い固有オン抵抗を有しており、電力制御エレクトロニクスの分野において広く用いられている。上記LDMOSFETは、CMOSプロセスと互換性があるため、制御ロジックと共にICに集積化される。一般に、上記LDMOSFETは、外部負荷に高い電流を供給するための出力ドライバとして用いられる。一般的に、上記LDMOSFETは、出力電流容量が約2A〜約3A未満である場合、制御回路と同一のICに集積化される。より大きな電流に関しては、オフチップ型パワートランジスタを用いると、コストの面においてより効果的である。 A lateral double-diffused MOS field effect transistor (hereinafter referred to as LDMOSFET) has a high breakdown voltage and a low specific on-resistance due to its efficient structure, and power control electronics. Widely used in the field. Since the LDMOSFET is compatible with the CMOS process, it is integrated into the IC together with the control logic. In general, the LDMOSFET is used as an output driver for supplying a high current to an external load. Generally, the LDMOSFET is integrated in the same IC as the control circuit when the output current capacity is about 2 A to less than about 3 A. For larger currents, using off-chip power transistors is more cost effective.
図8に従来のLDMOSFETの一般的なレイアウト及び構造を示す。上記従来のLDMOSFETは、ドレイン拡散層と同一の導電型を備えた比較的長く薄くドープされた領域により、濃くドープされたドレイン拡散層がゲート電極から分離されているが、ソース拡散層が、セルフアライン的に形成され、ゲート電極と隣接する非対称な構造を備えることを特徴とする。この薄くドープされたドレイン領域は、さらにドリフト領域と称され、高い供給電圧に耐えることが出来るように設計されている。 FIG. 8 shows a general layout and structure of a conventional LDMOSFET. In the above conventional LDMOSFET, the heavily doped drain diffusion layer is separated from the gate electrode by a relatively long and thinly doped region having the same conductivity type as the drain diffusion layer. It is formed in alignment and has an asymmetric structure adjacent to the gate electrode. This lightly doped drain region is further referred to as the drift region and is designed to withstand high supply voltages.
上記LDMOSFETにおける2つの重要なパラメータ(key parameter)は、ブレークダウン電圧BVdss及びオン抵抗RONである。オン抵抗RONの異なる構成要素の物理的位置及び物理的意味は、図9に示されており、
RON=Rch+Racc+Rdrift
となる。ここで、Rchは、電子が誘起されたMOSFETチャンネルの抵抗であり、Raccは、領域(ゲート−ドレインオーバーラップ領域)を誘起された蓄積(accumulation)の抵抗であり、Rdriftは、薄くドープされたドレイン領域の抵抗である。
Two important parameters in the LDMOSFET (key parameter) is a breakdown voltage BVdss and the on-resistance R ON. The physical location and physical meaning of the different components of the on-resistance RON are shown in FIG.
R ON = R ch + R acc + R drift
It becomes. Here, R ch is the resistance of the MOSFET channel in which electrons are induced, R acc is the resistance of accumulation induced in the region (gate-drain overlap region), and R drift is thin. It is the resistance of the doped drain region.
一般に、高いブレークダウン電圧BVdssを得るためには、不純物を薄くドープされた長いドリフト領域が必要とされ、その結果、全体としてのオン抵抗が増加するので、ブレークダウン電圧BVdssとオン抵抗RONとの間にはトレードオフの関係が成立する。 In general, in order to obtain a high breakdown voltage BVdss is required lightly doped long drift regions impurities, As a result, the on-resistance as a whole increases, and the breakdown voltage BVdss and the on-resistance R ON A trade-off relationship is established between the two.
一般に、上記LDMOSFETの設計技術は、ドーピングプロファイル及びドリフト領域を最大限に利用することに頼っている。これらの技術に関するものとしては、非特許文献1において提案されたRESURF(REduced SURface electric Field:表面電界緩和)構造がよく知られている。上記RESURF構造において、Nウェルドリフト領域(HNW、図9参照)の及びドーピング濃度及び深さは、オフ状態において、上記Nウェルドリフト領域が完全空乏化されるように設計されている。その結果、電界が緩和され、上記ドリフト領域のドーピング濃度を高くすることができる。 In general, the LDMOSFET design technique relies on maximizing the use of the doping profile and drift region. As these technologies, the RESURF (REduced SURface electric Field) structure proposed in Non-Patent Document 1 is well known. In the RESURF structure, the N well drift region (HNW, see FIG. 9), the doping concentration and the depth are designed so that the N well drift region is completely depleted in the off state. As a result, the electric field is relaxed and the doping concentration of the drift region can be increased.
他の手法においては、特許文献1において述べられ、且つ図10に示されるように、ドリフト領域は、ゲート電極とドレインコンタクト領域の間に設けられたトレンチ25の周囲に設けられ、上記RESURF技術を用いている。この構造においては、チャンネル領域は水平であり、電流は領域14に流れる。 In another method, the drift region is provided around the trench 25 provided between the gate electrode and the drain contact region as described in Patent Document 1 and shown in FIG. Used. In this structure, the channel region is horizontal and current flows in region 14.
また、特許文献2及び図11において、チャンネルは符号25で示すように垂直であり、ゲート電極30は、トレンチ領域に構成されている。 In Patent Document 2 and FIG. 11, the channel is vertical as indicated by reference numeral 25, and the gate electrode 30 is formed in the trench region.
図12は、非特許文献2において表されるLDMOSの構造を示しており、スーパージャンクション構造RESURF LDMOSFET(Super Junction RESURF LDMOSFET)と名付けられている。ゲート及びドレインのN+拡散層の間にあるドリフト領域は、N型領域及びP型領域を交互に配置して構成されている。これらのN領域及びP領域の幅及びドーピング濃度は、オフ状態において、上記N領域及び上記P領域が完全空乏化されるように設計されている。言い換えれば、これは、一種の横方向(2−D)RESURF構造である。類似の構造は、特許文献3に開示されている。 FIG. 12 shows the structure of the LDMOS represented in Non-Patent Document 2, which is named a super junction structure RESURF LDMOSFET (Super Junction RESURF LDMOSFET). The drift region between the gate and drain N + diffusion layers is formed by alternately arranging N-type regions and P-type regions. The widths and doping concentrations of these N and P regions are designed so that the N and P regions are completely depleted in the off state. In other words, this is a kind of lateral (2-D) RESURF structure. A similar structure is disclosed in US Pat.
