DE19706801C2 - Schottky-Sperrschichtdiode des Grabentyps - Google Patents

Schottky-Sperrschichtdiode des Grabentyps

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, eine Schottky- Sperrschichtdiode (SBD) des Grabentyps, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt als Schnittansicht eine Schottky- Sperrschichtdiode (SBD) des Grabentyps (sogenannter interner Stand der Technik). Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist eine Epitaxieschicht 12 des N--Typs auf einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats 11 des N+-Typs vorgesehen, und sind Gräben 13 in der Epitaxieschicht 12 des N--Typs angeordnet. Eine Polysiliziumschicht 14 des P+-Typs mit hoher Verunreinigungskonzentration wird dann ausgebildet, und füllt die Gräben 13. Auf der Oberfläche der Epitaxieschicht 12 wird ein Schottky-Metall 15 (eine Anodenelektrode) so ausgebildet, daß die Polysiliziumschicht 14 abgedeckt wird. Auf der anderen Oberfläche des Substrats 11 ist eine Ohmsche Elektrode (Kathodenelektrode, nicht gezeigt) angeordnet. Ein Oberflächenbereich 16 des Schottky-Metalls 15 auf der Epitaxieschicht 12, der zwischen zwei Polysiliziumschichten 14 angeordnet ist, dient als Diodenbetriebsbereich.
Die Fig. 2A-2E sind Schnittansichten, die dazu dienen sollen, nacheinander die Schritte des Herstellungsverfahrens der in Fig. 1 gezeigten SBD des Grabentyps zu zeigen, nämlich vom Schritt der Ausbildung der Gräben zu dem Schritt der Ausbildung des Schottky-Metalls. Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnen der Einfachheit halber gleiche oder entsprechende Abschnitte.
Wie in Fig. 2A gezeigt ist, wird ein CVD-Oxidfilm 17 mit einer Dicke von 400 nm mittels CVD (chemische Dampfablagerung) auf der Epitaxieschicht 12 ausgebildet, die auf dem Substrat 11 angeordnet ist. Unter Verwendung des dann mit einem Muster versehenen CVD-Oxidfilms als Maske wird der Graben 13 mit einer Öffnung, deren Breite und Tiefe weniger als 2 µm beträgt, in der Epitaxieschicht 12 mittels RIE (reaktive Ionenätzung) ausgebildet. Dann wird ein Vorgang zur Minimalisierung der Beschädigungen an den Seitenwänden des Grabens 13 durchgeführt (beispielsweise ein Vorgang wie die Naßätzung unter Verwendung einer alkalischen Flüssigkeit). Dann wird mittels CVD eine undotierte Polysiliziumschicht 18 mit einer Dicke von 800-1000 nm ausgebildet, welche wie in Fig. 2B gezeigt den Graben 13 füllt. Fig. 2C zeigt, daß dann die undotierte Polysiliziumschicht 18 mittels RIE auf dasselbe Niveau wie die Oberfläche der Epitaxieschicht 12 zurückgeätzt wird. Dann wird, wie in Fig. 2D gezeigt, eine Verunreinigung des p-Typs (Bor) in die undotierte Polysiliziumschicht 18 in dem Graben eindotiert, unter Verwendung der CVD-Oxidfilmmaske, die auch in dem Grabenerzeugungsschritt verwendet wurde. Dann wird mit der entstandenen Vorrichtung ein Erhitzungsschritt durchgeführt, wodurch die in die undotierte Polysiliziumschicht 18 eindotierte Verunreinigung diffundiert, wie in Fig. 2E gezeigt ist. Durch Diffusion der Verunreinigung auf diese Art und Weise wird eine Polysiliziumschicht 14 des p-Typs in dem Graben 13 ausgebildet. Daraufhin wird ein Schottky-Metall 15 mittels Sputtern auf den Oberflächen der Epitaxieschicht 12 und der undotierten Polysiliziumschicht 14 ausgebildet.
Allerdings weist die voranstehend geschilderte Anordnung einige Schwierigkeiten auf, von denen einige nachstehend erläutert werden. Zunächst einmal kann die undotierte Polysiliziumschicht 18, die mittels CVD in dem Graben abgelagert wurde, die Innenwände des Grabens beschädigen. Die undotierte Polysiliziumschicht 18 wird mittels CVD hergestellt, und weist daher unvermeidlich ein grobes Korn auf. Vor der Ablagerung der undotierten Polysiliziumschicht wird die Epitaxieschicht 12, welche die Innenwände des Grabens bildet, durch den RIE-Schritt zur Ausbildung des Grabens 13 beträchtlich beeinflußt. Die so beeinflußte Epitaxieschicht wird der Ablagerung einer derartigen grobkörnigen Polysiliziumschicht ausgesetzt, und die Grenzfläche zwischen dem durch Epitaxie abgeschiedenen (also einkristallinen) Silizium und dem abgelagerten Polysilizium wird unvermeidlich negativ beeinflußt. Dies stellt die Hauptursache für eine Erhöhung des Kriechstroms dar, der im Betrieb der Vorrichtung auftritt.
