JPH08124943A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH08124943A
JPH08124943A JP26557694A JP26557694A JPH08124943A JP H08124943 A JPH08124943 A JP H08124943A JP 26557694 A JP26557694 A JP 26557694A JP 26557694 A JP26557694 A JP 26557694A JP H08124943 A JPH08124943 A JP H08124943A
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gate electrode
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ゲート金属の埋め込み性を改善し、低いゲート
電極抵抗Rgを高精度で実現し、高性能の電界効果トラ
ンジスタを高歩留で製造する。 【構成】半導体ヘテロ接合を有する基板を用い、半導体
の上のゲート開口部に第1の導電膜8Aを堆積させたあ
と、低粘度材(フォトレジスト膜9)で中心部の隙間を
埋め込んだ後、全面をエッチバックして第1の導電膜8
Aを削りこみ、隙間のアスペクト比を低減させてから第
2の導電膜の金属堆積をおこなった後、リソグラフ法に
より整形する。このゲート電極形成方法により、ゲート
電極の埋め込み性が大幅に改善される結果、低いゲート
電極抵抗Rgを再現性よく実現し、高性能の電界効果ト
ランジスタを高歩留で製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体を用いた半
導体装置の製造方法に関し、特に化合物半導体電界効果
トランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】GaAs等の化合物半導体を用いた電界
効果トランジスタにおいては、導電層やキャリア供給層
の上層の絶縁膜を開口し、開口部内に電極金属を堆積さ
せてゲートを形成する方法が、広く用いられている。
【0003】これらの電界効果トランジスタの特性向上
のためには、ゲート抵抗Rgをなるべく小さくすること
が望ましい。しかしRgはゲート電極の埋め込み形状に
左右されやすく、埋め込み性が不良の場合にはRgは増
大しやすくなる。一方、近年の素子の微細化に伴って、
このようなゲート開口部のアスペクト比(深さ/最上部
の最小寸法)は大きくなり、その結果ゲート金属の埋め
込み性に支障が出やすくなってきている。
【0004】この種の半導体装置の製造方法として、例
えば特開平5−335341号公報に記載されるもの
(従来例)がある。次に、この従来例について説明す
る。
【0005】まず、図5(a)に示すように、半絶縁性
GaAs基体1の上に、高純度GaAs層でなるチャネ
ル層2、N型Al0.3 Ga0.7 As層でなる電子供給層
3およびN型GaAs層でなるコンタクト層4を順次に
エピタキシャル成長して半導体基板を準備する。次に、
水素イオンの注入などを行なって素子分離を行なったの
ち、SiON膜19、Al2 3 膜15をこの順に成長
させた後、フォトリソグラフィーによってレジスト膜を
パターニングし、次にリン酸でAl2 3 層20を除去
し、さらにCF4 ガスを用いた反応性イオンエッチング
(RIE)によりSiON膜19の異方性エッチングを
行なった後、レジスト膜を除去することによって開口2
1を形成する。
【0006】次に、図5(b)に示すように、プラズマ
CVD法により厚さ150nmのSiON膜22の堆積
を行う。
【0007】次に、図5(c)に示すように、CF4
スを用いたRIEによりSiON膜22をエッチング
し、コンタクトホール(開口21)の側壁部のみに側壁
絶縁膜23として残す。
【0008】次に、図5(d)に示すように、コンタク
トホール(21)よりやや広い開口部を有するフォトレ
ジスト膜24のパターンを形成する。
【0009】次に、例えばCCl2 2 ガスを用いたR
IEによってコンタクトホール内のN型GaAs層
(4)を選択エッチングしてからフォトレジスト膜24
を除去することにより、図6(a)に示すように、開口
25を形成する。エッチングは、N型Al0.3 Ga0.7
As層3の表面でほぼ全面停止する。
【0010】次に、ゲート電極19を形成する。まずス
パッタリング法によって、図6(b)に示すように、タ
ングステンシリサイド膜8を約300nmの厚みに堆積
した後、T型ゲート電極を形成するためにフォトレジス
トを塗布し、所定のパターニングを行なってフォトレジ
スト膜25を形成する。
【0011】次にCF4 ガスを用いたRIEによってタ
ングステンシリサイド膜8の異方性ドライエッチングを
行なった後、フォトレジスト膜25を除去すれば、図6
(c)に示すようにゲート電極26が完成する。このよ
うに半導体基板上に堆積された絶縁膜を開口して、さら
に低抵抗のコンタクト層4をエッチング除去してから開
口部にゲート金属を埋め込む方式のゲート構造は、ソー
ス−ゲート間の寄生抵抗Rsを低減化して、相互コンダ
クタンス値の大きいFETを作製するのに適するため、
広く用いられている構造である。
【0012】その後、図6(d)に示すように、ソース
電極16とドレイン電極15を形成して、素子を完成さ
せる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】前述の従来例の様にゲ
ート開口を行なってゲート金属を堆積させた場合、金属
の埋め込み不良が発生しやすい。この従来例のゲート開
口方法において例えばゲート長Lg=0.4μm、N型
GaAs層(コンタクト層)の厚さ0.1μm、SiO
膜19の膜厚を0.3μmとした時に、ゲート開口部の
アスペクト比(深さ/幅)は1.0となる。このような
形状の開口部に例えばタングステンシリサイド膜を0.
