KR20060081477A - 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자는, 고농도 n형 탄화규소 기판과, 그 탄화규소 기판 위에 적층 형성되는 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층과, 그 탄화규소 에피탁시층 위에 적층 형성되는 화학기상증착 산화막과, 상기 탄화규소 에피탁시층 위에 형성되는 상부 쇼트키 접촉 금속막과, 상기 탄화규소 기판의 하부에 형성되는 하부 저항성 접촉 금속막을 구비하는 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자에 있어서, 상기 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층과 상기 화학기상증착 산화막 사이에는 화학기상증착 산화막에서 발생하는 누설전류를 차단하고 탄화규소와의 계면전하를 줄이기 위한 열산화막이 각각 형성되고, 그 열산화막의 중심부 및 그 중심부에서 수직으로 연장되는 상기 화학기상증착 산화막의 중심부에 의해 형성되는 U자형 채널과, 그 U자형 채널의 상면부, 그리고 그 상면부 양측으로 각각 일정 길이만큼 연장된 영역에 걸쳐 상기 상부 쇼트키 접촉 금속막이 형성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 열산화막과 화학기상증착법으로 증착한 산화막의 이중층을 전계판으로 사용하므로, 화학기상증착법으로 증착한 산화막의 누설전류를 차단할 수 있고, 장기간 사용 시 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자 및 그 제조방법{High voltage SiC Schottky diode device with double oxide layer and manufacturing method thereof}

도 1은 종래 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 구조를 보여주는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 구조를 보여주는 도면.

도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조 과정을 순차적으로 보여주는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법에 있어서의 탄화규소 표면에 열산화막을 성장시킬 때의 온도와 시간을 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200...고농도 n형 탄화규소 기판 210...저농도 n형 탄화규소 에피탁시층

220...열산화막 230...화학기상증착 산화막

240...하부 금속막(저항성 접촉 형성전) 250...하부 저항성 접촉 금속막

260,280...포토 리지스터 마스크 270...상부 쇼트키 접촉 금속막

본 발명은 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 고품질의 열산화막을 화학기상증착법으로 증착시킨 산화막과 탄화규소 사이에 개재시켜, 화학기상증착법으로 증착시킨 산화막에서 발생하는 누설전류를 차단함으로써, 인가된 전압의 일부가 산화막의 임계전계를 넘어서 산화막의 파괴가 일어나는 것을 방지하고, 탄화규소와의 계면전하를 줄이는 한편 산화막내 누설전류도 억제하여 전극 가장자리의 전계집중을 효과적으로 완화시키며, 소자의 신뢰성도 향상시킬 수 있는 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고내압 쇼트키 다이오드의 경우 전극의 가장자리 부분에 전계가 집중되어 반도체 재료가 가질 수 있는 이론적인 값만큼의 내압을 구현할 수 없다.

따라서, 전극의 가장자리 부분에 전계판(Field Plate) 구조, 전계제한테(Field Limiting Ring) 구조, 접합가장자리 연장(Junction Termination Extension)구조 등의 가장자리 구조를 채택하여 이론적인 값만큼의 내압을 구현하고 있다. 이중 전계판 구조의 경우는 이온주입 등의 추가공정이 필요치 않기 때문에 상용화 시에 제조비용을 절감할 수 있어 가장 선호되는 방법이다.

