DE112012001195T5 - Unabhängig spannungsgesteuertes Siliciumvolumen auf einem Silicium-auf-Isolator-Chip - Google Patents
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Abstract
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiterchips und insbesondere das Erzeugen eines unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumvolumens auf einem SOI(Silicon-on-Insulator, Silicium-auf-Isolator)-Halbleiterchip.
- Offenbarung der Erfindung
- Ein SOI-Chip weist ein Substrat auf, welches typischerweise p–-dotiertes Silicium ist, obwohl auch Substrate entgegengesetzter Dotierung (d. h. n–) bekannt sind. Eine vergrabene Oxidschicht (Buried Oxide, BOX) kann implantiert werden, um einen Schaltungsbereich oberhalb der BOX-Schicht von dem darunter angeordneten Substratabschnitt zu isolieren. Der darunter angeordnete Substratabschnitt ist typischerweise mit einer Spannungsquelle (z. B. Masse) verbunden. Oberhalb der BOX kann der Schaltungsbereich STI(Shallow-Trench-Isolation, Flachgrabenisolierungs)-Zonen, Source/Drain-Implantationen für FETs (Feldeffekttransistoren), Körperzonen unter FET-Gate-Strukturen für die FETs, Kontakte und Verdrahtungen zum Verbinden der FETs enthalten.
- In einer Ausführungsform der Erfindung wird als ein Schaltungselement eine unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone erzeugt. Ein unterer Teil der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone wird mit einer tiefen Implantation wie z. B. Bor erzeugt, um eine n-Zone zu erzeugen, wenn das Substrat p–-dotiert ist. Seiten der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone werden mit tiefer Grabenisolierung gebildet, wodurch die unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone auf allen Seiten isoliert wird (z. B. vier Seiten, wenn die unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone quadratisch oder rechteckig ist). Eine vergrabene Oxidzone (BOX) bildet eine obere Fläche der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone, wodurch die elektrische Isolierung der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone vervollständigt wird. Ein elektrischer Kontakt wird durch die BOX und durch jede STI oder jedes Silicium oberhalb der BOX hindurch gebildet, wobei der elektrische Kontakt zum Verbinden der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone mit einer Spannung oder einem Logiksignal auf dem Chip geeignet ist.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt eine Seitenansicht eines Teils eines Halbleiterchips, welche eine Logikzone und eine eDRAM-Zone zeigt, wobei die eDRAM-Zone ein unabhängig spannungsgesteuertes Siliciumvolumen umfasst. -
2A bis2E zeigen Schlüssel-Verfahrensschritte beim Erzeugen eines unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumvolumens. -
3 zeigt einen Querschnitt eines Halbleiterchips, welcher zwei unabhängig spannungsgesteuerte Volumina aufweist, die jeweils eine eDRAM-Zelle enthalten. - Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
- In der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, welche einen Teil dieser bilden, und in denen veranschaulichend spezielle Ausführungsformen dargestellt sind, mit welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen angewendet und strukturelle Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
- Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sorgen für die Erzeugung eines unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumvolumens, welches ein Schaltungselement ist, das allgemein zum Bereitstellen einer auswählbaren Steuerung von Leckstrom/Leistungs-Eigenschaften eines eDRAM (eingebetteten dynamischen Direktzugriffsspeichers) auf einem Siliciumchip nützlich ist, sowie eine Schwellenwertsteuerung anderer Schaltungen bereitstellt.
