KR20070050593A - Image sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플로팅 확산영역의 정전용량을 증가시켜 노이즈를 해결할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드로부터 생성된 광전하를 전달받아 저장하는 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역의 정전용량을 증가시키기 위해 상기 플로팅 확산영역과 병렬접속된 적어도 하나 이상의 캐패시터와, 상기 플로팅 확산영역과 상기 캐패시터에 축적된 전하를 증폭하여 출력하는 제1 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다. 또한, 기판 내에 형성된 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에 생성된 전하를 축적하도록 상기 기판 내에 형성된 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역과 접속되어 상기 플로팅 확산영역에 축적된 전하를 증폭하도록 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극을 덮도록 상기 게이트 전극 및 상기 플로팅 확산영역과 각각 접속된 복수의 컨택 플러그를 개재하여 형성된 제1 층간절연막과, 상기 컨택 플러그와 접속되도록 상기 제1 층간절연막 상에 형성된 캐패시터의 하부전극과, 상기 하부전극을 덮도록 상기 제1 층간절연막 상에 형성된 제2 층간절연막과, 상기 제2 층간절연막 상부에 형성된 캐패시터의 상부전극을 포함하는 이미지 센서를 제공한다. The present invention is to provide an image sensor and a method for manufacturing the same, which can solve the noise by increasing the capacitance of the floating diffusion region, a photodiode, a floating diffusion region for receiving and storing the photocharge generated from the photodiode and And an image sensor including at least one capacitor connected in parallel with the floating diffusion region to increase the capacitance of the floating diffusion region, and a first transistor for amplifying and outputting the charge accumulated in the floating diffusion region and the capacitor. To provide. And a photodiode formed in the substrate, a floating diffusion region formed in the substrate to accumulate charges generated in the photodiode, and an amplification of the charge accumulated in the floating diffusion region connected to the floating diffusion region. A first interlayer insulating film formed through a gate electrode formed through the plurality of contact plugs respectively connected to the gate electrode and the floating diffusion region to cover the gate electrode, and on the first interlayer insulating film to be connected to the contact plug. An image sensor includes a lower electrode of a formed capacitor, a second interlayer insulating layer formed on the first interlayer insulating layer to cover the lower electrode, and an upper electrode of a capacitor formed on the second interlayer insulating layer.
이미지 센서, 포토 다이오드, 플로팅 확산영역, 정전용량, 캐패시터, 병렬접속. Image sensor, photo diode, floating diffusion, capacitance, capacitor, parallel connection.
Description
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도.1 is a circuit diagram showing a unit pixel of a general CMOS image sensor.
도 2는 도 1에 대응되는 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 도시한 평면도.FIG. 2 is a plan view illustrating unit pixels of a CMOS image sensor corresponding to FIG. 1. FIG.
도 3은 도 2에 도시된 I-I' 절취선을 따라 도시된 단면도.3 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 2;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 도시한 회로도.4 is a circuit diagram illustrating a unit pixel of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 도 4에 대응되는 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도.FIG. 5 is a cross-sectional view of a CMOS image sensor corresponding to FIG. 4. FIG.
도 6은 도 4의 'A'와 같이 제2 캐패시터(C2)를 포함하지 않는 CMOS 이미지 센서의 단면도.FIG. 6 is a cross-sectional view of a CMOS image sensor that does not include a second capacitor C 2 , such as 'A' in FIG. 4.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위해 도시된 단면도.7 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
T : 트랜스퍼 트랜지스터 R : 리셋 트랜지스터T: transfer transistor R: reset transistor
D : 드라이브 트랜지스터 S : 셀렉트 트랜지스터D: drive transistor S: select transistor
C1, C2 : 캐패시터 110 : 기판C 1 , C 2 : Capacitor 110: Substrate
UP1, UP2, UP3 : 제1 내지 제3 영역 111 : 소자분리막UP 1 , UP 2 , UP 3 : first to third regions 111: device isolation layer
114 : 게이트 전극 116 : 플로팅 확산영역114: gate electrode 116: floating diffusion region
118 : 제1 층간절연막 118: first interlayer insulating film
119a, 119b, 119c : 제1 내지 제3 컨택 플러그119a, 119b, and 119c: first to third contact plugs
120 : 제1 금속층 120a, 125 : 캐패시터의 하부전극120:
121 : 제2 층간절연막 122, 127 : 캐패시터의 상부전극121: second interlayer
123 : 제3 층간절연막 124a, 124b : 제4 및 제5 컨택 플러그123: third interlayer
125 : 제4 층간절연막125: fourth interlayer insulating film
본 발명은 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 플로팅 확산영역의 정전용량을 제어하는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an image sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) image sensor for controlling the capacitance of a floating diffusion region and a method of manufacturing the same.
최근들어 디지털 카메라(digital camera)는 인터넷을 이용한 영상통신의 발전과 더불어 그 수요가 폭발적으로 증가하고 있는 추세에 있다. 더욱이, 카메라가 장착된 PDA(Personal Digital Assistant), IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000), CDMA(Code Division Multiple Access) 단말기 등과 같은 이동통신단말기의 보급이 증가됨에 따라 소형 카메라 모듈의 수요가 증가하고 있다. Recently, the demand of digital cameras is exploding with the development of video communication using the Internet. Moreover, the demand for small camera modules increases as the popularity of mobile communication terminals such as PDAs equipped with cameras, International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000), Code Division Multiple Access (CDMA) terminals, etc. increases. Doing.
