KR100790966B1 - CMOS image sensor having uniform photosensitivity per color filter - Google Patents
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Abstract
R,G,B 컬러 필터별 균일한 광감도를 확보할 수 있는 CMOS 이미지 소자를 개시한다. 개시된 본 발명의 CMOS 이미지 센서는, 포토 다이오드 및 트랜지스터들로 구성된 다수의 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판을 포함한다. 상기 반도체 기판상에 단위 픽셀의 포토 다이오드와 각각 대응되도록 이너 렌즈가 형성되고, 상기 포토 다이오드 및 이너 렌즈와 각각 대응되도록 반도체 기판 상부에 일정 규칙을 가지고 R,G,B 컬러 필터가 배열된다. 이때, 상기 이너 렌즈는 R,G,B 필터 순으로 개구율 및 곡률이 크게 형성된다.A CMOS image device capable of securing uniform light sensitivity for each of R, G, and B color filters is disclosed. The disclosed CMOS image sensor includes a semiconductor substrate comprising a plurality of unit pixels composed of photodiodes and transistors. Inner lenses are formed on the semiconductor substrate so as to correspond to the photodiodes of the unit pixels, respectively, and R, G, and B color filters are arranged on the semiconductor substrate so as to correspond to the photodiodes and the inner lenses, respectively. In this case, the inner lens has a large aperture ratio and curvature in order of R, G, and B filters.
광감도, 이너 렌즈, 컬러 필터 Light sensitivity, inner lens, color filter
Description
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀을 개략적으로 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram schematically illustrating a unit pixel of a general CMOS image sensor.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이너 렌즈를 한정하는 몰딩부와 제 1 금속 배선을 일체로 형성하는 CMOS 이미지 센서의 평면도이고, 2 is a plan view of a CMOS image sensor which integrally forms a molding part and a first metal wire defining an inner lens according to an embodiment of the present invention;
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of the CMOS image sensor taken along the line III-III ′ of FIG. 2.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이너 렌즈를 한정하는 몰딩부와 제 1 금속 배선을 별개로 형성하는 CMOS 이미지 센서의 평면도이고, 4 is a plan view of a CMOS image sensor for separately forming a molding part and a first metal wire defining an inner lens according to another exemplary embodiment of the present invention;
도 5는 도4의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 절단하여 나타낸 CMOS 이미지 센서의 단면도이다. FIG. 5 is a cross-sectional view of the CMOS image sensor taken along the line VV ′ of FIG. 4.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 경사진 측벽을 갖는 몰딩부를 보여주는 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.6 through 8 are cross-sectional views of a CMOS image sensor showing a molding having inclined sidewalls according to another embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 랜딩 패드를 갖는 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.9 is a cross-sectional view of a CMOS image sensor with a landing pad according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 반도체 기판 115 : 트랜스퍼 게이트 전극
120 : 포토 다이오드 125 : 플로팅 확산 영역
140,166 : 제 1 금속 배선 145 : 유동성 산화막100
120: photodiode 125: floating diffusion region
140166: first metal wiring 145: flowable oxide film
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142a,142b,142c : 몰딩부 150R,150G,150B : 이너 렌즈142a, 142b, 142c:
본 발명은 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 컬러 필터별 균일한 광감도를 갖는 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다. The present invention relates to a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor, and more particularly, to a CMOS image sensor having a uniform light sensitivity for each color filter.
CMOS 이미지 센서는 CCD(charge coupled device)에 비해 제조가 용이하고 낮은 가격으로 생산이 가능하므로, 고체 촬상 분야에서 지배적으로 이용되고 있다. 또한, CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀은 MOS 트랜지스터들로 구성됨에 따라 CCD에 비해 보다 좁은 면적에 구현되어, 높은 해상도를 제공할 수 있다. 더욱이, 신호 처리 로직(signal processing logic)을 픽셀들이 형성되어 있는 이미지 회로에 형성시킬 수 있으므로, 이미지 회로와 신호 처리 회로를 하나로 집적시킬 수 있다는 장점을 갖는다.CMOS image sensors are dominant in the field of solid-state imaging because they are easier to manufacture and can be produced at lower cost than charge coupled devices (CCDs). In addition, since the unit pixel of the CMOS image sensor is composed of MOS transistors, the unit pixel of the CMOS image sensor may be implemented in a smaller area than the CCD, thereby providing a high resolution. Furthermore, signal processing logic can be formed in the image circuit in which the pixels are formed, which has the advantage that the image circuit and the signal processing circuit can be integrated into one.
이와 같은 CMOS 이미지 센서들은 높은 해상도를 실현하기 위하여 다수의 단위 픽셀들로 구성된다. 상기 각 단위 픽셀은 도 1에 도시된 바와 같이 빛을 센싱하는 포토 다이오드(15), 포토 다이오드(15)에 의해 생성된 전하를 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor:Tx), 상기 전달된 전하를 저장하는 플로팅 확 산 영역(FD:floating diffusion region)을 주기적으로 리셋(reset)시키는 리셋 트랜지스터(Rx) 및 플로팅 확산 영역(FD)에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링(buffering)하는 소스 팔로워(SF:source follower)를 포함한다. Such CMOS image sensors are composed of a plurality of unit pixels in order to realize high resolution. As shown in FIG. 1, each unit pixel stores a
한편, CMOS 이미지 센서는 컬러 이미지를 실현할 수 있도록 컬러 필터를 포함한다. 컬러 필터는 R(red), G(green) 및 B(blue) 단위 필터로 구성되며, 각각의 단위 필터는 단위 픽셀 특히, 단위 픽셀의 포토 다이오드와 대응되도록 배치된다.On the other hand, the CMOS image sensor includes a color filter to realize a color image. The color filter is composed of R (red), G (green), and B (blue) unit filters, and each unit filter is disposed to correspond to a unit diode, in particular, a photo diode of the unit pixel.
