JPH0254537A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法

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JPH0254537A
JPH0254537A JP63205535A JP20553588A JPH0254537A JP H0254537 A JPH0254537 A JP H0254537A JP 63205535 A JP63205535 A JP 63205535A JP 20553588 A JP20553588 A JP 20553588A JP H0254537 A JPH0254537 A JP H0254537A
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concentration
impurity layer
semiconductor substrate
type impurity
gate electrode
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Masahiro Takeuchi
正浩 竹内
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置、特にMOS型またはMIS型半導
体装置の構造および製造方法に関するものである。
〔従来の技術〕
近年、半導体装置はますます微細化、高集積化されてき
ている。MO3型トランジスタも同様で、その素子寸法
はサブミクロン領域まで微細化されてきている。このよ
うに微細化が進むとゲート電圧に関係なくソース−ドレ
イン間に電流が流れてしまうパンチスルーという現象が
起こる。この問題を解決するため、特公昭54−161
94号、特開昭53−127273号、特開昭60−1
80167号、特開昭60−235471号のように基
板表面より深い部分の不純物濃度を濃くする方法が知ら
れている。これを第2図を用いて説明する。第2図にお
いて201はp型半導体基板、202は素子分離用酸化
膜、203はゲート酸化膜、209は高濃度n型不純物
層によるソース領域およびドレイン領域、205はゲー
ト電極、204は半導体基板201より不純物濃度の濃
いp型不純物層である。ドレインに電圧を加えてドレイ
ン空乏層が広がってもp型不純物層204により空乏層
ののびが抑えられ、パンチスルーが抑えられる。
また、電源電圧一定のまま微細化を進めるとホットキャ
リアによる特性の劣化が起こる。この問題を解決するた
めL D D (Lightly Doped Dra
in )という構造が提案されているが、このLDDを
さらに改良した構造が次の文献1に掲載されている。
(C,−Y、Wel 、 J 、M、 Plmb l 
ey 、 Y、Nl5san−Cohen 、 ”Bu
rIed and Graded/1lurled L
DD 5traetures for Impr。
wed 1lot−Electron Re1lab1
1ity”、IEEE ElectronDevlce
 Lett、、Vol、EDL−7,PP380−38
2.1986.) これを第3図を用いて説明する。第
3図において、301はp型半導体基板、302は素子
分離用酸化膜、303はゲート酸化膜、305はゲート
電極、309は高濃度n型不純物層によるソース領域お
よびドレイン領域、306は低濃度n型不純物層による
ソース領域およびドレイン領域、308はサイドウオー
ル絶縁膜、304は半導体基板301より不純物濃度の
濃いp型不純物層である。306の低濃度n型不純物層
によるソース領域およびドレイン領域はMO3型トラン
ジスタのチャンネルより深く、ゲート電極より内側に張
り出している。この結果、チャンネルを流れる電流経路
はドレイン端で下方へ曲げられ、ホットキャリアの発生
地点も基板内部へ移るので、発生したホットキャリアが
ゲート酸化膜とチャンネルの界面へ飛び込む数が減少し
、ホットキャリアによるMO3型トランジスタの劣化が
少なくなるということが知られていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、第2図に示した従来例では基板表面より深い部