- In
1 ist ein Halbleiter-Silicium-auf-Isolator(SOI)-Chip100 dargestellt, welcher einen Logikbereich150 und einen eDRAM-Bereich151 aufweist. - Der Logikbereich
150 weist einen p–-Si-Abschnitt101 auf, welcher typischerweise mit Masse verbunden ist. Ein vergrabenes Oxid (BOX)103 stellt einen elektrischen Isolator unter einem Logik-FET (Feldeffekttransistor)120 bereit. Der Logik-FET120 umfasst Source/Drain-Implantationen121 , eine p–-Körperzone125 , ein Gate-Dielektrikum126 , Source/Drain-Kontakte122 , Gate-Seitenwand-Abstandhalter123 und eine Gate-Zone124 , welche elektrisch mit einem Logiksignal oder einer Spannungsquelle verbunden sein kann. Der Logik-FET120 , welcher eine p–-Körper- und n+-Source/Drain-Zonen aufweist, ist ein NFET (n-Kanal-Feldeffekttransistor). Typischerweise werden im Logikbereich150 auch PFETs (p-Kanal-Feldeffekttransistoren) erzeugt, wobei bekannte Techniken zum Erzeugen einer n–-Körperzone und von p+-Source/Drain-Zonen angewendet werden. Die NFETs und PFETs im Logikbereich150 sind dafür konfiguriert, Verknüpfungsglieder (NANDs, NORs, XORs, Speicher, Register und Ähnliches) aufzubauen. - Der eDRAM-Bereich
151 weist einen Durchgangs-Gate-NFET130 auf, um eine Bitleitung, die mit einer Source/Drain-Implantation131 verbunden ist, unter Steuerung durch eine Wortleitung, die mit einer Gate-Zone134 verbunden ist, mit einem Tiefgrabenkondensator140 zu verbinden. Der Durchgangs-Gate-NFET130 umfasst die Gate-Zone134 , ein Gate-Dielektrikum136 , Source/Drain-Implantationen131 und132 , einen Körper135 , ein Gate-Dielektrikum136 , Seitenwand-Abstandhalter133 und epitaxiale Anwachsungen137 und138 . Der Tiefgrabenkondensator140 weist einen Leiter141 in einem tiefen Graben auf. Bei dem Leiter kann es sich um Wolfram, dotiertes Polysilicium oder ein anderes geeignetes leitendes Material handeln, welches in dem tiefen Graben angeordnet ist. Ein Dielektrikumsmaterial142 isoliert den Leiter141 vom p–-Silicium101 und p–-Silicium109 . Das Dielektrikumsmaterial142 kann zum Beispiel HfO2 oder SiO2 oder ein anderes geeignetes Dielektrikumsmaterial sein. Die epitaxiale Anwachsung137 verbindet eine benachbarte Source/Drain-Zone132 über einen oberen Abschnitt des Dielektrikumsmaterials142 , um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Leiter141 und der benachbarten Source/Drain-Zone132 herzustellen. - Der eDRAM-Bereich
151 weist auch eine tiefe n-Implantation105 auf, welche einen „Boden” oder unteren Bereich einer unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110 bildet, angezeigt durch eine gestrichelte Linie in1 . Die n-Implantation105 kann eine tiefe Borimplantation einer Energie sein, die hoch genug ist, um eine n-Implantation in einer Tiefe im Halbleiterchip100 zu erzeugen, die weniger tief als die Tiefgrabenisolierung106 ist, wie in1 dargestellt, jedoch tief genug, um das meiste des Abschnitts oder den gesamten Abschnitt des Tiefgrabenkondensators140 unterhalb des BOX103 zu umfassen. Zum Beispiel sollte über 50% des Tiefgrabenkondensators140 dem p–-Si109 zugewandt sein. Man beachte, dass der Tiefgrabenkondensator140 sich nicht bis zur n-Implantation105 erstrecken muss. Eine 4-MeV(Megaelektronenvolt)-Borimplantation weist eine Spitzendosis bei etwa 20 μm auf; eine 2-MeV-Borimplantation weist eine Spitzendosis bei etwa 10 μm auf. - Eine ”Decke” oder ein oberer Teil der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone
110 ist ein Abschnitt des BOX103 . Seiten der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110 werden durch eine Tiefgrabenisolierung106 gebildet, am besten zu sehen in2E in einer Draufsicht. Die n-Implantation105 muss breit genug sein, um sicherzustellen, dass das p–-Silicium109 nicht in elektrischem Kontakt mit dem p–-Silicium101 steht. - Eine Kontaktierungsstruktur
107 wird durch Ätzen durch die STI (Flachgrabenisolierung)102 und durch das BOX103 gebildet und mit einem Leiter wie Wolfram oder dotiertem Polysilicium gefüllt, um eine elektrische Verbindung zum p–-Silicium109 herzustellen. Die Kontaktierungsstruktur107 kann einen Kontakt108 aufweisen, um mit einer Spannung (einer Spannungsquelle oder einem Logiksignal) verbunden zu werden. Außer der Kontaktierungsstruktur107 ist das p–-Silicium109 , wie oben beschrieben, vom p–-Silicium101 und vom Schaltungssystem (z. B. dem Durchgangs-NFET130 ) oberhalb des BOX103 vollständig isoliert. Die Kontaktierungsstruktur107 überträgt die an den Kontakt108 gelegte Spannung zum p–-Silicium109 , wodurch eine Spannung auf der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110 bereitgestellt wird. - Im eDRAM-Bereich
