JP2013084654A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、基板上に、絶縁膜を介して形成された炭化シリコン膜に半導体素子を形成する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element is formed on a silicon carbide film formed on a substrate via an insulating film.
近年、整流素子やインバータ等の高耐圧パワーデバイス用の半導体材料として炭化珪素が注目されている。炭化シリコンは、絶縁破壊電界が強く高耐圧の素子を形成することができ、また機械的強度、耐熱性、科学的安定性に優れているという特徴を有している。一方、その科学的安定性のために、加工しづらいという欠点を有している。 In recent years, silicon carbide has attracted attention as a semiconductor material for high voltage power devices such as rectifiers and inverters. Silicon carbide has a characteristic that it has a strong dielectric breakdown electric field and can form an element with a high breakdown voltage, and is excellent in mechanical strength, heat resistance, and scientific stability. On the other hand, due to its scientific stability, it has a drawback that it is difficult to process.
具体的には、ウエットエッチング法では、数百℃の溶融水酸化カリウム(KOH)が用いられ、安全管理上コストのかかる方法となっている。またドライエッチング法でも、フッ化炭素系ガス、塩素系ガス、六フッ化硫黄系ガスを用いる方法が提案されているが、エッチングレートが小さく、生産性に劣る方法となっている。さらにドライエッチング法では、選択比が大きいマスク材料がないという欠点もあった。 Specifically, in the wet etching method, molten potassium hydroxide (KOH) at several hundred degrees Celsius is used, which is a costly method for safety management. Also in the dry etching method, a method using a fluorocarbon-based gas, a chlorine-based gas, and a sulfur hexafluoride-based gas has been proposed, but the etching rate is low and the method is inferior in productivity. Further, the dry etching method has a drawback that there is no mask material having a high selectivity.
そのため、炭化シリコンをエッチングすることなく形成する方法がいくつも提案されている。例えば特許文献1には、シリコン基板上に炭化シリコン膜を選択的に形成する方法が開示されている。
Therefore, many methods for forming silicon carbide without etching have been proposed. For example,
特許文献1に開示された従来の方法によると、シリコン基板11上に酸化シリコン膜12を介してアモルファスシリコン膜13が形成された半導体基板を用意する。次に、アモルファスシリコン膜13表面を熱酸化し、炭化シリコン膜の形成予定領域を開口するようにパターニングして、マスク膜14を形成する。このときアモルファスシリコン膜13の厚さは、100nm以下とする(図8a)。
According to the conventional method disclosed in
次に、露出するアモルファスシリコン膜13を炭化する。アモルファスシリコン膜13の厚さを100nm以下とすることで、露出するアモルファスシリコン膜13をすべて炭化シリコン膜15に変成することができる(図8b)。
Next, the exposed
炭化シリコン膜15上に炭化シリコンをエピタキシャル成長させると、膜厚の厚い炭化シリコン膜15を形成することができる(図8c)。
When silicon carbide is epitaxially grown on the
ところで、上記方法により炭化シリコン膜15を形成する場合、マスク14の直下に、炭化シリコン膜15と炭化されないアモルファスシリコン膜13とが接触する領域(図中Aと表示)が存在する。そのため、厚い炭化シリコン膜を形成するため、エピタキシャル成長する工程で、接触領域で炭化が進んだり、エピタキシャル成長膜の結晶性が乱れてしまうという問題が発生してしまう。
By the way, when the
本発明は、上記実状に鑑みなされるもので、結晶性の優れた炭化シリコン膜を形成することができる炭化シリコンからなる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a semiconductor device made of silicon carbide capable of forming a silicon carbide film having excellent crystallinity.