카메라 모듈로는 기본적인 구성요소가 되는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 이미지 센서를 이용한 이미지 센서 모듈이 널리 보급되어 사용되고 있다. As a camera module, an image sensor module using a Charge Coupled Device (CCD) or a Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) image sensor, which are basic components, is widely used.
보편적으로, CMOS 이미지 센서는 단위 화소(Unit pixel) 내에 포토 다이오드(photo diode)와 MOS 트랜지스터를 형성시켜 스위칭 방식으로 차례로 신호를 검출함으로써 이미지를 구현하게 되는데, 현재 대부분의 CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 1개의 포토 다이오드와, 제어신호 Tx, Rx, Dx, Sx가 각각 게이트로 입력되는 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성된다.In general, a CMOS image sensor implements an image by forming a photodiode and a MOS transistor in a unit pixel and sequentially detecting a signal in a switching manner. Currently, a unit pixel of most CMOS image sensors is implemented. One photodiode and four NMOS transistors in which control signals Tx, Rx, Dx, and Sx are respectively input to the gate are configured.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서의 단위 화소를 도시한 회로도이다. 1 is a circuit diagram illustrating a unit pixel of a general CMOS image sensor.
도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 빛을 받아 광전하를 생성하는 하나의 포토 다이오드(Photo Diode)와, 포토 다이오드의 광전하를 제어하기 위한 제어부로 구성된다. 이때, 제어부는 포토 다이오드에서 모아진 광전하를 플로팅 확산(Floating Diffusion)영역으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(T), 플로팅 확산영역의 전위를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터(R), 플로팅 확산영역의 전위를 증폭하기 위하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)로 기능하는 드라이브 트랜지스터(D) 및 드라이브 트랜지스터(D)로부터 증폭된 신호를 출력하기 위하여 스위칭(Switching) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(S)로 구성된다. 여기서, 미도시된 나머지 트랜지스터는 바이어스 전압을 인가받는 로드(Load) 트랜지스터이다.Referring to FIG. 1, a unit pixel of a CMOS image sensor includes one photo diode that receives light and generates photocharges, and a controller for controlling the photocharges of the photodiode. At this time, the control unit amplifies the transfer transistor (T) for transporting the photocharge collected from the photodiode to the floating diffusion region, the reset transistor (R) for resetting the potential of the floating diffusion region, and the potential of the floating diffusion region. In order to output a signal amplified from the drive transistor (D) and the drive transistor (D), which functions as a source follower buffer amplifier (S), it is composed of a switching transistor (S) . Here, the other transistors not shown are load transistors to which a bias voltage is applied.
이와 같은 CMOS 이미지 센서의 단위화소는 네이티브 NMOSFET을 사용하여 포토다이오드에서 가시광선 파장대역의 광을 감지한 후, 감지된 광전하를 플로팅 확산영역으로, 즉 드라이브 트랜지스터(D)의 게이트로 전달할 양을 출력단(Vout)에서 전기적 신호로 출력한다.The unit pixel of the CMOS image sensor uses a native NMOSFET to detect light in the visible wavelength range of the photodiode, and then transfers the detected photocharge to the floating diffusion region, that is, the gate of the drive transistor D. Output as an electrical signal at the output terminal (Vout).
도 2는 도 1에 대응되는 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 I-I' 절취선을 따라 도시된 단면도이다. 이하, 도 3을 참조하여 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서에 대해 간략히 설명하기로 한다. FIG. 2 is a plan view illustrating unit pixels of a CMOS image sensor corresponding to FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 2. Hereinafter, a CMOS image sensor according to the related art will be briefly described with reference to FIG. 3.
도 3을 참조하면, 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서는 필드 영역(Field region)과 액티브 영역(Active region)을 정의하기 위한 소자분리막(11)이 형성된 액티브 영역의 기판(10) 내에 포토 다이오드(미도시) 및 플로팅 확산영역(16, FD)이 형성되어 있고, 기판(10) 상에는 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극(14)을 포함한 4개의 트랜지스터용 게이트 전극(미도시)이 각각 형성되어 있다. 여기서, 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극(14)은 하나의 금속배선(20)을 통해 플로팅 확산영역(16)과 전기적으로 연결된다. 또한, 금속배선(20)은 제1 및 제2 컨택플러그(19a, 19b)를 통해 각각 드라이브 트랜지스터용 게이트 전극(14) 및 플로팅 확산영역(16)과 접속된다.Referring to FIG. 3, a conventional CMOS image sensor includes a photodiode (not shown) in a
그러나, 이러한 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서는 CFD가 CPD에 비하여 현저히 작은 값을 갖을 경우, 즉 플로팅 확산영역의 정전용량(Cpacitance)이 포토 다이오드의 정전용량에 비해 현저히 작을 경우 트랜스퍼 트랜지스터(T)의 게이트가 턴온(Turn on)시에도 포토 다이오드 내의 전자들이 플로팅 확산영역으로 모두 전송되지 못하고 일부가 포토 다이오드 및/또는 트랜스퍼 트랜지스터(T)의 채널(Channel) 영역에 잔류하는 전하공유(Charge Sharing) 현상이 발생하는 문제점을 안고 있다. 이와 같은 전하공유 현상은 플리커 노이즈(Flicker Noise) 등과 같은 불필요한 노이즈를 유발하여 이미지 센서의 이미지 특성(Image Quality)을 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 이러한 노이즈를 해결하기 위해서는 CFD 값을 증가시켜야 한다.However, the CMOS image sensor according to the related art has a transfer transistor T when the C FD has a significantly smaller value than the C PD , that is, when the capacitance of the floating diffusion region is significantly smaller than that of the photodiode. Of the photodiode and the electrons in the photodiode are not transferred to the floating diffusion region, and some remain in the channel region of the photodiode and / or the transfer transistor T even when the gate of the circuit is turned on. ) There is a problem that occurs. Such a charge sharing phenomenon causes unnecessary noise such as flicker noise, which causes deterioration of image quality of the image sensor. Therefore, to solve this noise, the C FD value must be increased.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 플로팅 확산영역의 정전용량을 증가시켜 노이즈를 해결할 수 있는 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and to provide an image sensor and a method of manufacturing the same that can solve the noise by increasing the capacitance of the floating diffusion region.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 측면에 따른 본 발명은, 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드로부터 생성된 광전하를 전달받아 저장하는 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역의 정전용량을 증가시키기 위해 상기 플로팅 확산영역과 병렬접속된 적어도 하나 이상의 캐패시터와, 상기 플로팅 확산영역과 상기 캐패시터에 축적된 전하를 증폭하여 출력하는 제1 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a photodiode, a floating diffusion region for receiving and storing photocharges generated from the photodiode, and the floating to increase capacitance of the floating diffusion region. An image sensor including at least one capacitor connected in parallel with a diffusion region, and a first transistor for amplifying and outputting the charge accumulated in the floating diffusion region and the capacitor.