151 sind eine einzige NFET-Durchgangs-Gate-Zone130 und ein zugehöriger Tiefgrabenkondensator140 dargestellt, man erkennt jedoch, dass in einem eDRAM-Bereich151 typischerweise eine große Anzahl, möglicherweise eine Million oder mehr, NFET-Durchgangs-Gate-Zonen130 und zugehörige Kondensatoren140 angeordnet sind. In ähnlicher Weise ist zur Vereinfachung im Logikbereich150 ein einziger Logik-FET120 dargestellt. In modernen Halbleiterchips100 können jedoch eine Million oder mehr FETs120 hergestellt werden. - Man erkennt auch, dass, obwohl die NFET-Durchgangs-Gate-Zone
130 als ein Schalter zum Laden oder Entladen des Tiefgrabenkondensators140 und zum Bewirken einer Ladung auf dem Tiefgrabenkondensator140 bei Lesevorgängen, um eine Bitleitungsspannung zu beeinflussen, dargestellt ist, auch ein PFET mit bekannter Verarbeitung oberhalb des BOX103 als eine Durchgangs-Gate-Zone verwendet werden könnte. - Unter Bezugnahme nun auf
2A bis2E wird eine Folge von Schlüssel-Verarbeitungsschritten dargestellt, um eine unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone110 zu erzeugen. In2A empfängt der Halbleiterchip100 eine energiereiche Borimplantation301 durch eine Maske302 , wodurch eine n-Implantation105 in einer Tiefe erzeugt wird, die durch die Implantationsenergie und die Halbleiterstruktur bestimmt wird. Wie oben angemerkt, erzeugt eine 4-MeV-Borimplantation eine n-Implantation105 ungefähr 20 μm unterhalb einer oberen Fläche des Halbleiterchips100 . -
2B zeigt eine herkömmliche Sauerstoffimplantation303 , die auf den Halbleiterchip100 angewendet wird, um das BOX103 in einer Tiefe zu erzeugen, die durch die Energie der Sauerstoffimplantation302 bestimmt wird. -
2C zeigt die Erzeugung einer Tiefgrabenisolierung106 , welche sich mindestens bis zur n-Implantation105 herunter und vorteilhaft bis leicht unterhalb dieser erstreckt. Die Tiefgrabenisolierung kann unter Anwendung eines herkömmlichen Verfahrens erzeugt werden, wie es angewendet wird, um eDRAM-Kondensatoren herzustellen, wird jedoch verlängert, um Seiten der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110 zu bilden. Alternativ kann für die Tiefgrabenisolierung106 eine Tiefgrabenkondensatorstruktur verwendet werden, wie sie in der ebenfalls anhängigen Anmeldung US 2011/0018094 gelehrt wird, die ebenfalls auf den Inhaber der vorliegenden Patentanmeldung übertragen ist. Nach der Herstellung der Tiefgrabenisolierung106 , des BOX103 und der n-Implantation105 ist das p–-Si109 elektrisch vollständig isoliert. Das p–-Si109 ist lediglich ein elektrisch isolierter Abschnitt des p–-Si101 und erhält keine separate Implantation. -
2D und2E zeigen eine Querschnittsansicht (durch AA) bzw. eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Halbleiterchips100 allgemein in dem Bereich, wo die unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone110 hergestellt wird. Die Flachgrabenisolierung (STI)102 ist im Silicium111 (d. h. dem Abschnitt des p–-Si101 oberhalb des BOX103 ), ausgebildet, wie in den fein schraffierten Abschnitten mit der nach oben links verlaufenden Schraffierung dargestellt. Die Kontaktstruktur107 wird durch ein Oxidätzen durch die STI101 und das BOX103 erzeugt. Auf der Kontaktstruktur107 kann ein Kontakt108 ausgebildet sein.2E zeigt eine Draufsicht auf diesen Abschnitt des Halbleiterchips100 . Die NFET-Durchgangs-Gate-Zone130 (1 ) wird durch herkömmliche Mittel in herkömmlicher Weise im Silicium111 gebildet, Erzeugen von Source/Drain-Implantationen131 ,132 , Erzeugen eines Gate-Dielektrikums136 , Erzeugen von Abstandhaltern133 , epitaxiales Anwachsen137 und138 nach dem Ätzen, Auskleiden und Füllen des Tiefgrabenkondensators140 . -
3 zeigt zwei unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzonen110 , welche als110A (links) und110B (rechts) bezeichnet werden, wobei110A und110B aus Gründen der Vereinfachung der Darstellung einen Abschnitt einer Tiefgrabenisolierung106 zwischen sich gemeinsam benutzen. Zitierte Schlüsselelemente weisen einen Zusatz „A” (z. B.130A für die linke NFET-Durchgangs-Gate-Zone130 ) für zitierte Elemente auf, die zu der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110A gehören, und einen Zusatz „B” für zitierte Elemente, die zu der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110B gehören. - In
