JPH09172077A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JPH09172077A
JPH09172077A JP7331695A JP33169595A JPH09172077A JP H09172077 A JPH09172077 A JP H09172077A JP 7331695 A JP7331695 A JP 7331695A JP 33169595 A JP33169595 A JP 33169595A JP H09172077 A JPH09172077 A JP H09172077A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】下地配線層がアルミニウムと格子整合性が悪い
場合であっても、結晶配向性が良好で、EM耐性に優れ
たアルミニウムなどの主配線層を有する半導体装置及び
その製造方法を提供する。 【解決手段】下地配線層と主配線層との間に導電性アモ
ルファス層を介在させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム配線
層などのいわゆるエレクトロマイグレーション(以下、
EMという)耐性を高めた半導体装置及びその製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスの高集積化に伴い、寸法
ルールは微細化し、アルミニウム(Al)及びアルミニ
ウム合金配線においては、高い信頼性、特にEM耐性が
求められている。
【0003】アルミニウムのEM耐性は、形成したアル
ミニウム薄膜結晶の、(111)面への配向性に強く依
存することが確認されている。即ち、アルミニウムの結
晶が強い(111)配向性を示すと、EM耐性が向上す
ることが確認されている。そして、この結晶配向性は、
下地材料やその表面状態に大きく依存する。
【0004】一方、寸法ルールの微細化に伴い、配線間
を電気的に接続するコンタクトホールやビアホール(以
下、これらを総称して接続孔と呼ぶ)が狭くて深いもの
になり(アスペクト比が高い)、配線材料による接続技
術が重要となっている。ところが、従来のスパッタリン
グ法によるアルミニウム合金の成膜では、アルミニウム
スパッタ粒子が接続孔の側壁の陰になって内部に多く入
射しないシャドウウイング効果のために、接続孔内での
アルミニウムカバレッジが悪くなり、接続孔底部近くで
断線不良が発生しやすいという問題が生じている。この
ため、この接続孔内部を配線材料で埋め込む別のプロセ
ス技術が要求されている。
【0005】この手段として研究、開発が進んでいる技
術としては、主に次の3つのプロセスがある。まず、第
1に、CVD等でタングステンを堆積して接続孔を埋め
込み、その後、余分のタングステンをエッチバックによ
り除去する方法である。
【0006】第2は、CVDなどでチタンナイトライド
(TiN)で接続孔を埋め込む方法である。第3は、ア
ルミニウムリフロー法で、堆積したアルミニウムを軟化
させて接続孔を埋め込む方法であり、高圧でリフローす
る場合がある。
【0007】なお、最近では、第1の方法において、タ
ングステン層をそのまま残して配線層の一部として利用
する場合がある。このようなプロセスで製造した半導体
装置の断面構造を図4に示す。図4に示す構造を得るプ
ロセスは、例えばシリコン基板10上に、素子分離領域
(フィールド酸化膜)21、図示しないゲート配線、そ
してソース・ドレイン領域12を形成した後、層間絶縁
膜25を成膜し、次いで、リソグラフィとRIE(Reac
tive Ion Etching)により、コンタクトホール4を開孔
する。
【0008】次に、前処理の後、Ti20nm+TiN
50nm層を成膜してタングステンの密着層32を形成
する。密着層の成膜後、場合によってはRTA(Rapid
Thermal Anneal)処理を行って膜質を安定させる。その
後、ブランケットタングステン(Blk−W)33a
を、CVDなどで例えば200nm成膜し、接続孔4を
埋め込む。その後、配線主材料として、Al−0.5%
Cu膜35を、例えば300nm程度スパッタ成膜し
て、図4に示すような構造を得ることができる。
【0009】また、上記の方法を組み合わせたプロセス
も盛んに研究されている。例えば、第2の方法と第3の
