KR20080002607A - Method for manufacturing semiconductor device having bulb-type recessed channel - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래 기술에 따른 벌브 타입의 리세스 채널을 갖는 반도체 소자를 개략적으로 나타내보인 도면이다.1 is a schematic view of a semiconductor device having a bulb type recess channel according to the prior art.
도 2a 내지 도 10은 본 발명에 따른 벌브 타입의 리세스 채널을 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.2A to 10 are views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a bulb type recess channel according to the present invention.
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 벌브 타입의 리세스 채널을 갖는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor device having a bulb type recess channel.
최근 집적회로 반도체소자의 집적도가 증가하고 디자인 룰(design rule)이 급격하게 감소함에 따라 트랜지스터의 안정적인 동작을 확보하는데 어려움이 증대되고 있다. 특히 반도체 소자의 디자인 룰이 70nm급 이하로 감소함에 따라 트랜지스터의 사이즈 또한 줄어들면서 셀 문턱전압(Vt)과 리프레시(refresh) 특성 마진이 한계점에 이르고 있다. 특히, 현재 상용화되고 있는 고속 DDR2(Double Data Rate) DRAM 제품은 기존 DDR DRAM 제품에 비해 고온에서 테스트 조건을 설정함으로써 데이터 보유 시간(Data retention time)이 급격하게 감소하고 있다. Recently, as the degree of integration of integrated circuit semiconductor devices has increased and design rules have sharply decreased, it is increasingly difficult to secure stable operation of transistors. In particular, as the design rules of semiconductor devices are reduced to 70 nm or less, the size of transistors is also reduced, leading to a threshold of cell threshold voltage (Vt) and refresh characteristics. In particular, high-speed DDR2 (Double Data Rate) DRAM products, which are currently commercially available, have dramatically reduced data retention time by setting test conditions at high temperatures compared to conventional DDR DRAM products.
이에 따라 디자인 룰의 증가 없이 유효채널의 길이를 보다 더 확보하는 방법들이 다양하게 연구되고 있다. 이와 같이 유효 채널의 길이를 확보하는 방법 가운데 제한된 게이트선폭에 대해 채널의 길이를 보다 확장시켜 주는 구조로서, 2단계의 식각공정을 이용하여 벌브 타입(bulb type)의 리세스 채널을 갖는 반도체소자를 형성하여 채널의 길이를 보다 연장시키려는 시도가 이루어지고 있다. Accordingly, various methods for securing the effective channel length without increasing the design rule have been studied in various ways. As a method of securing the effective channel length as described above, the length of the channel is further extended for the limited gate line width. Attempts have been made to further extend the length of the channels.
도 1은 종래 기술에 따른 벌브 타입의 리세스 채널을 갖는 반도체 소자를 개략적으로 나타내보인 도면이다.1 is a schematic view of a semiconductor device having a bulb type recess channel according to the prior art.
도 1을 참조하면, 벌브 타입의 리세스 채널을 갖는 반도체 소자는 소자분리막(12)에 의해 활성 영역이 설정된 반도체 기판(10) 내에 상단부(20a)가 목(neck) 형상으로 이루어지고, 하단부(20b)가 구(sphere) 형상으로 이루어진 벌브 타입의 리세스 채널(20)이 배치된다. 그리고 상기 벌브 타입의 리세스 채널(20)과 중첩하여 게이트 절연막(14) 및 게이트 전극(16)을 포함하는 게이트 스택(18)이 배치되어 있다. Referring to FIG. 1, in a semiconductor device having a bulb type recess channel, an
이러한 벌브 타입의 리세스 채널(20)은, 2단계로 식각 공정을 나누어 실시함으로써 구현된다. 이와 같은 2단계 식각은 상단부의 임계치수(CD; Critical Dimension)는 동일하게 유지하면서 하단부는 구(sphere) 형태로 형성하여 유효 채널 길이를 증가시킨다. 이러한 유효 채널의 증가는 셀 문턱전압을 증가시키고, 이로 인해 정상적인 셀 트랜지스터 동작에 필요한 적정 셀 문턱전압을 셀 채널이온의 도즈량으로 조절할 수 있다. 이러한 셀 문턱전압을 셀 채널이온의 도즈량으로 조절할 경우, 셀 정션에서의 전계(electric field) 감소 효과가 있고, 이에 따라 리프레시 특성을 향상시킬 수 있다.The bulb
한편, 하단부를 구 형태로 구현하기 위한 식각과정에서 배리어막으로 고온열산화막(HTO; High Thermal Oxide)을 이용하고 있다. 배리어막은 상단부의 목(neck) 형성부 측벽의 실리콘을 보호하는 역할을 한다. 그런데 이러한 배리어막의 마진이 부족할 경우, 식각 과정에서 트렌치 영역 상부의 실리콘이 노출되면서 어택(Si-attack)의 위험에 노출될 수 있다. 특히 상단부의 목(neck)이 형성되는 영역 상부(A)의 소자분리막의 산화막 손실(loss)이 가장 크게 발생하고, 이에 따라 실리콘 어택의 가능성이 가장 높아진다. Meanwhile, high thermal oxide (HTO) is used as a barrier layer in the etching process for implementing the lower portion in the form of a sphere. The barrier film serves to protect the silicon on the sidewalls of the neck formation of the upper end. However, when the margin of the barrier layer is insufficient, the silicon on the trench region may be exposed during the etching process, and thus may be exposed to the risk of attack. In particular, the largest loss of the oxide film of the device isolation layer in the region A in which the neck of the upper end is formed occurs, and thus the possibility of silicon attack is the highest.
