JP2023149347A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
半導体装置には、製造過程において製品特性を調整し、あるいは個々の出力信号レベル等を調整するために回路の一部に切断可能なヒューズ素子が設けられているものがある(例えば、特許文献1参照)。ヒューズ素子は、例えば、ポリシリコンやメタルにより形成されている。ヒューズ素子は、半導体装置の製造工程において、ウェハ製造工程が終了した後に、レーザ光が照射され切断される。半導体装置は、ヒューズ素子の切断に基づいて、回路構成が変更される。
Some semiconductor devices include a cuttable fuse element in a part of the circuit in order to adjust product characteristics or adjust individual output signal levels during the manufacturing process (for example,
ヒューズ素子が設けられた半導体装置によれば、回路の電気特性を測定した後に、ヒューズ素子を切断し、抵抗の値を補正することで所望の特性を得ることができる。回路の特性を調整可能な半導体装置は、アナログ特性が重要視される場合に特に有効である。アルミニウムやタングステンなどのメタルにより形成されたヒューズ素子はレーザを用いて安定的に切断が行えることが望ましい。また、半導体装置は、ヒューズ素子を切断後において、長期的に信頼性を有していることが望ましい。 According to a semiconductor device provided with a fuse element, desired characteristics can be obtained by cutting the fuse element and correcting the resistance value after measuring the electrical characteristics of the circuit. A semiconductor device whose circuit characteristics can be adjusted is particularly effective when analog characteristics are important. It is desirable that a fuse element formed of a metal such as aluminum or tungsten can be stably cut using a laser. Further, it is desirable that the semiconductor device has long-term reliability after the fuse element is blown.
図6~図8に示されるように、半導体装置に設けられた一般的なメタルヒューズ素子Yは、半導体基板Bの上面側に形成された絶縁膜Cの上層側に形成される。メタルヒューズ素子Yの上層側はシリコン酸化膜などの層間絶縁膜Pにより覆われている。メタルヒューズ素子Yは、例えば、下層側からバリアメタル層Y1と、バリアメタル層Y1の上層に設けられたメタルヒューズ層Y2と、メタルヒューズ層Y2の上層側に設けられた反射防止膜Y3とにより形成されている。メタルヒューズ層Y2は、メタル材質として一般的にアルミニウム(Al)主体の材質により形成されている。メタルヒューズ素子Yは、レーザ照射されることにより溶融気化し、レーザ照射部Sの所定のスポット径L内の部分が切断される(図7参照)。 As shown in FIGS. 6 to 8, a general metal fuse element Y provided in a semiconductor device is formed on the upper layer side of an insulating film C formed on the upper surface side of a semiconductor substrate B. The upper layer side of the metal fuse element Y is covered with an interlayer insulating film P such as a silicon oxide film. The metal fuse element Y includes, for example, a barrier metal layer Y1, a metal fuse layer Y2 provided on the upper layer of the barrier metal layer Y1, and an antireflection film Y3 provided on the upper layer of the metal fuse layer Y2, from the bottom layer side. It is formed. The metal fuse layer Y2 is generally formed of a material mainly consisting of aluminum (Al). The metal fuse element Y is melted and vaporized by laser irradiation, and a portion within a predetermined spot diameter L of the laser irradiation portion S is cut (see FIG. 7).
