JP4489108B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、メモリＬＳＩ、高速ロジックＬＳＩ、システムＬＳＩ、メモリ・ロジック混載ＬＳＩ等の高速デバイスの製造プロセスにおける化学的機械的研磨（ＣＭＰ）に関する。

近年、半導体装置の製造プロセスに用いられる平坦化技術としては、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）が主流となっている。ＣＭＰ法を用いる代表的な工程の一つに、シャロートレンチ分離（ＳＴＩ：Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる素子分離技術が挙げられる。ＳＴＩは、シリコン基板にＣＭＰのストッパー膜としてシリコン窒化膜を形成した後、シリコン窒化膜およびシリコン基板に浅いトレンチを形成し、次いで、このトレンチを埋めるようにシリコン酸化膜を堆積し、溝部以外の余分なシリコン酸化膜をＣＭＰにより除去することにより素子分離領域を形成する技術である。

ＳＴＩのためのＣＭＰプロセスにおいて研磨液として、酸化セリウムからなる研磨剤を含む研磨液にポリカルボン酸アンモニウム塩等のアニオン性高分子界面活性剤を添加したものを用いることが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。

酸化セリウムは、シリカやアルミナに比べてシリコン酸化膜に対する研磨速度が高いという特徴があり、一方、アニオン性高分子界面活性剤は、ストッパー膜であるシリコン窒化膜に吸着してシリコン窒化膜の研磨速度を抑制し、シリコン酸化膜との研磨速度の選択比を高める機能がある。また、界面活性剤が酸化セリウム粒子表面に吸着し、研磨圧力に応じた吸着・脱離により、研磨粒子の活性を制御し、研磨速度の研磨圧力応答性を改善して平坦性を高める機能をも有する。

しかし、近年のＬＳＩの縦方向および横方向の微細化に伴い、ＳＴＩ形成のためのＣＭＰプロセスでは、次のような問題が顕在化している。すなわち、第一に、横方向の微細化に伴い、これまではあまり問題にならなかった、ＣＭＰ時に発生するシリコン酸化膜上の微小なキズ（スクラッチ）がデバイスの電気特性に影響を及ぼし、歩留まりを低下させるという問題である。第二に、縦方向の微細化に伴い、ストッパー膜の薄膜化が進む結果、シリコン窒化膜に対する研磨速度の抑制が不十分となり、シリコン酸化膜との選択比が不足するという問題である。また、第三に、特に低い研磨圧力の印加時において、研磨の終点を検出することが難しいという問題である。
特許第３２７８５３２号公報 特開２００５−１４２４８９号公報

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされ、研磨後の絶縁膜の欠陥の発生を防止し、ストッパー膜に対する研磨を抑制し、研磨の終点の検出を容易に行なうことを可能とする研磨工程を備える半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、凹部を有し、凹部以外の部分にストッパー膜を有する半導体基板上に、前記凹部を埋めるように絶縁膜を形成する工程、酸化セリウムと第１のアニオン性界面活性剤を含む第１の研磨液を用いて化学的機械的研磨法により前記絶縁膜を研磨し、平坦化する第１の研磨工程、及び酸化セリウムと前記第１のアニオン性界面活性剤よりも小さい分子量の第２のアニオン性界面活性剤を含む第２の研磨液を用い、前記第１の研磨工程とは異なる研磨条件で前記前記絶縁膜を研磨し、前記ストッパー膜を露出させる第２の研磨工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。

本発明によれば、研磨後の絶縁膜の欠陥の発生を防止し、ストッパー膜に対する研磨を抑制し、研磨の終点の検出を容易に行なうことを可能とする研磨工程を備える半導体装置の製造方法が提供される。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板に形成された凹部に絶縁膜を埋め込むために絶縁膜をＣＭＰにより研磨するに際し、研磨液の組成及び研磨条件の異なる２段階の研磨工程を行うことを特徴とする。

