氮氟復(fù)合注入對注氧隔離SOI材料埋氧層內(nèi)固定正電荷密度的影響

張百強(qiáng) 鄭中山 于 芳 寧 瑾 唐海馬楊志安?

1)(濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南 250022)

2)(中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029)

3)(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083)

(2013年1月11日收到;2013年2月21日收到修改稿)

1 引言

SOI即絕緣體上的硅材料.基于SOI技術(shù)的集成電路因具有功耗低、速度快、寄生電容小、集成密度高等優(yōu)點而得到迅速發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用.SOI電路的優(yōu)勢來源于SOI材料絕緣埋層(一般為SiO2)將頂層器件與襯底完全隔離的獨特結(jié)構(gòu).特別，埋層的存在減小了器件的結(jié)區(qū)面積，增強(qiáng)了存儲電路單元抗單粒子事件翻轉(zhuǎn)(SEU)的能力[1,2]，使SOI成為制作抗SEU電路的首選材料.

雖然埋層的存在為SOI器件及電路帶來諸多的優(yōu)勢，卻也增加了器件及電路抗總劑量輻射加固的復(fù)雜性.在SOI場效應(yīng)晶體管(MOSFET)中，因埋層的存在而引入了一個寄生背溝道.在輻射環(huán)境下，寄生背溝道因埋層輻射損傷而開啟是SOI電路泄漏電流增大的主要原因之一[3,4].目前，SOI器件及電路可通過全耗盡(FD)SOI工藝或部分耗盡(PD)SOI工藝來實現(xiàn).二者相比，F(xiàn)D SOI器件及電路具有更為優(yōu)異的電學(xué)性能和更為出色的抗SEU能力.但對FD SOI MOSFET來講，除寄生背溝道的影響外，還存在輻射引起的背柵晶體管閾值電壓的漂移對前柵晶體管閾值電壓的影響問題.對于目前閾值電壓較低的超深亞微米SOI MOSFET來說，較小的閾值電壓漂移就可能導(dǎo)致器件及電路泄漏電流的較大增長.因此，這一前柵與背柵晶體管的耦合問題尤其值得關(guān)注.為了抑制輻射環(huán)境下背柵晶體管閾值電壓的漂移，同時避免寄生背溝道的開啟，就必須對使用的SOI材料進(jìn)行針對埋層的抗總劑量輻射加固.

一種常用而有效的埋層加固方法是將一定劑量的摻雜劑以離子注入方式注入到埋層中，通過對埋層進(jìn)行改性，來提高埋層的抗總劑量輻射能力.近來研究報道的作為摻雜劑的元素種類有Si，N，F(xiàn)等，并在一定條件下取得了較好的加固效果[5-10].然而，在向埋層進(jìn)行離子注入的同時，必然會引起埋層內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的改變.這些改變在提高埋層抗總劑量輻射能力的同時，可能也會引起埋層本身電學(xué)性質(zhì)的較大變化，且有些變化可能會對器件的電學(xué)特性造成直接的影響.因此，在以離子注入方式對埋層進(jìn)行摻雜改性的同時，應(yīng)對那些因注入摻雜而引起的能夠直接影響器件電學(xué)特性的埋層本身電學(xué)性質(zhì)的變化進(jìn)行研究，以避免器件性能的退化.

通過向硅材料注氧，然后高溫退火，并在硅片內(nèi)注氧區(qū)形成二氧化硅層后即可得到注氧隔離(SIMOX)SOI材料.其中的二氧化硅層稱為埋氧(BOX)層.我們前期的實驗研究結(jié)果已證實，對SIMOX材料BOX層的較高劑量注氮可引起B(yǎng)OX層內(nèi)正電荷密度的明顯增加[11].對此埋層性質(zhì)的改變，需要注意的是，如果埋層內(nèi)的正電荷密度足夠高，將導(dǎo)致SOI n溝道器件中背界面的反型，從而引起器件泄露電流的增加及電路靜態(tài)功耗的上升.因此，在對BOX層進(jìn)行注氮改性的同時，控制BOX內(nèi)正電荷密度的上升是非常必要的.為了探索抑制注氮BOX內(nèi)正電荷密度上升的方法，本研究工作采用BOX注氮后，再向注氮BOX進(jìn)行注氟的復(fù)合注入方式，對SIMOX材料的埋層進(jìn)行改性，并采用電容-電壓(C-V)技術(shù)對改性后的BOX進(jìn)行電荷密度的表征，以確定復(fù)合注入后BOX層內(nèi)電荷密度的變化.另外，已證實在氧化層內(nèi)引入適量的氟可降低氧化層本身對總劑量輻射的敏感性.所以，對BOX的氮氟復(fù)合注入有可能進(jìn)一步提高BOX的抗輻射能力.為此，本文的工作專注于研究氮氟復(fù)合注入對SIMOX材料BOX層內(nèi)電荷密度的影響，研究結(jié)果可同時為BOX的氮氟復(fù)合注入抗輻射加固提供初始的可行性參考.

