JP4871499B2 - Solid-state imaging device and imaging system using the solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は光電変換装置にかかわるものであって、特に層内レンズ構造を有する装置に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a device having an in-layer lens structure.
近年、光電変換装置の画素数の増加や、イメージサイズの縮小がすすんでいる。このような光電変換装置においては、オンチップレンズを形成し、受光部へ光を集光させる構成が用いられている(特許文献1)。オンチップレンズを設けることによって、入射光を光電変換素子の受光部に集光させることが可能となり、光電変換に寄与する光が増加する。 In recent years, an increase in the number of pixels of a photoelectric conversion device and a reduction in image size have been promoted. In such a photoelectric conversion device, a configuration in which an on-chip lens is formed and light is condensed on a light receiving unit is used (Patent Document 1). By providing the on-chip lens, incident light can be condensed on the light receiving portion of the photoelectric conversion element, and light contributing to photoelectric conversion increases.
しかしながら、更に有効画素領域が大きくなった場合や画素面積の減少に伴い、オンチップレンズを設けた構成においても、受光領域の位置によって光の入射角度が異なり、それが、周辺画素の受光光量の低減につながる場合がある。更に、1つの画素が受光できる光量が光電変換素子の面積の減少に伴い減少し、また、画素周期の縮小に伴って斜め入射光に対する感度の低下が著しくなる。図1は撮像装置の画素領域を示しており、図2は単位画素の断面図を示している。単位画素は、半導体基板内に形成された光電変換素子と、本例ではメタル層(第1の配線層)1、メタル層(第2の配線層)2、最上メタル層(第3の配線層)3、および第1の絶縁層4、平坦化のために設けられた有機材料層5とカラーフィルタ層6、オンチップレンズ7から構成される。ここで、図1中のA点(受光領域の中央部)、B点(受光領域の周辺部)における画素に光が入射する様子を図3A、図3Bに模式的に示す。図3Bでは中心部に比べて光軸が角度をもっているため、オンチップレンズが画素に対して偏心されている。ここでは図中に示される光軸に平行な入射光成分を示しているが実際には光軸に対して角度をもった入射光成分も存在し、入射光の角度分布を考慮した偏心量が決定されている。ここで、図3A、図3Bの比較により、図3Bでは入射光を光電変換素子の受光領域に集光できず、感度が低下する。これは、撮像装置の画素領域において中央部の画素は感度が高く、端部の画素は感度が低い、すなわち周辺光量低下という問題となる。
However, when the effective pixel area is further increased or the pixel area is decreased, the incident angle of light differs depending on the position of the light receiving area even in the configuration in which the on-chip lens is provided. May lead to reduction. Furthermore, the amount of light that can be received by one pixel decreases as the area of the photoelectric conversion element decreases, and the sensitivity to obliquely incident light decreases significantly as the pixel period decreases. FIG. 1 shows a pixel region of the imaging device, and FIG. 2 shows a cross-sectional view of a unit pixel. The unit pixel includes a photoelectric conversion element formed in a semiconductor substrate, and in this example, a metal layer (first wiring layer) 1, a metal layer (second wiring layer) 2, and an uppermost metal layer (third wiring layer). 3), a first
この問題点を改善するために光電変換装置表面に形成する光電変換素子上に層内レンズを形成した光電変換装置が特許文献2,3に開示されている。
In order to improve this problem,
ここで、本明細中において、“層内レンズ”とは、“光電変換装置表面(受光面を有する半導体基板表面)と空気界面の間にあり、層間膜中にあるレンズ構造”と定義する。カラーフィルタに接して設けられていてもよい。 Here, in this specification, the “in-layer lens” is defined as “a lens structure that is between the photoelectric conversion device surface (the surface of the semiconductor substrate having the light receiving surface) and the air interface and is in the interlayer film”. It may be provided in contact with the color filter.