상기 R,G,B 필터는 특정 파장의 빛만을 흡수하는 특성을 가진다. 즉, R 필터는 약 660 내지 700nm의 장파장의 광을 흡수하고, G 필터는 510 내지 590nm의 중간 파장의 광을 흡수하고, B 필터는 R 및 G 필터보다 작은 490 내지 510nm의 단 파장의 광을 흡수한다. 이에 따라, 상기 R 필터가 형성되는 단위 픽셀(이하, R 필터 영역)은 상기 R 필터가 장파장의 광을 흡수함에 따라, 기판(포토 다이오드 영역) 깊숙이에서 전자 홀 재결합이 일어난다. 이에따라, 유실되는 전자 홀이 없으므로 광감도가 우수하다. The R, G, B filter has a characteristic of absorbing only light of a specific wavelength. That is, the R filter absorbs light having a long wavelength of about 660 to 700 nm, the G filter absorbs light having a medium wavelength of 510 to 590 nm, and the B filter has light of short wavelength of 490 to 510 nm smaller than that of the R and G filters. Absorb. Accordingly, in the unit pixel (hereinafter, R filter region) in which the R filter is formed, electron hole recombination occurs deeply in the substrate (photo diode region) as the R filter absorbs light having a long wavelength. Accordingly, the light sensitivity is excellent because there is no missing electron hole.
그런데, 상대적으로 단파장의 광을 흡수하는 상기 B 필터는 전자와 홀의 재결합이 포토 다이오드의 표면, 즉, p형 포토 다이오드 영역에서 일어나기 때문에 광감도가 매우 낮다. 즉, 포토 다이오드에서 기판 표면에 형성되는 p형의 포토 다이오드 영역은 알려진 바와 같이 광을 센싱하는 영역이라기보다는 CMOS 이미지 센서의 다크 소스(dark source)를 제거하기 위하여 제공되는 영역으로, 이부분에서는 n형의 포토 다이오드 영역에서 보다 전자-홀 재결합이 낮게 발생된다. 그러므로, 광감도가 상대적으로 낮다. However, the B filter, which absorbs light having a relatively short wavelength, has very low light sensitivity because recombination of electrons and holes occurs on the surface of the photodiode, that is, the p-type photodiode region. In other words, the p-type photodiode region formed on the surface of the substrate in the photodiode is provided to remove the dark source of the CMOS image sensor rather than the light sensing region as is known, in this case n Lower electron-hole recombination occurs in the photodiode region. Therefore, the light sensitivity is relatively low.
이에 따라, 단위 픽셀을 동일한 조건을 형성한다고 하더라도, 상기 필터의 광 흡수율(전자-홀 재결합율)의 차이 때문에, R 필터가 위치하는 단위 픽셀의 광감도와 B 필터가 위치하는 단위 픽셀의 광 감도의 차이가 발생된다. 이로 인해, CMOS 이미지 센서의 광감도 균일하지 못하게 되는 문제점이 있다.Accordingly, even if the unit pixels form the same condition, due to the difference in the light absorption rate (electron-hole recombination rate) of the filter, the light sensitivity of the unit pixel where the R filter is located and the light sensitivity of the unit pixel where the B filter are located Difference occurs. For this reason, there is a problem that the photosensitivity of the CMOS image sensor is also not uniform.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 R,G,B 필터별 균일한 광감도를 확보할 수 있는 CMOS 이미지 소자를 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a CMOS image device capable of securing uniform light sensitivity for each of R, G, and B filters.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 B 필터의 광감도를 개선시켜, 균일한 광감도를 갖는 CMOS 이미지 소자를 제공하는 것이다.In addition, the technical problem to be achieved by the present invention is to improve the light sensitivity of the B filter, to provide a CMOS image element having a uniform light sensitivity.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 CMOS 이미지 센서는, 포토 다이오드 및 트랜지스터들로 구성된 다수의 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판을 포함한다. 상기 반도체 기판상에 단위 픽셀의 포토 다이오드와 각각 대응되도록 이너 렌즈가 형성되고, 상기 포토 다이오드 및 이너 렌즈와 각각 대응되도록 반도체 기판 상부에 일정 규칙을 가지고 R,G,B 컬러 필터가 배열된다. 이때, 상기 이너 렌즈는 상기 컬러 필터별로 상이한 개구율 및 곡률을 갖는다.In order to achieve the above object of the present invention, the CMOS image sensor of the present invention includes a semiconductor substrate including a plurality of unit pixels composed of photodiodes and transistors. Inner lenses are formed on the semiconductor substrate so as to correspond to the photodiodes of the unit pixels, respectively, and R, G, and B color filters are arranged on the semiconductor substrate so as to correspond to the photodiodes and the inner lenses, respectively. In this case, the inner lens has a different aperture ratio and curvature for each color filter.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는, 포토 다이오드 및 트랜지스터들로 구성된 다수의 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판을 포함한다. 상기 반도체 기판상에 층간 절연막이 형성되고, 상기 층간 절연막 상부에 상기 단위 픽셀마다 포토 다이오드를 둘러싸도록 형성되는 몰딩부 및 상기 트랜지스터에 전기적 신호를 공급하는 패턴으로 구성되는 금속 배선이 형성된다. 상기 층간 절연막 상부에, 상기 포토 다이오드와 대응되는 영역에 형성되는 함몰부를 갖는 유동성 산 화막이 형성되고, 상기 함몰부에 이너 렌즈가 형성되고, 상기 이너 렌즈가 형성된 반도체 기판 상부에 상기 포토 다이오드 및 상기 이너 렌즈와 대응되면서 일정한 규칙을 가지고 배열되는 R,G,B 컬러 필터가 형성된다. 