CN102208428B - 图像传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有掺杂阱，以及位于所述掺杂阱内的掺杂区，所述掺杂阱与掺杂区的掺杂类型相反；在所述半导体衬底表面形成至少覆盖所述掺杂区的介质层；形成贯穿所述介质层的沟槽，所述沟槽暴露所述掺杂区；形成填充满所述沟槽的外延层，所述外延层的掺杂离子与所述掺杂区的掺杂离子相同，具有第一掺杂类型；对所述外延层的侧壁部分进行反转掺杂，形成环绕所述外延层的反转侧壁，所述反转侧壁具有第二掺杂类型，第一掺杂类型与第二掺杂类型相反；对所述外延层的表面进行掺杂，形成钉扎表面，所述钉扎表面的掺杂类型与外延层的掺杂类型相反。本发明还提供上述方法所形成的图像传感器。

Description

图像传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及图像传感器及其形成方法。

背景技术

图像传感器根据元件不同分为电荷耦合元件(CCD，Charge CoupledDevice)图像传感器和金属氧化物半导体元件(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor)图像传感器。

图1为现有技术的图像传感器的截面结构示意图，参阅图1，现有技术的图像传感器包括：位于衬底表面(未示出)的多个感光单元101，多个感光单元形成感光单元阵列，位于感光单元101表面的介质层102以及位于介质层内的金属层103，位于介质层102表面的第二平坦层104，位于第二平坦层104表面的彩色滤光片105，位于彩色滤光片105表面的第一平坦层106，以及位于第一平坦层106表面的微透镜107。在公开号为CN1875486A的中国专利中，对现有图像传感器的结构，以及工作原理有详细说明。

现有的图像传感器的形成方法包括，提供包含多个感光单元的衬底；在所述衬底表面形成包含金属层103的介质层102；对所形成的介质层102进行平坦化处理；接着，在经过平坦化处理的表面上形成第二平坦层104；在第二平坦层104表面形成彩色滤光片105；在彩色滤光片105表面形成第一平坦层106；在第一平坦层106表面的形成微透镜107。但是现有图像传感器成像效果不够好，并且器件比较大。

发明内容

本发明的实施例解决的问题是提供一种图像传感器及其形成方法，以提高现有图像传感器的成像效果，并实现器件小型化。

为解决上述问题，本发明的实施例提供一种图像传感器形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有掺杂阱，以及位于所述掺杂阱内的掺杂区，所述掺杂阱与掺杂区的掺杂类型相反；