上記目的を達成するため本願請求項1に係る発明は、基板上に、絶縁膜を介してシリコン膜が形成された半導体基板を用意する工程と、炭化シリコン膜形成予定領域を選択的に被覆するマスク膜を形成する工程と、前記マスク膜で被覆されない領域の前記シリコン膜を酸化し、酸化シリコン膜を形成する工程と、前記マスク膜を除去し、前記シリコン膜を露出する工程と、該露出したシリコン膜を炭化し、炭化シリコン膜を形成した後、該炭化シリコン膜上に炭化シリコンのエピタキシャル成長膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
本願請求項2に係る発明は、基板上に、絶縁膜を介してシリコン膜が形成された半導体基板を用意する工程と、素子形成予定領域を選択的に被覆するマスク膜を形成する工程と、前記マスク膜で被覆されない領域の前記シリコン膜を酸化し、酸化シリコン膜からなる素子分離領域を形成する工程と、炭化シリコン膜形成予定領域の前記マスク膜を除去し、前記シリコン膜を露出する工程と、該露出したシリコン膜を炭化し、炭化シリコン膜を形成した後、該炭化シリコン膜上に炭化シリコンのエピタキシャル成長膜を形成する工程と、 該炭化シリコンのエピタキシャル成長膜に半導体素子を形成する工程と、前記炭化シリコン膜形成予定領域以外の前記シリコン膜に半導体素子を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
The invention according to
本願請求項3に係る発明は、請求項1または2いずれか記載の半導体装置の製造方法において、前記炭化シリコン膜上に別の絶縁膜を形成した後、前記炭化シリコン膜上に前記エピタキシャル成長膜を形成することを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、エッチングなど加工の困難な炭化シリコン膜は、選択的なエピタキシャル成長により形成すればよく、簡便な製造方法となる。さらにエピタキシャル成長膜が形成された炭化シリコン膜は、シリコン膜と酸化膜で区画された領域が炭化されるため、結晶性がよく、その上に形成されるエピタキシャル成長膜の結晶性も良好となる。 According to the present invention, a silicon carbide film that is difficult to process such as etching may be formed by selective epitaxial growth, which is a simple manufacturing method. Further, the silicon carbide film on which the epitaxially grown film is formed has good crystallinity because the region partitioned by the silicon film and the oxide film is carbonized, and the crystallinity of the epitaxially grown film formed thereon is also good.
本発明によれば、同一基板上に炭化シリコン半導体素子とシリコン半導体素子が混載された半導体装置を簡便に形成することができ、半導体装置の小型化が実現できる。 According to the present invention, a semiconductor device in which a silicon carbide semiconductor element and a silicon semiconductor element are mixedly mounted on the same substrate can be easily formed, and downsizing of the semiconductor device can be realized.
以下、本発明について説明する。まず、基板1上に絶縁膜2(酸化膜)を介してシリコン膜3が形成された半導体基板(例えば、SOI基板)を用意する。次に、シリコン膜3表面を酸化し、酸化膜4を形成する(図1a)。さらに酸化膜4上に耐酸化膜となる窒化膜を形成し、炭化シリコン膜の形成予定領域を被覆するようにパターニングし、熱酸化のためのマスク膜5を形成する。(図1b)。
The present invention will be described below. First, a semiconductor substrate (for example, an SOI substrate) in which a
次に、マスク膜5で被覆されていない領域のシリコン膜3を熱酸化し、下層の絶縁膜、上層の酸化膜と一体となった酸化膜4を形成する(図1c)。
Next, the
マスク膜5を除去した後、少なくともシリコン膜3を被覆する酸化膜4の一部を除去し、シリコン膜3を露出させる。その後、露出するシリコン膜3を炭化し、炭化シリコン膜6を形成する(図1d)。ここで、シリコン膜3は、露出する表面以外は、酸化膜4と接触した構造となっており、酸化膜4との接触領域で炭化が進むことはない。