상기 이너 렌즈는 R,G,B 필터 순으로 그 개구율 및 곡률이 커지도록 형성된다.In addition, the CMOS image sensor according to another embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate including a plurality of unit pixels composed of photodiodes and transistors. An interlayer insulating film is formed on the semiconductor substrate, and a metal part including a molding part formed to surround a photo diode for each unit pixel and a pattern for supplying an electrical signal to the transistor is formed on the interlayer insulating film. A flowable oxide film having a depression formed in a region corresponding to the photodiode is formed on the interlayer insulating film, an inner lens is formed on the depression, and the photodiode and the upper portion of the semiconductor substrate on which the inner lens is formed. Corresponding to the inner lens, an R, G, B color filter is formed which is arranged with a certain rule. The inner lens is formed such that the opening ratio and curvature of the R, G, and B filters are increased.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는, 포토 다이오드 및 트랜지스터들로 구성된 다수의 단위 픽셀을 포함하는 반도체 기판을 포함한다. 상기 반도체 기판상에 제 1 층간 절연막이 형성되고, 상기 제 1 층간 절연막 상부에 상기 단위 픽셀마다 포토 다이오드를 둘러싸도록 형성되는 몰딩부가 형성된다. 상기 제 1 층간 절연막 상부에 상기 몰딩부에 의해 한정되는 함몰부를 갖는 유동성 산화막이 형성되고, 상기 함볼부내에 이너 렌즈가 형성된다. 상기 이너 렌즈를 포함하는 반도체 기판 상부에 제 2 층간 절연막이 형성되고, 상기 트랜지스터와 전기적으로 연결되도록 제 2 층간 절연막 상부에 금속 배선이 형성된다. 상기 금속 배선이 형성된 반도체 기판 상부에 형성되고 상기 포토 다이오드 및 상기 이너 렌즈와 대응되면서 일정한 규칙을 가지고 R,G,B 컬러 필터가 배열된다. 상기 이너 렌즈는 R,G,B 필터 순으로 그 개구율 및 곡률이 커지도록 형성된다.In addition, the CMOS image sensor according to another embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate including a plurality of unit pixels composed of photodiodes and transistors. A first interlayer insulating film is formed on the semiconductor substrate, and a molding part is formed on the first interlayer insulating film to surround the photodiode for each unit pixel. A fluid oxide film having a depression defined by the molding portion is formed on the first interlayer insulating film, and an inner lens is formed in the depression. A second interlayer insulating film is formed on the semiconductor substrate including the inner lens, and a metal wiring is formed on the second interlayer insulating film so as to be electrically connected to the transistor. R, G, and B color filters are arranged on the semiconductor substrate on which the metal wiring is formed and correspond to the photodiode and the inner lens and have a predetermined rule. The inner lens is formed such that the opening ratio and curvature of the R, G, and B filters are increased.
상기 몰딩부는 상기 몰딩부에 의해 노출되는 포토 다이오드 영역의 면적이 상기 R,G,B 필터 순으로 점점 커지도록 설계된다. 상기 몰딩부는 녹는점이 1000℃ 이상인 광차단 물질, 예컨대, 텅스텐막, 티타늄막, 티타늄 질화막 및 티타늄막과 티타늄 질화막의 적층막 중 선택되는 하나의 막이 이용될 수 있다.The molding part is designed such that the area of the photodiode region exposed by the molding part is gradually increased in the order of the R, G, and B filters. The molding part may be a light blocking material having a melting point of 1000 ° C. or more, for example, one selected from a tungsten film, a titanium film, a titanium nitride film, and a laminate film of a titanium film and a titanium nitride film.
또한, 몰딩부는 경사진 측벽을 갖을 수 있다. 상기 몰딩부는 그 단면이 사다 리꼴 형태를 갖을 수 있고, 또는 선폭이 상이한 두 패턴으로 구성되어 계단형 경사를 갖을 수 있다. 또한, 몰딩부는 그 측벽에 스페이서를 형성하여 경사진 측벽을 구현할 수 있다.In addition, the molding part may have an inclined sidewall. The molding part may have a trapezoidal shape in cross section thereof, or may have a staircase slope formed by two patterns having different line widths. In addition, the molding part may form a spacer on the sidewall to implement the inclined sidewall.
상기 유동성 산화막은 리플로우된 산화막일 수 있다.The flowable oxide film may be a reflowed oxide film.
상기 금속 배선은 상기 트랜지스터와 전기적으로 콘택되며 상기 제 1 층간 절연막 내부에 형성되는 제 1 스터드, 상기 제 1 스터드 상부에 형성되는 랜딩 패드, 상기 랜딩 패드와 콘택되도록 상기 제 2 층간 절연막내에 형성되는 제 2 스터드, 및 상기 제 2 층간 절연막 상부에 상기 제 2 스터드와 콘택되도록 형성되는 금속 배선 패턴을 포함할 수 있다.The metal wire is in electrical contact with the transistor and is formed in the first interlayer insulating film, a landing pad formed on the first stud, and a second interlayer insulating film formed in contact with the landing pad. The second stud may include a metal wiring pattern formed on the second interlayer insulating layer to contact the second stud.
상기 금속 배선과 상기 R,G,B 컬러 필터 사이에 신호를 전달하는 적어도 한층의 금속 배선을 더 포함하며, 상기 금속 배선들은 상기 포토 다이오드 주변에 배치될 수 있다.At least one metal wiring for transmitting a signal between the metal wiring and the R, G, and B color filters may be further included, and the metal wirings may be disposed around the photodiode.
