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KR102746080B1 - Three-dimensional semiconductor device - Google Patents

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KR102746080B1
KR102746080B1 KR1020180164356A KR20180164356A KR102746080B1 KR 102746080 B1 KR102746080 B1 KR 102746080B1 KR 1020180164356 A KR1020180164356 A KR 1020180164356A KR 20180164356 A KR20180164356 A KR 20180164356A KR 102746080 B1 KR102746080 B1 KR 102746080B1
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region
memory cell
cell array
penetration
gate
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안종선
천지성
권영진
백석천
이웅섭
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삼성전자주식회사
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Abstract

3차원 반도체 소자를 제공한다. 이 3차원 반도체 소자는 메모리 셀 어레이 영역; 상기 메모리 셀 어레이 영역 양 측의 연장 영역들; 상기 메모리 셀 어레이 영역 및 상기 연장 영역들을 가로지르는 주 분리 구조물들; 상기 메모리 셀 어레이 영역 내에 배치되며 상기 연장 영역들 내로 연장되는 게이트 적층 구조물; 상기 주 분리 구조물들 사이에 배치되며 상기 메모리 셀 어레이 영역 내의 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 수직 채널 구조물들; 및 상기 메모리 셀 어레이 영역 또는 상기 연장 영역들 내에 배치되며 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 적어도 하나의 관통 영역을 포함하되, 상기 관통 영역은 적어도 하나의 계단을 포함하는 사이드(side)를 갖는다.A three-dimensional semiconductor device is provided. The three-dimensional semiconductor device comprises: a memory cell array region; extension regions on both sides of the memory cell array region; main isolation structures crossing the memory cell array region and the extension regions; a gate stack structure disposed within the memory cell array region and extending into the extension regions; vertical channel structures disposed between the main isolation structures and penetrating the gate stack structure within the memory cell array region; and at least one through region disposed within the memory cell array region or the extension regions and penetrating the gate stack structure, wherein the through region has a side including at least one step.

Figure R1020180164356
Figure R1020180164356

Description

3차원 반도체 소자{THREE-DIMENSIONAL SEMICONDUCTOR DEVICE}THREE-DIMENSIONAL SEMICONDUCTOR DEVICE

본 발명의 기술적 사상은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 게이트 적층 구조물을 관통하는 관통 영역을 포함하는 3차원 반도체 소자에 관한 것이다. The technical idea of the present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a three-dimensional semiconductor device including a through-hole region penetrating a gate stack structure.

반도체 기판의 표면으로부터 수직한 방향으로 적층되는 게이트 전극들을 포함하는 반도체 소자가 개발되고 있다. 반도체 소자의 고집적화를 위하여, 상기 적층되는 게이트 전극들의 수를 증가시키고 있다. 이와 같이, 반도체 기판의 표면과 수직한 방향으로 적층되는 게이트 전극들의 수가 점점 증가하면서, 게이트 전극들을 주변 회로와 전기적으로 연결시키는 공정의 난이도가 점점 증가하고, 예상치 못한 불량들이 발생하고 있다. A semiconductor device including gate electrodes stacked in a direction perpendicular to the surface of a semiconductor substrate is being developed. In order to achieve high integration of semiconductor devices, the number of stacked gate electrodes is increasing. As such, as the number of gate electrodes stacked in a direction perpendicular to the surface of a semiconductor substrate is increasing, the difficulty of the process of electrically connecting the gate electrodes to a peripheral circuit is increasing, and unexpected defects are occurring.

본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 3차원 반도체 소자를 제공하는데 있다.The problem that the technical idea of the present invention seeks to solve is to provide a three-dimensional semiconductor device.

본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 고집적화할 수 있는 3차원 반도체 소자 및 그 형성 방법을 제공하는데 있다. The technical idea of the present invention is to provide a three-dimensional semiconductor device capable of high integration and a method for forming the same.

본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 소자를 제공한다. 이 3차원 반도체 소자는 상부 기판; 상기 상부 기판 상에 배치되고 게이트 전극들을 포함하는 게이트 적층 구조물, 상기 게이트 전극들은 메모리 셀 어레이 영역 내에서 상기 상부 기판의 표면과 수직한 방향으로 서로 이격되면서 적층되고 상기 메모리 셀 어레이 영역과 인접하는 연장 영역 내로 연장되어 상기 연장 영역 내에서 계단 모양으로 배열되는 패드 영역들을 갖고; 및 상기 메모리 셀 어레이 영역 또는 상기 연장 영역 내에서 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 적어도 하나의 관통 영역을 포함한다. 상기 적어도 하나의 관통 영역은 하부 영역 및 상기 하부 영역 상의 상부 영역을 포함하고, 상기 상부 영역은 상기 하부 영역 보다 큰 폭을 갖는다.According to one embodiment of the present invention, a three-dimensional semiconductor device is provided. The three-dimensional semiconductor device includes: an upper substrate; a gate stacked structure disposed on the upper substrate and including gate electrodes, the gate electrodes being stacked while being spaced apart from each other in a direction perpendicular to a surface of the upper substrate within a memory cell array region and having pad regions extending into an extension region adjacent to the memory cell array region and arranged in a step shape within the extension region; and at least one through region penetrating the gate stacked structure within the memory cell array region or the extension region. The at least one through region includes a lower region and an upper region above the lower region, and the upper region has a larger width than the lower region.

본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 소자를 제공한다. 이 3차원 반도체 소자는 하부 기판; 상기 하부 기판 상에 배치되며 주변 회로를 포함하는 하부 구조물; 상기 하부 구조물 상에 배치되는 상부 기판; 상기 상부 기판 내의 기판 홀 내의 갭필 층; 상기 상부 기판 상에 배치되고 게이트 전극들을 포함하는 게이트 적층 구조물; 및 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 관통 영역을 포함하되, 상기 관통 영역은 단차진 부분을 포함하는 사이드를 갖는다.According to one embodiment of the present invention, a three-dimensional semiconductor device is provided. The three-dimensional semiconductor device includes: a lower substrate; a lower structure disposed on the lower substrate and including a peripheral circuit; an upper substrate disposed on the lower structure; a gapfill layer within a substrate hole in the upper substrate; a gate stacked structure disposed on the upper substrate and including gate electrodes; and a through region penetrating the gate stacked structure, wherein the through region has a side including a stepped portion.

본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 소자를 제공한다. 이 3차원 반도체 소자는 메모리 셀 어레이 영역; 상기 메모리 셀 어레이 영역 양 측의 연장 영역들; 상기 메모리 셀 어레이 영역 및 상기 연장 영역들을 가로지르는 주 분리 구조물들; 상기 메모리 셀 어레이 영역 내에 배치되며 상기 연장 영역들 내로 연장되는 게이트 적층 구조물; 상기 주 분리 구조물들 사이에 배치되며 상기 메모리 셀 어레이 영역 내의 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 수직 채널 구조물들; 및 상기 메모리 셀 어레이 영역 또는 상기 연장 영역들 내에 배치되며 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 적어도 하나의 관통 영역을 포함하되, 상기 관통 영역은 적어도 하나의 계단을 포함하는 사이드(side)를 갖는다.According to one embodiment of the present invention, a three-dimensional semiconductor device is provided. The three-dimensional semiconductor device includes: a memory cell array region; extension regions on both sides of the memory cell array region; main isolation structures crossing the memory cell array region and the extension regions; a gate stack structure disposed within the memory cell array region and extending into the extension regions; vertical channel structures disposed between the main isolation structures and penetrating the gate stack structure within the memory cell array region; and at least one through region disposed within the memory cell array region or the extension regions and penetrating the gate stack structure, wherein the through region has a side including at least one step.

본 발명의 실시예 들에 따르면, 주변 회로를 게이트 적층 구조물 하부에 배치시킬 수 있는 3차원 반도체 소자를 제공할 수 있기 때문에, 반도체 소자의 집적도를 향상시킬 수 있다. 또한, 게이트 적층 구조물의 게이트 전극들과 주변 회로를 전기적으로 연결하기 위하여 이용되는 게이트 적층 구조물을 관통하는 관통 영역을 제공할 수 있기 때문에, 게이트 전극들의 적층 수를 증가시키더라도 반도체 소자의 집적도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 관통 영역은 하부 영역 보다 상부 영역의 폭을 크게 형성할 수 있기 때문에, 상기 관통 영역을 절연 층으로 형성하면서 발생할 수 있는 보이드 불량 등을 방지할 수 있다. According to embodiments of the present invention, since a three-dimensional semiconductor device can be provided in which a peripheral circuit can be arranged under a gate stacked structure, the integration degree of the semiconductor device can be improved. In addition, since a through region penetrating the gate stacked structure, which is used to electrically connect gate electrodes of the gate stacked structure and peripheral circuits, can be provided, the integration degree of the semiconductor device can be improved even if the number of stacked gate electrodes is increased. In addition, since the through region can be formed with a larger width in the upper region than in the lower region, void defects, etc. that may occur when forming the through region with an insulating layer can be prevented.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 상기 메모리 셀 어레이 영역의 예시적인 예를 개념적으로 나타낸 회로도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 예시적인 예를 개념적으로 나타낸 평면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자(10a)의 예시적인 예를 개념적으로 나타낸 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 예시적인 예를 개념적으로 나타낸 단면도들이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타낸 평면도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타낸 사시도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 일부분을 개념적으로 나타낸 단면도이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 일부분의 변형 예를 개념적으로 나타낸 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 예시적인 예들을 설명하기 위하여 도 4의 일부분을 확대한 부분 확대도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타내는 평면도이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 11a은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타내는 사시도이다.
도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타내는 단면도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타내는 단면도들이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타낸 평면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타낸 평면도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타낸 평면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타낸 평면도이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자 형성 방법의 예시적인 예를 나타내는 공정 흐름도들이다.
도 19 내지 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자 형성 방법의 예시적인 예를 개념적으로 나타내는 사시도들이다.
도 25a 내지 도 31b은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자 형성 방법의 예시적인 예를 개념적으로 나타내는 단면도들이다.
FIG. 1 is a schematic block diagram of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram conceptually illustrating an exemplary example of the memory cell array region of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a plan view conceptually illustrating an exemplary example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3b is a perspective view conceptually illustrating an exemplary example of a three-dimensional semiconductor element (10a) according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 4 and 5 are cross-sectional views conceptually illustrating exemplary examples of three-dimensional semiconductor devices according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6a is a plan view conceptually illustrating a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6b is a perspective view conceptually illustrating a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7a is a cross-sectional view conceptually illustrating a portion of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7b is a cross-sectional view conceptually illustrating a deformation example of a portion of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 8A and 8B are enlarged partial views of portions of FIG. 4 to explain exemplary examples of three-dimensional semiconductor devices according to one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view conceptually illustrating a modified example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 10a is a cross-sectional view conceptually illustrating a modified example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 10b is a cross-sectional view conceptually illustrating a modified example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 10c is a cross-sectional view conceptually illustrating a modified example of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 11a is a perspective view conceptually illustrating a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 11b is a cross-sectional view conceptually illustrating a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 13a and 13b are cross-sectional views showing modified examples of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a plan view showing a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a plan view showing a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a plan view showing a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a plan view showing a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 18a and 18b are process flow diagrams showing exemplary examples of a method for forming a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 19 to 24 are perspective views conceptually illustrating exemplary examples of a method for forming a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 25a to 31b are cross-sectional views conceptually illustrating exemplary examples of a method for forming a three-dimensional semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

도 1을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 따른 3차원 반도체 소자의 예시적인 예를 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 개략적인 블록 다이어그램이다.An exemplary example of a three-dimensional semiconductor device according to the technical idea of the present invention will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is a schematic block diagram of a semiconductor device according to one embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자(10)는 메모리 셀 어레이 영역(20) 및 제어 로직 영역(30)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a semiconductor device (10) according to one embodiment of the present invention may include a memory cell array region (20) and a control logic region (30).

상기 메모리 셀 어레이 영역(20)은 복수의 메모리 블록들(BLK)을 포함하며, 각각의 메모리 블록들(BLK)은 복수의 메모리 셀들을 포함할 수 있다. 상기 제어 로직 영역(30)은 로우 디코더(32), 페이지 버퍼(34) 및 제어 회로(36)를 포함할 수 있다.The above memory cell array region (20) includes a plurality of memory blocks (BLK), and each of the memory blocks (BLK) may include a plurality of memory cells. The above control logic region (30) may include a row decoder (32), a page buffer (34), and a control circuit (36).

