(57)【要約】【課題】ブルーミング耐性を確保した状態で垂直ＣＣＤの取り扱い電荷量を増大させることで高いダイナミックレンジを得るとともにスミア特性の向上を図る。【解決手段】半導体基板１０に画素領域１１が形成されたもので、画素領域１１は、入射光を光電変換するセンサ領域２１と、センサ領域２１の一方側に読み出し領域２２を介して形成された垂直ＣＣＤ２３と、垂直ＣＣＤ２３を挟んでセンサ領域２１とは反対側に形成されたチャネルストップ領域２５とを備えた固体撮像装置１であって、垂直ＣＣＤ２３上に絶縁膜２６を介して垂直転送電極２７を備え、垂直転送電極２７は垂直ＣＣＤ２３の上方において垂直転送電極２７の幅と垂直ＣＣＤ２３のチャネル領域２４の幅とが略同一幅に形成されているものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に画素領域が形成されたもので、
前記画素領域は、入射光を光電変換するセンサ領域と、前記センサ領域の一方側に読み出し領域を介して形成された垂直電荷転送領域と、前記垂直電荷転送領域を挟んで前記センサ領域とは反対側に形成されたチャネルストップ領域とを備えた固体撮像装置であって、
前記垂直電荷転送領域上に絶縁膜を介して垂直転送電極を備え、前記垂直転送電極は前記垂直電荷転送領域の上方において前記垂直転送電極幅と前記垂直電荷転送領域のチャネル幅とが略同一幅に形成されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記垂直電荷転送領域における駆動振幅値の低電圧側の電圧ＶＬｏｗおよび高電圧側の電圧ＶＨｉｇｈは、ＶＬｏｗが−１０Ｖ以上−５Ｖ以下であり、ＶＨｉｇｈが正電圧である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記光電変換領域上に開口部が形成されているとともに前記垂直電荷転送領域上に層間絶縁膜を介して形成された遮光電極を備え、
前記遮光電極は負電圧が印加されるものからなる
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記センサ領域から前記垂直電荷転送領域への信号電荷の読み出しは、前記垂直転送電極にＶＴなる読み出し電圧を印加し、前記読み出し電圧ＶＴにより垂直電荷転送領域のチャネルのポテンシャルとともに、読み出しチャネル領域のポテンシャルを変調、制御することで、読み出しを可能とする
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
基板に画素領域が形成されたもので、
前記画素領域は、入射光を光電変換するセンサ領域と、前記センサ領域の一方側に読み出し領域を介して形成された垂直電荷転送領域と、前記垂直電荷転送領域を挟んで前記センサ領域とは反対側に形成されたチャネルストップ領域とを備えるとともに、
前記垂直電荷転送領域上に絶縁膜を介して垂直転送電極を備え、前記垂直転送電極は前記垂直電荷転送領域の上方において垂直転送電極幅と垂直電荷転送領域のチャネル幅とが略同一幅に形成されている固体撮像装置の駆動方法であって、
前記固体撮像装置の駆動電圧の振幅領域を正電圧とする
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
前記垂直電荷転送領域の駆動電圧の振幅値における低電圧側の電圧ＶＬｏｗを−１０Ｖ以上−５Ｖ以下とし、高電圧側の電圧ＶＨｉｇｈを正電圧とする
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記光電変換領域上に開口部が形成されているとともに前記垂直電荷転送領域上に層間絶縁膜を介して形成された遮光電極を備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記遮光電極に負電圧を印加する
