JP2008521216A - 光デバイスと電子デバイスとを集積回路に集積する方法 - Google Patents

光デバイスと電子デバイスとを集積回路に集積する方法 Download PDF

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Abstract

光デバイスと電子デバイスとを半導体基板に集積する方法は、半導体基板の第1領域(22)の活性半導体層(14)に開口(24,26)を形成することを備え、第1領域は電子デバイス部に対応し、第2領域(20)は光デバイス領域に対応する。半導体層(46)はエピタキシャル成長して、第2領域(20)の露光された活性半導体層(14)を覆い、エピタキシャル成長した半導体層(46)は光デバイス層に対応する。電子デバイスの少なくとも一部は半導体基板の電子デバイス部(22)の活性半導体層(14)に形成される。方法は半導体基板の光デバイス部(20)のエピタキシャル成長した半導体層(46)の開口(60,62)を形成することを更に含み、開口(60,62)は光デバイスの一つ以上の特徴を形成する。

Description

本発明は異なるデバイス・タイプを一つの集積回路に提供することに関し、より詳細には光デバイスを電子デバイスと共に一つの集積回路に集積することに関する。
半導体処理及びリゾクラフィが改良され続けるに従い、トランジスタのスイッチング速度も改良され続け、その結果高性能の回路機能がもたらされる。回路は他の回路へ自身の出力を提供する。しばしば比較的長いバスがこれらの信号を搬送する。これらのバスは静電容量と抵抗とを固有に有し、その結果RC遅延が、バスにより搬送される電気信号に存在する。バスがより大きく作られて抵抗を低減するが、静電容量が増大する。また、多数のバスが存在するので、バスの大きさの増大が集積回路の大きさの増大をもたらす。正味の影響は、信号の搬送波にしばしば重大な速度制限がかかることである。トランジスタのスイッチング速度を更に増大すると全体の動作速度が比較的小さく増大する。
1つの困難は集積回路で信号送信のために光相互接続の利益を得る実際の方法を発見することであった。1つの大きな問題は、製造可能で且つトランジスタを製造する対価に見合う方法で光信号をルーティングすることである。対価は2つに対して異なり且つ、1方又は他方はわずかに機能的になるか又は非常に高価になる。
従って、光デバイスを電子デバイスと共に一つの集積回路に集積することに関する改良を提供する方法が求められている。
半導体基板に光デバイスと電子デバイスとを集積する方法は、半導体基板の第1領域の活性半導体層に開口を形成することを備え、第1領域は電子デバイス部に対応し、第2領域は光デバイス部に対応する。半導体層はエピタキシャル成長されて、第2領域の露光された活性半導体層を覆い、エピタキシャル成長された半導体層は光デバイス領域に対応する。電子デバイスの少なくとも一部は半導体基板の電子デバイス部にある活性半導体層に形成される。方法は半導体基板の光デバイス部のエピタキシャル成長された半導体層に開口を形成することを更に含み、開口は光デバイスの一つ以上の特徴を形成する。特徴の一つは、光デバイス部を覆うサリサイド(salicide)ブロック層を形成することと、電子デバイス部のサリサイド処理を行うことであって、サリサイド・ブロック層は光デバイス部のエピタキシャル成長した半導体層のサリサイド化を阻止することとであり、別の特徴は、電子デバイス部を覆う中間絶縁層と半導体基板の光デバイス部とを形成することである。
本発明は例示する方法で説明され、添付した図面によって制限されない。図面では、同じ参照番号は同じ要素を示す。
図面の要素は単純性及び明白性を目的として図示されており、縮尺どおりに描かれる必要が無いことに当業者は気づくであろう。例えば、図面におけるいくつかの要素の大きさは他の要素に比べて相対的に誇張されて、本発明の実施形態の理解の向上に役立つ。
一態様において、半導体デバイス構造は一つの集積回路に導波管とトランジスタとの両者を有する。SOIに形成される高性能の電子及び光構造に対する開始物質の厚さの要求は異なる。高性能電子機器と高性能光機器との両者が一つのウェーハ上に所望される場合、エピタキシャルなシリコン成長が、集積回路の一部分又は両部分の厚さを最適化するために必要とされる。活性半導体の厚さが700オングストローム以下程度である高性能SOIと互換であるように選択される開始SOI基板を利用して、トレンチ・アイソレーションがトランジスタの電気的分離を形成するために利用される。一実施形態では、電子デバイスのトレンチ・アイソレーション終了後に、エピタキシャルなシリコン成長が、高性能導波管を形成するためにより厚いシリコン層が望まれる回路の光領域で実行される。このような実施形態には、高温を伴う導波管領域形成がほとんどのトランジスタを形成する前に完了するという利益がある。