Zweitens kann ein strukturelles Problem auftreten. Je kleiner die Vorrichtung ist, desto schwieriger ist es, einen großen Betriebsbereich sicherzustellen. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, muß notwendigerweise die Breite der Öffnung des Grabens 13 verringert werden, wenn gewünscht ist, daß der Diodenbetriebsbereich so ausgebildet ist, daß er eine große Fläche in einer begrenzten Fläche aufweist, in welcher der Graben vorhanden ist. Allerdings kann die Grabenöffnung nicht so weitgehend verkleinert werden, daß sie kleiner als eine spezifische Grenze wird. Daher kann die Vorrichtung nicht kleiner ausgebildet werden, ohne den Betriebsbereich zu verkleinern.
Drittens tritt auch ein Problem in bezug auf das Herstellungsverfahren auf. Der Rückätzschritt für die undotierte Polysiliziumschicht 18 muß mit beträchtlicher Sorgfalt kontrolliert werden, da anderenfalls die Verläßlichkeit der Vorrichtung beeinträchtigt wird. Fig. 2C zeigt, daß die Polysiliziumschicht 18 bis auf ein Niveau sehr nahe an der Oberfläche der Epitaxieschicht 12 zurückgeätzt wird. Allerdings kann das Niveau der Rückätzung auf diese Art und Weise kaum gut kontrolliert werden. Wenn der Rückätzschritt in einem Zustand endet, in welchem das Niveau der Polysiliziumschicht 18 extrem höher oder niedriger ist als das Niveau der Epitaxieschicht 12, können in dem in dem darauffolgenden Schritt erzeugten Schottky-Metall 15 einige Spalte auftreten.
Wie voranstehend geschildert vergrößert sich bei der in der Fig. 1 gezeigten Schottky-Sperrschichtdiode des Grabentyps der infolge der Beschädigungen der Innenwand des Grabens erzeugte Kriechstrom unvermeidlich, und kann keine große Fläche für den Betriebsbereich sichergestellt werden. Weiterhin muß das Herstellungsverfahren verbessert werden, um eine hohe Verläßlichkeit sicherzustellen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer Halbleitervorrichtung, welche eine Verringerung des Kriechstroms erreichen kann, eine Vergrößerung der Diodenbetriebsbereichsfläche, und welche daher klein ausgebildet werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Schottky-Sperrschichtdiode zur Verfügung gestellt, welche aufweist:
eine Halbleiterschicht mit einem ersten Leitfähigkeitstyp;
einen in der Halbleiterschicht vorgesehenen Halbleiterbereich mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp;
einen Grabenbereich, der so ausgebildet ist, daß er von einer Oberfläche des Halbleiterbereichs zur Halbleiterschicht reicht, und mit einer Epitaxieschicht gefüllt ist, welche den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist; sowie eine Metallelektrode, welche in Kontakt mit der Oberfläche der Epitaxieschicht steht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung füllt die Epitaxieschicht den Grabenbereich. Die Beschädigung der Innenwände des Grabens ist erheblich geringer im Vergleich zur konventionellen Vorrichtung. Da der Grabenbereich mit der Epitaxieschicht gefüllt ist, wird praktisch kein Kriechstrom infolge einer Beschädigung der Innenwände des Grabens hervorgerufen. Weiterhin weist die Epitaxieschicht in dem Grabenbereich den ersten Leitfähigkeitstyp auf, ebenso wie die Halbleiterschicht. Der Diodenbetriebsbereich wird daher auf dem Grabenbereich ausgebildet, so daß er dieselbe Breite aufweist wie der Graben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile hervorgehen. Die Ziele und Vorteile der Erfindung können durch die Einrichtungen und Kombinationen erreicht oder verwirklicht werden, die insbesondere in den beigefügten Patentansprüchen angegeben sind.
