TW393762B - Improved signal line driving circuits with active body pull-up capability for reducing boost delay - Google Patents
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Description
3285PIF.DOC/002 Λ7 3285PIF.DOC/002 Λ7 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 —______ B7 _ . 五、發明説明(I ) 一 • 本發明是有關於一種積體電路半導體裝置,特別是 有關於利用被升壓的電壓位準(level)驅動信號線之積體電 路半導體裝置。 利用低電壓電源供應(power supplies)以降低電源消耗 之積體電路需要內部電壓升壓電路(interna丨voltage boosting circuits)來增進其效能。這些內部電壓升壓電路一 般產生超過供應至積體電路的電源之電壓位準(Vcc)的信 號。例如,在高容量積體電路記憶體裝置中,如動態隨機 存取記憶體(DRAM)裝置,其使用低電壓電源供應,通常 需要使用子兀線(word line)驅動器電路(driver circuits)於內 部產生高於Vcc電壓値的升壓電壓信號。這些升壓電壓信 號一般是供應至記憶體裝置的字元線,增進在裝置中一記 憶體記憶胞陣列的寫入與讀取操作之可靠性(reliability)。 可參考的電壓增壓電路如本發明委託人Lee之美國專利第 5,467,032 號所述,名爲 “Word Line Driver Circuit For A Semiconductor Memory Device” ’ 在此揭露一倂作爲參考。 參照第1圖,繪示一種習知字元線驅動器電路的電路 簡圖。第2圖繪示第1圖驅動器電路的操作時序圖。特別 地’習知字元線驅動器電路包括一列解碼器(row decoder)〗,其接收一第一位址信號Ai,並且在其一輸出 產生一已解碼字元線信號())S,連接一主要字元線MWL。 提供一字元線驅動(dnve)解碼器2。字元線驅動解碼器2 接收-第二位址信號Aj且將其解碼,產生真値與互補字 元線突波信號φΧί與疼Ϊ。如第2圖所示,字元線突波信號 5 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210χ297公廣) (請先呦讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝Iί ^2K5P!F.DOC/OC2 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 B7 五、發明説明(ι) ΦΧ丨可被作爲一升壓電壓信號,其具有大於Vcc之一 Vpp 電壓。一拉升驅動器(pull-up)3在電性耦接主字元線MWL 的一副字元線(sub word line)SWL上,用以使一字元線信 號增壓,如圖所示。此副字元線亦電性耦接記憶體陣列中 的一列記憶體記憶胞之一部份。每一個記憶體記憶胞包括 —存取電晶體(access transistor)Tr,其汲極電性連接個別 之一位元線BI,其源極電性連接個別之一儲存電容器C 的一電極,如圖所示。 請參照第2圖說明敘述第1圖字元線驅動器電路的操 作。特別地,在不動作(inactive)階段期間,字元線驅動解 碼器2產生邏輯0電壓値的一字元線突波信號φΧί,並且 亦產生邏輯1電壓値的一互補字元線突波信號pi。這些 信號的產生引起NMOS電晶體M3關閉(因此電性上主字 元線MWL沒有連接副字元線SWL),並且NMOS電晶體 M4開啓所以將副字元線SWL下拉(pull down)到接地參考 電壓値(GND)。主位元線MWL被列解碼器1驅動至一邏 輯1電壓値(例如Vcc)。如此將使得第一節點N1被驅動至 Vcc,而第二節點N2被驅動至VcoVthl,其中Vthl爲NMOS 電晶體Ml的臨限電壓。 接下來,字元線突波信號φΧι被驅動至一升壓電壓 ΥφΧΚνψχρνρρ)。特別地,此升壓電壓位準νφΧί應該要 大於Vcc至少Vth2,其中Vth2爲NMOS電晶體M2的臨 限電壓。如此使得NMOS電晶體M3開啓,並且第四節點 N4被驅動至Vpp。這樣也使得NMOS電晶體M4關閉。 6 * 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公t ) '~~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Γ 裝-
