JP5656216B2 - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor element and method for manufacturing electronic device - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素と酸化膜との界面準位密度を低減することができる炭化珪素半導体素子の製造方法及び電子デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element and a method for manufacturing an electronic device that can reduce the interface state density between silicon carbide and an oxide film.
炭化珪素(SiC)は、シリコンと比べてバンドギャップが約3倍、飽和ドリフト速度が約2倍、絶縁破壊電界強度が約10倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているシリコン単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。 Silicon carbide (SiC) is a semiconductor that has excellent physical properties such as a band gap of about 3 times, a saturation drift velocity of about 2 times, and a breakdown electric field strength of about 10 times that of silicon, and a large thermal conductivity. Therefore, it is expected as a material for realizing a next-generation high-voltage / low-loss semiconductor device that greatly surpasses the performance of currently used silicon single crystal semiconductors.
炭化珪素は、シリコンと同様の手法により絶縁膜を形成することが可能であるため、炭化珪素をベースに製造された電子デバイス、例えばMOSFETの研究が盛んに行われている。しかし、炭化珪素MOSFETのオン抵抗は物性値から予測される性能には及ばない。この原因として、炭化珪素MOSFETのチャネル移動度がシリコンMOSFETのチャネル移動度に比べて小さいことが挙げられている。これは、炭化珪素と絶縁膜の界面における界面準位密度が高いことが原因と考えられている。 Since silicon carbide can form an insulating film by a method similar to that of silicon, research on electronic devices manufactured based on silicon carbide, such as MOSFETs, has been actively conducted. However, the on-resistance of the silicon carbide MOSFET does not reach the performance predicted from the physical property values. This is because the channel mobility of the silicon carbide MOSFET is smaller than the channel mobility of the silicon MOSFET. This is considered to be caused by a high interface state density at the interface between silicon carbide and the insulating film.
界面準位密度を低減する方法としては、炭化珪素上に絶縁膜を形成し、加熱された窒素化合物雰囲気中に曝露することにより、絶縁膜の内部に窒素を拡散させる窒化処理が開示されている(例えば、特許文献1、非特許文献1〜4参照)。この窒化処理により界面準位密度がある程度低減される。
As a method for reducing the interface state density, a nitriding treatment is disclosed in which an insulating film is formed on silicon carbide and exposed to a heated nitrogen compound atmosphere to diffuse nitrogen into the insulating film. (For example, refer to
また、6H−SiC(0001)面を有する基板に対して、チャンバ内において水素でエッチングを行い、続けて窒素雰囲気の下でアニーリングを行い、その後、チャンバから出して大気中に放置し、自然酸化させる技術が開示されている(例えば、非特許文献5参照)。そのような工程を経た基板は、表面のダングリングボンドが窒素等で終端され、SiON膜が形成される。 In addition, a substrate having a 6H—SiC (0001) surface is etched with hydrogen in the chamber, followed by annealing in a nitrogen atmosphere, and then removed from the chamber and left in the atmosphere to be naturally oxidized. The technique to make is disclosed (for example, refer nonpatent literature 5). In the substrate that has undergone such a process, dangling bonds on the surface are terminated with nitrogen or the like, and a SiON film is formed.
しかしながら、上述の特許文献1や非特許文献1〜4に開示された技術では、炭化珪素と酸化膜との間に窒素が十分拡散せず、チャネル移動度などが向上した高性能な電子デバイスを得るためには、界面準位密度のさらなる低減が求められている。また、非特許文献5に開示された技術では、SiONの膜厚は、電子デバイスの酸化膜としては十分な厚さではない。
However, in the techniques disclosed in
本発明は、このような事情に鑑み、炭化珪素とその上に形成される酸化膜との界面の品質及び当該酸化膜の品質を改善して界面準位密度を低減することができる炭化珪素半導体素子の製造方法及び電子デバイスの製造方法を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention improves the quality of the interface between silicon carbide and the oxide film formed thereon and the quality of the oxide film, and can reduce the interface state density. An object of the present invention is to provide an element manufacturing method and an electronic device manufacturing method.
