JP6447512B2 - 半導体素子、半導体素子の製造方法、および電子機器 - Google Patents

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Description

本開示は、半導体素子、半導体素子の製造方法、および電子機器に関し、特に、クラックの発生とリークとを抑制することができるようにした半導体素子、半導体素子の製造方法、および電子機器に関する。
特許文献1で提案されているTSV(Through Silicon Via)を構造中に持っているCSP(Chip Size Package)を基板に実装し、温度サイクル試験を行うとRDL_CU下層の絶縁膜(SiO,SiNなど)が割れることがあった。これは、SiOやSiNは、周りの他の材料に比べて熱膨張係数(CTE)が1乃至2桁小さく、温度サイクルで大きな応力が発生するためである。
具体的に、各材料のCTEは、Cuが17ppmであり、SiOが0.6ppmであり、SiNが1.0ppmであり、Siが3.2ppmであり、SMが55ppmであり、はんだが31ppmであり、基板が15乃至20ppmである。絶縁膜には、CuとのCTE差(16ppm)に依る応力と、SiとのCTE差(2.6ppm)による応力が同時に発生する。
この対策として、特許文献2に記載されているように、絶縁膜がSiとメタルのCTEの間になるようにする方法が提案されている。
特開2010−161215号公報 特開2008−306134号公報
しかしながら、絶縁膜がSiとメタルのCTEの間になるようにする方法では、TSV底のカバレッジの確保が困難であるため、リーク不良が発生する恐れがあった。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、クラックの発生とリークとを抑制することができるものである。
本技術の一側面の半導体素子は、基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)と、前記TSVの側壁部に形成される、カバレッジがよい膜である側壁膜と、前記TSVのVia部を除くメタル配線の下層に形成される絶縁膜とを有し、前記絶縁膜は、熱膨張率が、前記基板の熱膨張率と前記メタル配線の熱膨張率との間の値をとる膜種である。
前記TSVの側壁部において、前記絶縁膜は、前記側壁膜に積層されている。
前記側壁膜は、プラズマ酸化膜である。
前記絶縁膜は、複数の膜種が積層されている。
前記メタル配線の下の前記基板をスリット状に抜き、前記絶縁膜を埋める。
CSP(Chip Size Package)構造である。
固体撮像素子である。
本技術の一側面の半導体素子の製造方法は、製造装置が、基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)のVia内絶縁膜の全面成膜後にエッチバックでフィールド上と前記TSVの底部との前記Via内絶縁膜を除去することで、前記TSVの側壁部に、カバレッジがよい膜である側壁膜を形成し、少なくともメタル配線と前記側壁膜の間に、熱膨張率が前記基板の熱膨張率と前記メタル配線の熱膨張率との間の値をとる膜種である絶縁膜を形成する。
本技術の一側面の電子機器は、基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)と、前記TSVの側壁部に形成される、カバレッジがよい膜である側壁膜と、前記TSVのVia部を除くメタル配線の下層に形成される絶縁膜とを有し、前記絶縁膜は、熱膨張率が、前記基板の熱膨張率と前記メタル配線の熱膨張率との間の値をとる膜種である固体撮像素子と、入射光を前記固体撮像素子に入射する光学系と、前記固体撮像素子から出力される出力信号を処理する信号処理回路とを備える。
本技術の一側面においては、基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)と、前記TSVの側壁部に、カバレッジがよい膜である側壁膜が形成される。そして、前記TSVのVia部を除くメタル配線の下層に絶縁膜が形成される。前記絶縁膜は、熱膨張率が、前記基板の熱膨張率と前記メタル配線の熱膨張率との間の値をとる膜種である。
本技術によれば、クラックの発生とリークとを抑制することができる。
なお、本明細書に記載された効果は、あくまで例示であり、本技術の効果は、本明細書に記載された効果に限定されるものではなく、付加的な効果があってもよい。
本技術を適用した固体撮像素子の概略構成例を示すブロック図である。 本技術を適用した固体撮像素子の構成例を示す断面図である。 固体撮像素子の製造処理を説明するフローチャートである。 固体撮像素子の製造工程を示す図である。 固体撮像素子の製造工程を示す図である。 固体撮像素子の製造工程を示す図である。 本技術を適用した固体撮像素子の他の構成例を示す断面図である。 本技術を適用した固体撮像素子のさらに他の構成例を示す断面図である。 本技術を適用した電子機器の構成例を示すブロック図である。
以下、本開示を実施するための形態(以下実施の形態とする)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
0.固体撮像素子の概略構成例
1.第1の実施の形態(固体撮像素子の例)
2.第2の実施の形態(電子機器の例)
<0.固体撮像素子の概略構成例>
<固体撮像素子の概略構成例>
図1は、本技術の各実施の形態に適用されるCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)固体撮像素子の一例の概略構成例を示している。