4μmの厚さスパッタ法で堆積した場合、開口25をタ
ングステンシリサイドで完全に埋め込むことができな
い。
【0014】この場合、タングステンシリサイド膜の開
口25の底面部での厚さは0.15μm、内壁部に堆積
した厚さは最下部で0.1μmであり、上部に行くほど
厚くなっているので隙間ができる。開口部外のフィール
ド部では、タングステンシリサイド膜は0.4μmの厚
さを有する。隙間の寸法は底面の幅が0.2μm、深さ
0.8μmで上部に行くほど狭まっており、最上部では
幅0.05μmである。隙間のアスペクト比(深さ/最
上部の幅)は、16.0である。
【0015】このようにゲート金属が十分よく埋め込ま
れないことの原因は、スパッタが進行するにつれて、開
口部に堆積した金属により開口部の入口がだんだん狭く
なり、開口部底部の堆積効率が低下していき、最終的に
は隙間がなくならないまま入口が狭くなってしまい、ゲ
ート電極に空隙ができる。
【0016】このようなゲート金属の埋め込み性不良
は、ゲート長が縮小化されてゲート開口部のアスペクト
比が増大するにつれて、益々発生しやすくなると考えら
れる。
【0017】このようにゲート電極に空隙があると、ゲ
ート電極の断面積が小さくなるため、ゲート幅方向の抵
抗Rgが増大するという問題が生じる。
【0018】また、ゲート電極に空隙がある場合、機械
的強度が弱くなり、機械的振動等の外部要因によりゲー
ト電極はがれが発生しやすくなる。
【0019】以上の観点から、ゲートの埋め込み性を向
上させることは重要である。
【0020】コンタクトホールにおける電極配線を埋め
込み性よく形成する技術については、シリコン半導体装
置において種々研究されているので、そのような技術を
利用して前述の問題点を解決することが考えられる。例
えば、特開昭63−51659号公報に記載されている
技術をあげることができる。すなわち、図7(a)に示
すように、平坦なシリコン基板101上に厚さ約1μm
の酸化シリコン膜102をCVD法で堆積させた後、通
常のフォトレジスト工程とドライエッチング工程により
直径1μmの開口(コンタクトホール)103を形成す
る。
【0021】次いで図7(b)に示すように、基板温度
350℃、真空度7mTorr、6フッ化タングステン
ガス流量対水素ガス流量が1対70になる条件におい
て、6フッ化タングステンの水素の混合ガスを用いた減
圧CVD法により、基板上でSiの露出しているコンタ
クトホール底面領域にのみタングステン膜104を約
0.5μm堆積する。
【0022】次いで図7(c)に示すように、アルミニ
ウムターゲット電力1.0kW、基板バイアス電圧−6
00V、アルゴン圧3mTorrなる条件下においてバ
イアスパッタ法によりアルミニウム膜105をさらに約
0.5μm堆積する。この条件では、コンタクトホール
103の底部に堆積するアルミニウム膜105の膜厚は
酸化シリコン膜102上に堆積するアルミニウム膜の膜
厚の2倍となり、コンタクトホール103を有する酸化
シリコン膜上のアルミニウム膜はほぼ平坦になる。
【0023】この手法をGaAsFET作製に適用した
場合、タングステンとGaAsの密着性が低く、ゲート
はがれが簡単におこりやすいので利用できない。
【0024】また、特開平3−14233号公報に記載
された手法がある。これは、図8(a)に示す様に、S
i等の基板201上に例えばCVD法により酸化シリコ
ン膜202を形成し、ここにアクペクト比1.2のコン
タクトホールを開口した後、基板201を450℃未満
の温度に保ったまま厚さ約50nmのアルミニウム膜2
05Aを形成する。この蒸着では低温で成膜するためA
lの島状成長は抑えられ均一なアルミニウム膜が形成さ
れる。
【0025】次に、この基板を450〜600℃に加熱
しながらAlを真空蒸着し、すでに堆積された厚さ約5
0nmのアルミニウム膜205A上にさらに図8(b)
