WO2014196223A1 - Semiconductor chip and semiconductor device - Google Patents
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Definitions
- the electrostatic protection element 12 connected between the gate electrode and the source electrode can be disposed by effectively utilizing the space in the normal direction of the substrate surface in the semiconductor chip 1. Therefore, while preventing electrostatic breakdown of the gate oxide film, a gate electrode and a source electrode are provided on one surface side of the substrate as described in Patent Document 1 described above, and a bidirectional Zener diode consisting of a single layer of these electrodes is provided. Compared with the case of using and connecting, the size of the semiconductor chip in the direction parallel to the substrate surface can be reduced, and the semiconductor chip can be downsized.
- the semiconductor device according to aspect 4 of the present invention is the structure according to any one of the aspects 1 to 3, wherein the MOSFET has a lateral diffusion MOS structure.
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Abstract
Description
本発明は、MOSFET(酸化金属半導体電界効果トランジスタ)を有する半導体チップおよび半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor chip having a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) and a semiconductor device.
従来、ゲート酸化膜を静電破壊から保護するための静電気保護素子(ESD(Electro-Static Discharge)保護素子)を備えたMOSFETが知られている。 Conventionally, a MOSFET having an electrostatic protection element (ESD (Electro-Static Discharge) protection element) for protecting a gate oxide film from electrostatic breakdown is known.
例えば、特許文献1には、ゲート電極とソース電極との間に双方向ツェナーダイオードを接続し、さらに、ゲート電極に抵抗を接続したMOSFETが開示されている。
For example,
しかしながら、上記特許文献1の技術では、ゲート電極およびソース電極が半導体チップの上面側に設けられており、静電気保護素子としての双方向ツェナーダイオードが単一層のポリシリコン膜で形成されているので、半導体チップのチップ面積が増大してしまうという問題がある。
However, in the technique of
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、MOSFETを有する半導体チップにおいて、静電耐圧特性を向上させるとともにチップサイズを低減することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve the electrostatic withstand voltage characteristics and reduce the chip size in a semiconductor chip having a MOSFET.
本発明の一態様にかかる半導体チップは、MOSFETを有する半導体チップであって、上記MOSFETのゲート端子およびドレイン端子が当該半導体チップの一方の面側に設けられ、上記MOSFETのソース端子が当該半導体チップの他方の面側に設けられており、一端側が上記ゲート端子に接続され、他端側が上記ソース端子に接続された静電気保護素子を備えていることを特徴としている。 A semiconductor chip according to an aspect of the present invention is a semiconductor chip having a MOSFET, wherein a gate terminal and a drain terminal of the MOSFET are provided on one surface side of the semiconductor chip, and a source terminal of the MOSFET is the semiconductor chip. And an electrostatic protection element having one end connected to the gate terminal and the other end connected to the source terminal.
上記の構成によれば、静電気保護素子を設けることにより、静電耐圧特性を向上させ、ゲート絶縁膜の静電気(ESD(Electro-Static Discharge))による劣化を効果的に防止することができる。また、MOSFETのゲート電極を半導体チップの一方の面側に設け、ソース電極を他方の面側に設けることにより、これら両電極を接続する静電気保護素子を当該半導体チップにおける厚さ方向のスペースを有効に用いて配置することができる。これにより、半導体チップの面内方向のサイズを低減し、半導体チップの小型化を図ることができる。 According to the above configuration, by providing the electrostatic protection element, it is possible to improve the electrostatic withstand voltage characteristics and effectively prevent deterioration of the gate insulating film due to static electricity (ESD (Electro-Static Discharge)). In addition, by providing the gate electrode of the MOSFET on one surface side of the semiconductor chip and the source electrode on the other surface side, the electrostatic protection element that connects these two electrodes can effectively make space in the thickness direction of the semiconductor chip. Can be used. Thereby, the size of the semiconductor chip in the in-plane direction can be reduced, and the semiconductor chip can be downsized.
〔実施形態1〕
本発明の一実施形態について説明する。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described.