在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层至少覆盖所述掺杂阱；

形成贯穿所述介质层的沟槽，所述沟槽暴露所述掺杂区；

形成填充满所述沟槽的外延层，所述外延层的掺杂离子与所述掺杂区的掺杂离子相同，具有第一掺杂类型；

对所述外延层的侧壁部分进行反转掺杂，形成环绕所述外延层的反转侧壁，所述反转侧壁具有第二掺杂类型，第一掺杂类型与第二掺杂类型相反；

对所述外延层的表面进行掺杂，形成钉扎表面，所述钉扎表面的掺杂类型与外延层的掺杂类型相反。

可选地，所述介质层包括形成在半导体衬底表面的刻蚀停止层和形成在刻蚀停止层表面的层间介质层。

可选地，所述介质层包括形成在半导体衬底表面的刻蚀停止层和形成在刻蚀停止层表面的层间介质层。可选地，所述刻蚀停止层的材料是氮化硅，或者氮化硅与二氧化硅的混合物。

可选地，还包括：在所述钉扎表面上形成钝化层，并进行退火处理。

可选地，所述钝化层的材料是氧化硅或氮化硅，或者为氧化硅或氮化硅的混合物，所述钝化层的厚度小于1000埃。

可选地，形成暴露所述掺杂区的沟槽的步骤包括：

在所述介质层表面形成光刻胶层，所述光刻胶层含有开口，所述开口的位置与掺杂区的位置相对应；

沿所述开口刻蚀所述介质层，直至暴露所述刻蚀停止层；

采用刻蚀工艺去除所暴露的刻蚀停止层，直至暴露所述掺杂区。

可选地，在所述介质层内形成金属互连层。

可选地，所述金属互连层的材料采用的是铜或者钨。

可选地，所述外延层的形成工艺是化学气相沉积低温外延工艺或者分子束低温外延工艺。

可选地，所述外延层的材料与半导体衬底的材料相同，所述外延层的材料是硅。

可选地，形成所述外延层的温度低于700℃。

相应地，本发明还提供通过上述方法所形成的图像传感器，包括：

半导体衬底，位于所述半导体衬底内的掺杂阱以及位于所述掺杂阱内的掺杂区，所述掺杂阱与掺杂区的掺杂类型相反；位于所述半导体衬底表面的介质层，所述介质层至少覆盖所述掺杂阱；

贯穿所述介质层的沟槽；

形成于所述掺杂区表面，且填充满所述沟槽的外延层，所述外延层的掺杂离子与所述掺杂区的掺杂离子相同，所述外延层具有第一掺杂类型；

反转侧壁，所述反转侧壁通过反转所述外延层的侧壁形成，具有第二掺杂类型，第二掺杂类型与第一掺杂类型相反；

位于所述外延层表面的钉扎表面，所述钉扎表面的掺杂类型与所述外延层的掺杂类型相反。

可选地，所述介质层和半导体衬底表面之间还具有刻蚀停止层。

可选地，所述刻蚀停止层的材料是氮化硅，或者氮化硅与二氧化硅的混合物。

可选地，所述介质层内还具有金属互连层。

可选地，所述金属互连层的材料是金属铜或者钨。

可选地，所述外延层的材料与半导体衬底的材料相同。

可选地，所述外延层的材料是硅。

可选地，所述钉扎表面上具有钝化层。

可选地，所述钝化层的材料是氧化硅或氮化硅，或者为氧化硅和氮化硅混合物，厚度小于1000埃。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：

本发明中形成了以掺杂阱和反转侧壁为一极，掺杂区和外延层为另外一极的光电二极管，所述光电二极管的结面积大，并且光的入射面与结的距离比较小，所以可以有效减少光在传播过程中造成的损失，从而提高量子效率，并且可以充分吸收光电子；

进一步，由于本发明中光电子会被充分吸收，所以避免了光电子被邻近光电子二极管吸收，从而避免了串扰，图像的颜色更接近于真实的颜色；

第三，本发明中因为光电二极管的一部分位于介质层内，所以可以在不增加器件宽度的前提下，增加光电二极管的结的面积，所以有利于实现器件的小型化。

附图说明

图1是现有图像传感器的结构示意图；

图2是本发明的实施例所提供的图像传感器的形成方法的流程示意图；

图3至图9是本发明的实施例所提供的图像传感器的形成方法的剖面结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有的图像传感器的成像质量不够好，并且器件的体积比较大。发明人针对上述问题进行研究，认为对现有的图像传感器而言，光需要透射过很厚的介质层才能达到位于半导体衬底表面的光电二极管，光在介质层传播的过程中，光在金属层、介质层的反射会造成入射光子的损失，从而降低光子转化为电子-空穴对的量子效率；

此外，现有的光电二极管的结比较浅，不能有效吸收衬底深处所产生的光电子，这部分没有被吸收的光电子如果被相邻像素吸收，会造成图像串扰；

相应地，为了提高图像传感器的量子效率，现有的光电二极管的面积一般会做的比较大，从而不利于实现器件的小型化。

发明人通过进一步研究，在本发明中提供一种图像传感器及其形成方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图2是本发明的实施例所提供的图像传感器形成方法的流程示意图，包括：

步骤S101，提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有掺杂阱，以及位于所述掺杂阱内的掺杂区，所述掺杂阱与掺杂区的掺杂类型相反；