図1に示されるように、固体撮像素子(素子チップ)1は、半導体基板11(例えばシリコン基板)に複数の光電変換素子を含む画素2が規則的に2次元的に配列された画素領域(いわゆる撮像領域)3と、周辺回路部とを有して構成される。
画素2は、光電変換素子(例えばフォトダイオード)と、複数の画素トランジスタ(いわゆるMOSトランジスタ)を有してなる。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、および増幅トランジスタの3つのトランジスタで構成することができ、さらに選択トランジスタを追加して4つのトランジスタで構成することもできる。各画素2(単位画素)の等価回路は一般的なものと同様であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
また、画素2は、共有画素構造とすることもできる。画素共有構造は、複数のフォトダイオード、複数の転送トランジスタ、共有される1つのフローティングディフュージョン、および、共有される1つずつの他の画素トランジスタから構成される。
周辺回路部は、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5、水平駆動回路6、出力回路7、および制御回路8から構成される。
制御回路8は、入力クロックや、動作モード等を指令するデータを受け取り、また、固体撮像装置1の内部情報等のデータを出力する。具体的には、制御回路8は、垂直同期信号、水平同期信号、およびマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5、および水平駆動回路6の動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路8は、これらの信号を垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5、および水平駆動回路6に入力する。
垂直駆動回路4は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線を選択し、選択された画素駆動配線に画素2を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素2を駆動する。具体的には、垂直駆動回路4は、画素領域3の各画素2を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線9を通して各画素2の光電変換素子において受光量に応じて生成した信号電荷に基づいた画素信号をカラム信号処理回路5に供給する。
カラム信号処理回路5は、画素2の例えば列毎に配置されており、1行分の画素2から出力される信号を画素列毎にノイズ除去等の信号処理を行う。具体的には、カラム信号処理回路5は、画素2固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling)や、信号増幅、A/D(Analog/Digital)変換等の信号処理を行う。カラム信号処理回路5の出力段には、水平選択スイッチ(図示せず)が水平信号線10との間に接続されて設けられる。
水平駆動回路6は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路5の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路5の各々から画素信号を水平信号線10に出力させる。
出力回路7は、カラム信号処理回路5の各々から水平信号線10を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。出力回路7は、例えば、バッファリングだけを行う場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理等を行う場合もある。
入出力端子12は、外部と信号のやりとりをするために設けられる。
<1.第1の実施の形態>
<固体撮像素子の断面例>
図2は、本技術の半導体素子を適用した固体撮像素子の構造を示す断面図である。図2の例においては、基板に実装されるTSV(Through Silicon Via)を構造中に持つCSP(Chip Size Package)の一例として、固体撮像素子が示されている。
図2の例の固体撮像素子51においては、支持基板である、Si基板64の上にSiO2層62が形成されており、その上にSi層61が形成されている。SiO2層62には、ALパッド63が埋め込まれており、SiO2層62とSi基板64には、ALパッド63を底部としたTSV52が形成されている。
この例において、TSV52は、例えば、φ70μmで、深さ100μmで形成されている。TSV52内部の側壁部には、Via内絶縁膜65およびVia内絶縁膜66aが積層されている。さらに、図中Si基板64の下面であるフィールド上には、Via内絶縁膜66aから延長して形成されているフィールド上絶縁膜66bが示されている。
そして、TSV52内部を覆うようにメタル配線67が10μmで施されている。メタル配線67上には、はんだボール69が形成され、ソルダーマスク68が形成されている。
ここで、Si基板64のSiの熱膨張係数(CTE)が3.2ppmであり、メタル配線67として用いられるRDL(再配線)_CUのCTEは、17ppmである。