図13は、非特許文献3において述べられたトレンチゲートを備えたSOI−Super−Junction MOSFETを示している。このMOSFETの構造は、図12に示されデバイスと同一の効果を利用しているが、SOIウエハにおいて実施されている。その上、ゲートはトレンチに埋め込まれ、この方法でトレンチを埋め込むことにより、チャンネルの電流は、ウエハの表面に対して平行に流れるが、上記トレンチの側壁に対しては垂直に流れる。
しかしながら、上記従来のLDMOSFETでは、以下に示す問題点を有している。 However, the conventional LDMOSFET has the following problems.
図9に示す従来のLDMOSFETの構造は、上記RESURFの効果によりオン抵抗を小さくするため、オン抵抗の低減には限界がある(問題点a)。 The conventional LDMOSFET structure shown in FIG. 9 has a limit in reducing the on-resistance because the on-resistance is reduced by the effect of the RESURF (problem a).
特許文献1において述べられているLDMOSFEFは、トレンチ周囲のドリフト領域の長さを用いることにより表面積を低減しているため、トレンチを深く形成する必要がある等、プロセスが複雑になる(問題点b)。また特許文献1のLDMOSFETのプロセスは、問題点aと同一の問題がある。 In the LDMOS FEF described in Patent Document 1, since the surface area is reduced by using the length of the drift region around the trench, it is necessary to form the trench deeply, and the process becomes complicated (problem b) ). Further, the LDMOSFET process of Patent Document 1 has the same problem as the problem a.
特許文献2において述べられているLDMOSFETは、ドリフト領域が上記RESURFの効果により定義されるので、サイズが小さくならない。 The LDMOSFET described in Patent Document 2 is not reduced in size because the drift region is defined by the effect of the RESURF.
図12及び図13の両方に示されているLDMOSFETデバイスは、N型ドリフト領域及びP型ドリフト領域を交互に配置することにより実施されるスーパージャンクション技術を利用している。両方の事例において、これらの領域の幅及びドーピング濃度の定義づけは、これらの領域の配列及び横方向の拡散層により制限される。 The LDMOSFET device shown in both FIG. 12 and FIG. 13 utilizes a super junction technique implemented by alternating N-type and P-type drift regions. In both cases, the definition of the width and doping concentration of these regions is limited by the arrangement of these regions and the lateral diffusion layer.
結果として、従来技術は、高い多産性を有した上でMOSFETのオン抵抗を小さくするには不十分であった。 As a result, the prior art is insufficient to reduce the on-resistance of the MOSFET while having high productivity.
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、ブレークダウン電圧を高くすること、及びオン抵抗を小さくすることの両方を実現することができるMOS電界効果トランジスタを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a MOS field effect transistor capable of realizing both a high breakdown voltage and a low on-resistance. It is to provide.
本発明のMOS電界効果トランジスタは、上記課題を解決するために、半導体基板上に形成され、ソース領域、ゲート領域、ドリフト領域及びドレイン領域を備え、上記ドリフト領域が上記ドレイン領域と上記ゲート領域の間に設けられるMOS電界効果トランジスタにおいて、上記ゲート領域は、ゲート電極部と、該ゲート電極部から突き出た複数のトレンチを有し、上記ドリフト領域は、上記複数のトレンチと少なくとも1つ以上のドリフト部とが交互に配置されており、上記ゲート電極部は、内部に1×1019at/cm3より高いドーピング濃度でドープされたポリシリコンを有し、上記複数のトレンチは、それぞれ内部に1×1013at/cm3〜1×1019at/cm3のドーピング濃度でドープされたポリシリコンを有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a MOS field effect transistor according to the present invention is formed on a semiconductor substrate and includes a source region, a gate region, a drift region, and a drain region, and the drift region includes the drain region and the gate region. In the MOS field effect transistor provided therebetween, the gate region has a gate electrode portion and a plurality of trenches protruding from the gate electrode portion, and the drift region includes the plurality of trenches and at least one or more drifts. The gate electrode portion has polysilicon doped therein with a doping concentration higher than 1 × 10 19 at / cm 3 , and each of the plurality of trenches has an inner portion of 1 × 10 19 at / cm 3. Polysilicon doped at a doping concentration of x10 13 at / cm 3 to 1 x 10 19 at / cm 3 It is characterized by having.
上記発明によれば、上記ドリフト部のドーピング濃度、上記複数のトレンチ内の薄くドープされたポリシリコンのドーピング濃度、該薄くドープされたポリシリコンと上記ドリフト部との幅を適宜設定することにより、ゲートオフ状態でドレインにプラス電位を印加した時、上記ドリフト領域を完全空乏化することが可能となる。従って、上記ドリフト部の電界が緩和されて、ドレインの耐圧が向上し、上記ドレイン領域−上記ソース領域間のブレークダウン電圧BVdssを高くすることが出来る。その為に上記ドリフト部のドーピング濃度を従来よりも高くすることが出来るので、MOS電界効果トランジスタのオン抵抗をより小さくする事が出来る。 According to the invention, by appropriately setting the doping concentration of the drift portion, the doping concentration of the lightly doped polysilicon in the plurality of trenches, the width of the lightly doped polysilicon and the drift portion, When a positive potential is applied to the drain in the gate-off state, the drift region can be completely depleted. Accordingly, the electric field of the drift portion is relaxed, the breakdown voltage of the drain is improved, and the breakdown voltage BVdss between the drain region and the source region can be increased. Therefore, since the doping concentration of the drift portion can be made higher than before, the on-resistance of the MOS field effect transistor can be made smaller.
また、上記ゲート領域で、1×1019at/cm3より高いドーピング濃度でドープされたポリシリコンと、1×1013at/cm3〜1×1019at/cm3のドーピング濃度でドープされたポリシリコンとに分けることにより、上記ゲート領域と上記ドレイン領域との間に等電位面が集中することなく、上記ドリフト領域における電界が緩和され、上記ドレイン領域の耐圧が向上することになる。これにより、薄くドーピングしている領域を含め、高圧Nウェル領域(HNW)内のドリフト領域も全面、完全空乏化される。 The gate region is doped with polysilicon doped at a doping concentration higher than 1 × 10 19 at / cm 3 and at a doping concentration of 1 × 10 13 at / cm 3 to 1 × 10 19 at / cm 3. By dividing into polysilicon, the equipotential surface is not concentrated between the gate region and the drain region, the electric field in the drift region is relaxed, and the breakdown voltage of the drain region is improved. As a result, the entire drift region in the high-pressure N well region (HNW) including the thinly doped region is completely depleted.