半導体装置の素子分離（ＳＴＩ）で用いられるＣＭＰ工程では、絶縁膜としての、例えばシリコン酸化膜の平坦化と、ストッパー膜としての、例えばシリコン窒化膜を露出させるまでのシリコン酸化膜の残膜除去の２つの役割が必要とされる。

研磨粒子として酸化セリウムを含み、高分子量のアニオン性界面活性剤が添加された研磨液によるシリコン酸化膜の研磨は、パターン凸部を優先的に除去することが可能であるため、シリコン酸化膜の平坦化の段階には適切であるが、平坦化後の研磨レートが遅く、シリコン酸化膜の表面にスクラッチが発生しやすいため、シリコン窒化膜上のシリコン酸化膜の残膜除去には不向きである。

また、シリコン酸化膜の残膜除去のための研磨では、研磨レートが速い研磨特性の研磨が適しているが、過剰な研磨を続けると、ストッパー膜としてのシリコン窒化膜が研磨され、半導体チップ内で膜厚が不均一になるという問題がある。従って、研磨の終点を正確に検出し得る研磨であることが必要である。

このように、ＳＴＩにおけるＣＭＰ工程では、異なる研磨特性の研磨を適切なタイミングで切り替えることと、適切な時間で研磨を終了することが必要とされる。

本発明の一実施形態に係る方法は、酸化セリウム及び第１のアニオン性界面活性剤を含む第１の研磨液を用いて、第１の研磨工程を実施し、絶縁膜の被研磨面が平坦化した後、酸化セリウム及び第１のアニオン性界面活性剤より小さい分子量を有する第２のアニオン性界面活性剤を含む第２の研磨液を用いて、第１の研磨工程とは異なる研磨条件で第２の研磨工程を実施するものである。

第１の研磨工程と第２の研磨工程とで異なる研磨条件としては、研磨圧力、研磨テーブルの回転数／押しつけヘッドの回転数を挙げることができる。なお、切替時期の検出及び研磨終点の検出のため、２段階の研磨は、試料ウエハーが対接配置される研磨テーブルのトルク電流値をモニター可能なＣＭＰ装置を用いて行うことが望ましい。

このような２段階の研磨工程において、第１の研磨工程では、第１のアニオン性界面活性剤を含む第１の研磨液を用いることにより、パターン凸部を優先的に除去することが可能であり、絶縁膜の被研磨面が平坦化される。この平坦化は、研磨テーブルのトルク電流値の経時変化曲線から、上昇終了点を検出することにより検知することが出来、それによって第１の研磨工程の終点、即ち、第１の研磨工程から第２の研磨工程への切替時期を知ることが出来る。

第２の研磨工程では、第１のアニオン性界面活性剤よりも小さい分子量の第２のアニオン性界面活性剤を含む第２の研磨液を用い、かつ研磨条件を変えて研磨を行い、ストッパー膜が露出するまで絶縁膜の残膜を除去する。このような研磨液及び研磨条件での研磨により、絶縁膜表面のスクラッチを防止することができる。また、絶縁膜とストッパー膜との選択比をとることができ、ストッパー膜の研磨を防止することができる。

また、第２の研磨工程において、絶縁膜表面のスクラッチを防止するために研磨圧力を減少させても、第２の研磨工程の終点を容易に検出することができる。なお、第２の研磨工程の終点は、研磨テーブルのトルク電流値の経時変化曲線から下降終了点を検出することにより検知することが出来る。

以上のように、研磨テーブルのトルク電流値の経時変化曲線から上昇終了点及び下降終了点を検出することにより、第１の研磨工程と第２の研磨工程の切り替えの適切なタイミングと、第２の研磨工程の終了のタイミングの両方を知ることが可能となる。