本技術においては、メタル配線67の下は、CTEがメタルとSiの各CTEの間にある膜種の絶縁膜が用いられ、かつ、TSV52側壁部は、その絶縁膜と、Via内絶縁膜65として、カバレッジのよいプラズマ酸化膜:P-SiO(1μm)とが積層された構造とされる。カバレッジとは、フィールドとボトムとの膜厚の比である。なお、カバレッジのよい膜であれば、プラズマ酸化膜以外であってもよい。例えば、P-SiONや、P-SiOであってもよい。
また、CTEがメタルとSiの各CTEの間にある絶縁膜として、図2の例の場合、Via内絶縁膜66aと、それに続くフィールド上絶縁膜66bには、SiOCが、厚さ0.1μmおよび2μmで、それぞれ用いられている。なお、支持基板としては、Siでなくても、CTEが大きいものにも対応可能である。
SiOCは、CTEが11ppmであり、Siとの差が7.8ppmであり、CUとの差が6ppmであり、CTEがメタルとSiの間にある。
以上のように、メタル配線の下は、CTEがメタルとSiの各CTEの間にある絶縁膜となっているため、絶縁膜への応力集中がなくなり、クラックの発生を抑制できる。それに加えて、TSV底部(側壁部)は、絶縁膜と、カバレッジのよいP-SiOとの積層構造となる。これにより、Via底のリークを抑制できるため、CSP構造の半導体の信頼性を向上することができる。
なお、CTEがメタルとSiのCTEの各値の間にある絶縁膜としては、上述したSiOCに限らず、次の膜種を用いることもできる。
SiCは、CTEが4.4ppmであり、Siとの差が1.2ppmであり、CUとの差が12.6ppmである。SiCNは、CTEが11ppmであり、Siとの差が7.8ppmであり、CUとの差が6ppmである。Al2O3は、CTEが7.2ppmであり、Siとの差が4ppmであり、CUとの差が9.8ppmである。ZrO2は、CTEが10.5ppmであり、Siとの差が7.3ppmであり、CUとの差が6.5ppmである。
これらの膜種を少なくとも1つ以上積層してもよい。これらの中でも、間であるCTEの値は、両者のほぼ中間の値が最も好ましい。なお、図8を参照して後述するが、複数積層する場合、SiとのCTEの差が少ない方をSi側に積層するように、CUとのCTEの差が少ない方をCU側に積層するようにすることが好ましい。
<固体撮像素子の製造処理>
次に、図3のフローチャート、並びに図4乃至図6の工程図を参照し、本技術の固体撮像素子の製造処理について説明する。
なお、この処理は、固体撮像素子51を製造する製造装置により行われる処理である。
まず、ステップS51において、製造装置は、例えば、図4のAに示されるように、Si基板64に、ALパッド63が埋め込まれたSiO2層62を形成し、Si層61を形成する。
ステップS52において、製造装置は、図4のBに示されるように、ALパッド63を底部としたTSV52のレジストをパターニングし、Si基板64とSiO2層62とをエッチングしてALパッド63を露出させる。
ステップS53において、製造装置は、図4のCに示されるように、Via内絶縁膜(例えば、P−SiO)65を全面に成膜する。
ステップS54において、製造装置は、図5のAに示されるように、Via内絶縁膜65をエッチバックする。このとき、図中Si基板64の下面であるフィールド上とTSV52底部のVia内絶縁膜65が除去される。TSV52側壁部は、1μm残される。
ステップS55において、製造装置は、図5のBに示されるように、Via内絶縁膜(例えば、SiOC)66aおよびフィールド上絶縁膜(例えば、SiOC)66bを成膜してエッチバックする。このとき、図中Si基板64の下面であるフィールド上のフィールド上絶縁膜66bは、2μm残るが、TSV52底部のVia内絶縁膜66aが除去される。TSV52側壁部のVia内絶縁膜66aは、0.1μm残される。
ステップS56において、製造装置は、Ti/Cuシードメタルの形成、RDLパターンのレジストのパターニング、Cuめっき(10μm)によるメタル配線67の形成、レジストの除去、シードメタルのWetエッチングなどを行う。これにより、図6のAに示されるように、Cuのメタル配線67が形成される。
ステップS57において、製造装置は、図6のBに示されるように、ソルダーマスク68の形成、露光、現像(ランド開口)、はんだボール69の形成などを行う。
以上のようにして、図2を参照して上述した固体撮像素子51が形成される。
<固体撮像素子の他の断面例>
図7は、本技術の半導体素子を適用した固体撮像素子の他の構造を示す断面図である。
図7の固体撮像素子101においては、Si層61、SiO2層62、ALパッド63、Si基板64、Via内絶縁膜(例えば、P−SiO)65、メタル配線67、ソルダーマスク68、並びに、はんだボール69が形成されている点は、図4の固体撮像素子51と共通している。
固体撮像素子101は、Via内絶縁膜(例えば、SiOC)66aおよびフィールド上絶縁膜(例えば、SiOC)66bが、Via内絶縁膜(例えば、SiOC)111aおよびフィールド上絶縁膜(例えば、SiOC)111bに入れ替わった点が、図4の固体撮像素子51と異なっている。
すなわち、図7の固体撮像素子101においては、メタル配線67の下層のSi基板64がドライエッチングなどにより、例えば、スリット幅10μm、深さ10μmのスリット状に抜かれ、絶縁膜(例えば、SiOC)111bが埋められている。
なお、スリットの形状は、上述した例に限定されない。
以上のようにメタル配線67の下層のSi層をスリット状に抜き、絶縁膜で埋めることで、図4の例の場合よりもさらにSi基板64からの応力を緩和することができる。
<固体撮像素子の他の断面例>