각각의 상기 메모리 블록들(BLK)의 상기 복수의 메모리 셀들은, 스트링 선택 라인(SSL), 복수의 워드 라인들(WL) 및 접지 선택 라인(GSL)을 통해 상기 로우 디코더(32)와 연결될 수 있으며, 비트 라인들(BL)을 통해 상기 페이지 버퍼(34)와 연결될 수 있다.The plurality of memory cells of each of the above memory blocks (BLK) can be connected to the row decoder (32) through a string select line (SSL), a plurality of word lines (WL) and a ground select line (GSL), and can be connected to the page buffer (34) through bit lines (BL).

실시예들에서, 동일한 행을 따라 배열되는 복수의 메모리 셀들은 동일한 워드 라인(WL)에 연결되고, 동일한 열을 따라 배열되는 복수의 메모리 셀들은 동일한 비트 라인(BL)에 연결될 수 있다.In embodiments, a plurality of memory cells arranged along the same row may be connected to the same word line (WL), and a plurality of memory cells arranged along the same column may be connected to the same bit line (BL).

상기 로우 디코더(32)는 입력된 어드레스(address)를 디코딩하여, 워드 라인(WL)의 구동 신호들을 발생하고 전달할 수 있다. 상기 로우 디코더(32)는 상기 제어 회로(36)의 제어에 응답하여 상기 제어 회로(36) 내의 전압 발생 회로로부터 발생된 워드 라인 전압을 상기 워드라인들(WL) 중에서 선택된 워드 라인 및 상기 워드라인들(WL) 중에서 비선택된 워드 라인들로 각각 제공할 수 있다. The above row decoder (32) can decode an input address and generate and transmit driving signals of a word line (WL). The row decoder (32) can provide a word line voltage generated from a voltage generation circuit in the control circuit (36) in response to the control of the control circuit (36) to each of a word line selected from among the word lines (WL) and a word line unselected from among the word lines (WL).

상기 페이지 버퍼(34)는 상기 비트 라인들(BL)을 통해 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)과 연결되어, 상기 메모리 셀들에 저장된 정보를 판독할 수 있다. 상기 페이지 버퍼(34)는 동작 모드에 따라, 상기 메모리 셀들에 저장될 데이터를 임시로 저장하거나, 상기 메모리 셀들에 저장된 데이터를 감지할 수 있다. 상기 페이지 버퍼(34)는 컬럼 디코터 및 감지 증폭기를 포함할 수 있다. The above page buffer (34) is connected to the memory cell array area (20) through the bit lines (BL) and can read information stored in the memory cells. Depending on the operation mode, the page buffer (34) can temporarily store data to be stored in the memory cells or detect data stored in the memory cells. The page buffer (34) can include a column decoder and a sense amplifier.

상기 컬럼 디코더는 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)의 비트 라인들(BL)을 선택적으로 활성화할 수 있고, 상기 감지 증폭기는 읽기 동작 시에 상기 컬럼 디코더에 의해 선택된 비트 라인(BL)의 전압을 감지하여 선택된 메모리 셀에 저장된 데이터를 읽어낼 수 있다. 상기 제어 회로(36)는 상기 로우 디코더(32) 및 상기 페이지 버퍼(34)의 동작을 제어할 수 있다. 상기 제어 회로(36)는 외부로부터 전달되는 제어 신호 및 외부 전압을 수신하고, 수신된 제어 신호에 따라 동작할 수 있다. 상기 제어 회로(36)는 외부 전압을 이용하여 내부 동작에 필요한 전압들, 예를 들어, 프로그램 전압, 읽기 전압, 소거 전압 등을 생성하는 전압 발생 회로를 포함할 수 있다. 상기 제어 회로(36)는 상기 제어 신호들에 응답하여 읽기, 쓰기 및/또는 소거 동작을 제어할 수 있다. 또한, 제어 회로(36)는 입출력 회로를 포함할 수 있다. 상기 입출력 회로는 프로그램 동작 시 데이터(DATA)를 입력 받아 상기 페이지 버퍼(34)에 전달하고, 읽기 동작 시 상기 페이지 버퍼(34)로부터 전달받은 데이터(DATA)를 외부로 출력할 수 있다.The column decoder can selectively activate bit lines (BL) of the memory cell array region (20), and the sense amplifier can detect the voltage of the bit line (BL) selected by the column decoder during a read operation to read data stored in the selected memory cell. The control circuit (36) can control the operations of the row decoder (32) and the page buffer (34). The control circuit (36) can receive a control signal and an external voltage transmitted from the outside, and operate according to the received control signal. The control circuit (36) can include a voltage generation circuit that generates voltages required for internal operations, for example, a program voltage, a read voltage, an erase voltage, etc., by using an external voltage. The control circuit (36) can control a read, write, and/or erase operation in response to the control signals. In addition, the control circuit (36) can include an input/output circuit. The above input/output circuit can receive data (DATA) during program operation and transfer it to the page buffer (34), and output data (DATA) received from the page buffer (34) to the outside during a read operation.

도 2를 참조하여 도 1에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자(도 1의 10)의 상기 메모리 셀 어레이 영역(도 1의 20)의 상기 각각의 메모리 블록들(BLK)의 회로의 예시적인 예를 설명하기로 한다. 도 2는 상기 메모리 셀 어레이 영역(도 1의 20)의 예시적인 예를 개념적으로 나타낸 회로도이다. Referring to FIG. 2, an exemplary example of a circuit of each memory block (BLK) of the memory cell array area (20 of FIG. 1) of the three-dimensional semiconductor device (10 of FIG. 1) according to an embodiment of the present invention described in FIG. 1 will be described. FIG. 2 is a circuit diagram conceptually showing an exemplary example of the memory cell array area (20 of FIG. 1).

도 2를 참조하면, 상기 메모리 셀 어레이 영역(도 1의 20)의 상기 각각의 메모리 블록들(BLK)은, 서로 직렬로 연결되는 메모리 셀들(MC), 상기 메모리 셀들(MC)의 양단에 직렬로 연결되는 제1 선택 트랜지스터(ST1) 및 제2 선택 트랜지스터(ST2)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, each of the memory blocks (BLK) of the memory cell array region (20 of FIG. 1) may include memory cells (MC) connected in series to each other, a first selection transistor (ST1) and a second selection transistor (ST2) connected in series to both ends of the memory cells (MC).

상기 제1 및 제2 선택 트랜지스터들(ST1, ST2), 및 상기 제1 및 제2 선택 트랜지스터들(ST1, ST2) 사이의 상기 메모리 셀들(MC)은 메모리 스트링들(S)을 구성할 수 있다. 서로 직렬로 연결되는 상기 메모리 셀들(MC)은 상기 메모리 셀들(MC)을 선택하기 위한 워드 라인들(WL)에 각각 연결될 수 있다. The first and second selection transistors (ST1, ST2) and the memory cells (MC) between the first and second selection transistors (ST1, ST2) can form memory strings (S). The memory cells (MC) connected in series with each other can be respectively connected to word lines (WL) for selecting the memory cells (MC).

상기 제1 선택 트랜지스터(ST1)의 게이트 단자는 제1 선택 라인(SL1)과 연결되고, 소스 단자는 공통 소스 라인(CSL)에 연결될 수 있다. 상기 제2 선택 트랜지스터(ST2)의 게이트 단자는 제2 선택 라인(SL2)에 연결되고, 소스 단자는 상기 메모리 셀들(MC)의 드레인 단자에 연결될 수 있다. The gate terminal of the first selection transistor (ST1) may be connected to the first selection line (SL1), and the source terminal may be connected to the common source line (CSL). The gate terminal of the second selection transistor (ST2) may be connected to the second selection line (SL2), and the source terminal may be connected to the drain terminal of the memory cells (MC).

일 예에서, 상기 제1 선택 트랜지스터(ST1)는 접지 선택 트랜지스터일 수 있고, 상기 제2 선택 트랜지스터(ST2)는 스트링 선택 트랜지스터(ST2)일 수 있다.In one example, the first selection transistor (ST1) may be a ground selection transistor, and the second selection transistor (ST2) may be a string selection transistor (ST2).

일 예에서, 상기 제1 선택 라인(SL1)은 도 1에서의 상기 접지 선택 라인(도 1의 GSL)일 수 있고, 상기 제2 선택 라인(SL2)은 도 1에서의 상기 스트링 선택 라인(도 1의 SSL)일 수 있다. In one example, the first selection line (SL1) may be the ground selection line (GSL of FIG. 1) in FIG. 1, and the second selection line (SL2) may be the string selection line (SSL of FIG. 1) in FIG. 1.

도 2에서는 서로 직렬로 연결되는 상기 메모리 셀들(MC)에 상기 제1 선택 트랜지스터(ST1)와 상기 제2 선택 트랜지스터(ST2)가 하나씩 연결되는 구조를 도시하였으나, 이와 달리 복수의 제1 선택 트랜지스터(ST1) 또는 복수의 제2 선택 트랜지스터(ST2)가 연결될 수도 있다.In Fig. 2, a structure is illustrated in which the first selection transistor (ST1) and the second selection transistor (ST2) are connected one by one to the memory cells (MC) that are connected in series with each other, but alternatively, a plurality of first selection transistors (ST1) or a plurality of second selection transistors (ST2) may be connected.

일 예에서, 상기 워드 라인들(WL) 중 최하위 워드라인(WL)과 상기 제1 선택 라인(SL1) 사이에 제1 더미 라인(DL1)이 배치될 수 있고, 상기 워드 라인들(WL) 중 최상위 워드 라인(WL)과 상기 제2 선택 라인(SL2) 사이에 제2 더미 라인(DL2)이 배치될 수 있다. 상기 제1 더미 라인(DL1)은 하나 또는 복수개가 배치될 수 있고, 상기 제2 더미 라인(DL2)은 하나 또는 복수개가 배치될 수 있다. In one example, a first dummy line (DL1) may be arranged between the lowest word line (WL) among the word lines (WL) and the first selection line (SL1), and a second dummy line (DL2) may be arranged between the highest word line (WL) among the word lines (WL) and the second selection line (SL2). One or more first dummy lines (DL1) may be arranged, and one or more second dummy lines (DL2) may be arranged.

상기 제2 선택 트랜지스터(ST2)의 드레인 단자는 비트 라인(BL)에 연결될 수 있다. 상기 제2 선택 트랜지스터(ST2)의 게이트 단자에 상기 제2 선택 라인(SL2)을 통해 신호가 인가되면, 상기 비트 라인(BL)을 통해 인가되는 신호가 서로 직렬로 연결된 메모리 셀들(MC)에 전달됨으로써 데이터 읽기, 쓰기 동작이 실행될 수 있다. 또한, 기판을 통해 소정의 소거 전압을 인가함으로써, 상기 메모리 셀들(MC)에 기록된 데이터를 지우는 소거 동작이 실행될 수도 있다.The drain terminal of the second selection transistor (ST2) may be connected to a bit line (BL). When a signal is applied to the gate terminal of the second selection transistor (ST2) through the second selection line (SL2), the signal applied through the bit line (BL) is transmitted to memory cells (MC) that are connected in series with each other, so that a data read and write operation can be executed. In addition, an erase operation that erases data written in the memory cells (MC) may be executed by applying a predetermined erase voltage through the substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 적어도 하나의 더미 스트링(DS)을 포함할 수 있다. 상기 더미 스트링(DS)은 상기 비트 라인(BL)과 전기적으로 분리되는 더미 채널을 포함하는 스트링일 수 있다.A semiconductor device according to one embodiment of the present invention may include at least one dummy string (DS). The dummy string (DS) may be a string including a dummy channel that is electrically separated from the bit line (BL).

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자(10)의 예시적인 예를 개념적으로 나타낸 평면도이다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자(10)의 예시적인 예를 개념적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3a의 I-I'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 단면도이고, 도 5는 도 3a의 II-II'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 단면도이다.FIG. 3A is a plan view conceptually illustrating an exemplary example of a three-dimensional semiconductor device (10) according to one embodiment of the present invention. FIG. 3B is a perspective view conceptually illustrating an exemplary example of a three-dimensional semiconductor device (10) according to one embodiment of the present invention, FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a region taken along line I-I' of FIG. 3A, and FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a region taken along line II-II' of FIG. 3A.

도 3a, 도 3b, 도 4 및 도 5를 참조하면, 예시적인 3차원 반도체 소자(10)는 하부 기판(105), 상기 하부 기판(105) 상의 하부 구조물(110), 상기 하부 구조물(110) 상의 상부 기판(150), 및 상기 상부 기판(150) 상의 게이트 적층 구조물(270)을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 3A, 3B, 4, and 5, an exemplary three-dimensional semiconductor device (10) may include a lower substrate (105), a lower structure (110) on the lower substrate (105), an upper substrate (150) on the lower structure (110), and a gate stacked structure (270) on the upper substrate (150).