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、水素を含むクリーニングガスを励起させてプラズマを生成し、プラズマ中の水素により炭化珪素の主表面のダングリングボンドを終端させ、窒素含有ガスを励起させてプラズマを生成し、酸化膜を形成せずにプラズマ中の窒素により前記主表面のダングリングボンドを終端した水素を窒素で置換した後、前記主表面上に酸化膜を形成することを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法にある。 A first aspect of the present invention that solves the above problems is to generate a plasma by exciting a cleaning gas containing hydrogen, terminate dangling bonds on the main surface of silicon carbide with hydrogen in the plasma, and generate a nitrogen-containing gas. thereby excited to produce plasma after the hydrogen terminating the dangling bonds of the main surface by the nitrogen in the plasma without forming an oxide film was replaced with nitrogen, to form an oxide film on said main surface A method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device characterized by the above.
かかる第1の態様では、炭化珪素の主表面に存在していたダングリングボンドが窒素で終端され、炭化珪素の主表面と酸化膜との界面に窒素が存在する炭化珪素半導体素子が作製される。 In the first aspect, a dangling bond present on the main surface of silicon carbide is terminated with nitrogen, and a silicon carbide semiconductor element in which nitrogen is present at the interface between the main surface of silicon carbide and the oxide film is produced. .
このように作製された炭化珪素半導体素子は、ダングリングボンドが窒素で終端されたことにより、界面には欠陥が無く、リーク電流の発生を抑えることができる。また、界面に存在する窒素により界面準位密度が低減され、高品質な界面及び酸化膜が得られる。さらに、酸化膜はデバイスの作製に適した厚さの膜厚とすることができる。 In the silicon carbide semiconductor device manufactured in this manner, dangling bonds are terminated with nitrogen, so that there is no defect at the interface and generation of leakage current can be suppressed. In addition, the interface state density is reduced by nitrogen existing at the interface, and a high-quality interface and oxide film can be obtained. Further, the oxide film can have a thickness suitable for device fabrication.
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載する炭化珪素半導体素子の製造方法において、クリーニングガスで表面処理し、窒素含有ガスで表面処理し、主表面上に酸化膜を形成する工程を、同一のチャンバ内で連続的に行うことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法にある。 According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to the first aspect, a surface treatment is performed with a cleaning gas, a surface treatment is performed with a nitrogen-containing gas, and an oxide film is formed on the main surface. In a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, the method is performed continuously in the same chamber.
かかる第2の態様では、炭化珪素半導体素子を作製するまでの工程を合理的に行うことができる。 In the second aspect, the steps until the silicon carbide semiconductor element is manufactured can be rationally performed.
本発明の第3の態様は、第1の態様に記載する炭化珪素半導体素子の製造方法において、主表面上に酸化膜を形成する工程は、クリーニングガス及び窒素含有ガスの表面処理とは別のチャンバで行うことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法にある。 According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to the first aspect, the step of forming the oxide film on the main surface is different from the surface treatment of the cleaning gas and the nitrogen-containing gas. The present invention resides in a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, which is performed in a chamber.
かかる第3の態様では、酸化膜を作製する工程において、その前の表面処理で用いたガスの影響を極力避けたい場合に有効である。 This third aspect is effective when it is desired to avoid the influence of the gas used in the previous surface treatment as much as possible in the step of forming the oxide film.
本発明の第4の態様は、第1〜第3の何れか一つの態様に記載する炭化珪素半導体素子の製造方法において、前記酸化膜の厚さを5nm以上とすることを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法にある。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element according to any one of the first to third aspects, the thickness of the oxide film is 5 nm or more. It exists in the manufacturing method of a semiconductor element.
かかる第4の態様では、電子デバイスを形成するのに適した膜厚の酸化膜を作製することができる。 In the fourth aspect, an oxide film having a thickness suitable for forming an electronic device can be produced.