상기한 제1 측면에 따른 본 발명에 있어서, 상기 캐패시터가 적어도 두 개 이상이 접속된 경우에는 그들은 서로 병렬접속된다.In the present invention according to the first aspect described above, when at least two or more of the capacitors are connected, they are connected in parallel with each other.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 제2 측면에 따른 본 발명은, 기판 내에 형성된 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에 생성된 전하를 축적하도록 상기 기판 내에 형성된 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역과 접속되어 상기 플로팅 확산영역에 축적된 전하를 증폭하도록 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극을 덮도록 상기 게이트 전극 및 상기 플로팅 확산영역과 각각 접속된 복수의 컨택 플러그를 개재하여 형성된 제1 층간절연막과, 상기 컨택 플러그와 접속되도록 상기 제1 층간절연막 상에 형성된 캐패시터의 하부전극과, 상기 하부전극을 덮도록 상기 제1 층간절연막 상에 형성된 제2 층간절연막과, 상기 제2 층간절연막 상부에 형성된 캐패시터의 상부전극을 포함하는 이미지 센서를 제공한다. According to a second aspect of the present invention, there is provided a photodiode formed in a substrate, a floating diffusion region formed in the substrate so as to accumulate charge generated in the photodiode, and a floating diffusion region. A first interlayer insulating film formed through a gate electrode formed on the substrate to amplify the charge accumulated in the floating diffusion region, and a plurality of contact plugs respectively connected to the gate electrode and the floating diffusion region to cover the gate electrode. A lower electrode of a capacitor formed on the first interlayer insulating film so as to be connected to the contact plug, a second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film to cover the lower electrode, and an upper portion of the second interlayer insulating film. Provided is an image sensor including an upper electrode of a capacitor.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 제3 측면에 따른 본 발명은, 제1 내지 제3 화소가 형성될 제1 내지 제3 영역으로 정의된 기판과, 상기 제1 내지 제3 영역의 상기 기판 내에 각각 형성된 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에 생성된 전하를 축적하도록 상기 기판 내에 각각 형성된 플로팅 확산영역과, 상기 플로팅 확산영역과 접속되어 상기 플로팅 확산영역에 축적된 전하를 증폭하도록 상기 기판 상 에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극을 포함하는 전체 구조 상부를 덮도록 형성된 제1 층간절연막과, 상기 게이트 전극과 접속되도록 상기 제1 층간절연막 내에 형성된 제1 컨택 플러그 및 상기 플로팅 확산영역과 접속되도록 상기 제1 층간절연막 내에 형성된 제2 및 제3 컨택 플러그와, 상기 제1 내지 제3 영역의 상기 제1 내지 제3 컨택 플러그와 각각 접속되도록 상기 제1 층간절연막 상에 형성되되, 상기 제3 영역에서는 서로 분리되어 각각 상기 제2 및 제3 컨택 플러그와 접속된 제1 금속층과, 상기 제1 금속층을 덮도록 형성된 제2 층간절연막과, 상기 제2 및 제3 영역의 상기 제2 층간절연막 상에 형성된 제2 금속층과, 상기 제2 금속층을 덮도록 상기 제2 층간절연막 상의 전면에 형성된 제3 층간절연막과, 상기 제3 영역의 상기 제2 금속층 및 상기 제3 컨택 플러그와 접속된 상기 제1 금속층과 각각 접속되도록 상기 제3 영역의 상기 제3 층간절연막 내에 형성된 제4 및 제5 컨택 플러그와, 상기 제4 및 제5 컨택 플러그와 접속되도록 상기 제3 영역의 상기 제3 층간절연막 상에 형성된 제3 금속층과, 상기 제3 금속층 상에 차례로 적층된 제4 층간절연막 및 제4 금속층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.In addition, the present invention according to the third aspect for achieving the above object, each of the substrate defined by the first to third region where the first to third pixels are to be formed, and in the substrate of the first to third region, respectively A photodiode formed, a floating diffusion region formed in the substrate so as to accumulate charges generated in the photodiode, and a gate electrode formed on the substrate so as to amplify the charge accumulated in the floating diffusion region connected to the floating diffusion region. A first interlayer insulating film formed to cover the entire structure including the gate electrode, a first contact plug formed in the first interlayer insulating film to be connected to the gate electrode, and the first interlayer insulating film to be connected to the floating diffusion region. Second and third contact plugs formed in the insulating film, and the first to third contact plugs of the first to third regions, respectively. A first metal layer formed on the first interlayer insulating film to be connected to the first interlayer insulating film, the first metal layer being separated from each other and connected to the second and third contact plugs, and a second interlayer insulating film formed to cover the first metal layer; A second metal layer formed on the second interlayer insulating film in the second and third regions, a third interlayer insulating film formed on an entire surface of the second interlayer insulating film so as to cover the second metal layer, and Fourth and fifth contact plugs formed in the third interlayer insulating film in the third region so as to be connected to the second metal layer and the first metal layer connected to the third contact plug, and the fourth and fifth contact plugs; An image sensor includes a third metal layer formed on the third interlayer insulating film in the third region so as to be connected, and a fourth interlayer insulating film and a fourth metal layer sequentially stacked on the third metal layer.