After removing the
次に、炭化シリコン膜6表面を露出するように、厚い酸化膜7を形成する(図1e)。その後、露出する炭化シリコン膜6表面に炭化シリコンのエピタキシャル成長膜8を形成する(図1f)。ここで、エピタキシャル成長層8が薄い場合には、厚い酸化膜7は必ずしも必要ではない。
Next, a
このように形成した炭化シリコンからなるエピタキシャル成長膜8に半導体素子を形成することで、炭化シリコンをエッチング等することなく、厚い酸化膜7で素子分離された半導体素子形成領域を形成することが可能となる。以下、各種半導体装置の製造方法について、詳細に説明する。
By forming a semiconductor element in the
まず、MOS型FET(電界効果トランジスタ)の製造方法について説明する。シリコンからなる基板1上に酸化膜からなる絶縁膜2を介してシリコン膜3が形成されたSOI基板を用意する。次に、シリコン膜3の厚さが10nmになるまで熱酸化を行い、シリコン膜3上に酸化膜4を形成する。一般的にSOI基板のシリコン膜は、1500nm程度と厚いため、酸化膜4の厚さも厚くなる。そこで、フッ素水素酸を用いて、酸化膜4の厚さが20nmとなるまでエッチングする(図1aに相当)。その後、酸化膜4上に窒化膜を50nm積層形成し、炭化シリコン膜の形成予定領域を被覆するようにパターニングし、マスク膜5を形成する(図1bに相当)。
First, a method for manufacturing a MOS FET (field effect transistor) will be described. An SOI substrate is prepared in which a
その後、熱酸化を行うことで、マスク膜5で被覆されていない領域のシリコン膜3を酸化膜4に変成させる。その結果、マスク膜5で被覆された領域のシリコン膜3は、周囲を酸化膜4で区画された領域となる(図1cに相当)。
Thereafter, thermal oxidation is performed to transform the
窒化膜5を除去した後、シリコン膜3を被覆する酸化膜4をドライエッチング法により除去する。このとき、シリコン膜3を区画する領域の酸化膜4は残される。その後、水素とプロパン(C3H8)の混合ガス中で加熱することにより、露出するシリコン膜3を炭化し、炭化シリコン膜6を形成する(図1dに相当)。ここでシリコン膜3の厚さは、10nm程度であったため、ほぼすべてのシリコン膜が炭化シリコン膜に変成することになる。
After removing the
形成される炭化シリコン膜6の厚さは、20nm程度であるため、MOS型FETを形成するには厚さが薄い。そこで、炭化シリコン膜6表面に低濃度でp型の導電性を有する炭化シリコンのエピタキシャル成長膜8を厚さ1500nm程度形成する。ここで、平坦性を確保するため、酸化膜4上に、CVD法により、厚い酸化膜7を形成した後、エピタキシャル成長するのが好ましい(図1fに相当)。
Since the thickness of the
厚い酸化膜7の分離された所望の厚さの炭化シリコンのエピタキシャル成長膜8上に、通常の半導体装置の製造工程に従い、高濃度のn型領域からなるソース領域、高濃度のn型領域からなるドレイン領域、高濃度のp型領域からなるバックゲート領域を形成し、さらにこれらに接続するソース電極(G)、ドレイン電極(D)、バックゲート電極(BG)、ソース領域とドレイン領域間にゲート酸化膜を介してゲート電極(G)を形成することにより、MOS型FETを形成することができる(図2)。
On the
このように本実施例によれば、エッチングなど加工の困難な炭化シリコン膜は、選択的なエピタキシャル成長により形成すればよく、簡便な製造方法となる。さらに、エピタキシャル成長膜を上層に形成する炭化シリコン膜は、酸化膜で区画された領域で、炭化形成されるため、結晶性がよく、その上に形成されるエピタキシャル成長膜の結晶性も良好となり、特性の優れたMOS型FETを形成することができる。 Thus, according to the present embodiment, the silicon carbide film that is difficult to process such as etching may be formed by selective epitaxial growth, which is a simple manufacturing method. Furthermore, the silicon carbide film that forms the upper layer of the epitaxially grown film is carbonized in the region partitioned by the oxide film, so that the crystallinity is good and the crystallinity of the epitaxially grown film formed on it is also good. Can be formed.