还包括：

步骤S102，在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层至少覆盖所述掺杂阱；

步骤S103，形成贯穿所述介质层的沟槽，所述沟槽暴露所述掺杂区；

步骤S104，形成填充满所述沟槽的外延层，所述外延层的掺杂离子与所述掺杂区的掺杂离子相同，具有第一掺杂类型；

步骤S105，对所述外延层的侧壁部分进行反转掺杂，形成环绕所述外延层的反转侧壁，所述反转侧壁具有第二掺杂类型，第一掺杂类型与第二掺杂类型相反；

步骤S106，对所述外延层的表面进行掺杂，形成钉扎表面，所述钉扎表面的掺杂类型与外延层的掺杂类型相反。

首先，参考图2和图3，执行步骤S101，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200内形成有掺杂阱210，以及位于所述掺杂阱210内的掺杂区220，所述掺杂阱210与掺杂区220的掺杂类型相反。

本实施例中，所述半导体衬底200的材料为任何可以支持掺杂阱210形成的材料，例如可以为绝缘体上硅衬底(SOI衬底)、石英衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底。

所述掺杂阱210的掺杂类型可以根据工艺需要进行选择，需要满足的是是掺杂阱210的掺杂类型与掺杂区220的掺杂类型相反。本实施例中，所述掺杂阱210的掺杂类型为P型，掺杂阱210的宽度可以根据具体工艺要求设定，相邻掺杂阱210之间以隔离结构100隔开，所述掺杂区220的掺杂类型为N型，宽度根据具体工艺要求设定，所述掺杂区220与掺杂阱210的界面处形成pn结。

参考图2和图4，执行步骤S102，在所述半导体衬底200表面形成介质层，所述介质层至少覆盖所述掺杂阱210。

在本发明的可选实施例中，所述介质层包括形成于半导体衬底200表面的刻蚀停止层270和形成于刻蚀停止层270表面的层间介质层230，所述刻蚀停止层270的材料是氮化硅，或者氮化硅与二氧化硅的混合物。在后续刻蚀介质层以形成沟槽的步骤中，所述刻蚀停止层270对掺杂区220形成保护。

在本发明的可选实施例中，还包括，形成栅极260，所述栅极260横跨掺杂阱210与掺杂区220的一个界面。作为一个实施例，在图4中，栅极260横跨掺杂阱210与掺杂区220的左侧的界面，在其他实施例中，栅极260横跨掺杂阱210与掺杂区220的右侧的界面，所述栅极260的用于形成晶体管(未示出)，所述晶体管控制后续形成的光电二极管。

在本发明的可选实施例中，还包括在介质层中形成金属互连层240，所述金属互连层240的形成方法可以采用本领域技术人员所熟知的金属互连层的形成方法。所述金属互连层240可以是多层结构。因为在后续形成填充满沟槽的外延层的工艺中，工艺温度会比较高，所以金属互连层240的材料需要具有较好的耐高温性质。在本发明的一个实施例中，金属互连层240的材料是铜；在本发明的另一个实施例中，金属互连层240的材料是钨，在本发明的其他实施例中，金属互连层240的材料还可以选择其他耐高温的导电材料。

在本发明的实施例中，通过合理设计金属互连层240的布局，后续去除部分介质层形成的沟槽的工艺中，不会损伤金属互连层240。

参考图2和图5，执行步骤S103，形成贯穿所述介质层的沟槽300，所述沟槽300暴露所述掺杂区220。

本实施例中，沟槽300的底部的宽度小于掺杂区220的宽度，宽度的具体数值可以根据工艺需要进行设定，沟槽300的底部宽度小于掺杂区220的宽度，为的是后续形成的外延层完全位于掺杂区220的表面，后续形成的光电二极管的一极是掺杂区220，以及外延层与掺杂区220掺杂类型相同的部分。

