JP4703789B2 - 抵抗変化型不揮発性記憶装置及びその書き込み方法 - Google Patents
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Description
準備として、本発明の抵抗変化型不揮発性記憶装置の抵抗変化素子に用いられる2種類の抵抗変化材料に関する基礎的なデータを説明する。
まず、酸素不足型のTa酸化物を使ったバイポーラ動作する抵抗変化型の不揮発性記憶素子に関する第1の実験について説明する。
まず、本実験における酸素不足型のTa酸化物層の作製条件及び酸素含有率の解析結果について述べる。
以上のように作製した酸素不足型のTa酸化物のうち、どの程度の酸素含有率を有する酸素不足型のTa酸化物が抵抗変化を示すのかを調べた。ここで酸素不足型のTa酸化物層を挟む電極の材料として用いたのは、上下の電極ともにPtである。
次に、抵抗変化の起こりやすさが、電極材料に依存するかどうかの確認を行うため、Pt以外の材料として、W、Ta、TaNから成る下部電極503と上部電極505で酸素不足型のTa酸化物層504を挟んだ構造を作製し、電気パルスによる抵抗変化の様子を調べた結果について説明する。
次に抵抗変化を起こしやすい材料であるPtと、抵抗変化を起こしにくい材料でかつ、プロセス安定性の高い材料であるWで酸素不足型のTa酸化物を挟み込んだ形の抵抗変化素子である素子Fの抵抗変化特性について述べる。
次に、電極材料が相異なるいくつかの素子について抵抗変化の起こりやすさを評価した第2の実験の結果を示す。
次に、他の同様な例として、酸素不足型のHf酸化物を抵抗変化膜として用いたバイポーラ動作する不揮発性記憶素子に関する第3の実験について説明する。
まず、本実験における酸素不足型のHf酸化物層の作製条件及び酸素含有率の解析結果について述べる。
以上のように作製した酸素不足型のHf酸化物のうち、どの程度の酸素含有率を有する酸素不足型のHf酸化物が抵抗変化を示すのかを調べた。ここで酸素不足型のHf酸化物層を挟む電極の材料として用いたのは、上下の電極ともにPtである。
次に、抵抗変化の起こりやすさが、電極材料に依存するかどうかの確認を行うため、Wで構成される下部電極503とAl、Ti、Hf、Ta、W、Cu、Ptの1つから成る上部電極505で、酸素不足型のHf酸化物層504を挟んだ複数種の素子を作製し、電気パルスによる抵抗変化の様子を調べた結果について説明する。
また、抵抗変化素子として、酸素不足型のタンタル酸化物、酸素不足型のハフニウム酸化物、及び酸素不足型のジルコニウム酸化物の1つからなり、かつ酸素含有率の異なる2つの抵抗変化層を積層し、2つの電極で挟んだ構成も可能である。
次に本発明の1D1R型クロスポイントメモリ装置の電流制御素子について説明する。
以下、本発明の抵抗変化型不揮発性記憶装置の実施形態として、上記で説明した抵抗変化素子と電流制御素子を用いた1D1R型クロスポイントメモリ装置について説明する。本発明の実施形態の具体的な詳細な構成は、図41以降の図面を用いて説明を行なうが、まずは、そのうちの基本構成について説明する。
以上のように構成された抵抗変化型不揮発性記憶装置100について、その動作を説明する。
VLth=VCL−Vth_MN3 かつ VLR≧VCL
即ち、
VCL=VLth+Vth_MN3 かつ VLR≧VCL ・・・(式1)
を満たすように、VCLを設定すればよい。このとき、N型MOSトランジスタMN2における電圧降下は無視できるとする。またこの条件のとき、A点の電流ILを駆動できるよう、電流制限回路105bのN型MOSトランジスタMN3のゲート幅及びゲート長を調整して設計しておく。
図26は、実施形態の基本構成において、N型MOSトランジスタを用いて電流制限回路105bを構成する場合の、図21とは異なる変形例1を示している。この構成は、電流制限回路105bを抵抗変化素子の第1電極と書き込み回路との間に配置することを特徴とする。図26の構成では、電流制限回路105bをメモリセルアレイの近くに配置するため、図21の場合と比較して、よりメモリセルに近い位置で電流制限を行うことが可能となる。よって低抵抗化書き込み動作を行うときに、電流制限回路105bを介して充放電すべき容量負荷を低減することができ、メモリセルの低抵抗状態への変化に対し、追随性よく電流制限を行えるため、より精度よく想定の抵抗値に設定することが可能となる。