他の実施形態では、電子デバイス形成の間ウェーハの平面性を保つために、エピタキシャル形成がソース/ドレイン拡張形成の後に実行される。いずれの実施形態でも、除去可能なシリコンが光領域の光デバイスを形成するために利用される。このようなデバイスは、導波管、光格子結合器、光変調器、光波長選択ファイバ、又は導波管格子アレイ(arrayed waveguide grating)を含むが、これらには限定されない。サリサイド・ブロックが、導波管の不要な領域へのサリサイド形成を防止するために光デバイスの上方に利用される。
図1に示されるものは、分離層12と、分離層12の上の半導体層14と、半導体層14上のパッド酸化物層16と、窒化物層18とを備える半導体デバイス構造10である。半導体デバイス構造10は光デバイス領域20と電子デバイス領域22とに分割される。この例では、光デバイス領域20は導波管を形成するためのものであり、電子デバイス領域22はトランジスタを形成するためのものである。光デバイス領域22は開口24及び開口26を有する。開口24及び26は分離層12まで伸びる。半導体層14は好適には、約700オングストロームの程度の厚さの単結晶シリコンである。一実施形態では、分離層12は比較的厚いシリコン基板(図示せず)上の約8000オングストローム以上程度の酸化物を含む。正確な厚さは特定の光デバイスの要求によって決定される。ここで記載されたように、分離層12と半導体層14が一緒になったものは、分離(SOI)ウェーハ上の標準的な半導体に類似しているが、この場合、分離層12が従来のSIOウェーハに対応する注入された酸化層よりも厚いという点が異なる。開口24及び26を形成する間、光領域20はマスク化されるので、光領域20には開口が形成されない。開口24及び26のような開口はしばしばトレンチと称される。パッド酸化物16と窒化物18とはトレンチ形成の準備で利用される従来の層である。開口24及び開口26のライナー28,30,32及び34の形成後、従来のトレンチ充填が、好適には領域36及び38に示されるように高密度プラズマ(HDP)酸化物で実行される。CMPが実行されて浅トレンチ分離(STI:shallow trench isolation)処理モジュールが完了する。
図2に示されているものは、ウェーハ上でフォトリゾクラフィを利用して堆積され且つパターン化されたフォトレジストの層40であり、このように光領域20に開口42を作成する。フォトレジストは単一のスピンオン・レジスト又は反射防止膜とフォトレジストとの積層を含む。
図3に示されるように、パッド酸化物16及び窒化物18の一部が領域42のエッチング段階で除去されて、光デバイス領域20に開口44が形成される。フォトレジスト40は次に除去される。
図4に示されるものは、開口44に選択的にエピタキシャル成長するシリコンであって、選択的成長窓として膜積層18,16を利用する。エピタキシャル成長によってシリコン層を全体で約3000オングストロームまで厚くすることが意図される。実際の最終的なシリコン膜の厚さは光デバイスの特定のデバイスの要求によって決定される。結果的に成長したシリコンは領域46として描かれる。当業者には公知であるように、エピタキシャル成長は、シリコン表面が清浄で成長前に元々酸化物が無いように注意深い事前処理を必要とする。このような清掃は高温の水素燃焼で行われる。このような熱サイクルは、拡散がトランジスタ工程(transister flow)で形成された後は望ましくなく、従ってこの実施形態は標準的な電子機器工程の井戸形成の前にエピタキシャル工程を好適に配置する。
図5で示されるものは、パッド酸化物16と窒化物18の残留物とが領域22のエッチング段階で除去されたものである。窒化物のエッチングは電子機器領域22の酸化物16と光領域20のシリコンとでドライ・エッチング停止を好適に含む。
図6に示されるものは、標準的な半導体処理が続いて、ゲート電極堆積まで電子機器領域22にデバイスを構築することである。説明の単純性を保つために、光領域20から遮蔽されるこの領域の井戸注入は図示されない。ゲート絶縁体48は全構造に亘って成長又は堆積されて、次にゲート物質50がゲート絶縁体に堆積される。ゲート絶縁体48は帯又はパターン化された帯に従う第1の厚いゲート熱酸化物のいずれかによって形成され、次に、特定の電子機器又は光デバイスの必要性に応じてゲート酸化の次の又は複数の繰り返しが続けられる。