従来の層内レンズを有する光電変換装置の例を特許文献2を引用して図4に示す。401が層内レンズである。図4に示した構造とすることにより、図1中のA点、B点における画素に光が入射する様子は図5A、図5Bのようになる。図5Bと図3Bとの比較において、図5Bでは層内レンズ構造により半導体基板とレンズ間の距離を小さくすることができ、斜め入射光に対する感度落ちを低減させる、すなわち撮像装置の周辺光量落ちを低減することが可能である。
ここで、層内レンズに要求される条件として、次のような項目が挙げられる。層内レンズが集光能力を有するためには、層内レンズの屈折率は層内レンズの直上層の屈折率と異なる必要がある。屈折率1.4〜1.7の有機材料で形成されることが多く、層内レンズの材料としては、これらに対して十分な屈折率差を有するシリコン窒化膜(屈折率2程度)が好適に用いられる。 Here, the following items are listed as conditions required for the in-layer lens. In order for the in-layer lens to have a light collecting ability, the refractive index of the in-layer lens needs to be different from the refractive index of the layer immediately above the in-layer lens. It is often formed of an organic material having a refractive index of 1.4 to 1.7, and a silicon nitride film (with a refractive index of about 2) having a sufficient refractive index difference with respect to these is suitable as the material for the inner lens. Used for.
しかしながら、このように屈折率の大きな材質による層内レンズを形成する場合に、光の多重干渉による影響という問題がある。これは、半導体基板表面の反射光成分が層内レンズ下面において再反射することによって干渉成分となることによって生じるものであり、図6に示すように波長−透過率特性上でうねりをもつ。撮像装置のチップ内で半導体基板表面から層内レンズ下面までの距離が分布を持つことにより波長−透過率特性上のうねりがチップ内で分布を持つこととなる。これは、すなわちイメージセンサの特性としては、チップ内において色にムラが生じる。特に、第1の絶縁層4をCMP(Chemical Mechanical Polishing)で平坦化を行ったときに第1の絶縁層4の厚さがチップ内で分布をもつ場合があり、特に問題が顕著となることがあることを見出した。
However, in the case of forming an inner lens made of a material having a large refractive index as described above, there is a problem of an influence due to multiple interference of light. This occurs because the reflected light component on the surface of the semiconductor substrate is re-reflected on the lower surface of the in-layer lens and becomes an interference component, and as shown in FIG. Since the distance from the surface of the semiconductor substrate to the lower surface of the in-layer lens has a distribution in the chip of the imaging device, the undulation on the wavelength-transmittance characteristic has a distribution in the chip. In other words, as a characteristic of the image sensor, color unevenness occurs in the chip. In particular, when the first
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、光電変換素子を有する半導体基板と、半導体基板の上に配された配線層と、配線層の上に配され、CMPによって平坦化が施された絶縁層と、絶縁層の上に配され、絶縁層よりも高い屈折率を有する絶縁膜と、を有する固体撮像装置において、絶縁層の上面に接し、絶縁膜の下面に接して配された第1の反射防止膜と、半導体基板の上に、半導体基板に接して配された第2の反射防止膜と、を有することを特徴とする。また、本発明は、光電変換素子を有する半導体基板と、半導体基板の上に配された配線層と、配線層の上に配され、CMPによって平坦化が施されたシリコン酸化膜と、シリコン酸化膜の上に配された第1のシリコン窒化膜と、を有する固体撮像装置において、シリコン酸化膜の上面に接して、第1のシリコン窒化膜の下面に接して配されたシリコン酸窒化膜と、半導体基板の表面に接して配されたシリコン酸化膜と、シリコン酸化膜の上面に接して配された第2のシリコン窒化膜と、を有することを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. A semiconductor substrate having a photoelectric conversion element, a wiring layer disposed on the semiconductor substrate, a wiring layer disposed on the wiring layer, and planarized by CMP. In a solid-state imaging device having an applied insulating layer and an insulating film disposed on the insulating layer and having a higher refractive index than the insulating layer, the insulating layer is in contact with the upper surface of the insulating layer and in contact with the lower surface of the insulating film. And a second antireflection film disposed on and in contact with the semiconductor substrate on the semiconductor substrate. The present invention also includes a semiconductor substrate having a photoelectric conversion element, a wiring layer disposed on the semiconductor substrate, a silicon oxide film disposed on the wiring layer and planarized by CMP, and silicon oxide. And a silicon oxynitride film disposed in contact with the upper surface of the silicon oxide film and in contact with the lower surface of the first silicon nitride film, in the solid-state imaging device having the first silicon nitride film disposed on the film. And a silicon oxide film disposed in contact with the surface of the semiconductor substrate and a second silicon nitride film disposed in contact with the upper surface of the silicon oxide film.
