KR100638750B1 - Method for fabricating capacitor in semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
도1은 종래기술에 의한 반도체 장치의 캐패시터 제조방법상 문제점을 나타내는 공정단면도.1 is a process cross-sectional view showing a problem in a capacitor manufacturing method of a semiconductor device according to the prior art.
도2a 내지 도2e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 캐패시터 제조방법을 나타내는 공정단면도.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도3은 본 발명에 따른 반도체 장치의 캐패시터를 제조하기 위한 원자층 증착법을 나타내는 그래프.3 is a graph showing an atomic layer deposition method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present invention.
도4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 따른 반도체 장치의 캐패시터를 제조하기 위한 원자층 증착법을 나타내는 그래프.4 is a graph showing an atomic layer deposition method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
도5는 도4에 의한 원자층증착법에 따라 증착되는 막의 특성을 보여주는 그래프.FIG. 5 is a graph showing the characteristics of a film deposited according to the atomic layer deposition method of FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
30 : 기판 31 : 식각정지막30
32 : 캐패시터 희생막 33 : 시드층32: capacitor sacrificial film 33: seed layer
34 : 하부전극34: lower electrode
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히 3차원 구조를 가지는 반도체 장치의 캐패시터 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
반도체 메모리 장치, 특히 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 집적도가 증가함에 따라 정보 기억을 위한 기본 단위인 메모리 셀의 면적이 급격하게 축소되고 있다.As the degree of integration of semiconductor memory devices, in particular DRAM (Dynamic Random Access Memory), increases, the area of memory cells, which are basic units for information storage, has been rapidly reduced.
이러한 메모리 셀 면적의 축소는 셀 캐패시터의 면적 감소를 수반하여, 센싱 마진과 센싱 속도를 떨어뜨리고, α-입자에 의한 소프트 에러(Soft Error)에 대한 내구성이 저하되는 문제점을 유발하게 된다. 따라서, 제한된 셀 면적에서 충분한 정전용량을 확보할 수 있는 방안이 필요하게 되었다.Such a reduction in the memory cell area is accompanied by a reduction in the area of the cell capacitor, thereby lowering the sensing margin and the sensing speed, and causes a problem that the durability against soft errors caused by α-particles is degraded. Accordingly, there is a need for a method capable of securing sufficient capacitance in a limited cell area.
캐패시터의 정전용량(C)은 하기의 수학식 1과 같이 정의된다.The capacitance C of the capacitor is defined as in
여기서, ε은 유전률, As는 전극의 유효 표면적, d는 전극간 거리를 각각 나타낸 것이다. 따라서, 캐패시터의 정전용량을 늘리기 위해서는 전극의 표면적을 넓히거나, 유전체 박막의 두께를 줄이거나, 유전률을 높여야 한다. Is the dielectric constant, As is the effective surface area of the electrode, and d is the distance between the electrodes. Therefore, in order to increase the capacitance of the capacitor, it is necessary to increase the surface area of the electrode, reduce the thickness of the dielectric thin film, or increase the dielectric constant.
이 중에서 콘케이브(Concave) 구조, 실린더(Cylinder) 구조등과 같이 캐패시터의 전극 구조를 3차원 형태로 만들어 제한된 레이아웃 면적에서 전극의 유효 표면적을 증대시키는 방안이 먼저 고려되었다.Among them, a method of increasing the effective surface area of the electrode in a limited layout area by first making a three-dimensional form of the electrode structure of the capacitor, such as a concave structure and a cylinder structure, was first considered.
콘케이브 구조는 절연막에 캐패시터의 전극이 형성될 홀을 만들고, 홀의 내부 표면에 캐패시터의 하부전극을 형성시키고, 그 상부에 유전체 박막과 상부전극을 형성시키는 형태이다. 실린더 구조는 절연막에 캐패시터의 전극이 형성될 홀을 만들고, 그 홀의 내부에 캐패시터의 하부전극을 형성한 다음, 거푸집으로 사용된 절연막을 제거한 다음, 남은 하부전극의 표면을 따라 유전체 박막과 상부전극을 차례로 적층하는 형태이다.The concave structure forms a hole in which an electrode of a capacitor is to be formed in an insulating film, a lower electrode of a capacitor is formed on an inner surface of the hole, and a dielectric thin film and an upper electrode are formed thereon. The cylinder structure forms a hole in which the electrode of the capacitor is to be formed in the insulating film, forms a lower electrode of the capacitor in the hole, removes the insulating film used as a formwork, and then removes the dielectric thin film and the upper electrode along the remaining lower electrode surface. It is a form laminated in order.
