CN102934229B - 电阻可变存储器单元结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本文中描述电阻可变存储器单元结构及方法。一个或一个以上电阻可变存储器单元结构包括：第一电极，其为第一与第二电阻可变存储器单元所共用；第一垂直定向的电阻可变材料，其具有与第二电极接触的拱形顶部表面及与所述第一电极接触的非拱形底部表面；及第二垂直定向的电阻可变材料，其具有与第三电极接触的拱形顶部表面及与所述第一电极接触的非拱形底部表面。
Description
技术领域
本发明大体来说涉及半导体存储器装置、方法及系统，且更特定来说涉及电阻可变存储器单元结构及方法。
背景技术
通常提供存储器装置作为计算机或其它电子装置中的内部半导体集成电路。存在许多不同类型的存储器，包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态随机存取存储器(DRAM)、同步动态随机存取存储器(SDRAM)、快闪存储器及电阻可变存储器，例如相变随机存取存储器(PCRAM)、电阻式随机存取存储器(RRAM)及导电桥接随机存取存储器(CBRAM)以及其它存储器。
PCRAM装置的相变材料可以非晶较高电阻状态或结晶较低电阻状态存在。可通过向PCRAM单元施加能量源(例如电流脉冲或光脉冲以及其它能量源)来更改所述单元的电阻状态。举例来说，可通过用编程电流加热PCRAM单元来更改所述单元的电阻状态。此导致所述PCRAM单元被编程到特定电阻状态，所述特定电阻状态可对应于一数据状态。PCRAM装置还可经配置以提供多电平存储。也就是说，存储器装置可具有允许在单个存储器单元中的多位存储的多个离散且可识别状态。
RRAM装置包括可变电阻材料(例如，过渡金属氧化物)，所述可变电阻材料具有取决于向其施加的电压而变化的电阻。当向所述可变电阻材料施加等于或大于设定电压的电压时，所述可变电阻材料的电阻降低(例如，接通状态)。当向所述可变电阻材料施加等于或大于复位电压的电压时，所述可变电阻材料的电阻增加(例如，关断状态)。对于电阻可变存储器装置(例如，PCRAM及RRAM装置)来说，大规模制造性及可靠性仍成问题。
发明内容
附图说明
图1A到1G图解说明与根据本发明的实施例形成电阻可变存储器单元结构相关联的工艺步骤。
图1H图解说明图1G中所图解说明的存储器单元结构的俯视图。
具体实施方式
本文中描述电阻可变存储器单元结构及方法。形成电阻可变存储器单元结构的若干个方法包括：形成具有形成于第一电极上方的通孔的存储器单元结构；在所述第一电极及所述通孔的壁上形成电阻可变存储器单元材料；在所述电阻可变存储器单元材料上形成第一电介质材料；移除所述第一电介质材料的一部分以使得所述电阻可变存储器单元材料的一部分被暴露；及在所述电阻可变存储器单元材料的第一经暴露部分上形成第二电极且在所述电阻可变存储器单元材料的第二经暴露部分上形成第三电极。一个或一个以上方法包括：在所述第二电极、所述第三电极及所述第一电介质材料的至少一部分上形成间隔件材料；及通过移除所述第二与第三电极之间的所述间隔件材料的至少一部分、所述通孔内的所述第一电介质材料的至少一部分及形成于所述第一电极上的所述电阻可变存储器单元材料的至少一部分来形成第一及第二电阻可变存储器单元结构。
本发明的实施例提供各种益处，例如，提供与先前电阻可变存储器单元结构相比具有减小的占用面积的间距加倍阵列。实施例还提供与先前电阻可变存储器单元结构相比产生低切换电流的存储器单元结构以及其它益处。举例来说，一个或一个以上实施例的间距加倍垂直定向提供对例如平面桥接单元结构的先前存储器单元方法的可制造替代方案。
如将了解，可添加、交换及/或消除本文中的各种实施例中所展示的元件以便提供本发明的若干个额外实施例。另外，如将了解，所述图中所提供的元件的比例及相对标度意在图解说明本发明的实施例且不应视为限制意义。
图1A到1F图解说明根据本发明的实施例与形成图1G中所展示的电阻可变存储器单元结构相关联的工艺步骤。图1A到1G中所展示的存储器单元结构包括基底半导体结构，所述基底半导体结构包括衬底102，衬底102包括形成于电介质材料104中的导电触点106。衬底102可为硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底或蓝宝石上硅(SOS)衬底以及其它衬底。电介质材料104可为例如二氧化硅(SiO2)的氮化物或氧化物以及其它电介质材料。举例来说，导电触点106可由钨(W)或其它适合导电材料制成且可经由掩蔽及蚀刻工艺形成于电介质层104中。