상기 하부 기판(105)은 단결정 실리콘 등과 같은 반도체 물질로 형성된 반도체 기판일 수 있다. 상기 하부 구조물(110)은 아이솔레이션 영역(115)에 한정되는 활성 영역(120) 상에 배치되는 주변 회로(PCIR), 상기 주변 회로(PCIR)를 덮는 하부 절연 층(140)을 포함할 수 있다. 상기 주변 회로(PCIR)는 주변 트랜지스터(PTR) 및 상기 주변 트랜지스터(PTR)와 전기적으로 연결되는 주변 배선들(130)을 포함할 수 있다. 상기 하부 절연 층(140)은 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. 상기 상부 기판(150)은 폴리 실리콘 등과 같은 반도체 물질로 형성된 반도체 기판일 수 있다. The lower substrate (105) may be a semiconductor substrate formed of a semiconductor material such as single crystal silicon. The lower structure (110) may include a peripheral circuit (PCIR) arranged on an active region (120) limited to an isolation region (115), and a lower insulating layer (140) covering the peripheral circuit (PCIR). The peripheral circuit (PCIR) may include a peripheral transistor (PTR) and peripheral wirings (130) electrically connected to the peripheral transistor (PTR). The lower insulating layer (140) may be formed of silicon oxide. The upper substrate (150) may be a semiconductor substrate formed of a semiconductor material such as polysilicon.

예시적인 3차원 반도체 소자(10)는 상기 상부 기판(150)을 관통하는 제1 기판 홀(155a) 내에 배치되는 갭필 층(160a) 및 상기 상부 기판(150)의 측면 상에 배치되는 중간 절연 층(162)을 포함할 수 있다. 상기 갭필 층(160a) 및 상기 중간 절연 층(162)은 동일한 절연성 물질, 예를 들어 실리콘 산화물로 형성될 수 있다.An exemplary three-dimensional semiconductor device (10) may include a gapfill layer (160a) disposed within a first substrate hole (155a) penetrating the upper substrate (150) and an intermediate insulating layer (162) disposed on a side surface of the upper substrate (150). The gapfill layer (160a) and the intermediate insulating layer (162) may be formed of the same insulating material, for example, silicon oxide.

상기 게이트 적층 구조물(270)은 상기 상부 기판(150)의 표면과 수직한 방향으로 서로 이격되며 적층되는 게이트 전극들을 포함할 수 있다. 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들은 도우프트 실리콘, 금속 질화물(e.g., TiN), 금속 실리사이드(e.g., WSi, TiSi, TaSi 등) 또는 금속(e.g., W) 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 도우프트 실리콘은 N형 불순물(e.g., P, As 등) 또는 P형 불순물(e.g., B 등)을 포함하는 폴리 실리콘일 수 있다.The gate stacked structure (270) may include gate electrodes that are stacked and spaced apart from each other in a direction perpendicular to the surface of the upper substrate (150). The gate electrodes of the gate stacked structure (270) may be formed of a conductive material including at least one of doped silicon, a metal nitride (e.g., TiN), a metal silicide (e.g., WSi, TiSi, TaSi, etc.), or a metal (e.g., W). The doped silicon may be polysilicon including an N-type impurity (e.g., P, As, etc.) or a P-type impurity (e.g., B, etc.).

예시적인 3차원 반도체 소자(10)는 상기 게이트 적층 구조물(270)의 최하위 게이트 전극과 상기 상부 기판(150) 사이에 배치되는 하부 층간 절연 층(210L), 상기 게이트 적층 구조물(270)의 최상위 게이트 전극 상에 배치되는 최상위 층간 절연 층(210U), 및 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들 사이에 배치되는 중간 층간 절연 층들(210M)을 포함할 수 있다. An exemplary three-dimensional semiconductor device (10) may include a lower interlayer insulating layer (210L) disposed between the lowermost gate electrode of the gate stack structure (270) and the upper substrate (150), an uppermost interlayer insulating layer (210U) disposed on the uppermost gate electrode of the gate stack structure (270), and middle interlayer insulating layers (210M) disposed between the gate electrodes of the gate stack structure (270).

상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들은 상기 상부 기판(150) 상의 메모리 셀 어레이 영역(20) 내에서 서로 이격되며 적층될 수 있고, 상기 상부 기판(150) 상의 연장 영역(22) 내로 연장되어 상기 연장 영역(22) 내에서 패드 영역들(P)을 가질 수 있다. 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들 중에서, 최상위 게이트 전극 하부에 위치하는 게이트 전극들의 각각은 상대적으로 상부에 위치하는 게이트 전극과 중첩하는 중접 영역 및 상대적으로 상부에 위치하는 게이트 전극과 중첩하지 않는 비-중첩 영역을 포함할 수 있다. 상기 비-중첩 영역은 상기 패드 영역(P)일 수 있다.The gate electrodes of the gate stack structure (270) may be stacked while being spaced apart from each other within the memory cell array region (20) on the upper substrate (150), and may extend into an extension region (22) on the upper substrate (150) to have pad regions (P) within the extension region (22). Among the gate electrodes of the gate stack structure (270), each of the gate electrodes positioned below the uppermost gate electrode may include an overlapping region that overlaps with a gate electrode positioned relatively above it and a non-overlapping region that does not overlap with the gate electrode positioned relatively above it. The non-overlapping region may be the pad region (P).

상기 메모리 셀 어레이 영역(20)은 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같은 상기 복수의 메모리 셀들(도 2의 MC)을 포함하는 상기 메모리 블록들(BLK)이 형성되는 영역일 수 있고, 상기 연장 영역(22)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 내에 형성되는 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들이 연장되어 형성되는 패드 영역들(P)이 배치되는 영역일 수 있다. 여기서, 상기 패드 영역들(P)은 상기 로우 디코더(도 1의 32)와 전기적으로 연결하기 위하여 형성되는 게이트 콘택 플러그들(280g)과 접촉할 수 있는 게이트 전극들의 영역들일 수 있다.The above memory cell array region (20) may be a region in which the memory blocks (BLK) including the plurality of memory cells (MC of FIG. 2) as described with reference to FIGS. 1 and 2 are formed, and the extension region (22) may be a region in which pad regions (P) formed by extending gate electrodes of the gate stack structure (270) formed within the memory cell array region (20) are arranged. Here, the pad regions (P) may be regions of gate electrodes that can come into contact with gate contact plugs (280g) formed to electrically connect with the row decoder (32 of FIG. 1).

실시 예들에서, 평면에서 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)에서 상기 연장 영역(22)을 향하는 방향은 제1 방향(X)으로 지칭하고, 상기 제1 방향(X)과 수직한 방향은 제2 방향(Y)으로 지칭하고, 단면에서 상기 상부 기판(150)의 표면과 수직한 방향은 제3 방향(Z)으로 지칭하기로 한다. In the embodiments, the direction from the memory cell array region (20) in the plane toward the extension region (22) is referred to as a first direction (X), the direction perpendicular to the first direction (X) is referred to as a second direction (Y), and the direction perpendicular to the surface of the upper substrate (150) in the cross section is referred to as a third direction (Z).

일 예에서, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들은 하부 게이트 전극(GE_L), 상기 하부 게이트 전극(GE_L) 상의 중간 게이트 전극들(GE_M), 및 상기 중간 게이트 전극들(GE_M) 상의 상부 게이트 전극들(GE_U)을 포함할 수 있다. In one example, the gate electrodes of the gate stack structure (270) may include a lower gate electrode (GE_L), middle gate electrodes (GE_M) on the lower gate electrode (GE_L), and upper gate electrodes (GE_U) on the middle gate electrodes (GE_M).

일 예에서, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들은 상기 하부 게이트 전극(GE_L)과 상기 중간 게이트 전극들(GE_M) 사이의 더미 게이트 전극(GE_D1), 및 상기 중간 게이트 전극들(GE_M)과 상기 상부 게이트 전극들(GE_U) 사이의 버퍼 게이트 전극(GE_D2)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 버퍼 게이트 전극(GE_D2)은 더미 게이트 전극으로 지칭될 수도 있다. In one example, the gate electrodes of the gate stack structure (270) may include a dummy gate electrode (GE_D1) between the lower gate electrode (GE_L) and the middle gate electrodes (GE_M), and a buffer gate electrode (GE_D2) between the middle gate electrodes (GE_M) and the upper gate electrodes (GE_U). Here, the buffer gate electrode (GE_D2) may also be referred to as a dummy gate electrode.

일 예에서, 상기 하부 게이트 전극(GE_L)은 도 2에서 설명한 상기 제1 선택 라인(도 2의 SL1) 및 도 1에서 설명한 상기 접지 선택 라인(도 1의 GSL)일 수 있고, 상기 더미 게이트 전극(GE_D1)은 도 2에서 설명한 상기 제1 더미 라인(DL1)일 수 있고, 상기 중간 게이트 전극들(GE_M)은 도 1 및 도 2에서 설명한 상기 워드라인들(도 1 및 도 2의 WL)일 수 있고, 상기 버퍼 게이트 전극(GE_D2)은 도 2에서 설명한 상기 제2 더미 라인(도 2의 DL2)일 수 있고, 상기 상부 게이트 전극들(GE_U)은 도 2에서 설명한 상기 제2 선택 라인(도 2의 SL1) 및 도 1에서 설명한 상기 스트링 선택 라인(도 1의 SSL)일 수 있다. In one example, the lower gate electrode (GE_L) can be the first selection line (SL1 of FIG. 2) described in FIG. 2 and the ground selection line (GSL of FIG. 1) described in FIG. 1, the dummy gate electrode (GE_D1) can be the first dummy line (DL1) described in FIG. 2, the middle gate electrodes (GE_M) can be the word lines (WL of FIGS. 1 and 2) described in FIGS. 1 and 2, the buffer gate electrode (GE_D2) can be the second dummy line (DL2 of FIG. 2) described in FIG. 2, and the upper gate electrodes (GE_U) can be the second selection line (SL1 of FIG. 2) described in FIG. 2 and the string selection line (SSL of FIG. 1) described in FIG. 1.

상기 연장 영역(22)은 제1 계단 영역(22a), 제2 계단 영역(22c) 및 상기 제1 및 제2 계단 영역들(22a, 22c) 사이의 버퍼 영역(22b)을 포함할 수 있다. The above extension region (22) may include a first step region (22a), a second step region (22c), and a buffer region (22b) between the first and second step regions (22a, 22c).

상기 제1 계단 영역(22a)은 상기 상부 게이트 전극들(GE_U)의 패드 영역들(P)이 계단 모양으로 배치되는 영역일 수 있고, 상기 제2 계단 영역(22c)은 상기 중간 게이트 전극들(GE_M)의 패드 영역들(P), 상기 더미 게이트 전극(GE_D1)의 패드 영역(P), 및 상기 하부 게이트 전극(GE_L)의 패드 영역(P)이 계단 모양으로 배치되는 영역일 수 있다.The first step region (22a) may be a region in which the pad regions (P) of the upper gate electrodes (GE_U) are arranged in a step shape, and the second step region (22c) may be a region in which the pad regions (P) of the intermediate gate electrodes (GE_M), the pad region (P) of the dummy gate electrode (GE_D1), and the pad region (P) of the lower gate electrode (GE_L) are arranged in a step shape.

예시적인 3차원 반도체 소자(10)는 상기 게이트 적층 구조물(270)을 관통하는 제1 패드 관통 영역(TH1)을 포함할 수 있다. 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 상기 제1 갭필 층(160a)과 중첩할 수 있다.An exemplary three-dimensional semiconductor device (10) may include a first pad penetration region (TH1) penetrating the gate stack structure (270). The first pad penetration region (TH1) may overlap the first gapfill layer (160a).

일 예에서, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 상기 제1 및 제2 계단 영역들(22a, 22c) 사이의 상기 버퍼 영역(22b) 내의 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들을 관통할 수 있으며, 이들 게이트 전극들 사이의 상기 중간 층간 절연 층들(210M)을 관통할 수 있다. 더 나아가, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 하부 층간 절연 층(210L)을 관통할 수 있다. In one example, the first pad penetration region (TH1) can penetrate the gate electrodes of the gate stack structure (270) within the buffer region (22b) between the first and second step regions (22a, 22c) and can penetrate the intermediate interlayer insulating layers (210M) between these gate electrodes. Furthermore, the first pad penetration region (TH1) can penetrate the lower interlayer insulating layer (210L).

일 예에서, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 하부 관통 영역(TH1_L) 및 상기 하부 관통 영역(TH1_L) 상의 상부 관통 영역(TH1_U)을 포함할 수 있다. 상기 상부 관통 영역(TH1_U)은 상기 하부 관통 영역(TH1_L) 보다 큰 폭을 가질 수 있다. In one example, the first pad penetration region (TH1) may include a lower penetration region (TH1_L) and an upper penetration region (TH1_U) on the lower penetration region (TH1_L). The upper penetration region (TH1_U) may have a wider width than the lower penetration region (TH1_L).