따라서 실린더 구조는 하부전극의 안쪽과 바깥쪽 표면 모두를 캐패시터의 유효 표면적으로 사용할 수 있어, 콘케이브 구조보다 제한된 면적에서 보다 큰 캐패시턴스를 가지는 캐패시터를 형성할 수 있다. Therefore, the cylinder structure can use both the inner and outer surfaces of the lower electrode as the effective surface area of the capacitor, thereby forming a capacitor having a larger capacitance in a limited area than the concave structure.
도1은 종래기술에 의한 반도체 장치의 캐패시터 제조방법상 문제점을 나타내는 공정단면도이다.1 is a process cross-sectional view showing a problem in a capacitor manufacturing method of a semiconductor device according to the prior art.
도1에 도시된 바와 같이, 기판(10)상에 콘택플러그(11)을 형성하고, 이어서 절연막(13)을 형성한 다음 콘택플러그(11)이 노출되도록 홀을 형성한다.As shown in FIG. 1, a
이어서 홀의 내부 표면에 도전막을 형성하고, 이후에 절연막을 제거하여 하부전극을 형성하게 된다. 참고로 여기서 12번 막은 식각정지막 역할을 하는 막이다.Subsequently, a conductive film is formed on the inner surface of the hole, and then an insulating film is removed to form a lower electrode. For reference,
전술한 바와 같이 메모리 장치가 고집적화되면서, 캐패시터를 제조하기 위한 면적은 점점더 줄어들고 있다. 그러나, 요구되는 캐패시터의 캐패시턴스를 일정크기 이상이기 때문에, 제한된 면적에서 보다 많은 캐패시터스를 확보하기 위해 캐패시터의 하부전극을 3차원으로 형성하고, 하부전극도 금속막을 사용하고 있다.As described above, as the memory devices are highly integrated, the area for manufacturing capacitors is gradually decreasing. However, since the required capacitance of the capacitor is more than a certain size, in order to secure more capacitance in a limited area, the lower electrode of the capacitor is formed in three dimensions, and the lower electrode also uses a metal film.
따라서 도1에 도시된 바와 같이, 캐패시터를 형성하기 위한 홀이 폭은 좁아지고 깊이는 더 깊어져서 하부전극을 안정적으로 형성하기 매우 힘들이 지고 있다.Therefore, as shown in FIG. 1, the holes for forming the capacitor are narrower in width and deeper in depth, making it difficult to stably form the lower electrode.
이를 자세히 살펴보면, 캐패시터의 하부전극으 금속으로 사용하려면 막의 밀도를 높여 후속공정에서 덩어짐현상(agglomeraion)이 일어나지 않아야 하고, 스텝 커버리지(step coverage) 80% 이상이 되어야 한다.In detail, if the lower electrode of the capacitor is to be used as a metal, the density of the film must be increased so that no agglomeration occurs in a subsequent process and the step coverage must be 80% or more.
종래 CVD 방식으로 Ru막을 이용하여 하부전극으로 형성하는 경우 막내의 불순물(carbon, hydrogen, oxygen등)이 많이 포함되어 있고, 밀도가 낮아(~ 7g/cm3, bulk Ru의 경우 12.2, PVC Ru의 경우 11.9) 후속 공정에서 덩어림 현상이 생겨 안정적인 형태를 유지할 수 없는 문제가 있다.In the case of forming a lower electrode by using a Ru film by the conventional CVD method, a lot of impurities (carbon, hydrogen, oxygen, etc.) in the film are included, and the density is low (~ 7g / cm3, 12.2 for bulk Ru, 12.2 for PVC Ru). 11.9) There is a problem that a lumping phenomenon occurs in a subsequent process and cannot maintain a stable form.
스텝 커버리지 관점에서도 60nm 급 이하의 소자에서는 하부전극을 형성하기 위해서는 캐패시터 하부전극을 형성하기 위한 홀이 CD 100nm이하, 종횡비가 20:1 이상의 어려운 조건이 예상된다.In terms of step coverage, it is expected that a hole for forming a capacitor lower electrode is
이러한 높은 종횡비를 가지는 홀에 불순물이 거의 없는 금속막을 형성하려면 원자층증착법을 사용하는 것이 필수적이다.It is essential to use atomic layer deposition to form a metal film containing few impurities in such a high aspect ratio hole.
그러나 현재 원자층증착법 공정은 하부전극 하부전극 증착 공정시 산화막 윙에 형성하는데 수백 사이클 동안 거의 증착이 안되고(인큐베이션 타임(incubaion time)), 수백사이클 후 산화막 표면이 모두 덮인 다음에 정상적인 속도로 (~ 0.8A/사이클) 증착이 이루어진다. However, at present, the atomic layer deposition process forms on the oxide wing during the lower electrode lower electrode deposition process, which hardly deposits for several hundred cycles (incubation time), and after several hundred cycles, the oxide surface is covered and then at normal speed (~ 0.8 A / cycle) deposition takes place.