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 제4 측면에 따른 본 발명은, 제1 내지 제3 화소가 형성될 제1 내지 제3 영역으로 정의된 기판 상에 복수의 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 제1 내지 제3 영역의 상기 기판 내에 각각 포토 다이오드 및 플로팅 확산영역을 형성하는 단계와, 상기 게이트 전극을 덮도록 상기 기판 상에 제1 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1 층간절연막 내에 상기 게이트 전극 중 상기 플로팅 확산영역에 축적된 전하를 증폭하기 위한 게이트 전극과 접속되는 제1 컨택 플러그 및 상기 플로팅 확산영역과 접속되는 제2 및 제3 컨택 플러그를 각각 형성하는 단계와, 상기 제1 내지 제3 컨택 플러그를 포함한 상기 제1 층간절연막 상에 제1 금속층을 증착하는 단계와, 상기 제3 영역에서 상기 제1 금속층이 서로 분리되도록 상기 제3 영역에 형성된 상기 제2 및 제3 컨택 플러그 간 영역과 대응되는 영역의 상기 제1 금속층을 식각하는 단계와, 상기 제1 금속층을 덮도록 상기 제1 층간절연막 상에 제2 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제2 및 제3 영역의 상기 제2 층간절연막 상에 각각 제2 금속층을 형성하는 단계와, 상기 제2 금속층을 덮도록 상기 제1 내지 제3 영역의 상기 제2 층간절연막 상에 제3 층간절연막을 형성하는 단계와, 상기 제3 영역의 상기 제2 금속층 및 상기 제3 컨택 플러그와 접속된 상기 제1 금속층과 각각 접속되도록 상기 제3 영역의 상기 제3 층간절연막 내에 제4 및 제5 컨택 플러그를 형성하는 단계와, 상기 제4 및 제5 컨택 플러그와 접속되도록 상기 제3 영역의 상기 제3 층간절연막 상에 제3 금속층을 형성하는 단계와, 상기 제3 영역의 상기 제3 금속층 상에 차례로 제4 층간절연막 및 제4 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서 제조방법을 제공한다.In addition, according to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of forming a plurality of gate electrodes on a substrate defined by first to third regions in which first to third pixels are to be formed. Forming a photodiode and a floating diffusion region in the substrate in the first to third regions, respectively, forming a first interlayer insulating film on the substrate to cover the gate electrode, and forming the gate in the first interlayer insulating film. Forming a first contact plug connected to a gate electrode for amplifying the charge accumulated in the floating diffusion region, and second and third contact plugs connected to the floating diffusion region, respectively; Depositing a first metal layer on the first interlayer insulating film including a third contact plug, and separating the first metal layer from each other in the third region Etching the first metal layer in a region corresponding to the formed inter-connected second and third contact plug regions, forming a second interlayer dielectric layer on the first interlayer dielectric layer to cover the first metal layer; Forming a second metal layer on the second interlayer insulating film in the second and third regions, respectively, and forming a third interlayer on the second interlayer insulating film in the first to third regions so as to cover the second metal layer. Forming an insulating film, and forming fourth and fifth contacts in the third interlayer insulating film of the third region so as to be connected to the second metal layer of the third region and the first metal layer connected to the third contact plug, respectively. Forming a plug, forming a third metal layer on the third interlayer insulating film in the third region so as to be connected to the fourth and fifth contact plugs, and on the third metal layer in the third region Fourth layer in turn Providing an insulating film and a method of manufacturing an image sensor, comprising the step of forming the metal layer 4.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상 에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. In addition, in the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity, and if a layer is said to be on another layer or substrate it may be formed directly on another layer or substrate or Or a third layer may be interposed therebetween. In addition, the same reference numerals throughout the specification represent the same components.