に示すように、約750nm程度の厚いアルミニウム膜
205Bを形成する。このとき、成膜の最初から加熱し
た場合と異なり、下層に均一なアルミニウム膜205A
が存在しているため、上層のアルミニウム膜205Bに
は島状成長は起らず、引き続き均一な成長が行なわれ
る。また基板を450〜600℃の高温にして蒸着する
のでAl表面拡散が盛んなため、コンタクトホール内に
もAlが均一に流入し、空隙のない埋め込みが達成され
る。
【0026】この発明をGaAsFET作製に適用した
場合、450℃以上に基板温度を保ちながらAl蒸着を
行なう工程でAlとGaAsが顕著な相互拡散をおこし
て特性劣化を招きやすいのでやはり利用できない。
【0027】本発明の目的は、化合物半導体層を被覆す
る絶縁膜の開口部に埋め込み性よくゲート電極を形成で
きる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0028】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、半導体基板の表面部の化合物半導体層を被覆
して絶縁膜を設け、前記絶縁膜を貫通し底面に前記化合
物半導体層が露出する第1の開口を設ける工程と、前記
第1の開口とその近傍を含む部分に所定の厚さに第1の
導電膜を堆積し、低粘性材を塗布し固化し表面がほぼ平
坦な平坦化膜を形成し、前記絶縁膜に対して選択性があ
りかつ前記第1の導電膜を前記平坦化膜と少なくとも同
程度の速度で除去できる手段でエッチバックを行ない前
記第1の開口部のみに前記第1の導電膜を残し、平坦化
膜を除去することにより前記第1の開口の一部を埋めて
アスペクト比を低減させて第2の開口を形成する工程
と、第2の導電膜を前記第2の開口とその近傍を含む部
分に堆積しパターニングすることにより前記第1の開口
の底面で前記化合物半導体層と接触するゲート電極を形
成する工程とを有するというものである。
【0029】化合物半導体層は、最上層のコンタクト層
ならびにキャリア供給層およびチャネル層を含む多層膜
であり、第1の導電膜は前記キャリア供給層またはチャ
ネル層とショットキー障壁を形成するものとすることが
できる。
【0030】更に、コンタクト層をN型GaAs層、電
子供給層をN型Alx Ga1-x As層(0<x<1)、
チャネル層を高純度GaAs層、第1の導電膜をタング
ステンシリサイド膜とすることができる。
【0031】平坦化膜はレジスト膜、ポリイミド膜また
はSOG膜のいずれかを使用することができる。
【0032】
【作用】第1の開口の上部が塞がらない程度の厚さに第
1の導電膜を堆積したのち、平坦化膜を形成しエッチバ
ックを行なってアスペクト比の小さい第2の開口として
から第2の導電膜を堆積するので、空隙なく開口を導電
膜で十分に埋め込むことができる。
【0033】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。
【0034】まず、本発明の一実施例について図1〜図
3を参照して説明する。
【0035】まず図1(a)に示すように、半絶縁性G
aAs基板体1の表面((100)面)に500nmの
アンドープの高純度GaAs層(チャネル層2)、厚さ
35nmでSiドープ(Nd=2×1018cm-3)のN
型Al0.3 Ga0.7 As層(電子供給層3)、さらに厚
さ100nmでSiドープ(Nd=3×1018cm-3
のN型GaAs層(コンタクト層4)を有機金属気相成
長(MOCVD)法によりエピタキシャル成長(基板温
度は600℃)する。このようにして準備された半導体
基板に例えば水素イオンを選択的に注入することによっ
て図示しない素子分離領域を形成し、FET形成領域
(例えば平面形状が長方形の領域)を区画する。
【0036】次に、図1(b)に示すように、酸化シリ
コン膜6を全面に熱CVD法により厚さ300nm堆積
させてから、リソグラフ法と反応性ドライエッチング