本発明の第5の態様は、炭化珪素上に形成された酸化膜を含む電子デバイスの製造方法であって、第1〜第4の何れか一つの態様に記載された製造方法によって前記酸化膜を形成することを特徴とする電子デバイスの製造方法にある。 A fifth aspect of the present invention is a method of manufacturing an electronic device including an oxide film formed on the silicon carbide, the oxide layer by the manufacturing method described in the first to fourth any one of embodiments The method of manufacturing an electronic device is characterized by comprising:
かかる第5の態様では、界面準位密度が低減した炭化珪素半導体素子から、炭化珪素の優れた物性を生かした電子デバイスを作製することができる。 In the fifth aspect, an electronic device utilizing the excellent physical properties of silicon carbide can be produced from a silicon carbide semiconductor element having a reduced interface state density.
本発明によれば、炭化珪素とその上に形成される絶縁膜との界面の品質及び当該絶縁膜の品質を改善して界面準位密度を低減することができる炭化珪素半導体素子の製造方法及び電子デバイスの製造方法が提供される。 According to the present invention, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element capable of reducing the interface state density by improving the quality of an interface between silicon carbide and an insulating film formed thereon and the quality of the insulating film, and A method for manufacturing an electronic device is provided.
以下、本発明の実施形態に係る炭化珪素半導体素子の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。図1及び図2は、炭化珪素基板上に絶縁膜を作製し、その上に電子デバイスを形成する工程を示すフロー図である。 Hereinafter, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 and 2 are flowcharts showing a process of forming an insulating film on a silicon carbide substrate and forming an electronic device thereon.
[炭化珪素基板]
図1(a)に示すように、チャンバ10内に炭化珪素基板1を収納する。炭化珪素基板1は、炭化珪素を含む層を有する基板をいう。本実施形態では、主表面が(0001)面に略平行である4H−SiCからなる半導体基板の一方面側に、炭化珪素をエピタキシャル成長させたものを炭化珪素基板1とした。なお、4H−SiCの主表面は、(11−20)面、(1−100)面、(03−38)面に略平行な面であってもよい。また、炭化珪素基板1としては、他にも、炭化珪素のみからなる基板でもよいし、炭化珪素以外の基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させたものでもよい。なお、本実施形態では、板状の炭化珪素を炭化珪素基板1としたが、これに限らず、本発明は任意の形状の炭化珪素に適用することができる。
[Silicon carbide substrate]
As shown in FIG. 1A,
炭化珪素基板1の炭化珪素の結晶多形(ポリタイプ)は、任意の種類を用いることができる。ポリタイプが比較的安定であり、大面積の基板を作製可能であるという観点から、4H−SiC、6H−SiC、15R−SiC、3C−SiCの何れかを用いることが好ましい。
Arbitrary kinds can be used for the crystal polymorph (polytype) of silicon carbide of
[水素終端処理]
次に、炭化珪素基板1をチャンバ内で水素を含むクリーニングガスで表面処理をする。具体的には、チャンバ内で、クリーニングガスを励起させてプラズマを生成し、プラズマ中の水素を炭化珪素基板1の主表面に作用させる。この表面処理により、炭化珪素基板1の主表面のダングリングボンドが水素で終端される。