なお、一般に、研磨テーブル／押しつけヘッドを高回転数で回転させる方が平坦化に有利である一方、絶縁膜の研磨の際のテーブルトルク電流と、ストッパー膜の研磨の際のテーブルトルク電流との差が少ないため、終点の検出が困難となる。そこで、第１の研磨工程においては、研磨テーブル／押しつけヘッドを高回転数で回転させて凹凸面の平坦化を迅速に行い、次に、第２の研磨工程において、研磨テーブル／押しつけヘッドを低回転数で回転させて、ストッパー膜を露出させることにより、終点の検出を容易に行なうことが出来る。

図１は、本実施形態におけるＣＭＰの時間の変化によるテーブルトルク電流の変化を示す特性図である。図１に示すように、第１の研磨工程では、研磨時間１６０秒付近からテーブルトルク電流が上昇し、モーター電流値の上昇終了点Ａが検出され、第１の研磨工程が停止される。即ち、研磨により平坦面に近づくと、研磨テーブル上の研磨パッドと試料面との接触面積が拡大し、摩擦力の増大により、研磨テーブル及びウエハー押し付けヘッドのトルクが増大し、そのため、それらのモーター電流値が増大する。そして、平坦な構造が得られると、研磨パッドと試料面との接触面積は最大値となり、摩擦力はそれ以上増大せず、モーター電流値は略一定値となる。

第１の研磨工程の停止は、テーブルトルク電流値の上昇終了点の検出と同時に行ってもよいが、検出から所定時間経過後に行ってもよい。図１では、所定時間経過後に第１の研磨工程を停止している。

その後、研磨液の組成及び研磨条件を変えて、第２の研磨工程を実施すると、ストッパー膜上の絶縁膜が除去され、ストッパー膜が露出し始めると、モーター電流値は下降し始める。そして、ストッパー膜の全面が露出すると、テーブルトルク電流値の下降は終了し、略一定値となり、その下降終了点Ｂを検出して、その直後又は所定時間経過後に、第２段階の研磨を停止することが出来る。

第２の研磨工程において、ストッパー膜が露出し始めるとトルク電流値が下降するのは、ストッパー膜が露出することによって、研磨の対象が変化するためである。また、第２研磨工程において、研磨条件を変えるのは、ストッパー膜の露出によるトルク電流値の下降をより明確にするためである。例えば、研磨テーブルの回転数を低下させることにより、被研磨面と研磨布の間の微小な摩擦の変化が研磨テーブルあるいはウエハー押し付けヘッドのトルクへと十分に伝達され、それにより、ストッパー膜の露出終了点の検出を容易に行うことが可能となる。

以上説明した本発明の一実施形態において、第１及び第２の研磨液に含まれる酸化セリウムとしては、一般的に用いられる製法により作成することができる。すなわち、原料として炭酸セリウムを用い、これを数百度以上の高温で焼成する。次に、ミル等で粉砕し、フィルターリングやスイヒにより分級して粗大粒子を除去して酸化セリウム粒子を得る。

その他、例えば、水酸化セリウム等の金属化合物に塩化ナトリウム等の希釈剤を添加して微粉砕し、熱処理することにより酸化セリウム粒子を得るメカノケミカル法（ＭＣＰ：Ｍｅｃｈａｎｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）を用いて作成することもできる。

第１及び第２の研磨液に含まれるアニオン性界面活性剤としては、脂肪酸塩、多価カルボン酸系共重合体、アルキル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩等が挙げられるが、親水基としてカルボキシル基あるいはスルホニル基を有する界面活性剤が好ましい。

親水基としてカルボキシル基を有するものとしては、多価カルボン酸系共重合体であるポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリメタアクリル酸、ポリメタアクリル酸塩、アクリルーメタアクリル酸およびアクリルーメタアクリル酸塩などが挙げられ、このうち、カルボキシル基が多く含まれるポリアクリル酸、ポリアクリル酸カリウム、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリアクリル酸カリウムアンモニウムがより好ましい。