실시예Example
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위화소를 도시한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드(PD)와, 포토 다이오드로부터 생성된 광전하를 전달받아 저장하는 플로팅 확산영역과, 플로팅 확산영역의 정전용량(CFD)을 증가시키기 위해 플로팅 확산영역과 병렬접속된 적어도 하나 이상의 캐패시터(C1, C2; 이하, 제1 및 제2 캐패시터라 함)와, 플로팅 확산영역과 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)에 축적된 전하를 증폭하여 출력하는 드라이브 트랜지스터(D)를 포함한다. 4 is a circuit diagram illustrating a unit pixel of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention includes a photodiode (PD), a floating diffusion region for receiving and storing photocharges generated from the photodiode, and a capacitance (C FD) of the floating diffusion region. ) At least one capacitor C 1 , C 2 (hereinafter referred to as first and second capacitors) connected in parallel with the floating diffusion region, and the floating diffusion region and the first and second capacitors C 1 , And a drive transistor D for amplifying and outputting the charge accumulated in the C 2 ).
또한, 전원전압단(VDD)과 플로팅 확산영역 사이에 접속되어 플로팅 확산영역을 리셋시키는 리셋 트랜지스터(R)와, 드라이브 트랜지스터(D)를 통해 증폭된 신호를 출력하기 위하여 스위칭 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(S) 및 포토 다이오드의 광전하를 플로팅 확산영역으로 전달하기 위해 포토 다이오드와 플로팅 확산영역 사이에 접속된 트랜스퍼 트랜지스터(T)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 미도시된 나머지 트랜지스터는 바이어스 전압을 인가받는 로드(Load) 트랜지스터이다.In addition, a reset transistor (R) connected between the power supply voltage terminal (V DD ) and the floating diffusion region to reset the floating diffusion region, and a select for performing a switching role to output the amplified signal through the drive transistor (D). The semiconductor device may further include a transfer transistor T connected between the photodiode and the floating diffusion region to transfer the photocharges of the transistor S and the photodiode to the floating diffusion region. Here, the other transistors not shown are load transistors to which a bias voltage is applied.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 캐패시터가 두 개 이상이 접속된 경우에는 그들끼리 서로 병렬접속되므로, 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)는 서로 병렬접속된다. In particular, according to the embodiment of the present invention, when two or more capacitors are connected, they are connected in parallel with each other, so that the first and second capacitors C 1 and C 2 are connected in parallel with each other.
도 4에서는, 일례로 4-Tr 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서를 도시하였으나, 포토 다이오드 및 플로팅 확산영역을 포함하는 모든 이미지 센서에 적용 가능하다. 즉, 3-Tr 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서에도 적용가능하다. 3-Tr 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서의 경우에는 트랜스퍼 트랜지스터(T)를 포함하지 않는다. 또한, 4-Tr 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서의 단위화소는 도 4에서와 같이 1개의 포토 다이오드와, 제어신호 Tx, Rx, Dx, Sx가 각각 게이트로 입력되는 4개의 NMOS 트랜지스터(T, R, D, S)로 구성된다.In FIG. 4, a CMOS image sensor having a 4-Tr structure is illustrated as an example, but is applicable to all image sensors including a photodiode and a floating diffusion region. That is, it is also applicable to a CMOS image sensor having a 3-Tr structure. The CMOS image sensor having a 3-Tr structure does not include a transfer transistor (T). In addition, the unit pixel of the CMOS image sensor having a 4-Tr structure includes one photodiode and four NMOS transistors (T, R, respectively) in which control signals Tx, Rx, Dx, and Sx are respectively input to the gate. D, S).
한편, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서는 포토 다이오드의 정전용량(CPD)에 비해 현저히 작은 플로팅 확산영역의 정전용량(CFD)을 증가시키기 위해 하나의 제1 캐패시터(C1)만을 형성('A'와 같이 제2 캐패시터(C2) 형성하지 않음)할 수도 있다.Meanwhile, the CMOS image sensor according to the embodiment of the present invention has only one first capacitor C 1 to increase the capacitance C FD of the floating diffusion region which is significantly smaller than the capacitance C PD of the photodiode. It may be formed (not forming the second capacitor C 2 , such as 'A').
즉, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 플로팅 확산영역에 적어도 하나 이상의 캐패시터(C1, C2)를 추가로 병렬접속시킴으로써, 플로팅 확산영역의 정전용량(CFD)을 증가시킬 수 있다. 이를 통해, 포토 다이오드 내의 전자들이 플로팅 확산영역으로 모두 전송되지 못하고 일부가 포토 다이오드 및/ 또는 트랜스퍼 트랜지스터(T)의 채널 영역에 잔류하는 전하공유 현상 발생을 미연에 방지하여 이미지 센서의 노이즈를 해결할 수 있다.That is, the image sensor according to the embodiment of the present invention may increase the capacitance C FD of the floating diffusion region by additionally connecting at least one capacitor C 1 and C 2 to the floating diffusion region in parallel. Through this, the electrons in the photodiode cannot be transferred to the floating diffusion region, and some of the charge sharing phenomenon in which some of the electrons remain in the channel region of the photodiode and / or the transfer transistor T can be prevented. have.
도 5는 도 4에 대응되는 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이다. 즉, 도 4에서와 같이 플로팅 확산영역에 병렬접속되어 형성된 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)를 모두 포함하는 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating a CMOS image sensor corresponding to FIG. 4. That is, a cross-sectional view of a CMOS image sensor including both first and second capacitors C 1 and C 2 formed in parallel to the floating diffusion region as shown in FIG. 4.