[Hydrogen termination]
Next, the
なお、ここでいう水素を含むクリーニングガスとは、例えば、水素ガスや、HCl、HFなどのハロゲン化ガス、又はこれらの混合ガスをいう。また、他の表面処理としては、チャンバ内で炭化珪素基板1を高温のクリーニングガス下においてもよい。これによっても炭化珪素基板1の主表面のダングリングボンドが水素で終端される。
The cleaning gas containing hydrogen here refers to, for example, hydrogen gas, halogenated gas such as HCl and HF, or a mixed gas thereof. As another surface treatment,
[窒素終端処理]
次に、図1(b)に示すように、炭化珪素基板1を窒素含有ガスで表面処理をする。この表面処理は、水素終端処理を行った後、同一チャンバ10で連続的に行う。具体的には、窒素含有ガスを励起させてプラズマを生成し、プラズマ中の窒素を炭化珪素基板1の主表面に作用させる。この結果、炭化珪素基板1の主表面のダングリングボンドを終端した水素が、窒素で置換される。すなわち、炭化珪素基板1の主表面のダングリングボンドは、窒素で終端されたことになる。
[Nitrogen termination]
Next, as shown in FIG. 1B, the
なお、ここでいう窒素含有ガスは、例えば、窒素ガス、アンモニアガス(NH3)、一酸化窒素ガス(NO)、亜酸化窒素(N2O)、又はこれらの混合ガスをいう。また、他の表面処理としては、チャンバ内で炭化珪素基板1を高温の窒素含有ガス下においてもよい。これによっても炭化珪素基板1の主表面のダングリングボンドを終端した水素が窒素に置換される。
The nitrogen-containing gas here refers to, for example, nitrogen gas, ammonia gas (NH 3 ), nitrogen monoxide gas (NO), nitrous oxide (N 2 O), or a mixed gas thereof. As another surface treatment,
[絶縁膜作製処理]
次に、図2(a)に示すように、炭化珪素基板1の主表面上に絶縁膜2を作製する。絶縁膜2の作製に際しては、炭化珪素基板1を大気に露出させずに行う。すなわち、窒素終端処理をした炭化珪素基板1が自然酸化することを避けて絶縁膜2を作製する。具体的には、チャンバ10で水素終端処理及び窒素終端処理を行った後、炭化珪素基板1をチャンバ10の外に出さずに絶縁膜作製処理を行う。また、チャンバ10で水素終端処理及び窒素終端処理を行った後、大気に触れないようにして絶縁膜2を作製するための別のチャンバに移送してもよい。
[Insulating film fabrication process]
Next, as shown in FIG. 2A, an insulating film 2 is formed on the main surface of
絶縁膜2としては特に限定されないが、(1)SiO2、(2)SiNとSiO2とが混合した膜、(3)Al2O3、(4)SiO2とAl2O3とが混合した酸化膜などが挙げられる。 No particular limitation is imposed on the insulating film 2, (1) SiO 2, (2) SiN and SiO 2 are mixed and membrane, and the (3) Al 2 O 3, (4) SiO 2 and Al 2 O 3 mixed Oxide film and the like.
(1)SiO2については、熱酸化やCVD法により作製することができる。また、(2)〜(4)の各絶縁膜2については、CVD法により作製することができる。なお、絶縁膜2を作製した後に、急速アニール処理(RTA)を行ってもよい。すなわち、チャンバ内をアルゴン雰囲気又は窒素雰囲気にした上で急速加熱してもよい。 (1) For SiO 2 can be prepared by thermal oxidation or CVD. In addition, each of the insulating films 2 of (2) to (4) can be produced by a CVD method. Note that rapid annealing (RTA) may be performed after the insulating film 2 is formed. That is, rapid heating may be performed after setting the inside of the chamber to an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere.
