JP2717233B2 - 絶縁ゲイト型電界効果半導体装置およびその作製方法 - Google Patents
絶縁ゲイト型電界効果半導体装置およびその作製方法Info
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Description
するものであり、特に液晶表示装置や完全密着型イメー
ジセンサ装置等に適用可能なものである。
半導体装置は、様々な分野で幅広く使用されている。こ
の半導体装置はシリコン基板上に形成されたものであ
り、多数の半導体素子を機能的に集積させて、ICまた
はLSIとして利用されている。
装置ながら、絶縁基板上等シリコン基板以外に薄膜を積
層して形成された薄膜型の絶縁ゲイト型電界効果半導体
装置(以下TFTという)が液晶表示装置の画素のスイ
ッチング素子部分、駆動回路部分あるいは密着型イメー
ジセンサの読み取り回路部分等に積極的に使用されはじ
めている。
気相法により薄膜を積層して形成するので、その作製雰
囲気温度が最高で500℃程度と低温で形成でき、安価
なソーダガラス、ホウケイ酸ガラス等を基板として用い
ることができる。
の作製する最大寸法は薄膜を気相法にて形成する装置の
寸法にのみ限定されるもので、容易に大面積基板上にト
ランジスタを形成できる利点を持ち、このため、多量の
画素を持つマトリクス構造の液晶表示装置や一次元また
は二次元のイメージセンサへの利用を期待され、一部実
現されている。
に示す。
基板であり、2は非晶質半導体よりなる薄膜半導体、3
はソース、ドレイン領域で、7はソース、ドレイン電
極、11はゲイト電極であります。
れる半導体層は気相法により形成されるものであるた
め、従来のICやLSIに使用されていた半導体層に比
べ、ホール及び電子の移動度は相当小さく、通常は熱処
理を行い半導体層2を結晶化させる工夫を行なってい
た。
ように、通常はゲイト電極上に比較的厚い窒化珪素膜、
酸化珪素膜等の層間絶縁膜4を設けてゲイト電極11を
おおい、フォトリソ法によってこの層間絶縁膜にコンタ
クトホールを設け、このコンタクトホール部分にて、ソ
ース、ドレイン電極7とソース、ドレイン領域3とを電
気的に接続する。このような位置にソースまたはドレイ
ンへの給電点を設けた場合、各給電点とチャネル端部ま
での距離Lが相当長くなる。
作られるTFTでは、本来キャリアの移動度が低いの
で、不純物をドープしても、やはり導電率が低いため、
抵抗がこの距離Lの部分に生じる。この為にTFTの周
波数特性の低下やON抵抗の増加を招いていた。
TFTに要する面積が増し、限られた基板寸法中に所定
の数のTFTを設けることが、難しくなっていた。
果半導体装置のチャネル領域に隣接したソースまたはド
レイン領域への給電点とチャネル端部までの距離Lを短
くするためにTFTを改良したものである。
電極としてアルミニウムを使用し、前記ゲイト電極の少
なくとも側面がアルミニウムの酸化物で覆われているこ
とを特徴とするものであります。また、このゲイト電極
側面のアルミニウムの酸化物の端面と概略一致して、ソ
ースまたはドレイン領域の取り出し電極用のコンタクト
ホールが設けられていることを特徴とするものでありま
す。
すために、必要があれば、基板上に水素を含んだシリコ
ンを主成分とする半導体被膜を形成した後に前記シリコ
ンを主成分とする半導体被膜に対して、熱処理すること
により結晶性を有する構造に変性させることにより、こ
の移動度の値を改善する。また、給電点からの距離Lを
最小にするために、ゲイト電極をアルミニウムで形成
し、このゲイト電極の周囲を酸化させて、少なくとも側
面に酸化アルミニウムを形成することを特徴とするもの
であります。
存在する酸化アルミニウム膜を利用して、ゲイト電極お
よび酸化アルミニウムの端部と概略一致させてソースま
たはドレイン領域の取り出し電極用のコンタクトホール
をセルファライン的に形成することを特徴とするもので
あります。
にあるように、ゲイト電極8の少なくとも側面には酸化
アルミニウム10が設けられており、この酸化アルミニ