所述结构包括形成于底部电极(BE)108上方的通孔116。在此实例中，穿过电介质材料114形成通孔116以暴露底部电极108的顶部表面且可将通孔116称为接触孔116。在一个或一个以上实施例中，通孔116具有不大于20纳米(nm)的直径。然而，实施例并不限于可通过掩蔽及蚀刻以及其它适合工艺形成的通孔116的特定直径。尽管图1A到1F中所描述的实例涉及环形通孔，但实施例并不限于此。举例来说，通孔116可为各种不同形状且可为与其相关联的各种不同纵横比。
底部电极108形成于电介质材料112(例如，二氧化硅)中，且可由各种导电材料或复合结构(举例来说，包括钨、TiN(氮化钛)、TaN(氮化钽)、铱、铂、钌及/或铜)制成。如本文中进一步所描述，底部电极108可充当两个不同电阻可变存储器单元(例如，PCRAM单元、CBRAM单元或RRAM单元以及其它单元)的共用底部电极。底部电极108形成于导电触点104上。尽管图1A到1G中未展示，但触点106可耦合到对应于特定存储器单元的存取装置(例如，存取晶体管)。
图1B图解说明形成于图1A中所图解说明的结构上的电阻可变材料118。如此，材料118形成于底部电极108、通孔116的壁及电介质材料114的经暴露部分上方。如所属领域的技术人员将了解，可使用例如原子层沉积(ALD)或化学气相沉积(CVD)的技术以及其它方法来形成(例如，沉积)材料118。在一些实施例中，将材料118沉积为不大于约5nm的厚度。在各种实施例中，材料118的厚度为1nm到5nm。
在其中电阻可变存储器单元结构为相变存储器单元结构的实施例中，可将材料118称为相变材料118。在此些实施例中，相变材料118可为例如锗-锑-碲(GST)材料(例如，例如Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4、Ge1Sb4Te7等的Ge-Sb-Te材料)的相变硫属化物合金。如本文中所使用，带连字符的化学组成符号指示包括于特定混合物或化合物中的元素，且打算表示涉及所指示元素的所有化学计量。其它相变材料可包括以下合金：Ge-Te、In-Se、Sb-Te、Ga-Sb、In-Sb、As-Te、Al-Te、Ge-Sb-Te、Te-Ge-As、In-Sb-Te、Te-Sn-Se、Ge-Se-Ga、Bi-Se-Sb、Ga-Se-Te、Sn-Sb-Te、In-Sb-Ge、Te-Ge-Sb-S、Te-Ge-Sn-O、Te-Ge-Sn-Au、Pd-Te-Ge-Sn、In-Se-Ti-Co、Ge-Sb-Te-Pd、Ge-Sb-Te-Co、Sb-Te-Bi-Se、Ag-In-Sb-Te、Ge-Sb-Se-Te、Ge-Sn-Sb-Te、Ge-Te-Sn-Ni、Ge-Te-Sn-Pd及Ge-Te-Sn-Pt，以及各种其它相变材料。
在其中电阻可变存储器单元结构为电阻式随机存取存储器单元结构的实施例中，材料118可为过渡金属氧化物(MxOy)材料，其中，举例来说，金属(M)为镍、铌、钛、锆、铪、钴、铁、铜或铬。在此些实施例中，举例来说，材料118还可为硫属化物材料或钙钛矿材料。
在其中电阻可变存储器单元结构为导电桥接随机存取存储器单元结构的实施例中，举例来说，材料118可为例如硫属化物材料的电解质材料。所述硫属化物材料可为硫化锗、硒化锗、氧化钨或硫化铜以及其它电解质材料。
图1C图解说明形成于图1B中所展示的结构上的电介质材料120。举例来说，电介质材料120可为在低于约450℃的温度下沉积的低温氧化物或氮化物材料。电介质材料120形成于电阻可变材料118上且填充通孔116。
图1D图解说明在移除电介质材料120的一部分及电阻可变材料118的一部分之后的图1C中所展示的结构。作为一实例，可经由化学机械平面化(CMP)来移除材料118及材料120的经移除部分。在图1D中所图解说明的实施例中，将所述结构平面化到电介质材料114的表面。如此，位于通孔116内的电阻可变材料118的经暴露的经平面化上部表面具有环形形状。也就是说，材料118的上部表面围绕形成于通孔116中的电介质材料120的经平面化上部表面具有拱形形状。