電流制限回路105bは、図21に示したような第1LR化駆動回路105a1側ではなく、第2LR化駆動回路105c2側に設けることも可能である。図27に、実施形態の基本構成の変形例2を示す。また、図28Aは、図27の書き込み回路105の第1の具体的回路構成の一例を示していて、N型MOSトランジスタで構成される電流制限回路105bを有する。また、図28Bは、その特性説明図であり、図25Bと同様に、メモリセル200の抵抗変化素子は低抵抗状態を想定して10kΩの固定値とし、双方向特性を有する電流制御素子と直列接続した状態で、書き込み回路105から与えられる電圧と、メモリセル200に流れる電流との関係を、シミュレーションを用いて求めた図である。
VLR=VCL−Vth_MN3+VLth
即ち、
VCL=VLR−VLth+Vth_MN3 ・・・(式2)
を満たすようにVCLを設定することにより、LR化電源の電圧としてVLRを与えた場合に、電流制限回路105bの変極点Cでメモリセルを低抵抗化すること、即ち想定する低抵抗状態に設定することが可能となる。このとき、P型MOSトランジスタMP1における電圧降下は無視できるとした。またこの条件のとき、図24のA点の電流ILが駆動できるよう、電流制限回路105bのN型MOSトランジスタMN3のゲート幅及びゲート長を調整して設計しておく。
VL=VLth=VCL+Vth_MP3
即ち、
VCL=VLth−Vth_MP3 ・・・(式3)
を満たすように、VCLを設定すればよい。このとき、N型MOSトランジスタMN2における電圧降下は無視できるとした。またこの条件のとき、A点の電流ILが駆動できるよう、電流制限回路105bのP型MOSトランジスタMP3のゲート幅及びゲート長を調整して設計しておく。
VLR=VCL+Vth_MP3+VL(=VLth) かつ VCL≧0
即ち、
VCL=VLR−VLth−Vth_MP3 かつ VCL≧0 ・・・(式4)
を満たすようにVCLを設定することにより、LR化電源の電圧としてVLRを与えた場合に、電流制限回路105bの変極点Cでメモリセルを低抵抗化すること、即ち想定する低抵抗状態に設定することが可能となる。このとき、P型MOSトランジスタMP2における電圧降下は無視できるとした。またこの条件のとき、図24のA点の電流ILが駆動できるよう、電流制限回路105bのP型MOSトランジスタMP3のゲート幅及びゲート長を調整して設計しておく。
図30は、P型MOSトランジスタを用いて電流制限回路105bを構成する場合であって、かつ、電流制限回路105bを抵抗変化素子の第2電極と書き込み回路との間に配置することを特徴とする。図30では、電流制限回路105bをメモリセルアレイの近くに配置するため、図27の場合と比較して、よりメモリセルに近い位置で電流制限を行うことが可能となる。よって低抵抗化書き込み動作を行うときに、電流制限回路105bを介して充放電すべき容量負荷を低減することができ、メモリセルの低抵抗状態への変化に対し、追随性よく電流制限を行えるため、より精度よく想定の抵抗値に設定することが可能となる。
W2/L2>WC/LC、かつW4/L4>WC/LC ・・・(式5)
を満たすように、電流制限回路105bのトランジスタサイズを設計することにより、抵抗変化素子を低抵抗化する場合の駆動回路の電流能力を、抵抗変化素子を高抵抗化する場合の駆動回路の電流能力より小さく制限することが可能である。
次に、本発明の実施形態の基本構成における変形例4について説明する。上述してきた本発明の基本構成及びその変形例1〜3ではメモリセルがBモードである場合について説明したが、本変形例4はメモリセルをAモードとしたものである。以下、上述した説明と同様となる回路、動作等の説明は、適宜省略する。
以上の様に構成された抵抗変化型不揮発性記憶装置120について、その動作を説明する。
以上述べてきた、本発明の実施形態の基本構成及びその変形例1〜4を基にして、以下に、本発明の実施形態の詳細について説明する。
以上のように構成された抵抗変化型不揮発性記憶装置100について、その動作を説明する。なお、メモリセルの動作は、上述した実施形態の基本構成の場合と同様のため、省略する。