ウムの端面に概略一致してソース、ドレイン用の電極7
がソース、ドレイン領域3と接続されている。この様な
構成により、前述の電極の給電点からチャネル領域まで
の距離Lを短くすることを実現したものであります。
抗を減らすことに関しては理想であるが(図ではほぼゼ
ロになっている)プロセス技術上の問題で、例えばソー
ス、ドレイン領域が若干ゲイト電極下に回り込んだりす
る為、完全にゼロにはできないが、短くするだけで相当
の効果を期待できる。
ム膜は図1では側面と上面つまり外部に露呈している部
分に形成されているが、本発明では特に全ての周囲に酸
化アルミニウムが設けられている必要は必ずしもなく、
距離Lを短くする為に少なくとも側面付近を覆って存在
させるだけでよい、一方このように全部に設けられてい
る場合、コンタクトホールを作製する場合にこの酸化ア
ルミニウムはエッチングされにくいので、こののままマ
スクの一部として利用することができる。さらに、この
酸化アルミニウム膜上を他の配線、例えばソース電極の
配線を交差させて、立体的な配線を容易に行えるので、
集積化の際のレイアウトが簡単になる。
アルミニウムの端部とソースまたはドレイン領域の取り
出し電極用のコンタクトホールを概略一致させるとは、
ゲイト電極および酸化アルミニウムの端部を利用して、
セルファラインでコンタクトホールを形成した結果形成
される構造は当然含み、また他の方法によりフォトマス
クを使用し位置合わせでできるマスクのズレで形成され
る範囲も含まれる。すなわち、後者の場合、図1に示す
ように絶縁膜5にコンタクト部分のみを形成する場合、
絶縁膜9の端部と酸化アルミニウムの端部とがマスク合
わせの際にずれることがあるがそのような場合も含む。
また前者の場合のように酸化アルミニウムをマスクとし
て積極的に利用する、すなわち絶縁膜をエッチングする
範囲をゲイト電極上まで含めるとゲイト電極上に絶縁膜
9は残存せず、ソースまたはドレイン領域の端は確実に
酸化アルミニウム10となり、距離Lを短くすることが
できる。
を形成する方法としては、このゲイト電極を陽極酸化し
て、形成することが考えられる。この陽極酸化とは、酸
溶液中にて、電流を流すことにより、アルミニウムのゲ
イト電極を電気化学反応により、酸化させるものである
が、形成された酸化膜が緻密で酸化速度の早いものであ
れば、他の方法でも当然利用できる。
る。
液晶電気光学装置に本発明のTFTを適用した例を示
す。この図において、液晶装置の各画素にはNチャネル
型薄膜トランジスタ22とPチャネル型薄膜トランジス
タ21とが相補型構成となって設けられており、各々の
TFTはゲイト電極を共通の信号線50に接続し、NT
FT22とPTFT21との出力端子は共通の画素電極
43に接続され、各々の他方の出力端子28、35は別
の信号線52、53に接続されていて、インバーター構
成となっている。また、このPTFTとNTFTとの位
置を入れ換えてバッファ型の構成として、相補型のTF
Tを各々の画素電極に設けてもよい。
される本発明のTFTをガラス基板にC/TFTを作ら
んとした時の製造工程を図3(A) 〜(F) に基づき示す。
ガラス等の結晶化ガラス、バイコ−ル7913(コ−ニング
製)等の700 ℃以下、例えば約600 ℃の熱処理に耐え得
る石英ガラス等の高価でないガラス1上にマグネトロン
RF(高周波) スパッタ法を用いてブロッキング層24と
しての酸化珪素膜を1000〜3000Åの厚さに作製した。
150 ℃、出力400 〜800W、圧力0.5Pa とした。タ−ゲッ
ト材料として、石英または単結晶シリコンを用い、その
時の成膜速度は30〜100 Å/分であった。
法、スパッタ法またはプラズマCVD 法により形成した。
減圧気相法で形成する場合、結晶化温度よりも100 〜
200 ℃低い450 〜550 ℃、例えば530 ℃でジシラン(Si2
H6) またはトリシラン(Si3H8)をCVD 装置に供給して成
膜した。反応炉内圧力は30〜300 Paとした。成膜速度は
50〜250 Å/分であった。NTFTとPTFTとのスレ