일 예에서, 상기 상부 관통 영역(TH1_U)의 측면은 상기 하부 관통 영역(TH1_L)의 측면과 수직 정렬하지 않을 수 있다. In one example, the side surface of the upper penetration area (TH1_U) may not be vertically aligned with the side surface of the lower penetration area (TH1_L).

일 예에서, 상기 상부 관통 영역(TH1_U)의 수직 방향의 길이는 상기 하부 관통 영역(TH1_L)의 수직 방향의 길이 보다 클 수 있다. In one example, the vertical length of the upper penetration region (TH1_U) may be greater than the vertical length of the lower penetration region (TH1_L).

일 예에서, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 단차진 부분(S1)을 포함하는 사이드(side)를 가질 수 있다. 상기 단차진 부분(S1)은 상기 게이트 적층 구조물(270)의 상부면 보다 상기 게이트 적층 구조물(270)의 하부면에 가깝게 위치할 수 있다. In one example, the first pad penetration area (TH1) may have a side including a stepped portion (S1). The stepped portion (S1) may be positioned closer to the lower surface of the gate stack structure (270) than to the upper surface of the gate stack structure (270).

예시적인 3차원 반도체 소자(10)는 상기 게이트 적층 구조물(270) 중 일부를 덮는 상부 절연 층(230)을 포함할 수 있다. 상기 상부 절연 층(230)은 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들 중에서 최상위 게이트 전극 하부에 위치하며 상기 연장 영역(22) 상에 위치하는 게이트 전극들을 덮을 수 있다. 따라서, 상기 상부 절연 층(230)은 상기 연장 영역(22) 상에 배치될 수 있다.An exemplary three-dimensional semiconductor device (10) may include an upper insulating layer (230) covering a portion of the gate stack structure (270). The upper insulating layer (230) may be positioned below an uppermost gate electrode among the gate electrodes of the gate stack structure (270) and may cover the gate electrodes positioned on the extended region (22). Accordingly, the upper insulating layer (230) may be disposed on the extended region (22).

일 예에서, 상기 상부 절연 층(230)은 상기 제1 패드 관통 영역(TH1) 상부를 덮으며, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)과 일체로 형성될 수 있다. 상기 제1 패드 관통 영역(TH1) 및 상기 상부 절연 층(230)은 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. In one example, the upper insulating layer (230) covers an upper portion of the first pad penetration area (TH1) and may be formed integrally with the first pad penetration area (TH1). The first pad penetration area (TH1) and the upper insulating layer (230) may be formed of silicon oxide.

예시적인 3차원 반도체 소자(10)는 상기 게이트 적층 구조물(270)을 관통하면서, 상기 상부 층간 절연 층(210U), 상기 중간 층간 절연 층들(210M), 및 상기 하부 층간 절연 층(210L)을 관통하는 수직 채널 구조물들(VS)을 포함할 수 있다. 상기 수직 채널 구조물들(VS)은 상기 상부 기판(150)과 연결될 수 있다. 상기 수직 채널 구조물들(VS)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 상에 배치될 수 있다.An exemplary three-dimensional semiconductor device (10) may include vertical channel structures (VS) penetrating through the gate stack structure (270) and penetrating through the upper interlayer insulating layer (210U), the middle interlayer insulating layers (210M), and the lower interlayer insulating layer (210L). The vertical channel structures (VS) may be connected to the upper substrate (150). The vertical channel structures (VS) may be disposed on the memory cell array region (20).

상기 게이트 적층 구조물(270)에서, 상기 제2 계단 영역(22c)에 배치되는 패드 영역들(P)은 계단 모양으로 배열될 수 있다. 여기서, 서로 인접하는 한 쌍의 제1 주 분리 구조물들(MS1) 및 이들 한 쌍의 제1 주 분리 구조물들(MS1) 사이에 배치되는 하나의 제2 주 분리 구조물(MS2)에 의해 한정되는 상기 제2 계단 영역(22c)에서의 계단 모양에 대하여 도 3b를 중심으로 하여 설명하기로 한다. 이와 같은 계단 모양은 서로 인접하는 한 쌍의 메모리 블록들(BLK)에서의 계단 모양일 수 있다. 이하에서, 계단 모양으로 배열되는 게이트 전극들의 패드 영역들(P)을 "계단들"로 지칭하여 설명하기로 한다. In the above gate stack structure (270), the pad regions (P) arranged in the second step region (22c) may be arranged in a step shape. Here, the step shape in the second step region (22c) defined by a pair of adjacent first main separation structures (MS1) and a second main separation structure (MS2) arranged between the pair of first main separation structures (MS1) will be described with reference to FIG. 3b. Such a step shape may be a step shape in a pair of adjacent memory blocks (BLK). Hereinafter, the pad regions (P) of the gate electrodes arranged in a step shape will be described as “steps.”

상기 제1 주 분리 구조물들(MS1)과 가까운 제1 계단 그룹들(SG1), 상기 제1 계단 그룹들(SG1) 사이의 가운데 부분에 배치되는 제2 계단 그룹(SG2), 상기 제1 계단 그룹들(SG1)과 상기 제2 계단 그룹(SG2) 사이에 배치되는 제3 계단 그룹들(SG3)을 포함할 수 있다. 상기 제3 계단 그룹들(SG3)은 상기 제1 계단 그룹들(SG1)에 가까울 수 있다. 상기 제2 계단 그룹(SG2)은 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)에 의해 분리될 수 있다. It may include first stair groups (SG1) close to the first main separation structures (MS1), a second stair group (SG2) arranged in a middle portion between the first stair groups (SG1), and third stair groups (SG3) arranged between the first stair groups (SG1) and the second stair group (SG2). The third stair groups (SG3) may be close to the first stair groups (SG1). The second stair group (SG2) may be separated by the second main separation structure (MS2).

일 예에서, 상기 제2 계단 그룹(SG2)과 상기 제3 계단 그룹들(SG3) 사이에 더미 영역들(DA)이 배치될 수 있다. 상기 더미 영역들(DA)은 계단들이 형성되지 않는 영역일 수 있다.In one example, dummy areas (DA) may be placed between the second step group (SG2) and the third step groups (SG3). The dummy areas (DA) may be areas where steps are not formed.

각각의 상기 제1 계단 그룹들(SG1)의 계단들은 상기 제1 주 분리 구조물들(MS1)로부터 멀어지는 방향으로 제1 높이로 높아질 수 있다. 여기서, 상기 제1 높이는 상기 상부 기판(150)의 표면과 수직한 방향으로 이격되는 게이트 전극들 중에서, 서로 인접하는 두 개의 게이트 전극들의 높이 차이일 수 있다.The steps of each of the first step groups (SG1) may be increased to a first height in a direction away from the first main separation structures (MS1). Here, the first height may be a height difference between two adjacent gate electrodes among the gate electrodes spaced apart in a direction perpendicular to the surface of the upper substrate (150).

상기 제1 계단 그룹들(SG1)의 계단들은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)으로부터 멀어지는 방향으로 상기 제1 높이 보다 큰 제2 높이로 낮아질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 높이는 수직 방향으로 차례로 배열되는 제1, 제2 및 제3 게이트 전극들 중에서 제1 및 제3 게이트 전극들의 높이 차이일 수 있다. The steps of the first step groups (SG1) may be lowered to a second height greater than the first height in a direction away from the memory cell array region (20). For example, the second height may be a height difference between the first and third gate electrodes among the first, second, and third gate electrodes that are arranged in the vertical direction in sequence.

상기 제2 계단 그룹들(SG2) 중 적어도 일부의 계단들은 상기 제1 계단 그룹들(SG1)의 계단들 보다 상기 상부 기판(150)에 가깝게 배치될 수 있다. 상기 제3 계단 그룹들(SG3) 중 적어도 일부의 계단들은 상기 제2 계단 그룹들(SG2)의 계단들 보다 상기 상부 기판(150)에 가깝게 배치될 수 있다. 상기 제3 계단 그룹들(SG3)의 계단들은 상기 제1 계단 그룹들(SG1)의 계단들 보다 상기 상부 기판(150)에 가깝게 배치될 수 있다. At least some of the steps of the second step groups (SG2) may be arranged closer to the upper substrate (150) than the steps of the first step groups (SG1). At least some of the steps of the third step groups (SG3) may be arranged closer to the upper substrate (150) than the steps of the second step groups (SG2). The steps of the third step groups (SG3) may be arranged closer to the upper substrate (150) than the steps of the first step groups (SG1).

변형 예에서, 상술한 바와 같은 상기 제2 계단 그룹(SG2)과 상기 제3 계단 그룹들(SG3) 사이에 배치되는 더미 영역들(DA)은 제2 패드 관통 영역들(도 6a 및 도 6b의 TH2)로 대체될 수 있다. 이와 같은 변형 예에 대하여 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명하기로 한다. 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자(10a)의 변형 예를 개념적으로 나타낸 평면도이다. 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자(10a)의 변형 예를 개념적으로 나타낸 사시도이다. In a modified example, the dummy areas (DA) arranged between the second step group (SG2) and the third step groups (SG3) as described above may be replaced with second pad penetration areas (TH2 of FIGS. 6A and 6B). Such a modified example will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. FIG. 6A is a plan view conceptually illustrating a modified example of a three-dimensional semiconductor device (10a) according to an embodiment of the present invention. FIG. 6B is a perspective view conceptually illustrating a modified example of a three-dimensional semiconductor device (10a) according to an embodiment of the present invention.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 제2 계단 그룹(SG2)과 상기 제3 계단 그룹들(SG3) 사이에 배치되는 상기 더미 영역들(도 3a 및 3b의 DA)은 도 6a 및 도 6b에서와 같이 제2 패드 관통 영역들(TH2)로 대체될 수 있다. 이에 따라, 상기 상부 기판(150)은 상기 제2 패드 관통 영역들(TH2)과 중첩하는 영역에 배치되는 갭필 층(160b)을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 6A and 6B, as described above, the dummy areas (DA in FIGS. 3A and 3B) arranged between the second step group (SG2) and the third step groups (SG3) may be replaced with second pad penetration areas (TH2) as in FIGS. 6A and 6B. Accordingly, the upper substrate (150) may include a gapfill layer (160b) arranged in an area overlapping the second pad penetration areas (TH2).

다음으로, 앞에서 상술한 상기 수직 채널 구조물(VS)의 예시적인 예에 대하여, 도 7a 및 도 7b를 각각 참조하여 설명하기로 한다. 도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자에서, 수직 채널 구조물 및 게이트의 예시적인 예를 설명하기 위하여 게이트와 함께 어느 하나의 수직 채널 구조물을 개념적으로 나타낸 단면도이다.Next, exemplary examples of the vertical channel structure (VS) described above will be described with reference to FIGS. 7A and 7B, respectively. FIG. 7A is a cross-sectional view conceptually illustrating one vertical channel structure together with a gate in a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention in order to explain exemplary examples of the vertical channel structure and the gate.

도 7a를 참조하면, 상기 수직 채널 구조물(VS)은 상기 게이트 적층 구조물(270), 상기 하부 층간 절연 층(210L), 상기 중간 층간 절연 층(210M) 및 상기 상부 층간 절연 층(210U)을 관통하는 채널 홀(234) 내에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 7a, the vertical channel structure (VS) can be positioned within a channel hole (234) penetrating the gate stack structure (270), the lower interlayer insulating layer (210L), the middle interlayer insulating layer (210M), and the upper interlayer insulating layer (210U).

일 예에서, 상기 수직 채널 구조물(VS)은 상기 상부 기판(150)의 표면과 수직한 방향으로 연장되며 상기 게이트 적층 구조물(270)을 관통하는 절연성 코어 층(248), 상기 절연성 코어 층(248)의 측면 및 바닥면을 덮는 채널 반도체 층(246), 상기 채널 반도체 층(246)의 외측을 둘러싸는 제1 게이트 유전체(240), 상기 절연성 코어 층(248) 상에 배치되며 상기 채널 반도체 층(246)과 전기적으로 연결되는 패드 층(250)을 포함할 수 있다. In one example, the vertical channel structure (VS) may include an insulating core layer (248) extending in a direction perpendicular to a surface of the upper substrate (150) and penetrating the gate stack structure (270), a channel semiconductor layer (246) covering side surfaces and a bottom surface of the insulating core layer (248), a first gate dielectric (240) surrounding an outer side of the channel semiconductor layer (246), and a pad layer (250) disposed on the insulating core layer (248) and electrically connected to the channel semiconductor layer (246).