在一个实施例中，沟槽300底部的宽度是1.4um、顶部的宽度是1.5um，掺杂区220的宽度为1.75um。

作为一个实施例，形成暴露所述掺杂区220的沟槽300的步骤包括：

在所述介质层表面形成光刻胶层，所述光刻胶层含有开口，所述开口的位置与掺杂区220的位置相对应；

沿所述开口刻蚀所述介质层，直至暴露所述刻蚀停止层270；

采用刻蚀工艺去除所暴露的刻蚀停止层270，直至暴露所述掺杂区220。

在本实施例中，采用湿法刻蚀工艺去除所暴露的刻蚀停止层270。因为刻蚀停止层270的材料是氮化硅或者氮化硅与二氧化硅的混合物，而掺杂区220的材料是掺有n型离子的硅，所以在采用湿法刻蚀工艺去除所暴露的刻蚀停止层270的步骤中，不会对掺杂区220的材料造成损伤。

参考图2和图6，执行步骤S104，形成填充满所述沟槽300的外延层400，所述外延层400的掺杂离子与所述掺杂区220的掺杂离子相同，具有第一掺杂类型。

作为一个实施例，所述外延层400的形成工艺是化学气相沉积低温外延工艺；在另外一个实施例中，所述外延层400的形成工艺是分子束低温外延工艺。为了在形成外延层400的工艺中，不会因为温度过高而损伤金属互连层240，形成所述外延层400的工艺中温度低于700℃。在本发明的实施例中，所述金属互连层240的材料是铜或者钨，铜或者钨可以耐800℃的高温。

所述外延层400的材料与半导体衬底200的材料相同，在本实施例中，所述半导体衬底200的材料是硅，并且是n型掺杂的硅，所以所述外延层400的材料也是硅，且掺杂离子与掺杂区220的掺杂离子相同，掺杂浓度也基本相同。外延层400与掺杂区220的材料以及掺杂离子相同，可以共同构成后续形成的光电二极管的一极。

在本发明的一个实施例中，所述外延层400的掺杂类型是原位掺杂，在本发明的其他实施例中，也可以采取离子注入的方法进行掺杂。

本实施例中，所述外延层400的掺杂类型为n型，所以所述第一掺杂类型为n型；在其他实施例中，如果所述外延层400的掺杂类型为p型，那么所述第一掺杂类型对应地为p型。

参考图2和图7，执行步骤S105，对所述外延层400的侧壁部分进行反转掺杂，形成环绕所述外延层400的反转侧壁500，所述反转侧壁500具有第二掺杂类型，第一掺杂类型与第二掺杂类型相反。

在本实施例中，通过离子注入的方法对所述外延层400的侧壁部分进行反转掺杂，通过调节离子注入的方向和角度，可以使所形成的反转侧壁500环绕所述外延层400。

本实施例中，所述外延层400的掺杂类型为n型，所以所述第一掺杂类型为n型，第二掺杂类型为p型，所以对所述外延层400的侧壁部分进行p型掺杂，形成掺杂类型为p型的反转侧壁500；在其他实施例中，如果所述外延层400的掺杂类型为p型，第一掺杂类型对应地为p型，第二掺杂类型为n型，所以对所述外延层400的侧壁部分进行n型掺杂，形成掺杂类型为n型的反转侧壁500。

通过前述工艺，形成由外延层400和掺杂区220为负极，掺杂阱210和反转侧壁500为正极的光电二极管。因为外延层400和反转侧壁500位于介质层内，所以光入射到介质层可以直接由光电二极管转化为电子-空穴对，并被存储在光电二极管内，而不需要透射过介质层，在位于半导体衬底200的光电二极管处转化为电子-空穴对，从而减小了光在介质层内传播所引起的光损，提高了光子转化为电子-空穴对的量子效率；

此外，本发明的实施例所形成的光电二极管的pn结的面积远大于现有图像传感器的pn结的面积，所以本发明的实施例所形成的光电二极管的pn结的电荷容纳能力更大，可以有效吸收有光子转化而来的电子-空穴对，从而避免了部分电子-空穴对无法被吸收对应像素吸收，而造成的图像串扰和延迟问题；

