(57)【要約】【課題】バリアメタルが薄い場合でもＡｌ配線のモフォロジ及びエレクトロマイグレーションを改善することができる半導体装置の製造方法を得る。【解決手段】まず、半導体基板１１上にＳｉＯ２層間膜１３（酸化膜）を形成する。次に、ＳｉＯ２層間膜１３上にＴｉ膜１８を形成する。次に、Ｔｉ膜１８上にＴｉＮ膜３２を形成する。次に、ＴｉＮ膜３２上にＡｌ配線３３を形成する。ここで、Ｔｉ膜１８を形成する工程において、圧力が０．３Ｐａ以下の雰囲気中で物理気相成長法を用いる。これにより、Ｔｉ膜１８とＳｉＯ２層間膜１３との間にＴｉＯ２膜３１が形成される。【選択図】図９
2008311315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜上にＴｉ膜を形成する工程と、
前記Ｔｉ膜上にＴｉＮ膜を形成する工程と、
前記ＴｉＮ膜上にＡｌ配線を形成する工程とを有し、
前記Ｔｉ膜を形成する工程において、圧力が０．３Ｐａ以下の雰囲気中で物理気相成長法を用いることにより、前記Ｔｉ膜と前記酸化膜の界面にＴｉＯ２膜が形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上に酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜上にＴｉ膜を形成する工程と、
前記Ｔｉ膜上にＴｉＮ膜を形成する工程と、
前記ＴｉＮ膜上にＡｌ配線を形成する工程とを有し、
前記Ｔｉ膜を形成する工程において、前記半導体基板の温度を１５０℃以上にすることにより、前記Ｔｉ膜と前記酸化膜の界面にＴｉＯ２膜が形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記酸化膜内にプラグを形成する工程を更に有し、
前記Ｔｉ膜を前記酸化膜上及び前記プラグ上に形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記Ｔｉ膜、ＴｉＯ２膜及び前記ＴｉＮ膜の合計膜厚が３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バリアメタルが薄い場合でもＡｌ配線のモフォロジ及びエレクトロマイグレーションを改善することができる半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュメモリなどの半導体デバイスにおいて、Ａｌ配線のピッチが０．４μｍ以下と非常に狭くなっている。これに伴って、高密度プラズマＣＶＤ（HDP-CVD）などで形成する層間膜の埋め込みマージンが縮小している。このため、Ａｌ配線のモフォロジに起因してＡｌ配線に局所的に膜厚が大きい部分があると、その部分だけ埋め込みが不十分となり、Ａｌ配線間の経時絶縁破壊（TDDB: Time Dependent Dielectric Breakdown）が劣化する。従って、Ａｌ配線のモフォロジの改善が重要である。
【０００３】
Ａｌ配線のモフォロジを改善するためには、Ａｌ配線の（１１１）配向強度を強めればよいことが広く知られている。これによりモフォロジだけでなくエレクトロマイグレーションも改善する。
【０００４】
下層のＴｉＮ／ＴｉバリアメタルとＡｌ配線の間の結晶構造に着目し、Ｔｉ膜を（００２）、ＴｉＮ膜を（１１１）に配向させる技術が提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。ここで、Ｔｉは六方晶、ＴｉＮとＡｌは立方晶であるために、Ｔｉの（００２）面、ＴｉＮの（１１１）面、Ａｌの（１１１）面は構造がすべて６回対称となる。また、Ｔｉの原子間隔は０．２９５ｎｍ、ＴｉＮの原子間隔は０．３００ｎｍ、Ａｌの原子間隔は０．２８６ｎｍと近い。このため、Ｔｉ膜を（００２）に配向させることで、その影響を受けてＴｉＮ膜及びＡｌ配線は（１１１）配向となり易くなる。
【０００５】
また、Ｔｉ膜を（００２）に配向させるために、Ｔｉ膜の膜厚を３０ｎｍ以上、好ましくは５０ｎｍ以上とする技術が提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３３２８７８号公報
【特許文献２】特開平１０−０９３１６０号公報
【特許文献３】特開平１０−０９３１６０号公報
【特許文献４】特開平１０−３１２９７３号公報
