KR101010106B1 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 랜딩플러그 콘택홀 저부의 질화막을 산화시켜 이를 제거한 후, 활성영역만을 선택적으로 식각함으로써 소자분리막의 손실을 최소화시켜 하부의 게이트 폴리실리콘층이 노출되는 현상을 방지하고, 이에 따라 게이트와 랜딩플러그가 전기적으로 쇼트되는 SAC 불량을 방지할 수 있는 기술을 개시한다. The present invention relates to a method of fabricating a semiconductor device, and after oxidizing and removing the nitride film at the bottom of the landing plug contact hole, selectively etching only the active region to minimize the loss of the device isolation layer to expose the lower gate polysilicon layer. And a technique capable of preventing SAC defects in which the gate and the landing plug are electrically shorted accordingly.
핀 마스크, 랜딩플러그 Pin Mask, Landing Plug
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 랜딩플러그 형성 방법에 관한 기술이다. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for forming a landing plug of a semiconductor device.
일반적으로, 트랜지스터에 널리 적용된 수평채널을 갖는 트랜지스터는 디자인 룰(design rule)이 감소함에 따라 여러가지 문제를 유발시켜 트랜지스터의 축소에 한계가 있다. 축소된 수평채널 트랜지스터의 가장 큰 문제점으로 채널의 길이가 짧아져 발생하는 단채널 효과 및 DIBL(Drain Induced Barrier Lower) 효과 등을 들 수 있다.In general, a transistor having a horizontal channel widely applied to a transistor has various limitations as the design rule is reduced, thereby limiting the size of the transistor. The biggest problems of the reduced horizontal channel transistors include short channel effects and drain induced barrier lower (DIBL) effects caused by shorter channel lengths.
수평채널 트랜지스터의 문제점을 극복하기 위하여 이중 게이트 트랜지스터(double gate transistor)가 제안되었다. 이중 게이트 트랜지스터는 30nm 이하의 두께를 갖는 채널과, 이 채널을 감싸거나, 이 채널의 양측에 게이트가 배치된 구조를 갖는다. 수평채널 트랜지스터는 게이트 전극이 수평채널의 상부에만 형성됨으로써 채널에는 상하 비대칭적으로 전계가 인가되어 게이트 전극에 의해 트랜지스터의 온/오프 동작을 효과적으로 제어하는데 많은 어려움이 있다. 그 결과, 채널 크기가 축소될수록 단채널 효과의 영향은 그만큼 커지게 된다.In order to overcome the problems of horizontal channel transistors, double gate transistors have been proposed. The double gate transistor has a channel having a thickness of 30 nm or less, and a structure surrounding the channel or having gates disposed on both sides of the channel. In the horizontal channel transistor, since the gate electrode is formed only on the upper portion of the horizontal channel, an electric field is applied asymmetrically to the channel, and thus there are many difficulties in effectively controlling the on / off operation of the transistor by the gate electrode. As a result, the smaller the channel size, the greater the influence of the short channel effect.
이에 반해, 수직채널을 갖는 이중 게이트 트랜지스터는 얇은 채널의 양측에 게이트 전극이 형성되기 때문에 채널의 모든 영역은 게이트 전극의 영향을 받게 된다. 따라서, 트랜지스터가 오프일 때 소스 및 드레인 사이의 전하 흐름을 억제할 수 있기 때문에 전력소모를 감소시킬 수 있고, 트랜지스터의 온/오프 동작을 효과적으로 제어할 수 있다. 이러한 수직 채널을 갖는 트랜지스터로는 핀(fin) 트랜지스터, 리세스(recess) 트랜지스터 및 핀 트랜지스터와 리세스 트랜지스터를 혼합한 새들 핀(saddle fin) 트랜지스터가 있다.In contrast, in the double gate transistor having the vertical channel, since gate electrodes are formed on both sides of the thin channel, all regions of the channel are affected by the gate electrode. Therefore, since the charge flow between the source and the drain can be suppressed when the transistor is off, power consumption can be reduced, and the on / off operation of the transistor can be effectively controlled. Transistors having such vertical channels include fin transistors, recess transistors, and saddle fin transistors in which fin transistors and recess transistors are mixed.