その結果、電界が十分に緩和されることにより、同じ耐圧を確保する場合には、上記HNWのドーピング濃度をより高く設定することができるため、耐圧とオン抵抗とのトレードオフの関係を大幅に改善することができる。 As a result, since the electric field is sufficiently relaxed, when the same breakdown voltage is ensured, the doping concentration of the HNW can be set higher, which greatly increases the trade-off relationship between breakdown voltage and on-resistance. Can be improved.
上記MOS電界効果トランジスタでは、上記半導体基板はシリコン基板であってもよい。 In the MOS field effect transistor, the semiconductor substrate may be a silicon substrate.
また、上記MOS電界効果トランジスタでは、上記複数のトレンチの内部に有するポリシリコンに、上記ゲート電極部と異なる電圧を印加してもよい。 In the MOS field effect transistor, a voltage different from that of the gate electrode portion may be applied to the polysilicon included in the plurality of trenches.
これにより、オフ状態においても、上記複数のトレンチの内部に有するポリシリコンの電位を、上記ゲート電極部と異なる電位に設定することが可能となり、上記ドリフト領域に印加される電圧低く出来る。従って、上記ドリフト領域の電界が緩和されて、ドレイン領域−ソース領域間のブレークダウン電圧を高くすることが出来る。 Thereby, even in the off state, the polysilicon potential in the plurality of trenches can be set to a potential different from that of the gate electrode portion, and the voltage applied to the drift region can be lowered. Therefore, the electric field in the drift region is relaxed, and the breakdown voltage between the drain region and the source region can be increased.
本発明に係るMOS電界効果トランジスタは、以上のように、ゲート領域は、ゲート電極部と、該ゲート電極部から突き出た複数のトレンチを有し、上記ドリフト領域は、上記複数のトレンチと少なくとも1つ以上のドリフト部とが交互に配置されており、上記ゲート電極部は、内部に濃くドープされたポリシリコンを有し、上記複数のトレンチは、それぞれ内部に薄くドープされたポリシリコンを有するものである。 In the MOS field effect transistor according to the present invention, as described above, the gate region has a gate electrode portion and a plurality of trenches protruding from the gate electrode portion, and the drift region includes at least one of the plurality of trenches. Two or more drift portions are alternately arranged, the gate electrode portion includes heavily doped polysilicon, and the plurality of trenches each include lightly doped polysilicon. It is.
それゆえ、ブレークダウン電圧を高くすること、及びオン抵抗を小さくすることの両方を実現するという効果を奏する。 Therefore, there is an effect that both the breakdown voltage is increased and the on-resistance is reduced.
本発明の一実施形態について実施例1〜実施例2、及び図1〜図5に基づいて説明すれば、以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to Examples 1 to 2 and FIGS.
〔実施例1〕
図1(a)に、本実施の形態におけるゲートドリフト領域横方向拡散MOS電界効果トランジスタ(Gated Drift Region LDMOS field effect transistor、以降GD−LDMOSFETと称する)の平面図を示す。また、図1(b)に、図1(a)に示すGD−LDMOSFETのA−B間の断面図を示す。さらに、図1(c)に、図1(a)に示すGD−LDMOSFETのC−D間の断面図を示す。
[Example 1]
FIG. 1A shows a plan view of a gate drift region lateral diffusion MOS field effect transistor (hereinafter referred to as GD-LDMOSFET) in the present embodiment. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AB of the GD-LDMOSFET shown in FIG. Further, FIG. 1C shows a cross-sectional view taken along line C-D of the GD-LDMOSFET shown in FIG.
本実施の形態のGD−LDMOSFETを実現するために、図1のGD−LDMOSFETには、浅いトレンチ4に埋め込まれたゲート電極10が形成されている。ゲート電極10は、M方向の長さがLdriftであるドリフト領域(以降、単にドリフト領域と称する)の電界を制御するために形成されている。 In order to realize the GD-LDMOSFET of this embodiment, a gate electrode 10 embedded in the shallow trench 4 is formed in the GD-LDMOSFET of FIG. The gate electrode 10 is formed to control an electric field in a drift region (hereinafter, simply referred to as a drift region) whose length in the M direction is L drift .
図2は、図1(b)に示すA−B間の断面図を含むGD−LDMOSFETの斜視図である。また、図3は、図2に示すGD−LDMOSFETのE−F間の断面図を示す。上記E−F間の断面は、長さLchのチャンネル領域(以降単にチャンネル領域と称する)を横切っており、水平部11及びトレンチ側壁12を有している。 FIG. 2 is a perspective view of the GD-LDMOSFET including a cross-sectional view taken along the line A-B shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line EF of the GD-LDMOSFET shown in FIG. The cross section between E and F crosses a channel region having a length Lch (hereinafter simply referred to as a channel region), and has a horizontal portion 11 and trench sidewalls 12.
図4は、図2に示すGD−LDMOSFETのG−H間の断面図を示す。上記G−H間の断面は、複数のトレンチ4を有するドリフト領域の横断面図であり、高圧Nウェル領域(HNW)2、及び後述するポリシリコン電極(トレンチゲート電極)5からの横方向(L方向)の電界により誘起される空間電荷層13を示す。 4 is a cross-sectional view taken along the line GH of the GD-LDMOSFET shown in FIG. The cross section between GH is a cross-sectional view of a drift region having a plurality of trenches 4, and a lateral direction (from a high-voltage N well region (HNW) 2 and a polysilicon electrode (trench gate electrode) 5 described later ( The space charge layer 13 induced by the electric field in the (L direction) is shown.
図5は、従来のLDMOSFET及び本実施形態のGD−LDMOSのドリフト領域に沿った電界の分布を示す図である。上記ドリフト領域におけるトレンチ間の電界は、トレンチにより誘起された空間電荷層13のために緩和されている。 FIG. 5 is a diagram showing the electric field distribution along the drift region of the conventional LDMOSFET and the GD-LDMOS of this embodiment. The electric field between the trenches in the drift region is relaxed due to the space charge layer 13 induced by the trench.