メタルヒューズ素子が設けられた半導体装置において、切断されたメタルヒューズ素子の断面は露出する(図8参照)。反射防止膜Y3は、例えばTiNなどの膜により形成されている。TiN膜は、高温、高湿の環境下に露出している場合、酸化が進行し、膨張する。高温、高湿の環境下でメタルヒューズ素子Yに電圧が加えられた状態で半導体装置を動作させ続けると、メタルヒューズ素子Yの断面においてメタル材質のTiN膜が陽極酸化現象により酸化膨張する場合がある。そうすると、メタルヒューズ素子Yの断面Y5においてクラックが発生すると共に、クラックが半導体装置の内部へ進行する虞がある。また、TiN層により形成された反射防止膜Y3が酸化し、膨張することを防止するために、メタルヒューズ層Y2上の反射防止膜Y3を一部または全部を除去した構造のメタルヒューズ素子(不図示)の場合、反射防止膜Y3を除去する工程において、メタルヒューズ層Y2そのものにダメージを与える可能性があり、メタルヒューズ素子の許容電流を低下させる懸念がある。 In a semiconductor device provided with a metal fuse element, the cut cross section of the metal fuse element is exposed (see FIG. 8). The antireflection film Y3 is formed of a film such as TiN. When the TiN film is exposed to a high temperature and high humidity environment, oxidation progresses and the TiN film expands. If a semiconductor device continues to operate with a voltage applied to the metal fuse element Y in a high temperature and high humidity environment, the TiN film made of metal may oxidize and expand on the cross section of the metal fuse element Y due to anodization. be. In this case, there is a possibility that a crack will occur in the cross section Y5 of the metal fuse element Y, and that the crack will progress into the inside of the semiconductor device. In addition, in order to prevent the anti-reflective film Y3 formed of the TiN layer from oxidizing and expanding, a metal fuse element (non-reflective film) having a structure in which part or all of the anti-reflective film Y3 on the metal fuse layer Y2 is removed is also used. In the case of (shown in the figure), there is a possibility that the metal fuse layer Y2 itself is damaged in the process of removing the antireflection film Y3, and there is a concern that the allowable current of the metal fuse element will be reduced.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、耐久性を向上させたメタルヒューズ素子を有する半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of this situation, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a metal fuse element with improved durability.
本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に離間して設けられた一対のヒューズ制御回路配線を有する回路層と、一対の前記ヒューズ制御回路配線の対向する一対の端部において上層側に向かって突出して設けられた一対の電気配線を有する接続層と、前記半導体基板から上層側に離間して設けられ一対の前記電気配線の上端部に対応して両端部がそれぞれ電気的に接続されたメタルヒューズ素子を有するヒューズ層と、を備え、前記メタルヒューズ素子は、上層側の表面にレーザ光のエネルギーを吸収する反射防止膜が形成されている。 