이러한 문제점은 하이 종횡비의 하부전극 부위에 소스가 도달할 확률이 작고 따라서 하부전극 부위는 실질적으로 Ru막이 덮이는 시간이 길어지게 되어 결과적으로 원하는 스텝 커버리지를 얻을 수 없는 문제점이 있다.Such a problem is that the source has a low probability of reaching the lower electrode portion having a high aspect ratio, and thus, the lower electrode portion has a longer time to substantially cover the Ru film, and as a result, a desired step coverage cannot be obtained.
또한 하부전극의 Ru ~ 200Å을 얻기 위해서는 250사이클이 필요한데, 인큐베이션 타임을 고혀하면 실제 증착시간은 2배이상 걸려서 문제가 심각한 상황이다.In addition, 250 cycles are required to obtain a lower electrode of Ru ~ 200 μs. Incubation time is a serious problem because the actual deposition time takes more than twice.
하부전극이 형성될 홀의 하단에는 하부전극용 금속막이 덮이는 시간이 오래걸려 그에 따라 상단부분에 정상적인 증착이 일어날 동안에도 하단부에는 증착이 안되어 결과적으로 스텝 커버리지가 열악하게 되는 문제가 발생한다.It takes a long time that the lower electrode metal film is covered at the lower end of the hole where the lower electrode is to be formed, and thus, even during normal deposition on the upper part, the lower part is not deposited, resulting in poor step coverage.
본 발명은 금속막을 3차원 하부전극으로 형성할 때에 스탭 커버리지를 향상시킬 수 있는 반도체 장치의 캐패시터 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a capacitor of a semiconductor device which can improve step coverage when forming a metal film as a three-dimensional lower electrode.
본 발명은 기판상에 희생막을 형성하는 단계; 상기 희생막을 선택적으로 제거하여 캐패시터가 형성될 홀을 형성하는 단계;상기 홀의 내부표면에 플라즈마를 이용한 금속시드층을 형성하는 단계; 상기 금속시드층상에 원자층증착법을 이용하여 금속막을 하부전극으로 형성하는 단계; 상기 희생막을 제거하는 단계; 및 상기 하부전극상에 유전체 박막/상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 캐 패시터 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of forming a sacrificial film on a substrate; Selectively removing the sacrificial layer to form a hole in which a capacitor is to be formed; forming a metal seed layer using plasma on an inner surface of the hole; Forming a metal film as a lower electrode on the metal seed layer by using atomic layer deposition; Removing the sacrificial layer; And forming a dielectric thin film / top electrode on the bottom electrode.
본 발명은 하부전극으로 금속막 형성을 위한 증착 공정의 스텝 커버리지를 개선시키기 위한 발명이다. 이를 위해 금속막(Ru,Ir,Pt,Pd) 증착 공정을 2단계로 나주어 실시한다. 제1 층에 대하여는 산화막위에서도 인큐베이션 타임을 최소화할 수 있는 공정을 사용한다. 적용공정은 원자층증착법 공정에서 반응물질을 넣고 반응 에너지로 플라즈마를 사용한 PEALD 공정을 사용하거나, 통상적인 원자층증착법 공정에서 소스주입/퍼지주입/반응물질주입/퍼지주입 공정에 추가로 플라즈마 처리 스텝을 추가한 공정을 사용하거나, 또는 실제 증착 대신에 플라즈마 처리를 진행한다.The present invention is to improve the step coverage of the deposition process for forming a metal film as the lower electrode. To this end, a metal film (Ru, Ir, Pt, Pd) deposition process is carried out in two steps. For the first layer, a process can be used to minimize the incubation time even on the oxide film. The application process uses PEALD process using plasma as reaction energy by adding reactant in atomic layer deposition process, or plasma processing step in addition to source injection / purge injection / reactant injection / purge injection process in conventional atomic layer deposition process Using a process to add, or to the plasma treatment instead of the actual deposition.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도2a 내지 도2e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 캐패시터 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention.