본 발명에 의하면, 이너 렌즈의 개구율 및 곡률을 R,G,B 컬러 필터순 크게 형성하므로써, B 필터 영역의 광감도를 상대적으로 개선할 수 있다. 반면, R 필터 영역에 형성되는 이너 렌즈는 B 필터 영역에 형성되는 이너 렌즈보다 작은 개구율 및 곡률을 갖더라도 R 필터 자체가 장파장의 광을 흡수하므로 높은 광감도를 유지할 수 있다. 이에따라, CMOS 이미지 센서의 광감도를 균일화할 수 있다. According to the present invention, by forming the aperture ratio and curvature of the inner lens in order of R, G, and B color filters, the light sensitivity of the B filter region can be relatively improved. On the other hand, even if the inner lens formed in the R filter region has a smaller aperture ratio and curvature than the inner lens formed in the B filter region, the R filter itself absorbs light having a long wavelength, thereby maintaining high light sensitivity. Accordingly, the light sensitivity of the CMOS image sensor can be made uniform.
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and the like of the elements in the drawings are exaggerated to emphasize a more clear description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings means the same elements.
본 발명은 B 필터가 배치될 단위 픽셀의 이너 렌즈의 크기 즉, 이너 렌즈의 개구율 및 곡률을 R 필터 및 G 필터가 배치될 단위 픽셀의 이너 렌즈의 크기(개구율 및 곡률)보다 크게 설계하여 B 필터 영역의 광 감도를 증대시킬 것이다. 바람직하게는, 이너 렌즈는 R,G,B 컬러 필터 순으로 그 개구율 및 곡률이 증대되도록 형성될 것이다. 이에 따라, 이너 렌즈의 크기에 의해 B 컬러 필터의 낮은 광감도가 보상되어, 전체적인 CMOS 이미지 센서의 광감도가 개선될 것이다.According to the present invention, the size of the inner lens of the unit pixel in which the B filter is to be disposed, that is, the aperture ratio and curvature of the inner lens is designed to be larger than the size (opening ratio and curvature) of the inner lens of the unit pixel in which the R filter and the G filter are to be disposed. It will increase the light sensitivity of the area. Preferably, the inner lens will be formed such that its aperture ratio and curvature increase in the order of R, G, and B color filters. Accordingly, the low light sensitivity of the B color filter is compensated by the size of the inner lens, thereby improving the light sensitivity of the overall CMOS image sensor.
또한, 이너 렌즈는 포토 다이오드 주변을 둘러싸도록 몰딩부를 형성하고 그 상부에 리플로우된 산화막을 형성하여 이너 렌즈가 형성될 영역을 구축하고, 이 이너 렌즈가 형성될 영역에 층간 절연막과 굴절율이 상이한 절연막을 형성하여 이너 렌즈를 형성할 것이다. 또한, 이너 렌즈의 크기는 상기 몰딩부의 간격에 의해 조절될 수 있을 것이며, 이 몰딩부는 예를 들어 제 1 금속 배선과 동일 평면에, 즉, 동시에 형성될 수 있을 것이다. 또한, 몰딩부는 내열 특성을 가지며 광 차폐 특성을 갖는 금속막, 예를 들어 텅스텐막으로 형성될 것이다. In addition, the inner lens forms a molding portion to surround the photodiode and forms a reflowed oxide film thereon to form a region in which the inner lens is to be formed, and an insulating film having a different refractive index from the interlayer insulating film in the region where the inner lens is to be formed. Will form the inner lens. In addition, the size of the inner lens may be adjusted by the gap of the molding part, and this molding part may be formed on the same plane as the first metal wire, that is, at the same time. In addition, the molding part may be formed of a metal film, for example, a tungsten film, having heat resistance and light shielding properties.
이에따라, 고온을 요하는 유동성 산화막의 리플로우 공정시 몰딩부가 녹지 않고, 광 흡수 특성을 갖는 몰딩부가 포토 다이오드 주변을 감싸도록 형성되므로써 사각으로 입사되는 광을 상부 배선쪽으로 반사시키지 않고 모두 흡수하여 크로스토크를 감소시킬 수 있을 것이다. Accordingly, the molding part does not melt during the reflow process of the flowable oxide film requiring high temperature, and the molding part having the light absorption characteristic is formed to surround the photodiode, thereby absorbing all light incident in a square without reflecting the upper wiring to the upper wiring to crosstalk. Will be reduced.