方法を組み合わせる場合がある。この組み合わせた例を
示す構造の一例を図5に示す。この構造を得るプロセス
は、層間絶縁膜25に接続孔4を形成するまでは、上記
図4で説明した工程と同様であり、次に前処理の後、下
地バリア層として、ECR−CVD法により、Tiを例
えば20nm程度成膜し、次にTiNを50nm程度成
膜し、下地配線層としてのバリア膜32bを成膜する。
次いで、アルミニウム成膜後、表面酸化を防止(なるべ
く大気に晒さない)しながらアルミニウム高圧リフロー
を行い、アルミニウム38を軟化させながら高圧下で接
続孔内部に押し込む。このようにして図5に示す構造を
得ることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、CVD
タングステン膜33aは(110)面、CVDTiN膜
は(200)面が優先配向になっており、アルミニウム
(111)面との格子整合が悪いことが明らかになって
おり、成膜されたアルミニウム膜の結晶配向性が悪いこ
とが認められている。このため、下地配線層をエッチオ
フせずに残してその上にアルミニウムなどの主配線層を
形成した場合、アルミニウム配線層のEM耐性が不十分
となっており、かかるEM耐性の改良が要望されてい
る。
【0011】本発明は、上記要望に鑑みなされたもの
で、下地配線層がアルミニウムと格子整合性が悪い場合
であっても、結晶配向性が良好で、EM耐性に優れたア
ルミニウムなどの主配線層を有する半導体装置及びその
製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、次の半導体装置及びその製造方法を提供す
る。 (1)下地配線層と主配線層との積層配線層を有する半
導体装置であって、該下地配線層と主配線層との間に導
電性アモルファス層を介在させてなることを特徴とする
半導体装置。 (2)上記下地配線層が接続孔の埋込材料の一部又は全
部を構成する上記(1)記載の半導体装置。 (3)導電層アモルファス層が、アモルファスカーボ
ン、タングステンナイトライド、タンタルナイトライド
から選ばれる上記(1)記載の半導体装置。 (4)基板に下地配線層を形成する工程と、該下地配線
層の表面に他の層を介在させるか又は介在させずに導電
性アモルファス層を形成する工程と、該導電層アモルフ
ァス層上に主配線層を成膜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。 (5)基板に下地配線層を形成する際に、接続孔の一部
又は全部を下地配線層で埋める工程を有する上記(4)
記載の半導体装置の製造方法。 (6)主配線層を成膜した後、主配線層、導電性アモル
ファス層及び下地配線層をパターニングする工程を有す
る上記(4)記載の半導体装置の製造方法。 (7)下地配線層が接続孔を埋めた状態のタングステン
層である上記(4)記載の半導体装置の製造方法。 (8)下地配線層で接続孔の内面を被覆し、更に主配線
層をアルミニウムリフローで形成する上記(4)記載の
半導体装置の製造方法。 (9)導電層アモルファス層が、アモルファスカーボ
ン、タングステンナイトライド、タンタルナイトライド
から選ばれる上記(4)記載の半導体装置の製造方法。
【0013】本発明の半導体装置は、下地配線層の上
に、アルミニウムなどの主配線層を導電性アモルファス
層を介して積層した構造の積層配線層を有する。従っ
て、下地配線層がタングステンなどのアルミニウムと格
子整合性が悪い材料で構成されていたとしても、下地配
線層の格子整合性の影響を導電性アモルファス層が遮断
し、主配線層は下地配線層の影響を受けずに形成される
ため、その本来の(111)面等の配向性を保った状態
で結晶化する。このため、EM耐性が良好になり、アル
ミニウムなどの積層配線層の信頼性が向上する。
【0014】また、本発明の半導体装置の製造方法によ
れば、下地配線層と主配線層との間に導電性アモルファ
ス層を形成するので、上記構造を確実に実現することが
できる。この場合、下地配線層としては、アスペクト比
の高い接続孔を埋めるのに好都合で、アルミニウムと格
子整合性の良くないタングステンが好ましい。これによ
り、接続孔を埋めたタングステン層をエッチオフせずに
そのまま主配線層をその上に形成することが可能にな
り、工程を簡略化することができる。