図47は、本実施形態において、P型MOSトランジスタを用いてブースト回路105dを構成する場合の、図41とは異なる変形例1を示している。
実施形態の基本構成の変形例2(図27)で説明したように、電流制限回路105bは第1LR化駆動回路105a1側ではなく、図48のように第2LR化駆動回路105c2側に設けることも可能である。電流制限回路105bを第2LR化駆動回路105c2側に設ける場合は、図48に示すようにブースト回路105dも第2LR化駆動回路105c2側に設け(ブースト回路105dを行選択回路103と第2LR化駆動回路105c2に接続)、さらにブースト回路105dを図49に示すように、N型MOSトランジスタMN4で構成し、ブースト制御信号C_BTを、低抵抗化書き込みパルスの発生時、その活性化後の一定期間ハイレベルとすればよい。
101、121 メモリ本体部
102、122 メモリアレイ
103 行選択回路
104 列選択回路
105 書き込み回路
105a1 第1LR化駆動回路
105a2 第2HR化駆動回路
105b 電流制限回路
105c1 第1HR化駆動回路
105c2 第2LR化駆動回路
105d ブースト回路
106 読み出し回路
107 データ入出力回路
108 アドレス入力回路
109 制御回路
130 出力端子
131 インバータ
132 NAND回路
133 AND回路
200、220、250、270、1001、1280、Mij、M11、M12、M21、M22 メモリセル
201 第1層配線
202 第1ビア
203 第3電極
204 電流制御層
205 第4電極
206 第2ビア
207 第1電極
208、1230、3302 抵抗変化層
208a 第1のタンタル酸化物層
208b 第2のタンタル酸化物層
209 第2電極
210 第3ビア
211 第2層配線
212、Dij、D11、D12、D21、D22 電流制御素子
213、1003、1260、Rij、R11、R12、R21、R22 抵抗変化素子
500 不揮発性記憶素子
501 単結晶シリコン基板
502 酸化物層
503、1250、1401、1501、3301 下部電極
504、1402、1502 酸素不足型のTa酸化物層(酸素不足型のHf酸化物層)
505、1240、1403、1503、3303 上部電極
506 素子領域
1002、MN1、MN2、MN3、MN4、MP1、MP2、MP3、MP4 トランジスタ
1200 不揮発性記憶装置
1270 ダイオード素子
1404、1504 酸素イオン
BLj、BL1、BL2 ビット線
WLi、WL1、WL2 ワード線
Claims (20)
- 予め定められた第1の極性の第1電圧が印加されると第1範囲に属する抵抗値の低抵抗状態に変化し、かつ前記第1の極性とは逆の第2の極性の第2電圧が印加されると前記第1範囲よりも高い第2範囲に属する抵抗値の高抵抗状態に変化する抵抗変化素子と、2端子の電流制御素子とを直列に接続してなる複数のメモリセルと、
互いに交差する複数の第1信号線及び複数の第2信号線と、
前記複数のメモリセルを前記複数の第1信号線と前記複数の第2信号線との交差点に配置し、各交差点に配置されたメモリセルの両端を交差する1組の前記第1信号線と前記第2信号線とにそれぞれ接続してなるメモリセルアレイと、
前記複数のメモリセルに前記複数の第1信号線及び前記複数の第2信号線を介して印加される両極性の電圧を発生する書き込み回路と、
前記書き込み回路から前記複数のメモリセルへ流れる電流の経路に挿入され、前記複数のメモリセルを低抵抗状態に変化させる方向の第1電流と、前記複数のメモリセルを高抵抗状態に変化させる方向の第2電流とのうち、前記第1電流のみを制限する電流制限回路と、
前記電流制限回路と並列に接続され、前記複数のメモリセルのうちいずれかを低抵抗状態に変化させるとき、当該メモリセルが低抵抗状態へ変化する前の第1期間において、前記電流の経路と電圧源とを短絡することにより前記第1電流を増加させるブースト回路と、を備える
抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記ブースト回路は、
前記電流の経路に接続された出力端子と、
前記電圧源と前記出力端子との間に接続されたスイッチとを備え、
前記スイッチは、前記第1期間にオンする