上述したGD−LDMOSFETの構造は、Nチャンネル型GD−LDMOSFETに関するものであるが、Pチャンネル型GD−LDMOSFETに関しても同様である。 The structure of the GD-LDMOSFET described above relates to the N-channel type GD-LDMOSFET, but the same applies to the P-channel type GD-LDMOSFET.
導電型がP型であるP型半導体基板1の上に、導電型がN型である高圧Nウェル領域2が形成されている。個々の半導体デバイスは、半導体酸化物3により絶縁されている。複数のトレンチ4は、シリコン基板上にエッチングにより形成されている。ポリシリコン電極5は、トレンチ4をポリシリコンで充填することにより形成されている。ポリシリコン電極5は、ゲート絶縁物により上記シリコン基板と絶縁されている。本実施形態のGD−LDMOSFETのチャンネル領域は、P型拡散領域(PB)7により形成されている。P型拡散領域7は、ソースN+領域8と同電位に維持されている。ボディP+拡散層9は、上記GD−LDMOSFETの表面の、半導体酸化物3とソースN+領域8との間に形成されている。ゲート電極10は、ポリシリコン電極5に用いられているものと同一のポリシリコン層を用いており、上記GD−LDMOSFETの表面に、±L方向に沿って形成されている。 On a P-type semiconductor substrate 1 whose conductivity type is P-type, a high-voltage N-well region 2 whose conductivity type is N-type is formed. Individual semiconductor devices are insulated by a semiconductor oxide 3. The plurality of trenches 4 are formed on the silicon substrate by etching. The polysilicon electrode 5 is formed by filling the trench 4 with polysilicon. The polysilicon electrode 5 is insulated from the silicon substrate by a gate insulator. The channel region of the GD-LDMOSFET of this embodiment is formed by a P-type diffusion region (PB) 7. P-type diffusion region 7 is maintained at the same potential as source N + region 8. The body P + diffusion layer 9 is formed between the semiconductor oxide 3 and the source N + region 8 on the surface of the GD-LDMOSFET. The gate electrode 10 uses the same polysilicon layer as that used for the polysilicon electrode 5, and is formed on the surface of the GD-LDMOSFET along the ± L direction.
上記ドリフト領域では、ポリシリコン電極5及びドリフト部が交互に配置されている。この構造において、トレンチ4内部のポリシリコン電極5は、薄くドープされているので、上記ドリフト領域を空乏化出来る。従って、ポリシリコン電極5は、隣接するドリフト領域の空乏層を制御し、その結果上記ドリフト領域の電界を緩和することが出来る。これに伴い、ドレイン−ソース間のブレークダウン電圧BVdssを高くすることが出来る。また、上述したように、上記ドリフト領域の電界を緩和することが出来るので、上記ドリフト領域のドーピング濃度をあげることが出来、オン抵抗を小さくすることが出来る。 In the drift region, the polysilicon electrodes 5 and the drift portions are alternately arranged. In this structure, since the polysilicon electrode 5 inside the trench 4 is lightly doped, the drift region can be depleted. Therefore, the polysilicon electrode 5 controls the depletion layer in the adjacent drift region, and as a result, the electric field in the drift region can be relaxed. Accordingly, the breakdown voltage BVdss between the drain and the source can be increased. Further, as described above, since the electric field in the drift region can be relaxed, the doping concentration in the drift region can be increased, and the on-resistance can be reduced.
なお、上記ドリフト領域は、ドレイン電圧Vdとゲート電圧Vgとの間の電位差Vd−Vgの電圧が印加されることにより完全に空乏化される。GD−LDMOSFETが動作している状態の中で、GD−LDMOSFETのゲート電圧Vgがゼロのときの状態はオフ状態であり、GD−LDMOSFETのドレイン−ソース間に印加される電圧と言う意味においては、最も厳しい条件であり、この最も厳しい条件下においても、上記ドリフト領域が完全に空乏化できる必要がある。 The drift region is completely depleted by applying a voltage having a potential difference Vd−Vg between the drain voltage Vd and the gate voltage Vg. Among the states in which the GD-LDMOSFET is operating, the state when the gate voltage Vg of the GD-LDMOSFET is zero is an off state, and in the meaning of the voltage applied between the drain and source of the GD-LDMOSFET. The drift region must be completely depleted even under the most severe condition.
なお、ゲート電圧Vg>0である場合は、以下に示す2つの状態が考えられる。1つ目の状態は、ドレイン電圧Vd<<ゲート電圧Vgであり、三極管状態と呼ばれる。この状態では、電位差Vd−Vg<0であるので、上記ドリフト領域を完全空乏化することはできない。2つ目の状態は、ドレイン電圧Vd>ゲート電圧Vg−しきい値電圧Vthであり、飽和状態と呼ばれる。飽和状態では、ドレイン電圧Vdを高くすることにより、上記
ドリフト領域を完全空乏化することが可能である。しきい値電圧Vthは、MOSFETがオフ状態からオン状態へ変化する時のゲート電圧である。
When the gate voltage Vg> 0, the following two states are conceivable. The first state is the drain voltage Vd << gate voltage Vg, which is called a triode state. In this state, since the potential difference Vd−Vg <0, the drift region cannot be completely depleted. The second state is drain voltage Vd> gate voltage Vg−threshold voltage Vth, and is called a saturated state. In the saturated state, the drift region can be completely depleted by increasing the drain voltage Vd. The threshold voltage Vth is a gate voltage when the MOSFET changes from the off state to the on state.