ッシュホ−ルド電圧(Vth) を概略同一に制御するため、
ホウ素をジボランを用いて1×1015〜1×1018cm-3の濃
度として成膜中に添加してもよい。
を1×10-5Pa以下とし、単結晶シリコンをタ−ゲットと
して、アルゴンに水素を20〜80%混入した雰囲気で行っ
た。例えばアルゴン20%、水素80%とした。成膜温度は
150 ℃、周波数は13.56MHz、スパッタ出力は400 〜800W
とした。圧力は0.5Pa であった。
合、温度は例えば300 ℃とし、モノシラン(SiH4)または
ジシラン(Si2H6) を用いた。これらをPCVD装置内に導入
し、13.56MHzの高周波電力を加えて成膜した。
酸素が7×1020cm-3以下であることが好ましい。この酸
素濃度が高いと、半導体層を結晶化させにくく、そのた
め熱アニ−ル温度を高くするかまたは熱アニ−ル時間を
長くしなければならない。また少なすぎると、液晶電気
光学装置に使用するバックライトにより半導体層が光照
射された際にオフ状態のリ−ク電流が増加してしまう。
そのため4×1019〜4×1021cm-3の範囲であれば、中温
(600℃以下)の熱アニールで容易に結晶化可能であ
る。一方、膜中の水素量は4×1020cm-3であり、珪素の
4×1022cm-3として比較するとおよそ1原子%であっ
た。
結晶化を助長させるため、酸素濃度を7×1020cm-3以
下、好ましくは7×1019cm-3以下とし、ピクセル構成す
るTFTのチャネル形成領域の一部のみに酸素、炭素又
は窒素をイオン注入法により5×1019〜5×1021cm-3と
なるように添加して光に対する敏感性を弱くすることも
有効である。このようにした場合、特に周辺回路を構成
するTFTには、この酸素の混入をより少なくし、より
大きいキャリア移動度を有せしめることができ、高周波
動作を容易にさせることができ、画素周辺のスイッチン
グのTFTはオフ状態でリーク電流を減らすことが可能
となった。
0 〜5000Å、例えば1500Åの厚さに作製の後、450 〜70
0 ℃の温度にて12〜70時間非酸化物雰囲気にて中温の加
熱処理した。例えば窒素または水素雰囲気にて600 ℃の
温度で保持した。
の酸化珪素膜が形成されているため、この熱処理で特定
の核が存在せず、全体が均一に加熱アニ−ルされる。即
ち、成膜時はアモルファス構造を有し、また水素は単に
混入しているのみである。
造から秩序性の高い状態に移り、一部は結晶状態を呈す
る。特にシリコンの成膜時に比較的秩序性の高い領域は
特に結晶化をして結晶状態となろうとする。しかしこれ
らの領域間に存在する珪素により互いの結合がなされる
ため、珪素同志は互いにひっぱりあう。レ−ザラマン分
光により測定すると単結晶の珪素のピ−ク522 cm-1より
低周波側にシフトしたピ−クが観察される。それの見掛
け上の粒径は半値巾から計算すると、50〜500Åとマイ
クロクリスタルのようになっているが、実際はこの結晶
性の高い領域は多数あってクラスタ構造を有し、各クラ
スタ間は互いに珪素同志で結合(アンカリング) がされ
たセミアモルファス構造の被膜を形成させることができ
た。
(二次イオン質量分析)法により深さ方向の分布測定を
行った時、添加物(不純物)として最低領域(表面また
は表面より離れた位置(内部))において酸素が3. 4
×1019cm -3 、窒素4×1017cm -3 を得た。また水
素は4×1020cm -3 であり、珪素4×1022cm -3と
して比較すると1原子%であった。
019cm -3 においては1000Åの膜厚で600℃(4
8時間)の熱処理で可能である。これを3×1020cm
-3 にすると膜厚を0. 3〜0. 5μmと厚くすれば6
00℃でのアニ−ルによる結晶化が可能であったが、
0. 1μmの厚さでは650℃での熱処理が結晶化のた
めには必要であった。即ちより膜厚を厚くするほど、よ
り酸素等の不純物濃度を減少させるほど、結晶化がしや
すかった。
ンダリ(GB という) がないといってもよい状態を呈す
る。キャリアは各クラスタ間をアンカリングされた個所