【0015】また、下地配線層として、バリア層で接続
孔の内壁を覆い、このバリア層を導電性アモルファス層
で被覆し、更に接続孔をアルミニウムリフローで埋める
方法でも、リフローしたアルミニウム層は、配向性にお
いて下地配線層の影響を受けないので、やはり結晶配向
性が良好であり、EM耐性に優れる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、具体的に説明する。本発明の半導体装置は、上述し
たように、下地配線層と主配線層との間に導電性アモル
ファス層を介在させ、主配線層をこの導電性アモルファ
ス層に積層した構造の積層配線層を有する。
【0017】この場合、下地配線層は、半導体装置に用
いられるいかなる配線層でも良いが、接続孔(コンタク
トホールやビアホール)の一部又は全部を埋め込んだ材
料で構成された配線層とすることが好ましい。例えば、
ブランケットタングステン(接続孔のみを埋め込んであ
る場合や、配線層として利用する場合の両方を包含す
る)、CVDなどで形成されたTiN埋め込み層、タン
グステンプラグの密着層として用いられるCVD−Ti
N/Ti層等は、アルミニウムと格子整合性が悪いた
め、特にアモルファス層を介在させることに効果があ
る。
【0018】また、導電性アモルファス層としては、例
えばアモルファスカーボン、あるいはタングステンナイ
トライド(WNX )、タンタルナイトライド(Ta
X )等の常温形成でもほとんど結晶化しない窒化物を
挙げることができる。これらの導電性アモルファス層の
形成は、例えばCVD、スパッタリング等で導電性アモ
ルファス層を成膜する方法、あるいは、下地配線層がタ
ングステンやタンタルであれば、表面を窒化することに
より形成することができる。導電性アモルファス層の厚
さは、厚すぎると、後の配線層のエッチングや層間絶縁
膜の平坦化等に悪影響が生じるため、できる限り薄くす
ることが好ましく、具体的には1〜30nm、特に制御
性を考え5〜10nm程度とすることが好ましい。
【0019】主配線層としては、アルミニウム、アルミ
ニウム合金、銅、銅合金等の(111)面配向性等の金
属で構成することができる。その厚さは、例えば200
〜800nm程度とすることができる。次に、本発明の
半導体装置の製造プロセスについて具体的に説明する
が、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 [実施例1]本例は、接続孔埋込のプロセスとしてブラ
ンケットCVDタングステン膜を用い、余分のタングス
テン層をエッチオフせずに、導電性アモルファス層とし
てアモルファスカーボン(α−C)をその上に成膜し、
更に主配線層としてAl−0.5%Cuを用いるもの
で、図1で説明する。
【0020】まず、図1(A)に示すような構造に至る
工程を説明する。シリコン基板10上に、素子分離領域
(フィールド酸化膜)21、図示しないゲート配線、そ
してソース・ドレイン領域12を形成した後、層間絶縁
膜25を成膜し、次いで、リソグラフィとRIEによ
り、コンタクトホール(接続孔)4を開孔する。
【0021】次に、前処理の後、タングステンの密着層
としてコリメートスパッタ法により、Ti20nm+T
iN50nm層32を成膜する。なお、コリメートスパ
ッタ法は、スパッタターゲットと基板(ウエハ)間にす
のこ状の治具を配置し、スパッタ粒子の指向性を高め
て、基板に対する垂直入射成分を多くし、アスペクト比
の高い接続孔の底部に対するカバレッジを向上させる方
法である。密着層の成膜後、場合によってはRTA処理
を行って膜質を安定させる。これらの処理の条件は、例
えば次の通りである。 Tiスパッタ条件 ガス:Ar=100sccm 圧力:0.4Pa DCパワー:5kW 基板加熱温度:150℃ TiNスパッタ条件 ガス:Ar/N2=30/80sccm 圧力:0.4Pa DCパワー:5kW 基板加熱温度:150℃ RTA条件 650℃、60sec その後、ブランケットタングステン(Blk−W)33
aを、CVDなどで次にような条件で例えば200nm
成膜し、接続孔4を埋め込み、図1(A)に示すような
構造を得る。 Blk−W膜CVD条件 ガス:WF6 /H2 /Ar=80/500/2800s
ccm 圧力:10640Pa 基板加熱温度:450℃ 実際にはこの後、タングステン膜33a、又はタングス