(RIE)法によりゲート電極を形成する部分の酸化シ
リコン膜6を除去し、さらに異方性選択ドライエッチン
グによりN型GaAs層(4)を、図1(c)に示すよ
うに、除去して第1の開口7を形成する。この異方性選
択ドライエッチングには、例えばBCl3 (3塩化ボロ
ン)とSF6 (6フッ化硫黄)の混合ガスを用いたEC
R(電子サイクロトロン共鳴)プラズマエッチングによ
って行う。ガス圧力は1.3Pa、マイクロ波電力は1
50Wとした。これによりN型GaAs層(4)がけず
られてN型Al0.5 Ga0.7 As層(3)の表面が露出
したところでエッチングを停止することができる。
【0037】このようにして形成された第1の開口7の
寸法は、幅0.4μm、深さ0.4μmで、アスペクト
比(深さ/幅)は1.0である。この開口部に、図1
(d)に示す様にタングステンシリサイド膜8A(WS
ix ,xは約2、でなる)をスパッタ法で形成する。厚
さは400nmである。スパッタが終わった状態におい
ては、図1(d)に示す様に、埋め込み部には隙間がで
きている。タングステンシリサイド膜8Aの第1の開口
7の底面部での厚さは0.15μm、内壁部での厚さは
最下部で0.1μmであり、上部に行くほど厚くなって
いる。開口部外のフィールド部では、タングステンシリ
サイド膜8Aは0.4μmの厚さを有する。隙間の寸法
は底面の幅が0.2μm、深さ0.8μmで上部に行く
ほど挟まっており、最上部では幅0.05μmである。
隙間のアスペクト比(深さ/最上部の幅)は、16.0
である。
【0038】次いで図2(a)に示すように、フォトレ
ジストを塗布してから焼きしめを行なうことにより平坦
化膜としてフォトレジスト膜9を形成する。第1の開口
部に残っている隙間に十分よく入り込む程度に粘性が小
さい物質であれば、フォトレジスト以外のものを代用可
能であり、平坦化膜はポリイミド膜やSOG膜とするこ
ともできる。
【0039】次にドライエッチング法によりフォトレジ
スト膜9およびタングステンシリサイド膜8Aをエッチ
バックする(図2(b))。エッチバックにはSF6
スを用いた反応性ドライエッチング法を用いる。印加電
圧は0.1kW、ガス圧力は0.13Paである。これ
による酸化シリコン膜6、フォトレジスト膜およびタン
グステンシリサイド膜8Aに対するエッチング選択比は
約1:2:5である。エッチバックは、フィールド部の
タングステンシリサイド膜8A(厚さ0.4μm)が全
て除去されてから、さらに第1の開口内のタングステン
シリサイド膜が0.2μmけずられる時間分だけ行な
う。このエッチバックによりけずられる酸化シリコン膜
6の厚さは0.04μm程度と十分に小さく、素子作製
上問題はない。また、同様にフォトレジスト膜は0.2
4μmけずられるが、開口底部のタングステンシリサイ
ド膜をエッチバックから保護する観点から問題はない。
フォトレジスト膜の代りにポリイミド膜やSOG膜を使
用する場合、エッチング選択比は多少変るが、基本的に
は同じである。
【0040】エッチバック後は、第1の開口の下部にタ
ングステンシリサイド膜が残っており、その厚さは端部
では0.2μmであり、中央にくぼみがある。このくぼ
みの寸法は、底面部の幅0.2μm、深さ0.05μ
m、最上部の幅は0.19μmとなっており、エッチバ
ック以前のタングステンシリサイド膜による第1の開口
部にできる隙間と比べるとアスペクト比(深さ/最上部
の幅)は0.26と大幅に小さくなり、また最上部の隙
間幅は3.8倍に広がっている。また、開口部の上部は
タングステンシリサイドが除去されているので、その幅
は0.4μm、深さ0.2μmであり、アスペクト比は
0.5と小さい。
【0041】この後第1の開口部に残ったフォトレジス
ト膜を有機洗浄等の処理により除去することによってア
スペクト比の小さな第2の開口の形成を終る。次にタン