또한, 1단계 식각 및 2단계 식각이 진행되는 동안에 소자분리막(12)의 손실 또한 증가하여 소자분리막과 활성 영역간의 단차가 완화된다. 이에 따라 소자분리막 위에 형성되어 이웃하는 활성 영역을 제어해야 할 게이트가 바로 옆의 활성 영역과 일부분 중첩하여 지나가게(passing) 형성되는 바, 이러한 패싱 게이트(passing gate)에 의해 인접하는 정션 영역에 전계가 집중되어 정션 누설 전류(junction leakage current)가 증가할 수 있다. 이에 따라, 벌브 타입의 리세스 채널을 포함하는 트랜지스터의 장점과 함께 셀 문턱전압의 마진을 확보하여 리프레시 특성을 향상시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.In addition, the loss of the
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 소자분리막의 손실을 최소화하여 패싱 게이트에 의해 인접하는 정션영역에 발생하는 누설 전류를 제거하고, 이와 함께 활성 영역의 실리콘 어택을 방지할 수 있는 벌브 타입의 리세스 채널을 갖는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to minimize the loss of the device isolation film to eliminate the leakage current generated in the adjacent junction region by the passing gate, and at the same time, the bulb type recess that can prevent the silicon attack of the active region There is provided a method for manufacturing a semiconductor device having a channel.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 벌브 타입의 리세스 채널을 갖는 반도체 소자의 제조방법은, 반도체 기판 내에 제1 트렌치를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판 전면에 버퍼막 및 상기 제1 트렌치를 매립하는 하드마스크막을 순차적으로 적층하는 단계; 상기 하드마스크막을 패터닝하여 반도체 기판의 소자분리영역을 노출시키는 하드마스크막 패턴을 형성하는 단계; 상기 하드마스크막 패턴을 마스크로 반도체 기판 내에 소자분리용 트렌치를 형성하는 단계; 상기 소자분리용 트렌치를 매립하는 소자분리막을 형성하는 단계; 상기 하드마스크막 패턴을 제거하는 단계; 상기 버퍼막을 식각배리어막으로 식각을 수행하여 상기 제1 트렌치 하단부에 구형의 제2 트렌치를 형성하여, 상기 제1 트렌치 및 제2 트렌치로 이루어지는 벌브 타입의 리세스 채널용 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 벌브 타입의 리세스 채널용 트렌치와 중첩하는 게이트 스택을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, a method of manufacturing a semiconductor device having a bulb type recess channel according to the present invention, forming a first trench in the semiconductor substrate; Sequentially depositing a buffer layer and a hard mask layer filling the first trench on the semiconductor substrate; Patterning the hard mask layer to form a hard mask layer pattern exposing the device isolation region of the semiconductor substrate; Forming a device isolation trench in the semiconductor substrate using the hard mask layer pattern as a mask; Forming a device isolation film to fill the device isolation trench; Removing the hard mask layer pattern; Etching the buffer layer using an etch barrier layer to form a spherical second trench in the lower end of the first trench to form a bulb type trench channel trench formed of the first trench and the second trench; And forming a gate stack overlapping the bulb type trench channel trench.
본 발명에 있어서, 상기 버퍼막은 산화막을 포함할 수 있고, 상기 하드마스크막은 질화막을 포함하여 형성할 수 있다.In the present invention, the buffer film may include an oxide film, and the hard mask film may include a nitride film.