상기 채널 반도체 층(246)은 상기 상부 기판(150)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 채널 반도체 층(246)은 실리콘 등과 같은 반도체 물질로 형성될 수 있다. 상기 패드 층(250)은 N형의 도전형을 갖는 도우프트 폴리 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 절연성 코어 층(248)은 실리콘 산화물 등과 같은 절연성 물질로 형성될 수 있다. The above channel semiconductor layer (246) may be electrically connected to the upper substrate (150). The channel semiconductor layer (246) may be formed of a semiconductor material such as silicon. The pad layer (250) may be formed of doped polysilicon having an N-type conductivity. The insulating core layer (248) may be formed of an insulating material such as silicon oxide.

예시적인 3차원 반도체 소자(10a)는 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들과 상기 수직 채널 구조물(VS) 사이에 개재되며 상기 게이트 전극들의 하부면 및 상부면으로 연장되는 제2 게이트 유전체(268)를 포함할 수 있다. An exemplary three-dimensional semiconductor device (10a) may include a second gate dielectric (268) interposed between the gate electrodes of the gate stack structure (270) and the vertical channel structure (VS) and extending to the lower and upper surfaces of the gate electrodes.

상기 제1 및 제2 게이트 유전체들(240, 269) 중 어느 하나는 정보를 저장할 수 있는 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 게이트 유전체(240)는 정보를 저장할 수 있는 층을 포함할 수 있다. 그렇지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제2 게이트 유전체(268)가 정보를 저장할 수 있는 층을 포함할 수도 있다. 이하에서, 상기 제1 게이트 유전체(240)가 정보를 저장할 수 있는 층을 포함하는 예를 설명하기로 한다. Either of the first and second gate dielectrics (240, 269) may include a layer capable of storing information. For example, the first gate dielectric (240) may include a layer capable of storing information. However, the technical idea of the present invention is not limited thereto. For example, the second gate dielectric (268) may include a layer capable of storing information. Hereinafter, an example in which the first gate dielectric (240) includes a layer capable of storing information will be described.

상기 제1 게이트 유전체(240)는 터널 유전체(242), 정보 저장 층(243) 및 블로킹 유전체(244)를 포함할 수 있다. 상기 정보 저장 층(243)은 상기 터널 유전체(242) 및 상기 블로킹 유전체(244) 사이에 배치될 수 있다. 상기 터널 유전체(242)는 상기 채널 반도체 층(246)과 가까울 수 있고, 상기 블로킹 유전체(244)는 상기 게이트 적층 구조물(270)과 가까울 수 있다. 상기 터널 유전체(242)는 상기 채널 반도체 층(246)과 상기 정보 저장 층(243) 사이에 배치될 수 있고, 상기 블로킹 유전체(244)는 상기 채널 반도체 층(246)과 상기 게이트 적층 구조물(270) 사이에 배치될 수 있다. The first gate dielectric (240) may include a tunnel dielectric (242), an information storage layer (243), and a blocking dielectric (244). The information storage layer (243) may be disposed between the tunnel dielectric (242) and the blocking dielectric (244). The tunnel dielectric (242) may be close to the channel semiconductor layer (246), and the blocking dielectric (244) may be close to the gate stacked structure (270). The tunnel dielectric (242) may be disposed between the channel semiconductor layer (246) and the information storage layer (243), and the blocking dielectric (244) may be disposed between the channel semiconductor layer (246) and the gate stacked structure (270).

상기 터널 유전체(242)는 실리콘 산화물 및/또는 불순물 도핑된 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 블로킹 유전체(244)는 실리콘 산화물 및/또는 고유전체를 포함할 수 있다. 상기 정보 저장 층(243)은 상기 채널 반도체 층(256)과 상기 중간 게이트 전극들(GE_M) 사이에서, 정보를 저장하기 위한 층일 수 있다. 예를 들어, 상기 정보 저장 층(243)은 플래시 메모리 소자 등과 같은 비휘발성 메모리 소자의 동작 조건에 따라, 상기 채널 반도체 층(246)으로부터 상기 터널 유전체(242)를 통하여 주입된 전자를 트랩하여 보유(retention) 하거나, 또는 상기 정보 저장 층(243) 내의 트랩된 전자를 소거할 수 있는 물질, 예를 들어 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. 상기 제2 게이트 유전체(268)는 고유전체(e.g., AlO 등)를 포함할 수 있다. The tunnel dielectric (242) may include silicon oxide and/or impurity-doped silicon oxide. The blocking dielectric (244) may include silicon oxide and/or a high-k dielectric. The information storage layer (243) may be a layer for storing information between the channel semiconductor layer (256) and the intermediate gate electrodes (GE_M). For example, the information storage layer (243) may be formed of a material, such as silicon nitride, which can trap and retain electrons injected from the channel semiconductor layer (246) through the tunnel dielectric (242) or erase trapped electrons within the information storage layer (243), depending on the operating conditions of a nonvolatile memory device, such as a flash memory device. The second gate dielectric (268) may include a high-k dielectric (e.g., AlO, etc.).

상기 정보 저장 층(243)은 상기 게이트 적층 구조물(270) 중에서 도 1 및 도 2에서 설명한 상기 워드라인들(도 1 및 도 2의 WL)에 대응할 수 있는 상기 중간 게이트 전극들(GE_M)과 마주보는 영역들에서 정보를 저장할 수 있다. 상기 수직 채널 구조물(VS) 내의 상기 정보 저장 층(243)에서 정보를 저장할 수 있는 영역들은 상기 상부 기판(150)의 표면과 수직한 방향으로 배열될 수 있으며, 도 2에서 설명한 상기 메모리 셀들(MC)을 구성할 수 있다.The information storage layer (243) can store information in regions facing the intermediate gate electrodes (GE_M) that can correspond to the word lines (WL of FIGS. 1 and 2) described in FIGS. 1 and 2 among the gate stacked structure (270). Regions capable of storing information in the information storage layer (243) in the vertical channel structure (VS) can be arranged in a direction perpendicular to the surface of the upper substrate (150) and can configure the memory cells (MC) described in FIG. 2.

상기 채널 반도체 층(246)은 상기 상부 기판(150)과 직접적으로 연결될 수 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 상기 셀 수직 구조물(VS)의 변형 예에 대하여 도 7b를 참조하여 설명하기로 한다. 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자에서, 수직 채널 구조물의 변형 예를 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.The above channel semiconductor layer (246) may be directly connected to the upper substrate (150), but the technical idea of the present invention is not limited thereto. A variation example of the cell vertical structure (VS) will be described with reference to FIG. 7b. FIG. 7b is a conceptual cross-sectional view for explaining a variation example of the vertical channel structure in a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 7b를 참조하면, 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들 중에서, 상기 상부 기판(150)과 가장 가까운 하부 게이트 전극(GE_L)과, 상기 하부 게이트 전극(GE_L) 상의 상기 더미 게이트 전극(GE_D1) 사이의 이격 거리는 다른 게이트 전극들 사이의 이격거리 보다 클 수 있다. Referring to FIG. 7b, among the gate electrodes of the gate stack structure (270), the distance between the lower gate electrode (GE_L) closest to the upper substrate (150) and the dummy gate electrode (GE_D1) on the lower gate electrode (GE_L) may be greater than the distance between other gate electrodes.

수직 채널 구조물(VS')은 도 7a에서 설명한 것과 같은 상기 채널 홀(234) 내에 배치될 수 있다. 상기 수직 채널 구조물(VS')은 상기 채널 홀(234)의 하부에 배치되며 상기 하부 게이트 전극(GE_L)과 마주보는 하부 채널 반도체 층(235), 상기 하부 채널 반도체 층(235) 상에 배치되는 절연성 코어 층(248), 상기 절연성 코어 층(248)의 측면 및 바닥면을 덮는 상부 채널 반도체 층(246'), 상기 상부 채널 반도체 층(246')의 외측을 둘러싸는 제1 게이트 유전체(240), 상기 절연성 코어 층(248) 상에 배치되며 상기 채널 반도체 층(246)과 전기적으로 연결되는 패드 층(250)을 포함할 수 있다. 상기 하부 채널 반도체 층(235)은 상기 상부 기판(150)과 직접적으로 연결될 수 있으며, 에피택시얼 반도체 층으로 형성될 수 있다. 상기 상부 채널 반도체 층(246')은 실리콘 등과 같은 반도체 물질로 형성될 수 있다. 상기 제1 게이트 유전체(240)는 도 7a에서 설명한 것과 동일할 수 있다. 또한, 상기 수직 채널 구조물(VS')과 상기 게이트 적층 구조물(270) 사이에 개재되며, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들의 상부면 및 하부면으로 연장되는 도 7a에서 설명한 것과 동일한 제2 게이트 유전체(268)가 배치될 수 있다. The vertical channel structure (VS') may be arranged in the channel hole (234) as described in FIG. 7a. The vertical channel structure (VS') may include a lower channel semiconductor layer (235) disposed below the channel hole (234) and facing the lower gate electrode (GE_L), an insulating core layer (248) disposed on the lower channel semiconductor layer (235), an upper channel semiconductor layer (246') covering side surfaces and a bottom surface of the insulating core layer (248), a first gate dielectric (240) surrounding an outer side of the upper channel semiconductor layer (246'), and a pad layer (250) disposed on the insulating core layer (248) and electrically connected to the channel semiconductor layer (246). The lower channel semiconductor layer (235) may be directly connected to the upper substrate (150) and may be formed as an epitaxial semiconductor layer. The upper channel semiconductor layer (246') may be formed of a semiconductor material such as silicon. The first gate dielectric (240) may be the same as that described in FIG. 7a. In addition, a second gate dielectric (268) the same as that described in FIG. 7a may be disposed between the vertical channel structure (VS') and the gate stacked structure (270) and extending to the upper and lower surfaces of the gate electrodes of the gate stacked structure (270).

다시, 도 3a 내지 도 5을 참조하면, 예시적인 3차원 반도체 소자(10a)는 상기 상부 층간 절연 층(210U) 및 상기 상부 절연 층(230) 상에 배치되는 제1 캐핑 절연 층(255)을 포함할 수 있다. 상기 제1 캐핑 절연 층(255)은 실리콘 산화물로 형성될 수 있다.Again, referring to FIGS. 3a to 5, the exemplary three-dimensional semiconductor device (10a) may include the upper interlayer insulating layer (210U) and a first capping insulating layer (255) disposed on the upper insulating layer (230). The first capping insulating layer (255) may be formed of silicon oxide.

예시적인 3차원 반도체 소자(10a)는 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 및 상기 연장 영역(22)을 가로지르는 주 분리 구조물들(MS)을 포함할 수 있다. 도 1에서 설명한 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 내의 상기 메모리 블록들(도 1의 BLK)의 각각은 서로 인접하는 한 쌍의 주 분리 구조물들(MS) 사이에 위치할 수 있다.An exemplary three-dimensional semiconductor device (10a) may include main isolation structures (MS) crossing the memory cell array region (20) and the extended region (22). Each of the memory blocks (BLK in FIG. 1) within the memory cell array region (20) described in FIG. 1 may be positioned between a pair of adjacent main isolation structures (MS).

예시적인 3차원 반도체 소자(10a)는 상기 주 분리 구조물들(MS) 사이에 배치되는 보조 분리 구조물들(SS)을 포함할 수 있다. 각각의 상기 보조 분리 구조물들(SS)은 각각의 상기 주 분리 구조물들(MS)의 길이 보다 짧은 길이로 형성될 수 있다.An exemplary three-dimensional semiconductor device (10a) may include auxiliary separation structures (SS) arranged between the main separation structures (MS). Each of the auxiliary separation structures (SS) may be formed to have a length shorter than the length of each of the main separation structures (MS).

일 예에서, 상기 보조 분리 구조물들(SS)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)을 가로지르며 상기 연장 영역(22)의 일부까지 연장되는 라인 모양의 보조 분리 구조물들과, 상기 연장 영역(22) 내에 배치되는 보조 구조물들을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 보조 분리 구조물들(SS)은 라인 모양일 수 있고, 상기 연장 영역(22) 내의 일부에서 라인 모양의 길이 방향으로 이격될 수 있다. 따라서, 서로 인접하는 한 쌍의 주 분리 구조물들(MS) 사이에 위치하며 서로 동일 평면에 위치하는 어느 하나의 중간 게이트 전극은 상기 보조 분리 구조물들(SS)에 의해 완전히 분리되지 않음으로써, 하나의 워드라인으로 이용될 수 있다. In one example, the auxiliary separation structures (SS) may include line-shaped auxiliary separation structures extending across the memory cell array region (20) to a portion of the extension region (22), and auxiliary structures arranged within the extension region (22). Accordingly, the auxiliary separation structures (SS) may be line-shaped and may be spaced apart in the longitudinal direction of the line shape within a portion of the extension region (22). Accordingly, any one of the intermediate gate electrodes positioned between a pair of adjacent main separation structures (MS) and positioned on the same plane is not completely separated by the auxiliary separation structures (SS), and thus may be used as one word line.