2 表征技術(shù)與原理

本文利用基于金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)理論的電容-電壓(C-V)技術(shù)對BOX層的電荷密度進(jìn)行表征.相對于傳統(tǒng)的MOS電容，在去除SIMOX材料的頂層硅膜后，本研究工作中用多晶硅柵電極代替了金屬鋁電極，同時BOX層也作為電容結(jié)構(gòu)中的絕緣介質(zhì)層代替了熱生長的SiO2層，從而構(gòu)成了類MOS結(jié)構(gòu)的多晶硅-BOX-襯底硅(PBS)電容，如圖1所示.顯然，兩類電容本質(zhì)上是完全等同的.根據(jù)MOS電容C-V理論，對于一個PBS電容，其高頻平帶電容CFB可以表示為

式中，ni為硅的本征載流子濃度.據(jù)上式，可求出摻雜濃度N.在已知N的情況下，利用(1)，(2)式便可得到對應(yīng)的PBS電容結(jié)構(gòu)的平帶電容值CFB.在已知CFB的情況下，根據(jù)實驗中測得的該P(yáng)BS電容的C-V特性曲線可得到其對應(yīng)的平帶電壓VFB.雖然埋層中的電荷與界面陷阱電荷皆可引起VFB的漂移，但通常情況下，埋層中的等效電荷密度遠(yuǎn)高于界面陷阱電荷密度.因此，VFB的漂移主要是由埋層中的電荷引起.于是，埋層在經(jīng)離子注入改性前后，其等效電荷密度的改變量ΔNeff可近似表示為

式中，ΔVFB為埋層改性前后所對應(yīng)PBS電容的平帶電壓漂移量.所以，通過對埋層改性前后PBS電容高頻C-V特性的測量，并得到對應(yīng)的VFB漂移量之后，即可根據(jù)上式對埋層中電荷密度的變化情況進(jìn)行定量表征.

圖1 PBS電容結(jié)構(gòu)示意圖

3 實驗步驟與過程

實驗研究用的SIMOX SOI材料是采用中等注氧劑量制備的標(biāo)準(zhǔn)商用SOI圓片.該材料的BOX層厚度為150 nm，頂層硅膜是厚度為190 nm的 〈100〉晶向的 p型硅，其電阻率在 10—20 Ω·cm之間.選用的同批次的5片樣品材料分別標(biāo)記為D0，D1，D2，D3，D4. 實驗過程中，首先以 90 keV的注入能量向D1—D4樣品材料的BOX層注入1016cm-2劑量的氮離子.注氮期間的襯底溫度保持在300°C.注氮完畢后，緊接著進(jìn)行1100°C的高溫退火，退火氣氛為氮氣.退火過程中，對不同的樣品材料，選用了不同的退火時間.對D1，D2，D3，D4 樣品的退火時間分別為 0.0 h，0.5 h，1.0 h，1.5 h.然后，將注氮的D1—D4樣品進(jìn)行劃片，分別取其一半進(jìn)行注氮之后的氟離子注入.注氟之前，使用SRIM軟件對注入過程進(jìn)行了模擬.根據(jù)模擬結(jié)果，實際注氟過程中采用的注入能量為120 keV，注入劑量為5×1015cm-2.注氟期間的襯底溫度為室溫.注氟后的退火溫度為900°C，退火時間為2 h，退火氣氛為氮氣.經(jīng)上述過程后，便得到了分別含有注氮BOX與氮氟復(fù)合注入BOX的兩類SOI樣品材料，以對照研究注氟對注氮BOX內(nèi)的電荷密度的影響.另外，D0作為對照樣品，其BOX未進(jìn)行任何注入摻雜改性處理.

為能夠使用C-V技術(shù)對SOI樣品材料進(jìn)行與BOX相關(guān)的電學(xué)特性表征，首先采用化學(xué)腐蝕方法去除樣品材料的頂層硅膜，然后再使用多晶硅柵淀積工藝，分別在對照樣品、注氮及氮氟復(fù)合注入的BOX層上制備多晶硅電極，構(gòu)成PBS電容結(jié)構(gòu).隨后，使用半導(dǎo)體C-V特性分析儀在室溫下對電容樣品進(jìn)行了頻率為1 MHz的高頻C-V特性測量.為便于比較與分析，在D0—D4上制備的電容樣品分別標(biāo)示為PBS/D0—PBS/D4.其中，PBS/D1—PBS/D4分別各自包括了BOX注氮與BOX氮氟復(fù)合注入的兩類電容樣品.為后面討論問題的方便，兩類電容樣品分別進(jìn)一步表示為PBS/Di(N)和PBS/Di(N&F)(i=1,2,3,4).