グステン膜11を厚さ600nmスパッタ法で形成する
(図2(c))。フォトレジストを用いたエッチバック
によりタングステンシリサイドのスパッタ時と比べてア
スペクト比の小さな第2の開口10部にタングステンス
パッタするので、この第2の開口部は十分にタングステ
ン膜で埋められる。このあと、リソグラフ法でフォトレ
ジスト膜12を形成し反応性イオンエッチング法により
タングステン膜11aを、開口部から横へ0.3μm広
がった形状に整形する(図2(d))。
【0042】次に、フォトリソグラフ法により、図3に
示すように、N型GaAs層4上に開口13,14をそ
れぞれ形成し、Au−Ge−Ni膜を真空蒸着法および
リフトオフ法によりソース電極15およびドレイン電極
16を整形する。最後に約400℃のH2 雰囲気中でA
u−Ge−Ni膜とN型GaAs膜(コンタクト層4)
を合金化させ、低抵抗のオーム接合の形成を行ってソー
ス電極15およびドレイン電極16を形成する。
【0043】本実施例による電界効果トランジスタにお
いては、ゲート長Lg=0.4μm、第1の開口の深さ
0.36μmであるが、ゲート電極抵抗Rgの値は、タ
ングステンシリサイド膜(厚さ0.4μm)、タングス
テン膜(厚さ0.6μm)を従来のようにこの順番に第
1の開口部に順次堆積させた場合に得られる400±5
0Ω/mmから、本発明の方法を用いることにより18
0±20Ω/mmと、平均値で220Ω/mm低減さ
れ、かつそのばらつきは大幅に改善された。また、埋め
込み性の不良による電極金属のはがれも発生しなくなっ
た。これらの結果、製造上の歩留が著しく改善された。
【0044】なお、この実施例において、タングステン
膜11を形成する代りに、厚さ100nmの窒化チタン
膜を形成し、次いで厚さ400の金膜を形成することも
できる。その他は一実施例と同じである。そうすると、
図4に示すように、タングステンシリサイド膜8Aa,
窒化チタン膜17および金膜18からなるゲート電極を
形成することができる。窒化チタン膜17は金の拡散を
防止するバリア膜である。従来技術によりこのような3
層構造(厚さ0.4μmのタングステンシリサイド膜,
厚さ0.1μmのチタン膜および厚さ0.4μmの金膜
でなる)のゲート電極を形成するとゲート電極抵抗は1
50±20Ω/mmとなるが、本発明によるが、本発明
によると、70±10Ω/mmと、平均値で70Ω/m
m低減され、かつそのばらつきは大幅に改善された。ま
た、埋め込み性の不良による電極金属のはがれも発生し
なくなった。これらの結果、製造上の歩留が著しく改善
された。
【0045】以上の説明において、第1の開口7を形成
した後、図5を参照して説明した従来例と同様に、少な
くともコンタクト層の側面を覆って、側壁絶縁膜を形成
してからタングステンシリサイド膜を形成してもよい。
また電子供給層とチャネル層の上下関係を逆にしてもよ
いし、更にこのようなヘテロ接合FETに限るわけでも
なく、通常のMESFETに本発明を適用しうることは
明らかである。
【0046】更にまた化合物半導体の種類としては、G
aAsやAlGaAsに限らず、InPやInGaAs
等の他の化合物半導体を使用することもできる。
【0047】あるいは、Si半導体基体に化合物半導体
層をエピタキシャル成長した半導体基板を用いることも
できる。
【0048】
【発明の効果】本発明の半導体装置の製造方法では、半
導体基板の上の第1の開口部に、第1の導電膜を堆積さ
せたあと、低粘度材中心部の隙間を埋め込んだ後、全面
をエッチバックして第1の導電膜を削りこみ、この隙間
のアスペクト比を低減させてから第2の導電膜の堆積を
おこなった後、リソグラフ法により整形してゲート電極
を形成するので、空隙のないゲート電極を作製できゲー
ト電極抵抗Rgの値を大幅に低減することができ、かつ
そのばらつきは大幅に改善することができる。また、埋
め込み性の不良によるゲート電極のはがれも発生しなく