通常MOSFETは負荷が接続された状態で動作するが、ゲート電圧Vgをパラメータとする動作特性曲線を考慮すれば分かるように、ゲート電圧Vg>0の場合は、ゲート電圧Vg=0の場合よりも、GD−LDMOSFETのドレイン−ソース間に印加される電圧は小さくなる。即ち、ゲート電圧Vg=0の場合が、動作時の条件としては最も厳しい条件となる。よって、上記最も厳しい厳しい条件下において、ドリフト領域が完全に空乏化されるように、GD−LDMOSFETの設計を行う。この設計の対象となるのは、以下に示す4つのパラメータである。
1.ドリフト部のドーピング濃度Ndrift
2.ポリシリコン電極5のドーピング濃度Ng
3.交互に配置されているポリシリコン電極5及びドリフト部の幅
4.電位差Vd−Vg
上記パラメータにおいて、ドーピング濃度Ndrift及びドーピング濃度Ngを低くすることにより、空間電荷層13は、より低い電位差Vd−Vgで容易に広げられ、上記ドリフト領域をより狭くすることが可能となる。
Normally, a MOSFET operates with a load connected, but as can be seen by considering an operating characteristic curve with the gate voltage Vg as a parameter, the gate voltage Vg> 0 is greater than the gate voltage Vg = 0. The voltage applied between the drain and source of the GD-LDMOSFET becomes small. That is, when the gate voltage Vg = 0, the strictest condition is the operating condition. Therefore, the GD-LDMOSFET is designed so that the drift region is completely depleted under the most severe conditions. The target of this design is the following four parameters.
1. Drift concentration N drift
2. Polysilicon electrode 5 doping concentration Ng
3. 3. Alternating polysilicon electrodes 5 and widths of drift portions Potential difference Vd-Vg
By reducing the doping concentration N drift and the doping concentration Ng in the above parameters, the space charge layer 13 can be easily expanded with a lower potential difference Vd−Vg, and the drift region can be further narrowed.
〔実施例2〕
本実施例では、実施例1において示した新しいGD−LDMOSFETの構造及び製造方法の詳細について述べる。上記記載において、Nチャンネル型GD−LDMOSFETは検討されているが、相補論によりPチャンネル型GD−LDMOSFETも容易に実施できることは当業者には明白である。
[Example 2]
In this example, the structure and manufacturing method of the new GD-LDMOSFET shown in Example 1 will be described in detail. In the above description, an N-channel GD-LDMOSFET has been studied, but it will be apparent to those skilled in the art that a P-channel GD-LDMOSFET can be easily implemented by the complement theory.
以下に、図2に示す構造を有するトレンチ型MOSFETの一連の組立について述べる。最初に、シリコン基板1は、P型にドープされる。P型にドープされたシリコン基板1の抵抗率は10Ωcm〜100Ωcmとなり、P型にドープされたシリコン基板1の厚みは500μm〜650μmとなる。 Hereinafter, a series of assembly of the trench MOSFET having the structure shown in FIG. 2 will be described. Initially, the silicon substrate 1 is doped P-type. The resistivity of the P-type doped silicon substrate 1 is 10 Ωcm to 100 Ωcm, and the thickness of the P-type doped silicon substrate 1 is 500 μm to 650 μm.
上記一連の組立は、従来のCMOSプロセスと同様に、1×1012cm−2〜1×1013 cm−2の31P+ イオンを注入された後に、高温拡散プロセスによりドライブイン処理を行うことによりNウェル領域(HNW)2を形成することから始める。形成されたNウェル領域(HNW)2の深さは2μm〜10μmになるが、この深さは所望とするデバイスの電気特性に依存する。 As in the conventional CMOS process, the above series of assembly is performed by performing drive-in processing by a high temperature diffusion process after implanting 31 P + ions of 1 × 10 12 cm −2 to 1 × 10 13 cm −2. Begin by forming an N-well region (HNW) 2. The depth of the formed N well region (HNW) 2 is 2 μm to 10 μm, and this depth depends on the desired electrical characteristics of the device.
続いて、例えばロコス(LOCOS:local oxidation of silicon)により、従来から用いられている絶縁用の半導体酸化物3が形成される(または浅いトレンチ3で絶縁する)。半導体酸化物3は、300μm〜600μmの深さを有している。半導体酸化物3は、活性領域を定義する。 Subsequently, a conventionally used semiconductor oxide 3 for insulation is formed by LOCOS (local oxidation of silicon) (or insulated by a shallow trench 3). The semiconductor oxide 3 has a depth of 300 μm to 600 μm. The semiconductor oxide 3 defines an active region.
次に、フォトエッチング技術によりトレンチ4が形成される。トレンチ4の深さは、300nm〜1000nmであり、トレンチ4の幅は、200nm〜500nmである。フォトエッチングによりトレンチ4を形成した後に、例えば酸化シリコン等により、ゲート絶縁層が、ウエハの底面及びトレンチ4の表面に形成される。ゲート絶縁層の形成後に、ポリシリコンが、ウエハ全体を覆うように堆積される。上記ポリシリコンの厚みは、150nm〜400nmである。上記ポリシリコンの層は、いかなるマスクも用いることなく、1×1012cm−2〜1×1015 cm−2の31P+ イオンを注入される。 Next, the trench 4 is formed by a photoetching technique. The depth of the trench 4 is 300 nm to 1000 nm, and the width of the trench 4 is 200 nm to 500 nm. After the trench 4 is formed by photoetching, a gate insulating layer is formed on the bottom surface of the wafer and the surface of the trench 4 by using, for example, silicon oxide. After the formation of the gate insulating layer, polysilicon is deposited so as to cover the entire wafer. The polysilicon has a thickness of 150 nm to 400 nm. The polysilicon layer is implanted with 31 P + ions of 1 × 10 12 cm −2 to 1 × 10 15 cm −2 without using any mask.
次のステップでは、ポリシリコン電極が、従来のフォトエッチング技術によりパターニングされる。このステップでは、MOSFET表面のゲート電極10と、ポリシリコン電極(トレンチゲート電極)5とが形成される。ポリシリコン電極5は、ドーピング濃度が1×1013at/cm3〜1×1019at/cm3となるようにドープされる。 In the next step, the polysilicon electrode is patterned by conventional photoetching techniques. In this step, a gate electrode 10 on the surface of the MOSFET and a polysilicon electrode (trench gate electrode) 5 are formed. The polysilicon electrode 5 is doped so that the doping concentration is 1 × 10 13 at / cm 3 to 1 × 10 19 at / cm 3 .