Die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden, und zu dieser gehören, erläutern momentan bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, und dienen zur Erläuterung der Grundlagen der vorliegenden Erfindung, zusammen mit der voranstehenden, allgemeinen Beschreibung sowie der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht der SBD des Grabentyps;
Fig. 2A-2E Schnittansichten, welche hintereinander den Herstellungsvorgang für die in Fig. 1 gezeigte SBD des Grabentyps zeigen, nämlich von dem Grabenausbildungsschritt zum Schottky-Metall- Ausbildungsschritt;
Fig. 3 eine Schnittansicht einer SBD des Grabentyps gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A-4D Schnittansichten zur Erläuterung der aufeinanderfolgenden Schritte des Herstellungsverfahrens für die SBD des Grabentyps gemäß der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 3 gezeigt ist, also von dem Grabenausbildungsschritt zum Schottky-Metall-Ausbildungsschritt; und
Fig. 5 eine Schnittansicht einer SBD des Grabentyps gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, welche die SBD des Grabentyps gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Figur zeigt, wie eine Epitaxieschicht 12 des N-- Typs auf einem Siliziumsubstrats 11 des N+-Typs erzeugt wird.
In einem vorbestimmten Bereich in der Epitaxieschicht 12 wird eine Basisdiffusionsschicht 2 des P+-Typs ausgebildet, die eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweist. Gräben 3 werden so ausgebildet, daß sie von der Oberfläche der Basisdiffusionsschicht 2 bis zur Epitaxieschicht 12 durchgehen. In jedem der Gräben 3 wird ein Bereich 4 des N-- Typs durch selektives Epitaxiewachstum abgelagert. Ein Schottky-Metall 5 (Anode) wird auf einer Oberfläche ausgebildet, welche die Oberflächen der Basisdiffusionsschicht 2, der Epitaxieschicht 12 und der Bereiche 4 für selektives Epitaxiewachstum umfaßt. Eine weitere Oberfläche des Substrats 11, auf welchem die Epitaxieschicht 12 nicht vorgesehen ist, wird mit einer Ohmschen Elektrode (Kathode, nicht gezeigt) versehen. Oberflächenbereiche 6 als die Oberflächen der Bereiche 4 für selektives Epitaxiewachstum, welche die Gräben 3 füllen, arbeiten als Diodenbetriebsbereiche.
Die Fig. 4A-4D zeigen als Schnittansichten die aufeinanderfolgenden Schritte des Herstellungsverfahrens für die SBD des Grabentyps gemäß der vorliegenden Erfindung, welche in Fig. 3 gezeigt ist, also von dem Grabenausbildungsschritt zum Schottky-Metall- Ausbildungsschritt. Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 3 werden zur Vereinfachung zur Bezeichnung gleicher oder entsprechender Abschnitte verwendet.
Wie aus Fig. 4A hervorgeht, wird die Basisdiffusionsschicht 2 mit einer Dicke von 0,5-1,5 µm auf der Epitaxieschicht 12 auf dem Siliziumsubstrat 11 des N+-Typs ausgebildet. Die Basisdiffusionsschicht 2 wird so hergestellt, daß Selektivionen einer Verunreinigung des P+-Typs (beispielsweise Bor) mit hoher Konzentration in Grabenausbildungsbereiche implantiert werden, die später noch genauer erläutert werden. Die Konzentration der Verunreinigung ist auf einen Wert um 1 × 1018/cm-3 herum eingestellt. Dann wird, wie in Fig. 4B gezeigt ist, ein CVD- Oxidfilm 7 mit einer Dicke von 400 nm so ausgebildet, daß er mittels CVD auf der Basisdiffusionsschicht 2 abgelagert wird, und dann mit einem Muster versehen wird. Unter Verwendung des mit einem Muster versehenen CVD-Oxidfilms 7 als Maske werden Gräben 3 durch anisotrope RIE so ausgebildet, daß sie eine Breite und eine Tiefe von weniger als jeweils 2 µm aufweisen. Die Gräben werden so ausgebildet, daß sie zumindest durch die Basisdiffusionsschicht 2 hindurchgehen. Dann wird ein Vorgang zur Minimalisierung der Beschädigungen der Seitenwände des Grabens 3 durchgeführt, beispielsweise ein Vorgang wie eine Naßätzung unter Verwendung einer alkalischen Flüssigkeit. Dann wird eine Epitaxieschicht des N--Typs (ein Bereich für selektives Epitaxiewachstum) 4 mit einer Verunreinigungskonzentration von 1 × 1017 bis 1019/cm-3 auf der Bodenoberfläche des Grabens 3 ausgebildet (der freigelegten Oberfläche der Epitaxieschichten 12 in dem Graben 3), mittels Durchführung eines selektiven Epitaxiewachstums auf der Bodenoberfläche des Grabens unter Verwendung des übrigbleibenden CVD-Oxidfilms als Maske. Durch Ausbildung der Epitaxieschicht 4 auf diese Weise wird die Epitaxieschicht 4 bis zu den Rändern des Grabens 3 abgelagert, also bis zum selben Niveau wie den in der Oberfläche der Basisdiffusionsschicht 2, welche den Graben 3 umgibt, so daß sie den Graben ausfüllen. Dann wird, wie in Fig. 4D gezeigt, der CVD-Oxidfilm entfernt, und wird mittels Sputtern auf eine Siliziumoberfläche, welche die Oberflächen der Basisdiffusionsschicht 2 und des Bereichs 4 für selektives Epitaxiewachstum umfaßt, ein Schottky-Metall 5 ausgebildet.