図8は、本技術を適用した固体撮像素子の他の構造を示す断面図である。
図8の固体撮像素子151においては、Si層61、SiO2層62、ALパッド63、Si基板64、メタル配線67、ソルダーマスク68、並びに、はんだボール69が形成されている点は、図4の固体撮像素子51と共通している。
固体撮像素子151は、Via内絶縁膜(例えば、SiOC)66aおよびフィールド上絶縁膜(例えば、SiOC)66bが、Via内絶縁膜161aおよびフィールド上絶縁膜161bに入れ替わった点が、図4の固体撮像素子51と異なっている。
すなわち、図8の固体撮像素子151においては、フィールド上絶縁膜161bが、Si基板64に接する膜であるSiC 2.5μmと、メタル配線67に接する膜であるSiCN 2.5μmとで構成されている点が、図4の固体撮像素子101と異なっている。
このように、絶縁膜を複数の膜種で構成するようにしてもよい。なお、Via内絶縁膜161aも、フィールド上絶縁膜161bと同じ積層構成にしてもよいし、しなくてもよい。
以上のように、メタル配線の下は、CTEがメタルとSiの各CTEの間にある絶縁膜となっているため、絶縁膜への応力集中がなくなり、クラックの発生を抑制でき、かつ、TSV底部(側壁部)には、カバレッジのよいP-SiOとの積層構造となる。これにより、Via底のリークを抑制できるため、CSP構造の半導体の信頼性を向上することができる。
なお、上記説明においては、固体撮像素子のTSVを例に説明してきたが、本技術は、バンプであればなんにでも適用することができる。
また、本技術は、裏面照射型の固体撮像素子および表面照射型の固体撮像素子に適用することができる。本技術は、積層型の固体撮像素子にも適用することができる。本技術を、CMOS固体撮像素子に適用した構成について説明してきたが、CCD(Charge Coupled Device)固体撮像素子といった固体撮像素子に適用するようにしてもよい。
なお、本技術は、固体撮像素子への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機等の撮像機能を有する電子機器のことをいう。なお、電子機器に搭載されるモジュールの形態、すなわちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。さらに、本技術は、固体撮像素子に限らず、半導体素子にも適用することができる。
<2.第2の実施の形態>
<電子機器の構成例>
ここで、図9を参照して、本技術の第2の実施の形態の電子機器の構成例について説明する。
図9に示される電子機器300は、固体撮像素子(素子チップ)301、光学レンズ302、シャッタ装置303、駆動回路304、および信号処理回路305を備えている。固体撮像素子301としては、上述した本技術の第1の実施の形態の固体撮像素子51が設けられる。したがって、クラックの発生を抑制でき、かつ、Via底のリークを抑制できる。
光学レンズ302は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像素子301の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像素子301内に一定期間信号電荷が蓄積される。シャッタ装置303は、固体撮像素子301に対する光照射期間および遮光期間を制御する。
駆動回路304は、固体撮像素子301の信号転送動作およびシャッタ装置303のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路304から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像素子301は信号転送を行う。信号処理回路305は、固体撮像素子301から出力された信号に対して各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶されたり、モニタに出力される。
なお、本明細書において、上述した一連の処理を記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。
また、本開示における実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
また、上述のフローチャートで説明した各ステップは、1つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。
さらに、1つのステップに複数の処理が含まれる場合には、その1つのステップに含まれる複数の処理は、1つの装置で実行する他、複数の装置で分担して実行することができる。
また、以上において、1つの装置(または処理部)として説明した構成を分割し、複数の装置(または処理部)として構成するようにしてもよい。逆に、以上において複数の装置(または処理部)として説明した構成をまとめて1つの装置(または処理部)として構成されるようにしてもよい。また、各装置(または各処理部)の構成に上述した以外の構成を付加するようにしてももちろんよい。さらに、システム全体としての構成や動作が実質的に同じであれば、ある装置(または処理部)の構成の一部を他の装置(または他の処理部)の構成に含めるようにしてもよい。つまり、本技術は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、開示はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有するのであれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例また修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1) 基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)と、