図7で示されるものは、領域22のゲート電極物質50のパターニング及びエッチングに続いて、ゲート電極52を形成する構造である。ゲート電極物質が光領域20の上から完全に除去されることに留意されたい。
図8で示されるものは、従来の手段を利用する電子機器領域にスペーサ形成(spacer formulatin)介する半導体デバイス構造10である。トランジスタは、半導体層14上のゲート絶縁体48と、ゲート絶縁体上のエッチングされたゲート電極52とを備える。ソース/ドレイン拡張54はイオン注入を経て形成される。スペーサ・ライナー(spacer liner)56はあらゆる場所に堆積され、側壁スペーサ58はゲート52の周りにスペーサ物質58をエッチングすることにより形成されて、スペーサ・ライナーで停止する。
図9に示されるものは、光領域20のエピタキシャル成長したシリコン46にトレンチ60及び62を形成した後の半導体デバイス構造10である。標準的なフォトリゾクラフィ技術を利用して、エピタキシャル・シリコン46の領域が開放されて、ライナー56とシリコン層46とが従来の時限シリコン・エッチング(timed silicon etch)を利用して次にエッチングされる。エッチングの深さは特定の光デバイスの要求に従って選択されるが、この実施形態では約1500オングストロームである。
図10に示されるものは、電子機器領域22においてソース・ドレイン拡散64,65,66及び67を形成し、光デバイス領域20において光接触拡散68及び70とを形成し、次にアニールした後の半導体デバイス構造10である。このような特徴はイオン注入によって形成され、好適な高速熱アニールを伴う任意の熱処理でアニールされる。
図11に示されるものは、サリサイド・ブロック層になることが意図される絶縁層72を堆積した後の半導体デバイス構造10である。
図12に示されるものは、堆積された活性領域14とゲート絶縁体領域52との上のサリサイド・ブロック膜72とスペーサ・ライナー酸化物56を選択的に除去した後の半導体デバイス構造10である。添付した図面では、単純化するために膜の残留物72は光デバイス領域20全体に存在するように示されるが、接触拡散が上方のメタライゼーション(metallization:図12には図示されない)に接続される光領域の一部で除去される。
図13に示されるものは、サリサイド処理74と次の中間絶縁堆積76及び平坦化を形成した後の半導体デバイス構造10である。サリサイド処理は、好適にはTiNキャップのTiを有するコバルト又はニッケルのような金属を堆積すること、金属と金属に接するシリコン14との間の反応を形成するアニールをすることと、反応しない金属を除去するエッチングとによる標準的な手段で形成される。更に熱サイクルがこの処理で利用される。膜72はこのようなサリサイドを、そうでなければ受け入れることができない光損失を含む光領域で形成することから特に保護する。中間層絶縁膜76又は膜の積層は堆積され、光デバイス部20の光デバイス用に横と上方の被覆層を同時に形成する。この段階の次に、コンタクトとメタライゼーションとが従来の電子技術の処理に従って形成される。
図14に示されるものは本発明の他の実施形態におけるデバイス10であり、電子デバイスのスペーサ堆積後までエピタキシャル成長が形成されない。この実施形態は、ゲート電極がパターニングされる前に平坦な表面を有する高性能CMOSの必要性に動機付けられ、従って、厳しい設計規則及び意欲的な限界寸法を達成する。前の実施形態では、大きな排他的領域がチップの光及び電子部の間に必要とされたことに留意されたい。しかし本実施形態では、大きな排他的領域は必要とされない。高性能電子機器を形成するための標準的な電子技術処理がスペーサ堆積に続く。電子機器部22は、図8で示されるスペーサ・エッチングの直前のものに類似する。光部分は活性シリコンのままである。とりわけ、ライナー絶縁56は全構造を覆うように図示され、好適には窒化物であるスペーサ物質はライナー絶縁56を覆うように図示される。
図15に示されているものは、開口がフォトリゾクラフィとエッチング技術とを利用してデバイスの光領域20のライナー56とスペーサ膜57とがパターニングされていることである。電子機器部22の全体はフォトレジストによってこのエッチングから保護されている。層56及び57の除去に続いて、フォトレジストがあらゆる場所から除去され、層56と57との残留物ハードマスクを形成して選択的にエピタキシャル成長をするために回路の光領域20上の領域を形成する。近似的に2300オングストロームのシリコンが層56及び57の開口に成長して、領域80のように全体で約3000オングストロームを形成する。シリコン80の正確で最終的な厚さは光デバイスの特定のデバイスの要求により決定される。