分の不純物濃度を濃くしであるためパンチスルーは起こ
りにくいが、ドレイン近傍での電界集中に対しては、何
らの対策にもなっていないのでホットキャリアにより特
性が劣化するという課題を有していた。
また、第3図に示した従来例ではホットキャリアにより
特性劣化は少なくなるが、ソース領域およびドレイン領
域がゲート電極より内(IIIrIこ張り出しているた
め、ドレイン空乏層とソース空乏層がつながりやすくな
りパンチスルーしやすいという課題を有していた。さら
にMOS型トランジスタのスレッショルド電圧を合わせ
込むため半導体基板301より不純物濃度の濃いp型不
純物層304を半導体基板301の表面付近に形成する
と表面付近でアバランシェ現象が起こりやすくなりホッ
トキャリアによるMOS型トランジスタの劣化がかえっ
て大きくなるという課題も有していた。
そこで本発明は、このような課題を解決するもので、そ
の目的とするところは微細化してもパンチスルーしに<
<、ホットキャリアによる特性劣化の少ないMOS型ト
ランジスタを提供するところにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の半導体装置は、第1導電型で第1の濃度を持つ
半導体基板、前記半導体基板中に前記半導体基板表面か
ら離隔して形成された第1導電型で第1の濃度より高濃
度の第2の濃度を前記半導体基板表面から第1の深さに
持つ帯状の第1不純物層、前記半導体基板上に第1絶縁
膜を介して形成されたゲート電極、前記ゲート電極の両
側の前記半導体基板中に互いに離隔して形成された第2
導電型で前記半導体基板表面から第2の深さに第3の濃
度を持ち、下面が前記第1不純物層と接するかそれより
も上に存在し、かつ前記第1不純物層に近い部分で前記
ゲート電極下側へ向かって張り出す形状となる第2不純
物層、前記ゲート電極の側壁に形成されたサイドウオー
ル絶縁膜、前記サイドウオール絶縁膜槽の前記第2不純
物層中に形成された第2導電型で第3の濃度より高濃度
の笥4の濃度を持つ第3不純物層を有することを特徴と
する。
また、前記第1不純物層の前記第1の深さは、好ましく
は0.2〜0.7μmであることを特徴とする。
また、前記第1不純物層の前記第2の濃度は、好ましく
は1×1016〜3X10重’Cl11−’であること
を特徴とする。
また、前記第2不純物層の前記第2の深さは、好ましく
は0.05〜0.25μmであることを特徴とする。
また、前記第2不純物層の前記第3の濃度は、好ましく
はlX1016〜6X10I8cllIっであることを
特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体
基板上に第1の絶縁膜を形成する工程と、第1導電型の
第1の不純物を前記半導体基板中にイオン注入する工程
と、前記第1の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と
、前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板と反対
導電型の第2導電型の第2の不純物を前記半導体基板中
にその不純物濃度のピークが前記第1の不純物濃度のピ
ークよりも浅くなるようにイオン注入する工程と、前記
ゲート電極に第2の絶縁膜によるサイドウオール絶縁膜
を形成する工程と、前記ゲート電極および前記サイドウ
オール絶縁膜をマスクに第2導電型の第3の不純物を前
記半導体基板にイオン注入する工程、からなることを特
徴とする。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、サイドウオー
ル絶縁膜を、半導体基板上およびゲート電極上に第2の
絶縁膜を形成した後、異方性イオンエツチングを行なう
ことにより形成することを特徴とする。
〔実 施 例〕
本発明による実施例を第1図を用いて詳しく説明する。
なお第1図(f)は本発明によるMOS型トランジスタ
の最終工程断面図であるが、101は半導体基板であり
例えばp型シリコン基板、102は素子分離用の絶縁膜
、例えばシリコン酸化膜、103は絶縁膜例えばシリコ
ン酸化膜からなるゲート酸化膜、104はシリコン基板
より高濃度のp型不純物層、105はゲート電極、10
6は低濃度n型不純物層によるソース、ドレイン領域、
108はCVDシリコン酸化膜107等から形成される