テン膜と密着層とをエッチオフする方が一般的である
が、エッチオフするときのタングステンの窪み(プラグ
ロス)を防止するため、あるいはコスト削減のために、
エッチオフを省略する場合が増加している。本例におい
ても、エッチオフを省略する方法で説明する。
【0022】そして、本発明の特徴である導電性アモル
ファス層としてαーC膜を、例えば下記に示す条件で、
例えば5nmスパッタ法などで成膜する。この場合、下
地タングステン層表面の酸化層を除去するために、α−
C成膜前に、例えば下記に示す条件で、スパッタエッチ
クリーニングをすることが望ましい。その後、配線主材
料として、Al−0.5%Cu膜を、例えば下記に示す
ような条件で、例えば300nm程度スパッタ成膜す
る。なお、タングステン層とアルミニウム層との間に、
他のプロセス上の目的で、α−C以外の材料(例えばT
i等)をα−C層とタングステン層との間に成膜するの
は差し支えない。また、本例においては、アルミニウム
層の上に反射防止膜などの別の積層メタル36を形成し
た場合を示しているが、この積層メタルは勿論省略可能
である。 スパッタエッチクリーニング条件 ガス:Ar=50sccm 圧力:0.4Pa RFパワー:0.4kW 基板加熱温度:400℃ α−Cスパッタ条件 ガス:Ar=100sccm 圧力:0.4Pa DCパワー:2lkW 基板加熱温度:150℃ Al−0.5%スパッタ条件 ガス:Ar=100sccm 圧力:0.4Pa DCパワー:20kW 基板加熱温度:150℃ 次に、フォトリソグラフィーを行い、アルミニウム層を
例えば下記に示すようなエッチング条件で、また、タン
グステン層は、例えば下記に示すようなエッチング条件
で、エッチングを行い、第1アルミニウム配線層全体を
パターニングし、これにより図1(B)に示すような構
造を得ることができる。アルミニウム層とタングステン
層のエッチングは、途中でエッチングガスを変更するこ
とで、連続的に行う。なお、アモルファス層は薄いの
で、Alエッチング中スパッタエッチによって除去可能
である。 Alエッチング条件 ガス:BCl3 /Cl2 =60/90sccm 圧力:2Pa RFパワー:50W μ波:300mA Wエッチング条件 ガス:SF6 /Cl2 =25/20sccm 圧力:1Pa RFパワー:50W μ波:300mA この方法によれば、タングステンをエッチオフしない場
合でも、その上に形成されるアルミニウム層は、αーC
層の上に形成されているので、(111)配向性の良い
アルミニウム膜となる。従って、EM耐性が高く、信頼
性の高いアルミニウム・タングステン構造配線を有する
半導体を得ることができる。 [実施例2]本例においては、接続孔埋込プロセスとし
てブランケットCVDタングステンを用い、その表面に
タングステンナイトライド層を形成してから、エッチオ
フせずに、アルミニウム配線層を成膜する例を、図2で
説明する。
【0023】図2に至る工程は、図1(A)の構造を得
るところまでは同様の工程、条件で行うことができる。
即ち、シリコン基板10上に、素子分離領域(フィール
ド酸化膜)21、図示しないゲート配線、そしてソース
・ドレイン領域12を形成した後、層間絶縁膜25を成
膜し、次いで、リソグラフィとRIEにより、コンタク
トホール4を開孔する。次に、前処理の後、タングステ
ンの密着層としてコリメートスパッタ法により、Ti2
0nm+TiN50nm層32を成膜する。その後、ブ
ランケットタングステン(Blk−W)33aを、CV
Dなどで例えば200nm成膜して接続孔4を埋め込
み、図1(A)に示したような構造を得る。
【0024】そして、タングステン層33a表面を窒素
雰囲気、又はアンモニアガス雰囲気中で熱処理すること
によって、アモルファスタングステンナイトライド(α
−WNX )層34bを数nm形成する。この時の熱処理
条件は、例えば窒素ガス中で、600℃で60秒程度の
RTA処理を採用することができる。その後、配線主材
料としてのAl−0.5%Cu膜35を例えば300n
m程度、実施例1と同様の条件でスパッタ成膜する。ま
た、本例においてもアルミニウム膜35に例えば反射防
止膜などの別の積層メタル36を形成するが、この工程
は省略可能である。なお、タングステンナイトライド層
34bとアルミニウム膜35との間に例えばTi等のア