도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(10)에 활성영역(12)을 정의하는 소자분리막(14)을 형성한다. 그 다음, 핀(fin) 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 활성영역(12) 및 소자분리막(14)을 식각하여 리세스(16)를 형성하고, 세정 공정을 진행하여 식각 잔유물을 제거한다. 이때, 세정 공정에 의해 소자분리막(14) 상에 형성된 리세스(16)의 중간 부분에 보잉 프로파일(bowing profile)이 형성된다. Referring to FIG. 1A, an
도 1b를 참조하면, 리세스(16)를 포함한 반도체 기판(10) 전면에 게이트 산화막(미도시)을 형성한다. 그 다음, 상기 게이트 산화막 상부에 게이트 폴리실리콘층(18a), 베리어 메탈층(미도시), 게이트 전극층(18b) 및 게이트 하드마스크층(18c)을 형성한다. Referring to FIG. 1B, a gate oxide film (not shown) is formed on the entire surface of the
여기서, 베리어 메탈층은 티타늄(Ti)막과 티타늄 질화(TiN)막의 적층구조로 형성하고, 게이트 전극층(18b)은 텅스텐(W)층으로 형성하며, 게이트 하드마스크 층(18c)은 질화막으로 형성한다.Here, the barrier metal layer is formed of a laminated structure of a titanium (Ti) film and a titanium nitride (TiN) film, the
그 다음, 게이트 마스크(미도시)를 이용한 사진 식각공정으로 게이트 하드마스크층(18c), 게이트 전극층(18b), 베리어 메탈층 및 게이트 폴리실리콘층(18a)을 식각하여 게이트(18)를 형성한다. Next, the
그 다음, 게이트(18)를 포함한 반도체 기판(10) 표면에 게이트용 스페이서막(20)을 형성한다. 여기서, 게이트용 스페이서막(20)은 질화막으로 형성한다. 그 다음, 게이트용 스페이서막(20) 상부에 게이트(18) 사이를 매립하는 층간절연막(22)을 형성한다. 여기서, 층간절연막(22)은 산화막으로 형성한다.Next, a
도 1c를 참조하면, 랜딩플러그 콘택 마스크(미도시)를 이용한 사진 식각공정으로 층간절연막(22)을 식각하여 랜딩플러그 콘택홀(미도시)을 형성한다. 그 다음, 랜딩플러그 콘택홀 및 게이트용 스페이서막(20) 표면에 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(24)을 형성하고, 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(24) 상부에 버퍼 산화막(미도시)을 형성한다. Referring to FIG. 1C, the
여기서, 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(24)은 질화막으로 형성하고, 버퍼 산화막은 USG(Undoped Silicate Glass)막으로 형성한다. 이때, 버퍼 산화막은 게이트(18) 상부에는 두껍게 증착되고, 폭이 좁은 게이트(18) 사이에서는 얇게 증착된다. Here, the landing
도 1d를 참조하면, 버퍼 산화막을 식각 마스크로 게이트(18) 사이의 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(24) 및 게이트용 스페이서막(20)을 식각한다. 여기서, 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(24) 및 게이트용 스페이서막(20)의 식각 공정은 에치 백(etch-back) 방법으로 수행하며, 반응가스로 플로린 계열을 사용한다. 이때, 에치백 공정시 랜딩플러그 콘택홀이 낫 오픈(not open) 되는 현상을 방지하기 위해 반도체 기판(10)도 일부 손실되도록 실시한다. 그런데, 소자분리막(14)이 활성영역(12) 보다 식각 속도가 더 빠르기 때문에, 소자분리막(14)의 손실이 더 크게 된다. 이때, 소자분리막(14) 상에 형성된 게이트 폴리실리콘층(18a)에 보잉 프로파일(bowing profile)이 형성된 상태이므로 소자분리막(14)의 손실에 의해 게이트 폴리실리콘층(18a)이 노출되게 된다. 이 경우 후속 공정에서 형성될 랜딩플러그와 게이트(18)가 전기적으로 쇼트(short) 되는 SAC 불량이 유발되는 문제점이 있다.Referring to FIG. 1D, the landing
도 2는 종래기술에 따른 반도체 소자의 제조방법의 문제점을 도시한 사진이다.2 is a photograph showing a problem of a method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art.