、tT 3285PIF.DOC/002 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 B7_ 五、發明説明(> ) 當NMOS電晶體M3開啓時,第一節點N1的電壓値傳至 位於副字元線SWL的第三節點N3。因此,一旦有字元線 突波信號φΧί產生,副字元線SWL被主字元線MWL驅動 至一邏輯1電壓値(例如Vcc-Vth3)。如習知技藝所知的, 在第四節點N4(NM0S電晶體M2的汲極)接收到一升壓電 壓νφΧί將使得第二節點N2(例如NMOS電晶體M2的閘極) 被升壓至一栢當於Vcc-Vthl + α 的電壓。此升壓效應 (boosting effect)產生一種自我升壓(self-boosting)現象,使 得NMOS電晶體M2中閘極至汲極電容Cgd。此自我升壓 效應的大小與α成比例,其中α表示一自我升壓比。如習 知技藝中所知,此自我升壓效應可使字元線突波信號φΧί 最初時通過NMOS電晶體M2的基體區域(body region)中 的反轉層(inversion-layer)通道,而無需任何可見的電壓 降。因此,字元線突波信號φΧί的全部電壓値可被傳至副 字元線SWL的第三節點Ν3,無須於初始時獲得一 Vth2 的電壓降。 然而,如第2圖所示,當在延遲時間週期TD副字元 線SWL的電壓値上升,拉升NMOS電晶體M2的有效臨 限電壓Vth2因應基體偏壓效應(body-bias effect)而上升。 此基體偏壓效應係由NMOS電晶體M2的基體區域與反轉 層通道之間的P-N接面的反偏增加所引起的。於是,當副 字元線SWL的電壓値增加時,NMOS電晶體M2的電流 驅動能力會下降。一般此電流驅動能力的下降會引起突波 信號φΧί傳送至副字元線SWL的延遲時間週期TD的增加。 7 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺纽财咖家鮮⑽s)从祕(21Qx297公疫) 3 285PIF.DOC/002 A7 B7 五、發明説明(ί6 ) . 如此,第1圖字元線驅動器電路的電壓升壓能力會因爲基 體偏壓效應而降低,並且記憶體的資料讀取與寫入之存取 時間會增加。當電源供應的電壓位準降低並且驅動器電路 內的電晶體的臨限電壓沒有隨著降低時,電壓升壓能力會 更爲劇烈降低。 - 因此,儘管努力設計可提供電壓升壓能力的字元線驅 動器電路,仍然需要改善字元線驅動器與其相關電路,使 其縱使在較低的電源供應電壓下操作仍可以提供增強的電 壓增壓能力。 有鑑於此,本發明之一目的在於提供改進電路,可在 高速時以增壓電壓驅動信號線。 本發明之另一目的在於提供驅動電路,可在較低電源 供應電壓下操作。 本發明之又一目的在於提供驅動電路,不易受如基體 偏壓效應之寄生效應所影響。 本發明之上述和其他目的、優點及特徵在於驅動電呈各 可提供升壓電壓位準至信號線,降低對於基體偏壓效應2斤 引起寄生延遲的敏感度。依照本發明一實施例,一較佳驅 動電路包含主、副與升壓信號線;以及一用以驅動主信號 線之裝置,電性耦接主信號線,用以驅動主信號線處於— 第一電壓値(例如Vcc)。一用以驅動升壓信號線之裝置, 電性耦接升壓信號線,用以驅動升壓信號線處於大於第— 電壓値之一第二電壓値(例如Vpp)。一第一場效電晶體, 作爲一拉升電晶體,其具有分別電性耦接主信號線、升壓 8 ---;---:----rl 裝— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210x297公楚) 3285PIF.DOC/002 3285PIF.DOC/002 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 B7 五、發明説明(f) 信號線與副信號線之一閘極、汲極與源極。因此,爲了會 降低抑制拉升電晶體的速度與拉升能力的基體偏壓效應, 提供一第二場效電晶體來主動地將拉升電晶體的基體(例 如主動區域)拉升。此第二場效電晶體具有分別電性耦接 主信號線(或升壓信號線)、升壓信號線與拉升電晶體的基 體區域之一閘極、汲極與源極。第二場效電晶體設計用來 提供拉升電晶體的拉升功能,因此當拉升電晶體開啓提供 一電壓升壓至副信號線時,拉升電晶體的一反轉層通道(例 如N型)與基體區域(例如P型)之間的反偏數値會降低。此 反偏降低使得基體偏壓效應降低,並且一般與基體偏壓效 應相關的臨限電壓會增加。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂,下文特舉一較佳實施例,並配合所附圖式,作詳 細說明如下: 圖式之簡單說明: 声1圖是依照習知一種副字元線驅動器電櫧截厲略簡 圖; 第2圖爲解釋第丄圖驅動器電骼的操作時序圖; 第3圖是依照本發明第一實施例的較佳副字元線驅動 器電路之電路簡圖; 第4圖繪示於第3圖驅動器罨路〜中所使用之一種SOI 場效電晶體的剖面視圖.; 第5圖爲解釋第3圖驅動器電路敗操作時序圖; 第6圖是依照本發明第二實施例的較佳副字元線驅動 9 本紙張尺度通用中國國家標準(CNS ) A4规格(---- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· -訂· 3285PIF.DOC/002 Λ7 B7_ —__ 五、發明説明(6) 器電路之電路簡圖; 第7圖是依照本發明第三實施例的較佳副字呑變驅動 •器電路之電路簡圖;以及 第8圖是依照本發明第四實施例的較隹副字.