請求項1に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記スイッチはトランジスタであり、
前記トランジスタのソース端子は前記電圧源に接続されており、
前記トランジスタのドレイン端子は前記出力端子に接続されおり、
前記トランジスタは前記第1期間にオンする
請求項2に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記スイッチは、前記メモリセルが低抵抗状態に変化する前に、オフする
請求項2に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記ブースト回路は、前記出力端子の電圧をフィードバックした信号を用い、前記スイッチがオンした後、前記出力端子の電圧が予め定められた電圧に達した際に、前記スイッチをオフする
請求項4に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記各メモリセルは、接続されている第1信号線と第2信号線とを介して、前記第1信号線の電圧が前記第2信号線の電圧よりも高い前記第1の極性の第1電圧が印加されたときに前記低抵抗状態に変化し、前記第1極性とは逆の前記第2の極性の第2電圧が印加されたときに前記高抵抗状態に変化し、
前記書き込み回路は、前記第1電圧以上の第1駆動電圧を発生する第1駆動回路と、前記第2電圧以上の第2駆動電圧を発生する第2駆動回路と、前記第1駆動電圧の基準となる電圧を発生する第3駆動回路と、前記第2駆動電圧の基準となる電圧を発生する第4駆動回路とを有し、
前記抵抗変化型不揮発性記憶装置は、さらに、
前記第1駆動回路及び前記第4駆動回路と、前記複数の第1信号線の中から選択される1つの第1信号線とを接続する第1選択回路と、
前記第2駆動回路及び前記第3駆動回路と、前記複数の第2信号線の中から選択される1つの第2信号線とを接続する第2選択回路と
を備え、
前記電流制限回路及び前記ブースト回路は、前記第1駆動回路と前記第1選択回路との間に挿入されている
請求項1に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記各メモリセルは、接続されている第1信号線と第2信号線とを介して、前記第1信号線の電圧が前記第2信号線の電圧よりも高い前記第1の極性の第1電圧が印加されたときに前記低抵抗状態に変化し、前記第1極性とは逆の前記第2の極性の第2電圧が印加されたときに前記高抵抗状態に変化し、
前記書き込み回路は、前記第1電圧以上の第1駆動電圧を発生する第1駆動回路と、前記第2電圧以上の第2駆動電圧を発生する第2駆動回路と、前記第1駆動電圧の基準となる電圧を発生する第3駆動回路と、前記第2駆動電圧の基準となる電圧を発生する第4駆動回路とを有し、
前記抵抗変化型不揮発性記憶装置は、さらに、
前記第1駆動回路及び前記第2駆動回路と、前記複数の第1信号線の中から選択される1つの第1信号線とを接続する第1選択回路と、
前記第3駆動回路及び前記第4駆動回路と、前記複数の第2信号線の中から選択される1つの第2信号線とを接続する第2選択回路と
を備え、
前記電流制限回路は複数の制限回路を含み、前記第1選択回路及び前記各第1信号線の間に前記複数の制限回路の各々が挿入されており、
前記ブースト回路は複数のブースト回路部を含み、前記第1選択回路及び前記各第1信号線の間に前記複数のブースト回路部の各々が挿入されている
請求項1に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記各メモリセルは、接続されている第1信号線と第2信号線とを介して、前記第1信号線の電圧が前記第2信号線の電圧よりも高い前記第1の極性の第1電圧が印加されたときに前記低抵抗状態に変化し、前記第1極性とは逆の前記第2の極性の第2電圧が印加されたときに前記高抵抗状態に変化し、
前記書き込み回路は、前記第1電圧以上の第1駆動電圧を発生する第1駆動回路と、前記第2電圧以上の第2駆動電圧を発生する第2駆動回路と、前記第1駆動電圧の基準となる電圧を発生する第3駆動回路と、前記第2駆動電圧の基準となる電圧を発生する第4駆動回路とを有し、
前記抵抗変化型不揮発性記憶装置は、さらに、