도 1은 종래 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 구조를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자는 상부 쇼트키 접촉 금속막(140)과 반도체(저농도 n형 탄화규소 에피탁시층)(110) 간의 쇼트키 접합이 이루어졌을 때, 이상적인 접합이 이루어졌을 때에는 반도체(110)내 공핍층의 경계(150)가 b의 경우처럼 균일하게 분포한다. 하지만, 실제로는 표면의 불순물 농도에 의해 a의 경우처럼 전극막쪽으로 휘어 있는 경우가 많으며 이때 전극막의 가장자리에 강한 전계가 형성되는 전계집중효과(field crowding)가 발생한다. 이를 억제하고자 직접적인 쇼트키 접합이 일어나지 않는 산화막(전계 산화막)(120)위에도 금속막(140)의 일부를 겹쳐서 형성되게 한다. 여기에서의 산화막(120)을 전계판이라고 하며, 이때의 반도체내 공핍층 경계(150)는 c의 경우처럼 완만해진다. 따라서, 전극막의 가장자리에서 전계가 집중되는 것을 완화시켜주게 되고 소자의 내전압 특성을 향상시키게 된다. 이렇게 산화막(120)을 전계판 구조로 사용하는 경우에는 산화막(120)의 특성, 두께 그리고 산화막(120)과 금속막140)이 겹치는 부분의 넓이에 의해 전계집중 완화 효과가 달라지게 된다. 또한, 산화막(120)과 반도체(110)의 경계면에서의 계면준위에 따라서도 달라지게 되는데, 계면에 존재하는 전하가 많은 경우 산화막(120)을 전계판으로 사용한 경우에도 a와 같은 공핍층 경계를 가지는 경우도 있다. 도 1에서 참조번호 100은 고농도 n형 탄화규소 기판, 130은 하부 저항성 접촉금속막을 각각 나타낸다.

한편, 이상과 같은 탄화규소를 이용한 쇼트키 다이오드의 경우, 산화막을 이용한 전계판 구조를 이용하더라도 두꺼운 열산화막을 성장시킬 수 없기 때문에 화학기상증착법을 이용해 두꺼운 산화막을 증착시켜 사용하고 있다. 이때 화학기상증착법을 이용해 증착시킨 산화막의 경우 열산화막에 비하여 계면에 포획된 전하 (interface trap density)가 높고, 누설전류가 커 소자의 누설전류를 증가시키고 장기신뢰성을 확보하기 어려운 문제점이 있었다.

고품질의 열산화막만을 이용하면 전계판의 두께를 100 nm이상 성장시키기 어려워서 탄화규소 소자의 내전압이 200-300 V로 제한되게 된다. 두꺼운 산화막을 이용하기 위해 화학기상증착법으로 증착된 산화막을 사용하게 되면, 누설전류가 커지게 되고 전계집중 완화효과도 감소되어 보다 두꺼운 산화막을 사용하여야 한다. 너무 두꺼운 산화막을 사용하게 되면 전계판을 이용한 가장자리에서의 전계집중을 완화하는 기능이 감소되어 1kV이상의 고내압에서는 효과적이지 못하다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 고품질의 열산화막을 화학기상증착법으로 증착시킨 산화막과 탄화규소 사이에 개재시켜, 화학기상증착법으로 증착시킨 산화막에서 발생하는 누설전류를 차단함으로써, 인가된 전압의 일부가 화학기상증착 산화막의 임계전계를 넘어서 화학기상증착 산화막의 파괴가 일어나는 것을 방지하고, 탄화규소와의 계면전하를 줄이는 한편 화학기상증착 산화막내 누설전류도 억제하여 전극 가장자리의 전계집중을 효과적으로 완화시키며, 소자의 신뢰성도 향상시킬 수 있는 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자는,

고농도 n형 탄화규소 기판과, 그 탄화규소 기판 위에 적층 형성되는 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층과, 그 탄화규소 에피탁시층 위에 적층 형성되는 화학기상증착 산화막과, 상기 탄화규소 에피탁시층 위에 형성되는 상부 쇼트키 접촉 금속막과, 상기 탄화규소 기판의 하부에 형성되는 하부 저항성 접촉 금속막을 구비하는 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자에 있어서,

상기 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층과 상기 화학기상증착 산화막 사이에는 화학기상증착 산화막에서 발생하는 누설전류를 차단하고 탄화규소와의 계면전하를 줄이기 위한 열산화막이 각각 형성되고, 그 열산화막의 중심부 및 그 중심부에서 수직으로 연장되는 상기 화학기상증착 산화막의 중심부에 의해 형성되는 U자형 채널과, 그 U자형 채널의 상면부, 그리고 그 상면부 양측으로 각각 일정 길이만큼 연장된 영역에 걸쳐 상기 상부 쇼트키 접촉 금속막이 형성되어 있는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법은,

a) 고농도 n형 탄화규소 기판 위에 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층을 적층 형성하는 단계;

b) 상기 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층 위에 열산화막을 적층 형성하는 단계;