元捧驅動 器電路之電路簡圖。 實施例 以下請參照繪示本發明較佳實施例之圖式來詳細敘述 本發明。儘管本發明有不同形式的實施例,然在此並不用 以限定本發明。再者,這些實施例充分精確揭露,並且充 分表示相對於習知技藝之本發明範圍。當一薄膜層被認爲 在另一薄膜層之上(on)時,表示其可以直接位於其他薄膜 層或是基底上,或者介於薄膜層之間。另外,第一傳導種 類(first conductivity type)與第二傳導種類(second conductivity type)表示不同的傳導種類,並且在此敘述的 任一實施例也包括一互補(complementary)實施例。此外, 此後所述之電壓信號可以是對接地參考電壓(GND)爲正, 亦可以大於或小於其他電壓,如習知技藝所了解的此類符 號用以解說在負電源供應、信號線與臨限電壓中的電壓 値。類似的數字表示類似的元件。 現在參照第3與6-8圖的電路圖,以及第5圖的時序 圖,敘述本發明較佳實施例。特別地,一較佳字元線驅動 器電路包括一列解碼器,接收一第一位址信號Ai,在 一輸出產生位於一第一電壓値(例如Vcc)之一解碼字元線 信號<|)S,輸出連接至一主字元線M WL。並且也提供一字 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '裝. 、1Τ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4规格(210X297公釐) 3285PIF.DOC/002 Λ7 B7 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印聚 五、發明説明(q) 元線驅動解碼器〗〇2。字元線驅動解碼器102接收並解碼 一第二位址信號A_j,產生真値與互補字元線突波信號φχί 與疼I。如第5圖所示,字元線突波信號φΧί可作爲一 Vpp 第二電壓値的升壓電壓信號,Vpp大於Vcc。又提供一較 佳拉升驅動器103,將列解碼器101作用於副字元線SWL 的一字元線信號升壓。副字元線SWL在節點N101以NMOS 晶體M103電性連接主字元線MWL,如圖所示。在記憶 體陣列中,副字元線亦電性連接記憶體記憶胞一陣列(或 部份)。這些記憶體記憶胞每一個包括一存取電晶體Tr, 具有電性連接一對應位元線BL的一汲極,以及具有電性 連接一對應儲存電容器C的一源極,如圖所示。 在一不動作階段期間,字元線驅動解碼器102產生一 邏輯〇電壓値的一字元線突波信號φΧί,並且亦產生一邏 輯1電壓値的一互補字元線突波信號疼i。這些信號的產 生引起NMOS電晶體Μ103關閉(因此電性上主字元線 MWL沒有連接副字元線SWL),並且NMOS電晶體Μ104 開啓所以將副字元線SWL下拉到接地參考電壓値(GND)。 然後,主位元線MWL被列解碼器101驅動至一邏輯1電 壓値(例如Vcc)。如此將使得第一節點Ν101被驅動至Vcc, 而第二節點N102被驅動至Vcc-VthlOl,其中VthlOl爲 NMOS電晶體Ml01的臨限電壓。 接下來,字元線突波信號ΦΧί被驅動至一升壓電壓 V (j>Xi ( V ψχί == Vpp)。特別地’此升壓電壓位準V <|)Xi應該要 大於Vcc至少Vthl〇2’其中Vthl02爲NMOS電晶體M102 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁} h 裝· -訂 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 3285PIF.DOC/002 A7 __ B? 五、發明説明(f ) 的臨限電壓。如此使得.NMOS電晶體M103開啓,並且第 五節點N105被驅動至Vpp。這樣也使得NMOS電晶體M104 關閉,因爲互補突波信號被設定成邏輯0電壓値。當NMOS 電晶體M103開啓時,第一節點N101的電壓値傳至位於 副字元線SWL的第四節點N104。因此,一旦有字元線突 波信號產生,副字元線SWL被主字元線MWL驅動至 一邏輯1電壓値。 如習知技藝所知的,在第五節點N105(NMOS電晶體 M102的汲極)接收到一升壓電壓V^xi將使得第二節點 N102(例如NMOS電晶體M102的閘極)被升壓至一相當於 Vcc-VthHH+α V^xi的電壓。此升壓效應產生一種自我升 壓現象,使得NMOS電晶體M102中閘極至汲極電容Cgd。 此自我升壓效應的大小與α成比例,其中α表示一自我升 壓比。如習知技藝中所知,此自我升壓效應可使字元線突 波信號φΧί最初時通過NMOS電晶體Μ102的基體區域中 的反轉層通道,而無需任何可見的電壓降。因此,字元線 突波信號ΦΧΪ的全部電壓値可被傳至副字元線SWL的第四 節點Ν104,無須於初始時獲得一 Vthl02的電壓降。 