【特許文献５】特開平０９−２３７７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ピッチが狭いＡｌ配線間での埋め込み不良によるボイド発生を防ぐためには、配線とバリアメタルの合計膜厚を薄くする必要がある。また、配線抵抗の上昇を招くため、Ａｌ層をあまり薄くすることはできない。従って、バリアメタルの合計膜厚を薄くする必要がある。例えば１３０ｎｍ世代のＡｌ配線（ピッチが０．４μｍ以下）では、バリアメタルの合計膜厚を３０ｎｍ以下にしなければ、現在のプロセスでは十分に低い抵抗を確保したまま埋め込み性を確保することができない。
【０００８】
よって、バリアメタルが薄い場合は、従来のようにＴｉ膜を厚くして（００２）に配向させることはできず、Ａｌ配線のモフォロジ及びエレクトロマイグレーションを改善することはできなかった。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、バリアメタルが薄い場合でもＡｌ配線のモフォロジ及びエレクトロマイグレーションを改善することができる半導体装置の製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に酸化膜を形成する工程と、酸化膜上にＴｉ膜を形成する工程と、Ｔｉ膜上にＴｉＮ膜を形成する工程と、ＴｉＮ膜上にＡｌ配線を形成する工程とを有する。そして、Ｔｉ膜を形成する工程において、圧力が０．３Ｐａ以下の雰囲気中で物理気相成長法を用いることにより、Ｔｉ膜と酸化膜の界面にＴｉＯ２膜が形成される。
【発明の効果】
【００１１】
この実施例によれば、バリアメタルが薄い場合でもＡｌ配線のモフォロジ及びエレクトロマイグレーションを改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法について図面を用いて説明する。
【００１３】
まず、図１に示すように、半導体基板１１上に、Ａｌ膜，ＴｉＮ／Ｔｉ／Ａｌ積層膜，Ｃｕ膜などの金属膜を形成した後にパターニングを行って下層配線１２を形成する。
【００１４】
次に、図２に示すように、下層配線１２を覆うように半導体基板１１上にＳｉＯ２層間膜１３（酸化膜）を形成する。なお、ＳｉＯ２層間膜１３の代わりに、ＳｉＯＣ，ＳｉＯＦ，ＳｉＯＮ，これらの積層構造などの酸化膜を用いてもよい。また、ＢＳＧ，ＰＳＧ，ＰＳＧ，ＦＳＧなど多量の不純物を含む酸化膜を用いてもよい。また、下層配線１２とＳｉＯ２層間膜１３の間に、ＳｉＮ，ＳｉＣＮなどの酸素を含まない絶縁膜を形成してもよい。
【００１５】
次に、図３に示すように、ＳｉＯ２層間膜１３上にレジスト１４を塗布する。そして、マスクをかけて露光し、レジスト１４をパターニングする。このレジスト１４をマスクとして用いてＳｉＯ２層間膜１３を適当なガスで異方性エッチングすることで、ＳｉＯ２層間膜１３を貫通して下層配線１２の一部を露出させる開口１５を形成する。その後、適当な薬液を用いてレジスト１４を除去する。
【００１６】
次に、図４に示すように、ＰＶＤ，ＣＶＤ，めっきなどの方法を用いて、ＳｉＯ２層間膜１３上及び開口１５内にＷ膜１６を形成する。なお、Ｗの代わりに、Ｃｕ，Ａｌ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｔａ，ポリＳｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｈ，Ａｇ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕなどを用いてもよい。また、これらの合金，導電性化合物（窒化物，ホウ化物など），これらを組み合わせた積層構造などを用いてもよい。
【００１７】
次に、図５に示すように、エッチバック，ＣＭＰなどの方法を用いてＳｉＯ２層間膜１３上のＷ膜１６を除去して、ＳｉＯ２層間膜１３内にプラグ１７を形成する。
【００１８】
次に、図６に示すように、ＳｉＯ２層間膜１３上及びプラグ１７上にＴｉ膜１８を形成する。この際、圧力が０．３Ｐａ以下、好ましくは圧力が０．１５Ｐａ以下の雰囲気中で物理気相成長法（PVD: Physical Vapor Deposition）を用いる。
【００１９】
具体的には、図７に示すように、真空チャンバ２１内のステージ２２上にウェハ２３を載せる。ステージ２２に対向してＴｉターゲット２６が配置されている。ステージ２２とＴｉターゲット２６の間には、ステージ２２を正極、Ｔｉターゲット２６を負極とするＤＣ電源２７が設置されている。そして、真空ポンプ２４により真空チャンバ２１内の圧力を１０−５〜１０−６Ｐａ程度まで下げた後、真空チャンバ２１にＡｒガスを導入する。ただし、その圧力は０．３Ｐａ以下、好ましくは０．１５Ｐａ以下とする。この状態でＤＣ電源２７から電力を印加すると、Ａｒプラズマ２８が真空中に形成される。Ａｒプラズマ２８中ではＡｒイオンと電子が分離しているが、Ａｒイオンは正電荷を持つため、負極であるＴｉターゲット２６に向かって加速され衝突する。この衝突の衝撃により、Ｔｉターゲット２６からＴｉ原子が叩き出される。そのＴｉ原子をＴｉターゲット２６に対向して配置されたウェハ２３上に層状に付着させる。