상기 제1 트렌치를 형성하는 단계는, 반도체 기판 상에 식각 마스크막을 형성하는 단계; 상기 식각 마스크막 위에 제1 트렌치 형성영역을 노출하는 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 패턴을 마스크로 노출된 식각 마스크막을 식각하여 식각 마스크막 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 식각 마스크막 패턴을 마스크로 반도체 기판 내에 제1 트렌치를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the first trench may include forming an etch mask layer on a semiconductor substrate; Forming a photoresist pattern exposing a first trench formation region on the etch mask layer; Etching the etching mask layer exposing the photoresist pattern as a mask to form an etching mask layer pattern; And forming a first trench in the semiconductor substrate using the etching mask layer pattern as a mask.
상기 식각 마스크막은 열산화막(HTO) 또는 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 형성된 산화막을 포함하여 형성된다.The etching mask layer is formed by including an oxide layer formed using a thermal oxide film (HTO) or chemical vapor deposition (CVD).
상기 제1 트렌치는 1000-1200Å의 깊이로 식각할 수 있다.The first trench may be etched to a depth of 1000-1200Å.
상기 하드마스크막 패턴은 인산 용액을 이용하여 통상적인 제거시간보다 20-30% 증가시켜 제거하는 것이 바람직하다.The hard mask film pattern is preferably removed by using a phosphoric acid solution by increasing 20-30% than the normal removal time.
상기 제2 트렌치는 등방성 식각을 이용하여 형성할 수 있으며, 600-800Å의 직경을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.The second trench may be formed using isotropic etching, and preferably, the second trench may be formed to have a diameter of 600-800 mm 3.
상기 벌브 타입의 리세스 채널용 트렌치를 형성하는 단계 이후에 FN 세정을 250-300초 동안 진행하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include performing FN cleaning for 250-300 seconds after the forming of the bulb type trench channel trench.
상기 FN 세정은, 희석된 불산(HF)을 포함하는 제1 용액을 이용하는 F 세정, 암모니아(NH4OH) 및 과산화수소(H2O2)의 혼합액을 포함하는 제2 용액을 이용하는 N 세정을 순차적으로 진행한다.The FN cleaning may be performed by sequentially washing F using a first solution containing diluted hydrofluoric acid (HF), using N cleaning using a second solution including a mixture of ammonia (NH 4 OH) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Proceed to
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설 명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification.
도 2a 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 벌브 타입의 리세스 채널을 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면들이다. 특히 도 2b, 도 3b 및 도 4b는 도 2a, 도 3a 그리고 도 4a를 X-X'선을 따라 잘라내 나타내보인 단면도들이다.2A through 10 are views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a bulb type recess channel according to an exemplary embodiment of the present invention. 2B, 3B, and 4B are cross-sectional views of FIGS. 2A, 3A, and 4A taken along the line X-X '.
먼저 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 반도체 기판(100) 위에 이후 벌브 타입의 리세스 트렌치의 넥(neck) 형상의 상단부를 형성하기 위한 식각과정에서 마스크 역할을 하는 식각 마스크막(102)을 형성한다. 이러한 식각 마스크막(102)은 고온열산화막(HTO; High Thermal Oxide) 또는 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 500-700Å의 두께로 형성할 수 있다.First, referring to FIGS. 2A and 2B, an
다음에 식각 마스크막(102) 위에 포토레지스트를 도포하고, 포토리소그래피(photo lithography) 공정을 이용하여 패터닝하여 식각 마스크막(102)의 표면을 선택적으로 노출시키는 포토레지스트 패턴(104)을 형성한다. 이러한 포토레지스트 패턴(104)은 트렌치가 형성될 영역을 가로지르는 라인(line) 형태로 형성할 수 있다. 또한, 포토레지스트 패턴(104)은 트렌치가 형성될 영역만 선택적으로 노출시키는 아일랜드(island) 형태로 형성할 수도 있다. Next, a photoresist is applied on the