なる。これらの結果電界効果トランジスタの特性は向上
し、製造上の歩留は著しく改善された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を説明するため(a)〜
(d)に分図して示す工程順断面図である。
【図2】図1に続いて(a)〜(d)に分図して示す工
程順断面図である。
【図3】図2に続いて示す断面図である。
【図4】一実施例の変形についての説明のための断面図
である。
【図5】従来例の説明のため(a)〜(d)に分図して
示す工程順断面図である。
【図6】図5に続いて(a)〜(d)に分図して示す工
程順断面図である。
【図7】従来の第1の関連技術について説明するため
(a)〜(c)に分図して示す工程順断面図である。
【図8】従来の第2の関連技術について説明するため
(a),(b)に分図して示す工程順断面図である。
【符号の説明】
1 半絶縁性GaAs基板 2 チャネル層 3 電子供給層 4 コンタクト層 5 2次元電子ガス 6 酸化シリコン膜 7 第1の開口 8,8A,8Aa タングステンシリサイド膜 9,9A フォトレジスト膜 10 第2の開口 11,11a タングステン膜 12 フォトレジスト膜 13 開口 14 開口 15 ソース電極 16 ドレイン電極 17 窒化チタン膜 18 金膜 19 SiON膜 20 Al2 3 膜 21 開口 22 SiON膜 23 側壁絶縁膜 24 フォトレジスト膜 25 開口 26 ゲート電極 101,201 シリコン基板 102,201 酸化シリコン膜 103 開口 104 タングステン膜 105,205A,205B アルミニウム膜

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の表面部の化合物半導体層を
    被覆して絶縁膜を設け、前記絶縁膜を貫通し底面に前記
    化合物半導体層が露出する第1の開口を設ける工程と、
    前記第1の開口とその近傍を含む部分に所定の厚さに第
    1の導電膜を堆積し、低粘性材を塗布し固化し表面がほ
    ぼ平坦な平坦化膜を形成し、前記絶縁膜に対して選択性
    がありかつ前記第1の導電膜を前記平坦化膜と少なくと
    も同程度の速度で除去できる手段でエッチバックを行な
    い前記第1の開口部のみに前記第1の導電膜を残し、平
    坦化膜を除去することにより前記第1の開口の一部を埋
    めてアスペクト比を低減させて第2の開口を形成する工
    程と、第2の導電膜を前記第2の開口とその近傍を含む
    部分に堆積しパターニングすることにより前記第1の開
    口の底面で前記化合物半導体層と接触するゲート電極を
    形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の
    製造方法。
  2. 【請求項2】 化合物半導体層は、最上層のコンタクト
    層ならびにキャリア供給層およびチャネル層を含む多層
    膜であり、第1の導電膜は前記キャリア供給層またはチ
    ャネル層とショットキー障壁を形成する請求項1記載の
    半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 コンタクト層がN型GaAs層、電子供
    給層がN型Alx Ga1-x As層(0<x<1)、チャ
    ネル層が高純度GaAs層、第1の導電膜がタングステ
    ンシリサイド膜である請求項2記載の半導体装置の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 平坦化膜がレジスト膜、ポリイミド膜ま
    たはSOG膜である請求項1,2または3記載の半導体
    装置の製造方法。
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