3 kann VA, verbunden mit der Kontaktstruktur107A mit dem Kontakt108A eine Spannung von 0,0 Volt aufweisen, wodurch bewirkt wird, dass das p–-Si109A bei 0,0 Volt liegt. VB, verbunden mit der Kontaktstruktur1078 mit dem Kontakt108B kann eine Spannung von +5,0 Volt aufweisen, wodurch bewirkt wird, dass das p–-Si 1098 bei 5,0 Volt liegt. Die Breite der Ladungsverarmungszonen144 (144A ,144B ) um den Tiefgrabenkondensator140 (140A ,140B ) herum ist von einer Spannung zwischen einer Spannung auf dem Leiter141 (141A ,141B ) und einer Spannung abhängig, die an das p–-Si109 (109A ,109B ) angelegt ist. In erster Linie entspricht die Trennung der Kondensatorplatten des Kondensators C (CA, CB) der Breite der Ladungsverarmungszone. Es versteht sich, dass der Tiefgrabenkondensator140 schematisch als Kondensator C dargestellt ist. Der Tiefgrabenkondensator140A ist schematisch als CA dargestellt; der Tiefgrabenkondensator140B ist schematisch als Kondensator CB dargestellt. Wenn die Ladungsverarmungszone144 (144A ,144B ) breiter ist, sind die Kondensatorplatten weiter voneinander entfernt, und die Kapazität ist geringer. Bei Verwendung der angenommenen Spannungen VA, VB weist die unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone110A eine breitere Ladungsverarmungszone144A um den Tiefgrabenkondensator140A herum als die Ladungsverarmungszone144B in der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110B um den Tiefgrabenkondensator140B herum auf. Deswegen ist CA mit Kondensatorplatten dargestellt, die weiter voneinander entfernt sind als bei CB. CA weist eine niedrigere Kapazität als CB auf. - Eine andere Auswirkung der an das p–-Si
109A ,109B angelegten Spannung (VA, VB) ist, dass ein elektrisches Feld302 (302A ,302B ) durch das BOX103 hindurch führt und Schwellenspannungen darüber liegender FETs, z. B. der NFET-Durchgangs-Gate-Zonen130A ,130B , beeinflusst. Wie dargestellt, ist mit den angenommenen Werten von VA, VB das elektrische Feld302A geringer als das elektrische Feld302B . - Hinsichtlich der Steuerung der Eigenschaften von eDRAM-Zellen im p–-Si
109A , ist die Schwellenspannung der NFET-Durchgangs-Gate-Zone130A höher als eine Schwellenspannung der NFET-Durchgangs-Gate-Zone130B , wodurch der Leckstrom der NFET-Durchgangs-Gate-Zone130A im Vergleich zu der NFET-Durchgangs-Gate-Zone130B deutlich verringert wird. Die Kapazität von CA, wie bereits erläutert, ist niedriger als CB, jedoch führt der deutlich verringerte Leckstrom von CA durch die NFET-Durchgangs-Gate-Zone130A im Vergleich zum Leckstrom von CB durch die NFET-Durchgangs-Gate-Zone130B dazu, dass die Speicherung von Daten im Tiefgrabenkondensator140A (d. h. CA) länger als die Speicherung von Daten im Tiefgrabenkondensator140B (d. h. CB) andauert, obwohl CB eine höhere Kapazität aufweist. Durch Steuerung einer an das zugehörige p–-Si109 in der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110 angelegten Spannung können daher eDRAMs so gesteuert werden, dass sie mehr oder weniger Leckstrom aufweisen. Diese Möglichkeit der Leckstromsteuerung ist im Stromsparbetrieb eines eDRAM äußerst wünschenswert. - Hinsichtlich der Leistung, z. B. der Lesegeschwindigkeit, ist jedoch der eDRAM in der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone
110B gegenüber dem eDRAM in der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110A überlegen (schneller). Die NFET-Durchgangs-Gate-Zone130B , welche eine niedrigere Schwellenspannung aufweist, leitet stärker. Auch zieht die größere Kapazität von CB eine Bitleitung schneller und weiter durch die NFET-Durchgangs-Gate-Zone130B herunter als die niedrigere Kapazität und die weniger leitfähige Struktur, die zu der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110A gehört. Deswegen können eDRAMS durch Steuerung des zugehörigen p–-Si109 in der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone110 so gesteuert werden, dass sie schneller (oder langsamer) arbeiten. - Wenn man das elektrische Feld