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記垂直転送電極にＶＴなる読み出し電圧を印加し、前記読み出し電圧ＶＴにより垂直電荷転送領域のチャネルのポテンシャルとともに、読み出しチャネル領域のポテンシャルを変調、制御することで、前記センサ領域から前記垂直電荷転送領域への信号電荷を読み出す
ことを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関し、詳しくは垂直転送電極に印加した電圧で、垂直電荷転送領域（以下垂直ＣＣＤという）のポテンシャルが十分に深くなりかつ垂直ＣＣＤの空乏層がセンサ方向に伸びることによって読み出す方式の固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＣＣＤ型固体撮像装置の主流となっているインターライン型（ＩＴ型）および放送局用などで使われているフレームインターライン型（ＦＩＴ型）の単位画素構造は、基本的には、図３の概略構成断面図および図４の平面レイアウト図（なお、図４は図３と縮尺を対応させていない）に示すように、半導体基板１１１に形成されたＰウエル領域１１２には、光電変換と電荷蓄積を行うセンサ領域１２１が形成されている。このセンサ領域１２１の一方側には垂直ＣＣＤへの電荷転送を行う読み出しゲート領域１２２が形成されていて、またこの読み出しゲート領域１２２を介して、この読み出しゲート領域１２２で読み出された電荷を転送する垂直ＣＣＤ１２３が形成されている。さらに、隣接する画素１１１と隣接する画素（図示せず）との間にはチャネルストップ領域１２５が形成されている。さらに垂直ＣＣＤ１２３（チャネル領域１２４を含む）上と読み出しゲート領域１２２上とチャネルストップ領域１２５上とには、絶縁膜１２６を介して転送電極１２７が形成されている。さらに、センサ領域１２１上に開口部１３０を設けたもので層間絶縁膜１２８を介して転送電極１２７を被覆する遮光電極１２９が形成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
いま、例えば２．５μｍ角の画素のＣＣＤを構成する場合、チャネルストップ領域１２５の幅として０．３５μｍ、読み出しゲート領域１２２の幅として０．３５μｍ、センサ領域１２１の幅として１．０μｍとると垂直ＣＣＤ１２３のチャネル領域１２４幅として０．８μｍといった寸法になる。従来の構造のままでは、ＣＣＤ単位セルの縮小化にともない、感度やセンサ領域１２１の取り扱い電荷量、スミア、垂直ＣＣＤ１２３の取り扱い電荷量などの特性を確保するのが困難になってきている。
【０００４】
これらの問題を解決するために、パンチスルー読み出し構造の固体撮像装置が開示されている（例えば、非特許文献１および特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１５１７９２号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１０−７０２６３号公報（第３−４頁、第１図）
【非特許文献１】
Ｔｏｓｈｉｆｕｍｉ  Ｏｚａｋｉ，  Ｈ．Ｏｎｏ，  Ｈ．Ｔａｎａｋａ，  Ａ．Ｓａｔｏ，  Ｍ．Ｎａｋａｉ，  ａｎｄ  Ｔ．Ｎｉｓｈｉｄａ著、ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ  ＯＮ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．４１，ＮＯ．７、（１９９４）、Ｐ．１１２８−１１３４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