サイドウオール絶縁膜、109は高濃度n型不純物層に
よるソース、ドレイン領域、−印はp型不純物層104
の不純物濃度の最大となる位置、x印はnIJ:!不純
物層106の不純物濃度の最大となる位置である。
まず第1導電型の半導体基板、ここではp型シリコン基
板101を酸化性雰囲気中で1000℃の酸化を行ない
シリコン酸化膜を500 形成する。続いてCVD法に
よりシリコン窒化膜を2000 形成する。次に写真蝕
刻法により前記シリコン窒化膜の不要部分を除去した後
、ウェット雰囲気中で1000℃の酸化を行ない約1μ
mの厚い酸化膜102を形成し、その後前記シリコン窒
化膜を除去する。これらの工程により第1図(a)のよ
うにp型シリコン基板101上に素子分離用シリコン酸
化膜102が形成される。次に酸化性雰囲気中で100
0℃の酸化を行ない第1図(b)のようにp型シリコン
基板101上に200  のゲート酸化膜1.03を形
成する。次に第1図(c)のようにp型不純物たとえば
ホウ素をlXl0”cm−2〜I X 10 ”cm−
2のドーズ量、60KeV〜200KeVの加速電圧で
イオン注入することによりシリコン基板より高濃度のp
型不純物層104を形成する。次に第1図(d)のよう
にCVD法により多結晶シリコン膜を6000 形成後
、写真蝕刻法により不要部分を除去しゲート電極105
を形成する。次に第1図(e)のようにゲート電極10
5及び素子分離用シリコン酸化膜1゜2をマスクにn型
不純物たとえばリンを1×10 ”am−2〜I X 
1014cm−2のドーズ量で、80KeV〜180K
eVの加速電圧でイオン注入することによりソース、ド
レイン領域の低濃度n型不純物層106を形成する。次
に第1図(f)のようにCVD法によりシリコン酸化膜
1.07を半導体基板1.01上及びゲート電極105
上に6000 形成後、反応性イオンエツチングを行う
ことにより第1図(g)のようにシリコン酸化膜による
サイドウオール絶縁膜108を形成する。次に第1図(
h)のようにゲート電極105、サイドウオール絶縁膜
108及び素子分離用シリコン酸化膜102をマスクに
n型不純物たとえばヒ素をI X 1016cm−2の
ドーズ量、60KeVの加速電圧でイオン注入すること
によりソース、ドレイン領域の高濃度n型不純物層10
9を形成する最後にイオン注入層の活性化を行なうため
800℃〜1100℃のアニールを行なう。このように
して形成されたMOS型トランジスタではp型シリコン
基板101のp型不純物、ここではボロンの不純物濃度
を5 X 10 ”cm−2とすると、低濃度n型不純
物層106の不純物濃度の最大値は1×1016 cm
−3〜6X I Q 18am−3となり、その最大と
なる位置はシリコン基板表面から0.05〜0,25μ
mの深さになり、低濃度n型不純物層106はゲート電
極105より内側に0.05μm〜0゜15μm張り出
す。第9図は低濃度n型不純物層106の不純物濃度の
最大となる位置の深さとホットキャリアによるGmの劣
化率、バンチスルーを起こす最小寸法のグラフ、第10
図は低濃度n型不純物層106の不純物濃度の最大値と
ホットキャリアによるG m h+Axの劣化率、パン
チスルーを起こす最小寸法のグラフである。ここでGm
%lAXとは第5図のようにMOS型トランジスタのゲ
ート電圧V。とドレイン電流IDのグラフにおいて、1
0をV。で微分したものがGmでそのの最大値をG m
 h+ A Xとする。またパンチスルーを起こす最小
寸法は第6図のようにゲートをアースに接続したときの
ドレインブレークダウン電圧BVdsとゲート長しのグ
ラフを書くと、ゲート長りがあるゲート長より短くなる
とBVd sが低下してくる。このゲート長をパンチス
ルーを起こす最小寸法り、。、。、とする。
第9図、第10図より前記実施例の範囲でホットキャリ
アによるGmMAxの劣化率、バンチスルーを起こす最
小寸法ともに良好な値を示す。これは次のように考えら
れる。低濃度n型不純物層106の不純物濃度の最大と
なる位置が基板表面から深くなるほどドレイン近傍での
ホットキャリアの発生地点も基板表面から深くなるので
ホットキャリアによるGmMAxの劣化も少なくなる。
しかし、バンチスルーをしやすくなるのでむやみにその
位置を深くするわけにはいかない。最適な範囲がある。