Bei dem voranstehend geschilderten Verfahren werden die Gräben 3, die so ausgebildet werden, daß sie durch die Basisdiffusionsschicht und die Epitaxieschicht hindurchgehen, mit dem Bereich 4 für selektives Epitaxiewachstum gefüllt. Daher können Beschädigungen der Innenwand der Gräben wesentlich unterdrückt werden, im Vergleich zu dem konventionellen Verfahren, bei welchem ein unterschiedliches Material als jenes des Grabens, nämlich Polysilizium, in dem Graben abgelagert wird, der in der Epitaxieschicht vorgesehen ist. Dies führt dazu, daß Kriechströme infolge derartiger Beschädigungen wesentlich verringert werden können.
Weiterhin funktionieren die Oberflächenbereiche 6 als die Oberfläche jedes der Bereiche 4 für selektives Epitaxiewachstum, welche die Gräben 3 füllen, welche das Schottky-Metall 5 berühren, als die Diodenbetriebsbereiche. Anders ausgedrückt ist die Breite jedes der Oberflächenbereiche 6 die Breite der Diodenbetriebsbereiche. Durch Ausbildung der Diodenbetriebsbereiche auf diese Art und Weise können die Abmessungen der Vorrichtung stärker verringert werden, unter Vergrößerung der Diodenbetriebsbereiche, im Vergleich zum konventionellen Fall, in welchem der Diodenbetriebsbereich zwischen den Gräben ausgebildet wird. Bei diesem Aufbau ist die Breite der Oberflächenbereiche 6 als Diodenbetriebsbereiche auf den Gräben 3 auf weniger als 2 µm eingestellt, um die Abmessungen der gesamten Vorrichtung zu verringern.
Zusätzlich wird der Bereich 4 für selektives Epitaxiewachstum so ausgebildet, daß er nur die Gräben füllt, und zwar mittels Selbstausrichtung. Durch Ausbildung der Bereiche 4 für selektives Epitaxiewachstum auf diese Art und Weise kann der Rückätzschritt übersprungen werden, der sich nicht einfach durchführen läßt, und daher bislang ein Problem für das SBD- Herstellungsverfahren darstellte. Dies führt dazu, daß die bisherigen Schwierigkeiten bei dem Herstellungsverfahren überwunden werden und daher die Verläßlichkeit der Vorrichtung verbessert werden kann.
Weiterhin werden die Gräben 3 mittels RIE ausgebildet, und daher ist der obere Bereich der Gräben 3, der in Kontakt mit dem Schottky-Metall 5 steht, mit einer größeren Breite ausgebildet als die unteren Bereiche der Gräben 3, welche in Kontakt mit der Epitaxieschicht stehen. Die Betriebsbereiche der SBDs gemäß der vorliegenden Erfindung liegen jeweils innerhalb der Breite des Grabens, und sind daher größer ausgebildet, im Vergleich zur konventionellen Vorrichtung. Bei diesem Aufbau wird das elektrische Feld, welches an der Grenzfläche zwischen den SBDs hervorgerufen wird, durch den pinch-off-Zustand abgeschwächt, der durch die Verarmungsschichten erzeugt wird, die von dem PN-Übergang ausgehen, der auf den Innenwänden der Gräben ausgebildet wird, und daher kann der Kriechstrom IR auch durch diese Anordnung verringert werden.
Wenn die Gräben zu tief ausgebildet werden, steigt die Kapazität der Bereiche 4 für Epitaxiewachstum an, und kann es geschehen, daß der pinch-off-Zustand nicht erzielt wird. Falls der pinch-off-Zustand nicht erzielt werden kann, so kann der voranstehend geschilderte Effekt nicht erzielt werden. Um dies zu verhindern, werden die Tiefen der Gräben (in Fig. 3 durch die Bezugsziffer 8 bezeichnet) so festgelegt, daß sie kleiner sind als 2 µm. Falls gewünscht ist, daß die Gräben eine geringere Tiefe aufweisen, so kann die Tiefe der Gräben auf einen Wert verringert werden, der im wesentlichen gleich ist wie der Wert des Basisdiffusionsbereiches 2, obwohl die Gräben 3 so ausgebildet werden müssen, daß sie zumindest den Boden des Basisdiffusionsbereiches 2 erreichen.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht, welche die SBD des Grabentyps gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführung sind mehr Gräben 3 als in Fig. 3 in der Vorrichtung vorgesehen. Aus diesem Aufbau wird deutlich, daß mehr Betriebsbereiche als bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung auf einer begrenzten Fläche erhalten werden können, welche die Öffnungen der Gräben abdeckt.