서로 인접하는 한 쌍의 주 분리 구조물들(MS) 사이에서, 상기 보조 분리 구조물들(SS)은 상기 상부 게이트 전극(GE_U)을 복수개로 분리시킬 수 있다. Between a pair of adjacent main separation structures (MS), the auxiliary separation structures (SS) can separate the upper gate electrode (GE_U) into multiple pieces.

일 예에서, 서로 인접하는 한 쌍의 주 분리 구조물들(MS) 사이에서, 상기 보조 분리 구조물들(SS) 사이에 배치되어 복수개로 분리된 상부 게이트 전극(GE_U)을 분리시키는 절연성 라인(232)이 배치될 수 있다. 상기 절연성 라인(232)은 상기 중간 게이트 전극들(GE_M) 보다 높은 레벨에 배치될 수 있다. In one example, an insulating line (232) may be arranged between a pair of adjacent main separating structures (MS) and between the auxiliary separating structures (SS) to separate the upper gate electrodes (GE_U) that are separated into multiple pieces. The insulating line (232) may be arranged at a higher level than the intermediate gate electrodes (GE_M).

상기 주 분리 구조물들(MS) 및 상기 보조 분리 구조물들(SS)은 상기 상부 기판(150) 상에 배치되며 상기 게이트 적층 구조물(270)을 관통할 수 있다. 상기 주 분리 구조물들(MS) 및 상기 보조 분리 구조물들(SS)은 상기 게이트 적층 구조물(270), 상기 하부 층간 절연 층(210L), 상기 중간 층간 절연 층들(210M), 상기 상부 층간 절연 층(210U), 및 상기 상부 절연 층(230)을 관통할 수 있다. The above main separation structures (MS) and the auxiliary separation structures (SS) are arranged on the upper substrate (150) and can penetrate the gate stacked structure (270). The above main separation structures (MS) and the auxiliary separation structures (SS) can penetrate the gate stacked structure (270), the lower interlayer insulating layer (210L), the middle interlayer insulating layers (210M), the upper interlayer insulating layer (210U), and the upper insulating layer (230).

상기 주 분리 구조물들(MS) 및 상기 보조 분리 구조물들(SS)의 각각은 도전성 패턴(276) 및 상기 도전성 패턴(276)의 측면을 덮는 스페이서(274)를 포함할 수 있다. 상기 스페이서(274)는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 등과 같은 절연성 물질로 형성될 수 있다. 상기 스페이서(274)는 상기 도전성 패턴(276)과 상기 게이트 적층 구조물(270)을 이격시킬 수 있다. 상기 도전성 패턴(276)은 도우프트 폴리 실리콘, 타이타늄 질화물 등과 같은 금속 질화물, 또는 텅스텐 등과 같은 금속 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 일 예에서, 상기 도전성 패턴(276)은 소스 콘택 플러그로 명명될 수도 있다. Each of the above-described main separation structures (MS) and the above-described auxiliary separation structures (SS) may include a conductive pattern (276) and a spacer (274) covering a side surface of the conductive pattern (276). The spacer (274) may be formed of an insulating material, such as silicon oxide or silicon nitride. The spacer (274) may space the conductive pattern (276) and the gate stacked structure (270). The conductive pattern (276) may be formed of a conductive material including at least one of a metal nitride, such as doped polysilicon, titanium nitride, or the like, or a metal, such as tungsten. In one example, the conductive pattern (276) may also be referred to as a source contact plug.

상기 주 분리 구조물들(MS)은 제1 주 분리 구조물들(MS1) 및 상기 제1 주 분리 구조물들(MS1) 사이의 제2 주 분리 구조물(MS2)를 포함할 수 있다.The above main separation structures (MS) may include first main separation structures (MS1) and second main separation structures (MS2) between the first main separation structures (MS1).

일 예에서, 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)을 하나의 라인으로 가로지르며 상기 연장 영역(22) 내로 연장되고, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)을 둘러싸도록 하나의 라인에서 두 개의 라인들로 분할된 부분(MS2')을 포함할 수 있다. 이와 같은 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)의 상기 분할된 부분(MS2')은 다시 하나의 라인으로 결합되어 상기 연장 영역(22)의 나머지 부분을 가로지를 수 있다.In one example, the second main separation structure (MS2) may include a portion (MS2') that is divided into two lines from a single line and extends into the extension region (22) across the memory cell array region (20) as a single line and surrounds the first pad penetration region (TH1). The divided portion (MS2') of the second main separation structure (MS2) may be combined again into a single line to cross the remaining portion of the extension region (22).

일 예에서, 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)의 상기 분할된 부분(MS2')은 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)을 둘러싸는 부분으로부터 상기 보조 분리 구조물들(SS)을 향하는 방향으로 연장된 돌출 부분들을 포함할 수 있다. In one example, the divided portion (MS2') of the second main separation structure (MS2) may include protruding portions extending from a portion surrounding the first pad penetration area (TH1) in a direction toward the auxiliary separation structures (SS).

일 예에서, 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)의 상기 분할된 부분(MS2')은 상기 보조 분리 구조물들(SS) 중 적어도 일부의 보조 분리 구조물들 사이에 배치될 수 있다. In one example, the divided portion (MS2') of the second main separation structure (MS2) may be placed between at least some of the auxiliary separation structures (SS).

예시적인 3차원 반도체 소자(10a)는 상기 주 분리 구조물들(MS) 및 상기 보조 분리 구조물들(SS) 하부의 상기 상부 기판(150) 내에 불순물 영역들(272)을 포함할 수 있다. 상기 불순물 영역들(272)은 N형의 도전형일 수 있고, 상기 불순물 영역들(272)과 인접하는 상기 상부 기판(150)의 부분은 P형의 도전형일 수 있다. 상기 불순물 영역들(272)은 도 1 및 도 2에서 설명한 공통 소스 라인(도 1 및 도 2의 CSL)일 수 있다.An exemplary three-dimensional semiconductor device (10a) may include impurity regions (272) in the upper substrate (150) below the main isolation structures (MS) and the auxiliary isolation structures (SS). The impurity regions (272) may be of N-type conductivity, and a portion of the upper substrate (150) adjacent to the impurity regions (272) may be of P-type conductivity. The impurity regions (272) may be the common source line (CSL of FIGS. 1 and 2) described with reference to FIGS. 1 and 2.

예시적인 3차원 반도체 소자(10a)는 상기 제1 캐핑 절연 층(255) 상에 상기 주 분리 구조물들(MS) 및 상기 보조 분리 구조물들(SS)을 덮는 제2 캐핑 절연 층(278)을 포함할 수 있다. 상기 제2 캐핑 절연 층(278)은 실리콘 산화물로 형성될 수 있다.An exemplary three-dimensional semiconductor device (10a) may include a second capping insulating layer (278) covering the main isolation structures (MS) and the auxiliary isolation structures (SS) on the first capping insulating layer (255). The second capping insulating layer (278) may be formed of silicon oxide.

예시적인 3차원 반도체 소자(10a)는 상기 제1 및 제2 캐핑 절연 층들(255, 278)을 관통하며 상기 수직 채널 구조물들(VS)과 전기적으로 연결되는 비트라인 콘택 플러그들(280b), 및 상기 제1 및 제2 캐핑 절연 층들(255, 278)을 관통하면서 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들의 패드 영역들(P) 상으로 연장되어 상기 게이트 전극들의 패드 영역들(P)과 전기적으로 연결되는 게이트 콘택 플러그들(280g)을 포함할 수 있다. An exemplary three-dimensional semiconductor device (10a) may include bit line contact plugs (280b) that penetrate the first and second capping insulating layers (255, 278) and are electrically connected to the vertical channel structures (VS), and gate contact plugs (280g) that penetrate the first and second capping insulating layers (255, 278) and extend onto pad regions (P) of gate electrodes of the gate stack structure (270) and are electrically connected to the pad regions (P) of the gate electrodes.

예시적인 3차원 반도체 소자(10a)는 상기 제1 및 제2 캐핑 절연 층들(255, 278)을 관통하고, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)을 관통하며 하부로 연장되어 상기 하부 구조물(110) 내의 상기 주변 회로(PCIR)의 상기 주변 배선들(130)과 전기적으로 연결되는 주변 콘택 플러그들을 포함할 수 있다. 상기 주변 콘택 플러그들은 게이트 주변 콘택 플러그들(284g)을 포함할 수 있다. An exemplary three-dimensional semiconductor device (10a) may include peripheral contact plugs that penetrate the first and second capping insulating layers (255, 278), penetrate the first pad penetration region (TH1), and extend downward to be electrically connected to the peripheral wirings (130) of the peripheral circuit (PCIR) within the lower structure (110). The peripheral contact plugs may include gate peripheral contact plugs (284g).

상기 게이트 주변 콘택 플러그들(284g)은 상기 상부 기판(150)을 관통할 수 있다. 예를 들어, 게이트 주변 콘택 플러그들(284g)은 상기 게이트 적층 구조물(270) 및 상기 갭필 층(160a)을 차례로 관통하며 상기 하부 구조물(110) 내로 연장되어 상기 주변 배선들(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. The gate peripheral contact plugs (284g) may penetrate the upper substrate (150). For example, the gate peripheral contact plugs (284g) may sequentially penetrate the gate stacked structure (270) and the gapfill layer (160a) and extend into the lower structure (110) to be electrically connected to the peripheral wirings (130).

예시적인 3차원 반도체 소자(10a)는 상기 제2 캐핑 절연 층(278) 상에 배치되는 상부 배선들을 포함할 수 있다. 상기 상부 배선들은 상기 비트라인 콘택 플러그들(280b)과 전기적으로 연결되는 비트라인들(290b), 및 상기 게이트 콘택 플러그들(280g)과 전기적으로 연결되는 게이트 연결 배선들(290g)을 포함할 수 있다.An exemplary three-dimensional semiconductor device (10a) may include upper wirings arranged on the second capping insulating layer (278). The upper wirings may include bit lines (290b) electrically connected to the bit line contact plugs (280b), and gate connection wirings (290g) electrically connected to the gate contact plugs (280g).

일 예에서, 상기 게이트 연결 배선들(290g) 중 적어도 일부는 상기 게이트 주변 콘택 플러그들(284g)과 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들 중 적어도 일부는 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)을 통해서 상기 상부 기판(150) 하부의 상기 주변 회로(PCIR)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또는, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들 중 적어도 일부는 상기 제1 패드 관통 영역(TH1) 및 도 6a 및 도 6b에서 설명한 상기 제2 패드 관통 영역(TH2)을 통해서 상기 상부 기판(150) 하부의 상기 주변 회로(PCIR)와 전기적으로 연결될 수 있다.In one example, at least some of the gate connection wires (290g) may be electrically connected to the gate peripheral contact plugs (284g). Accordingly, at least some of the gate electrodes of the gate stacked structure (270) may be electrically connected to the peripheral circuit (PCIR) under the upper substrate (150) through the first pad through-region (TH1). Alternatively, at least some of the gate electrodes of the gate stacked structure (270) may be electrically connected to the peripheral circuit (PCIR) under the upper substrate (150) through the first pad through-region (TH1) and the second pad through-region (TH2) described with reference to FIGS. 6A and 6B.

다음으로, 도 8a 및 도 8b를 각각 참조하여 앞에서 설명한 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)의 사이드와, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들의 패드 영역(P)에 대하여 설명하기로 한다. 각각의 도 8a 및 도 8b는 도 4의 'A1' 및 'A2'로 표시된 영역을 확대한 부분 확대도이다. 여기서, 'A1'으로 표시된 영역은 상술한 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)의 사이드(side)의 단차진 부분(S1)을 나타낼 수 있고, 'A2'로 표시된 영역은 상기 게이트 적층 구조물(270)의 패드 영역(P)을 나타낼 수 있다.Next, the side of the first pad penetration region (TH1) described above and the pad region (P) of the gate electrodes of the gate stacked structure (270) will be described with reference to FIGS. 8A and 8B, respectively. Each of FIGS. 8A and 8B is an enlarged partial view of the region indicated by 'A1' and 'A2' of FIG. 4. Here, the region indicated by 'A1' may represent a stepped portion (S1) of the side of the first pad penetration region (TH1) described above, and the region indicated by 'A2' may represent the pad region (P) of the gate stacked structure (270).