A semiconductor device according to one aspect of the present invention includes: an insulating film formed on a semiconductor substrate; a circuit layer having a pair of fuse control circuit wirings provided spaced apart on the insulating film; a connection layer having a pair of electrical wirings provided protruding toward the upper layer side at a pair of opposing ends of the circuit wiring; and an upper end portion of the pair of electrical wirings provided spaced apart from the semiconductor substrate toward the upper layer side; a fuse layer having a metal fuse element having both ends electrically connected to each other, and the metal fuse element has an anti-reflection film formed on an upper surface thereof to absorb the energy of the laser beam. ing.
本発明によれば、メタルヒューズ素子を有する半導体装置の耐久性を向上することができる。 According to the present invention, the durability of a semiconductor device having a metal fuse element can be improved.
図1及び図2に示されるように、半導体装置1は、回路の一部に設けられたメタルヒューズ素子Fの切断に基づいて、回路構成を変更可能に構成されている。図において、XYZ座標を便宜上設定する。以下の説明では、+Z軸方向に向かう側を上層側、-Z方向に沿って見ることを平面視等と呼ぶ。半導体装置1は、半導体基板Bを含む回路層2と、回路層2の上層側に設けられた接続層3と、接続層3の上層側に設けられたヒューズ層4とを備えている。接続層3及びヒューズ層4は、シリコン酸化膜などの層間絶縁膜Pにより覆われている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
回路層2は、例えば、半導体基板Bと、半導体基板Bの上面側に形成された絶縁膜Cと、絶縁膜Cの上面側に形成された一対のヒューズ制御回路配線2Aとを備えている。半導体基板Bは、例えば、シリコン(Si)により板状に形成されている。半導体基板Bの法線方向は、Z軸方向である。半導体基板Bの上面側には、シリコン酸化膜などの絶縁膜Cが形成されている。絶縁膜Cの上面側には、IC回路(不図示)が設けられている。絶縁膜Cの上面側には、一対のヒューズ制御回路配線2Aが離間すると共に、対向して配置されている。一対のヒューズ制御回路配線2Aは、間に切れ目が形成された線状に形成されている。切れ目には、一対のヒューズ制御回路配線2Aの対向する一対の端部2Bが配置されている。一対のヒューズ制御回路配線2Aは、例えば、IC回路に電気的に接続されている。各ヒューズ制御回路配線2Aは、例えば、ポリシリコン材料を用いて形成されたポリシリコン配線である。平面視して、一対のヒューズ制御回路配線2Aのセットが1つ以上の列状に配列されている。各ヒューズ制御回路配線2Aの上層側には、接続層3が設けられている。
The
接続層3には、一対の電気配線3Aが形成されている。接続層3は、電気配線3Aの底部3Bから上端部3Cまで間の層である。一対の電気配線3Aは、一対のヒューズ制御回路配線2Aの対向する一対の端部2Bから上方に起立して設けられている。電気配線3Aは、例えば、円柱状に形成されたタングステンプラグ(W-plug)である。電気配線3Aは、例えば、層間絶縁膜Pに設けられた円形断面のコンタクトホールに充填されている。各電気配線3Aの底部3Bは、各ヒューズ制御回路配線2Aに電気的に接続されている。一対の電気配線3Aは、底部3Bから上端部3Cが上層側に向かって突出して設けられている。一対の電気配線3Aの上端部3Cの上層には、ヒューズ層4が形成されている。一対の電気配線3Aの上端部3Cは、ヒューズ層4に電気的に接続されている。
A pair of
ヒューズ層4は、半導体基板Bから上層側に離間して設けられている。ヒューズ層4は、例えば、メタルヒューズ素子Fを有する。メタルヒューズ素子Fは、一対の電気配線3Aを介して一対のヒューズ制御回路配線2Aを電気的に接続している。メタルヒューズ素子Fは、後述のようにレーザ光の照射に基づいて溶断、除去され、一対のヒューズ制御回路配線2Aを電気的に遮断する。メタルヒューズ素子Fの層厚は、例えば、0.3~0.5μmである。メタルヒューズ素子Fの層方向(X方向)の両端部F1,F2は、一対の電気配線3Aの上端部3Cに電気的に接続されている。メタルヒューズ素子Fは、例えば、下層側からバリアメタル層4Aと、バリアメタル層4Aの上層に設けられたメタルヒューズ層4Bと、メタルヒューズ層4Bの上層側に設けられた反射防止膜4Cとにより形成されている。メタルヒューズ層4Bは、例えば、アルミニウムと銅の合金(Al-Cu)により膜状に形成されている。メタルヒューズ層4Bは、照射されたレーザ光のエネルギーに基づいて溶解、気化する。メタルヒューズ層4Bの下面側には、バリアメタル層4Aが設けられている。
The
バリアメタル層4Aは、例えば、チタン、窒化チタン(Ti/TiN)により膜状に形成されている。バリアメタル層4Aは、一例として、EM(エレクトロマイグレーション)耐性の向上、アルミ配線の配向性向上等のために形成される。バリアメタル層4Aは、メタルヒューズ層4Bに照射されたレーザ光のエネルギーに基づいてメタルヒューズ層4Bと共に溶融し、気化する。バリアメタル層4Aは、電気配線3Aの上端部3C及びヒューズ層4と電気的に接続されている。ヒューズ層4の上層側の表面には、反射防止膜4Cが形成されている。
The
反射防止膜4Cは、通常、メタルヒューズ層4B:Al-Cuと反射防止膜4C:TiNは、連続して成膜、形成される。この工程では、TiN/Al-Cuが全面的に成膜され、フォト工程でレジストパターニングされ、メタルエッチング工程にて、下層のバリアメタル層4A(Ti/TiN)を含めて、パターン加工される。反射防止膜4Cは、メタルヒューズ層4B単体に比してレーザ光の反射を低減させるため、メタルヒューズ層4Bに比してレーザ光のエネルギーの吸収率が高い。