第三，本发明的实施例由于形成了外延层400和反转侧壁500，在不增加现有结构中各部件的宽度和厚度的前提下，增加了光电二极管的结的面积，提高了光电二极管对光的转化能力和对电子-空穴对的吸收能力，从而有利于实现图像传感器的小型化。

参考图2和图8，执行步骤S106，对所述外延层400的表面进行掺杂，形成钉扎表面600，所述钉扎表面600的掺杂类型与外延层400的掺杂类型相反。

本实施例中，通过控制掺杂的浓度和剂量，控制所述钉扎表面600的厚度。所述钉扎表面600可以调节光电二极管的电位，避免在电荷传输中产生漏电流。钉扎表面600的形成工艺可以采用现有光电二极管的钉扎表面的形成工艺。

在后续工艺中，还包括在钉扎表面600的表面形成彩色滤光片以及微透镜。

参考图9，作为可选实施例，还包括：在所述钉扎表面600和彩色滤光片之间形成钝化层280，并进行退火处理，所述钝化层280的材料是氧化硅或氮化硅，或者为氧化硅和氮化硅的混合物，厚度小于1000埃。所述钝化层280可以对所形成的光电二极管形成保护。

相应地，本发明还提供通过上述方法所形成的图像传感器，图8是本发明的实施例所提供的图像传感器的结构示意图，包括：

半导体衬底200，位于所述半导体衬底200内的掺杂阱210以及位于所述掺杂阱210内的掺杂区220，所述掺杂阱210与掺杂区220的掺杂类型相反；

位于所述半导体衬底200表面的介质层，所述介质层至少覆盖所述掺杂区220；

贯穿所述介质层的沟槽；

位于所述掺杂区220的表面且填充满所述沟槽的外延层400，所述外延层400的掺杂离子与所述掺杂区220的掺杂离子相同，所述外延层400具有第一掺杂类型；

反转侧壁500，所述反转侧壁500通过反转所述外延层400的侧壁形成，具有第二掺杂类型，第二掺杂类型与第一掺杂类型相反；

位于所述外延层400表面的钉扎表面600，所述钉扎表面600的掺杂类型与所述外延层400的掺杂类型相反。

在本实施例中，所述外延层400的材料与半导体衬底200的材料相同，都是硅。

在本实施例中，所述介质层内还具有金属互连层240，所述金属互连层240的材料是金属铜或者钨等耐超过800度高温金属材料。

在本发明的可选实施例中，所述介质层包括位于半导体衬底200表面的刻蚀停止层270和位于刻蚀停止层270表面的层间介质层230。所述刻蚀停止层270的材料是氮化硅，或者氮化硅与二氧化硅的混合物。

参考图9，在本发明的可选实施例中，所述钉扎表面600表面具有钝化层280，所述钝化层280的材料是氧化硅或氮化硅，或者为氧化硅和氮化硅混合物，厚度小于1000埃。

综上，本发明中形成了以掺杂阱和反转侧壁为一极，掺杂区和外延层为另外一极的光电二极管，所述光电二极管的结面积大，并且光的入射面与结的距离比较小，所以可以有效减少光在传播过程中造成的损失，从而提高量子效率，并且可以充分吸收光电子；

此外，由于本发明中光电子会被充分吸收，所以避免了光电子被邻近光电子二极管吸收，从而避免了串扰，图像的颜色更接近于真实的颜色；

第三，本发明中因为光电二极管的一部分位于介质层内，所以可以在不增加器件宽度的前提下，增加光电二极管的结的面积，所以有利于实现器件的小型化。

本发明的实施例虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明的实施例，任何本领域技术人员在不脱离本发明的实施例的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明的实施例技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的实施例技术方案的内容，依据本发明的实施例的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的实施例技术方案的保护范围。

Claims (20)

1.一种图像传感器形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有掺杂阱，以及位于所述掺杂阱内的掺杂区，所述掺杂阱与掺杂区的掺杂类型相反；