图1E图解说明在形成第一顶部电极(TE)122-1及第二顶部电极122-2之后的图1D中所展示的结构。顶部电极122-1/122-2形成于电阻可变材料118的经暴露部分上。在此实例中，顶部电极122-1/122-2经形成以使得所述顶部电极中的每一者的边缘部分与通孔116内的电介质材料120的经平面化表面重叠。顶部电极122-1/122-2还经形成以使得其也与电介质材料114重叠；然而，实施例并不限于与电介质材料114重叠的顶部电极。顶部电极122-1/122-2可由各种导电材料或复合结构(举例来说，包括钨、TiN(氮化钛)、TaN(氮化钽)、铱、铂、钌及/或铜)制成。在一个或一个以上实施例中，底部电极108及顶部电极122-1/122-2可为不对称。举例来说，底部电极108可由不同于顶部电极122-1及顶部电极122-2中的一者或两者的材料制成。
图1F图解说明在上面形成间隔件材料124之后的图1E中所展示的结构。间隔件材料124可为例如二氧化硅的氧化物材料或其它适合电介质材料。
图1G图解说明在移除电极122-1与122-2之间的间隔件材料124的至少一部分、通孔116内的电介质材料120的至少一部分及形成于底部电极108上的电阻可变材料118的至少一部分之后的图1F中所展示的结构。图1H图解说明图1G中所图解说明的存储器单元结构的俯视图。在此实例中，已图案化所述结构且使用干蚀刻工艺来形成开口125且还形成共享共用底部电极108的两个不同电阻可变存储器单元结构(例如，PCRAM、CBRAM或RRAM结构)。
举例来说，第一存储器单元结构包括位于底部电极108与顶部电极122-1之间的垂直定向的电阻可变材料118-1，且第二存储器单元结构包括位于底部电极108与顶部电极122-2之间的垂直定向的电阻可变材料118-2。如图1G中所图解说明，间隔件材料124-1形成于电介质材料120-1上及顶部电极122-1的边缘上，且间隔件材料124-2形成于电介质材料120-2上及顶部电极122-2的边缘上。
电阻可变材料118-1及118-2各自具有与相应顶部电极122-1及122-2接触的拱形顶部表面及与底部电极108接触的非拱形底部表面。材料118-1及118-2的非拱形部分对应于位于在蚀刻工艺之后保留在通孔116中的相应电介质材料120-1及120-2下面的部分。如此，材料118-1及118-2的拱形部分是指位于电介质材料114与相应电介质材料120-1及120-2之间的区域。因此，在各种实施例中，第一垂直定向的电阻可变材料及第二垂直定向的电阻可变材料118-1及118-2的拱形部分位于距彼此不大于20nm的距离处(例如，在其中通孔116的直径不大于20nm的实施例中)。
根据本文中所描述的实施例形成存储器单元结构可针对单个接触孔(例如，通孔116)提供两个存储器单元，与可针对特定接触孔提供单个存储器单元的先前方法相比，此可通过提供间距加倍来增加存储器密度。举例来说，电阻可变单元材料(例如，118-1及118-2)的垂直定向还可提供与例如平面桥接单元方法的先前方法相比增加的存储器密度。
另外，与先前方法相比，本文中所描述的实施例可提供电阻可变材料的减少的横截面积，此可提供低切换电流。根据本发明的一个或一个以上实施例形成电阻可变存储器单元结构还可避免对存储器单元结构的蚀刻损坏。
在各种实施例中，与图1F到1H相关联的处理可为任选的。举例来说，图1E中所展示的结构可表示可独立操作的两个电阻可变存储器单元。如此，在一个或一个以上实施例中，间隔件材料124的形成及蚀刻到底部电极108为任选的。
所属领域的技术人员将了解包括例如图1E及1G中所图解说明的那些存储器单元结构的存储器单元结构的电阻可变存储器单元阵列将包括额外存储器组件。举例来说，PCRAM及/或RRAM阵列可包括形成于衬底102上的存取装置(例如，存取晶体管)。举例来说，底部电极108可耦合到存取装置(例如，经由接触插塞106耦合到源极或漏极区域)且顶部电极122-1及122-2可耦合到个或一个以上位线(例如，经由接触插塞)。
本文中描述电阻可变存储器单元结构及方法。形成电阻可变存储器单元结构的若干种方法包括：形成具有形成于第一电极上方的通孔的存储器单元结构；在所述第一电极及所述通孔的壁上形成电阻可变存储器单元材料；在所述电阻可变存储器单元材料上形成第一电介质材料；移除所述第一电介质材料的一部分以使得所述电阻可变存储器单元材料的一部分被暴露；在所述电阻可变存储器单元材料的第一经暴露部分上形成第二电极且在所述电阻可变存储器单元材料的第二经暴露部分上形成第三电极；在所述第二电极、所述第三电极及所述第一电介质材料的至少一部分上形成间隔件材料；及通过移除所述第二与第三电极之间的所述间隔件材料的至少一部分、所述通孔内的所述第一电介质材料的至少一部分及形成于所述第一电极上的所述电阻可变存储器单元材料的至少一部分来形成第一及第二电阻可变存储器单元结构。