【００２０】
ここで、ＳｉＯ２上にＴｉを成膜すると、ＳｉＯ２が還元されてＴｉの一部がＴｉ酸化物に変わる。これは、Ｔｉ酸化物の安定相（ＴｉＯ２）の生成エネルギーが、ＳｉＯ２に比べて低いことによる。しかし、Ｔｉの酸化物にはＴｉＯ２以外の準安定相も存在し、また表面コンタミなどの影響もあるため、この還元反応はミクロに見て一様には起きず、界面付近は種々のＴｉ酸化物が混じった状態となる。従って、所々にＴｉ原子をトラップするようなサイトが生じる。このような表面に飛来したＴｉ原子は、マイグレーションが阻害され、自由な結晶成長ができない。このために、Ｔｉ膜１８の（００２）面の配向強度は弱くなる。
【００２１】
これに対し、上記のようにＴｉ膜１８を形成する際に、圧力が０．３Ｐａ以下、好ましくは圧力が０．１５Ｐａの雰囲気中で物理気相成長法を用いると、Ｔｉ原子のＳｉＯ２層間膜１３上への入射エネルギーが高くなる。このため、ＳｉＯ２とＴｉの反応性が高くなり、Ｔｉ膜１８とＳｉＯ２層間膜１３の界面に固相反応が起きて安定なＴｉＯ２膜３１が均一に形成される。このようにＴｉＯ２が均一に形成された表面では、Ｔｉの原子は自由にマイグレートすることができるため、Ｔｉ膜１８の最安定表面（最稠密面）である（００２）面の配向強度が自動的に強くなる。なお、上記のような低圧力の雰囲気中での物理気相成長法ではプラズマインピーダンスの上昇のために自己バイアスが高くなっているが、Ｔｉ原子の入射エネルギーを更に高くするために、Ｔｉターゲット２６とウェハ２３との間にバイアスをかけてもよい。
【００２２】
次に、図８に示すように、Ｔｉ膜１８上にＴｉＮ膜３２を形成する。形成方法として熱窒化以外の方法を用いる。具体的には、Ａｒ−Ｎ２ガス系を用いた反応性スパッタや、Ｔｉ膜１８の形成後にＮ２，ＮＨ３等を用いてプラズマ窒化処理を行う。また、下層のＴｉ膜１８の（００２）配向強度が強いため、ＴｉＮ膜３２の（１１１）配向強度が自動的に強くなる。
【００２３】
次に、図９に示すように、ＴｉＮ膜３２上にＰＶＤ，ＣＶＤ，めっき，又はこれらを組み合わせた方法を用いてＡｌ配線３３を形成する。下層のＴｉＮ膜３２の（１１１）配向強度が強いため、Ａｌ配線３３の（１１１）配向強度が自動的に強くなる。
【００２４】
よって、Ａｌ配線のモフォロジ及びエレクトロマイグレーションを改善することができる。この効果は、バリアメタルであるＴｉ膜１８、ＴｉＯ２膜３１及びＴｉＮ膜３２の合計膜厚が３０ｎｍ以下と薄い場合でも得ることができる。
【００２５】
また、ＳｉＯ２層間膜１３上にＴｉＯ２膜３１を反応性スパッタやポスト酸化などで形成する方法では、プラグ１７も酸化されてビア抵抗の上昇を招く。これに対し、本実施の形態のようにＴｉ膜１８とＳｉＯ２層間膜１３の界面に固相反応を起してＴｉＯ２膜３１を形成する方法では、そのような問題は生じない。
【００２６】
本実施の形態による効果を確認するためにＸ線回折（XRD: X-Ray Diffraction）を用いて行った実験の結果について説明する。
【００２７】
ここで、Ｘ線回折とは、結晶内の原子によるブラッグ反射を用いて膜の配向を評価する方法である。Ｘ線回折法として、基板に垂直な方向の面間隔を測定するout-of-plane XRDが一般的である。しかし、バリア膜は膜厚が１０ｎｍ程度以下と薄いため、out-of-plane XRDでは十分な原子面数が取れず、測定が困難である。そこで、基板面と平行にＸ線を入射させるin-plane XRDを用いる。基板に垂直で、かつ入射方向となす角度がθである面間隔ｄの原子面があると、２ｄｓｉｎθ＝ｎλを満たす方向に回折が現れる。従って、θを変えながら回折強度を測定し、ピークの位置を評価することにより、面内方向の配向を調べることができる。また、in-plane XRDは、基板に垂直な原子面からの回折のみを測定するため、１０ｎｍ程度の薄膜においても測定が可能である。ただし、ピークとして検出されるのは配向面と直交する面であり、配向は直接には求められないことに注意しなければならない。また、基板と完全に平行にＸ線を入射するのは実際には不可能であるので、０．１°〜１°程度の微少な角度φをつけて、基板の上方からＸ線を入射させる。この角度が入射角であり、大きくなるほど基板内部への侵入長が長くなるため、より内部からの回折が得られる。