前記第1駆動回路及び前記第2駆動回路と、前記複数の第1信号線の中から選択される1つの第1の信号線とを接続する第1選択回路と、
前記第3駆動回路及び前記第4駆動回路と、前記複数の第2信号線の中から選択される1つの第2の信号線とを接続する第2選択回路と
を備え、
前記電流制限回路及び前記ブースト回路は、前記第3駆動回路及び前記第2選択回路の間に挿入されている
請求項1に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記各メモリセルは、接続されている第1信号線と第2信号線とを介して、前記第1信号線の電圧が前記第2信号線の電圧よりも高い前記第1の極性の第1電圧が印加されたときに前記低抵抗状態に変化し、前記第1極性とは逆の前記第2の極性の第2電圧が印加されたときに前記高抵抗状態に変化し、
前記書き込み回路は、前記第1電圧以上の第1駆動電圧を発生する第1駆動回路と、前記第2電圧以上の第2駆動電圧を発生する第2駆動回路と、前記第1駆動電圧の基準となる電圧を発生する第3駆動回路と、前記第2駆動電圧の基準となる電圧を発生する第4駆動回路とを有し、
前記抵抗変化型不揮発性記憶装置は、さらに、
前記第1駆動回路及び前記第2駆動回路と、前記複数の第1信号線の中から選択される1つの第1信号線とを接続する第1選択回路と、
前記第3駆動回路及び前記第4駆動回路と、前記複数の第2信号線の中から選択される1つの第2信号線とを接続する第2選択回路と
を備え、
前記電流制限回路は複数の制限回路を含み、前記第2選択回路及び前記各第2信号線の間に前記複数の制限回路の各々が挿入されており、
前記ブースト回路は複数のブースト回路部からなり、前記第2選択回路及び前記各第2信号線の間に前記複数のブースト回路部の各々が挿入されている
請求項1に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記電流制限回路は、N型MOSトランジスタで構成されており、
前記ブースト回路は、前記N型MOSトランジスタと並列に接続されたP型MOSトランジスタで構成されている
請求項6又は7に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記電流制限回路は、N型MOSトランジスタで構成されており、
前記抵抗変化素子を、前記第1範囲に属する抵抗値のなかで、前記メモリセルに第3電圧が印加されたときに設定される第3抵抗値より大きく、かつ前記第3電圧よりも小さい第4電圧が印加されたときに設定される第4抵抗値より小さい抵抗値に設定するとき、
前記N型MOSトランジスタのゲート電圧は、前記第4電圧に前記N型MOSトランジスタの閾値電圧の絶対値を加えた値より大きく、前記第3電圧に前記N型MOSトランジスタの閾値電圧の絶対値を加えた値より小さく、かつ前記第1駆動電圧以下の電圧に設定される
請求項6又は7に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記電流制限回路は、N型MOSトランジスタで構成されており、
前記抵抗変化素子を、前記第1範囲に属する抵抗値のなかで、前記メモリセルに第3電圧が印加されたときに設定される第3抵抗値より大きく、かつ前記第3電圧よりも小さい第4電圧が印加されたときに設定される第4抵抗値より小さい抵抗値に設定するとき、
前記N型MOSトランジスタのゲート電圧は、前記第1駆動電圧から前記第3電圧を減じて前記N型MOSトランジスタの閾値電圧の絶対値を加えた値より大きく、かつ前記第1駆動電圧から前記第4電圧を減じて前記N型MOSトランジスタの閾値電圧の絶対値を加えた値より小さい電圧に設定される
請求項8に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記電流制限回路における前記各制限回路は、N型MOSトランジスタで構成されており、
前記ブースト回路における前記各ブースト回路部は、前記N型MOSトランジスタと並列に接続されたP型MOSトランジスタで構成されており、
前記各N型MOSトランジスタ及び前記各P型MOSトランジスタのゲートに選択信号が供給されることで、前記電流制限回路及び前記ブースト回路は前記第1選択回路と共用される
請求項7に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記電流制限回路は、P型MOSトランジスタで構成されており、