また、面積を増やすことなく垂直ＣＣＤの取り扱い電荷量を増大させるためには、ゲート絶縁膜をより薄く形成することで、もしくはチャネルのドーパントを濃く形成することで、電気的容量を増加させる方法がある。しかしながら、これらの方法では、電荷転送がしにくくなる不利益がある。垂直ＣＣＤの駆動振幅を大きくすることは取り扱い電荷量の増大になるが、従来構造ではＶｈｉｇｈをプラス側駆動させると暗電流が増大するため、Ｖｈｉｇｈ電圧は負電圧としているのが現状である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法である。
【０００８】
本発明の固体撮像装置は、基板に画素領域が形成されたもので、前記画素領域は、入射光を光電変換するセンサ領域と、前記センサ領域の一方側に読み出し領域を介して形成された垂直電荷転送領域と、前記垂直電荷転送領域を挟んで前記センサ領域とは反対側に形成されたチャネルストップ領域とを備えた固体撮像装置であって、前記垂直電荷転送領域上に絶縁膜を介して垂直転送電極を備え、前記垂直転送電極は前記垂直電荷転送領域の上方において前記垂直転送電極幅と前記垂直電荷転送領域のチャネル幅とが略同一幅に形成されているものである。
【０００９】
本発明の固体撮像装置の駆動方法は、基板に画素領域が形成されたもので、前記画素領域は、入射光を光電変換するセンサ領域と、前記センサ領域の一方側に読み出し領域を介して形成された垂直電荷転送領域と、前記垂直電荷転送領域を挟んで前記センサ領域とは反対側に形成されたチャネルストップ領域とを備えるとともに、前記垂直電荷転送領域上に絶縁膜を介して垂直転送電極を備え、前記垂直転送電極は前記垂直電荷転送領域の上方において垂直転送電極幅と垂直電荷転送領域のチャネル幅とが略同一幅に形成されている固体撮像装置の駆動方法であって、前記固体撮像装置の駆動電圧の振幅領域を正電圧とする。
【００１０】
上記固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法では、垂直電荷転送領域上に絶縁膜を介して垂直転送電極を備え、垂直転送電極は垂直電荷転送領域（以下垂直ＣＣＤという）の上方において垂直転送電極幅と垂直ＣＣＤのチャネル幅とが略同一幅に形成されていることから、垂直転送電極はチャネルストップ領域や読み出し領域上にまたがらない。すなわち、チャネルストップ領域を負電圧とした遮光電極により被覆した構造とすることが可能になる。また読み出し領域における読み出し動作は、垂直転送電極に印加した電圧で垂直ＣＣＤのポテンシャルが十分に深くなり、かつ垂直ＣＣＤの空乏層がセンサ領域方向に伸びることによって読み出す方式となる。
【００１１】
さらに、垂直ＣＣＤの取り扱い電荷量は、一つには駆動振幅にほぼ比例する関係にある。すなわち、Ｑ（電荷量）＝Ｃ（容量）×Ｖ（電圧）より、Ｃがほぼ一定であればＱはＶに比例する。このことから、垂直ＣＣＤ駆動電圧のうち高電圧側の電圧Ｖｈｉｇｈ側を、従来の固体撮像装置のように０Ｖ駆動せず、正電圧で駆動させるので、駆動振幅を高めることができる。
【００１２】
ところで、従来の垂直ＣＣＤのＶｈｉｇｈの正電圧駆動化はチャネルストップ領域の酸化シリコンとシリコンとの界面を空乏化させる方向であるため、Ｖｈｉｇｈ＝０ＶやＶｈｉｇｈ＝負電圧駆動に比べ暗電流が増加する。一方、本発明では垂直ＣＣＤの駆動電圧のＶｈｉｇｈ値を正電圧側にしても、負電圧とした遮光電極によりチャネルストップ領域を被覆した構造とすることが可能になるため、チャネルストップ領域を空乏化することが避けられるとともに、負電圧とすることができる遮光電極がチャネルストップ領域にかかる構造であるため、遮光電極を負電圧とすることでチャネルストップ領域を正孔でピニングすることができ、暗電流の発生は従来の固体撮像装置に比べて低くすることができる。