ルミニウムの配向性を、さらに向上させる金属膜を介在
させても良い。
【0025】次に、フォトリソグラフィーを行い、アル
ミニウム層35を例えば実施例1と同様のエッチング条
件で、また、タングステン層33aは、例えば実施例1
に示したようなエッチング条件で、エッチングを行う。
アルミニウム層とタングステン層のエッチングは、途中
でエッチングガスを変更することで、連続的に行う。こ
れにより、第1アルミニウム配線層全体をパターニング
し、図2に示すような構造を得ることができる。
【0026】本例の方法によれば、タングステンをエッ
チオフしない場合でも、その上に形成されるアルミニウ
ム層は、αーWNX 層の上に形成されているので、(1
11)配向性の良いアルミニウム膜となる。従って、E
M耐性が高く、信頼性の高いアルミニウム・タングステ
ン構造配線を有する半導体を得ることができる。 [実施例3]本例は、接続孔埋込プロセスとして、CV
D−TiNTi膜とアルミニウムの高圧リフロー法を組
み合わせ、これらの層の間にアモルファスTaNX を介
在させるもので、図3で説明する。
【0027】まず、図3(A)に示す構造に至る工程を
説明する。シリコン基板10上に、素子分離領域(フィ
ールド酸化膜)21、図示しないゲート配線、そしてソ
ース・ドレイン領域12を形成した後、層間絶縁膜25
を成膜し、次いで、リソグラフィとRIEにより、コン
タクトホール4を開孔する。
【0028】次に、前処理の後、下地バリア層として、
ECR−CVD法により、Tiを例えば下記に示す条件
で20nm程度成膜し、次にTiNを下記に示すような
条件で、50nm程度成膜し、下地配線層としてのバリ
ア膜32bを成膜する。アスペクト比の高い接続孔にお
いても、CVDでカバレッジよくTiNを成膜すること
により、その後のアルミニウム埋込プロセスに耐える良
好なバリア性が得られる。 TiCVD条件 ガス:TiCl4 /H2 /Ar=3/100/170s
ccm 圧力:0.4Pa 基板加熱温度:460℃ μ波:2.8kW TiNCVD条件 ガス:TiCl4 /H2 /N2 /Ar=20/26/8
/170sccm 圧力:0.4Pa 基板加熱温度:460℃ μ波:2.8kW 次に、必要により、下地のTiN膜表面の酸化層を除去
するために、TiN表面をスパッタエッチクリーニング
を行い、その後、導電性アモルファス層34Cとして、
TaNX を、下記に示すような条件で、5nm程度スパ
ッタ成膜する。また、配線主材料としてのAl−0.5
%Cu膜を、下記に示すような条件で、例えば500n
m程度スパッタ成膜する。 TaNX スパッタ条件(TaNX 燒結ターゲット利用) ガス:Ar=100sccm 圧力:0.4Pa DCパワー:2kW 基板加熱温度:150℃ Al−0.5%Cuスパッタ条件 ガス:Ar=100sccm 圧力:0.4Pa DCパワー:20kW 基板加熱温度:400℃ このような条件でアルミニウムを成膜すると、図3
(A)に示すような構造を得ることができる。この構造
では、アルミニウム膜はブリッジ状となり、ボイド5が
生じている。このような構造となることが好ましく、そ
のため本例においては、アルミニウム成膜温度を400
℃と高めに設定してある。
【0029】アルミニウム成膜後、表面酸化を防止(な
るべく大気に晒さない)しながらアルミニウム高圧リフ
ローを、例えば次の条件で行う。このアルミニウム高圧
リフロー法は、アルミニウム及びアルミニウム合金を成
膜後、高圧の不活性ガス雰囲気中で再結晶温度以上(合
金によって異なるが、通常350℃程度以上)、共晶温
度以下(Al−Cu系の場合は548℃以下)で加熱
し、Alを軟化させながら、ガスの圧力によってアルミ
ニウムを接続孔内部に押し込む技術である。 Al高圧リフロー 基板加熱温度:450℃ 加熱時間:2min 圧力:Arガス中で106 Pa以上 アルミニウムのリフローは、上記のような高圧下でなく
とも、加熱のみによってアルミニウムは流動させ、ある
程度の埋込特性を得ることもできる(これを通常アルミ
ニウムリフローという)。また、高温スパッタ法を適用
しても良い。アルミニウム層の上に反射防止膜などの別
の積層メタル36を形成する場合は、リフロー処理後に
成膜する。
【0030】最後に、フォトリソグラフィーとエッチン
グ工程によって、第1アルミニウム配線層をパターニン