また、絶縁膜2としては、5nm以上であることが好ましい。これにより、電子デバイスの作製に適した厚さの絶縁膜2とすることができる。ちなみに、炭化珪素基板1上に自然酸化によりSiONなどの酸化膜が出来たとしてもその厚みは5nm未満と薄く、電子デバイスの作製に適さない。
The insulating film 2 is preferably 5 nm or more. Thereby, it can be set as the insulating film 2 of the thickness suitable for manufacture of an electronic device. Incidentally, even if an oxide film such as SiON is formed on the
以上の図1〜図2(a)に示した工程によれば、炭化珪素基板1上に絶縁膜2が作製された炭化珪素半導体素子が製造される。
According to the steps shown in FIGS. 1 to 2A, a silicon carbide semiconductor element in which insulating film 2 is formed on
[電子デバイス作製処理]
このようにして得られた炭化珪素半導体素子をベースに電子デバイスを作製する。すなわち、図2(b)に示すように、炭化珪素基板1上に作製された絶縁膜2に、パターニング等の各種プロセスを実施して、電子デバイス3を作製する。
[Electronic device fabrication process]
An electronic device is produced based on the silicon carbide semiconductor element thus obtained. That is, as shown in FIG. 2B, the
[本発明の効果]
本実施形態に係る製造方法により得られた炭化珪素半導体素子(実施例)と、炭化珪素基板上に、水素終端処理及び窒素終端処理を行わずに絶縁膜を作製することにより得られた炭化珪素半導体素子(比較例)について、界面欠陥密度の比較を行った。図3にエネルギー準位(Ec−E(eV))と界面欠陥密度との関係を示す。横軸はエネルギー準位であり、縦軸は界面欠陥密度を示す。また、図中の○は比較例であり、△は実施例を示す。
[Effect of the present invention]
Silicon carbide semiconductor element (Example) obtained by the manufacturing method according to the present embodiment, and silicon carbide obtained by producing an insulating film on a silicon carbide substrate without performing hydrogen termination treatment and nitrogen termination treatment The interface defect density was compared for the semiconductor element (comparative example). FIG. 3 shows the relationship between the energy level (Ec-E (eV)) and the interface defect density. The horizontal axis represents the energy level, and the vertical axis represents the interface defect density. Moreover, (circle) in a figure is a comparative example and (triangle | delta) shows an Example.
同図に示すように、どのエネルギー準位においても、実施例は、比較例よりも界面欠陥密度が低下している。すなわち、本実施形態に係る製造方法により、炭化珪素基板1の表面と絶縁膜2との界面に窒素が導入され、高品質な界面と絶縁膜が得られることが分かる。
As shown in the figure, the interface defect density in the example is lower than that in the comparative example at any energy level. That is, it can be seen that the manufacturing method according to the present embodiment introduces nitrogen into the interface between the surface of the
以上に説明した炭化珪素半導体素子の製造方法によれば、炭化珪素基板1の主表面に存在していたダングリングボンドが窒素で終端され、炭化珪素基板1の主表面と絶縁膜2との界面に窒素が存在する炭化珪素半導体素子が作製される。
According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element described above, dangling bonds existing on the main surface of
このように作製された炭化珪素半導体素子は、ダングリングボンドが窒素で終端されたことにより、界面には欠陥が無く、リーク電流の発生を抑えることができる。また、界面に存在する窒素により界面準位密度が低減され、高品質な界面及び絶縁膜2が得られる。このような界面準位密度が低減した炭化珪素半導体素子からは、例えば、チャネル移動度が向上し、炭化珪素の優れた物性を生かした炭化珪素MOSFETなどの電子デバイスを作製することができる。また、絶縁膜2は、電子デバイスを作製するのに適した膜厚とすることができる。 In the silicon carbide semiconductor device manufactured in this manner, dangling bonds are terminated with nitrogen, so that there is no defect at the interface and generation of leakage current can be suppressed. Further, the interface state density is reduced by nitrogen existing at the interface, and a high-quality interface and the insulating film 2 are obtained. From such a silicon carbide semiconductor element having a reduced interface state density, for example, an electronic device such as a silicon carbide MOSFET that improves channel mobility and makes use of the excellent physical properties of silicon carbide can be produced. Moreover, the insulating film 2 can be made into a film thickness suitable for manufacturing an electronic device.