도 5를 참조하면, 소자분리막(111)이 형성된 기판(110) 내에는 포토 다이오드(미도시) 및 포토 다이오드에 생성된 전하를 축적하도록 플로팅 확산영역(116, FD)이 형성된다. 또한, 기판(110) 상에는 플로팅 확산영역(116)과 전기적으로 접속되어 플로팅 확산영역(116)에 축적된 전하를 증폭하도록 드라이브 트랜지스터의 게이트 전극(114)이 형성되고, 게이트 전극(110) 상에는 게이트 전극(114)을 덮도록 게이트 전극(114) 및 플로팅 확산영역(116)과 각각 접속된 복수의 컨택 플러그(119a, 119b, 119c ; 이하, 제1 내지 제3 컨택 플러그라 함)를 개재한 제1 층간절연막(118)이 형성된다.Referring to FIG. 5, a floating diffusion region 116 (FD) is formed in the
그리고, 제1 층간절연막(118) 상에는 제1 및 제2 컨택 플러그(119a, 119b)와 동시에 접속되는 캐패시터의 하부전극(120a; 이하 제1 하부전극)이 형성된다. 바람직하게는, 제1 층간절연막(118) 상에서 제1 하부전극(120a)과 분리되도록 제1 하부전극(120a)과 동일층 상에는 제3 컨택 플러그(119c)와 접속된 금속층(120)이 더 형성된다. A
또한, 제1 하부전극(120a) 및 금속층(120)을 모두 덮도록 형성된 제2 층간절연막(121) 상에는 캐패시터의 상부전극(122; 이하, 제1 상부전극이라 함)이 형성된다. 이로써, 제1 하부전극(120a)/제2 층간절연막(121)/제1 상부전극(122)이 차례로 적층된 구조의 제1 캐패시터(C1)가 형성된다.In addition, an upper electrode 122 (hereinafter, referred to as a first upper electrode) of a capacitor is formed on the second
또한, 제1 상부전극(122)을 덮도록 제2 층간절연막(121) 상의 전면에는 제3 층간절연막(123)이 형성되고, 제3 층간절연막(123) 내에는 제1 상부전극(122) 및 금속층(120)과 각각 접속되도록 제4 및 제5 컨택 플러그(124a, 124b)가 형성된다. In addition, a third
또한, 제3 층간절연막(123) 상에는 제4 및 제5 컨택 플러그(124a, 124b)와 접속되도록 캐패시터의 하부전극(125; 이하, 제2 하부전극이라 함)/제4 층간절연막(126)/캐패시터의 상부전극(127; 이하, 제2 상부전극이라 함)이 차례로 적층된 구조의 제2 캐패시터(C2)가 형성된다.The lower electrode 125 (hereinafter referred to as a second lower electrode) / fourth
이로써, 플로팅 확산영역(116)과 병렬접속되되 그들 간에도 서로 병렬접속된 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)가 완성된다. 이러한 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)를 형성함으로써, 플로팅 확산영역(116)의 전체적인 정전용량을 증가시킬 수 있다. As a result, first and second capacitors C 1 and C 2 connected in parallel with the floating
도 6은 도 4의 'A'와 같이 제2 캐패시터(C2)를 포함하지 않는 CMOS 이미지 센서의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 소자분리막(111)이 형성된 기판(110) 내에는 포토 다이오드(미도시) 및 포토 다이오드에 생성된 전하를 축적하도록 플로팅 확산영역(116, FD)이 형성된다. 또한, 기판(110) 상에는 플로팅 확산영역(116)과 전기적으로 접속되어 플로팅 확산영역(116)에 축적된 전하를 증폭하도록 드라이브 트랜지스터의 게이트 전극(114)이 형성되고, 게이트 전극(110) 상에는 게이트 전극(114)을 덮도록 게이트 전극(114) 및 플로팅 확산영역(116)과 각각 접속된 복수의 컨택 플러그(119a, 119b, 119c ; 이하, 제1 내지 제3 컨택 플러그라 함)를 개재한 제1 층간절연막(118)이 형성된다.FIG. 6 is a cross-sectional view of a CMOS image sensor that does not include a second capacitor C 2 , such as 'A' in FIG. 4. Referring to FIG. 6, in the
또한, 제1 층간절연막(118) 상에는 제1 및 제2 컨택 플러그(119a, 119b)와 동시에 접속되는 캐패시터의 하부전극(120a)과, 제3 컨택 플러그(119c)와 접속되는 금속층(120)이 각각 형성된다. In addition, on the first
또한, 캐패시터의 하부전극(120a) 및 금속층(120)을 덮도록 형성된 제2 층간절연막(121) 상에는 캐패시터의 상부전극(122)이 형성된다. 이로써, 하부전극(120a)/제2 층간절연막(121)/상부전극(122)으로 이루어진 제1 캐패시터(C1)가 형성된다.In addition, an
이로써, 플로팅 확산영역(116)과 병렬접속된 제1 캐패시터(C1)가 완성된다. 이러한 제1 캐패시터(C1)를 형성함으로써, 플로팅 확산영역(116)의 전체적인 정전용량을 증가시킬 수 있다. As a result, the first capacitor C 1 connected in parallel with the floating
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기 위해 도시된 단면도이다. 이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 다른 CMOS 이미지 센서 제조방법을 설명하기로 한다.7 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7.