さらに低濃度n型不純物層106の不純物濃度によりド
レイン近傍での電界の緩和の効果が変わりホットキャリ
アによるGmyAxの劣化も変わってくる。つまり、こ
の不純物濃度は濃すぎても薄すぎてもホットキャリアに
よるG m IIIAXの劣化は大きくなる。そして、
この不純物濃度によりパンチスルーのしやすさも変化す
るので最適な範囲がある。これらn型不純物層106の
不純物濃度の最大となる位置の最適な範囲はホットキャ
リアによるGmN+Axの劣化率を8%以下、パンチス
ルーを起こす最小寸法を0.8μm以下とすると第9図
からシリコン基板表面から0.05〜0゜25μmであ
り、さらに好ましくはホットキャリアによるGmMAx
の劣化率を低くする0、08〜0.2μmがよく、さら
に好ましくは、0.1〜0.18μmがよい。そして低
濃度n型不純物層106の不純物濃度の最適な範囲はホ
ットキャリアによるGm+、+Axの劣化率を8%以下
、パンチスルーを起こす最小寸法を0.8μm以下とす
ると、第10図からlX10’霜〔3〜6X1018(
2)−3の範囲であり、ホットキャリアによるGmh+
Axの劣化率を低くするには2X1016cnI″3〜
2X1018c111−3がよく、さらに好ましくはl
X1017□□□−3〜1X1018印1の範囲がよい
次に前記実施例によればシリコン基板より高濃度のn型
不純物層104の不純物濃度の最大となる位置はシリコ
ン基板表面から0.2μm〜0゜55μmの深さになる
。このときのn型不純物層106とn型不純物層104
の深さ方向の不純物プロファイルを第7図、第8図に示
す。第7図はn型不純物層106の不純物濃度の最大と
なる深さが0.15μm、n型不純物層104の不純物
濃度の最大となる深さが0.55μmの不純物プロファ
イルを、第8図はn型不純物層106の不純物濃度の最
大となる深さが0.15μmsp型不純物層104の不
純物濃度の最大となる深さが0.2μmの不純物プロフ
ァイルを示す。この図を見てわかるとうり、n型不純物
とp型不純物を相殺した全体の不純物濃度を見ると、n
型不純物層106より深い場所にシリコン基板より不純
物濃度の濃いp型頭域が存在する。ここで、第11図、
第12図より前記実施例の範囲でホットキャリア1千よ
るGmMAxの劣化率、パンチスルーを起こす最小寸法
ともに良好な値を示す。これは次のように考えられる。
n型不純物層104によりシリコン基板101より不純
物濃度の濃いp型層がn型不純物層106より深い位置
にできると、ドレイン空乏層ののびが押えられ、パンチ
スルーしにくくなる。しかし、むやみに深くすればよい
というものではない。前記p型不純物層104の深さを
深くしすぎると、ドレイン空乏層の広がる領域よりも前
記p型不純物層104の深さが深くなリドレイン空乏層
ののびを抑えられなくなり、かえってパンチスルーをし
やすくなる。
またp型不純物@104の不純物濃度の最大となる位置
を深くすることによりドレイン近傍でドレイン電界によ
るアバランシェ現象の起こる地点が基板か、ら深い位置
にくるのでホットキャリアによるcmLIAXの劣化も
少なくなる。しかしn型不純物層104の深さをある位
置より深くしてもアバランシェ現象の起こる地点は変化
しなくなるのでGmg7”xの劣化もそれほど改善され
なくなる。
以上のことからn型不純物層104の不純物濃度の最大
となる位置は最適な範囲が存在し、その範囲はホットキ
ャリアによるGmMAxの劣化率を8%以下、パンチス
ルーを起こす最小寸法を0゜8μm以下とすると第11
図からシリコン基板表面から0.2μm〜0.7μmの
範囲が好ましく、ホットキャリア、パンチスルーの面か
ら、さらに好ましくは0.25μm〜0.55μm、さ
らに好ましくは0.3μm〜0.5μmがよい。そして
第12図はn型不純物層104の不純物濃度の最大値と
ホットキャリアによるGmMAxの劣化率、パンチスル
ーを起こす最小寸法のグラフであるが、このグラフから
n型不純物層104の不純物濃度の最大値の範囲はI 
X 1016cm−’〜3 X 1018e111’−
’であり、さらに好ましくは4×1016CI11−3
〜2X10”艶″3、さらに好ましくはI X 101
70111− ’〜1×1018c11づがよい。
また、第13図は本実施例および従来例によるMOSト