図16に示されるものは、スペーサ物質57がエッチングされてデバイスの電子部に側壁スペーサ58を形成したものである。このエッチングはフォトレジスト・マスクを選択的に利用して実行され、デバイスの光部分を保護する。次の処理は図9に示されるものに続くが、ライナー膜56がデバイスの光部分に存在せず、ライナーとスペーサ物質56及び57との残留物が、エピタキシャル物質(実施形態1の46及び実施形態2の80)がその内側で成長する窓の境界として存在する、という点が異なる。同様にして、残りの過程が、図面の同じ修正を有して図10〜13に続く。
これまでの詳細で、本発明は特定の実施形態を参照して記載されてきた。しかし、様々な修正及び変更が以下の請求項に説明される本発明の範囲から乖離せずに成され得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、集積化されたデバイスは任意の多数のアーキテクチャを有する。従って、詳細及び図面は制限という意味よりは説明として見なされるべきであり、このような修正の全ては本発明の範囲に入ることが意図される。
利益、他の優位性及び問題の解法は特定の実施形態に関して上に記載されてきた。しかし、利益、他の優位性、問題の解法及び利益、他の優位性又は問題の解法を生じさせる又はより明白となる任意の要素は、任意又は全ての請求項の決定的に重大である、必要とされる、又は本質的な特徴又は要素として構成されるべきではない。本明細書で利用されるように、用語「備える」、「備えている」又はこれらの任意の他の活用形は、非排他的包含を含むことが意図されており、要素のリストを備える工程、方法、物件、又は装置はこれらの要素を含むだけでなく、明白にリストアップされていない又はこのような工程、方法、物件、又は装置に固有な他の要素を含んでもよい。
本発明の第1実施形態の処理の段階に従う方法の理解に便利な半導体デバイス構造の断面図。 図1の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図2の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図3の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図4の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図5の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図6の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図7の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図8の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図9の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図10の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図11の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図12の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 本発明の第2実施形態の処理の段階に従う方法の理解に便利な半導体デバイスの断面図。 図14の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。 図15の処理の次の段階の半導体デバイス構造の断面図。

Claims (20)

  1. 光デバイスと電子デバイスとを半導体基板に集積するための方法であって、
    活性半導体層を有する半導体基板を提供すること、
    前記半導体基板の電子デバイス部に対応する第1領域における、活性半導体層に開口を形成し、且つ前記第1領域の活性半導体層に開口を前記形成している間、前記半導体基板の光デバイス部に対応する第2領域における、前記活性半導体層を保護すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部における前記活性半導体層の前記開口を充填物質で充填すること、
    前記半導体基板の前記第2領域における前記活性半導体層の一部を露光し、且つ前記第2領域における前記活性半導体の露光の間、前記半導体基板の前記第1領域を保護すること、