이와 같은 특성을 갖는 CMOS 이미지 센서에 대해 첨부 도면을 통하여 보다 상세하게 설명한다. 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 평면도이고, 도 3은 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단하여 나타낸 CMOS 이미지 센서의 단면도이다. A CMOS image sensor having such characteristics will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 2 is a plan view of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the CMOS image sensor taken along line III-III ′.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100)에 공지의 STI(shallow trench isolation) 방식으로 소자 분리막(105)을 형성하여, 포토 다이오드 예정 영역(101R,101G,101B) 및 트랜지스터 예정 영역(102)으로 구성되는 다수의 액티브 영역(103)을 형성한다. 도면에서 101R은 이후 R 필터가 배치될 포토 다이오드 예정 영역이고, 101G는 이후 G 필터가 배치될 포토 다이오드 예정 영역이고, 101B는 이후 B 필터가 배치될 포토 다이오드 예정 영역이다. 아울러, 상기 다수의 액티브 영역은 모두 동일한 크기를 갖는다.As shown in FIGS. 2 and 3, the
액티브 영역(103)이 한정된 반도체 기판(100) 상에 게이트 절연막(110) 및 게이트 전극용 도전층, 예컨대 도핑된 폴리실리콘막을 증착한다. 상기 게이트 전극용 도전층을 패터닝하여 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(115, 이하 트랜스퍼 게이트 전극), 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(116, 이하 리셋 게이트 전극) 및 소스 팔로워를 구성하는 트랜지스터의 게이트 전극(117, 이하 소스 팔로워 게이트 전극)을 형성한다. 상기 트랜스퍼 게이트 전극(115)은 포토 다이오드 예정 영역(101R,101G,101B) 및 트랜지스터 예정 영역(103)의 경계 부분에 위치될 수 있고, 리셋 게이트 전극(116) 및 소스 팔로워 게이트 전극(117)은 각각 트랜지스터 예정 영역(103) 상에 위치될 수 있다. 상기 게이트 전극들(115,116,117)의 측벽에 공지의 방식으로 스페이서(118)를 형성할 수 있다. A gate insulating layer 110 and a conductive layer for a gate electrode, such as a doped polysilicon layer, are deposited on the
포토 다이오드 예정 영역(101R,101G,101B)에 n형 불순물의 이온 주입에 의하여 n형 포토 다이오드 영역(121)을 형성한다. 상기 포토 다이오드 예정 영역(101R,101G,101B)에 p형 불순물의 이온 주입에 의하여 p형 포토 다이오드 영역(122)을 형성하여, 포토 다이오드(120)가 완성된다. 이때, n형 포토 다이오드 영역(121)은 기판(100) 깊숙이 위치하여 전자 및 홀의 재결합을 유도하고, p형 포토 다이오드 영역(122)은 기판(100) 표면에 위치하여 기판 표면에 발생할 수 있는 다크 소스(dark source)를 제거한다. 상기 포토 다이오드(120)는 각 단위 픽셀마다 동일한 크기를 가질 수 있다. The n-
다음, 트랜스퍼 게이트 전극(115)의 타측의 트랜지스터 예정 영역(102)에 n형 불순물을 주입하여 플로팅 확산(floating diffusion) 영역(125)을 형성한다. 상기 플로팅 확산 영역(125)을 형성하는 공정과 동시에, 리셋 트랜지스터의 소오스 및 드레인 영역(126) 및 소스 팔로워를 구성하는 트랜지스터의 소오스 및 드레인 영역(127,128)을 함께 형성할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 포토 다이오드(120)를 플로팅 확산 영역(125)보다 먼저 형성하였지만, 플로팅 확산 영역(125)을 형성한 이후에 포토 다이오드(120)를 형성하여도 상관없다. Next, an n-type impurity is implanted into the transistor predetermined
포토 다이오드 및 트랜지스터들이 형성된 반도체 기판(100) 결과물 상부에 제 1 층간 절연막(130), 예컨대, 실리콘 산화막을 소정 두께로 증착한다. 이어서, 트랜스퍼 게이트 전극(115), 리셋 게이트 전극(116) 및 플로팅 확산 영역(125)이 오픈될 수 있도록 제 1 층간 절연막(130)을 식각하여, 콘택홀(132)을 형성한다. 다음, 콘택홀(132)내에 도전층을 매립하여 제 1 도전 스터드(135)를 형성한다. 제 1 도전 스터드(135)는 층간 매립 특성이 우수하며 내열 특성이 우수한 도전물 예컨대, 텅스텐막 또는 도핑된 폴리실리콘막이 이용될 수 있다. 이때, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면이므로 실제적으로는 플로팅 확산 영역(125)의 콘택 부위가 보여지지 않아야 하나, 설명의 편의를 위하여 플로팅 확산 영역(125)의 콘택 부위를 도시하였다. A first
제 1 층간 절연막(130) 상부에 상기 노출된 제 1 도전 스터드들(135)과 콘택되도록 제 1 금속 배선(140)을 형성한다. 본 실시예에서의 제 1 금속 배선(140)은 상기 제 1 도전 스터드들(135)과 콘택되어 트랜스퍼 게이트 전극(115), 리셋 게이트 전극(116) 및 플로팅 확산 영역(125)에 신호를 전달하는 역할을 하는 한편, 상기 포토 다이오드(120)의 주변을 둘러싸도록 형성되어 이너 렌즈 영역을 구축하기 위한 몰드부 역할을 한다. 이때, B 필터가 배치될 단위 픽셀의 몰드부 간의 간격(x1)은 G 필터가 배치될 단위 픽셀의 몰드부 간의 간격(x2) 및 R 필터가 배치될 단위 픽셀의 몰드부 간의 간격(x3) 보다 크고, 상기 G 필터가 배치될 단위 픽셀의 몰드부 간의 간격(x2)은 R 필터가 형성될 픽셀의 몰드부간의 간격(x3) 보다 크도록, 상기 제 1 금속 배선(140)을 형성함이 바람직하다. 이는 R,G,B 필터 순으로 큰 크기를 갖는 이너 렌즈 형성 영역을 제공하기 위함이다.The