図1は本実施形態にかかる半導体チップ1の回路図であり、図2は半導体チップ1の概略構成を示す説明図である。
FIG. 1 is a circuit diagram of a
図1に示したように、半導体チップ1は、互いに並列に接続された多数のMOSFET11からなるMOSFET群10を備えており、MOSFET群10のソース端子(各MOSFET11のソース電極)は半導体チップ1のソース端子S1に接続され、ドレイン端子(各MOSFET11のドレイン電極)は半導体チップ1のドレイン端子D1に接続され、ゲート端子(各MOSFET11のゲート電極)は半導体チップ1のゲート端子G1に接続されている。また、半導体チップ1のゲート端子G1とソース端子S1との間には、静電気保護素子12が接続されている。
As shown in FIG. 1, the
なお、各MOSFET11は、図2の(a)に示すように、半導体チップ1の面内方向に沿ってマトリクス状に配置され、互いに並列に接続されている。また、図2の(b)に示したように、ゲート端子G1およびドレイン端子D1は半導体チップ1の一方の面に設けられており、ソース端子S1は半導体チップ1の他方の面に設けられている。
The
図3は、MOSFET11の構成を示す説明図である。この図に示すように、MOSFET11は、P型シリコン基板13、P型シリコン基板13上に形成されたP型半導体層14、P型半導体層14の一部に不純物イオンを注入することにより形成されたN+領域(N型拡散領域、ドレイン領域)15およびN+領域(N型拡散領域、ソース領域)16、P型半導体層14上に形成されたゲート絶縁膜17、ゲート絶縁膜17上に形成されたゲート電極19、N+領域15に接続されたドレイン電極18、およびN+領域16に接続されたソース電極20を備えた横方向拡散MOS(LDMOS(Laterally diffused MOS))構造のNチャネル型MOSFETである。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the configuration of the
なお、ドレイン電極18およびゲート電極19は半導体チップ1の一方の面側に形成されており、ソース電極20はP型シリコン基板13およびP型半導体層14に設けられたトレンチ部21を介して半導体チップ1の一方の面側から他方の面側に例えば金属等の導電部材によって接続されている。
The
静電気保護素子12としては、図1に示したように、1対のツェナーダイオードのカソード電極同士を接続することにより形成した双方向ツェナーダイオードからなり、一端側がゲート端子G1に接続され、他端側がソース端子S1に接続されている。
As shown in FIG. 1, the
図4は、静電気保護素子12の構成例を示す説明図である。この図に示すように、静電気保護素子12は、P型シリコン基板13上にN型拡散領域(DN領域)43およびP型半導体領域44が形成されており、P型半導体領域44内にP+領域(P型拡散領域)45、NHV領域(ドリフト形成用のN型拡散領域)46、P+(P型拡散領域)領域47が基板面内方向に沿って所定の間隔を隔てて形成され、P型半導体領域44を覆うように酸化物層(OXIDE層)48が形成されている。また、酸化物層48に設けられたコンタクトホールを介してP+領域45およびP+領域47に金属配線層(M1層)49および金属配線層(M2層)50がそれぞれ接続されている。なお、金属配線層49は半導体チップ1のゲート端子G1(各MOSFET11のゲート端子)に接続され、金属配線層50は半導体チップ1のソース端子S1(各MOSFET11のソース端子)に接続されている。
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of the
なお、静電気保護素子12の耐圧特性は、MOSFET11のゲート端子G1に印加される電圧に応じて適宜設定すればよい。例えば、MOSFET11のゲート端子G1に対する印加電圧の仕様が±20Vである場合、耐圧電圧が±20Vよりも大きくなるように静電気保護素子12を形成すればよい。静電気保護素子12の耐圧特性は、例えば、(i)P+領域45,47とNHV領域46との間隔、あるいは(ii)N型拡散領域(DN領域)43の濃度を制御することにより調整できる。具体的には、P+領域45,47とNHV領域46との間隔を広くするほど静電気保護素子12のブレークダウン電圧が増大し、N型拡散領域43の濃度を低くするほど静電気保護素子12のブレークダウン電圧が増大する。
The withstand voltage characteristic of the
また、静電気保護素子12の構成は、双方向ツェナーダイオードを実現できる構成であればよく、図4に示した構成に限るものではない。
The configuration of the
例えば、図11の(a)に示すように、P型シリコン基板13上に形成されたP型半導体層14内に、P型シリコン基板13側から順にDP領域(P型拡散領域)22、NW領域(N型ウェル領域)23、NHV領域(N型拡散領域)24、およびP+領域(P型拡散領域)25が積層された構成の静電気保護素子12を用いてもよい。このように、図11の(a)の例では、半導体チップ1の基板面法線方向に積層された複数の半導体領域からなる複数段のPN接合を備えた双方向ツェナーダイオードが形成されている。