먼저, 제1 내지 제3 단위화소(Unit Pixel, UP)가 형성될 제1 내지 제3영역(UP1, UP2, UP3)으로 정의된 기판(110)을 제공한다. 여기서, 제1 내지 제3 영역(UP1, UP2, UP3)은 각 영역별로 플로팅 확산영역의 정전용량이 서로 다르다. 예컨대, 제1, 제2 및 제3 영역(UP1, UP2, UP3) 순으로 정전용량이 증가한다. First, the
이어서, 제1 내지 제3 영역(UP1, UP2, UP3)의 기판(110) 상에 복수의 게이트 전극(114 포함)을 각각 형성한다. 예컨대, 4-Tr 구조를 갖는 경우 드라이브 트랜지스터를 포함한 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 및 셀렉트 트랜지스터의 게이트 전극을 제1 내지 제3 영역별로 각각 형성한다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 플로팅 확산영역에 축적된 전하를 증폭하기 위한 드라이브 트랜지스터의 게이트 전극(114)만을 도시하기로 한다.Subsequently, a plurality of
이어서, 마스크 공정 및 불순물 이온주입공정을 실시하여 제1 내지 제3 영역(UP1, UP2, UP3)의 기판(110) 내에 각각 포토 다이오드(미도시)를 형성한다. 그런 다음, 포토 다이오드에 생성된 전하를 축적하도록 제1 내지 제3 영역(UP1, UP2, UP3)의 기판(110) 내에 각각 플로팅 확산영역(116)을 형성한다.Next, a photodiode (not shown) is formed in each of the
이어서, 게이트 전극(114)을 덮도록 기판(110) 상에 제1 층간절연막(118)을 형성한다. 이때, 제1 층간절연막(118)은 산화막 계열의 물질로 형성한다. 예컨대, 제 1 층간절연막(118)은 HDP(High Density Plasma) 산화막, BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)막, PSG(Phosphorus Silicate Glass)막, PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyle Ortho Silicate)막, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)막, USG(Un-doped Silicate Glass)막, FSG(Fluorinated Silicate Glass)막, CDO(Carbon Doped Oxide)막 및 OSG(Organic Silicate Glass)막 중 어느 하나를 이용하여 단층막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성한다.Subsequently, a first
이어서, 마스크 공정 및 식각공정을 실시하여 제1 내지 제3 영역(UP1, UP2, UP3)의 제1 층간절연막(118) 내에 게이트 전극(114)의 일부를 노출시키는 제1 컨택홀(미도시)과 플로팅 확산영역(116)의 일부를 노출시키는 제2 및 제3 컨택홀(미도시)을 각각 형성한다.Next, a first contact hole exposing a part of the
이어서, 제1 내지 제3 컨택홀이 매립되도록 제1 층간절연막(118) 상에 플러그(Plug) 물질을 증착한 후, 이를 평탄화하여 제1 내지 제3 영역(UP1, UP2, UP3)의 제1 층간절연막(118) 내에 게이트 전극(114)과 접속되는 제1 컨택 플러그(119a) 및 플로팅 확산영역(116)과 접속되는 제2 및 제3 컨택 플러그(119b, 119c)를 각각 형성한다.Subsequently, a plug material is deposited on the first
이어서, 제1 내지 제3 컨택 플러그(119a, 119b, 119c)를 포함한 제1 층간절연막(118) 상에 금속층(120; 이하, 제1 금속층이라 함)을 증착한다. Subsequently, a metal layer 120 (hereinafter, referred to as a first metal layer) is deposited on the first
이어서, 마스크 공정 및 식각공정을 실시하여 제3 영역(UP3)에서 제1 금속층(120)이 서로 분리되도록 제3 영역(UP3)에 형성된 제2 및 제3 컨택 플러그(119b, 119c) 사이와 대응되는 영역의 제1 금속층(120)을 식각한다. 이로써, 제3 영역(UP3)의 제1 층간절연막(118) 상에는 제1 및 제2 컨택 플러그(119a, 119b)를 서로 전기적으로 접속시키는 캐패시터의 하부전극(120a; 이하, 제1 하부전극이라 함)이 형성되고, 제1 하부전극(120a)의 일측으로 노출된 제1 층간절연막(118) 상에는 제1 하부전극(120a)과 일정 거리 이격되어 제1 금속층(120)이 잔류한다. Then, between the third area (UP 3) the second and third contact plugs (119b, 119c) formed in the third region (UP 3) such that the
바람직하게는, 제1 금속층(120)은 제3 영역(UP3) 뿐만 아니라 제2 영역(UP2)에서도 서로 분리되도록 제2 영역(UP2)에 형성된 제2 및 제3 컨택 플러그(119b, 119c) 사이와 대응되는 영역의 제1 금속층(120)을 식각한다. Preferably, the second and third contact plugs 119b formed in the second region UP 2 are separated from each other not only in the third region UP 3 but also in the second region UP 2 . The
이어서, 제1 금속층(120) 및 제1 하부전극(120a)을 덮도록 제1 층간절연막(118) 상 전면에 제2 층간절연막(121)을 형성한다. Subsequently, a second
이어서, 제2 층간절연막(121) 상에 금속층(122; 이하, 제2 금속층이라 함)을 증착한 후, 마스크 공정 및 식각공정을 실시하여 제1 영역(UP1)의 제2 금속층(122)을 식각하고, 제2 및 제3 영역(UP2, UP3)의 제2 금속층(122)을 잔류시킨다. 이로써, 제2 및 제3 영역의 제2 층간절연막(121) 상에는 캐패시터의 상부전극(122; 이하, 제1 상부전극이라 함)이 형성된다. Subsequently, after depositing the metal layer 122 (hereinafter, referred to as a second metal layer) on the second
따라서, 제1 영역(UP1)보다 더 큰 정전용량을 갖는 제2 및 제3 영역(UP2, UP3)에 제1 하부전극(120a)/제2 층간절연막(121)/제1 상부전극(122)이 적층된 구조로 이루어진 캐패시터(C1, 이하, 제1 캐패시터라 함)를 형성할 수 있다. 이를 통해, 제2 및 제3 영역(UP3)에서는 전체적으로 제1 영역(UP1)의 정전용량에 제1 캐패시터(C1)의 정전용량이 더해진 정전용량(CFD+C1)을 얻을 수 있다.Therefore, the first