虽然本文中已图解说明及描述了特定实施例，但所属领域的技术人员将了解，可用旨在实现相同结果的布置来替代所展示的特定实施例。本发明意在涵盖本发明的各种实施例的改编或变化。应理解，已以说明性方式而非限定性方式做出以上描述。在审阅以上描述之后，所属领域的技术人员将即刻明了以上实施例的组合及本文中未具体描述的其它实施例。本发明的各种实施例的范围包含其中使用以上结构及方法的其它应用。因此，应参考所附权利要求书连同授权此权利要求书的等效物的全部范围来确定本发明的各种实施例的范围。
在前述具体实施方式中，出于简化本发明的目的而将各种特征一起集合在单个实施例中。本发明的此方法不应被解释为反映本发明的所揭示实施例必须使用比明确陈述于每一权利要求中的特征多的特征的意图。而是，如所附权利要求书反映，发明性标的物在于少于单个所揭示实施例的所有特征。因此，特此将所附权利要求书并入到具体实施方式中，其中每一权利要求独立地作为单独实施例。
Claims (25)
1.一种形成存储器单元的方法，其包含：
在第一电极(108)及通孔(116)的壁上形成电阻可变存储器单元材料(118)；
在所述电阻可变存储器单元材料(118)上形成第一电介质材料(120、120-1、120-2)；
移除所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的一部分以使得所述电阻可变存储器单元材料(118)的一部分被暴露；
在所述电阻可变存储器单元材料(118)的第一经暴露部分上形成第二电极(122-1)，且在所述电阻可变存储器单元材料(118)的第二经暴露部分上形成第三电极(122-2)；及
在所述第二电极(122-1)、所述第三电极(122-2)及所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的至少一部分上形成间隔件材料(124、124-1、124-2),
移除所述第二电极与所述第三电极(122-1、122-2)之间的所述间隔件材料(124、124-1、124-2)的至少一部分、所述通孔(116)内的所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的至少一部分及形成于所述第一电极(108)上的所述电阻可变存储器单元材料(118)的至少一部分，以形成第一电阻可变存储器单元结构及第二电阻可变存储器单元结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一电阻可变存储器单元结构及所述第二电阻可变存储器单元结构包括：形成对应于所述第一电阻可变存储器单元结构的第一拱形电阻可变区域(118-1)及对应于所述第二电阻可变存储器单元结构的第二拱形电阻可变区域(118-2)。
3.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的方法，其包括：形成所述电阻可变存储器单元材料(118)以使得其具有不大于5纳米的厚度。
4.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的方法，其中形成所述电阻可变存储器单元材料(118)包括：使用原子层沉积来沉积所述电阻可变存储器单元材料(118)。
5.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的方法，其中形成所述电阻可变存储器单元材料(118)包括：使用化学气相沉积来沉积所述电阻可变存储器单元材料(118)。
6.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的方法，其包括：由不同于所述第二电极及所述第三电极(122-1、122-2)中的至少一者的材料形成所述第一电极(108)。