を通じ互いに容易に移動し得るため、いわゆるGBの明確
に存在する多結晶珪素よりも高いキャリア移動度とな
る。即ちホ−ル移動度(μh)=10〜200cm2/Vsec 、電
子移動度(μe )=15〜300 cm2/Vsecが得られる。
く、900 〜1200℃の高温アニ−ルにより被膜を多結晶化
すると、核からの固相成長により被膜中の不純物の偏析
がおきて、GBには酸素、炭素、窒素等の不純物が多くな
り、結晶中の移動度は大きいが、GBでのバリア(障壁)
を作ってそこでのキャリアの移動を阻害してしまう。結
果として10cm2/Vsec以上の移動度がなかなか得られない
のが実情である。
由により、セミアモルファスまたはキャリアの移動度を
高くできるなら多結晶構造を有するシリコン半導体を用
いることができる。
マスクにてフォトエッチングを施し、PTFT用の領
域21(チャネル巾20μm)を図面の右側に、NTFT用
の領域22を左側に作製した。
して500 〜2000Å例えば1000Åの厚さに形成した。これ
はブロッキング層としての酸化珪素膜の作製と同一条件
とした。この成膜中に弗素等のハロゲン元素を少量添加
し、ナトリウムイオンの固定化をさせてもよい。
を0.3μmの厚さに形成した。これを第2のフォトマ
スクにてパタ−ニングした。そしてPTFT用のゲイ
ト電極26, NTFT用のゲイト電極25を形成した。
例えばチャネル長10μmとした。
をフォトマスクを用いて形成し、PTFT用のソ−ス
28、ドレイン30に対し、ホウ素を1×1015cm -2
のド−ズ量をイオン注入法により添加した。
2をフォトマスクを用いて形成した。そしてNTFT
用のソ−ス35、ドレイン33に対してリンを1×10
15cm-2 のドーズ量でイオン注入法により添加した。
た。しかし図3(B)において、ゲイト電極26、25
をマスクとしてシリコン膜上の酸化珪素を除去し、その
後、ホウ素、リンを直接珪素膜中にイオン注入してもよ
い。
後、650℃にて10〜50時間再び加熱アニ−ルを行
った。そしてPTFTのソ−ス28、ドレイン30、N
TFTのソ−ス35、ドレイン33領域の不純物を活性
化してp+ 、n+ として作製した。
形成領域34、29がセミアモルファスまたは多結晶半
導体として形成されている。
がらも、すべての工程において700℃以上に温度を加
えることがなくC/TFTを作ることができる。そのた
め、基板材料として、石英等の高価な基板を用いなくて
もよく、本発明の大画素の液晶表示装置にきわめて適し
ているプロセスである。
った。しかし図3(A)のアニ−ルは求める特性により
省略し、双方を図3(D)の熱アニ−ルにより兼ねさせ
て製造時間の短縮を図ってもよい。
ミニウムを使用しているので、図3(D)の工程でのア
ニールにより、ゲイト絶縁膜中に多数存在する水素分子
をアルミニウムの持つ作用により、水素原子に変換し
て、ゲイト絶縁膜の界面準位密度を減少させ、不要なキ
ャリアの消滅を減らすことも同時に達成できた。
6を陽極酸化をもちいて、その周囲に酸化アルミニウム
を作成した。具体的には浴組成として、13.7%の硫
酸溶液中に、陰極として炭素を用い、該当基板から30
cm程離した状態で、1mA/cm2 の電流密度にて行
った。酸化アルミニウムの厚みを0.2〜1μm例えば
0.5μmとして、本実施例では作成した。
表的には硫酸、硝酸、燐酸等の強酸溶液や酒石酸、クエ
ン酸にエチレングリコールやプロピレングリコール等を
混合した混合酸等が使用できる。また、必要に応じて、
この溶液のpHを調整するために、塩やアルカリ溶液を
混合することも可能である。
の割合でプロピレングリコールを添加したAGW電解溶
液にこの基板を浸し、アルミニウムのゲイト電極を電源
の陽極に接続し、対する陰極として炭素を使用して直流
電力を印加した。
流密度1mA/cm 2 で20分電流を流した後、定電圧
モードで5分処理し、厚さ5000Åの酸化アルミニウ
ムをゲイト電極の側面付近に形成した。この酸化処理と
同条件で作製した試料を用いて、この酸化アルミニウム