次に、ソースN+領域8、ドレインN+領域6及び濃くドープされたゲート電極10は、深さ0.2μm〜0.5μmの接合部を形成するため、フォトマスク技術、及び約1×1015cm−2〜約3×1015 cm−2のN型不純物(31P+または75As+)の注入によりドープされる。ゲート電極10のドーピング濃度は、1×1019at/cm3より高くする。続いて、他のフォトマスク技術を用いたステップにおいて、ボディコンタクト領域(ボディP+拡散層)9は、深さ0.2μm〜0.5μmの接合部を形成するため、約1×1015cm−2〜約3×1015 cm−2のP型不純物(11B+または49BF2+)の注入によりドープされる。なお、ポリシリコン電極5及びゲート電極10のドーピング濃度は、理論及びシミュレーションに基づき定めている。 Next, the source N + region 8, the drain N + region 6 and the heavily doped gate electrode 10 are formed by a photomask technique and about 1 × 10 15 cm to form a junction having a depth of 0.2 μm to 0.5 μm. -2 to about 3 × 10 15 cm -2 of N-type impurities ( 31 P + or 75 As +). The doping concentration of the gate electrode 10 is higher than 1 × 10 19 at / cm 3 . Subsequently, in step with the other photomask technique, the body contact region (body P + diffusion layer) 9 for forming a junction depth 0.2Myuemu~0.5Myuemu, about 1 × 10 15 cm - Doped by implantation of 2 to about 3 × 10 15 cm −2 of P-type impurities ( 11 B + or 49 BF 2 +). The doping concentrations of the polysilicon electrode 5 and the gate electrode 10 are determined based on theory and simulation.
最後に、従来のICの典型的な形成の通り、層間の絶縁体の堆積、コンタクトホールの形成及び金属配線を続けて行う。 Finally, as in a typical formation of a conventional IC, deposition of an insulator between layers, formation of a contact hole, and metal wiring are successively performed.
上述したように、トレンチ4内のゲート領域で、ドーピング濃度の濃い部分(ゲート電極10)と薄い部分(ポリシリコン電極5)とに分ける必要がある理由について説明する。薄くドーピングしている領域のドーピング濃度を濃く設定すると、トレンチ4内のゲート領域が全面0Vに固定されるため、ドレインにプラス電圧を印加した場合、等電位面は図6に示す一点鎖線のようになる。 As described above, the reason why the gate region in the trench 4 needs to be divided into a portion with a high doping concentration (gate electrode 10) and a thin portion (polysilicon electrode 5) will be described. When the doping concentration of the thinly doped region is set high, the gate region in the trench 4 is fixed to 0 V on the entire surface. Therefore, when a positive voltage is applied to the drain, the equipotential surface is as shown by the alternate long and short dash line in FIG. become.
つまり、破線で囲んだゲートエッジ(領域A)、もしくはゲート領域とドレインN+領域との間(領域B)に電界が集中するため、上記ドレインの耐圧を上げるためには、領域A、もしくは領域Bの電界を緩和する必要がある。 That is, since the electric field concentrates on the gate edge (region A) surrounded by the broken line or between the gate region and the drain N + region (region B), the region A or region B is used to increase the breakdown voltage of the drain. It is necessary to relax the electric field.
領域Aの電界緩和の一例としてHNW濃度の低減が考えられるが、この場合、オン抵抗が増大するとい不具合が生じる。 As an example of the electric field relaxation in the region A, it is conceivable to reduce the HNW concentration.
一方、領域Bの電界を緩和する場合は、領域Bの距離を伸ばすことが考えられるが、この場合もオン抵抗が増大するという不具合が生じる。 On the other hand, when the electric field in the region B is relaxed, it is conceivable to increase the distance in the region B. However, in this case as well, there is a problem that the on-resistance increases.
従って、図6に示す構造の場合、耐圧を向上させるためにはオン抵抗の増大を伴うため、耐圧とオン抵抗のトレードオフ関係を改善できない。 Therefore, in the case of the structure shown in FIG. 6, since the on-resistance increases in order to improve the breakdown voltage, the trade-off relationship between the breakdown voltage and the on-resistance cannot be improved.
そこで、図7のように薄いゲート領域(ポリシリコン電極5)を設ける。この時の等電位面は図7に示す一点鎖線のようになり、0Vに固定されるのは濃いゲート領域(ゲート電極10)のみで、薄いゲート領域には等電位面が一点鎖線のように走るため、Ldrift領域における電界が緩和され、上記ドレインの耐圧が向上することになる。これにより、薄くドーピングしているゲート領域を含め、HNW内ドリフト領域も全面、完全空乏化される。 Therefore, a thin gate region (polysilicon electrode 5) is provided as shown in FIG. The equipotential surface at this time looks like the one-dot chain line shown in FIG. 7, and only the dark gate region (gate electrode 10) is fixed to 0 V, and the equipotential surface is like the one-dot chain line in the thin gate region. As a result, the electric field in the L drift region is relaxed, and the breakdown voltage of the drain is improved. Thereby, the entire drift region in the HNW is completely depleted including the gate region which is thinly doped.
その結果、電界が十分に緩和されることにより、同じ耐圧を確保する場合には、HNWのドーピング濃度をより高く設定することができるため、耐圧とオン抵抗とのトレードオフの関係を大幅に改善することができる。 As a result, since the electric field is sufficiently relaxed, the HNW doping concentration can be set higher when the same breakdown voltage is ensured, thus greatly improving the trade-off relationship between breakdown voltage and on-resistance. can do.
本実施形態のGD−LDMOSFETの構造が有する2つの特徴は、関連性がある。1つ目の特徴は、薄くドープされたドリフト領域に複数のトレンチが設けられている点である。2つ目の特徴は、ドリフト領域がRESURF構造を有している点である。上記複数のトレンチに埋め込まれたポリシリコン電極5を用い、上記複数のトレンチにより上記ドリフト領域を囲み、上記ドリフト領域における空乏層及び上記ドリフト領域における横方向の電界の強さを制御することにより、電界の強さを緩和することが達成され、その結果ブレークダウン電圧がより高くなる。 Two features of the structure of the GD-LDMOSFET of this embodiment are related. The first feature is that a plurality of trenches are provided in a lightly doped drift region. The second feature is that the drift region has a RESURF structure. By using the polysilicon electrode 5 embedded in the plurality of trenches, surrounding the drift region by the plurality of trenches, and controlling the depletion layer in the drift region and the lateral electric field strength in the drift region, Relaxing the electric field strength is achieved, resulting in a higher breakdown voltage.