7.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的方法，其包括：在于所述第一电极(108)及所述通孔(116)的所述壁上形成所述电阻可变存储器单元材料(118)之前，形成穿过第二电介质材料(114)到达所述第一电极(108)的所述通孔(116)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中移除所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的所述部分包括：将半导体结构的上部表面向下平面化到所述第二电介质材料(114)。
9.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的方法，其包括：形成所述第二电极(122-1)及所述第三电极(122-2)以使得每一者的一部分与形成于所述通孔(116)中的所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)重叠。
10.一种形成存储器单元的方法，其包含：
形成具有形成于第一电极(108)上方的通孔(116)的存储器单元结构；
在所述第一电极(108)上且在所述通孔(116)的壁上形成相变材料(118)以使得在所述通孔(116)的所述壁之间保留一间隙；
在所述相变材料(118)上形成第一电介质材料(120、120-1、120-2)；
移除所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的一部分以使得所述相变材料(118)的一部分被暴露且使得所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)仅保留在所述间隙中；
在所述相变材料(118)的第一经暴露部分上形成第二电极(122-1)，且在所述相变材料(118)的第二经暴露部分上形成第三电极(122-2)；
在所述第二电极(122-1)、所述第三电极(122-2)及位于所述间隙中的所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的至少一部分上形成间隔件材料(124、124-1、124-2)；及
移除所述第二电极与所述第三电极(122-1、122-2)之间的所述间隔件材料(124、124-1、124-2)的至少一部分、所述通孔(116)内的所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的至少一部分及形成于所述第一电极(108)上的所述相变材料(118)的至少一部分，以使得形成第一相变存储器单元结构及第二相变存储器单元结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中移除所述第二电极与所述第三电极(122-1、122-2)之间的所述间隔件材料(124、124-1、124-2)的所述至少一部分、所述通孔(116)内的所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的所述至少一部分及所述相变材料(118)的所述至少一部分形成对应于所述第一相变存储器单元结构的拱形相变区域及对应于所述第二相变存储器单元结构的拱形相变区域，其中所述第一电极(108)为所述第一与所述第二相变存储器单元结构所共用。
12.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)包括：沉积低温氧化物材料。
13.根据权利要求10到12中任一权利要求所述的方法，其包括：形成所述第二电极与所述第三电极以使得所述第二电极与所述第三电极与位于所述间隙中的所述电介质材料(120、120-1、120-2)重叠。
14.根据权利要求10到12中任一权利要求所述的方法，其包括：执行干蚀刻以移除所述第二电极与所述第三电极(122-1、122-2)之间的所述间隔件材料(124、124-1、124-2)的所述至少一部分、所述通孔(116)内的所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的所述至少一部分及形成于所述第一电极(108)上的所述相变材料(118)的所述至少一部分。
15.一种电阻可变存储器单元结构，其包含：
第一电极(108)，其为第一电阻可变存储器单元与第二电阻可变存储器单元所共用；
第一垂直定向的电阻可变材料(118-1)，其具有与第二电极(122-2)接触的拱形顶部表面及与所述第一电极(108)接触的非拱形底部表面；及
第二垂直定向的电阻可变材料(118-2)，其具有与第三电极(122-2)接触的拱形顶部表面及与所述第一电极(108)接触的非拱形底部表面,