For example, as shown in FIG. 11A, in the P-
また、図11の(b)に示すように、P型シリコン基板13上に形成されたP型半導体層14に第1NHV領域(N型拡散領域)26および第2NHV領域(N型拡散領域)27を形成し、第1NHV領域26にN+領域28を形成し、第2NHV領域27にN+領域29およびP+領域30を形成した構成の双方向ツェナーダイオードを用いてもよい。
Also, as shown in FIG. 11B, a first NHV region (N-type diffusion region) 26 and a second NHV region (N-type diffusion region) 27 are formed on the P-
また、図11の(c)に示すように、P型シリコン基板13上に形成されたP型半導体層14に第1NHV領域(N型拡散領域)31および第2NHV領域(N型拡散領域)32を形成し、第1NHV領域31にN+領域33およびP+領域34を形成し、第2NHV領域32にN+領域35およびP+領域36を形成した構成の双方向ツェナーダイオードを用いてもよい。
Further, as shown in FIG. 11C, a first NHV region (N-type diffusion region) 31 and a second NHV region (N-type diffusion region) 32 are formed on the P-
また、本実施形態では、1対のツェナーダイオードのカソード電極同士を接続することにより形成した双方向ツェナーダイオードを用いているが、これに限るものではない。例えば、図5に示すように、1対のツェナーダイオードのアノード電極同士を接続した双方向ツェナーダイオードを用いてもよい。 In this embodiment, a bidirectional Zener diode formed by connecting the cathode electrodes of a pair of Zener diodes is used, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 5, a bidirectional Zener diode in which the anode electrodes of a pair of Zener diodes are connected may be used.
以上のように、本実施形態にかかる半導体チップ1は、基板13の一方の面側に形成されたMOSFET11を有する半導体チップであって、MOSFET11のゲート端子G1(ゲート電極19)およびドレイン端子D1(ドレイン電極18)が基板13の一方の面側に設けられ、MOSFET11のソース端子S1(ソース電極20)が基板13の他方の面側に設けられており、一端側がゲート端子G1(ゲート電極19)に接続され、他端側がソース端子S1(ソース電極20)に接続された静電気保護素子12を備えている。
As described above, the
これにより、ゲート電極とソース電極との間に接続される静電気保護素子12を、当該半導体チップ1における基板面法線方向のスペースを有効に利用して配置することができる。したがって、ゲート酸化膜の静電破壊を防止するとともに、上述した特許文献1のようにゲート電極およびソース電極を基板の一方の面側に設け、これら両電極を単一層からなる双方向ツェナーダイオードを用いて接続する場合に比べて、半導体チップの基板面平行方向のサイズを低減し、半導体チップの小型化を図ることができる。
Thereby, the
なお、本実施形態では、本発明をNチャネル型MOSFETに適用する場合について説明したが、本発明の適用対象はこれに限るものではなく、Pチャネル型MOSFETにも適用できる。この場合、Pチャネル型MOSFETの各半導体層の構成は特に限定されるものではなく、従来から公知のPチャネル型MOSFETを用いることができる。 In the present embodiment, the case where the present invention is applied to an N-channel MOSFET has been described. However, the application target of the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a P-channel MOSFET. In this case, the configuration of each semiconductor layer of the P-channel MOSFET is not particularly limited, and a conventionally known P-channel MOSFET can be used.