次に、縦型のMOS型FETの製造方法について説明する。第1の実施例同様、縦型のMOS型FETの形成予定領域に炭化シリコン膜6を形成する(図1dに相当)。酸化膜4上に、CVD法により、酸化膜7を形成し、炭化シリコン膜6表面に高濃度でn型の導電性を有する炭化シリコンのエピタキシャル成長膜8aを厚さ1500nm程度形成する(図3a)。この高濃度n型のエピタキシャル成長層は、ドレイン領域を構成する。高濃度のエピタキシャル成長層は、低濃度のエピタキシャル成長膜を形成した後、リンをイオン注入することで、形成することもできる。
Next, a method for manufacturing a vertical MOS type FET will be described. As in the first embodiment, a
次に、ドレイン領域の引き出し用電極の形成予定領域の高濃度n型のエピタキシャル膜8aを覆うように別の厚い酸化膜7を形成し、エピタキシャル成長膜8a表面を露出させる(図3b)。その後、高濃度のエピタキシャル成長膜8a表面に、低濃度でn型の導電性を有する炭化シリコンのエピタキシャル成長膜8bを厚さ300nm程度形成する。この低濃度n型のエピタキシャル成長膜は、ドリフト領域を構成する(図3c)。
Next, another
以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、低濃度n型のエピタキシャル成長膜8b上に、p型領域からなるチャネル領域、チャネル領域中にn型領域からなるソース領域を形成し、さらにソース領域に接続するソース電極(S)、高濃度n型のエピタキシャル成長膜8aからなるドレイン領域に接続するドレイン電極(D)、ゲート酸化膜を介してゲート電極(G)を形成することにより、縦型のMOS型FETを形成することができる(図3d)。
Thereafter, in accordance with a normal manufacturing process of a semiconductor device, a channel region composed of a p-type region and a source region composed of an n-type region are formed in the channel region, and further connected to the source region. The vertical MOS type is formed by forming the source electrode (S), the drain electrode (D) connected to the drain region made of the high-concentration n-type
本実施例においても、加工の困難な炭化シリコン膜は、選択的なエピタキシャル成長により形成すればよく、簡便な製造方法となる。さらに、エピタキシャル成長膜が形成される炭化シリコン膜は、酸化膜で区画された領域が炭化形成されるため、結晶性がよく、その上に形成されるエピタキシャル成長層の結晶性も良好となり、特性の優れたMOS型FETを形成することができる。 Also in this embodiment, a silicon carbide film that is difficult to process may be formed by selective epitaxial growth, which is a simple manufacturing method. Furthermore, the silicon carbide film on which the epitaxially grown film is formed has good crystallinity because the region partitioned by the oxide film is formed by carbonization, and the crystallinity of the epitaxially grown layer formed thereon is also good and has excellent characteristics. An MOS type FET can be formed.
次に、上述の第1の実施例あるいは第2の実施例で説明した炭化シリコン膜を形成し、その炭化シリコン膜中に半導体素子を形成する基板上に、同時にシリコン半導体素子を形成する方法について説明する。上述の第1および第2の実施例では、SOI基板のシリコン膜3のすべてを10nmになるまで熱酸化を行う場合について説明したが、シリコン半導体素子を形成する場合には、シリコン膜3の一部を厚いまま残し、この厚く残るシリコン膜3に半導体素子を形成すればよい。以下、炭化シリコン膜に半導体素子を形成する領域を「炭化シリコン領域」、シリコン膜に半導体素子を形成する領域「シリコン領域」、炭化シリコン領域とシリコン領域との間に素子分離のために酸化膜を形成する領域を「素子分離領域」と称し、説明する。
Next, a method of forming a silicon carbide film as described in the first embodiment or the second embodiment and simultaneously forming a silicon semiconductor element on a substrate on which the semiconductor element is formed in the silicon carbide film. explain. In the first and second embodiments described above, the case where the