【００１３】
また、垂直転送電極が垂直ＣＣＤのチャネル領域上にあって、読み出し領域方向に突き出た構造になっていないため、Ｖｈｉｇｈを数ボルト程度の正電圧にしても、センサ領域からのブルーミング耐性を保つことができる。Ｖｈｉｇｈの値は、例えば３Ｖ程度以下の正電圧とすることができる。
【００１４】
さらに、一般に、スミア特性は遮光電極の張り出し部分の長さに大きく依存することが知られている。すなわち張り出し量が大きければ垂直ＣＣＤのチャネル領域とセンサ領域の開口部との距離が遠ざかり斜め入射光によるスミア耐性が強化される。本発明の固体撮像装置では、垂直転送電極幅が従来の固体撮像装置の垂直転送電極と比べて狭く形成されているため、遮光電極の張り出し長を左右とも長くとることができ、スミアの低減が実現される。
【００１５】
また、本発明の固体撮像装置では、センサ領域から垂直ＣＣＤへの信号電荷の読み出しを、垂直転送電極に読み出し電圧として正の電圧（例えば１０Ｖ〜１５Ｖ程度）を印加し、垂直ＣＣＤの空乏層を横方向にも拡大し、かつセンサ領域と垂直ＣＣＤ間のシリコン基板中の電位を、垂直ＣＣＤのポテンシャル値とセンサ領域のポテンシャル値の中間になるようにしている。これにより信号電荷の完全転送を行えるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に係る一実施の形態を、図１の概略構成断面図によって説明する。
【００１７】
図１に示すように、半導体基板１０には、複数の画素領域１１が形成されている。この画素領域１１の配置は通常のＩＴ型もしくはＦＩＴ型固体撮像装置と同様である。なお、図面では一つの画素領域を示す。
【００１８】
上記半導体基板（例えばシリコン基板）１０の上部に形成されたＰ型ウエル１２には、光電変換と電荷蓄積を行うセンサ領域２１が形成されている。このセンサ領域２１は、例えば、下層にＮ型不純物領域２１Ｎが形成され、その上層にＰ型不純物領域２１Ｐが形成されてなる。上記センサ領域２１の一方側には垂直ＣＣＤへの電荷転送を行う読み出し領域２２が形成されていて、またこの読み出し領域２２を介して、この読み出しゲート領域２２で読み出された電荷を転送する垂直ＣＣＤ２３が形成されている。この垂直ＣＣＤ２３は、Ｎ型不純物領域とその上層に形成されるチャネル領域２４となるＮ＋型不純物領域とからなる。さらに、隣接する画素１１と画素（図示せず）との間には、Ｐ型のチャネルストップ領域２５が形成されている。さらに垂直ＣＣＤ２３のチャネル領域２４上に絶縁膜２６を介して垂直転送電極２７を備えている。すなわち、上記垂直転送電極２７は、垂直ＣＣＤ２３のチャネル領域２４の上方において垂直転送電極２７の幅と垂直ＣＣＤ２３のチャネル領域２４の幅とが略同一幅に形成されている。したがって、上記垂直転送電極２７は上記読み出し領域２２およびチャネルストップ領域２５上にはオーバラップしないように形成されている。
【００１９】
さらに、垂直転送電極２７等を被覆する層間絶縁膜２８が形成されている。この層間絶縁膜２８上には遮光電極２９が形成され、遮光電極２９のセンサ領域２１上には開口部３０が形成されている。また、上記遮光電極２９には負電圧（例えば、−２Ｖ〜−１０Ｖ）が印加されるようになっている。
【００２０】
上記構成の固体撮像装置１では、垂直ＣＣＤ２３における駆動振幅値の低電圧側の電圧ＶＬｏｗおよび高電圧側の電圧ＶＨｉｇｈは、ＶＬｏｗが−１０Ｖ以上−５Ｖ以下であり、ＶＨｉｇｈが正電圧となっている。この電圧は、例えば３Ｖまでの正電圧とする。
【００２１】