도 2를 참조하면, 핀 마스크를 이용한 사진 식각 공정시 소자분리막(14)에도 리세스가 형성된다. 그런데, 식각 잔유물을 제거하기 위한 세정 공정시 (a)에 도시된 바와 같이, 소자분리막(14) 상에 형성된 리세스의 중간 부분에 보잉 프로파일(bowing profile)(A)이 형성되는 것을 볼 수 있다. 이 상태에서 후속 버퍼 산화막 에치백(BOEB;Buffer Oxide Etch Back) 공정을 진행하면 소자분리막(14) 상의 게이트 폴리실리콘층(18a)이 노출된다. 이로 인해, (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 랜딩플러그(28)와 게이트(18)가 전기적으로 쇼트(B)되는 SAC 불량이 유발된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 소자분리막(14) 상에 형성되는 리세스의 선폭을 감소시키면 게이트의 선폭이 확보가 되지 않아 트랜지스터의 특성이 열화되며, 세정 공정을 진행하지 않으면 계면 특성이 열화되는 문제점이 있다. Referring to FIG. 2, a recess is formed in the
본 발명은 다음과 같은 목적을 갖는다.The present invention has the following object.
첫째, 랜딩플러그 콘택홀 저부의 질화막을 산화시켜 이를 제거한 후, 활성영역만을 선택적으로 식각함으로써 소자분리막의 손실을 최소화시켜 하부의 게이트 폴리실리콘층이 노출되는 현상을 방지하고, 이에 따라 게이트와 랜딩플러그가 전기적으로 쇼트되는 SAC 불량을 방지할 수 있는데 그 목적이 있다.First, the nitride film of the bottom of the landing plug contact hole is oxidized and removed, and then only the active region is selectively etched to minimize the loss of the device isolation layer to prevent the lower gate polysilicon layer from being exposed, and thus the gate and the landing plug. The purpose of this is to prevent the SAC failure that is electrically shorted.
둘째, 버퍼 산화막의 형성, 세정 및 식각 공정을 생략할 수 있어 TAT(turn around time)를 단축시킬 수 있는데 그 목적이 있다. Second, since the formation, cleaning, and etching processes of the buffer oxide layer can be omitted, the purpose of the present invention is to shorten the turn around time (TAT).
본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법은 반도체 기판에 활성영역을 정의하는 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 활성영역 및 상기 소자분리막을 식각하여 리세스를 형성하는 단계; 상기 리세스 상에 게이트를 형성하는 단계; 상기 게이트 사이를 매립하는 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막을 식각하여 랜딩플러그 콘택홀을 형성하는 단계; 상기 랜딩플러그 콘택홀 표면에 랜딩플러그용 스페이서막을 형성하는 단계; 상기 게이트 상부 및 랜딩플러그 콘택홀 저부의 상기 랜딩플러그용 스페이서막을 산화시켜 산화막을 형성하는 단계; 및 상기 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes forming a device isolation film defining an active region on a semiconductor substrate; Etching the active region and the device isolation layer to form a recess; Forming a gate on the recess; Forming an insulating film filling the gate; Etching the insulating layer to form a landing plug contact hole; Forming a landing plug spacer layer on a surface of the landing plug contact hole; Forming an oxide layer by oxidizing the landing plug spacer layer on the gate and the bottom of the landing plug contact hole; And removing the oxide film.
여기서, 상기 리세스 형성 공정은 핀 마스크를 이용하여 수행하는 것과, 상기 리세스 형성 단계 이후에 식각 잔유물을 제거하기 위한 세정 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것과, 상기 게이트 형성 단계 이후에 상기 게이트 및 상기 반도체 기판 표면에 게이트용 스페이서막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것과, 상기 게이트용 스페이서막은 질화막(Si3N4)을 30~60Å의 두께로 형성하는 것과, 상기 랜딩플러그용 스페이서막은 질화막(Si3N4)을 20~40Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.The recess forming process may further include performing a process using a fin mask, performing a cleaning process for removing etch residue after the recess forming step, and performing the gate after the gate forming step. And forming a gate spacer film on the surface of the semiconductor substrate, wherein the gate spacer film is formed to have a thickness of about 30 to 60 microns (N 3 ) of the nitride film (Si 3 N 4 ), and the spacer film for landing plug is a nitride film ( Si 3 N 4 ) to form a thickness of 20 ~ 40 20.