このような効果を得るために、上記複数のトレンチ間の間隔Xsは、上記ドリフト部のドーピング濃度Ndriftと共に最適化される必要がある。一般に、ドーピング濃度Ndriftとトレンチ間の間隔Xsとの積は、1012at/cm2より小さくなる。 In order to obtain such an effect, the interval Xs between the plurality of trenches needs to be optimized together with the doping concentration N drift of the drift portion. In general, the product of the doping concentration N drift and the spacing Xs between trenches is less than 10 12 at / cm 2 .
〔実施例3〕
本発明の第3の実施例では、ダブルトレンチゲートについて説明する。本発明の第3の実施例に係るGD−LDMOSFET(半導体デバイス)のダブルトレンチゲートは、2つのゲート電極、即ちゲート電極10(主ゲート電極)及びポリシリコン電極5(副ゲート電極)を有している。上述したように、主ゲート電極であるゲート電極10は、P型拡散領域(ボディ領域)7の裏面、即ち高圧Nウェル領域2との接合面に形成されるチャンネル領域を制御する。副ゲート電極であるポリシリコン電極(ドリフトゲート電極)5は、上記主ゲート電極と同電位に、または上記主ゲート電極と異なる電位になる。このような構成によると、オフ状態のGD−LDMOSFETにおいて、薄くドープされたドリフト領域を空乏化することが出来、ブレークダウン電圧を高くすることが出来る。
Example 3
In the third embodiment of the present invention, a double trench gate will be described. The double trench gate of the GD-LDMOSFET (semiconductor device) according to the third embodiment of the present invention has two gate electrodes, that is, a gate electrode 10 (main gate electrode) and a polysilicon electrode 5 (sub-gate electrode). ing. As described above, the gate electrode 10 serving as the main gate electrode controls the channel region formed on the back surface of the P-type diffusion region (body region) 7, that is, the junction surface with the high-voltage N-well region 2. A polysilicon electrode (drift gate electrode) 5 which is a sub-gate electrode has the same potential as the main gate electrode or a different potential from the main gate electrode. According to such a configuration, in the GD-LDMOSFET in the off state, the lightly doped drift region can be depleted and the breakdown voltage can be increased.
ダブルトレンチゲートにより、オフ状態においても、副ゲート電極であるポリシリコン電極5(ドリフトゲート電極)の電位を、主ゲート電極であるゲート電極10と異なる電位に設定することが可能となる。即ち、例えばポリシリコン電極5に+V1[V]の電圧を印加した場合、V1[V]分だけ電界が緩和されることになり、HNW濃度、即ちHNW領域のドーピング濃度をより高くすることが可能となる。尚、この時、主ゲート電極であるゲート電極10の電位は0Vとなる。 The double trench gate makes it possible to set the potential of the polysilicon electrode 5 (drift gate electrode) as the sub-gate electrode to a potential different from that of the gate electrode 10 as the main gate electrode even in the off state. That is, for example, when a voltage of + V1 [V] is applied to the polysilicon electrode 5, the electric field is relaxed by V1 [V], and the HNW concentration, that is, the doping concentration of the HNW region can be increased. It becomes. At this time, the potential of the gate electrode 10 which is the main gate electrode is 0V.
つまり、ドレインにVD[V]印加するとした場合、ダブルトレンチゲートを使用しない場合は、図1においてM方向の長さがLdriftであるドリフト領域にVD−0[V]、即ちVD[V]が印加されるが、ダブルトレンチゲートの場合、上記ドリフト領域にはVD−V1[V]しか印加されない。従って、上記ドリフト領域の電界が緩和されて、ドレイン領域−ソース領域間のブレークダウン電圧を高くすることが出来る。 That is, when VD [V] is applied to the drain, and when the double trench gate is not used, VD-0 [V], that is, VD [V] is added to the drift region whose length in the M direction is L drift in FIG. However, in the case of a double trench gate, only VD-V1 [V] is applied to the drift region. Therefore, the electric field in the drift region is relaxed, and the breakdown voltage between the drain region and the source region can be increased.
〔実施形態の総括〕
本発明の実施形態に係るMOS電界効果トランジスタは、半導体基板上に形成され、ソースN+領域8及びボディコンタクト領域9、ゲート領域、ドリフト領域及びドレインN+領域6を備え、上記ドリフト領域がドレインN+領域6と上記ゲート領域の間に設けられるMOS電界効果トランジスタにおいて、上記ゲート領域は、ゲート電極10と、ゲート電極10から突き出た複数のトレンチ4を有し、上記ドリフト領域は、複数のトレンチ4と少なくとも1つ以上のドリフト部とが交互に配置されており、ゲート電極10は、内部に1×1019at/cm3より高いドーピング濃度でドープされたポリシリコンを有し、複数のトレンチ4は、それぞれ内部に1×1013at/cm3〜1×1019at/cm3のドーピング濃度でドープされたポリシリコン電極5を有する。
[Summary of Embodiment]
The MOS field effect transistor according to the embodiment of the present invention is formed on a semiconductor substrate and includes a source N + region 8 and a body contact region 9, a gate region, a drift region and a drain N + region 6, and the drift region is a drain N + region. 6 and the gate region, the gate region includes a gate electrode 10 and a plurality of trenches 4 protruding from the gate electrode 10, and the drift region includes a plurality of trenches 4 and At least one or more drift portions are alternately arranged, the gate electrode 10 has polysilicon doped therein with a doping concentration higher than 1 × 10 19 at / cm 3 , and the plurality of trenches 4 include And a doping concentration of 1 × 10 13 at / cm 3 to 1 × 10 19 at / cm 3 respectively . A polysilicon electrode 5 doped with
上記構成によれば、上記ドリフト部のドーピング濃度、複数のトレンチ4内の薄くドープされたポリシリコン電極5のドーピング濃度、複数のトレンチ4内の薄くドープされたポリシリコン電極5と上記ドリフト部との幅を適宜設定することにより、ゲートオフ状態でドレインN+領域6にプラス電位を印加した時、上記ドリフト領域を完全空乏化することが可能となる。従って、上記ドリフト部の電界が緩和されて、上記ドレイン領域−上記ソース領域間のブレークダウン電圧BVdssを高くすることが出来る。その為に上記ドリフト部のドーピング濃度を従来よりも高くすることが出来るので、MOS電界効果トランジスタのオン抵抗をより小さくする事が出来る。 According to the above configuration, the doping concentration of the drift portion, the doping concentration of the lightly doped polysilicon electrode 5 in the plurality of trenches 4, the lightly doped polysilicon electrode 5 in the plurality of trenches 4, and the drift portion When the positive potential is applied to the drain N + region 6 in the gate-off state, the drift region can be completely depleted. Therefore, the electric field of the drift portion is relaxed, and the breakdown voltage BVdss between the drain region and the source region can be increased. Therefore, since the doping concentration of the drift portion can be made higher than before, the on-resistance of the MOS field effect transistor can be made smaller.