一方、スルホニル基を有するアニオン性界面活性剤としては、アルキルベンゼンスルホン酸やその塩が挙げられ、例えばヘキシルベンゼンスルホン酸、オクチルベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、テトラデシルベンゼンスルホン酸、ヘキサデシルベンゼンスルホン酸、およびオクタデシルベンゼンスルホン酸などの塩である。特に、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム、およびドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウムが好ましい。

第１の研磨液に含まれる第１のアニオン性界面活性剤は、３０００〜１０００００の分子量を有するものであることが好ましい。また、第２の研磨液に含まれる第２のアニオン性界面活性剤は、第１のアニオン性界面活性剤の分子量よりも低い、１００〜２５００の分子量を有するものであることが好ましい。第１の研磨液に、第１のアニオン性界面活性剤よりも少ない分子量の第３のアニオン性界面活性剤が含まれる場合、第３のアニオン性界面活性剤の分子量は、１００〜２５００であることが望ましい。なお、第３のアニオン性界面活性剤は、第２の研磨液に含まれる第２のアニオン性界面活性剤と同一であっても、異なっていてもよい。

第１のアニオン性界面活性剤の分子量が、上記範囲よりも小さい場合には、第１の研磨工程後の絶縁膜の表面の平坦性が劣り、第１の研磨工程の終点の検出が困難となり、上記範囲よりも大きい場合には、研磨速度が遅くなり、研磨時間が長くなってしまう。また、第２のアニオン性界面活性剤の分子量が、上記範囲よりも小さい場合には、ストッパー膜の膜べりが生じ、表面の平坦性が劣り、絶縁膜とストッパー膜との選択比が低下してしまい、上記範囲よりも大きい場合には、絶縁膜表面にスクラッチが発生し易くなり、これを防止するため、研磨圧力を低下させると、第２の研磨工程の終点の検出が困難となる。

アニオン性界面活性剤の添加濃度としては、０．０１〜５重量％が好ましい。０．０１重量％未満であると、吸着量が不足して効果が不十分であるためであり、一方５重量％を超えると粘度が高くなり、取り扱いが困難になるためである。

酸化セリウムの添加量は、０．０５〜１重量％が好ましい。酸化セリウムの添加量が上記範囲より小さい場合には、研磨速度が低下し、上記範囲より大きい場合には、絶縁膜とストッパー膜との選択比が低下してしまう。

また、酸化セリウムと第２のアニオン性界面活性剤を混合した状態における前記酸化セリウムの二次粒子径は、１００ｎｍ〜５０００ｎｍであるのが好ましい。これは、この範囲が酸化セリウムの分散性が良好となる範囲であり、二次粒子径が１００ｎｍ未満の場合は、実用的な研磨速度が得られず、一方５０００ｎｍを超えるとスクラッチが増加してしまう。

以下、本発明の実施例と比較例を示し、本発明の実施形態についてより具体的に説明する。

（実施例１）
図２は、本発明の一実施例に係る半導体装置の製造プロセスを工程順に示す断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１上にストッパー膜となるシリコン窒化膜２を、例えば７０ｎｍの膜厚で形成した。続いて、シリコン酸化膜等をエッチングマスクとして用いて、シリコン窒化膜２およびシリコン基板１に溝３ａ，３ｂからなるＳＴＩパターンを、例えば４５０ｎｍの深さに形成した（図２（ａ））。なお、シリコン基板１００とシリコン窒化膜２の間にたとえばシリコン酸化膜等を設けても良い。

次いで、このＳＴＩパターンを埋め込むようにシリコン酸化膜４を、例えば、高密度プラズマＣＶＤ法（ＨＤＰ−ＣＶＤ）等により６００ｎｍ程度の厚さに形成した（図２（ｂ））。図示するように、シリコン酸化膜４の表面は凹凸面となっている。

次に、シリコン酸化膜４を下記に示す条件の第１及び第２の研磨工程からなる２段階のＣＭＰにより研磨した。即ち、第１の研磨工程においてシリコン酸化膜４を平坦化し（図２（ｃ））、次いで第２の研磨工程においてシリコン窒化膜２を露出させることにより、シリコン酸化膜４ａ，４ｂが溝３ａ，３ｂに埋め込まれた構造を得た（図２（ｄ））。