【００２８】
図１０は、物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にＴｉ膜を形成して、in-plane XRDを行った結果を示す図である。Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍとした。この実験の結果、成長中の雰囲気の圧力を０．０９３Ｐａにした場合、０．４０Ｐａにした場合に比べてＴｉＯ２膜の形成が促進され、Ｔｉ（１００）及びＴｉ（１１０）の強度が増し、Ｔｉ（１０１）の強度が減少した。ただし、in-plane XRDでは配向に直交する回折が観測されるため、ＴｉＯ２膜の形成によりＴｉ層の（００２）配向強度が強くなったことが分かった。
【００２９】
また、ＴｉＯ２のピーク強度は入射角とともに増大する。そして、Ｔｉのピーク強度は入射角とともに減少する。in-plane XRDでは入射角が大きくなるほど構造の内部からの信号が出てくるため、ＴｉＯ２がＴｉの上面ではなく、下面に存在することが分かった。
【００３０】
図１１は、物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成して、in-plane XRDを行った結果を示す図である。Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍ、ＴｉＮ膜の膜厚を２０ｎｍとした。この実験の結果、ＴｉＮの強度が最大となる入射角において、ＴｉＮの（２２０）のピークの半値幅は、成長中の雰囲気の圧力を０．４０Ｐａとした場合は約２．５°であるのに対し、０．０９３Ｐａとした場合は約１．４°となっている。従って、成長中の雰囲気の圧力を０．０９３Ｐａにした場合、０．４０Ｐａにした場合に比べてＴｉＮの（２２０）のピークが高く、半値幅が狭くなっており、ＴｉＮの（１１１）配向強度が強くなっていることが分かった。
【００３１】
なお、ＴｉＮの（２２０）のピークに着目したのは、in-plane XRDではウェハ面に直交する面からの回折が観測されることと、（１１０）は（１１１）に直交するが（１００）は（１１１）に直交しないことによる。
【００３２】
図１２は、物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にバリアメタルとしてＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成し、その上にＡｌ配線を形成して、Ａｌ配線の表面プロファイルのＲＭＳ値を原子間力顕微鏡（AFM: Atomic Force Microscope）で測定した結果を示す図である。Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍ、ＴｉＮ膜の膜厚を２０ｎｍ、Ａｌ配線の膜厚を１５０ｎｍとした。この実験の結果、ＲＭＳ値は、成長中の雰囲気の圧力を０．４０Ｐａとした場合は１０ｎｍであるのに対し、０．０９３Ｐａとした場合は６ｎｍとなっている。従って、本実施の形態によれば、バリアメタルが３０ｎｍと薄い場合でもＡｌ配線のモフォロジを改善することができることが分かった。
【００３３】
図１３は、物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にバリアメタルとしてＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成し、その上にＡｌ配線を形成して、Ａｌ配線のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）寿命を測定した結果を示す図である。Ａｌ配線の幅を２μｍとした。この実験の結果、ＥＭ寿命は、成長中の雰囲気の圧力を０．４０Ｐａとした場合は２０年であるのに対し、０．０９３Ｐａとした場合は１００年と大幅に伸びた。従って、本実施の形態によれば、バリアメタルが３０ｎｍと薄い場合でもエレクトロマイグレーションを改善することができることが分かった。
【００３４】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法では、Ｔｉ膜１８を形成する工程において、ステージ２２によりウェハ２３を加熱して、半導体基板１１の温度を２１０℃以上にする。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３５】