계속해서 포토레지스트 패턴(104)을 마스크로 노출된 식각 마스크막(102)을 식각하여 반도체 기판(100)을 노출시키는 식각 마스크막 패턴(102')을 형성한다.Subsequently, the
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 포토레지스트 패턴(104) 및 식각 마스크막 패턴(102')을 마스크로 노출된 반도체 기판(100)을 식각하는 제1 식각을 수행하여 제1 트렌치(106)를 형성한다. 제1 트렌치(106)는 벌브(bulb) 타입의 리세스 채널용 트렌치의 목(neck)부분에 해당한다. 이때, 제1 트렌치(106)는 이후 형성될 벌브의 크기를 고려하여 적당한 깊이, 예를 들어 1000-1200Å의 깊이를 갖도록 형성한다. 그리고 포토레지스트 패턴(104)은 스트립(strip)하여 제거한다. 여기서 제1 식각을 수행하는 동안 하드마스크막 패턴(102')도 식각될 수 있다.3A and 3B, the
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 반도체 기판(100) 및 제1 트렌치(106) 위에 버퍼막(108)을 형성한다. 계속해서 버퍼막(108) 위에 제1 트렌치(106)를 매립하는 하드마스크막(110)을 형성한다. 여기서 버퍼막(108)은 산화막으로 대략 50-150Å의 두께로 형성하며, 하드마스크막(110)의 인력에 의한 반도체 기판(100)의 스트레스를 완화하는 역할을 한다. 또한, 버퍼막(108)은 식각 마스크막 패턴(102') 위에 증착되어 두께가 두꺼워지며, 이후 벌브 타입의 리세스 채널용 트렌치를 형성하기 위한 식각 과정에서 배리어막으로 이용된다. 그리고 하드마스크막(110)은 600-700Å의 두께를 갖도록 형성한다. 이러한 하드마스크막(110)은 이후 소자분리막을 형성하기 위한 식각공정에서 마스크 역할을 하며, 후속으로 진행할 평탄화 공정에서 연마 정지막 역할을 한다.4A and 4B, a
다음에 하드마스크막(110) 위에 포토레지스트를 도포하고, 포토리소그래피를 이용하여 소자분리영역을 형성하기 위해 하드마스크막(110)을 선택적으로 노출시키 는 포토레지스트 패턴(112)을 형성한다. 여기서 도 4a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(100)의 활성영역은 포토레지스트 패턴(112)에 의해 차단되고, 소자분리영역은 노출된다. Next, a photoresist is applied on the
도 5를 참조하면, 포토레지스트 패턴(112)을 마스크로 노출된 하드마스크막(110) 및 버퍼막(108)을 선택적으로 제거하여 반도체 기판(100)의 소자분리영역을 노출시키는 하드마스크막 패턴(110') 및 버퍼막 패턴(108')을 형성한다. 계속해서 하드마스크막 패턴(110') 및 버퍼막 패턴(108')을 식각 마스크로 반도체 기판(100)의 노출부분에 대한 식각공정을 수행하여 반도체 기판(100) 내에 일정 깊이, 예를 들어 3000-4000Å의 깊이를 갖는 소자분리용 트렌치(114)를 형성한다. 여기서 제1 트렌치(106)는 하드마스크막으로 매립되어 있으므로 이러한 식각에 의한 영향을 받지 않으며, 이에 따라 실리콘 어택(Si-attack)을 최소화할 수 있다.Referring to FIG. 5, the hard mask layer pattern exposing the device isolation region of the
계속해서 도면에 도시하지는 않았지만, 소자분리용 트렌치(114) 내에 측벽산화막, 라이너질화막 또는 라이너산화막을 형성한다.Although not shown in the drawings, a sidewall oxide film, a liner nitride film, or a liner oxide film is formed in the
도 6을 참조하면, 소자분리용 트렌치(114)를 매립하는 매립절연막(116)을 형성한다. 매립절연막(116)은 고밀도 플라즈마 산화막(HDP; High Density Plasma)으로 4000-5000Å의 두께로 형성할 수 있다. Referring to FIG. 6, a buried insulating
도 7을 참조하면, 매립절연막(116)을 포함하는 반도체 기판(100) 상에 평탄화 공정, 예를 들어 화학적기계적연마(CMP; Chemical Mechanical Polishing)를 수행하여 소자분리막(118)을 형성한다. 여기서 소자분리막(118)은 하드마스크막 패턴(110')의 두께가 450-600Å 가량 남도록 타겟을 설정하여 진행하는 것이 바람직 하다. 이때, 평탄화 공정은 에치백(etch back)을 이용하여 수행할 수도 있다.Referring to FIG. 7, a planarization process, for example, chemical mechanical polishing (CMP), is performed on a
도 8을 참조하면, 반도체 기판 상에 스트립(strip) 공정을 수행하여 하드마스크막 패턴(110')을 제거한다. 여기서 스트립 공정은 통상적인 제거 시간보다 길게 진행하여 제1 트렌치(106) 내에 매립된 하드마스크막 패턴(110')까지 완전히 제거하는 것이 바람직하다. 이러한 스트립 공정은 인산(H3PO4) 용액을 이용하여 통상적인 제거 시간보다 20-30% 가량 증가하여 진행하는 것이 바람직하다. 여기서 버퍼막 패턴(108')은 제거되지 않으며, 이후 벌브 타입의 리세스 채널을 형성하기 위한 트렌치 형성시 배리어막 역할을 한다.Referring to FIG. 8, the hard
다음에 활성 영역의 표면에, 비록 도면에 도시하지는 않았지만, 문턱 전압 조절을 위한 이온 주입 과정에서 패드(pad)로 사용될 문턱 전압 스크린(Vt screen) 산화막을 산화 과정으로 형성하고, 웰(well) 및 채널(channel) 이온 주입을 수행한다. 이때, 문턱 전압 스크린 산화막은 버퍼막 패턴으로 대체하여 이용할 수도 있다. Next, although not shown in the figure, a threshold voltage screen (Vt screen) oxide film to be used as a pad in the ion implantation process for adjusting the threshold voltage is formed on the surface of the active region, and the well and Channel ion implantation is performed. In this case, the threshold voltage screen oxide film may be replaced with a buffer film pattern.