グして、図3(B)に示すような構造を得ることができ
る。この時のエッチング条件は、実施例1のアルミニウ
ムのエッチング条件で全層をエッチングすることができ
る。
【0031】本例の方法によれば、リフローされ、コン
タクトホールを埋めたアルミニウム層が再結晶化する際
に、このアルミニウム層は、アモルファス層であるTa
X層と接しているので、下地のTiN層の配向性の影
響を受けず、結晶配向性が良好になり、EM耐性が良好
になる。
【0032】
【発明の効果】本発明の半導体装置は、アルミニウムな
どの主配線層と下地配線層との積層配線層を有し、この
主配線層の結晶配向性が良好であるので、エレクトロマ
イグレーション耐性が高く、このため信頼性に優れた配
線層を有するものである。
【0033】また、本発明の半導体装置の製造方法によ
れば、結晶配向性が良好なアルミニウムなどの主配線層
と、下地配線層との積層配線層を有する半導体装置を確
実に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)、(B)は実施例1の工程を示すフロー
チャートである。
【図2】実施例2で製造した半導体装置の構造を示す概
略断面図である。
【図3】(A)、(B)は、実施例3の工程を示すフロ
ーチャートである。
【図4】従来のブランケットタングステンを用いて接続
孔を埋めた構造の半導体装置の構造を示す概略断面図で
ある。
【図5】従来のアルミニウムリフローで接続孔を埋めた
構造の半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
4 接続孔 10 基板 21 素子分離膜 32、32b 密着層 33 タングステン層(下地配線
層) 34a、34b 導電性アモルファス層 35 アルミニウム層(主配線層) 38 アルミニウムリフロー層

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下地配線層と主配線層との積層配線層を有
    する半導体装置であって、 該下地配線層と主配線層との間に導電性アモルファス層
    を介在させてなることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】上記下地配線層が接続孔の埋込材料の一部
    又は全部を構成する請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】導電層アモルファス層が、アモルファスカ
    ーボン、タングステンナイトライド、タンタルナイトラ
    イドから選ばれる請求項1記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】基板に下地配線層を形成する工程と、 該下地配線層の表面に他の層を介在させるか又は介在さ
    せずに導電性アモルファス層を形成する工程と、 該導電層アモルファス層上に主配線層を成膜する工程と
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】基板に下地配線層を形成する際に、接続孔
    の一部又は全部を下地配線層で埋める工程を有する請求
    項4記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】主配線層を成膜した後、主配線層、導電性
    アモルファス層及び下地配線層をパターニングする工程
    を有する請求項4記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】下地配線層が接続孔を埋めた状態のタング
    ステン層である請求項4記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】下地配線層で接続孔の内面を被覆し、更に
    主配線層をアルミニウムリフローで形成する請求項4記
    載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】導電層アモルファス層が、アモルファスカ
    ーボン、タングステンナイトライド、タンタルナイトラ
    イドから選ばれる請求項4記載の半導体装置の製造方
    法。
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