c) 상기 열산화막 위에 화학기상증착 산화막을 적층 형성하는 단계;

d) 상기 고농도 n형 탄화규소 기판 하면에 저항성 접촉 형성전의 하부 금속 막을 형성하는 단계;

e) 상기 고농도 n형 탄화규소 기판 하면에 형성된 하부 금속막을 탄화규소와의 저항접촉을 갖도록 하여 하부 저항성 접촉 금속막을 형성하는 한편, 상기 화학기상증착 산화막의 중심부 일정 영역을 제외한 양측 상면에 포토 리지스터 마스크를 부착하고 포토 리지스터 반응을 위한 광을 조사하는 단계;

f) 상기 포토 리지스터 반응에 의해 상기 화학기상증착 산화막과 열산화막에 걸쳐 형성된 U자형 채널 내부와 그 채널의 상면 및 화학기상증착 산화막의 상면에 걸쳐 상부 쇼트키 접촉 금속막을 형성하는 단계;

g) 상기 상부 쇼트키 접촉 금속막의 대략 중심부 일정 영역만큼에 포토 리지스터 마스크를 부착하고 포토 리지스터 반응을 위한 광을 조사하는 단계; 및

h) 상기 포토 리지스터 반응에 의해 포토 리지스터 마스크가 부착되었던 부위를 제외한 양측 상부 쇼트키 접촉 금속막을 제거하는 한편 남아 있는 포토 리지스터 마스크를 제거하여 이중산화막을 갖는 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조를 완료하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 구조를 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자는, 고농도 n형 탄화규소 기판(200)과, 그 탄화규소 기판(200) 위에 적층 형성되는 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층(210)과, 그 탄화규소 에피탁시 층(210) 위에 적층 형성되는 화학기상증착 산화막(230)과, 상기 탄화규소 에피탁시층(210) 위에 형성되는 상부 쇼트키 접촉 금속막(270)과, 상기 탄화규소 기판(200)의 하부에 형성되는 하부 저항성 접촉 금속막(250)을 기본적으로 구비한다.

그러나, 본 발명의 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자에 있어서는 상기 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층(210)과 상기 화학기상증착 산화막(230) 사이에, 화학기상증착 산화막(230)에서 발생하는 누설전류를 차단하고 탄화규소와의 계면전하를 줄이기 위한 열산화막(220)이 각각 형성되고, 그 열산화막(220)의 중심부 및 그 중심부에서 수직으로 연장되는 상기 화학기상증착 산화막(230)의 중심부에 의해 형성되는 U자형 채널과, 그 U자형 채널의 상면부, 그리고 그 상면부 양측으로 각각 일정 길이만큼 연장된 영역에 걸쳐 상기 상부 쇼트키 접촉 금속막(270)이 형성되는 점에 특징이 있다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법에 대하여 설명해 보기로 한다.

도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조 과정을 순차적으로 보여주는 도면이다.

도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법에 따라 먼저 고농도 n형 탄화규소 기판(200) 위에 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층(210)을 적층 형성한다.

그런 후, 도 2b에서와 같이, 상기 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층(210) 위에 열산화막(전계판)(220)을 적층 형성한다. 즉, 도 3의 "a" 지점에서 불활성 가스 를 성장로에 주입시키며 승온한다. 1100∼1200℃의 성장온도에 도달하면(도 3의 b지점), 성장중에 사용될 가스(N₂O, N₂, NO, O₂ 등)를 주입시켜주고 일정 시간 동안(예를 들면, 4∼8시간 동안) 얇고(100nm 이하) 고품질의 열산화막(220)을 성장시킨다. 여기서, 이와 같은 열산화막(220)은 O₂ 가스를 흘려 성장시키는 건식산화법, N₂O 가스와 N₂ 가스의 혼합가스(예를 들면, 10%의 N₂O 가스와 90%의 N₂ 가스의 혼합가스)를 흘려 성장시키는 질화건식산화법, NO 가스를 흘려 성장시키는 질화건식산화법 등을 이용하여 성장시킬 수 있다. 이때, 탄화규소 기판(200)은 승온 도중에 반응실내로 삽입하거나, 승온이 완료된 후(도 3의 b지점)에 삽입한다. 열산화막(220)의 성장이 완료되면 반응실내로 불활성 가스를 주입시키면서 냉각한다. 충분히 냉각된 후에 열산화막(220)이 성장된 탄화규소 기판을 반응실로부터 반출한다.