本発明によれば、屈折率の大きな材質による層内レンズを形成した場合に顕著となる波長−透過率特性上のうねりを軽減することが可能となり、撮像装置の色ムラ特性を悪化させることなく層内レンズ構造による光学特性の向上を得ることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the waviness on the wavelength-transmittance characteristic that becomes noticeable when an intralayer lens is formed of a material having a large refractive index, and without deteriorating the color unevenness characteristic of the imaging apparatus. It is possible to obtain an improvement in optical characteristics due to the in-layer lens structure.
上述したように層内レンズとは、光電変換装置表面、つまり光電変換装置と空気界面よりも半導体基板側に形成されたレンズ構造と定義する。具体的には、光電変換をなす受光部の直上において層間膜中に形成される集光機能を有する部材である。 As described above, the in-layer lens is defined as a lens structure formed on the surface of the photoelectric conversion device, that is, on the semiconductor substrate side with respect to the photoelectric conversion device and the air interface. Specifically, it is a member having a light condensing function formed in the interlayer film immediately above the light receiving portion that performs photoelectric conversion.
本発明の特徴とする構成は、層内レンズと最上配線層の間に配された絶縁層との界面で起こる反射が小さくなるように、この層内レンズと絶縁層の間に界面における反射を低減させるための反射防止膜を設けるものである。特に、通常用いられる光電変換素子が光電変換可能な入射波長に対して、好適に界面での反射を低減させるために、その膜厚を0.05〜1.0μmとしたものである。以下具体的に実施例をあげて本発明の特徴となる構成を詳細に説明する。なお本発明において、配線、層の位置関係の説明で“上”、“下”とした場合には、下とはその構造体に対して半導体基板側の方向を示し、上とはその構造体に対して半導体基板から離れていく方向を示す。以下実施例において配線層の数は全て3層で説明するが、これに限られるものではなく、センサの形態に応じて、単層や更に配線を増やすことも可能である。 The feature of the present invention is that the reflection at the interface between the inner lens and the insulating layer is reduced so that the reflection occurring at the interface between the inner lens and the insulating layer disposed between the uppermost wiring layer is reduced. An antireflection film for reducing the thickness is provided. In particular, the film thickness is set to 0.05 to 1.0 μm in order to suitably reduce reflection at the interface with respect to an incident wavelength at which a commonly used photoelectric conversion element can perform photoelectric conversion. In the following, the configuration that characterizes the present invention will be described in detail with specific examples. In the present invention, when “upper” and “lower” are used in the description of the positional relationship between wirings and layers, the lower indicates the direction of the semiconductor substrate with respect to the structure, and the upper indicates the structure. Indicates a direction away from the semiconductor substrate. In the following embodiments, the number of wiring layers will be described as all three. However, the number of wiring layers is not limited to this, and it is possible to increase the number of single layers or further wiring according to the form of the sensor.