Bei den voranstehend geschilderten Anordnungen wird das SBD- Element dadurch ausgebildet, daß Silizium als Substrat und eine Silizium-Epitaxieschicht als Basisdiffusionsschicht verwendet wird, jedoch kann das Element auch mit einem Galliumarsenid-Substrat und einer Galliumarsenid- Epitaxieschicht hergestellt werden. Als Schottky-Metall als Elektrode können verschiedene Metalle verwendet werden, beispielsweise Nickel, Molybdän, Titan oder Gold. Es kann auch eine Elektrode aus einer entsprechenden Legierung oder einem entsprechenden Mehrschichtaufbau eingesetzt werden.
Wie voranstehend geschildert, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung gestellt werden, bei welcher die Gräben mit der Epitaxieschicht gefüllt werden, um den Betriebsbereich innerhalb der Breite des Grabens auszubilden, wodurch Beschädigungen der Innenwände der Gräben wesentlich verringert werden, eine Verringerung des Kriechstroms infolge derartiger Beschädigungen erzielt werden kann, sowie eine Vergrößerung des Diodenbetriebsbereiches, wodurch die Gesamtabmessungen der Vorrichtung verringert werden können, ohne den Diodenbetriebsbereich zu verkleinern.
Fachleuten auf diesem Gebiet werden zusätzliche Vorteile und Abänderungen sofort auffallen. Daher soll die Erfindung in ihrem Gesamtaspekt nicht auf die spezifischen Details und beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, die hier gezeigt und beschrieben wurden. Es lassen sich daher verschiedene Abänderungen vornehmen, ohne vom Wesen und Umfang des Grundkonzepts der Erfindung abzuweichen, die sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen ergeben und von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein sollen.

Claims (7)

1. Schottky-Sperrschichtdiode, welche aufweist:
eine Halbleiterschicht (12) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp;
einen in der Halbleiterschicht (12) vorgesehenen Halbleiterbereich (2), der einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist;
einen Grabenbereich (3), der so ausgebildet ist, daß er von einer Oberfläche des Halbleiterbereichs (2) bis zur Halbleiterschicht (12) hindurchgeht, und mit einer Epitaxieschicht (4) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp gefüllt ist; und
eine Metallelektrode (5), welche in Kontakt mit der Oberfläche der Epitaxieschicht steht.
2. Schottky-Sperrschichtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitersubstrat (11) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehen ist, welches unter der Halbleiterschicht (12) so ausgebildet ist, daß es in Kontakt mit einer Ohmschen Kontaktelektrode steht, wobei die Halbleiterschicht (12) eine Epitaxieschicht des Halbleitersubstrats (11) ist.
3. Schottky-Sperrschichtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberer Abschnitt des Grabenbereichs (3), der in Kontakt mit der Metallelektrode steht, eine größere Breite aufweist als ein unterer Abschnitt des Grabenbereichs (3), der in Kontakt mit der Halbleiterschicht (12) steht.
4. Schottky-Sperrschichtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberer Abschnitt des Grabenbereichs (3), der in Kontakt mit der Metallelektrode steht, eine größere Breite aufweist als ein unterer Abschnitt des Grabenbereiches (3), der in Kontakt mit der Halbleiterschicht (12) steht, und daß die Breite (6) des oberen Abschnitts des Grabenbereichs (3) kleiner als 2 µm ist.
5. Schottky-Sperrschichtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grabenbereich (3) so ausgebildet ist, daß er im wesentlichen dieselbe Tiefe aufweist, wie der Halbleiterbereich (2) dick ist.
6. Schottky-Sperrschichtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grabenbereich (3) und der Halbleiterbereich (2) so ausgebildet sind, daß sie eine Tiefe von 2 µm von der Oberfläche des Halbleiterbereichs (2) aufweisen.
7. Schottky-Sperrschichtdiode nach einem der Ansprüche 1-­ 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Grabenbereiche (3) so angeordnet sind, daß ihre Öffnungen in vorbestimmten Abständen auf einer Oberfläche des Halbleiterbereichs (2) liegen.
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