4 實驗測量與結(jié)果

通過對制備的PBS/D1—PBS/D4電容樣品進(jìn)行高頻C-V特性測量，所得到的樣品的平帶電壓值見表1.表中給出的所有平帶電壓均為同片樣品不同位置的三個電容所對應(yīng)的平帶電壓的平均值，且同片樣品上不同位置的電容的C-V特性表現(xiàn)出良好的一致性.表1中，VFB(N)與VFB(N&F)分別表示BOX注氮與BOX氮氟復(fù)合注入后所對應(yīng)電容樣品的平帶電壓.ΔVFB則表示VFB(N&F)相對于VFB(N)的增量，即VFB(N&F)-VFB(N).因平帶電壓本身為負(fù)值，所以ΔVFB＞0表示平帶電壓絕對值的減少.同時，依據(jù)(4)式，對注氮BOX在注氟后發(fā)生的等效電荷密度的變化(ΔNeff)進(jìn)行了計算，其結(jié)果也一并在表1中列出(ΔNeff＜0表示電荷密度下降).另外，測量發(fā)現(xiàn)，表中未予列出的對照電容PBS/D0具有很小的平帶電壓，其絕對值平均小于0.1 V.為便于對測量結(jié)果直觀地分析與比較，圖2至圖5分別給出了電容PBS/D1—PBS/D4在BOX注氮及氮氟復(fù)合注入前后的典型C-V特性曲線(圖中VG表示柵壓).

表1 電容PBS/D1—PBS/D4的VFB(N)與VFB(N&F)及所對應(yīng)BOX中的等效電荷密度變化

已經(jīng)知道，對BOX的高劑量注氮可導(dǎo)致BOX內(nèi)正電荷密度的顯著增加.由表1給出的數(shù)據(jù)也可清楚地看到這一點.相對于未注氮的原始BOX所對應(yīng)的PBS/D0電容的平帶電壓絕對值平均＜0.1 V的情況，經(jīng)過1016cm-2劑量的氮離子注入后，其所對應(yīng)的PBS/D1(N)—PBS/D4(N)電容的平帶電壓絕對值|VFB(N)|迅速增加了兩個數(shù)量級.這意味著與平帶電壓成正比的正電荷密度也將會有兩個數(shù)量級的增加.然而，當(dāng)對注氮的D1—D4樣品材料再次進(jìn)行注氟后，情況則發(fā)生了很大變化.由表1給出的測量結(jié)果可以看到，PBS/D1(N&F)—PBS/D3(N&F)電容的平帶電壓絕對值|VFB(N&F)|均較注氟前的VFB(N)有了不同程度的減小，其中以PBS/D1(N&F)電容的減小幅度最大，也最為顯著.其次是PBS/D3(N&F)，減小也非常明顯.此意味著D1—D3在經(jīng)氮氟復(fù)合注入后，原注氮BOX中的正電荷密度出現(xiàn)了不同程度的降低.但只有D4例外，其對應(yīng)電容PBS/D4(N&F)的平帶電壓絕對值不降反增.說明其BOX內(nèi)的正電荷密度有了進(jìn)一步的增加.圖6給出了PBS/D1(N&F)—PBS/D4(N&F)電容的典型C-V特性曲線，以便于對氮氟復(fù)合注入后的樣品之間進(jìn)行直觀的對照比較.