In the
反射防止膜4Cは、レーザ光が照射された際に、レーザ光の反射を抑制し、レーザ光のエネルギーを吸収し、ヒューズ層4が溶解することを補助する。平面視して、メタルヒューズ素子Fの長手方向の幅は、レーザ光が照射されるレーザ照射部Sの所定のスポット径L(図2参照)内に収まるように形成されている。平面視して、下層側の接続層3もレーザ照射部Sの所定のスポット径L内に収まるように形成されている。メタルヒューズ素子Fの長手方向の幅は、例えば、1μmである。ヒューズ層4においてメタルヒューズ素子Fの長手方向の幅を超えた領域は、層間絶縁膜Pにより覆われている。レーザ光のスポット径Lは、例えば、3~4μmである。ここで、レーザ光のスポット径Lとは、レーザ光の照射範囲のうち、メタルヒューズ素子Fを溶断可能なエネルギーを有する領域の径である。
The
レーザ光の照射により加熱されたメタルヒューズ素子Fは溶融気化する。メタルヒューズ素子F上からレーザ光を照射すると、層間絶縁膜Pを透過して反射防止膜4Cにレーザ光が入力される。レーザ光は、例えば、パルスレーザである。反射防止膜4Cにおいて、レーザ光の反射が抑制され、効率的にレーザ光のエネルギーを吸収し、反射防止膜4C、メタルヒューズ層4B、バリアメタル層4Aが加熱される。レーザ光の照射により加熱されたメタルヒューズ素子Fは溶融気化する。気化した領域は体積膨張し、内部の圧力の上昇に基づいて上層に設けられた層間絶縁膜Pを吹き飛ばす。このとき、反射防止膜4C、メタルヒューズ層4B、バリアメタル層4Aは、外方に拡散され、メタルヒューズ素子Fが除去される。メタルヒューズ素子Fは、例えば、1回のレーザ光の照射により除去される。メタルヒューズ素子Fの除去により、一対のヒューズ制御回路配線2Aは電気的に遮断される。
The metal fuse element F heated by the laser beam irradiation melts and vaporizes. When a laser beam is irradiated from above the metal fuse element F, the laser beam is transmitted through the interlayer insulating film P and input into the
図3に示されるように、メタルヒューズ素子Fが除去された半導体装置1は、層間絶縁膜Pに穴PHが形成される。穴PHにおいては、一般的なメタルヒューズ素子Y(図6~図8参照)に比してメタルヒューズ素子Fが除去されているため、メタルヒューズ素子Fの断面が露出することなく、反射防止膜4CのTiNが露出しない。これにより、半導体装置1は、高温、高湿の環境下で反射防止膜4Cの断面の酸化に基づいて層間絶縁膜Pのクラックが進行することを防止し、IC回路が破壊されることが防止される。穴PHの底部には、電気配線3Aの上端部3Cの端部が露出している。電気配線3Aは、タングステンにより形成されているため、耐蝕性が高く、高温、高湿の環境下で使用し続けても腐食することは無い。従って、穴PHにおいて電気配線3Aから腐食が進行することが無く、半導体装置1が破壊されることは無い。なお、本実施例では図3で記載した通り、メタルヒューズ層4Bを除去した後において、メタルヒューズ層4Bの下方に配置された電気配線3A(タングステンプラグ)は、残存した状態で穴PHの底部に断面が露出している。電気配線3Aは、レーザ光の照射条件を変更することにより、メタルヒューズ層4Bと共に溶融気化され除去されてもよい。
As shown in FIG. 3, in the
半導体装置1において、レーザ光の照射により必ずしも全てのメタルヒューズ素子Fが除去されなくてもよく、一部が残置されていてもよい。この場合、残置されたメタルヒューズ素子Fの一部の断面が層間絶縁膜Pから露出し、反射防止膜4Cの断面の酸化が進行して膨張し、層間絶縁膜Pにクラックが発生する場合もあり得る。しかしながらこの場合、クラックの発生は局所的な層間絶縁膜Pの表層に留まり、接続層3や回路層2まで及ぶことはない。従って、メタルヒューズ素子Fは、レーザ光により少なくとも一部が溶断されることにより一対のヒューズ制御回路配線2Aの導通を電気的に遮断することができればよい。
In the
従来、TiNにより形成された反射防止膜を有するメタルヒューズ素子は、回路層2において一対のヒューズ制御回路配線と同層に設けられていた。このため、レーザ光により溶断されたメタルヒューズ素子は、切断面にTiN層が露出することで陽極酸化によりTiNが膨張し、回路層に形成されたIC回路の内部へクラックが進行し、クラックを介した水分侵入で長期的な耐久性や信頼性が低下する可能性があった。
Conventionally, a metal fuse element having an antireflection film formed of TiN has been provided in the same layer as a pair of fuse control circuit wirings in the