また、上記ゲート領域で、1×1019at/cm3より高いドーピング濃度でドープされたポリシリコンと、1×1013at/cm3〜1×1019at/cm3のドーピング濃度でドープされたポリシリコンとに分けることにより、上記ゲート領域と上記ドレイン領域との間に等電位面が集中することなく、上記ドリフト領域における電界が緩和され、上記ドレイン領域の耐圧が向上することになる。これにより、薄くドーピングしている領域を含め、高圧Nウェル領域(HNW)内のドリフト領域も全面、完全空乏化される。 The gate region is doped with polysilicon doped at a doping concentration higher than 1 × 10 19 at / cm 3 and at a doping concentration of 1 × 10 13 at / cm 3 to 1 × 10 19 at / cm 3. By dividing into polysilicon, the equipotential surface is not concentrated between the gate region and the drain region, the electric field in the drift region is relaxed, and the breakdown voltage of the drain region is improved. As a result, the entire drift region in the high-pressure N well region (HNW) including the thinly doped region is completely depleted.
その結果、電界が十分に緩和されることにより、同じ耐圧を確保する場合には、上記HNWのドーピング濃度をより高く設定することができるため、耐圧とオン抵抗とのトレードオフの関係を大幅に改善することができる。 As a result, when the same breakdown voltage is secured by sufficiently relaxing the electric field, the doping concentration of the HNW can be set higher, greatly increasing the trade-off relationship between breakdown voltage and on-resistance. Can be improved.
上記MOS電界効果トランジスタでは、P型半導体基板1はシリコン基板であってもよい。 In the MOS field effect transistor, the P-type semiconductor substrate 1 may be a silicon substrate.
また、上記MOS電界効果トランジスタでは、複数のトレンチ4の内部に有するポリシリコン電極5に、ゲート電極10と異なる電圧を印加してもよい。 In the MOS field effect transistor, a voltage different from that of the gate electrode 10 may be applied to the polysilicon electrode 5 included in the plurality of trenches 4.
これにより、オフ状態においても、複数のトレンチ4の内部に有するポリシリコン電極5の電位を、ゲート電極10と異なる電位に設定することが可能となり、上記ドリフト領域に印加される電圧低く出来る。従って、上記ドリフト領域の電界が緩和されて、ドレイン領域−ソース領域間のブレークダウン電圧を高くすることが出来る。 Thereby, even in the off state, the potential of the polysilicon electrode 5 provided in the plurality of trenches 4 can be set to a potential different from that of the gate electrode 10, and the voltage applied to the drift region can be lowered. Therefore, the electric field in the drift region is relaxed, and the breakdown voltage between the drain region and the source region can be increased.
本発明のMOS電界効果トランジスタは、ブレークダウン電圧を高く出来、オン抵抗を小さく出来るので、DC−DCコンバータ、及びハイサイドスイッチ(電源と負荷の間に置かれ、電源のON/OFF制御を行い、スイッチの役割を担うもの)等に好適に用いることが出来る。 Since the MOS field effect transistor of the present invention can increase the breakdown voltage and reduce the on-resistance, a DC-DC converter and a high-side switch (between the power source and the load are used to perform ON / OFF control of the power source. , Which plays a role of a switch).
1 P型半導体基板(半導体基板)
2 高圧Nウェル領域
3 半導体酸化物
4 トレンチ
5 ポリシリコン電極
6 ドレインN+領域
7 P型拡散領域
8 ソースN+領域(ソース領域)
9 ボディコンタクト領域(ソース領域)
10 ゲート電極
11 水平部
12 トレンチ側壁
13 空間電荷層
BVdss ブレークダウン電圧
Ndrift ドーピング濃度
Ng ドーピング濃度
Vd ドレイン電圧
Vd−Vg 電位差
Vg ゲート電圧
Vth しきい値電圧
Xs 間隔
1 P-type semiconductor substrate (semiconductor substrate)
2 High-voltage N-well region 3 Semiconductor oxide 4 Trench 5 Polysilicon electrode 6 Drain N + region 7 P-type diffusion region 8 Source N + region (source region)
9 Body contact area (source area)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gate electrode 11 Horizontal part 12 Trench side wall 13 Space charge layer BVdss Breakdown voltage N drift doping concentration Ng doping concentration Vd Drain voltage Vd-Vg Potential difference Vg Gate voltage Vth Threshold voltage Xs interval
Claims (3)
上記ゲート領域は、ゲート電極部と、該ゲート電極部から突き出た複数のトレンチを有し、
上記ドリフト領域は、上記複数のトレンチと少なくとも1つ以上のドリフト部とが交互に配置されており、
上記ゲート電極部は、内部に1×1019at/cm3より高いドーピング濃度でドープされたポリシリコンを有し、
上記複数のトレンチは、それぞれ内部に1×1013at/cm3〜1×1019at/cm3のドーピング濃度でドープされたポリシリコンを有することを特徴とするMOS電界効果トランジスタ。 In a MOS field effect transistor formed on a semiconductor substrate, comprising a source region, a gate region, a drift region and a drain region, wherein the drift region is provided between the drain region and the gate region.
The gate region has a gate electrode portion and a plurality of trenches protruding from the gate electrode portion,
In the drift region, the plurality of trenches and at least one drift portion are alternately arranged,
The gate electrode portion has polysilicon doped therein with a doping concentration higher than 1 × 10 19 at / cm 3 ;
2. The MOS field effect transistor according to claim 1, wherein each of the plurality of trenches has polysilicon doped therein with a doping concentration of 1 × 10 13 at / cm 3 to 1 × 10 19 at / cm 3 .
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