まず、シリコンからなる基板1上に酸化膜からなる絶縁膜2を介してシリコン膜3が形成されたSOI基板を用意する。次に、シリコン膜3表面を熱酸化し、シリコン膜3上に厚さ20nmの酸化膜4を形成する。一般的にSOI基板のシリコン膜は、1500nm程度と厚いため、酸化膜4が形成された後でも、1500nmのシリコン膜が残ることになる。その後、シリコン領域の酸化膜4上に窒化膜を50nm積層させ、パターニングすることでマスク膜5を形成する(図4a)。
First, an SOI substrate in which a
その後、熱酸化を行うことで、マスク膜5で被覆されていない炭化シリコン領域と素子分離領域のシリコン膜3を酸化膜4に変成させる(図4b)。このとき残るシリコン膜3の厚さは、上述の実施例同様、10nmとする。
Thereafter, thermal oxidation is performed to transform the silicon carbide region not covered with the
次に、素子分離のための酸化膜を形成するため、先に形成したマスク膜5を除去した後、酸化膜4上に別の窒化膜からなるマスク膜5を50nm積層形成し、素子分離領域を開口するようにパターニングする。この酸化膜と窒化膜の積層膜を耐酸化のマスク膜として使用し、熱酸化を行うことにより、素子分離のための酸化膜4を形成する(図4c)。なお、この素子分離のための酸化膜を形成した後、炭化シリコン領域の厚い酸化膜を形成しても良い。
Next, in order to form an oxide film for element isolation, the previously formed
次に、炭化シリコン領域の厚い酸化膜4を除去し、薄く残るシリコン膜3を露出させる。その後、露出するシリコン膜3を炭化し、炭化シリコン膜6を形成する(図4d)。さらに、半導体素子を形成するために、所望の不純物濃度、導電性を有する炭化シリコンのエピタキシャル成長層8を形成する(図4e)。表面を平坦化するとともに、シリコン領域のシリコン膜3を被覆する酸化膜4を除去することで、酸化膜4によって素子分離された炭化シリコン膜とシリコン膜を形成することができる(図4f)。以下、炭化シリコン膜とシリコン膜上に所望の半導体素子を形成することにより、同一基板上に、炭化シリコン半導体素子とシリコン半導体素子が混載された半導体装置を形成することができる。
Next, the
一例として、図5には、炭化シリコン領域に実施例1、実施例2で説明したMOS型FETを形成し、シリコン領域には一般的なMOS型FETを形成した例を示す。 As an example, FIG. 5 shows an example in which the MOS FET described in the first and second embodiments is formed in the silicon carbide region, and a general MOS FET is formed in the silicon region.
このように本実施例によれば、エッチングなど加工の困難な炭化シリコン膜は、選択的なエピタキシャル成長により形成すればよく、簡便な製造方法となる。さらにエピタキシャル成長膜が形成された炭化シリコン膜は、シリコン膜と酸化膜で区画された領域が炭化されるため、結晶性がよく、その上に形成されるエピタキシャル成長層の結晶性も良好となる。本実施例では、同一基板上に炭化シリコン半導体素子とシリコン半導体素子が混載された半導体装置を形成することができ、半導体装置の小型化が実現できる。 Thus, according to the present embodiment, the silicon carbide film that is difficult to process such as etching may be formed by selective epitaxial growth, which is a simple manufacturing method. Furthermore, the silicon carbide film on which the epitaxially grown film is formed has good crystallinity because the region partitioned by the silicon film and the oxide film is carbonized, and the crystallinity of the epitaxially grown layer formed thereon is also good. In this embodiment, a semiconductor device in which a silicon carbide semiconductor element and a silicon semiconductor element are mixedly mounted on the same substrate can be formed, and the semiconductor device can be reduced in size.