이렇게 하여, 열산화막(220)의 형성이 완료되면, 도 2c에서와 같이, 그 열산화막(220) 위에 화학기상증착 산화막(전계판)(230)을 적층 형성한다. 즉, 위의 반응실로부터 반출한, 열산화막(220)이 성장된 탄화규소 기판을 산화막 성장용 화학기상증착 장치에 장착한 후, 미리 설정된 조건하에서 열산화막(220) 위에 두꺼운(예컨대, 1㎛ 이하의 두께) 산화막을 화학기상증착한다.

이상에 의해 화학기상증착 산화막(전계판)(230)의 형성이 완료되면, 도 2d에서와 같이, 상기 고농도 n형 탄화규소 기판(200) 하면에 저항성 접촉 형성전의 하부 금속막(240)을 형성한다. 즉, 탄화규소 기판(200) 하부에 생성된 산화막을 제거한 후, 니켈(Ni)이나 알루미늄/티타늄(Al/Ti)의 합금을 증착한다.

그런 다음, 도 2e에서와 같이, 상기 고농도 n형 탄화규소 기판 하면에 형성된 저항성 접촉 형성전의 하부 금속막(240)을 탄화규소와의 저항접촉을 갖도록 하여 하부 저항성 접촉 금속막(250)을 형성한다. 즉, 상기 탄화규소 기판(200) 하부에 형성된 저항성 접촉 형성전의 금속(240)을 급속 가열하여 탄화규소와 저항접촉이 형성되도록 하여 저항성 접촉 금속막(250)을 형성하는 것이다. 또한, 상기 화학기상증착 산화막(130)의 중심부 일정 영역을 제외한 양측 상면에 포토 리지스터 마스크(260)를 부착하고 포토 리지스터 반응을 위한 광을 조사한다.

상기 포토 리지스터 반응에 의해 상기 화학기상증착 산화막(230)과 열산화막(220)에 걸쳐 U자형의 채널이 형성되면, 도 2f에서와 같이, 그 형성된 U자형 채널 내부와 그 채널의 상면 및 화학기상증착 산화막(230)의 상면에 걸쳐 상부 쇼트키 접촉 금속막(270)을 형성한다. 여기서, 이와 같은 상부 쇼트키 접촉 금속막(270)의 형성을 위한 금속으로는 탄화규소와 쇼트키 접촉을 형성할 수 있는 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 백금(Pt) 등이 사용될 수 있다.

이렇게 하여 상부 쇼트키 접촉 금속막(270)의 형성이 완료되면, 도 2g에서와 같이, 그 상부 쇼트키 접촉 금속막(270)의 대략 중심부 일정 영역만큼에 포토 리지스터 마스크(280)를 부착하고 포토 리지스터 반응을 위한 광을 조사한다. 그리고, 이와 같은 포토 리지스터 반응에 의해, 도 2h에서와 같이, 포토 리지스터 마스크가 부착되었던 부위를 제외한 양측 상부 쇼트키 접촉 금속막(270)을 제거하여 최종적으로 이중산화막을 갖는 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조를 완료한다. 여기서, 상기 최종적으로 남게 되는 상부 쇼트키 접촉 금속막(270)은 바람직하게는 쇼 트키 접합 가장자리의 산화막위에 존재하는 금속막의 넓이가 1∼20 ㎛ 범위를 갖도록 중심부를 제외한 양측을 제거한다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 및 그 제조방법은 열산화막과 화학기상증착법으로 증착한 산화막의 이중층을 전계판으로 사용하므로, 화학기상증착법으로 증착한 산화막만을 이용한 종래의 방법과 비교하여 다음과 같은 우수한 효과가 있다.

첫째, 누설전류가 거의 없는 열산화막을 이용함으로써, 화학기상증착법으로 증착한 산화막의 누설전류를 차단할 수 있다.