前記TSVの側壁部に形成される、カバレッジがよい膜である側壁膜と、
前記TSVのvia部を除くメタル配線の下層に形成される絶縁膜と
を有し、
前記絶縁膜は、熱膨張率が、前記基板の熱膨張率と前記メタル配線の熱膨張率との間の値をとる膜種である
半導体素子。
(2) 前記TSVの側壁部において、前記絶縁膜は、前記側壁膜に積層されている
前記(1)に記載の半導体素子。
(3) 前記側壁膜は、プラズマ酸化膜である
前記(1)または(2)に記載の半導体素子。
(4) 前記側壁膜は、全面成膜後にエッチバックでフィールド上を完全に除去されている
前記(1)乃至(3)のいずれかに記載の半導体素子。
(5) 前記絶縁膜は、複数の膜種が積層されている
前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の半導体素子。
(6) 前記メタル配線の下の前記基板をスリット状に抜き、前記絶縁膜を埋める
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の半導体素子。
(7) CSP(Chip Size Package)構造である
前記(1)乃至(6)のいずれかに記載の半導体素子。
(8) 固体撮像素子である
前記(1)乃至(7)のいずれかに記載の半導体素子。
(9) 製造装置が、
基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)の側壁部に、カバレッジがよい膜である側壁膜を形成し、
前記TSVのvia部を除くメタル配線の下層に絶縁膜を形成する
半導体素子の製造方法。
(10) 基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)と、
前記TSVの側壁部に形成される、カバレッジがよい膜である側壁膜と、
前記TSVのvia部を除くメタル配線の下層に形成される絶縁膜と
を有し、
前記絶縁膜は、熱膨張率が、前記基板の熱膨張率と前記メタル配線の熱膨張率との間の値をとる膜種である固体撮像素子と、
入射光を前記固体撮像素子に入射する光学系と、
前記固体撮像素子から出力される出力信号を処理する信号処理回路と
を備える電子機器。
1 固体撮像素子, 51 固体撮像素子, 52 TSV, 61 Si層, 62 配線層, 63 ALパッド, 64 Si基板, 65 Via内絶縁膜, 66a Via内絶縁膜, 66b フィールド上絶縁膜, 67 メタル配線, 68 ソルダーマスク, 69 はんだボール, 111a Via内絶縁膜, 111b フィールド上絶縁膜, 161a Via内絶縁膜, 161b フィールド上絶縁膜, 300 電子機器, 301 固体撮像素子, 302 光学レンズ, 303 信号処理回路

Claims (9)

  1. 基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)と、
    前記TSVの側壁部に形成される、カバレッジがよい膜である側壁膜と、
    前記TSVのVia部を除くメタル配線の下層に形成される絶縁膜と
    を有し、
    前記絶縁膜は、熱膨張率が、前記基板の熱膨張率と前記メタル配線の熱膨張率との間の値をとる膜種である
    半導体素子。
  2. 前記TSVの側壁部において、前記絶縁膜は、前記側壁膜に積層されている
    請求項1に記載の半導体素子。
  3. 前記側壁膜は、プラズマ酸化膜である
    請求項1に記載の半導体素子。
  4. 前記絶縁膜は、複数の膜種が積層されている
    請求項1に記載の半導体素子。
  5. 前記メタル配線の下の前記基板をスリット状に抜き、前記絶縁膜を埋める
    請求項1に記載の半導体素子。
  6. CSP(Chip Size Package)構造である
    請求項1に記載の半導体素子。
  7. 固体撮像素子である
    請求項1に記載の半導体素子。
  8. 製造装置が、
    基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)のVia内絶縁膜の全面成膜後にエッチバックでフィールド上と前記TSVの底部との前記Via内絶縁膜を除去することで、前記TSVの側壁部に、カバレッジがよい膜である側壁膜を形成し、
    少なくともメタル配線と前記側壁膜の間に、熱膨張率が前記基板の熱膨張率と前記メタル配線の熱膨張率との間の値をとる膜種である絶縁膜を形成する
    半導体素子の製造方法。
  9. 基板に形成されたTSV(Through Silicon Via)と、
    前記TSVの側壁部に形成される、カバレッジがよい膜である側壁膜と、
    前記TSVのVia部を除くメタル配線の下層に形成される絶縁膜と
    を有し、
    前記絶縁膜は、熱膨張率が、前記基板の熱膨張率と前記メタル配線の熱膨張率との間の値をとる膜種である固体撮像素子と、
    入射光を前記固体撮像素子に入射する光学系と、
    前記固体撮像素子から出力される出力信号を処理する信号処理回路と
    を備える電子機器。
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