도 9를 참조하면, 제1 트렌치(106) 상에 남아 있는 버퍼막 패턴(108')을 배리어막으로 한 제2 식각으로 제1 트렌치(106) 하단부에 구(sphere) 형상의 제2 트렌치(120)를 형성하여, 제1 트렌치(106) 및 제2 트렌치(120)로 이루어지는 벌브 타입의 리세스 채널용 트렌치(122)를 형성한다. 여기서 제2 트렌치(120)는 제1 트렌치(106)의 바닥면으로부터 600-800Å의 직경을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 구형의 제2 트렌치(120)를 형성하는 식각공정은 모든 방향으로 똑같은 속도 로 식각되어 식각 후 형태가 곡면을 가지는 등방성 식각(isotropic etch)으로 진행한다.Referring to FIG. 9, a second trench having a sphere shape on a lower end portion of the
이후에, FN 세정을 250-300초 동안 진행하여 벌브 타입의 리세스 채널용 트렌치(122)내에 남아있는 산화막을 제거한다.Thereafter, the FN cleaning is performed for 250-300 seconds to remove the oxide film remaining in the
이러한 FN 세정은 희석된 불산(HF)을 포함하는 제1 용액을 이용하는 F 세정, 암모니아(NH4OH) 및 과산화수소(H2O2)의 혼합액을 포함하는 제2 용액을 이용하는 N 세정을 순차적으로 진행하는 것으로 이해될 수 있다. This FN cleaning is sequentially performed with F cleaning using a first solution containing diluted hydrofluoric acid (HF), N cleaning using a second solution including a mixture of ammonia (NH 4 OH) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). It can be understood to proceed.
도 10을 참조하면, 노출된 활성 영역 표면에 게이트 산화막(124)을 대략 30-50Å 두께의 유전막으로 형성한다. 다음에 게이트 산화막(124) 상에 게이트 스택(132)을 형성한다. Referring to FIG. 10, a
구체적으로, 게이트 산화막(124) 위에 폴리실리콘막(126)을 400-700Å의 두께로 증착하고, 텅스텐 실리사이드막(WSix)(128)을 텅스텐층의 증착 및 열처리를 통해서 1000-1500Å의 두께로 형성한다. 계속해서 텅스텐 실리사이드막(128) 위에 실리콘 질화막을 포함하는 게이트 하드마스크막(130)을 2000-2500Å의 두께로 형성한다. 다음에 게이트 패터닝을 위한 선택적 식각 과정을 수행하여 게이트 스택(132)을 형성한다.Specifically, the
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 벌브 타입의 리세스 채널을 갖 는 반도체 소자의 제조방법에 의하면, 벌브(bulb) 타입의 리세스 채널용 트렌치의 목(neck)부분에 해당하는 제1 트렌치의 형성 과정을 소자분리막 형성 이전으로 분산 재배치함으로써 종래 1차/2차 식각에 의한 소자분리막의 손실과 실리콘 어택을 최소화할 수 있다. 또한, 잔여 산화막의 마진을 증가시키면서 소자분리막의 손실을 최소화할 수 있다. As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device having a bulb type recess channel according to the present invention, a first trench corresponding to a neck portion of a bulb type trench channel trench is provided. By dispersing and rearranging the formation process prior to forming the device isolation layer, it is possible to minimize the loss of the device isolation layer and the silicon attack by the conventional first and second etchings. In addition, it is possible to minimize the loss of the device isolation film while increasing the margin of the remaining oxide film.
Claims (11)
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KR1020060061510A KR20080002607A (en) | 2006-06-30 | 2006-06-30 | Method for manufacturing semiconductor device having bulb-type recessed channel |
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2006
- 2006-06-30 KR KR1020060061510A patent/KR20080002607A/en not_active Application Discontinuation
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