둘째, 계면에 포획된 전하값 등이 월등히 적은 좋은 계면 특성을 갖는 열산화막이 화학기상증착법으로 증착한 산화막과 탄화규소 사이에 개재되어 있어 장기적으로 소자를 사용할 때 신뢰성이 향상된다.

Claims (7)

1. 고농도 n형 탄화규소 기판과, 그 탄화규소 기판 위에 적층 형성되는 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층과, 그 탄화규소 에피탁시층 위에 적층 형성되는 화학기상증착 산화막과, 상기 탄화규소 에피탁시층 위에 형성되는 상부 쇼트키 접촉 금속막과, 상기 탄화규소 기판의 하부에 형성되는 하부 저항성 접촉 금속막을 구비하는 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자에 있어서,

   상기 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층과 상기 화학기상증착 산화막 사이에는 화학기상증착 산화막에서 발생하는 누설전류를 차단하고 탄화규소와의 계면전하를 줄이기 위한 열산화막이 각각 형성되고, 그 열산화막의 중심부 및 그 중심부에서 수직으로 연장되는 상기 화학기상증착 산화막의 중심부에 의해 형성되는 U자형 채널과, 그 U자형 채널의 상면부, 그리고 그 상면부 양측으로 각각 일정 길이만큼 연장된 영역에 걸쳐 상기 상부 쇼트키 접촉 금속막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자.
2. a) 고농도 n형 탄화규소 기판 위에 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층을 적층 형성하는 단계;

   b) 상기 저농도 n형 탄화규소 에피탁시층 위에 열산화막을 적층 형성하는 단계;

   c) 상기 열산화막 위에 화학기상증착 산화막을 적층 형성하는 단계;

   d) 상기 고농도 n형 탄화규소 기판 하면에 저항성 접촉 형성전의 하부 금속막을 형성하는 단계;

   e) 상기 고농도 n형 탄화규소 기판 하면에 형성된 하부 금속막을 탄화규소와의 저항접촉을 갖도록 하여 하부 저항성 접촉 금속막을 형성하는 한편, 상기 화학기상증착 산화막의 중심부 일정 영역을 제외한 양측 상면에 포토 리지스터 마스크를 부착하고 포토 리지스터 반응을 위한 광을 조사하는 단계;

   f) 상기 포토 리지스터 반응에 의해 상기 화학기상증착 산화막과 열산화막에 걸쳐 형성된 U자형 채널 내부와 그 채널의 상면 및 화학기상증착 산화막의 상면에 걸쳐 상부 쇼트키 접촉 금속막을 형성하는 단계;

   g) 상기 상부 쇼트키 접촉 금속막의 대략 중심부 일정 영역만큼에 포토 리지스터 마스크를 부착하고 포토 리지스터 반응을 위한 광을 조사하는 단계; 및

   h) 상기 포토 리지스터 반응에 의해 포토 리지스터 마스크가 부착되었던 부위를 제외한 양측 상부 쇼트키 접촉 금속막을 제거하는 한편 남아 있는 포토 리지스터 마스크를 제거하여 이중산화막을 갖는 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조를 완료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 단계 b)에서의 열산화막은 O₂ 가스를 흘려 성장시키는 건식산화법을 이 용하여 성장시키는 것을 특징으로 하는 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법.
4. 제2항에 있어서,

   상기 단계 b)에서의 열산화막은 NO 가스를 흘려 성장시키는 질화건식산화법을 이용하여 성장시키는 것을 특징으로 하는 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법.
5. 제2항에 있어서,

   상기 단계 b)에서의 열산화막은 N₂O 가스와 N₂ 가스의 혼합가스를 흘려 성장시키는 질화건식산화법을 이용하여 성장시키는 것을 특징으로 하는 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 혼합가스는 10%의 N₂O 가스와 90%의 N₂ 가스의 혼합가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법.
7. 제2항에 있어서,

   상기 단계 h)에서의 상기 최종적으로 남게 되는 상부 쇼트키 접촉 금속막은 쇼트키 접합 가장자리의 산화막위에 존재하는 금속막의 넓이가 1∼20 ㎛ 범위를 갖도록 중심부를 제외한 양측을 제거하는 것을 특징으로 하는 이중산화막을 갖는 고내압 탄화규소 쇼트키 다이오드 소자의 제조방법.

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