한편, 제 1 금속 배선(140)은 녹는점이 1000℃ 이상인 내열 특성이 우수한 금속막이 이용됨이 바람직하며, 광을 차단(흡수)하는 능력을 가진 도전물, 예컨대 텅스텐막(W), 티타늄막(Ti), 티타늄 질화막(TiN) 또는 티타늄막과 티타늄 질화막의 적층막(Ti/TiN)이 금속 배선 물질로 이용된다. 또한, 제 1 금속 배선(140)은 약 1500 내지 2500Å 높이를 가질 수 있다. On the other hand, the
제 1 금속 배선(140)이 형성된 제 1 층간 절연막(130) 상부에 유동성 산화막(145)을 증착한다. 유동성 산화막(145)으로는 예컨대, BPSG(borophosphorus silicate glass)막, PSG(phosphorus silicate glass)막 또는 BPSG막과 PSG막의 복합막(또는 적층막)이 이용될 수 있다. 이때, 유동성 산화막(145)의 두께는 이후 형성될 이너 렌즈의 곡률과 직결된다. 즉, 유동성 산화막(145)의 두께가 얇을수록 이너 렌즈의 곡률이 개선되는데, 너무 박막으로 형성하는 경우 제 1 금속 배선(140)의 표면이 노출될 수도 있으므로, 이너 렌즈의 곡률 및 제 1 금속 배선(140)의 커버링(covering)을 고려하여 유동성 산화막(145)의 두께를 결정한다. The
그후, 상기 유동성 산화막(145)을 800℃ 내지 1000℃의 온도에서 열처리하여, 리플로우(reflow)시킨다. 그러면, 제 1 금속 배선(140)의 몰드부의 간격 및 높이에 의해 상기 포토 다이오드(120)와 대응하는 영역에 함몰부(145R,145G,145B)가 형성된다. 추가적으로 함몰부(145R,145G,145B)의 곡률은 리플로우 온도에 비례할 수 있다. 큰 곡률을 위하여 보다 높은 온도에서 열처리를 진행하는 것이 바람직하지만, 하부에 형성된 트랜지스터의 성능을 고려하여 상기 제시된 온도 범위내에서 적절히 선택함이 바람직하다. Thereafter, the
한편, 상기 몰드부(140)는 단위 픽셀별로 그 간격(크기)이 서로 상이하게 설정되었으므로 상기 함몰부(145R,145G,145B)의 크기 역시 서로 다르게 형성된다. 즉, 몰드부의 간격(x1,x2,x3)이 R,G,B 필터 순으로 증가되도록 설계되었으므로, 함몰부(145R,145G,145B)의 크기 역시 몰딩부의 간격(x1,x2,x3)에 비례하여 순차적으로 증대되도록 형성된다. On the other hand, since the spacing (size) of the
또한, 본 실시예에서는 제 1 금속 배선(140)이 1000℃ 이상의 녹는점을 갖는 금속막으로 형성됨에 따라, 상기와 같은 고온 리플로우 공정을 진행하여도 제 1 금속 배선(140)이 녹아내리는 문제가 발생되지 않는다.In addition, in the present embodiment, since the
다음, 함몰부(145R,145G,145B)를 갖는 유동성 산화막(145) 상부에 상기 함몰부(145a)가 충분히 매립되도록 렌즈용 절연막을 증착한다. 렌즈용 절연막은 유동성 산화막(145) 및 제 1 층간 절연막(130)을 구성하는 실리콘 산화막과 굴절률이 상이한 절연막을 이용함이 바람직하다. 이러한 절연막으로는 예컨대, 실리콘 질화막(SiN) 또는 실리콘 질산화막(SiON)등이 이용될 수 있다. 그 후, 렌즈용 절연막의 표면을 소정 두께만큼 화학적 기계적 연마하여, 이너 렌즈(inner lens:150R,150G,150B)를 형성한다. 이때, 상기 렌즈용 절연막은 상기 제 1 층간 절연막(130) 표면이 노출되도록 화학적 기계적 연마할 수도 있다.Next, an insulating film for a lens is deposited on the
상기와 같이 함몰부(145R,145G,145B)의 크기가 R,G,B 필터 순으로 순차적으로 크게 형성되므로써, 함몰부(145R,145G,145B)내에 형성되는 이너 렌즈(150R,150G,150B) 역시 R,G,B 필터 순으로 그 크기가 증대된다. 이때, 이너 렌즈(150R,150G,150B)의 크기는 곧 이너 렌즈(150R,150G,150B)의 개구율 및 곡률과 비례하므로, B 필터 영역의 이너 렌즈(150B)의 개구율 및 곡률이 상대적으로 증대된다. 이에 따라, 비록 상대적으로 짧은 파장의 광을 흡수하는 B 필터 영역에서도 이 너 렌즈(150B)의 개구율 증대로 다량의 광을 촬상할 수 있고, 곡률의 개선에 의해 기판(100) 내부에서 전자-홀 재결합이 유도되어 광 감도가 개선된다. As the sizes of the
이너 렌즈(150) 상부에 제 2 층간 절연막(155)을 증착한다. 다음, 제 1 금속 배선(140)의 소정 부분이 노출되도록 제 2 층간 절연막(155), 이너 렌즈(150) 및 유동성 산화막(145)을 식각하여, 비아홀(156)을 형성한다. 비아홀(156)이 충진되도록 공지의 방식으로 제 2 도전 스터드(160)를 형성한다. 제 2 도전 스터드(160)는 예를 들어 층간 매립 특성이 우수한 텅스텐 물질이 이용될 수 있다. 제 2 층간 절연막(155) 상부에 제 2 도전 스터드(160)와 콘택되도록 제 2 금속 배선(165)을 형성한다. 제 2 금속 배선(165)은 도전 특성이 우수한 금속막, 예컨대, 알루미늄막(Al) 또는 알루미늄 합금막이 이용될 수 있다. 이때, 상기 제 1 및 제 2 금속 배선(140,165)은 공지된 바와 같이 포토 다이오드(120)의 주변부에 위치함이 바람직하다. 제 2 금속 배선(165)이 형성된 제 2 층간 절연막(155) 상부에 제 3 층간 절연막(170)을 형성한다. 이때, 제 3 층간 절연막(170)은 평탄화막일 수 있다. 이어서, 포토 다이오드(120) 부분이 노출되도록 제 3 층간 절연막(170) 상에 차광층(175)을 형성한다. 차광층(175) 사이에 제 4 층간 절연막(180)을 충진시킨 다음, 차광층(175) 및 제 4 층간 절연막(180) 상부에 제 1 보호막(185)을 형성한다. 제 1 보호막(185) 상부에 컬러 필터(190R,190G,190B)를 형성한다. 이때, 컬러 필터(190R,190G,190B)는 포토 다이오드(120)와 대응될 수 있도록 배치되고, 각 컬러 필터(190R,190G,190B)의 경계 부분은 상기 차광층(175) 상에 존재하도록 형성된다. 그 후, 컬러 필터(190R,190G,190B) 상부에 제 2 보호막(195)을 형성한 다음, 제 2 보호막(195) 상부에 마이크로 렌즈(200)를 형성한다. 상기 마이크로 렌즈(200)는 각각 포토 다이오드(120)와 대응되도록 형성된다.The second