〔実施形態2〕
本発明の他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、実施形態1と同様の機能を有する部材については実施形態1と同じ符号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
Another embodiment of the present invention will be described. For convenience of explanation, members having the same functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted.
図6は本実施形態にかかる半導体装置100の回路図であり、図7は半導体装置100に備えられる半導体チップ1bの概略構成を示す説明図である。また、図8は、半導体装置100を上方から見た平面図である。
FIG. 6 is a circuit diagram of the
図6に示すように、半導体装置100は、半導体チップ1b、半導体チップ2、ゲート端子G3、ソース端子S3、およびドレイン端子D3を備えている。
As shown in FIG. 6, the
半導体チップ1bは、実施形態1に示した半導体チップ1に加えて、基板の一方の面側(ゲート端子G1(ゲート電極19)およびドレイン端子D1(ドレイン電極18)が形成されている側)に設けられた第2ソース端子S1bと、ソース端子S1と第2ソース端子S1bとを接続するように設けられた、双方向ツェナーダイオードからなる第2静電気保護素子42とを備えている。また、半導体チップ1bのソース端子S1は半導体装置100のソース端子S3に接続され、半導体チップ1bのゲート端子G1は半導体装置100のゲート端子G3に接続され、半導体チップ1bのドレイン端子D1は半導体チップ2のソース端子S2に接続され、第2ソース端子S1bは半導体チップ2のゲート端子G2に接続されている。半導体チップ1bにおけるその他の構成は実施形態1で示した半導体チップ1と略同様である。なお、第2静電気保護素子42の構成は特に限定されるものではなく、例えば、静電気保護素子12と同様のものを用いることができる。
In addition to the
半導体チップ2は、MOSFET41を備えており、このMOSFET41のゲート端子G2は半導体チップ1bの第2ソース端子S1bに接続され、ソース端子S2は半導体チップ1bのドレイン端子D1に接続され、ドレイン端子D2は半導体装置100のドレイン端子D3に接続されている。すなわち、半導体チップ2のMOSFET41は、半導体チップ1bの各MOSFET11に対してカスコード接続されている。なお、MOSFET41の構成は特に限定されるものではなく、従来から公知の構成からなるMOSFETを用いることができる。
The
以上のように、本実施形態にかかる半導体装置100は、実施形態1で示した半導体チップ1に加えて、半導体チップ1のMOSFET群10(各MOSFET11)に対してカスコード接続されたMOSFET41を備えている。これにより、MOSFET11のドレイン電圧の変化を低減し、ミラー効果による帰還容量の影響を小さくすることができる。
As described above, the
また、本実施形態にかかる半導体装置100は、半導体チップ1bのソース端子S1とMOSFET41のゲート端子G2との間に双方向ツェナーダイオードからなる第2静電気保護素子42を備えている。これにより、静電気によってMOSFET41のゲート酸化膜が破壊されることを防止できる。
Further, the
また、本実施形態では、上記の第2静電気保護素子42を半導体チップ1bにおける基板13の一方の面に設けている。これにより、第2静電気保護素子42を、半導体チップ1bにおける基板面法線方向のスペースを有効に利用して配置することができる、半導体チップ1bのチップサイズを低減して半導体装置100の小型化を図ることができる。
In the present embodiment, the second
なお、本実施形態では、第2静電気保護素子42が半導体チップ1bに備えられている構成について説明したが、これに限るものではない。例えば、図9に示すように第2静電気保護素子42を半導体チップ1bおよび半導体チップ2の外部に配置してもよく、図10に示すように第2静電気保護素子42を半導体チップ2に配置してもよい。なお、第2静電気保護素子42を半導体チップ1bに設けない場合、半導体チップ1bに代えて、実施形態1と同様の半導体チップ1を用いればよい。
In addition, although this embodiment demonstrated the structure with which the 2nd
〔まとめ〕
本発明の態様1にかかる半導体チップは、MOSFETを有する半導体チップであって、上記MOSFETのゲート端子およびドレイン端子が当該半導体チップの一方の面側に設けられ、上記MOSFETのソース端子が当該半導体チップの他方の面側に設けられており、一端側が上記ゲート端子に接続され、他端側が上記ソース端子に接続された静電気保護素子を備えていることを特徴としている。
[Summary]
The semiconductor chip according to the first aspect of the present invention is a semiconductor chip having a MOSFET, wherein the gate terminal and drain terminal of the MOSFET are provided on one surface side of the semiconductor chip, and the source terminal of the MOSFET is the semiconductor chip. And an electrostatic protection element having one end connected to the gate terminal and the other end connected to the source terminal.