然而,如第5圖所示,爲防止寄生基體偏壓效應增加 NMOS電晶體M102的臨限電壓Vthl02,以及縮短時間延 遲TD,本發明包括一基體拉升電晶體(例如NMOS電晶體 105)。此較佳基體拉升電晶體包括一閘極、一汲極與一源 極,分別電性連接主字元線(在節點N101)、升壓信號線(在 節點N105)與NMOS電晶體M102的基體區(在節點N103)。 J——r---C裝丨| . - (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 3285PIF.DOC/002 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Λ7 B7_____ 五、發明説明(,) 於是,基於第3圖第一較佳實施例的較佳電路配置’在主 字元線MWL所產生的一邏輯1信號使基體拉升電晶體 M105開啓,並且驅動NMOS拉升電晶體M105的基體區 域使節點N103趨近於節點N105的電壓値。拉升電晶體 M102的P型基體區域與基體拉升電晶體M105的N型源 極之間的直接電性連接,較佳是在電晶體M102的P型基 體內形成如一 N型區域之源極,並且以一金屬帶(metal strap)將源極與基體區域短路。在第5圖中以實心點虛線 提供第1圖習知電路與第3圖第一較佳實施例之間的時序 比較,其Vthl02與Vth2之間的臨限電壓比較,以及節點 N3與節點N104之間的副字元限電壓比較。參照第4圖, 第3圖中所繪示之NMOS電晶體形成於一絕緣層上有矽 (SOI)基底,其包含一基底區域、一埋入氧化區域以及一半 導體第一傳導種類(例如P型)。在半導體薄膜層中亦提供-第二傳導種類(例如N型)的源極與汲極,並且在其中定義 一基體區域。在基體區域的相反方向於半導體薄膜層上, 亦形成包括複晶矽之一隔離的閘極電極。 本發明的其他實施例如第6-8圖所繪示。特別是,第 6圖的驅動電路相似於第3圖之驅動電路,然而省略NMOS 電晶體Μ1(Π。第7圖的驅動電路中,基體拉升電晶體M105 的閘極電性連接第五節點N105 ;並且第8圖的驅動電路 中’省略NMOS電晶體M101,以及基體拉升電晶體M105 的閘極電性連接第五節點N105。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以 η 本紙張尺度適用中國國家樣準(CNS ) Α4規抬厂(2丨0 X 297公釐) 一—· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V裝-
、1T 3285PIF.DQC/002 Λ7 B7五、發明説明(丨c»)限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神 和範圍內,當可作各種之更動與潤飾,因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) h 裝-
、1T 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210X297公釐)
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- 3285PIF.DOC/002 3285PIF.DOC/002 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 _I公告求j________ 六、申請專利範圍 〔 一~~~1 1. 一種積體電路,包括: 主、副與升壓信號線; 一用以驅動該主線號線之裝置,電性耦接該主信號 線,驅動該主線號線處於一第一電壓値; 一用以驅動該升壓信號線之裝置,電性耦接該升壓信 號線,驅動該升壓信號線處於一第二電壓値,該第二電壓 ' ———-、一.' 値大於該第一電壓値; 一第一場效電晶體,具有一閘極、汲極與源極,分別 電性耦接該主信號線、該升壓信號線與該副信號線;以及 一第二場效電晶體,具有一閘極、汲極與源極,分別 電性耦接該主信號線與該升壓信號線中之一、該升壓信號 線與該第一場效電晶體的一基體區域。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電路,更包括: 一第一通行電晶體,電性串聯耦接於該主信號線與該 第一場效電晶體的閘極之間;以及 一第二通行電晶體,電性串聯耦接於該主信號線與該 副信號線之間。 3. 如申請專利範圍第2項所述之電路,其中,該第一 .通行電晶體具有一控制電極,電性連接一電源供應電壓 値;並且,該第二通行電晶體具有一控制電極,電性連接 該升壓信號線。 4. 如申請專利範圍第2項所述之電路,更包括一第三 通行電晶體,具有一汲極與源極,電性串聯耦接於該副信 號線與一接地參考電壓値之間。 (請先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公嫠) 3285PIF.DOC/002 Λ8 B8 CS D8 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第4項所述之電路,其中,該用以 驅動該升壓信號線之裝置具有一輸出,電性耦接該第三通 行電晶體的一控制電極。 