圖2 電容PBS/D1(N&F)與PBS/D1(N)的高頻C-V特性曲線

圖3 電容PBS/D2(N&F)與PBS/D2(N)的高頻C-V特性曲線

5 結(jié)果討論與分析

圖4 電容PBS/D3(N&F)與PBS/D3(N)的高頻C-V特性曲線

圖5 電容PBS/D4(N&F)與PBS/D4(N)的高頻C-V特性曲線

圖6 電容PBS/D1(N&F)—PBS/D4(N&F)的高頻C-V特性曲線

如上所述，對D1—D3來講，當(dāng)對其已經(jīng)注氮的BOX再次實施注氟后，減小了原注氮BOX中的正電荷密度.導(dǎo)致出現(xiàn)這一結(jié)果的最可能的原因是注氟在BOX中引入了與氟相關(guān)的電子陷阱.當(dāng)這些電子陷阱因俘獲電子而呈現(xiàn)負(fù)電性時，抵消了BOX中的部分正電荷，從而宏觀上顯示出BOX的正電荷密度的降低，也可稱為是BOX中的凈正電荷密度的降低.在近年對超薄柵介質(zhì)工藝的研究中，Satinder等給出的實驗結(jié)果是支持上述觀點的[12].他們在研究中發(fā)現(xiàn)，在制備超薄柵氧介質(zhì)的過程中，如果在氧化前先對硅膜表層注入一定劑量的氟，那么，柵氧中的正電荷密度會降低.特別，當(dāng)注氟劑量較高時，甚至?xí)霈F(xiàn)柵氧中的電荷密度為負(fù)值的情況.顯然，后者明確顯示出柵氧中存在著與氟相關(guān)的電子陷阱.在我們的研究工作中，注氮BOX本身已經(jīng)存在較高的正電荷密度，通過再次注氟來降低其中的正電荷密度.這其中的機(jī)理，顯然不是通過注氟來抑制正電荷的產(chǎn)生，也不太可能是通過修補(bǔ)BOX中顯示正電的結(jié)構(gòu)缺陷來大量消除已存在的正電荷.在注氟劑量不是太高的情況下，相對于BOX中那些顯示正電的結(jié)構(gòu)缺陷，發(fā)生這種情況的概率或可能性應(yīng)該是很小的.盡管形成SIMOX SOI材料BOX層的工藝與柵氧的制備工藝有所不同，但所得氧化層內(nèi)部的基本微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)是相同的.因此，有理由認(rèn)為，在SIMOX SOI材料的注氟BOX中，存在著與注氟柵氧中類似的有氟原子參與的受主型結(jié)構(gòu)缺陷，即電子陷阱.當(dāng)這些電子陷阱俘獲電子后，補(bǔ)償了BOX中的部分正電荷，降低了注氮BOX中的凈正電荷數(shù)量.其中，一種可能的電子陷阱結(jié)構(gòu)是氧化層中的橋鍵氧被氟原子所取代，從而在原橋鍵氧與硅原子的成鍵處留下了一個電子的空位，亦或，氟原子填補(bǔ)了氧化層中的氧空位，從而使原氧空位缺陷轉(zhuǎn)化為一個受主型的電子陷阱.但究竟具體是何種結(jié)構(gòu)，以及該結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制、俘獲電子的能力、對應(yīng)的能級等皆需進(jìn)一步的研究確定.

另外，表1給出的數(shù)據(jù)還說明，BOX注氮后的退火時間對隨后注氟導(dǎo)致的BOX中正電荷密度的變化有顯著影響.對于D1—D4樣品，D1的BOX在注氮后沒有進(jìn)行高溫退火，但隨后注氟引起的凈正電荷密度下降幅度卻是最大的.一個合理的解釋是，注氮導(dǎo)致BOX內(nèi)產(chǎn)生注入損傷，因沒有進(jìn)行高溫退火處理，這些注入損傷在隨后的注氟過程中仍然存留，從而使注入BOX中的氟更容易、同時也有更多的機(jī)會參與電子陷阱結(jié)構(gòu)的形成.其結(jié)果便是注氮BOX中的正電荷被隨后注氟形成的大量電子陷阱電荷所抵消，顯示出凈正電荷密度的大幅下降.按此，BOX注氮后，在退火溫度一定的情況下，退火時間越短，則注入損傷存留得越多，因而就越有利于隨后注氟形成更多的電子陷阱，其凈正電荷密度的下降也就應(yīng)該越大.但從表1中看到，D2與D3相比，雖然具有更短的注氮后退火時間，然而并沒有表現(xiàn)出更大幅度的凈正電荷密度的下降.如果考慮到BOX中的正電荷數(shù)量可能會因注氟后的退火進(jìn)一步增加，則不難解釋這一看似反常的現(xiàn)象.分析表明，BOX中因注氮導(dǎo)致的正電荷的數(shù)量及分布應(yīng)該與其中的氮分布有關(guān)[11].鑒于注氟后的退火將導(dǎo)致BOX中氮分布的變化，且注氟導(dǎo)致的注入損傷還可能進(jìn)一步加劇這種變化，所以，注氟后的退火必將引起B(yǎng)OX中正電荷數(shù)量的改變.另一方面，氟原子半徑較小，注入的氟的一部分會在BOX中以間隙原子的形式存在.若界面附件富硅區(qū)中的間隙氟原子促使更多的硅-硅應(yīng)變鍵產(chǎn)生，則相應(yīng)的會有更多的硅-硅應(yīng)變?nèi)蹑I在某種誘因下(比如，注入的氮因退火而在其附近進(jìn)一步積累時所產(chǎn)生的應(yīng)力)發(fā)生斷裂，并可能在斷裂的同時釋放出一個電子而顯示正電，形成所謂的帶正電的E′中心[13,14]，從而導(dǎo)致BOX中正電荷數(shù)量的增加.因此，盡管D2-BOX如上分析的那樣可能含有更多的電子陷阱，但如果注氟后的退火導(dǎo)致其正電荷的增量高于D3-BOX，且當(dāng)二者的正電荷增量之差高于二者的電子陷阱電荷之差時，D2就相對D3顯示出了較少的凈正電荷密度的下降.