    前記第2領域における前記露光された活性半導体層を覆う半導体層をエピタキシャル成長させて、光デバイス領域に対応する半導体層を形成すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部における前記活性半導体層上に電子デバイスの少なくとも一部を形成すること、
    前記半導体基板の前記光デバイス部の前記エピタキシャル生長した半導体層に、光デバイスの1つ以上の特徴を形成する開口を形成すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部に電子デバイス部の更なる部分を形成すること
    を備える方法。
  2. 前記活性半導体層と前記エピタキシャル成長した半導体層とは、導波管を形成するに十分な組み合わされた合計の厚さを有する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記電子デバイスの前記一部を形成することは、前記半導体基板の前記電子デバイス部の前記活性半導体層にゲート絶縁体とゲート電極とを形成することを含み、更に前記半導体基板の前記電子デバイス部の前記ゲート電極のパターニングの間、前記ゲート絶縁体は前記半導体基板の前記光デバイス部の前記光デバイス領域を保護する、請求項1に記載の方法。
  4. 前記電子デバイスの前記一部を形成することは、スペーサ・ライナーと側壁スペーサとを形成することを更に含み、前記スペーサ・ライナーは前記活性半導体層の露光した一部と前記半導体基板の前記電子デバイス部における前記ゲート電極とに形成され、前記側壁スペーサは前記ゲート電極と前記側壁スペーサとの間の前記スペーサ・ライナーと共に前記ゲート電極の側壁に形成され、更に、前記半導体基板の前記電子デバイス部における前記側壁スペーサを形成している間、前記スペーサ・ライナーは前記半導体基板の前記光デバイス部における前記光デバイスを保護する、請求項3に記載の方法。
  5. 前記半導体基板の前記電子デバイス部における前記活性半導体層の前記開口を形成することは、開口をエッチングすることを含み、前記トレンチ・ライナーを形成することは、エッチングされた前記側壁を不動化し、前記開口の角を取り且つ、前記半導体基板の前記電子デバイス部における前記活性半導体層の開口間の前記活性半導体層における応力を最適化するのに最適化された酸化処理を含む、請求項1に記載の方法。
  6. 前記エピタキシャル成長した半導体層の前記開口を形成することは、前記半導体基板の前記光デバイス部の前記光デバイス領域に光導波管を形成する、請求項1に記載の方法。
  7. 前記電子デバイスの前記更なる一部を形成することは、ソース/ドレイン注入領域を形成すること含み、更に前記ソース/ドレイン注入領域を形成することは、前記半導体基板の前記光デバイス部の前記エピタキシャル生長した半導体層に電気コンタクト領域を形成することも含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記半導体基板の前記光デバイス部を覆うサリサイド・ブロック層を形成すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部のサリサイド処理を行って、前記サリサイド・ブロック層が前記半導体基板の前記光デバイス部の前記エピタキシャル成長した半導体のサリサイド化を阻止すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部と前記光デバイスとを覆う中間絶縁層を形成することを更に備え、
    サリサイド処理を行うことは前記エピタキシャル成長した半導体層の前記電気コンタクト領域のサリサイド処理を行うことを含む、
    請求項7に記載の方法。
  9. サリサイド処理を行うことは、前記半導体基板の前記光デバイス部と前記電子デバイス部を覆うサリサイド化メタライゼーションと、前記サリサイド化メタライゼーションをアニールして前記半導体基板の前記電子デバイス部の半導体物質の露光した領域にサリサイド処理された領域を形成することを含み、前記サリサイド・ブロック層は、前記半導体基板の前記光デバイスの前記活性半導体層を覆う前記サリサイド化メタライゼーションのサリサイド化を阻止する、請求項8に記載の方法。
  10. 前記半導体基板の前記光デバイス部は、光格子結合器、導波管、波長選択性フィルタ、光変調器又は導波管格子アレイの一つ以上を備える、請求項1に記載の方法。
  11. 光デバイスと電子デバイスとを半導体基板に集積するための方法であって、