＜第１の研磨工程（シリコン酸化膜の平坦化）＞
下記の組成の研磨液を用い、下記の研磨条件により行なう。

１．研磨液の組成
砥粒：酸化セリウム０．５重量％（日立化成工業製ＤＬＳ−２）
第１の界面活性剤：ポリカルボン酸アンモニウム（分子量４０００）：１．０６重量％
第２の界面活性剤：ポリカルボン酸アンモニウム（分子量１０００）：０．１０重量％
２．研磨条件
研磨装置：荏原製作所製Ｆ☆ＲＥＸ３００Ｅ
研磨パッド：ニッタハース製ＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４００
研磨圧力：２００ｈＰａ
トップリング/ターンテーブル回転数：１０７／１００ｒｐｍ
研磨液流量：１９７ｃｃ／ｍｉｎ
＜第２の研磨工程（シリコン窒化膜の露出）＞
下記の組成の研磨液を用い、下記の研磨条件により行なう。

１．研磨液の組成
砥粒：酸化セリウム０．５重量％（日立化成工業製ＤＬＳ−２）
第２の界面活性剤：ポリカルボン酸アンモニウム（分子量１０００）：０．１重量％
２．研磨条件
研磨装置：同上
研磨パッド：同上
研磨圧力：３００ｈＰａ
トップリング/ターンテーブル回転数：６６／６０ｒｐｍ
研磨液流量：１９０ｃｃ／ｍｉｎ
以上の２段階の研磨工程により、最初に酸化セリウムとともに、高分子量（４０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩及び低分子量（１０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩を含む研磨液を用い、研磨パッドを高回転数で回転させて、研磨速度の研磨圧力応答性が大きく、平坦性の良好な研磨を行い、次いで酸化セリウムとともに低分子量（１０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩を含む研磨液で研磨を行い、シリコン窒化膜を露出させた。

その結果、スクラッチ及びシリコン窒化膜の膜べりが低減し、終点の検出が容易であった。スクラッチが低減したのは、低分子量（１０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩が酸化セリウムの分散性を向上させ、スクラッチの原因となる凝集体を分散させるためである。

なお、第２の研磨工程において、第１の研磨工程と同様に低分子量と高分子量の２種類の界面活性剤を併用することも考えられるが、高分子量の界面活性剤の添加は、酸化セリウムの凝集を促進し、スクラッチ発生の要因となる。スクラッチ回避の観点から、第２の研磨工程では、低分子量（１０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩のみを含有する第２の研磨液でシリコン窒化膜を露出させる研磨を行う。

（実施例２）
第２の研磨工程の研磨圧力を１５０ｈＰａとした以外は、実施例２と同様にして、シリコン酸化膜の研磨を行った。

低分子量（１０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩を添加した研磨液でシリコン窒化膜を露出させる利点として、分散性向上に伴うスクラッチ低減のほか、終点検出の容易性が挙げられる。すなわち、低分子量（１０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩の添加により、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との摩擦差が大きくなる。一般に、研磨圧力が大きいほどシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との摩擦差が大きく、終点検出は容易であるが、シリコン窒化膜の膜べりやスクラッチが増加するという弊害がある。

第２の研磨液が低分子量（１０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩を含むことにより、研磨圧力を低下させても終点検出が容易であり、これによりシリコン窒化膜の膜べりを抑制し、スクラッチも回避可能となる。

（実施例３）
第２の界面活性剤として、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを用いた以外は、実施例２と同様にして、シリコン酸化膜の研磨を行った。

低分子量のドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを添加した研磨液では、低研磨圧力でも終点検出が可能である。従って、低圧力の研磨により、スクラッチを回避しつつ、シリコン窒化膜の膜べりを抑制することができる。