比較圖3與圖4，D2與D3在注氟前后所對應(yīng)的高頻電容C-V特性曲線的變化支持上述分析.圖3中，在電容C-V曲線迅速下降的區(qū)域范圍內(nèi)，注氟后的電容PBS/D2(N&F)的C-V曲線相對于注氟前的PBS/D2(N)的曲線有較為明顯的橫向“傾斜”.說明注氟及隨后的退火導(dǎo)致D2-BOX與硅襯底的界面處產(chǎn)生了較多的界面陷阱.圖7示意地畫出了當(dāng)柵壓VG變化時因界面陷阱充放電所導(dǎo)致的高頻C-V曲線的“傾斜”形變現(xiàn)象.界面陷阱的增多，說明界面附近結(jié)構(gòu)缺陷的增加及晶格畸變的增強(qiáng)，同時也間接反應(yīng)出D2-BOX內(nèi)部環(huán)境(注入雜質(zhì)濃度分布、內(nèi)應(yīng)力等)發(fā)生了較大的變化.與圖3相對照，圖4中PBS/D3(N&F)的C-V曲線相對于注氟前的PBS/D3(N)的曲線沒有出現(xiàn)可觀察的“傾斜”形變.在電容值迅速下降的區(qū)域范圍內(nèi)，曲線僅是發(fā)生了平移.說明界面陷阱并沒有因注氟及隨后的退火產(chǎn)生明顯的增加.同時也意味著D3-BOX內(nèi)部及界面附近環(huán)境也沒有因注氟及退火產(chǎn)生較大的改變.如此，便從一個側(cè)面對上述有關(guān)注氟退火后D2與D3的電荷密度變化問題的分析提供了實驗上的支持.而由D4得到的其注氟前后所對應(yīng)電容的測量結(jié)果則使上述分析得到了進(jìn)一步的印證.由表1看到，D4是唯一經(jīng)注氟及隨后的退火處理后BOX內(nèi)的凈正電荷密度出現(xiàn)進(jìn)一步上升的樣品材料.與D4相對應(yīng)的圖5顯示，注氟后的電容PBS/D4(N&F)的C-V曲線相對于注氟前的PBS/D4(N)的曲線發(fā)生了更為明顯的“傾斜”形變，意味著更多界面陷阱的形成及界面附近與BOX內(nèi)環(huán)境的更大變化.當(dāng)注氟及隨后的退火致使D4-BOX內(nèi)正電荷的增量超過因注氟引入的電子陷阱電荷量時，便出現(xiàn)了D4-BOX的凈正電荷密度因注氟而增加的現(xiàn)象.與D2及D4形成鮮明對比的是，BOX內(nèi)凈正電荷密度下降較大的D1及D3，其注氟前后對應(yīng)電容的C-V曲線皆沒有出現(xiàn)可觀察的“傾斜”形變，從而也從反面說明了上述分析與判斷的合理性.

圖7 PBS電容界面陷阱導(dǎo)致其高頻C-V特性曲線出現(xiàn)“傾斜”形變的示意圖

6 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，在恰當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，對SIMOX SOI材料的BOX進(jìn)行氮氟復(fù)合注入可有效降低單獨注氮而引起的BOX中較高的正電荷密度，且降低的程度敏感地依賴于BOX注氮后的退火時間.為此，在采用較高注氮劑量對SIMOX SOI材料的BOX進(jìn)行離子注入改性時，可選取合適的工藝條件，通過再次注氟來降低BOX中的正電荷密度.分析認(rèn)為，相對于注氮BOX，氮氟復(fù)合注入BOX中的正電荷密度降低的原因是由于BOX中引入了與氟相關(guān)的電子陷阱.因此，與注氟相聯(lián)合的BOX復(fù)合注入改性方式很可能也為其他種類離子注入時可能存在的BOX正電荷密度的上升問題提供了一個可供選擇的解決方案與途徑.

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