도2a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 반도체 장치의 캐패시터 제조방법은 먼저 기판(30)상에 콘택플러그를 형성하고, 식각정지막(31)과 층간절연막(32)을 형성하고, 식각정지막(31)과 층간절연막(32)을 패터닝하여 콘택플러그가 노출되는 캐패시터의 하부전극을 형성하기 위한 홀을 형성한다. 이 때 식각정지막(31)은 층간절연막(32)의 패터닝시 식각공정을 멈추는 역할을 한다.As shown in FIG. 2A, in the method of manufacturing a capacitor of a semiconductor device according to the present embodiment, first, a contact plug is formed on a
이어서 도2b에 도시된 바와 같이, 인큐베이션 타임을 최소화하고, 스텝커버리지가 우수한 시드층을 증착하는 방법으로 플라즈마를 이용한 PEALD 또는 원자층 증착공정 이후 플라즈마 처리 스텝을 추가하여 시드층(33)을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2B, the
이어서 도2c에 도시되 바와 같이 시드층(33)상에 ALD 방법과 CVD 방법을 혼합하여 하부전극을 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 2C, an ALD method and a CVD method are mixed on the
이 때 이미 하부전극형성용 홀의 전 표면이 시드층을 덮여 있어서, 인큐베이션 타이밍에 의한 스텝커버리지 열화 없이 하부전극을 형성할 수 있다.At this time, the entire surface of the hole for forming the lower electrode already covers the seed layer, so that the lower electrode can be formed without deterioration of step coverage due to the incubation timing.
이 때 하부전극을 형성하는 첫번째 방법으로는 일반적인 원자층증착법을 이용하여 증착할 수 있다.In this case, the first method of forming the lower electrode may be deposited using a general atomic layer deposition method.
두번째 방법으로는 처음에는 소스가스와 반응가스를 동시에 주입하여 CVD반응을 짧은 시간 동안시키고 퍼지후 반응가스만 플로우시켜 어닐(anneal)효과(반응 부산물 제거 및 치밀화)까지 기대하는 공정을 진행할 수 있다.In the second method, the source gas and the reaction gas may be injected at the same time, and the CVD reaction may be performed for a short time, and after the purge, only the reaction gas may be flowed to expect an annealing effect (reaction byproduct removal and densification).
여기서 반응가스만 플로우시키는 스텝에서는 추가적으로 플라즈마 처리 공정이 적용가능하다.In the step of flowing only the reaction gas, a plasma treatment process may be additionally applied.
세번째 방법으로는, 일반적인 ALD 공정에서 퍼지타임을 0으로 줄인 방법을 사용할 수 있는데, 각 스텝의 끝단에서 CVD가 일어나도록 하게하거나, 사이클 타임이 짧아진 효과 및 CVD 방법으로 계속 증착속도 향상을 기대할 수 있다.The third method is to reduce the purge time to zero in a typical ALD process, allowing CVD to occur at the end of each step, or to reduce the cycle time and continue to increase the deposition rate with the CVD method. have.
네번째로 반응가스를 계속 플로우 시키고 소스가스를 단속적으로 공급하면서 소스가 공급될 때는 CVD 방식으로 증착되고, 반응가스만 들어갈 경우에는 막의 치밀화 효과를 얻을 수 있는 공정은 이용하는 것이다.Fourth, while the reaction gas continues to flow and the source gas is intermittently supplied, the source is deposited by CVD when the source is supplied, and when only the reaction gas enters, the process of obtaining the densification effect of the film is used.
다섯번째로, 네번째의 경우와 반대로 소스가스를 계속 플로우시키고, 반응가스를 단속적으로 공급하여 반응가스와 소스가스가 동시에 공급될 때에 CVD 방식으로 증착하는 공정을 이용할 수 있다.Fifthly, it is possible to use a process of depositing by the CVD method when the source gas is continuously flowed, the reaction gas is intermittently supplied, and the reaction gas and the source gas are simultaneously supplied as opposed to the fourth case.
전술한 두번째 다섯번째 방법에서 반응가스가 들어갈 때 플라즈마 처리 공정을 사용할 수도 있으며 종래에 ALD(또는 PEALD) 방식에 비하여 사이클 타임이 감소되고, 주기적으로 CVD 방식으로 증착이 되므로 빠른 증착속도를 얻을 수 있다. 박막 특성도 사이클 내에 반응물질을 제거하는 스텝이 있기 때문에 순수한 CVD 박막 대비 우수하게 된다.In the second and fifth methods described above, a plasma treatment process may be used when the reaction gas enters, and a cycle time is reduced compared to the conventional ALD (or PEALD) method, and the deposition is performed by CVD method periodically, thereby obtaining a fast deposition rate. . Thin film properties are also superior to pure CVD thin films because there are steps to remove reactants within the cycle.