6. 如申請專利範圍第1項所述之電路,更包括一記憶 體記憶胞,其中,該記憶體記憶胞的一控制電極電性耦接 該副信號線。 7. —種積體電路記憶體裝置,包括: 主'副與升壓字元線; 一列解碼器,以一字元線信號驅動該主線號線處於一 第一電壓値; 一用以驅動該升壓字元線之裝置,電性耦接該升壓字 元線,以一升壓信號驅動該升壓字元線處於一第二電壓 値,該第二電壓値大於該第一電壓値; 一字元線拉升電晶體,具有一汲極與源極,電性串聯 連接於該升壓字元線與該副字元線;以及 一基體拉升電晶體,具有一閘極、汲極與源極,分別 電性耦接該i字元線、該升壓字元線與該字元線拉升電晶 體的一基體區域。 8. 如申請專利範圍第7項所述之記憶體裝置,更包括: 一第一通行電晶體,具有一源極與汲極,電性串聯連 接於該主字元線與該字元線拉升電晶體的一閘極之間;以 及 一第二通行電晶體,具有一源極與汲極,電性串聯連 接於該主字元線與該副字元線之間。 16 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝. 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標隼(CNS〉A4規格(210X297公釐) 3285PIF.DOC/002 3285PIF.DOC/002 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 cs D8 六、申請專利範圍 9. 如申請專利範圍第8項所述之記憶體裝置,更包括 一電源供應線,電性連接該第一通行電晶體的一閘極。 10. 如申請專利範圍第9項所述之記憶體裝置,其中該 第二瘇行電晶體的一閘極電性連接該升壓字元線。 11. 如申請專利範圍第10項所述之記憶體裝置,其中, 該字元線拉升電晶體爲具有一 Ρ型基體區域之一 NMOS電 晶體;該基體拉升電晶體爲一 NMOS電晶體;以及,該基 體拉升電晶體的源極短路連接該Ρ型基體區域。 12. 如申請專利範圍第11項所述之記憶體裝置,其中, 該基體拉升電晶體的源極與該Ρ型基體區域形成一 Ρ-Ν接 面。 13. 如申請專利範圍第12項所述之記憶體裝置,更包 括一記憶體記憶胞,具有一,控制電極,電性連接該副字元 線。 14. 如申請專利範圍第7項所述之記憶體裝置,更包括 一記憶體記憶胞,具有一控制電極,電性連接該副字元線。 15. —種積體電路,包括: 主、副與升壓信號線; 一用以驅動該主線號線之裝置,電性耦接該主信號 .線,驅動該主線號線處於一第一電壓値; -用以驅動該升壓信號線之裝置,電性耦接該升壓信 號線,驅動該升壓信號線處於一第二電壓値,該第二電壓 値大於該第一電壓値; -一字元線拉升電晶體,具有一閘極、汲極與源極,分 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 、11 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210X297公釐) 3285PIF.DOC/002 B8 C8 D8 穴、申請專利把圍 別電性耦接該主信號線、該升壓信號線與該副信號線;以 及 一用以驅動該字元線拉升電晶體的一基體區域之裝 置’電性親接該升壓信號線,當該主信號線與該升壓信號 線分趴被驅動至該第一與第二電壓値時驅動該字元線拉升 電晶體的該基體區域趨近於該升壓信號線的一電壓値。 16.如申請專利範圍第15項所述之電路,其中,該用 以驅動該基體區域之裝置包括一基體拉升電晶體,具有一 閘極、汲極與源極,分別電性連接該主信號線與該升壓信 號線中之一、該升壓信號線與該字元線拉升電晶體的基體 區域。 Π.如申請專利範圍第15項所述之電路,更包括: 一第一通行電晶體,電性串聯耦接於該主信號線與該 字元線拉升電晶體的閘極之間;以及 一第二通行電晶體,電性串聯耦接於該主信號線與該 副信號線之間。 18. 如申請專利範圍第17項所述之電路,其中,該第 一通行電晶體具有一控制電極,電性連接一電源供應電壓 値;並且,該第二通行電晶體具有一控制電極,電性連接 該升壓信號線。 - 19. 如申請專利範圍第18項所述之電路,更包括一第 三通行電晶體,具有一汲極與源極,電性串聯耦接於該副 信號線與一接地參考電壓値之間。 20. 如申請專利範圍第19項所述之電路,更包括複數 /個記憶體記憶胞,具有控制電極,電性連接該副信號線。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 、1T 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 本紙張尺度逋用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐)
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