[その他のバリエーション]
上述した実施形態においては、一連の処理を同一のチャンバ内で炭化珪素基板を取り出すことなく、連続的に行った。これにより、電子デバイス3を作製するまでの工程を合理的に行うことができる。
[Other variations]
In the embodiment described above, a series of processes were continuously performed without taking out the silicon carbide substrate in the same chamber. Thereby, the process until the
また、同一チャンバ内で連続的に処理する場合に限らず、例えば、クリーニングガス及び窒素含有ガスでの表面処理と、絶縁膜2を作製する工程とを別のチャンバで行ってもよい。この製法は、絶縁膜2を作製する工程において、その前の表面処理で用いたガスの影響を極力避けたい場合に有効である。また、水素終端処理、窒素終端処理、絶縁膜作製処理は全て異なるチャンバで行ってもよい。いずれにせよ、窒素終端処理のあと、炭化珪素基板1が自然酸化しないようにして、絶縁膜作製処理を行う。
In addition, the processing is not limited to the case where the processing is continuously performed in the same chamber, and for example, the surface treatment with the cleaning gas and the nitrogen-containing gas and the step of manufacturing the insulating film 2 may be performed in different chambers. This manufacturing method is effective when it is desired to avoid the influence of the gas used in the previous surface treatment as much as possible in the process of manufacturing the insulating film 2. In addition, the hydrogen termination process, the nitrogen termination process, and the insulating film manufacturing process may all be performed in different chambers. In any case, after the nitrogen termination process, the insulating film forming process is performed so that the
さらに、窒素含有ガスによる表面処理を一つの工程として実施したがこれに限らない。例えば、絶縁膜2としてCVD法でSiNを作製する場合、SiNの堆積と共に炭化珪素基板の主表面のダングリングボンドが窒素で終端されることが期待できる。このように、窒素含有ガスによる表面処理は、絶縁膜2の作製と同時的に行ってもよい。 Furthermore, although the surface treatment by nitrogen-containing gas was implemented as one process, it is not restricted to this. For example, when SiN is produced as the insulating film 2 by the CVD method, it can be expected that dangling bonds on the main surface of the silicon carbide substrate are terminated with nitrogen as SiN is deposited. As described above, the surface treatment with the nitrogen-containing gas may be performed simultaneously with the production of the insulating film 2.
本発明は、炭化珪素半導体素子を利用する産業分野で利用することができる。 The present invention can be used in an industrial field using a silicon carbide semiconductor element.
1 炭化珪素基板
2 絶縁膜
3 電子デバイス
10 チャンバ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
窒素含有ガスを励起させてプラズマを生成し、酸化膜を形成せずにプラズマ中の窒素により前記主表面のダングリングボンドを終端した水素を窒素で置換した後、
前記主表面上に酸化膜を形成する
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 A cleaning gas containing hydrogen is excited to generate plasma, and dangling bonds on the main surface of silicon carbide are terminated by hydrogen in the plasma,
A plasma is generated by exciting a nitrogen-containing gas, and after replacing dangling bonds on the main surface with nitrogen by nitrogen in the plasma without forming an oxide film ,
An oxide film is formed on the main surface. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element.
クリーニングガスで表面処理し、窒素含有ガスで表面処理し、主表面上に酸化膜を形成する工程を、同一のチャンバ内で連続的に行う
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 In the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor element of Claim 1,
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein the steps of surface treatment with a cleaning gas, surface treatment with a nitrogen-containing gas, and formation of an oxide film on a main surface are continuously performed in the same chamber.
主表面上に酸化膜を形成する工程は、クリーニングガス及び窒素含有ガスの表面処理とは別のチャンバで行う
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 In the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor element of Claim 1,
The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein the step of forming the oxide film on the main surface is performed in a chamber different from the surface treatment of the cleaning gas and the nitrogen-containing gas.
前記酸化膜の厚さを5nm以上とする
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 In the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor element as described in any one of Claims 1-3,
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, wherein the thickness of the oxide film is 5 nm or more.
請求項1〜請求項4の何れか一項に記載された製造方法によって前記酸化膜を形成することを特徴とする電子デバイスの製造方法。 A method of manufacturing an electronic device including an oxide film formed on silicon carbide,
5. A method of manufacturing an electronic device, wherein the oxide film is formed by the manufacturing method according to claim 1.
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