次に、キャパシタの製造方法について説明する。シリコンからなる基板1上に酸化膜からなる絶縁膜2を介してシリコン膜3が形成されたSOI基板を用意する。次に、シリコン膜3の厚さが10nmになるまで熱酸化を行い、シリコン膜3上に酸化膜4を形成する。一般的にSOI基板のシリコン膜は、1500nm程度と厚いため、酸化膜4の厚さも厚くなる。そこで、フッ素水素酸を用いて、酸化膜4の厚さが20nmとなるまでエッチングする(図6a)。
Next, a method for manufacturing a capacitor will be described. An SOI substrate is prepared in which a
その後、酸化膜4上に窒化膜を50nm積層形成し、キャパシタ誘電体形成予定領域を被覆するようにパターニングし、マスク膜5を形成する。熱酸化を行うことで、マスク膜5で被覆されていない領域のシリコン膜3を酸化膜4に変成させる。その結果、マスク膜5で被覆された領域のシリコン膜3は、周囲を酸化膜4で区画された領域となる(図6b)。
Thereafter, a nitride film having a thickness of 50 nm is formed on the
マスク膜5を除去した後、シリコン膜3を被覆する酸化膜4をドライエッチング法により除去する。このとき、シリコン膜3を区画する領域の酸化膜4は残される。その後、水素とプロパン(C3H8)の混合ガス中で加熱することにより、露出するシリコン膜3を炭化し、炭化シリコン膜6を形成する(図6c)。
After removing the
酸化膜4上に、CVD法により、厚い酸化膜7を形成した後、炭化シリコン膜6上の酸化膜7を除去する。露出する炭化シリコン膜6表面に、低濃度の炭化シリコンのエピタキシャル成長膜8を形成する(図6d)。このエピタキシャル成長膜8がキャパシタ誘電体となる。
A
次にキャパシタ電極を形成するため、エピタキシャル成長膜8を挟んで対向するように、酸化膜7の一部を除去し、凹部を形成する。その後、凹部内に、キャパシタ電極を構成するアルミニウムを充填し、所望のパターニングを行うことで、キャパシタ電極9を形成し、キャパシタ素子を形成することができる(図6e)。
Next, in order to form a capacitor electrode, a part of the
このように本実施例においても、エッチングなど加工の困難な炭化シリコン膜は、選択的なエピタキシャル成長により形成すればよく、簡便な製造方法となる。本実施例によるキャパシタ素子は、上述の実施例と同時に形成することも可能であり、占有面積を非常に小さくすることができる。一例として、図7に、図5に示した半導体装置と同一基板上にキャパシタ素子を形成した例を示す。 Thus, also in this embodiment, the silicon carbide film that is difficult to process such as etching may be formed by selective epitaxial growth, which is a simple manufacturing method. The capacitor element according to this embodiment can be formed at the same time as the above-described embodiment, and can occupy a very small area. As an example, FIG. 7 shows an example in which a capacitor element is formed on the same substrate as the semiconductor device shown in FIG.
1;基板、2;絶縁膜、3;シリコン膜、4;酸化膜、5;マスク膜、6;炭化シリコン膜、7、8;エピタキシャル成長膜
DESCRIPTION OF
Claims (3)
炭化シリコン膜形成予定領域を選択的に被覆するマスク膜を形成する工程と、
前記マスク膜で被覆されない領域の前記シリコン膜を酸化し、酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記マスク膜を除去し、前記シリコン膜を露出する工程と、
該露出したシリコン膜を炭化し、炭化シリコン膜を形成した後、該炭化シリコン膜上に炭化シリコンのエピタキシャル成長膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Preparing a semiconductor substrate on which a silicon film is formed via an insulating film;
Forming a mask film that selectively covers a silicon carbide film formation scheduled area;
Oxidizing the silicon film in a region not covered with the mask film to form a silicon oxide film;
Removing the mask film and exposing the silicon film;
And carbonizing the exposed silicon film to form a silicon carbide film, and then forming a silicon carbide epitaxial growth film on the silicon carbide film.
素子形成予定領域を選択的に被覆するマスク膜を形成する工程と、
前記マスク膜で被覆されない領域の前記シリコン膜を酸化し、酸化シリコン膜からなる素子分離領域を形成する工程と、
炭化シリコン膜形成予定領域の前記マスク膜を除去し、前記シリコン膜を露出する工程と、
該露出したシリコン膜を炭化し、炭化シリコン膜を形成した後、該炭化シリコン膜上に炭化シリコンのエピタキシャル成長膜を形成する工程と、
該炭化シリコンのエピタキシャル成長膜に半導体素子を形成する工程と、
前記炭化シリコン膜形成予定領域以外の前記シリコン膜に半導体素子を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Preparing a semiconductor substrate on which a silicon film is formed via an insulating film;
Forming a mask film for selectively covering the element formation scheduled region;
Oxidizing the silicon film in a region not covered with the mask film to form an element isolation region made of a silicon oxide film;
Removing the mask film in the silicon carbide film formation scheduled region and exposing the silicon film;
Carbonizing the exposed silicon film to form a silicon carbide film, and then forming a silicon carbide epitaxial growth film on the silicon carbide film;
Forming a semiconductor element on the epitaxially grown film of silicon carbide;
And a step of forming a semiconductor element on the silicon film other than the region where the silicon carbide film is to be formed.
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