そして、上記固体撮像装置１では、センサ領域２１から垂直ＣＣＤ２３への信号電荷の読み出しは、垂直転送電極２７にＶＴなる読み出し電圧を印加し、この読み出し電圧ＶＴにより垂直ＣＣＤ２３のチャネル領域２４のポテンシャルとともに、読み出し領域２２のポテンシャルを変調、制御することで、読み出すことを可能としている。すなわち、垂直転送電極２７に印加した電圧で垂直ＣＣＤ２３のポテンシャルが十分に深くなり、かつ垂直ＣＣＤ２３の空乏層がセンサ領域２１方向に伸びることによって読み出す方式となっている。
【００２２】
さらに、垂直ＣＣＤ２３の取り扱い電荷量Ｑは、Ｑ＝Ｃ（容量）×Ｖ（電圧）なる関係により、Ｃがほぼ一定であればＱはＶに比例する。すなわち、垂直ＣＣＤ２３の取り扱い電荷量Ｑは垂直ＣＣＤ２３の駆動振幅にほぼ比例する関係にある。このことから、垂直ＣＣＤ２３の駆動電圧のうち、高電圧側の電圧Ｖｈｉｇｈ側を正電圧で駆動させるので、駆動振幅を高めることができる。
【００２３】
ところで、従来の垂直ＣＣＤのＶｈｉｇｈの正電圧駆動化はチャネルストップ領域の酸化シリコンとシリコンとの界面を空乏化させる方向であるため、Ｖｈｉｇｈ＝０ＶやＶｈｉｇｈ＝負電圧駆動に比べ暗電流が増加する。一方、本発明では垂直ＣＣＤ２３の駆動電圧のＶｈｉｇｈ値を正電圧側にしても、負電圧とした遮光電極２９によりチャネルストップ領域２５を被覆した構造としているため、チャネルストップ領域２５を空乏化することが避けられるとともに、負電圧とすることができる遮光電極２９がチャネルストップ領域２５上にかかる構造であるため、遮光電極２９を負電圧とすることでチャネルストップ領域２５を正孔でピニングすることができ、暗電流の発生は従来の固体撮像装置に比べて低くすることができる。
【００２４】
また、垂直転送電極２７が垂直ＣＣＤ２３のチャネル領域２４上にあって、読み出し領域２２方向に突き出た構造になっていないため、Ｖｈｉｇｈを数ボルト程度正電圧としても、センサ領域２１からのブルーミング耐性を保つことができる。Ｖｈｉｇｈの値は、例えば３Ｖ程度以下の正電圧とすることができる。
【００２５】
さらに一般に、スミア特性は、垂直転送電極２７の下部における遮光電極２９の張り出し部分の長さに大きく依存することが知られている。すなわち遮光電極２９の張り出し量が大きければ垂直ＣＣＤ２３のチャネル領域２４とセンサ領域２１の開口部３０との距離が遠ざかり斜め入射光によるスミア耐性が強化される。本発明の固体撮像装置１では、垂直転送電極２７の幅がチャネル領域２４の幅と同等に形成されているため、従来の固体撮像装置の垂直転送電極と比べて狭くなっている。このため、従来、読み出しゲート領域上およびチャネルストップ領域上にオーバラップしていた分だけ、遮光電極２９の張り出し長を読み出し領域２２側およびチャネルストップ領域２５側共に長くとることができ、スミアの低減が実現される。
【００２６】
また、本発明の固体撮像装置１では、センサ領域２１から垂直ＣＣＤ２３への信号電荷の読み出しを、垂直転送電極２７に読み出し電圧として正電圧ＶＴ（例えば１０Ｖ〜１５Ｖ程度）を印加し、垂直ＣＣＤ２３の空乏層を横方向にも拡大し、かつセンサ領域２１と垂直ＣＣＤ２３間の半導体基板１１中の電位を、垂直ＣＣＤ２３のポテンシャル値とセンサ領２１域のポテンシャル値の中間になるようにしている。これにより信号電荷の完全転送を行えるようになる。
【００２７】
次に、一例として、セルサイズが２．５μｍ角のＩＴＣＣＤ型固体撮像装置における垂直ＣＣＤの駆動電圧範囲ついて説明する。ここでは、例えば、センサ領域を構成するフォトダイオードの取り扱い電子数は約１万エレクトロン程度を確保すること、またフォトダイオードからの読み出し電圧は１２Ｖが要求されていることなどを前提とする。このようなセルサイズのＣＣＤではおおよそフォトダイオードが空の場合（空レベル）の静電ポテンシャルは約５Ｖ、満たされた状態（Ｆｕｌｌレベル）になった場合のフォトダイオードの電位は約１Ｖであることも技術的に妥当な前提とする。