[実施例1]
本発明の第1の実施例を図7にて説明する。背景技術において説明した、図2の構成と同様の機能を有する場合には、同様の符号を付し説明は省く。本図は単位画素の断面図である。半導体基板上に形成された光電変換素子と、第1の配線層1、第2の配線層2、および最上配線(第3の配線)層とを有し、最上配線層3上に、層間絶縁層としてのシリコン酸化膜4(屈折率1.4〜1.5)、シリコン窒化膜からなる層内レンズ10(屈折率1.9〜2.1)を有し、層内レンズとシリコン酸化膜間に界面での反射を低減させるための反射防止膜9を配している。層内レンズ10の直上にシリコン酸化膜と異なる屈折率を有する平坦化膜として形成される有機材料層5、該有機材料と同一の屈折率を有する有機材料より成るカラーフィルタ6、更に同一の屈折率を有する平坦層7とオンチップレンズ8により構成される光電変換装置である。そして、反射防止層の膜厚が0.05μm〜1.0μmである。ここで反射防止層とは、近接する膜と異なる屈折率を有し、膜と膜の界面で起こる反射を低減させることを目的として用いられるものである。
[Example 1]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2 having the same function as the configuration of FIG. 2 described in the background art, the same reference numerals are given and description thereof is omitted. This figure is a sectional view of a unit pixel. A photoelectric conversion element formed on a semiconductor substrate, a
本実施例においては、発明の基本構成、すなわち層内レンズと、該層内レンズと最上配線層上に設けられた層間絶縁層としてのシリコン酸化膜間に設けられた絶縁層(酸窒化シリコン膜)を有する構成に、更に層内レンズ上にカラーフィルタを形成する際の平坦化膜としての有機材料膜、カラーフィルタ、オンチップレンズを形成する際の平坦化膜、オンチップレンズを含んだ構成となっている。 In this embodiment, the basic structure of the invention, that is, an in-layer lens and an insulating layer (silicon oxynitride film) provided between the in-layer lens and a silicon oxide film as an interlayer insulating layer provided on the uppermost wiring layer ), An organic material film as a planarizing film when forming a color filter on the inner lens, a color filter, a planarizing film when forming an on-chip lens, and an on-chip lens It has become.
ここで、特許文献3においては、シリコン窒化膜より成る層内レンズ構造を形成するとともに、層内レンズの下に応力によるストレスの緩和層として酸窒化シリコン膜が2.5μm〜3.5μmの膜厚で形成される。
Here, in
しかし、半導体基板から層内レンズの距離を小さくすることが光学特性向上の要点となることを考慮するに、層内レンズの下に形成する膜は可能な限り薄いことが望ましい。 However, considering that reducing the distance from the semiconductor substrate to the inner lens is a key point for improving the optical characteristics, it is desirable that the film formed under the inner lens is as thin as possible.
本発明で反射防止層として用いられる酸窒化シリコン膜の膜厚Dの条件は、
2・n・D=λ/2・(2・k−1)
(λ:波長,n:酸窒化シリコン膜の屈折率,k:任意の自然数)
の反射防止条件を満たす膜厚Dである。酸窒化シリコン膜の屈折率が1.6〜1.8程度であり、波長が可視光のおよそ0.4μm〜0.8μmであることを考慮すると、反射防止条件を満たす最低膜厚(上式でk=1に対応)は、およそ0.05μm〜0.1μm程度となる。光学特性、反射防止条件、製造ばらつきを考慮することにより、反射防止層として用いられる酸窒化シリコン膜の膜厚は0.05μm〜1.0μmに設定することが望ましい。
The condition of the film thickness D of the silicon oxynitride film used as the antireflection layer in the present invention is as follows:
2 · n · D = λ / 2 · (2 · k-1)
(Λ: wavelength, n: refractive index of silicon oxynitride film, k: arbitrary natural number)
The film thickness D satisfies the antireflection condition. Considering that the refractive index of the silicon oxynitride film is about 1.6 to 1.8 and the wavelength is about 0.4 μm to 0.8 μm of visible light, the minimum film thickness that satisfies the antireflection condition (the above formula Corresponds to k = 1) is approximately 0.05 μm to 0.1 μm. In consideration of optical characteristics, antireflection conditions, and manufacturing variations, the thickness of the silicon oxynitride film used as the antireflection layer is preferably set to 0.05 μm to 1.0 μm.