상기 실시예에서는 이너 렌즈 영역을 한정하는 몰드부를 제 1 금속 배선(140)과 일체로 형성하였지만, 이너 렌즈 영역을 한정하는 몰드부를 제 1 금속 배선과 별도로 형성할 수도 있다. In the above embodiment, the mold part defining the inner lens area is integrally formed with the
즉, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 층간 절연막(130)까지 형성한 다음, 제 1 층간 절연막(130) 상부에 몰드부를 형성하기 위한 광차단막을 증착한다. 상기 광차단막은 도전막일 수 있으며, 녹는점이 1000℃ 이상으로 고온 견딤 특성이 우수한 막, 예컨대, 텅스텐막, 티타늄막, 티타늄 질화막 또는 티타늄/티타늄 질화막이 이용될 수 있다. 다음, 상기 광차단막을 상기 포토 다이오드(120)의 가장자리 부분을 둘러싸도록 패터닝하여, 몰드부(142)를 형성한다. That is, as shown in FIG. 4 and FIG. 5, a light blocking film for forming a mold part is formed on the first
이때, 몰드부(142)는 상술한 실시예와 마찬가지로 R,G,B 필터 순으로 그 크기, 즉, 몰드부(142)에 의해 노출될 포토 다이오드(120)의 면적이 커지도록 설계된다. 다음, 몰드부(142) 및 제 1 층간 절연막(130) 상부에 유동성 산화막(145), 예컨대, BPSG막, PSG막 또는 BPSG막과 PSG막의 복합막(또는 적층막)이 이용될 수 있다. 그 후, 상기 유동성 산화막(145)을 800℃ 내지 1000℃의 온도에서 열처리하여, 리플로우(reflow)시킨다. 이에 따라, 상기 유동성 산화막(145) 내에 이너 렌즈 형성 영역인 함몰부(145R,145G,145B)가 형성된다. 상기 함몰부(145R,145G,145B)는 앞서 설명한 바와 같이 몰드부(142)의 높이 및 간격에 의해 그 크기가 결정되며, 몰 드부(142)의 크기가 R,G,B 필터 순으로 크게 형성되었으므로, 함몰부(145R,145G,145B)의 크기 역시 R,G,B 필터 순으로 크게 형성된다. 또한, 몰드부(142)는 내열성이 우수한 금속막, 예컨대 텅스텐막, 티타늄막, 티타늄 질화막 또는 티타늄/티타늄 질화막으로 형성됨에 따라 고온의 리플로우 공정을 진행하여도 그 형태가 변화되지 않는다. In this case, the
유동성 산화막(145) 상부에 렌즈용 절연막을 증착한다. 렌즈용 절연막은 상기 유동성 산화막(145)과 굴절율이 상이한 실리콘 질화막 또는 실리콘 질산화막이 이용될 수 있다. 이 렌즈용 절연막을 상기 함몰부(145R,145G,145B)내에 잔류하도록 화학적 기계적 연마하여 이너 렌즈(150R,150G,150B)를 형성한다. An insulating film for a lens is deposited on the
상기 함몰부(145R,145G,145B)가 R,G,B 필터에 따라 상이한 크기로 형성됨에 따라, 상기 이너 렌즈(150R,150G,150B) 역시 상기 함몰부(145R,145G,145B)의 크기에 의존하여 상이한 크기를 갖도록 형성된다. 즉, 이너 렌즈(150R,150G,150B)는 R,G,B 컬러 필터 순으로 점점 큰 개구율 및 곡률을 갖도록 형성된다. As the
이너 렌즈(150R,150G,150B) 상부에 제 2 층간 절연막(155)을 증착한다음, 플로팅 확산 영역(125), 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극(115) 및 리셋 트랜지스터의 게이트 전극(116)의 소정 부분이 노출되도록, 제 2 층간 절연막(155), 유동성 산화막(145) 및 제 1 층간 절연막(130)을 식각하여 콘택홀(158)을 형성한다. 상기 콘택홀(158)이 충진되도록 공지의 방식으로 제 1 도전 스터드(161)를 형성한다. 제 1 도전 스터드(161)로는 층간 매립 특성이 우수하며 차광 특성을 갖는 텅스텐 금속막이 이용될 수 있다. 유동성 산화막(145) 상부에 상기 제 1 도전 스터드(161)와 전기적으로 콘택되도록 제 1 금속 배선(166)을 형성한다. 상기 제 1 금속 배선(166)으로는 전도 특성이 우수한 알루미늄막 또는 알루미늄 합금막이 이용될 수 있다. 본 실시예의 몰딩부(142)는 제 1 금속 배선(166)과 서로 다른 평면에 위치함에 따라, 몰딩부와 금속 배선을 동시에 형성하는 경우 보다 배선 여유가 있다. 이에 따라, 상기 몰딩부(142)는 상기 일 실시예에서의 포토 다이오드(120)를 둘러싸는 제 1 금속 배선(도 3의 140)보다는 큰 폭을 가질 수 있다. After depositing the second
제 1 금속 배선(166)이 형성된 제 2 층간 절연막(155) 상부에 제 3 층간 절연막(171)을 형성한다. 제 3 층간 절연막(171) 상부에 제 1 금속 배선(166)의 소정 부분과 전기적으로 연결되도록 제 2 금속 배선(176)을 형성한다. 이때, 제 2 금속 배선(176)은 CMOS 이미지 소자의 상부 차광층으로도 이용될 수 있다. 아울러, 제 1 및 제 2 금속 배선(166,176)은 포토 다이오드의 광 촬상에 영향을 미치지 않도록 포토 다이오드(120)의 외곽에 위치됨이 바람직하다. 제 2 금속 배선(176) 사이에 제 4 층간 절연막(180)을 형성한다음, 제 1 보호층(185), R,G,B 컬러 필터(190R,190G,190B), 제 2 보호층(195) 및 마이크로 렌즈(200)를 순차적으로 형성한다. A third
한편, 이너 렌즈(150R,150G,150B)를 한정하는 몰딩부(142)가 제 1 금속 배선과 별도로 형성되는 경우, 이너 렌즈(150R,150G,150B)의 곡률을 개선시킬 수 있도록 상기 몰딩부(142)의 측벽을 경사지게 형성할 수도 있다. On the other hand, when the
경사진 측벽을 갖는 몰딩부(142a)는 도 6에 도시된 바와 같이 금속막을 테이 퍼(taper) 식각함으로써 얻어질 수 있다. 테이퍼 식각에 의해 얻어진 몰딩부(142a)는 그 단면이 사다리꼴 형태를 가지고 있으며, 그 측벽에 경사가 존재하므로 이너 렌즈(150R,150G,150B)의 곡률을 개선할 수 있다.The
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 몰딩부(142b)는 선폭이 다른 다층의 배선으로 구성되어, 그 측벽이 계단형 경사를 가질 수 있다. 이러한 경우 역시 몰딩부(142b)의 경사에 의해 이너 렌즈(150R,150G,150B)의 곡률을 개선할 수 있다.In addition, as illustrated in FIG. 7, the