【００２８】
図２のポテンシャル（縦軸）と転送電極電圧（横軸）との関係図に示すように、垂直ＣＣＤのポテンシャル曲線Ｐは、垂直ＣＣＤの駆動電圧の低電圧（ＶＬｏｗ）側の値が与えられると図示したように設定される。通常の固体撮像装置では、−７Ｖ程度がＶＬｏｗ値になる。フォトダイオードと垂直ＣＣＤを結ぶ区間（転送領域）の最大電位がフォトダイオードからの読み出し電圧、ブルーミング特性等を決める。垂直ＣＣＤやフォトダイオードの不純物プロファイルと、この転送領域の長さ、幅および不純物濃度を適宜設定することで、この転送領域のポテンシャル曲線として事例１や事例２の特性曲線がシミュレーションより得られる。フォトダイオードの空レベルの静電ポテンシャルを約５Ｖと設定したことから、事例１の特性曲線では読み出し電圧として約８Ｖ、事例２の場合には約１０．５Ｖでフォトダイオードからの読み出しが可能になることがわかる。また事例１、事例２の場合ともＶＨは約５Ｖのとき、フォトダイオードのＦｕｌｌレベルの電位（１Ｖ以下）に等しくなるので、ブルーミングを起こさないＶＨ値として５Ｖ以下の値を選ぶことになる。したがって、垂直ＣＣＤの駆動可能範囲は、この事例では、−７Ｖ以上＋５Ｖ以下となるが、製造上のばらつきがあることを考慮し約２Ｖの余裕度をもたせ、ＶＨ＝３Ｖを選ぶことが好ましい。よって、垂直ＣＣＤの駆動可能範囲は、この事例では、−７Ｖ以上＋３Ｖ以下とすることが好ましい。
【００２９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法によれば、ブルーミング耐性を確保した状態で垂直ＣＣＤの駆動電圧の高電圧ＶＨｉｇｈ側を正電圧に設定することができ、垂直ＣＣＤの駆動振幅であるＶＨｉｇｈ−ＶＬｏｗ値を大きくとれることから、垂直ＣＣＤの取り扱い電荷量を増大させることができる。これにより高いダイナミックレンジのＩＴＣＣＤ固体撮像装置およびＦＩＴＣＣＤ固体撮像装置を得ることができる。
【００３０】
また、垂直転送電極は、垂直ＣＣＤのチャネル領域の上方において垂直転送電極の幅と垂直ＣＣＤのチャネル領域の幅とが略同一幅に形成されているので、既存の固体撮像装置に比べ、遮光電極のうち垂直転送電極上にない部分の領域（いわゆる遮光電極のひさし部分）を広くとれる。このため、遮光電極のひさし部分の長さに大きく依存するスミア特性が高められ、低スミアのＩＴＣＣＤ型固体撮像装置およびＦＩＴＣＣＤ型固体撮像装置を得ることができる。
【００３１】
また、チャネルストップ領域上に垂直転送電極がオーバラップせず、遮光電極によって被覆されているので、遮光電極の電圧を負電圧にすることでチャネルストップ領域から発生しやすい暗電流を効果的に抑制することができる。さらに、センサ領域と垂直ＣＣＤ間の読み出し領域をショートチャネル化できるので、その分、センサ領域を拡大することができ、受光感度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図２】ポテンシャルと転送電極電圧との関係図である。
【図３】従来の固体撮像装置を示す概略構成断面図である。
【図４】従来の固体撮像装置を示す平面レイアウト図である。
【符号の説明】
１…固体撮像装置、１０…半導体基板、１１…画素領域、２１…センサ領域、２２…読み出し領域、２３…垂直ＣＣＤ、２４…チャネル領域、２５…チャネルストップ領域、２６…絶縁膜、２７…垂直転送電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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