그리고, 상기 산화막 형성 단계는 산소 라디컬을 이용한 플라즈마 공정으로 수행하는 것과, 상기 산화막 형성 단계는 0.3~1.0torr의 압력과 400~600℃의 온도 하에서 SiH4, H2, O2 및 He의 혼합 가스를 이용하여 수행하는 것과, 상기 산화막의 두께는 50~100Å인 것과, 상기 산화막 제거 공정은 습식 세정 방법으로 수행하는 것과, 상기 산화막 제거 공정은 순수(DI water)와 HF를 25~30:1의 비율로 혼합한 용액으로 5~10초 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.The oxide film forming step may be performed by a plasma process using oxygen radicals, and the oxide film forming step may be performed by mixing SiH 4 , H 2 , O 2, and He under a pressure of 0.3˜1.0 torr and a temperature of 400˜600 ° C. It is carried out using a gas, the thickness of the oxide film is 50 ~ 100Å, the oxide film removing process is carried out by a wet cleaning method, the oxide film removing process is DI water and HF 25 ~ 30: 1 It is characterized in that it is carried out for 5 to 10 seconds with a solution mixed in the ratio of.
또한, 상기 노출된 반도체 기판을 식각하는 단계를 더 포함하는 것과, 상기 노출된 반도체 기판의 식각 공정은 100~120sccm의 HBr 가스와 3~5sccm의 O2 가스를 이용하여 5~10초 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.The method may further include etching the exposed semiconductor substrate, and the etching process of the exposed semiconductor substrate may be performed for 5 to 10 seconds using 100 to 120 sccm of HBr gas and 3 to 5 sccm of O2 gas. It features.
본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.The present invention provides the following effects.
첫째, 랜딩플러그 콘택홀 저부의 질화막을 산화시켜 이를 제거한 후, 활성영역만을 선택적으로 식각함으로써 소자분리막의 손실을 최소화시켜 하부의 게이트 폴리실리콘층이 노출되는 현상을 방지하고, 이에 따라 게이트와 랜딩플러그가 전기 적으로 쇼트되는 SAC 불량을 방지할 수 있는 효과를 제공한다. First, the nitride film of the bottom of the landing plug contact hole is oxidized and removed, and then only the active region is selectively etched to minimize the loss of the device isolation layer to prevent the lower gate polysilicon layer from being exposed, and thus the gate and the landing plug. It provides an effect to prevent the SAC failure that is electrically shorted.
둘째, 버퍼 산화막의 형성, 세정 및 식각 공정을 생략할 수 있어 TAT(turn around time)를 단축시킬 수 있는 효과를 제공한다. Second, the formation, cleaning, and etching processes of the buffer oxide layer may be omitted, thereby providing an effect of shortening the turn around time (TAT).
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도이다.3A to 3F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(100)에 활성영역(102)을 정의하는 소자분리막(104)을 형성한다. 그 다음, 핀(fin) 마스크를 이용한 사진 식각 공정으로 활성영역(102) 및 소자분리막(104)을 식각하여 리세스(106)를 형성하고, 세정 공정을 진행하여 식각 잔유물을 제거한다. 이때, 세정 공정에 의해 소자분리막(104) 상에 형성된 리세스(106)의 중간 부분에 보잉 프로파일(bowing profile)이 형성된다. Referring to FIG. 3A, an
도 3b를 참조하면, 리세스(106)를 포함한 반도체 기판(100) 전면에 게이트 산화막(미도시)을 형성한다. 그 다음, 상기 게이트 산화막 상부에 게이트 폴리실리콘층(108a), 베리어 메탈층(미도시), 게이트 전극층(108b) 및 게이트 하드마스크층(108c)을 형성한다.Referring to FIG. 3B, a gate oxide film (not shown) is formed on the entire surface of the
여기서, 베리어 메탈층은 티타늄(Ti)막과 티타늄 질화(TiN)막의 적층구조로 형성하고, 게이트 전극층(108b)은 텅스텐(W)층으로 형성하며, 게이트 하드마스크층(108c)은 질화막으로 형성하는 것이 바람직하다.Here, the barrier metal layer is formed of a laminated structure of a titanium (Ti) film and a titanium nitride (TiN) film, the
그 다음, 게이트 마스크(미도시)를 이용한 사진 식각공정으로 게이트 하드마스크층(108c), 게이트 전극층(108b), 베리어 메탈층 및 게이트 폴리실리콘층(108a)을 식각하여 게이트(108)를 형성한다. Next, the
그 다음, 게이트(108)를 포함한 반도체 기판(100) 표면에 게이트용 스페이서막(110)을 형성한다. 여기서, 게이트용 스페이서막(110)은 질화막(Si3N4)을 30~60Å의 두께로 형성한다. 그 다음, 게이트용 스페이서막(110) 상부에 게이트(108) 사이를 매립하는 층간절연막(112)을 형성한다. 여기서, 층간절연막(112)은 산화막으로 형성하는 것이 바람직하다.Next, a