移除所述第二电极与所述第三电极(122-1、122-2)之间的间隔件材料(124、124-1、124-2)的至少一部分、通孔(116)内的第一电介质材料(120、120-1、120-2)的至少一部分及形成于所述第一电极(108)上的所述电阻可变存储器单元材料(118)的至少一部分，以形成第一电阻可变存储器单元结构及第二电阻可变存储器单元结构。
16.根据权利要求15所述的电阻可变存储器单元结构，其中所述第一垂直定向的电阻可变材料及所述第二垂直定向的电阻可变材料(118-1、118-2)的拱形部分位于所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)与第二电介质材料(114)之间。
17.根据权利要求16所述的电阻可变存储器单元结构，其中所述第一垂直定向的电阻可变材料(118-1)的所述拱形部分位于距所述第二垂直定向的电阻可变材料(118-2)的所述拱形部分不大于20纳米的距离处。
18.根据权利要求16所述的电阻可变存储器单元结构，其中所述第二电极(122-1)与所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)及所述第二电介质材料(114)的一部分重叠。
19.根据权利要求16所述的电阻可变存储器单元结构，其中所述间隔件材料(124、124-1、124-2)形成于所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)上以及所述第二电极(122-1)的边缘及所述第三电极(122-2)的边缘上。
20.根据权利要求15到19中任一权利要求所述的电阻可变存储器单元结构，其中所述第一电极(108)是由不同于所述第二电极及所述第三电极(122-1、122-2)中的至少一者的材料制成。
21.根据权利要求15到19中任一权利要求所述的电阻可变存储器单元结构，其中所述电阻可变材料(118)具有不大于5纳米的厚度。
22.根据权利要求15到19中任一权利要求所述的电阻可变存储器单元结构，其中所述第二电极(122-1)是第一相变存储器单元的顶部电极，所述第三电极(122-2)是第二相变存储器单元的顶部电极，且所述第一电极(108)是为所述第一与第二相变存储器单元所共用的底部电极。
23.根据权利要求15到19中任一权利要求所述的电阻可变存储器单元结构，其中所述第一垂直定向的电阻可变材料及所述第二垂直定向的电阻可变材料(118)的所述拱形顶部表面是经平面化的表面。
24.根据权利要求15到19中任一权利要求所述的电阻可变存储器单元结构，其中所述第一电极(108)形成于导电触点(106)上。
25.一种电阻可变存储器单元阵列，其至少具有根据一方法形成的第一电阻可变存储器单元结构及第二电阻可变存储器单元结构，所述方法包含：
形成具有形成于第一电极(108)上方的通孔(116)的存储器单元结构；
在所述第一电极(108)及所述通孔(116)的壁上形成电阻可变存储器单元材料(118)；
在所述电阻可变存储器单元材料(118)上形成第一电介质材料(120、120-1、120-2)；
移除所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的一部分以使得所述电阻可变存储器单元材料(118)的一部分被暴露；
在所述电阻可变存储器单元材料(118)的第一经暴露部分上形成第二电极(122-1)，且在所述电阻可变存储器单元材料(118)的第二经暴露部分上形成第三电极(122-2)；
在所述第二电极(122-1)、所述第三电极(122-2)及所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的至少一部分上形成间隔件材料(124、124-1、124-2)；及
通过移除所述第二电极与第三电极(122-1、122-2)之间的所述间隔件材料(124、124-1、124-2)的至少一部分、所述通孔(116)内的所述第一电介质材料(120、120-1、120-2)的至少一部分及形成于所述第一电极(108)上的所述电阻可变存储器单元材料(118)的至少一部分来形成所述第一电阻可变存储器单元结构及所述第二电阻可变存储器单元结构。
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