（実施例４）
第１の研磨液の界面活性剤として、第１の界面活性剤（高分子量（４０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩）のみを用いた以外は、実施例１と同様にして、シリコン酸化膜の研磨を行った。

その結果、実施例１と同様の特性が得られた。

（実施例５）
第１の研磨液の界面活性剤として、第１の界面活性剤（高分子量（４０００）のポリカルボン酸アンモニウム塩）のみを用いた以外は、実施例２と同様にして、シリコン酸化膜の研磨を行った。

その結果、実施例２と同様の特性が得られた。

（比較例１）
第１の研磨液の界面活性剤として、分子量４０００のポリカルボン酸アンモニウム塩のみを用い、第２の研磨液の界面活性剤として、分子量４０００のポリカルボン酸アンモニウム塩のみを用いた以外は、実施例１と同様にして、シリコン酸化膜の研磨を行った。

その結果、シリコン酸化膜のスクラッチを回避することは困難であった。

（比較例２）
第２の研磨工程での研磨圧力を１５０ｈＰａとした以外は、比較例２と同様にしてシリコン酸化膜の研磨を行った。

その結果、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との摩擦差が小さく、終点検出が不可能となった。

（比較例３）
第１の研磨液の界面活性剤として、分子量１０００のポリカルボン酸アンモニウム塩のみを用いた以外は、実施例１と同様にして、シリコン酸化膜の研磨を行った。

この場合、第１の研磨工程後のシリコン酸化膜の平坦性が劣ることが確認された。

以上の実施例及び比較例の研磨条件及びＣＭＰ特性を下記表１及び表２にまとめる。

実施例２、３、及び比較例２における研磨時間の変化に対するテーブルトルク電流の変化を図３に示す。

図３から、実施例２、３では、第１の研磨工程の終点は、研磨テーブルトルク電流曲線の上昇終了点Ｃ及びＥにより検出され、第２の研磨工程の終点は、下降終了点Ｄ及びＦにより検出される。これに対し、比較例２では、研磨テーブルトルク電流曲線の下降終了点は認識することができず、第２の研磨工程の終点の検出は困難であることがわかる。

以上の実施例では、ＳＴＩの形成について説明したが、本発明は、ゲート絶縁膜の平坦化や配線形成工程に係る層間絶縁膜の平坦化にも適用可能である。

本発明の一実施形態に係る研磨時間に対するテーブルトルク電流の変化を示す特性図。 実施例１に係る半導体装置の製造プロセスを示す断面図。 実施例及び比較例における研磨時間に対するテーブル電流の変化を比較して示す特性図。

符号の説明

１…シリコン基板、２…シリコン窒化膜、３ａ，３ｂ…溝、４，４ａ，４ｂ…シリコン酸化膜。

Claims (5)

1. 凹部を有し、凹部以外の部分にストッパー膜を有する半導体基板上に、前記凹部を埋めるように絶縁膜を形成する工程、
   酸化セリウムと第１のアニオン性界面活性剤を含む第１の研磨液を用いて化学的機械的研磨法により前記絶縁膜を研磨し、平坦化する第１の研磨工程、及び
   酸化セリウムと前記第１のアニオン性界面活性剤よりも小さい分子量の第２のアニオン性界面活性剤を含む第２の研磨液を用い、前記第１の研磨工程とは異なる研磨条件で前記前記絶縁膜を研磨し、前記ストッパー膜を露出させる第２の研磨工程
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１の研磨液は、前記第１のアニオン性界面活性剤よりも小さい分子量のアニオン性界面活性剤を更に含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１の研磨工程とは異なる研磨条件は、前記第１の研磨工程より低い研磨圧力であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１の研磨工程とは異なる研磨条件は、前記第１の研磨工程より少ない研磨テーブルの回転数及び押しつけヘッドの回転数であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第１のアニオン性界面活性剤の分子量は、３０００〜１０００００であり、前記第２のアニオン性界面活性剤の分子量は、１００〜２５００であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

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