本例では反射防止層の膜厚は波長−透過率特性上のうねりが大きく、かつ撮像装置の特性上重要である波長0.7μm付近で反射防止条件を満足する0.1μm、0.3μm、あるいは0.5μm程度とした。この場合の波長−透過率特性を図8に示す。図6と比較して波長−透過率特性上のうねりが軽減されていることが確認される。本例においては波長0.7μm付近での反射防止条件を満足するよう設定されているが、本発明は撮像装置の用途、あるいは半導体基板内の分光感度特性により他の波長での最適化も考えられるものであり、層内レンズと最上配線上の絶縁層との界面における反射を低減するものであればよい。 In this example, the film thickness of the antireflection layer is 0.1 μm, 0.3 μm, which satisfies the antireflection conditions in the vicinity of a wavelength of 0.7 μm, which has a large wave in the wavelength-transmittance characteristics and is important in the characteristics of the imaging device. Or about 0.5 μm. The wavelength-transmittance characteristics in this case are shown in FIG. It is confirmed that the undulation on the wavelength-transmittance characteristic is reduced as compared with FIG. In this example, it is set so as to satisfy the antireflection condition near the wavelength of 0.7 μm. However, the present invention considers optimization at other wavelengths depending on the use of the imaging device or the spectral sensitivity characteristics in the semiconductor substrate. What is necessary is just to reduce the reflection at the interface between the in-layer lens and the insulating layer on the uppermost wiring.
[実施例2]
本発明の第2の実施例を図9にて説明する。本図は単位画素の断面図である。第1の実施例との差異は表面にオンチップレンズが形成されていない本図で示される構造においても本発明は有効である。
[Example 2]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This figure is a sectional view of a unit pixel. The difference from the first embodiment is that the present invention is effective even in the structure shown in this figure in which no on-chip lens is formed on the surface.
[実施例3]
本発明の第3の実施例を図10にて説明する。本図は単位画素の断面図である。第1の実施例と異なる点は、更に、半導体基板表面に第2の反射防止膜が形成されている点である。本例では、半導体基板にシリコンが用いられる。第2の反射防止膜はシリコン基板表面のシリコン酸化物およびシリコン酸化物上に形成されるシリコン窒化物より成る。その膜厚は各々およそ5nm〜100nmの範囲となっている。この第2の反射防止膜により半導体基板表面の反射光成分すなわち干渉成分を低減することができ、さらに波長−透過率特性上のうねりを軽減することが可能となる。ただし、ここで用いられる反射防止膜は、層内レンズ下に用いられる第1の反射防止膜とは異なる層構成となっている。これは、第1の反射防止膜は、入射光及び第1の反射防止膜を透過した後に、第1の反射防止膜よりも下層の界面によって反射された反射光に対しても反射防止の機能を有している必要があり、第2の反射防止膜は、該第2の反射防止膜を透過した後には、半導体基板内の受光部等により、光は吸収されて光電変換されるため、第2の反射防止膜よりも下層(半導体基板)からの反射光を考慮する必要がないためである。すなわち、第一の反射防止膜は図6で示したような波長−透過率特性を改善するために設けられており、第2の反射防止膜はこの必要がないために構造が異なるのである。本発明は他の構成の反射防止膜にも適用されるものである。
[Example 3]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This figure is a sectional view of a unit pixel. The difference from the first embodiment is that a second antireflection film is further formed on the surface of the semiconductor substrate. In this example, silicon is used for the semiconductor substrate. The second antireflection film is made of silicon oxide on the surface of the silicon substrate and silicon nitride formed on the silicon oxide. The film thicknesses are each in the range of approximately 5 nm to 100 nm. The second antireflection film can reduce the reflected light component, that is, the interference component on the surface of the semiconductor substrate, and can further reduce the undulation in the wavelength-transmittance characteristics. However, the antireflection film used here has a layer structure different from that of the first antireflection film used under the inner lens. This is because the first antireflection film functions to prevent the reflection of light reflected by the lower layer interface of the first antireflection film after passing through the incident light and the first antireflection film. After the second antireflection film has passed through the second antireflection film, the light is absorbed and photoelectrically converted by the light receiving portion in the semiconductor substrate, etc. This is because it is not necessary to consider the reflected light from the lower layer (semiconductor substrate) than the second antireflection film. That is, the first antireflection film is provided in order to improve the wavelength-transmittance characteristics as shown in FIG. 6, and the second antireflection film does not need this, so the structure is different. The present invention is also applicable to antireflection films having other configurations.