도 3c를 참조하면, 랜딩플러그 콘택 마스크(미도시)를 이용한 사진 식각공정으로 층간절연막(112)을 식각하여 랜딩플러그 콘택홀(미도시)을 형성한다. 그 다음, 랜딩플러그 콘택홀 및 게이트용 스페이서막(110) 표면에 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(114)을 형성한다. 여기서, 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(114)은 질화막(Si3N4)을 20~40Å의 두께로 형성한다.Referring to FIG. 3C, the
도 3d를 참조하면, 산소 라디컬을 이용한 플라즈마 공정을 수행하여 게이트용 스페이서막(110) 및 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(114)을 산화시켜 산화막(SiO2)(116)을 형성한다. 이때, 플라즈마 가스(115)의 주입 방향과 수직한 면, 즉 게이트(108) 상부와 랜딩플러그 콘택홀 저부의 게이트용 스페이서막(110) 및 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(114)의 산화가 플라즈마 가스의 주입 방향과 수평한 면, 즉 게이트(108) 측벽보다 더 빠르게 진행된다. 따라서, 게이트(108) 상부와 랜딩플 러그 콘택홀 저부에만 산화막(SiO2)(116)이 형성된다. 여기서, 플라즈마 공정은 0.3~1.0torr의 압력과 400~600℃의 온도 하에서 SiH4, H2, O2 및 He의 혼합 가스를 이용하여 수행하는 것이 바람직하다. 여기서, 혼합 가스 간의 반응, 즉 SiH4와 O2의 반응보다 게이트용 스페이서막(110) 및 랜딩플러그 콘택용 스페이서막(114), 즉 Si3N4와 O2의 반응을 더 우세하게 시킴으로써 Si3N4를 SiO2로 산화시킬 수 있다. 이때, 산화막(116)의 두께는 50~100Å인 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3D, an oxide film (SiO 2 ) 116 is formed by oxidizing the
도 3e를 참조하면, 산화막(116)을 제거한다. 여기서, 산화막(116)의 제거 공정은 습식 세정 공정으로 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 습식 세정 공정은 순수(DI water)와 HF를 25~30:1의 비율로 혼합한 용액으로 5~10초 동안 수행하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3E, the
도 3f를 참조하면, 랜딩플러그 콘택홀이 낫 오픈(not open) 되는 현상을 방지하기 위해 반도체 기판(100)을 일부 식각한다. 여기서, 반도체 기판(100)의 식각 공정은 실리콘에 대한 식각 선택비가 높은 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 반도체 기판(100)의 식각 공정은 100~120sccm의 HBr 가스와 3~5sccm의 O2 가스를 이용하여 5~10초 동안 수행하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 활성영역(102)은 100~200Å의 손실이 발생하는데 반해, 소자분리막(104)은 10Å 이하의 손실만이 발생한다. 따라서, 소자분리막(104)의 손실에 의해 게이트 폴리실리콘층(108a)이 노출되어 SAC 불량이 발생하는 현상을 방지할 수 있다. Referring to FIG. 3F, the
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라 면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.In addition, the preferred embodiment of the present invention is for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to various modifications, changes, substitutions and additions through the spirit and scope of the appended claims, such modifications and modifications are the following patents It should be regarded as belonging to the claims.
도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the prior art.
도 2는 종래기술에 따른 반도체 소자의 제조방법의 문제점을 도시한 사진.Figure 2 is a photograph showing a problem of the manufacturing method of a semiconductor device according to the prior art.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도시한 단면도.3A to 3F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with the present invention.
Claims (13)
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KR1020080065001A KR101010106B1 (en) | 2008-07-04 | 2008-07-04 | Method for manufacturing semiconductor device |
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KR1020080065001A KR101010106B1 (en) | 2008-07-04 | 2008-07-04 | Method for manufacturing semiconductor device |
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KR20100004688A KR20100004688A (en) | 2010-01-13 |
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ID=41814237
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2013151324A1 (en) * | 2012-04-03 | 2013-10-10 | Kim Beom Jin | Cradle for portable terminal |
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KR20080045960A (en) * | 2006-11-21 | 2008-05-26 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for fabricating landing plug in semiconductor device |
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2008
- 2008-07-04 KR KR1020080065001A patent/KR101010106B1/en not_active IP Right Cessation
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