우선, 도 4 및 도 8a를 참조하면, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)의 사이드(side)의 단차진 부분(S1)의 수평 방향의 폭은 상기 게이트 적층 구조물(270)의 패드 영역(P)의 수평 방향의 폭 보다 작을 수 있다.First, referring to FIG. 4 and FIG. 8a, the horizontal width of the stepped portion (S1) of the side of the first pad penetration area (TH1) may be smaller than the horizontal width of the pad area (P) of the gate stack structure (270).

예시적인 예에서, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)의 사이드(side)의 단차진 부분(S1)에 위치하는 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극의 부분과, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 패드 영역(P)은 두께가 증가될 수 있다. 예를 들어, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극은 제1 두께로 연장되면서, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)의 사이드(side)의 단차진 부분(S1) 및 상기 게이트 적층 구조물(270)의 패드 영역(P)에서 상기 제1 두께 보다 두꺼운 제2 두께로 증가할 수 있다. 그렇지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 8b와 같이, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)의 사이드(side)의 단차진 부분(S1)에 위치하는 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극의 부분과, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 패드 영역(P)은 게이트의 다른 부분과 동일한 두께일 수 있다. In an illustrative example, a portion of the gate electrode of the gate stacked structure (270) positioned in the stepped portion (S1) of the side of the first pad penetration region (TH1) and the pad region (P) of the gate stacked structure (270) may have an increased thickness. For example, the gate electrode of the gate stacked structure (270) may extend to a first thickness, and may increase to a second thickness that is thicker than the first thickness in the stepped portion (S1) of the side of the first pad penetration region (TH1) and the pad region (P) of the gate stacked structure (270). However, the technical idea of the present invention is not limited thereto. For example, as shown in FIG. 8b, a portion of the gate electrode of the gate stacked structure (270) positioned in the stepped portion (S1) of the side of the first pad penetration region (TH1) and the pad region (P) of the gate stacked structure (270) may have the same thickness as another portion of the gate.

앞에서 도 3a 내지 도 5를 참조하여 한 쌍의 상기 제1 주 분리 구조물들(MS1) 사이에 배치되는 하나의 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)과 하나의 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)를 위주로 설명하고 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 패드 관통 영역(TH1) 및 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)은 각각 복수개가 형성될 수 있다. 이와 같이, 복수개로 형성될 수 있는 제1 패드 관통 영역(TH1) 및 복수개로 형성될 수 있는 제2 주 분리 구조물(MS2)를 포함하는 3차원 반도체 소자(10a)의 예시적인 예에 대하여 도 9를 참조하여 설명하기로 한다. 여기서, 예시적인 3차원 반도체 소자는 도 3a 내지 도 5에서 설명한 구성요소들을 모두 포함할 수 있다. 여기서, 도 3a 내지 도 5를 참조하여 설명한 구성요소들은 앞에서 설명한 바 있으므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타내는 평면도이다.Although the description has been made mainly with reference to FIGS. 3A to 5 above, focusing on one first pad penetration region (TH1) and one second main separation structure (MS2) disposed between a pair of first main separation structures (MS1), the technical idea of the present invention is not limited thereto. For example, each of the first pad penetration regions (TH1) and the second main separation structures (MS2) may be formed in multiple numbers. An exemplary example of a three-dimensional semiconductor device (10a) including the first pad penetration regions (TH1) that may be formed in multiple numbers and the second main separation structures (MS2) that may be formed in multiple numbers will be described with reference to FIG. 9. Here, the exemplary three-dimensional semiconductor device may include all of the components described with reference to FIGS. 3A to 5. Here, since the components described with reference to FIGS. 3A to 5 have been described above, a detailed description thereof will be omitted. FIG. 9 is a plan view conceptually illustrating a modified example of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 3a 내지 도 5, 및 도 9를 참조하면, 도 3a 내지 도 5에서 설명한 하나의 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)과 하나의 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)은 어느 한 방향으로 반복적으로 배열될 수 있다. 따라서, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 복수개가 배치될 수 있다.Referring to FIGS. 3A to 5 and 9, one first pad penetration area (TH1) and one second main separation structure (MS2) described in FIGS. 3A to 5 can be repeatedly arranged in either direction. Accordingly, a plurality of first pad penetration areas (TH1) can be arranged.

상기 복수개의 제1 패드 관통 영역들(TH1)은 도 9에서와 같은 평면에서, 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)에서 상기 연장 영역(22)을 향하는 제1 방향(X)과 수직한 제2 "??*(Y)으로 반복적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 9에서와 같이, 상기 제2 패드 관통 영역들(TH1)은 상기 제2 방향(Y)을 따라 서로 이격될 수 있다. 상기 제1 패드 관통 영역들(TH1)의 각각은 상기 제2 방향(Y)을 따라 길쭉한 방향을 가질 수 있다. The above plurality of first pad penetration regions (TH1) can be repeatedly arranged in a second "??*(Y) direction perpendicular to the first direction (X) toward the extension region (22) in the memory cell array region (20) on a plane such as FIG. 9. For example, as in FIG. 9, the second pad penetration regions (TH1) can be spaced apart from each other along the second direction (Y). Each of the first pad penetration regions (TH1) can have an elongated direction along the second direction (Y).

상기 복수개의 제1 패드 관통 영역들(TH1)의 각각은 도 3a 내지 도 5에서 설명한 바와 같이, 하나의 제2 주 분리 구조물(MS2)의 분할된 부분(MS2')에 의해 둘러싸일 수 있다. 따라서, 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)은 상기 복수개의 제1 패드 관통 영역들(TH1)의 개수에 비례하여 복수개가 배치될 수 있다. Each of the plurality of first pad penetration areas (TH1) may be surrounded by a segmented portion (MS2') of one second main separation structure (MS2), as described with reference to FIGS. 3A to 5. Accordingly, a plurality of the second main separation structures (MS2) may be arranged in proportion to the number of the plurality of first pad penetration areas (TH1).

따라서, 주 분리 구조물들(MS)은 복수개의 제1 주 분리 구조물들(MS1) 및 복수개의 제2 주 분리 구조물들(MS2)를 포함할 수 있다. 상기 복수개의 제2 주 분리 구조물들(MS2)의 각각은 상기 복수개의 제1 주 분리 구조물들(MS1) 중에서 서로 인접하는 한 쌍의 제1 주 분리 구조물들(MS1) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 제1 주 분리 구조물(MS1) 및 제2 주 분리 구조물(MS2)이 상기 제2 방향(Y)으로 반복적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 각각의 상기 제1 주 분리 구조물(MS1)은 두 개의 서로 인접하는 상기 제1 패드 관통 영역들(TH1) 사이에서 상기 제1 방향(X)을 따라 연장되는 라인 모양을 가질 수 있고, 각각의 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)은 상기 제1 방향을 따라 연장되고 상기 제1 패드 관통 영역들(TH1) 중 어느 하나를 둘러쌀 수 있다. Accordingly, the main separation structures (MS) may include a plurality of first main separation structures (MS1) and a plurality of second main separation structures (MS2). Each of the plurality of second main separation structures (MS2) may be disposed between a pair of adjacent first main separation structures (MS1) among the plurality of first main separation structures (MS1). Accordingly, the first main separation structure (MS1) and the second main separation structure (MS2) may be repeatedly arranged in the second direction (Y). For example, each of the first main separation structures (MS1) may have a line shape extending along the first direction (X) between two adjacent first pad penetration regions (TH1), and each of the second main separation structures (MS2) may extend along the first direction and surround one of the first pad penetration regions (TH1).

상기 복수의 제1 패드 관통 영역들(TH1)의 각각은 도 3a 내지 도 5에서 설명한 바와 같이, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들을 상기 상부 기판(150) 하부의 상기 주변 회로(PCIR)와 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3a 내지 도 5에서 설명한 상기 비트라인들(290b)을 상기 상부 기판(150) 하부에 배치되는 상기 주변 회로(PCIR)와 전기적으로 연결하기 위하여 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)과 유사한 메모리 관통 영역(도 9 및 도 10a의 TH3)을 이용할 수 있다. 이와 같은 메모리 관통 영역(도 9 및 도 10a의 TH3)을 포함하는 반도체 소자(10a)의 예시적인 예에 대하여 도 3a 내지 도 5 및 도 9와 함께 도 10a를 참조하여 설명하기로 한다. 도 10a는 도 9의 III-III'선을 따라 취해진 영역을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 여기서, 도 3a 내지 도 5, 및 도 9를 참조하여 설명한 구성요소들은 앞에서 설명한 바 있으므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.Each of the plurality of first pad penetration regions (TH1) may be used to electrically connect the gate electrodes of the gate stack structure (270) with the peripheral circuit (PCIR) under the upper substrate (150), as described with reference to FIGS. 3A to 5. According to an embodiment of the present invention, a memory penetration region (TH3 of FIGS. 9 and 10A) similar to the first pad penetration region (TH1) may be used to electrically connect the bit lines (290b) described with reference to FIGS. 3A to 5 with the peripheral circuit (PCIR) disposed under the upper substrate (150). An exemplary example of a semiconductor device (10a) including such a memory penetration region (TH3 of FIGS. 9 and 10A) will be described with reference to FIGS. 3A to 5 and FIG. 9, along with FIG. 10A. FIG. 10A is a cross-sectional view schematically illustrating a region taken along line III-III' of FIG. 9. Here, the components described with reference to FIGS. 3a to 5 and FIG. 9 have been described above, so a detailed description will be omitted.

도 3a 내지 도 5 및 도 9와 함께, 도 10a를 참조하면, 예시적인 3차원 반도체 소자는 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 내에 위치하는 상기 주 분리 구조물들(MS) 중에서 서로 인접하는 상기 제1 주 분리 구조물(MS1)과 상기 제2 주 분리 구조물(MS2) 사이에 배치되는 메모리 관통 영역(TH3)을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 메모리 블록들(BLK)은 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 제2 방향(Y)으로 반복적으로 배열되며, 이와 같이 반복적으로 배열되는 상기 메모리 블록들(BLK) 중에서 어느 하나의 메모리 블록이 상기 메모리 관통 영역(TH3)으로 대체될 수 있다. 따라서, 어느 한 쌍의 메모리 블록들(BLK) 사이에 어느 하나의 상기 메모리 관통 영역(TH3)이 배치될 수 있다. 상기 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 제1 방향(X)으로 연장되는 라인 모양 수 있다. Referring to FIG. 10A together with FIGS. 3A to 5 and FIG. 9, an exemplary three-dimensional semiconductor device may include a memory penetration region (TH3) disposed between the first main separation structure (MS1) and the second main separation structure (MS2) which are adjacent to each other among the main separation structures (MS) located within the memory cell array region (20). Accordingly, the memory blocks (BLK) are repeatedly arranged in the second direction (Y), as described above, and any one of the memory blocks (BLK) repeatedly arranged in this manner may be replaced with the memory penetration region (TH3). Accordingly, any one of the memory penetration regions (TH3) may be disposed between any pair of memory blocks (BLK). The memory penetration region (TH3) may have a line shape extending in the first direction (X).

상기 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 게이트 적층 구조물(270)을 관통하며, 상기 하부 층간 절연 층(210L), 상기 중간 층간 절연 층(210M) 및 상기 상부 층간 절연 층(210U)을 관통할 수 있다.The above memory penetration region (TH3) penetrates the gate stack structure (270) and can penetrate the lower interlayer insulating layer (210L), the middle interlayer insulating layer (210M), and the upper interlayer insulating layer (210U).

도 3a 내지 도 5를 참조하여 상술한 바와 같이, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 상기 연장 영역(22) 내에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 상기 제1 및 제2 계단 영역들(22a, 22c) 사이의 상기 버퍼 영역(22b) 내의 상기 게이트 적층 구조물(270)의 상기 하부 게이트 전극(GE_L), 상기 더미 게이트 전극(GE_D1), 상기 중간 게이트 전극들(GE_M) 및 상기 버퍼 게이트 전극(GE_D2)을 관통할 수 있다. As described above with reference to FIGS. 3a to 5, the first pad penetration region (TH1) may be disposed within the extension region (22). In addition, the first pad penetration region (TH1) may penetrate the lower gate electrode (GE_L), the dummy gate electrode (GE_D1), the intermediate gate electrodes (GE_M) and the buffer gate electrode (GE_D2) of the gate stack structure (270) within the buffer region (22b) between the first and second step regions (22a, 22c).