이 때 플라즈마 처리공정에서는 NH3,N2O,H2H4,ME2N2H2(디메틸히드라진),H2 및 이들의 혼합막을 사용한다.In this case, NH 3 , N 2 O, H 2 H 4 , ME 2 N 2 H 2 (dimethylhydrazine), H 2, and a mixed film thereof are used in the plasma treatment step.
도3과 도4에는 본 발명에서 적용되는 하부전극증착법에 대한 공정 사이클이 도시되어 있는데, 도3a에서와 같이 PEALD 공정에서 반응가스를 넣는 사이클에 플라즈마를 켜주거나, 도3b에서와 같이, PEALD중 반응가스와 소스가스가 반응성이 없는 경우에는 퍼지가스 대신 반응가스를 플로우하며, 반응시키고자 하는 시간에 플라즈마만 켜주면 퍼지에 들어가는 시간을 단축할 수 있다.3 and 4 illustrate a process cycle for the lower electrode deposition method applied in the present invention. As shown in FIG. 3A, the plasma is turned on in a cycle of adding the reaction gas in the PEALD process, or as shown in FIG. 3B. When the reaction gas and the source gas are not reactive, the reaction gas flows instead of the purge gas, and only the plasma is turned on at the time to react to shorten the time for entering the purge.
도5는 원자층증착법과 플라즈마 처리를 병행한 공정시 사이클별 증착되는 두께를 나타내는 그래프이다. FIG. 5 is a graph showing thicknesses deposited for each cycle during the process of performing atomic layer deposition and plasma treatment.
도5에 도시된 바와 같이, 인큐베이션 타임없이 빠른 증착 속도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. MPALD는 ALD+플라즈마 처리 공정으로 시드층을 형성하는 것을 나타내고, ALDonSeed는 그 시드층 상에 증착되는 속도를 나타내는 것이다.As shown in Fig. 5, it can be seen that a fast deposition rate can be obtained without incubation time. MPALD represents the formation of a seed layer by an ALD + plasma treatment process, and ALDonSeed represents the rate of deposition on the seed layer.
계속해서 살펴보면 도2d에 도시된 바와 같이, 화학적기계적연마공정등을 이용하여 절연막 상에 있는 하부전극막(34)을 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 2D, the
이어서 도2e에 도시된 바와 같이 절연막을 제거하게 되면, 실린더 형태의 하부전극이 완성된다.Subsequently, as shown in FIG. 2E, when the insulating film is removed, the lower electrode of a cylindrical shape is completed.
이어서 실린더형태의 하부전극상에 유전체 박막을 형성한다. 유전체박막으로는 HFO2, Al2O3, Ta2O5,La2O3,ZrO2,TiO2,STO,BST, PZT, BLT, SBT등의 단일층을 이용하거나 이들층의 적층구조 또는 합성막을 이용할 수 있다.Subsequently, a dielectric thin film is formed on the cylindrical lower electrode. As the dielectric thin film, a single layer such as HFO2, Al2O3, Ta2O5, La2O3, ZrO2, TiO2, STO, BST, PZT, BLT, SBT, etc. may be used, or a laminated structure or a composite film of these layers may be used.
이어서 유전체 박막상에 상부전극을 형성한다. 상부전극은 As, P등을 도핑한 전도성 실리콘막 또는 TiN막을 이용한다. 금속막일 경우 전술한 2단계를 이용할 수 있다.Subsequently, an upper electrode is formed on the dielectric thin film. The upper electrode uses a conductive silicon film or a TiN film doped with As, P, or the like. In the case of a metal film, the above-described two steps may be used.
전술한 공정에서 하부전극용 금속막으로는 Ru, Pt,Rh,Pd,Hf,Ti,W,Ta과 이들과 합성된 질화막 또는 전도성 산화막을 이용한다.In the above-described process, as the lower electrode metal film, Ru, Pt, Rh, Pd, Hf, Ti, W, Ta, and a nitride film or a conductive oxide film synthesized therewith are used.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
예를 들어 150nm 이하의 디자인룰을 갖는 FeRAM 소자의 캐패시터 제작시 하부전극 형성공정으로 적용할 수 있다.For example, it can be applied to the lower electrode forming process when manufacturing a capacitor of FeRAM device having a design rule of 150nm or less.
본 발명에 의해서 60nm 정도의 고집적 반도체 장치에서 캐패시터의 하부전극을 보다 신뢰성있게 형성할 수 있어, 반도체 장치의 제조공정상 신뢰성향상과 동작상 신뢰성향상을 기대할 수 있다.According to the present invention, the lower electrode of the capacitor can be formed more reliably in a high-density semiconductor device of about 60 nm, and therefore, the reliability improvement and operational reliability can be expected in the manufacturing process of the semiconductor device.
Claims (9)
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