이어서, 제1 상부전극(122)을 덮도록 제1 내지 제3 영역(UP1, UP2, UP3)의 제2 층간절연막(121) 상에 제3 층간절연막(123)을 형성한다. 그런 다음, 제3 영역 (UP3)의 제1 상부전극(122) 및 금속층(120)과 각각 접속되도록 제3 영역(UP3)의 제3 층간절연막(123) 내에 제4 및 제5 컨택 플러그(124a, 124b)를 형성한다.Subsequently, a third
이어서, 제4 및 제5 컨택 플러그(124a, 124b)를 포함한 제3 층간절연막(123) 상 전면에 금속층(미도시; 이하, 제3 금속층이라 함)을 증착한 후, 제3 금속층의 일부를 선택적으로 식각하여 제1 및 제2 영역(UP1, UP2)의 제3 금속층을 제거한다. 이로써, 제3 영역(UP3)에만 잔류하는 캐패시터의 하부전극(125; 이하, 제2 하부전극이라 함)이 형성된다.Subsequently, a metal layer (not shown; hereinafter referred to as a third metal layer) is deposited on the entire surface of the third
이어서, 제2 하부전극(125)을 포함한 전체 구조 상부의 단차를 따라 제4 층간절연막(126) 및 금속층(미도시; 이하, 제4 금속층이라 함)을 순차적으로 증착한다. 그런 다음, 마스크 공정 및 식각공정을 실시하여 제1 및 제2 영역(UP1, UP2)의 제4 금속층 및 제4 층간절연막(126)을 식각한다. 이로써, 제3 영역(UP3)의 제4 층간절연막(126) 상에 캐패시터의 상부전극(127; 이하, 제2 상부전극이라 함)이 형성된다.Subsequently, a fourth
따라서, 제2 영역(UP2)보다 더 큰 정전용량을 갖는 제3 영역(UP3)에만 제2 하부전극(125)/제4 층간절연막(126)/제2 상부전극(127)이 적층된 구조의 캐패시터(C2; 이하, 제2 캐패시터라 함)가 형성된다. 이를 통해, 제3 영역(UP3)에서는 전체적으로 제1 영역(UP1)의 정전용량에 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)의 정전용량이 더 해진 정전용량(CFD+C1+C2)을 얻을 수 있다.Accordingly, the second
이렇듯, 본 발명의 실시예에서는 플로팅 확산영역의 정전용량이 서로 다른 단위화소 영역 별로 각각의 정전용량을 제어하기 위하여, 플로팅 확산영역에 병렬접속되는 캐패시터의 갯수를 선택적으로 조절한다. 예컨대, 플로팅 확산영역의 정전용량을 증가시킬 필요가 없는 단위화소 영역에는 캐패시터를 형성하지 않고 플로팅 확산영역의 정전용량을 증가시킬 필요가 있는 단위화소 영역에는 원하는 정전용량의 증가량만큼 형성되는 캐패시터의 갯수를 증가시킨다. As described above, in the embodiment of the present invention, in order to control each capacitance for each unit pixel region having a different capacitance of the floating diffusion region, the number of capacitors connected in parallel to the floating diffusion region is selectively adjusted. For example, the number of capacitors formed in the unit pixel region in which it is necessary to increase the capacitance in the floating diffusion region without increasing the capacitance in the unit pixel region in which the capacitance of the floating diffusion region does not need to be increased is increased by the desired capacitance. To increase.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 플로팅 확산영역에 적어도 하나 이상의 캐패시터를 추가로 병렬접속시킴으로써, 플로팅 확산영역의 정전용량을 증가시킬 수 있다. 이를 통해, 포토 다이오드 내의 전자들이 플로팅 확산영역으로 모두 전송되지 못하고 일부가 포토 다이오드 및/또는 트랜스퍼 트랜지스터의 채널영역에 잔류하는 전하공유 현상의 발생을 미연에 방지하여 이미지 센서의 노이즈를 해결할 수 있다. 따라서, 이미지 특성이 개선된 이미지 센서를 형성할 수 있다.As described above, according to the present invention, by further connecting at least one capacitor to the floating diffusion region in parallel, the capacitance of the floating diffusion region can be increased. Through this, the electrons in the photodiode are not all transferred to the floating diffusion region, and some of the charge sharing phenomena remaining in the channel region of the photodiode and / or the transfer transistor can be prevented, thereby solving the noise of the image sensor. Therefore, it is possible to form an image sensor having improved image characteristics.
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KR1020050107977A KR20070050593A (en) | 2005-11-11 | 2005-11-11 | Image sensor and method for manufacturing the same |
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Cited By (2)
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KR20180096836A (en) * | 2017-02-20 | 2018-08-30 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Image sensor and method for operation the same |
CN114173071A (en) * | 2018-03-09 | 2022-03-11 | 半导体元件工业有限责任公司 | Dual conversion gain circuit with buried channel |
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2005
- 2005-11-11 KR KR1020050107977A patent/KR20070050593A/en not_active Application Discontinuation
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