上記の構成によれば、静電気保護素子を設けることにより、静電耐圧特性を向上させ、ゲート絶縁膜の静電気(ESD(Electro-Static Discharge))による劣化を効果的に防止することができる。また、MOSFETのゲート電極を半導体チップの一方の面側に設け、ソース電極を他方の面側に設けることにより、これら両電極を接続する静電気保護素子を、当該半導体チップにおける厚さ方向のスペースを有効に用いて配置することができる。これにより、上述した特許文献1のようにゲート電極およびソース電極を半導体チップの一方の面側に設け、これら両電極を単一層からなる双方向ツェナーダイオードを用いて接続する場合に比べて、半導体チップの面内方向のサイズを低減し、半導体チップの小型化を図ることができる。
According to the above configuration, by providing the electrostatic protection element, it is possible to improve the electrostatic withstand voltage characteristics and effectively prevent deterioration of the gate insulating film due to static electricity (ESD (Electro-Static Discharge)). In addition, by providing the gate electrode of the MOSFET on one surface side of the semiconductor chip and the source electrode on the other surface side, the electrostatic protection element that connects these electrodes can be provided with a space in the thickness direction of the semiconductor chip. It can be used and arranged effectively. As a result, as compared with the case where the gate electrode and the source electrode are provided on one surface side of the semiconductor chip as in
本発明の態様2にかかる半導体装置は、上記態様1において、上記ソース端子は、当該半導体チップに設けられたトレンチ部を介して上記MOSFETのソース領域に接続されている構成である。
The semiconductor device according to
上記の構成によれば、半導体チップの一方の面側に設けられたMOSFETのソース領域と、他方の面側に設けられたソース端子とを接続するための配線の長さを短くし、半導体チップをさらに小型化することができる。 According to the above configuration, the length of the wiring for connecting the source region of the MOSFET provided on one surface side of the semiconductor chip and the source terminal provided on the other surface side is shortened, and the semiconductor chip Can be further reduced in size.
本発明の態様3にかかる半導体装置は、上記態様1または2において、上記静電気保護素子は、複数段のPN接合を有する双方向ツェナーダイオードである構成としてもよい。
The semiconductor device according to
上記の構成によれば、静電気保護素子を容易に形成することができる。なお、上記双方向ツェナーダイオードは、半導体チップの厚さ方向に沿って配置された複数の半導体層からなるPN接合を有する構成であってもよい。この場合、半導体チップの厚さ方向のスペースを有効に利用して双方向ツェナーダイオードを配置することができるので、半導体チップのサイズをより小さくすることができる。 According to the above configuration, the electrostatic protection element can be easily formed. The bidirectional Zener diode may have a PN junction composed of a plurality of semiconductor layers arranged along the thickness direction of the semiconductor chip. In this case, since the bidirectional Zener diode can be arranged by effectively using the space in the thickness direction of the semiconductor chip, the size of the semiconductor chip can be further reduced.
本発明の態様4にかかる半導体装置は、上記態様1から3のいずれかにおいて、上記MOSFETは、横方向拡散MOS構造を有している構成である。
The semiconductor device according to aspect 4 of the present invention is the structure according to any one of the
上記の構成によれば、ゲート電極が基板の一方の面側に形成され、ソース電極が基板の他方の面側に形成された半導体装置を容易に製造することができる。 According to the above configuration, it is possible to easily manufacture a semiconductor device in which the gate electrode is formed on one surface side of the substrate and the source electrode is formed on the other surface side of the substrate.