の絶縁性を調べたところ、比抵抗は10 9 Ωmで、絶 縁
耐圧は2×10 5 V/cmの特性を持つ酸化アルミニウ
ム膜であった。
にて観察したところ、約8000倍にまで拡大してその
表面の凹凸が観察できたが、微小な穴は観察できず、良
好な絶縁被膜であった。
記したスパッタ法により酸化珪素膜の形成として行っ
た。この酸化珪素膜の形成はLPCVD 法、光CVD 法を用い
てもよい。例えば0. 2〜1. 0μmの厚さに形成し
た。その後、図3(F)に示す如く、フォトマスクを
用いて電極用の窓42を形成した。その際、RIE方法
を用い、ゲート電極25、26およびその周囲の酸化ア
ルミニウム40を利用してセルファライン的にコンタク
トホール42の位置をチャネル近傍にまで極力接近さ
せ、ソース、ドレインへの給電点とチャネル領域との距
離Lを極力減らしたことに、本発明の特徴を有する。
0.5〜1μmの厚さにスパッタ法により形成し、リ−
ド52、53をフォトマスクを用いて形成し、PTF
T、NTFTのソース領域28、35の電極として図3
(G)の如く作製した。
透光性ポリイミド樹脂を塗布形成し、再度の電極穴あけ
をフォトマスクにて行った。
構成とし、かつその出力端を液晶装置の一方の画素の電
極を透明電極としてそれに連結するため、スパッタ法に
よりITO(インジュ−ム・スズ酸化膜)を形成した。それ
をフォトマスクによりエッチングし、電極43を構成
させた。このITO は室温〜150 ℃で成膜し、200 〜400
℃の酸素または大気中のアニ−ルにより成就した。
22と透明導電膜の電極43を同一ガラス基板1上に作
製した。
20cm2/Vsec、Vthは−5.9VでNTFTの移動度は
40cm2/Vsec、Vthは+5.0Vであった。
不可能とされていたTFTでも大きな移動度を作ること
ができた。そのため、初めて液晶電気光学装置の各ピク
セルに相補型TFTを構成させるアクティブ型液晶表示
装置を作ることができた。また周辺回路もオンガラス化
( 同一基板上に同様のTFTの製造プロセスで形成する
方法) が可能となった。
TFTを適用した、そのためTFTの周波数特性がよい
ので、容易に動画表示を行うことができ、プロジェクシ
ョンTV、ビデオムービーのビューファインダー、壁掛
けTV等への応用が可能である。また、その他の応用と
して、周波数特性の良いことを利用して、1次元あるい
は2次元のイメージセンサの駆動素子として利用でき、
その読み取りスピードはG4規格にも十分に対応できる
ものである。
方のガラス基板上にストライプ状の透明電極による対向
電極が形成された基板とを使用して、公知の方法にて液
晶電気光学装置用セルを作製する。この液晶電気光学装
置用セル中には液晶材料が充填されており、液晶材料に
TN液晶を用いるならば、その間隔を約10μm程度とし、
透明導電膜双方に配向膜をラビング処理して形成させる
必要がある。
る場合は、動作電圧を±20Vとし、セルの間隔を1.5 〜
3.5 μm例えば2.3 μmとし、対向電極上にのみ配向膜
を設けラビング処理を施せばよい。
合には、配向膜は不用であり、スイッチング速度を大と
するため、動作電圧は±10〜±15Vとし、セル間隔は1
〜10μmと薄くした。
も不用のため、反射型としても、また透過型としても光
量を大きくすることができる。そしてその液晶はスレッ
シュホ−ルドがないため、本発明の明確なスレッシュホ
−ルド電圧が規定されるC/TFT型とすることによ
り、大きなコントラストとクロスト−ク(隣の画素との
悪干渉)を除くことができた。
ムを用いることで、アルミニウムの陽極酸化法による酸
化アルミニウムをその表面に設けて、その上に立体交差
を有する3次元的な配線を設けることを特徴としてい
る。また、該ゲート電極および電極周囲の酸化アルミニ
ウムによって、ソース・ドレインのコンタクトホールを
設けて給電点をチャネルに近づけることで、装置の周波
数特性の低下、ON抵抗の増加を防ぐことができた。
を用いている為、素子形成工程中のアニール時にゲート
酸化膜中の水素を、アルミニウムの持つ触媒効果によっ