ランジスタのホットキャリアによるGm劣化の時間依存
性のグラフを示す。Aは本実施例、Bは域来例を示すも
のである。この図より、本実施例によれば従来例と比べ
てホットキャリアによるGm劣化が約115になること
がわかる。
ここでは実施例としてp型不純物層104のp型不純物
としてホウ素を使用したがアルミニウム、ガリウム、イ
ンジウムを用いてもよいし、ホウ素とアルミニウムとい
うようにこれらの不純物を組み合わせて導入してもよい
。また低濃度n型不純物層のn型不純物としてリンを用
いたがヒ素、アンチモンを用いてもよいし、リンとヒ素
のようにこれらの不純物を組み合わせて導入してもよい
また高濃度n型不純物層のn型不純物としてヒ素を用い
たが、リン、アンチモンを用いてもよいし、ヒ素とリン
のようにこれらの不純物を組み合わせて導入してもよい
また本実施例ではゲート電極に多結晶シリコン膜を使用
したが、これはチタン、モリブデン、タングステンなど
の高融点金属でもよいし、半導体膜たとえば多結晶シリ
コン膜にチタン、モリブデン、タングステンなどの高融
点金属を形成した高融点金属ポリサイド膜、あるいは高
融点金属シリサイド膜を使用してもよい。また、本実施
例ではサイドウオール絶縁膜にCVD法により形成した
シリコン酸化膜を使用したが、これは多結晶シリコン膜
を酸化したシリコン酸化膜を用いてもよいし、シリコン
窒化膜を使用してもよい。さらに本実施例では素子分離
領域をLOCO3法により形成したが、第4図のように
半導体基板に溝を掘った後、酸化膜等の絶縁膜でその溝
を埋め込んだものを素子分離領域とするトレンチ分離法
を用いてもよい。
さらに本実施例では、第1図に示すトランジスタをSR
AMのメモリセルのフリップフロップを構成するトラン
ジスタに使用するとα線によるソフトエラーに対して強
くなる。SRAMのフリップフロップを構成するトラン
ジスタのドレイン領域のn型拡散層にα線が入射すると
、N1拡散層とp型基板間に形成されている空乏層内で
電子、正孔対が発生する。発生した電子は前記トランジ
スタのドレイン方向への電界により引きつけられ、ドレ
イン拡散層へ注入される。このときドレイン拡散層がフ
リップフロップのHi状態であると、注入された電子に
より電位が下がり、Low状態に反転してしまう。これ
がα線によるソフトエラーであるが、第1図(h)のよ
うな本実施例では、ドレイン拡散層がHi状態でもn型
不純物層106.109およびp型不純物層104によ
り空乏層の幅が狭くなる。この場合ドレイン領域のn型
拡散層にα線が入射しても前記空乏層の幅が狭くなって
いるので空乏層内で発生する電子、正孔対の量も少なく
なるのでα線によるソフトエラーに強くなる。
本実施例ではn型トランジスタについて記述したが、p
チャンネルトランジスタに使用しても同様な効果が得ら
れることは言うまでもない。
〔発明の効果〕
本発明によればバンチスルー現象が起こりにくいためM
O3型トランジスタがサブミクロン領域まで微細化でき
、LSIの高集積化、高速化が可能になるだけでなく、
ホットキャリアによる特性劣化が少なくなり、さらには
SRAMのメモリセルに使用すればα線によるソフトエ
ラーに強くなるためLSIの信頼性向上に大きな役割を
果たす効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(h)は本発明の半導体装置の製造方法
の一実施例を示す工程順断面図、特に第1図(f)は本
発明の半導体装置の一実施例を示す主要断面図、第2図
、第3図は従来の半導体装置を示す主要断面図、第4図
は本発明の他の実施例を示す主要断面図、第5図はam
MAXを説明するグラフ、第6図はL punchを説
明するグラフ、第7図、第8図は本発明の一実施例によ
る基板深さ方向の不純物プロファイルを示すグラフ、第
9図から第12図は本発明の一実施例によるホットキャ
リアによるGmλIAXの劣化率、パンチスルーを起こ
す最小寸法1’ pHnehを示すグラフ、第13図は
MOS)ランジスタのホットキャリアによるGm劣化の
時間依存性を示す図であり、Aは本実施例を示し、Bは