本発明の態様5にかかる半導体装置は、上記態様1から4のいずれかにおいて、上記双方向ツェナーダイオードは、一対のツェナーダイオードにおける互いのカソード電極同士またはアノード電極同士が接続された構成である。
In the semiconductor device according to Aspect 5 of the present invention, in any one of
上記の構成によれば、静電気保護素子としての双方向ツェナーダイオードを容易に形成することができる。 According to the above configuration, a bidirectional Zener diode as an electrostatic protection element can be easily formed.
本発明の一態様にかかる半導体装置は、上記したいずれかの半導体チップと、上記MOSFETに接続された第2MOSFETを有する第2半導体チップと、第2静電気保護素子とを備え、上記第2MOSFETのゲート端子は上記第2静電気保護素子を介して上記MOSFETのソース端子に接続され、上記第2MOSFETのソース端子は上記各MOSFETのドレイン端子に接続されていることを特徴としている。 A semiconductor device according to an aspect of the present invention includes any one of the semiconductor chips described above, a second semiconductor chip having a second MOSFET connected to the MOSFET, and a second electrostatic protection element, and a gate of the second MOSFET. The terminal is connected to the source terminal of the MOSFET via the second electrostatic protection element, and the source terminal of the second MOSFET is connected to the drain terminal of each MOSFET.
上記の構成によれば、上記半導体チップのMOSFETと上記第2半導体チップの第2MOSFETとがカスコード接続された半導体装置を形成することができる。また、半導体チップのサイズを低減できるので、半導体装置のサイズを低減できる。 According to the above configuration, a semiconductor device in which the MOSFET of the semiconductor chip and the second MOSFET of the second semiconductor chip are cascode-connected can be formed. In addition, since the size of the semiconductor chip can be reduced, the size of the semiconductor device can be reduced.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, a new technical feature can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
本発明は、MOSFETを有する半導体装置およびその製造方法に適用できる。 The present invention can be applied to a semiconductor device having a MOSFET and a manufacturing method thereof.
1,1b 半導体チップ
2 半導体チップ(第2半導体チップ)
10 MOSFET群
11 MOSFET
12 静電気保護素子
13 P型シリコン基板(基板)
17 ゲート絶縁膜
18 ドレイン電極
19 ゲート電極
20 ソース電極
21 トレンチ部
41 MOSFET
42 第2静電気保護素子
100 半導体装置
D1~D3 ドレイン端子
G1~G3 ゲート端子
S1~S3 ソース端子
S1b 第2ソース端子
1,
10
12 Electrostatic protection element 13 P-type silicon substrate (substrate)
17
42 Second
Claims (5)
上記MOSFETのゲート端子およびドレイン端子が当該半導体チップの一方の面側に設けられ、
上記MOSFETのソース端子が当該半導体チップの他方の面側に設けられており、
一端側が上記ゲート端子に接続され、他端側が上記ソース端子に接続された静電気保護素子を備えていることを特徴とする半導体チップ。 A semiconductor chip having a MOSFET,
A gate terminal and a drain terminal of the MOSFET are provided on one surface side of the semiconductor chip;
The source terminal of the MOSFET is provided on the other surface side of the semiconductor chip,
A semiconductor chip comprising an electrostatic protection element having one end connected to the gate terminal and the other end connected to the source terminal.
上記MOSFETに接続された第2MOSFETを有する第2半導体チップと、
第2静電気保護素子とを備え、
上記第2MOSFETのゲート端子は上記第2静電気保護素子を介して上記MOSFETのソース端子に接続され、上記第2MOSFETのソース端子は上記各MOSFETのドレイン端子に接続されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor chip according to any one of claims 1 to 4,
A second semiconductor chip having a second MOSFET connected to the MOSFET;
A second electrostatic protection element,
The gate terminal of the second MOSFET is connected to the source terminal of the MOSFET via the second electrostatic protection element, and the source terminal of the second MOSFET is connected to the drain terminal of each MOSFET. .
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