また、従来、半導体装置のヒューズ素子上に形成されたTiN膜のうちレーザが照射される部分をすべて除去する手法がある。しかしながら、この手法によれば、反射防止膜として機能するTiN膜を除去すると、メタル素材が露出しレーザ光が反射される割合が高くなると共に、レーザ光の熱の吸収効率が低下する。そうすると、ヒューズ素子をレーザ光により溶断する場合、レーザ光のエネルギーを安定的に高い状態で維持する必要性が生じる。レーザ光のエネルギーを高めてヒューズ素子の溶断を行うと、ヒューズ素子が設けられた基板等にダメージを与える虞があると共に、隣接するヒューズ素子にダメージを与える虞がある。 Furthermore, conventionally, there is a method of removing all portions of a TiN film formed on a fuse element of a semiconductor device that are irradiated with a laser. However, according to this method, when the TiN film that functions as an antireflection film is removed, the metal material is exposed, increasing the percentage of laser light reflected and reducing the heat absorption efficiency of the laser light. Therefore, when the fuse element is blown by laser light, it becomes necessary to maintain the energy of the laser light in a stable and high state. If the fuse element is blown by increasing the energy of the laser beam, there is a risk of damaging the substrate on which the fuse element is provided, as well as damaging an adjacent fuse element.
上記手法によれば、ヒューズ素子を切断可能なレーザエネルギーの範囲が限定された条件となるにもかかわらず、ヒューズ素子の製造上のばらつきを加味すると、ヒューズ素子を安定して切断できるレーザ光のエネルギーの条件が無くなる虞がある。また、上記手法によれば、TiN膜を除去する工程において、ヒューズ素子を形成するメタルそのものにダメージを可能性があり、ヒューズ素子を溶断しない場合にヒューズ素子の許容電流を低下させる虞がある。 According to the above method, although the range of laser energy that can cut the fuse element is limited, considering the manufacturing variations of the fuse element, the laser beam that can stably cut the fuse element is There is a risk that the energy requirements will disappear. Further, according to the above method, in the step of removing the TiN film, there is a possibility that the metal forming the fuse element itself is damaged, and if the fuse element is not blown, the allowable current of the fuse element may be reduced.
上記従来手法に比して、半導体装置1によれば、メタルヒューズ素子FにおいてTiNにより形成された反射防止膜4Cが設けられているのにも関わらず、メタルヒューズ素子Fが回路層2に対して上層側に離間して設けられていることにより、メタルヒューズ素子Fを除去した後は、層間絶縁膜Pに現れる断面にTiNが露出しない。半導体装置1によれば、レーザ光によりメタルヒューズ素子Fを除去した後に層間絶縁膜Pに現れる断面にTiN層が露出せず、IC回路にクラックが進行することが防止され、長期的な信頼性が向上すると共に、耐久性が向上する。
Compared to the above conventional method, according to the
また、半導体装置1によれば、メタルヒューズ素子Fに反射防止膜4Cが形成されているため、メタルヒューズ層4Bに反射防止膜4Cが形成されていない場合に比して、レーザ光のエネルギーの吸収効率が高まり、レーザ光の出力を必要以上に上げずにメタルヒューズ素子Fの溶解及び除去が可能となる。半導体装置1によれば、レーザ光の出力を上げずにメタルヒューズ素子Fの溶解及び除去するため、半導体基板B等にダメージを与えることが防止されると共に、平面視して隣接するメタルヒューズ素子Fにダメージを与えることを防止することができる。
Further, according to the
また、半導体装置1によれば、通常のメタル接続層を形成する工程で実現できるため、TiN層により形成された反射防止膜4Cを除去するようなメタルヒューズ層4Bにダメージを与える可能性のある工程を必要とせず、信頼性を向上させると共に、製造工程を簡略化することができる。半導体装置1によれば、製造工程においてTiN層を除去する必要が無いため、除去工程に伴う歩留まり低下も発生せず、また、不要な工程数を短縮することができる。
In addition, according to the
[変形例]
以下、変形例に係る半導体装置について説明する。以下の説明では、上記実施形態と同一の構成については同一の名称及び符号を用い、重複する説明については適宜省略する。
[Modified example]
A semiconductor device according to a modified example will be described below. In the following description, the same names and numerals will be used for the same configurations as in the above embodiment, and overlapping descriptions will be omitted as appropriate.