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 측벽 경사를 갖지 않는 몰딩부(142)의 측벽에 스페이서(143)를 형성하여, 몰딩부(142c)의 측벽에 경사를 제공할 수 있다. 이때, 스페이서(143)는 실리콘 산화막과 굴절율이 상이한 절연막, 예컨대 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. In addition, as shown in FIG. 8, the
또한, 몰딩부(142)가 경사진 측벽을 갖는 경우 리플로우 공정을 생략하더라도 이너 렌즈(150R,150G,150B)의 곡률을 확보할 수 있다.In addition, when the
한편, 몰딩부(142)와 제 1 금속 배선을 서로 다른 층에 형성하는 경우, 제 1 도전 패드(161)가 제 2 층간 절연막(155), 이너 렌즈(150R,150G,150B), 유동성 산화막(145) 및 제 1 층간 절연막(130)을 관통하여 형성되어야 하므로 콘택 불량이 발생될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 제 1 층간 절연막(130)내에 제 1 스터드(135)를 형성한다음, 제 1 층간 절연막(130) 상부에 제 1 스터드(135)와 콘택되도록 랜딩 패드(landing pad:144)를 형성할 수 있다. 랜딩 패드(144)는 상기 몰딩부(142)와 동시에 형성되며, 국부적인 섬 형태로 형성된다. 그후, 제 2 층간 절연막(155), 이너 렌즈(150R,150G,150B) 및 유동성 산화막(145)에 상기 랜딩 패드(144)와 콘택되는 제 2 스터드(162)를 공지의 방식으로 형성한 다음, 제 2 스터드(162)와 콘택되도록 제 1 금속 배선(166)을 형성한다.On the other hand, when the
이와 같이 제 1 층간 절연막(130)과 유동성 산화막(145) 사이에 몰딩부(142)와 함께 랜딩 패드(144)를 형성하므로써, 제 1 금속 배선과 콘택되는 도전 패드(혹은 콘택 스터드)의 콘택 불량을 방지할 수 있다.Thus, by forming the
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 이너 렌즈의 개구율 및 곡률을 R,G,B 컬러 필터순 크게 형성한다. 이에따라, 상대적으로 단 파장의 광을 흡수하는 B 필터 영역의 광 촬상량을 증대시킴과 동시에 전자 및 홀 재결합을 기판 깊숙이에서 유도할 수 있어 B 필터 영역의 광감도를 상대적으로 개선할 수 있다. 반면, R 필터 영역에 형성되는 이너 렌즈는 B 필터 영역에 형성되는 이너 렌즈보다 작은 개구율 및 곡률을 갖더라도 R 필터 자체가 장파장의 광을 흡수하므로 높은 광감도를 유지할 수 있다. 이에따라, CMOS 이미지 센서의 광감도를 균일화할 수 있다. As described in detail above, according to the present invention, the aperture ratio and curvature of the inner lens are formed in order of R, G, and B color filters. Accordingly, it is possible to increase the amount of optical imaging of the B filter region which absorbs light of a relatively short wavelength and to induce electron and hole recombination deep in the substrate, thereby improving the light sensitivity of the B filter region relatively. On the other hand, even if the inner lens formed in the R filter region has a smaller aperture ratio and curvature than the inner lens formed in the B filter region, the R filter itself absorbs light having a long wavelength, thereby maintaining high light sensitivity. Accordingly, the light sensitivity of the CMOS image sensor can be made uniform.
또한, 본 실시예의 이너 렌즈는 포토 다이오드 영역을 둘러싸는 몰딩부 및 그 상부에 형성되는 리플로우된 산화막내에 형성되는 함몰부에 형성된다. 이때, 이너 렌즈 형성 영역인 함몰부는 몰딩부에 의해 한정되며, 이 몰딩부는 내열 특성을 가지며 광 차단(흡수) 특성을 갖는 물질로 형성한다. In addition, the inner lens of this embodiment is formed in a molding portion surrounding the photodiode region and a depression formed in the reflowed oxide film formed thereon. At this time, the recessed portion, which is an inner lens formation region, is defined by the molding portion, and the molding portion is formed of a material having heat resistance and light blocking (absorption) characteristics.
이에 따라, 상기 함몰부를 형성하기 위한 산화막의 리플로우 공정시 몰딩부 의 형상이 변형되지 않으므로 원하는 이너 렌즈 영역을 얻을 수 있고, 상기 몰딩부가 사각으로 입사되는 광을 상부 금속 배선 쪽으로 반사시키지 않고 자체적으로 차단 및 흡수하여 인접하는 픽셀과 크로스 토크를 방지할 수 있다.Accordingly, since the shape of the molding part is not deformed during the reflow process of the oxide film for forming the recessed part, a desired inner lens area can be obtained, and the molding part itself does not reflect the light incident to the upper metal wiring toward the upper metal wiring. By blocking and absorbing, crosstalk with adjacent pixels can be prevented.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. Do.
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