其特征在于，还包括：

在所述半导体衬底表面形成介质层，所述介质层至少覆盖所述掺杂阱；

形成贯穿所述介质层的沟槽，所述沟槽暴露所述掺杂区；

形成填充满所述沟槽的外延层，所述外延层的掺杂离子与所述掺杂区的掺杂离子相同，具有第一掺杂类型；

通过离子注入的方法对所述外延层的侧壁部分进行反转掺杂，形成环绕所述外延层的反转侧壁，所述反转侧壁具有第二掺杂类型，第一掺杂类型与第二掺杂类型相反；

对所述外延层的表面进行掺杂，形成钉扎表面，所述钉扎表面的掺杂类型与外延层的掺杂类型相反。

2.依据权利要求1所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述介质层包括形成在半导体衬底表面的刻蚀停止层和形成在刻蚀停止层表面的层间介质层。

3.依据权利要求2所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述刻蚀停止层的材料是氮化硅，或者氮化硅与二氧化硅的混合物。

4.依据权利要求1所述的图像传感器形成方法，其特征在于，还包括：在所述钉扎表面上形成钝化层，并进行退火处理。

5.依据权利要求4所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述钝化层的材料是氧化硅或氮化硅，或者为氧化硅和氮化硅的混合物，所述钝化层的厚度小于1000埃。

6.依据权利要求1所述的图像传感器形成方法，其特征在于，形成暴露所述掺杂区的沟槽的步骤包括：

在所述介质层表面形成光刻胶层，所述光刻胶层含有开口，所述开口的位置与掺杂区的位置相对应；

沿所述开口刻蚀所述介质层，直至暴露所述刻蚀停止层；

采用刻蚀工艺去除所暴露的刻蚀停止层，直至暴露所述掺杂区。

7.依据权利要求1所述的图像传感器形成方法，其特征在于，还包括：在所述介质层内形成金属互连层。

8.依据权利要求7所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述金属互连层的材料采用的是铜或者钨。

9.依据权利要求1所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述外延层的形成工艺是化学气相沉积低温外延工艺或者分子束低温外延工艺。

10.依据权利要求1所述的图像传感器形成方法，其特征在于，所述外延层的材料与半导体衬底的材料相同，所述外延层的材料是硅。

11.依据权利要求9所述的图像传感器形成方法，其特征在于，形成所述外延层的温度低于700℃。

12.一种图像传感器，包括：半导体衬底，位于所述半导体衬底内的掺杂阱以及位于所述掺杂阱内的掺杂区，所述掺杂阱与掺杂区的掺杂类型相反；位于所述半导体衬底表面的介质层，所述介质层至少覆盖所述掺杂阱；

其特征在于，还包括：贯穿所述介质层的沟槽，所述沟槽暴露所述掺杂区；

形成于所述掺杂区表面，且填充满所述沟槽的外延层，所述外延层的掺杂离子与所述掺杂区的掺杂离子相同，所述外延层具有第一掺杂类型；

反转侧壁，所述反转侧壁通过反转所述外延层的侧壁形成，所述反转侧壁环绕所述外延层，具有第二掺杂类型，第二掺杂类型与第一掺杂类型相反；

位于所述外延层表面的钉扎表面，所述钉扎表面的掺杂类型与所述外延层的掺杂类型相反。

13.依据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述介质层包括形成在半导体衬底表面的刻蚀停止层，和形成在刻蚀停止层表面的层间介质层。

14.依据权利要求13所述的图像传感器，其特征在于，所述刻蚀停止层的材料是氮化硅，或者氮化硅与二氧化硅的混合物。

15.依据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述介质层内还具有金属互连层。

16.依据权利要求15所述的图像传感器，其特征在于，所述金属互连层的材料是金属铜或者钨。

17.依据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述外延层的材料与半导体衬底的材料相同。

18.依据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述外延层的材料是硅。

19.依据权利要求12所述的图像传感器，其特征在于，所述钉扎表面上具有钝化层。

20.依据权利要求19所述的图像传感器，其特征在于，所述钝化层的材料是氧化硅或氮化硅，或者为氧化硅与氮化硅的混合物，所述钝化层的厚度小于1000埃。

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