前記ブースト回路は、前記P型MOSトランジスタと並列に接続されたN型MOSトランジスタで構成されている
請求項8又は9に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記電流制限回路は、P型MOSトランジスタで構成されており、
前記抵抗変化素子を、前記第1範囲に属する抵抗値のなかで、前記メモリセルに第3電圧が印加されたときに設定される第3抵抗値より大きく、かつ前記第3電圧よりも小さい第4電圧が印加されたときに設定される第4抵抗値より小さい抵抗値に設定するとき、
前記P型MOSトランジスタのゲート電圧は、前記第4電圧から前記P型MOSトランジスタの閾値電圧の絶対値を減じた値より大きく、かつ前記第3電圧から前記P型MOSトランジスタの閾値電圧の絶対値を減じた値より小さい電圧に設定される
請求項6に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記電流制限回路は、P型MOSトランジスタで構成されており、
前記抵抗変化素子を、前記第1範囲に属する抵抗値のなかで、前記メモリセルに第3電圧が印加されたときに設定される第3抵抗値より大きく、かつ前記第3電圧よりも小さい第4電圧が印加されたときに設定される第4抵抗値より小さい抵抗値に設定するとき、
前記P型MOSトランジスタのゲート電圧は、前記第1駆動電圧から前記第3電圧と前記P型MOSトランジスタの閾値電圧の絶対値とを減じた値より大きく、前記第1の駆動電圧から、前記第4電圧と前記P型MOSトランジスタの閾値電圧の絶対値とを減じた値より小さく、かつ前記第1駆動電圧の基準電圧以上の電圧に設定される
請求項8又は9に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記電流制限回路における前記各制限回路は、P型MOSトランジスタで構成されており、
前記ブースト回路における前記各ブースト回路部は、前記P型MOSトランジスタと並列に接続されたN型MOSトランジスタで構成されており、
前記各P型MOSトランジスタ及び前記N型MOSトランジスタのゲートに選択信号が供給されることで、前記電流制限回路及び前記ブースト回路は前記第2選択回路と共用される
請求項9に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第3抵抗値は前記第1範囲に属する最小の抵抗値であり、
前記抵抗変化素子を前記第3抵抗値に設定するときに前記メモリセルに流れる電流は、前記電流制御素子が破壊されない最大の電流以下である
請求項11、12、15、又は16に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第4抵抗値は前記第1範囲に属する最大の抵抗値であり、
読み出し回路を用いて前記低抵抗状態と前記高抵抗状態とが判別可能であるような最大の抵抗値である
請求項11、12、15、又は16に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 予め定められた第1の極性の第1電圧が印加されると第1範囲に属する抵抗値の低抵抗状態に変化しかつ前記極性とは逆の第2の極性の第2電圧が印加されると前記第1範囲よりも高い第2範囲に属する抵抗値の高抵抗状態に変化する抵抗変化素子を有する複数のメモリセルを備えた抵抗変化型不揮発性記憶装置への書き込み方法であって、
前記書き込み方法は、
前記複数のメモリセルに両極性の電圧を印加することにより、前記抵抗変化素子を前記低抵抗状態もしくは前記高抵抗状態に変化させる書き込みステップと、
前記複数のメモリセルを前記低抵抗状態に変化させる方向の第1電流と、前記複数のメモリセルを高抵抗状態に変化させる方向の第2電流とのうち、前記第1電流のみを制限する電流制限ステップと、
前記複数のメモリセルのうちいずれかを低抵抗状態に変化させるとき、当該メモリセルが低抵抗状態へ変化する前の第1期間において、前記第1電流を増加させるブーストステップと、を含む
抵抗変化型不揮発性記憶装置の書き込み方法。
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