図4に示されるように、半導体装置1Aは、二層のメタル接続層において構成されていてもよい。半導体装置1Aは、回路層2の上層側に設けられた2層目のメタル配線層においてメタルヒューズ素子Fが形成されている。回路層2の上面には、絶縁膜Cが形成されている。絶縁膜Cの上層側には、回路接続層5が形成されている。回路接続層5は、下層側からバリアメタル層5A、メタル接続層5B、反射防止膜5Cにより形成されている。バリアメタル層5Aは、バリアメタル層4Aと同様にTi及びTiNにより形成されている。メタル接続層5Bは、メタルヒューズ層4Bと同様にアルミニウム、銅の合金(Al-Cu)により形成されている。反射防止膜5Cは、反射防止膜4Cと同様に窒化チタン(TiN)により形成されている。
As shown in FIG. 4, the semiconductor device 1A may be configured with two metal connection layers. In the semiconductor device 1A, a metal fuse element F is formed in a second metal wiring layer provided above the
回路接続層5は、上層側の接続層3を介してメタルヒューズ素子Fに電気的に接続されている。回路接続層5は、下層側の接続層6を介して回路層2と電気的に接続されている。接続層6は、一対の電気配線6Aを有する。一対の電気配線6Aは、一対の電気配線3Aに対応する位置に形成されている。電気配線6Aは、例えば、円柱状に形成されたタングステンプラグ(W-plug)である。変形例に係る半導体装置1Aによれば、二層のメタル接続層を有する回路に設計することができる。
The
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した変形例を適宜組み合わせてもよい。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described one embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit thereof. Further, without departing from the spirit of the present invention, the components in the embodiments described above can be replaced with well-known components as appropriate, and the modifications described above may be combined as appropriate.
1、1A 半導体装置
2 回路層
2A ヒューズ制御回路配線
2B 端部
3 接続層
3A、6A 電気配線
4 ヒューズ層
4C、5C 反射防止膜
B 半導体基板
F メタルヒューズ素子
L スポット径
1,
Claims (4)
一対の前記ヒューズ制御回路配線の対向する一対の端部において上層側に向かって突出して設けられた一対の電気配線を有する接続層と、
前記半導体基板から上層側に離間して設けられ一対の前記電気配線の上端部に対応して両端部がそれぞれ電気的に接続されたメタルヒューズ素子を有するヒューズ層と、を備え、
前記メタルヒューズ素子は、上層側の表面にレーザ光のエネルギーを吸収する反射防止膜が形成されている、
半導体装置。 an insulating film formed on a semiconductor substrate; a circuit layer having a pair of fuse control circuit wirings provided spaced apart on the insulating film;
a connection layer having a pair of electrical wirings provided at a pair of opposing ends of the pair of fuse control circuit wirings so as to protrude toward an upper layer side;
a fuse layer having a metal fuse element provided spaced apart from the semiconductor substrate on the upper layer side and having both ends electrically connected to the upper ends of the pair of electric wirings, respectively;
The metal fuse element has an anti-reflection film formed on the upper surface thereof to absorb the energy of the laser beam.
Semiconductor equipment.
請求項1に記載の半導体装置。 The metal fuse element is removed based on irradiation with the laser beam, and electrically interrupts the pair of fuse control circuit wirings.
The semiconductor device according to claim 1.
請求項1又は2に記載の半導体装置。 The metal fuse element is formed to fit within a predetermined spot diameter of the laser beam,
The semiconductor device according to claim 1 or 2.
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