従来例を示す。 101.201.301.401 ・・・p型シリコン基板 102.202.302.402 ・・・素子分離用絶縁膜 103.203.303.403 ・・・ゲート絶縁膜 104.204.304.404 ・・・基板より高濃度のp型不純物層 105.205.305.405 ・・・ゲート電極 106.306.406 ・・・低濃度n型不純物層 108.308.408 ・・・サイドウオール絶縁膜 109.209.309.409 ・・・高濃度n型不純物層 以上 悌 崩 メ 乍 円 メ/I!I(え) 1直 1f!l(ら) 気/l1l(リ メl l!l Cct) 算l1l(シ) ヌ7/H(に〕 ケ−)覧たVc、(V) 質 夕ID /r’−)−長L (4−L) 悌 6 図 図 0.2   0<    0.6    a、gシリコ
ンIMiqらの2蔽コ (A−ル〕%V不(l吻肩/)
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on )イ 10  m

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1導電型で第1の濃度を持つ半導体基板、前記
    半導体基板中に前記半導体基板表面から離隔して形成さ
    れた第1導電型で第1の濃度より高濃度の第2の濃度を
    前記半導体基板表面から第1の深さに持つ帯状の第1不
    純物層、前記半導体基板上に第1絶縁膜を介して形成さ
    れたゲート電極、前記ゲート電極の両側の前記半導体基
    板中に互いに離隔して形成された第2導電型で前記半導
    体基板表面から第2の深さに第3の濃度を持ち、下面が
    前記第1不純物層と接するかそれよりも上に存在し、か
    つ前記第1不純物層に近い部分で前記ゲート電極下側へ
    向かって張り出す形状となる第2不純物層、前記ゲート
    電極の側壁に形成されたサイドウォール絶縁膜、前記サ
    イドウォール絶縁膜横の前記第2不純物層中に形成され
    た第2導電型で第3の濃度より高濃度の第4の濃度を持
    つ第3不純物層を有することを特徴とする半導体装置。
  2. (2)前記第1不純物層の前記第1の深さは、好ましく
    は0.2〜0.7μmであることを特徴とする請求項1
    記載の半導体装置。
  3. (3)前記第1不純物層の前記第2の濃度は、好ましく
    は1×10^1^6〜3×10^1^8cm^−^3で
    あることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半
    導体装置。
  4. (4)前記第2不純物層の前記第2の深さは、好ましく
    は0.05〜0.25μmであることを特徴とする請求
    項1、請求項2または請求項3記載の半導体装置。
  5. (5)前記第2不純物層の前記第3の濃度は、好ましく
    は1×10^1^6〜6×10^1^8cm^−^3で
    あることを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3ま
    たは請求項4記載の半導体装置。
  6. (6)第1導電型の半導体基板上に第1の絶縁膜を形成
    する工程と、第1導電型の第1の不純物を前記半導体基
    板中にイオン注入する工程と、前記第1の絶縁膜上にゲ
    ート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクと
    して前記半導体基板と反対導電型の第2導電型の第2の
    不純物を前記半導体基板中にその不純物濃度のピークが
    前記第1の不純物濃度のピークよりも浅くなるようにイ
    オン注入する工程と、前記ゲート電極に第2の絶縁膜に
    よるサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記ゲー
    ト電極および前記サイドウォール絶縁膜をマスクに第2
    導電型の第3の不純物を前記半導体基板にイオン注入す
    る工程からなることを特徴とする半導体装置の製造方法
  7. (7)サイドウォール絶縁膜を、半導体基板上およびゲ
    ート電極上に第2の絶縁膜を形成した後、異方性イオン
    エッチングを行なうことにより形成することを特徴とす
    る請求項6記載の半導体装置の製造方法。
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