(デジタルカメラへの応用)
図11は、本発明による固体撮像装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示したものである。撮影レンズ1002の手前にはシャッター1001があり、露出を制御する。絞り1003により必要に応じ光量を制御し、固体撮像装置1004に結像させる。固体撮像装置1004から出力された信号は信号処理回路1005で処理され、A/D変換器1006によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部1007で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ1010に蓄えられたり、外部I/F1013を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置1004、撮像信号処理回路1005、A/D変換器1006、信号処理部1007はタイミング発生部1008により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部1009で制御される。記録媒体1012に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御I/F部1011を通して、記録される。
(Application to digital cameras)
FIG. 11 shows an example of a circuit block when the solid-state imaging device according to the present invention is applied to a camera. A
1 第一の配線層
2 第二の配線層
3 第三の配線層
4 絶縁層
5 第一の平坦化層
6 カラーフィルタ
7 第二の平坦化層
8 オンチップレンズ
9 反射防止膜
10、401 層内レンズ
1001 シャッター
1002 撮影レンズ
1003 絞り
1004 固体撮像装置
1005 信号処理回路
1006 A/D変換器
1007 信号処理部
1008 タイミング発生部
1009 制御部・演算部
1010 メモリ部
1011 インターフェース部
1012 記録媒体
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記半導体基板の上に配された配線層と、
前記配線層の上に配され、CMPによって平坦化が施された絶縁層と、
前記絶縁層の上に配され、前記絶縁層よりも高い屈折率を有する絶縁膜と、を有する固体撮像装置において、
前記絶縁層の上面に接し、前記絶縁膜の下面に接して配された第1の反射防止膜と、
前記半導体基板の上に、前記半導体基板に接して配された第2の反射防止膜と、を有することを特徴とする固体撮像装置。 A semiconductor substrate having a photoelectric conversion element;
A wiring layer disposed on the semiconductor substrate;
An insulating layer disposed on the wiring layer and planarized by CMP ;
In a solid-state imaging device having an insulating film disposed on the insulating layer and having a higher refractive index than the insulating layer ,
A first antireflection film disposed in contact with the upper surface of the insulating layer and in contact with the lower surface of the insulating film ;
A solid-state imaging device , comprising: a second antireflection film disposed on and in contact with the semiconductor substrate .
前記絶縁膜の上に配された平坦化膜と、前記平坦化膜の上に配されたカラーフィルタと、前記カラーフィルタの上に配された平坦化層と、を有する請求項1乃至9のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The insulating film is an upwardly convex inner lens,
The planarizing film disposed on the insulating film , a color filter disposed on the planarizing film, and a planarizing layer disposed on the color filter. The solid-state imaging device according to any one of the above.
前記半導体基板の上に配された配線層と、
前記配線層の上に配され、CMPによって平坦化が施されたシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸化膜の上に配された第1のシリコン窒化膜と、を有する固体撮像装置において、
前記シリコン酸化膜の上面に接して、前記第1のシリコン窒化膜の下面に接して配されたシリコン酸窒化膜と、
前記半導体基板の表面に接して配されたシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸化膜の上面に接して配された第2のシリコン窒化膜と、を有することを特徴とする固体撮像装置。 A semiconductor substrate having a photoelectric conversion element;
A wiring layer disposed on the semiconductor substrate;
A silicon oxide film disposed on the wiring layer and planarized by CMP ;
In a solid-state imaging device having a first silicon nitride film disposed on the silicon oxide film ,
A silicon oxynitride film disposed in contact with an upper surface of the silicon oxide film and in contact with a lower surface of the first silicon nitride film ;
A silicon oxide film disposed in contact with the surface of the semiconductor substrate;
A solid-state imaging apparatus characterized by having, a second silicon nitride film disposed in contact with an upper surface of the silicon oxide film.
前記第1のシリコン窒化膜の上に配された平坦化膜と、前記平坦化膜の上に配されたカラーフィルタと、前記カラーフィルタの上に配された平坦化層と、前記平坦化層の上に配されたオンチップレンズと、を有する請求項13あるいは14のいずれかに記載の固体撮像装置。 The first silicon nitride film is a convex inner lens;
A planarizing film disposed on the first silicon nitride film , a color filter disposed on the planarizing film, a planarizing layer disposed on the color filter, and the planarizing layer The solid-state imaging device according to claim 13 , further comprising an on-chip lens disposed on the top.
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