    活性半導体層を有する半導体基板を提供すること、
    前記半導体基板の電子デバイス部に対応する第1領域における、活性半導体層に開口を形成し、且つ前記第1領域の活性半導体層に開口を前記形成している間、前記半導体基板の光デバイス部に対応する第2領域における、前記活性半導体層を保護すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部における前記活性半導体層の前記開口を充填物質で充填すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部の前記活性半導体層の電子デバイスの少なくとも一部を形成すること、
    前記半導体基板の前記第1及び第2領域を覆う第1絶縁層と第2絶縁層とを堆積すること、
    前記半導体基板の前記第2領域における前記活性半導体層の一部を露光し、且つ前記第2領域における前記活性半導体の前記露光の間、前記半導体基板の前記第1領域を保護すること、
    前記第2領域における前記露光された活性半導体層を覆う半導体層をエピタキシャル成長させて、光デバイス領域に対応する半導体層を形成すること、
    前記第2絶縁層をパターニング及びエッチングして、前記ゲート電極と前記側壁スペーサとの間の前記第1絶縁層の一部を有する前記ゲート電極の側壁の側壁スペーサを形成すること、
    前記半導体基板の前記光デバイス部の前記エピタキシャル生長した半導体層に、光デバイスの1つ以上の特徴を形成する開口を形成すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部に電子デバイスの更なる一部を形成すること
    を備える方法。
  12. 前記電子デバイスの前記一部を形成することは、前記半導体基板の前記電子デバイス部の前記活性半導体層上にゲート絶縁体とゲート電極とを形成することを含み、更に前記半導体基板の前記電子デバイス部の前記ゲート電極のパターニングの間、前記ゲート絶縁体は前記半導体基板の前記光デバイス部における前記光デバイス領域を保護する、請求項11に記載の方法。
  13. 前記活性半導体層と前記エピタキシャル成長した半導体層とは導波管を形成するに十分な組み合わされた合計の厚さを有する、請求項11に記載の方法。
  14. 前記開口を形成することは、前記半導体基板の前記光デバイス部の前記光デバイス領域に光導波管を形成形成する、請求項11に記載の方法。
  15. 前記電子デバイスの更なる一部を形成することは、ソース/ドレイン注入領域を形成することを含む、請求項11に記載の方法。
  16. 更に、前記ソース/ドレイン注入領域を形成することは、前記半導体基板の前記光デバイス部の前記光デバイス領域の前記光導波管に隣接する前記エピタキシャル成長した半導体層に電気コンタクト領域を形成することも含む、請求項15に記載の方法。
  17. 前記半導体基板の前記光デバイス部を覆うサリサイド・ブロック層を形成すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部をサリサイド処理を行って、前記サリサイド・ブロック層が前記半導体基板の前記光デバイス部の前記エピタキシャル成長した半導体のサリサイド化を阻止すること、
    前記半導体基板の前記電子デバイス部と前記光デバイスとを覆う中間絶縁層を形成することを更に備え、
    サリサイド処理を行うことは前記エピタキシャル成長した半導体層の前記電気コンタクト領域にサリサイド処理を行うことを含む、
    請求項16に記載の方法。
  18. 前記サリサイド・ブロック層を形成することは、前記半導体基板の前記光デバイス部及び前記電子デバイス部上にTEOSを堆積し、次に前記電子デバイス部から前記TEOSを除去することを備える、請求項17に記載の方法。
  19. サリサイド処理を行うことは、前記半導体基板の前記光デバイス部と前記電子デバイス部を覆うサリサイド化メタライゼーションと、前記サリサイド化メタライゼーションをアニールして前記半導体基板の前記電子デバイス部の半導体物質の露光した領域にサリサイドした領域を形成することを含み、前記サリサイド・ブロック層は前記半導体基板の前記光デバイスの前記活性半導体層を覆う前記サリサイド化メタライゼーションのサリサイド化を阻止する、請求項17に記載の方法。
  20. 前記半導体基板の前記光デバイス部は、光格子結合器、導波管、波長選択性フィルタ、光変調器又は導波管格子アレイの一つ以上を備える、請求項11に記載の方法。
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