図１４は、物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成して、in-plane XRDを行った結果を示す図である。Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍ、ＴｉＮ膜の膜厚を２０ｎｍとした。この実験の結果、成長中の半導体基板の温度を２１０℃にした場合、５０℃にした場合に比べてＴｉＮの（２２０）のピークが高く、半値幅が狭くなっており、ＴｉＮの（１１１）配向強度が強くなっていることが分かった。
【００３６】
図１５は、物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にバリアメタルとしてＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成し、その上にＡｌ配線を形成して、Ａｌ配線の反射率を測定した結果を示す図である。Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍ、ＴｉＮ膜の膜厚を２０ｎｍ、Ａｌ配線の膜厚を１５０ｎｍとした。この実験の結果、反射率は、成長中の半導体基板の温度を５０℃とした場合は０．５であるのに対し、２１０℃とした場合は０．９と著しく向上した。
【００３７】
一般にＡｌ配線では反射率と表面ラフネスの間に強い相関があり、反射率が高いほど表面が平滑であることが広く知られている。従って、本実施の形態によれば、バリアメタルが３０ｎｍと薄い場合でもＡｌ配線のモフォロジを改善することができることが分かった。
【００３８】
以上説明したように、Ｔｉ膜１８を形成する工程において半導体基板１１の温度を２１０℃以上にすることにより、実施の形態１と同様にＴｉ膜１８とＳｉＯ２層間膜１３との間にＴｉＯ２膜３１が形成され、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、上記実施の形態では半導体基板１１の温度を２１０℃以上としたが、半導体基板１１の温度を１５０℃以上としてもＴｉ膜１８とＳｉＯ２層間膜１３との間にＴｉＯ２膜３１が形成され、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にＴｉ膜を形成して、in-plane XRDを行った結果を示す図である。
【図１１】物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成して、in-plane XRDを行った結果を示す図である。
【図１２】物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にバリアメタルとしてＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成し、その上にＡｌ配線を形成して、Ａｌ配線の表面プロファイルのＲＭＳ値を原子間力顕微鏡で測定した結果を示す図である。
【図１３】物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にバリアメタルとしてＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成し、その上にＡｌ配線を形成して、Ａｌ配線のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）寿命を測定した結果を示す図である。
【図１４】物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成して、in-plane XRDを行った結果を示す図である。
【図１５】物理気相成長法を用いてＳｉＯ２層間膜上にバリアメタルとしてＴｉ膜とＴｉＮ膜を形成し、その上にＡｌ配線を形成して、Ａｌ配線の反射率を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１  半導体基板
１３  ＳｉＯ２層間膜（酸化膜）
１７  プラグ
１８  Ｔｉ膜
３２  ＴｉＮ膜
３３  Ａｌ配線
【図１】
2008311315.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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