て、H2 →Hにして、より減少させることが出来、界面
準位密度(QSS)をシリコンゲートを用いた場合と比較
して、減少させることが出来、素子特性を向上させるこ
とができた。
ルファラインとし、さらにソース、ドレイン領域へ給電
する電極のコンタクト部分もセルファライン的に一を定
めたため、TFTに要する素子の面積が減り、集積度を
工場させることができる。また液晶電気光学装置のアク
ティブ素子として使用した場合には液晶パネルの開口率
を上げることができた。
半導体としてセミアモルファスまたはセミクリスタルを
用いた。しかし同じ目的のために可能であるならば他の
結晶構造の半導体を用いてもよい。またセルファライン
型のC/TFTにより高速処理を行った。しかしイオン
注入法を用いずに非セルファライン方式によりTFTを
作ってもよい。またスタガー型でなく逆スタガー型のT
FTまたはその他の方式のTFTであってもよいことは
いうまでもない。
体装置の概略断面図。
装置の概略断面図。
体装置の作製工程。
体装置の作製工程。
体装置を応用した液晶電気光学装置の回路図。
Claims (9)
- 【請求項1】 (a)絶縁表面を有する基板上に形成さ
れたソース領域、ドレイン領域及びこれらの領域にはさ
まれたチャネル形成領域を含む半導体膜と、 (b)前記半導体膜上に形成された絶縁膜と、 (c)前記チャネル形成領域上に前記絶縁膜を介して設
けられたアルミニウムよりなるゲイト電極と、 (d)前記ゲイト電極の少なくとも側面を覆うよう形成
された前記アルミニウムの陽極酸化物層とを有し、 前記ソース領域および前記ドレイン領域上の前記絶縁膜
には前記ソース領域および前記ドレイン領域と同じ不純
物が添加されていることを特徴とする絶縁ゲイト型電界
効果半導体装置。 - 【請求項2】 請求項1において、前記ゲイト電極側面
の前記陽極酸化物層の端面と概略一致して前記ソース領
域または前記ドレイン領域からの取り出し電極用のコン
タクトホールとをさらに設けたことを特徴とする絶縁ゲ
イト型電界効果半導体装置。 - 【請求項3】 請求項2において、前記コンタクトホー
ルは前記ゲイト電極および前記陽極酸化物層を利用した
セルフアラインで形成された構造であることを特徴とす
る絶縁ゲイト型電界効果半導体装置。 - 【請求項4】 請求項1乃至3において、前記半導体膜
が多結晶シリコンであることを特徴とする絶縁ゲイト型
電界効果半導体装置。 - 【請求項5】 請求項1乃至3において、前記絶縁表面
を有する基板がガラス基板であることを特徴とする絶縁
ゲイト型電界効果半導体装置。 - 【請求項6】 請求項1乃至5に記載の絶縁ゲイト型電
界効果半導体装置を用いた液晶電気光学装置又はイメー
ジセンサ。 - 【請求項7】 (a)絶縁表面を有する基板上に半導体
島領域を形成する工程と、 (b)前記半導体島領域上にアルミニウムよりなるゲイ
ト電極を絶縁膜を介して形成する工程と、 (c)前記ゲイト電極をマスクとして前記半導体島領域
内に不純物イオンを注入して不純物領域を形成する工程
と、 (d)前記不純物領域中の不純物を活性化する工程と、 (e)前記(d)の工程の後に前記ゲイト電極を陽極酸
化して前記ゲイト電極の少なくとも側面を覆う陽極酸化
物層を形成する工程と、 を有することを特徴とする絶縁ゲイト型電界効果半導体
装置の作製方法。 - 【請求項8】 請求項7において、前記陽極酸化物層の
端面と概略一致して前記不純物領域からの取り出し電極
用のコンタクトホールを設ける工程とをさらに有するこ
とを特徴とする絶縁ゲイト型電界効果半導体装置の作製
方法。 - 【請求項9】 請求項7において、(c)の工程におい
て前記半導体島領域に不純物イオンを注入するのは前記
絶縁膜を介して行われることを特徴とする絶縁ゲイト型
電界効果半導体装置の作製方法。
Priority Applications (17)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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