302 und den Kondensator C auf1 anwendet, welche einen Logikbereich150 sowie einen eDRAM-Bereich151 zeigt, ist es klar, dass eine an das p–-Si109 angelegte Spannung eine Schwellenspannung im LOGIK-FET120 nicht beeinflusst, da der LOGIK-FET120 über dem p–-Si101 hergestellt ist, welches an Masse liegt, und nicht über einem p–-Si109 hergestellt ist. Es trifft natürlich zu, dass das p–-Si101 mit einer anderen Spannungsquelle als der Masse verbunden werden kann und dadurch die Schwellenspannung jedes FET beeinflussen kann, der über diesem p–-Si101 mit Vorspannung liegt, hierdurch würden jedoch PFETs und NFETs in entgegengesetzter Weise beeinflusst (zum Beispiel würde die PFET-Stärke sinken, wenn die NFET-Stärke steigt), und deswegen wäre dies nicht wünschenswert. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine oder mehrere unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzonen auf einem Halbleiterchip bereit. Die relative Stärke PFET/NFET in eDRAM-Anwendungen ist kein Problem, da die eDRAM-Zonen151 typischerweise nur NFETs (d. h. NFET-Durchgangs-Gate-Zonen130 ) enthalten. - Industrielle Anwendbarkeit
- Die vorliegende Erfindung findet industrielle Anwendbarkeit beim Entwurf und der Herstellung von Hochleistungs-Halbleiter-Feldeffekttransistor(FET)-Einheiten, die in Chips mit integrierten Schaltungen eingebaut sind, welche in einer großen Vielfalt von elektronischen und elektrischen Vorrichtungen Anwendung finden.
Claims (7)
- Halbleiterchip (
100 ), aufweisend: eine unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone (110 ), ferner aufweisend: eine tiefe Implantation (105 ) entgegengesetzter Dotierung, bezogen auf eine Substratdotierung des Halbleiterchips (100 ), wobei die tiefe Implantation (105 ) einen unteren Teil der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone (110 ) bildet; eine Implantation eines vergrabenen Oxids (103 ), welche einen oberen Teil der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone (110 ) bildet; eine Tiefgrabenisolierung (106 ), welche Seiten der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone (110 ) bildet; und eine Kontaktstruktur (107 ) eines elektrisch leitenden Materials, welche durch das vergrabene Oxid (103 ) hindurch ausgebildet ist, um einen elektrischen Kontakt zu der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone (110 ) bereitzustellen. - Halbleiterchip (
100 ) nach Anspruch 1, wobei die tiefe Implantation (105 ) entgegengesetzter Dotierung, bezogen auf eine Substratdotierung des Halbleiterchips, eine tiefe Borimplantation einer Energie von 2 MeV bis 4 MeV ist, wobei das Substrat eine p–-Dotierung aufweist. - Halbleiterchip (
100 ) nach Anspruch 1, wobei die Kontaktstruktur (107 ) die unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone (110 ) mit einer Spannungsversorgung verbindet. - Halbleiterchip (
100 ) nach Anspruch 1, wobei die Kontaktstruktur (107 ) die unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone (110 ) mit einem Logiksignal verbindet. - Verfahren zum Herstellen einer unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone (
110 ) in einem Halbleiterchip (100 ) aufweisend: Erzeugen einer tiefen Implantation (105 ) entgegengesetzter Dotierung, bezogen auf eine Dotierung eines Substrats des Halbleiterchips (100 ); Erzeugen eines vergrabenen Oxids (BOX) (103 ) in dem Halbleiterchip (100 ), wobei die tiefe Implantation (105 ) vollständig unterhalb des BOX (103 ) liegt; Erzeugen einer Tiefgrabenisolierung (106 ) zumindest so tief in dem Substrat wie die tiefe Implantation (105 ) und sowohl die tiefe Implantation (105 ) als auch das BOX (103 ) schneidend; wobei die tiefe Implantation (105 ) einen unteren Teil der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone (110 ) bildet; wobei das BOX (103 ) einen oberen Teil der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone (110 ) bildet; wobei die Tiefgrabenisolierung (106 ) Wände der unabhängig spannungsgesteuerten Siliciumzone (110 ) bildet, wodurch die unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone (100 ) vollständig von einem Rest des Substrats isoliert wird; und Erzeugen einer Kontaktstruktur (107 ), um die unabhängig spannungsgesteuerte Siliciumzone (110 ) elektrisch mit einem Kontakt (108 ) zu verbinden. - Verfahren nach Anspruch 5, welches ferner ein Verbinden des Kontakts mit einer Spannungsquelle aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 5, welches ferner ein Verbinden des Kontakts (
108 ) mit einem Logiksignal aufweist.
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