상기 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 내에 배치될 수 있으며, 상기 게이트 적층 구조물(270)의 상기 하부 게이트 전극(GE_L), 상기 더미 게이트 전극(GE_D1), 상기 중간 게이트 전극들(GE_M), 상기 버퍼 게이트 전극(GE_D2) 및 상기 상부 게이트 전극(GE_U)을 관통할 수 있다. 따라서, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 상기 상부 게이트 전극(GE_U)과 이격될 수 있고, 상기 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 제1 패드 관통 영역(TH1) 보다 상기 상부 게이트 전극(GE_U)을 더 관통할 수 있다. 상기 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)과 동일한 물질, 예를 들어 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. The above memory penetration region (TH3) may be arranged within the memory cell array region (20) and may penetrate through the lower gate electrode (GE_L), the dummy gate electrode (GE_D1), the intermediate gate electrodes (GE_M), the buffer gate electrode (GE_D2), and the upper gate electrode (GE_U) of the gate stack structure (270). Accordingly, the first pad penetration region (TH1) may be spaced apart from the upper gate electrode (GE_U), and the memory penetration region (TH3) may penetrate further through the upper gate electrode (GE_U) than the first pad penetration region (TH1). The memory penetration region (TH3) may be formed of the same material as the first pad penetration region (TH1), for example, silicon oxide.

상기 메모리 관통 영역(TH3)은 하부 관통 영역(TH3_L) 및 상기 하부 관통 영역(TH3_U) 상의 상부 관통 영역(TH3_U)을 포함할 수 있다. 상기 메모리 관통 영역(TH3)에서, 상기 상부 관통 영역(TH3_U)은 상기 하부 관통 영역(TH3_L) 보다 큰 폭을 가질 수 있다. 상기 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)과 마찬가지로, 단차진 부분(S1)을 포함하는 사이드를 가질 수 있다. The above memory penetration region (TH3) may include a lower penetration region (TH3_L) and an upper penetration region (TH3_U) on the lower penetration region (TH3_U). In the memory penetration region (TH3), the upper penetration region (TH3_U) may have a wider width than the lower penetration region (TH3_L). The memory penetration region (TH3), like the first pad penetration region (TH1), may have a side including a stepped portion (S1).

상기 메모리 관통 영역(TH3) 하부에는 상기 메모리 관통 영역(TH3)과 중첩하는 갭필 층(161)이 배치될 수 있다. 상기 갭필 층(161)은 상기 상부 기판(150)을 관통하는 기판 홀(155b)을 채우는 절연성 물질로 형성될 수 있다. 상기 갭필 층(161)은 상기 제1 갭필 층(160a)과 동일한 절연성 물질, 예를 들어 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. A gap fill layer (161) overlapping the memory penetration area (TH3) may be arranged below the memory penetration area (TH3). The gap fill layer (161) may be formed of an insulating material that fills a substrate hole (155b) penetrating the upper substrate (150). The gap fill layer (161) may be formed of the same insulating material as the first gap fill layer (160a), for example, silicon oxide.

상기 메모리 관통 영역(TH3)을 관통하며 상기 제1 및 제2 캐핑 절연 층들(255, 278), 및 상기 제2 갭필 층(160b)을 관통하고, 상기 하부 구조물(110) 내로 연장되어 상기 주변 회로(TCIR)의 주변 배선(130)과 전기적으로 연결되는 비트라인 주변 콘택 플러그(284b)가 배치될 수 있다. 상기 비트라인(290b)은 상기 비트라인 주변 콘택 플러그(284b)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 비트라인(290b)은 상기 메모리 관통 영역(TH3)을 관통하는 상기 비트라인 주변 콘택 플러그(284b)를 통하여 상기 주변 회로(PCIR)와 전기적으로 연결될 수 있다. A bit line peripheral contact plug (284b) may be disposed to penetrate the memory penetration region (TH3), penetrate the first and second capping insulating layers (255, 278), and the second gapfill layer (160b), and extend into the lower structure (110) to be electrically connected to the peripheral wiring (130) of the peripheral circuit (TCIR). The bit line (290b) may be electrically connected to the bit line peripheral contact plug (284b). Accordingly, the bit line (290b) may be electrically connected to the peripheral circuit (PCIR) through the bit line peripheral contact plug (284b) penetrating the memory penetration region (TH3).

일 예에서, 상기 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)과 유사한 모양일 수 있지만, 상기 메모리 관통 영역(TH3)은 다양한 모양으로 변형될 수도 있다. 예를 들어, 상기 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 제1 패드 관통 영역(TH1) 보다 상기 상부 게이트 전극(GE_U)을 더 관통할 수 있으므로, 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)과 다른 모양으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 게이트 전극(GE_U)은 상기 상부 기판(150)의 표면과 수직한 방향으로 복수개로 적층될 수 있고, 이와 같은 복수개의 상부 게이트 전극(GE_U)은 상기 연장 영역(22)에서 계단 모양으로 배열되는 패드 영역들(P)을 가질 수 있다. 이와 같은 상기 복수개의 상부 게이트 전극(GE_U)의 계단 모양의 패드 영역들(P)을 형성하는 패터닝 공정에서, 상기 메모리 관통 영역(TH3)이 형성될 위치에 있는 상기 상부 게이트 전극(GE_U)을 같이 패터닝하여, 상기 버퍼 게이트 전극(GE_D2)을 노출시킬 수 있다. 이와 같은 상태에서 상기 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)과 동일한 공정에 의해서 형성될 수 있다. In one example, the memory penetration region (TH3) may have a similar shape to the first pad penetration region (TH1), but the memory penetration region (TH3) may be deformed into various shapes. For example, the memory penetration region (TH3) may penetrate further through the upper gate electrode (GE_U) than the first pad penetration region (TH1), and thus may be deformed into a different shape from the first pad penetration region (TH1). For example, the upper gate electrode (GE_U) may be stacked in a plurality of layers in a direction perpendicular to the surface of the upper substrate (150), and the plurality of such upper gate electrodes (GE_U) may have pad regions (P) arranged in a step shape in the extension region (22). In the patterning process of forming the step-shaped pad regions (P) of the plurality of upper gate electrodes (GE_U) as described above, the upper gate electrodes (GE_U) at the positions where the memory penetration regions (TH3) are to be formed can be patterned together to expose the buffer gate electrodes (GE_D2). In this state, the memory penetration regions (TH3) can be formed by the same process as the first pad penetration regions (TH1).

상기 메모리 관통 영역(TH3)이 형성될 위치에 있는 상기 상부 게이트 전극(GE_U)이 패터닝되어 상기 버퍼 게이트 전극(GE_D2)을 노출시키는 모양에 따라, 상기 메모리 관통 영역(TH3)의 모양은 다양하게 변형될 수 있다. 각각의 도 10b 및 도 10c는 도 10a에서의 메모리 관통 영역(TH3)의 변형 예를 설명하기 위한 단면도들이다.Depending on the shape of the upper gate electrode (GE_U) at the position where the memory penetration region (TH3) is to be formed, which is patterned to expose the buffer gate electrode (GE_D2), the shape of the memory penetration region (TH3) can be modified in various ways. Each of FIGS. 10b and 10c is a cross-sectional view illustrating an example of modification of the memory penetration region (TH3) in FIG. 10a.

우선, 도 10b를 참조하면, 메모리 관통 영역(TH3')은 앞에서 설명한 단차진 부분(S1)과 함께, 상부에서의 단차진 부분(S2)을 더 포함할 수 있다. 상기 단차진 부분들(S1, S2) 중에서, 상대적으로 아래에 위치하는 단차진 부분(S1)은 제1 계단 부분(S1)일 수 있고, 상대적으로 위에 위치하는 단차진 부분(S2)은 제2 계단 부분(S2)일 수 있다. 예를 들어, 상기 메모리 관통 영역(TH3')의 상부 영역(TH3_U)에서, 상기 게이트 전극들 중 최상위 게이트 전극에 의해 폭의 크기가 한정되는 상부 영역(TH3_U)의 폭은 상기 중간 게이트 전극들(GE_M)에 의해 폭의 크기가 한정되는 상부 영역(TH3_U)의 폭 보다 클 수 있다. 예를 들어, 도 10b에서와 같이, 상기 메모리 관통 영역(TH3')은 제1 및 제2 계단 부분들(S1, S2)에 의해 서로 구분되는 적어도 3개의 수직 부분들을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 메모리 관통 영역(TH3')의 상기 수직 부분들은 위로 갈수록 폭이 증가할 수 있다. First, referring to FIG. 10b, the memory penetration region (TH3') may further include a stepped portion (S2) at an upper portion, together with the stepped portion (S1) described above. Among the stepped portions (S1, S2), the stepped portion (S1) located relatively lower may be a first step portion (S1), and the stepped portion (S2) located relatively upper may be a second step portion (S2). For example, in the upper region (TH3_U) of the memory penetration region (TH3'), the width of the upper region (TH3_U) whose width is limited by the uppermost gate electrode among the gate electrodes may be larger than the width of the upper region (TH3_U) whose width is limited by the intermediate gate electrodes (GE_M). For example, as in Fig. 10b, the memory penetration area (TH3') may have at least three vertical portions separated from each other by the first and second step portions (S1, S2). For example, the vertical portions of the memory penetration area (TH3') may have a width that increases as they go upward.

다음으로, 도 10c를 참조하면, 메모리 관통 영역(TH3")은 복수의 계단들(S1')을 포함하는 사이드를 가질 수 있다. Next, referring to FIG. 10c, the memory penetration region (TH3") may have a side including a plurality of steps (S1').

상술한 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들의 패드 영역들이 배열되는 계단 모양 및 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)은 상술한 실시예들에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이와 같이 계단 모양 및 제1 패드 관통 영역(TH1)이 변형될 수 있는 예시적인 예에 대하여 도 11a 및 도 11b를 참조하여 설명하기로 한다. 도 11a은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 개념적으로 나타내는 사시도이고, 도 11b는 도 11a의 일부분을 메모리 셀 어레이 영역(20)에서 연장 영역(22)을 향하는 방향으로 절단하여 개념적으로 나타낸 단면도이다. 여기서, 계단 모양 및 패드 관통 영역(TH1)의 변형 예를 중심으로 설명하고, 나머지 구성요소들은 앞에서 설명한 내용으로 대체되어 이해될 수 있기 때문에 자세한 설명은 생략하기로 한다. The step shape and the first pad penetration region (TH1) in which the pad regions of the gate electrodes of the gate stack structure (270) described above are arranged are not limited to the above-described embodiments and may be modified in various forms. Exemplary examples in which the step shape and the first pad penetration region (TH1) may be modified will be described with reference to FIGS. 11A and 11B. FIG. 11A is a perspective view conceptually showing a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11B is a cross-sectional view conceptually showing a part of FIG. 11A cut in the direction from the memory cell array region (20) toward the extension region (22). Here, the description will focus on the modified example of the step shape and the pad penetration region (TH1), and since the remaining components can be understood by being replaced with the contents described above, a detailed description will be omitted.

도 11a 및 도 11b를 참조하면, 앞에서 설명한 것과 공일한 상기 하부 기판(105), 상기 하부 구조물(110) 및 상기 상부 기판(150)이 배치될 수 있다. 상기 상부 기판(150) 상에 배치되는 게이트 적층 구조물(370)은 상기 상부 기판(150)의 표면과 수직한 방향(Z)으로 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들을 포함할 수 있다. 상기 게이트 적층 구조물(370)의 게이트 전극들은 앞에서 설명한 것과 마찬가지로, 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 내에서 서로 이격되며 적층될 수 있고, 상기 연장 영역(22) 내로 연장되어 상기 연장 영역(22) 내에서 패드 영역들(P)을 가질 수 있다. 상기 게이트 적층 구조물(370)의 게이트 전극들은 하부 게이트 전극(GE_L), 상기 하부 게이트 전극(GE_L) 상의 더미 게이트 전극(GE_D1), 상기 더미 게이트 전극(GE_D1) 상의 중간 게이트 전극들(GE_M), 및 상기 중간 게이트 전극들(GE_M) 상의 버퍼 게이트 전극(GE_D2), 및 상기 버퍼 게이트 전극(GE_D2) 상의 상부 게이트 전극들(GE_U)을 포함할 수 있다. 상기 연장 영역(22)은 앞에서 설명한 것과 같은 제1 계단 영역(22a), 제2 계단 영역(22c) 및 상기 제1 및 제2 계단 영역들(22a, 22c) 사이의 버퍼 영역(22b)을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 11A and 11B, the lower substrate (105), the lower structure (110), and the upper substrate (150) similar to those described above may be arranged. The gate stacked structure (370) arranged on the upper substrate (150) may include gate electrodes that are stacked while being spaced apart from each other in a direction (Z) perpendicular to the surface of the upper substrate (150). The gate electrodes of the gate stacked structure (370) may be stacked while being spaced apart from each other within the memory cell array region (20), as described above, and may extend into the extension region (22) to have pad regions (P) within the extension region (22). The gate electrodes of the above gate stack structure (370) may include a lower gate electrode (GE_L), a dummy gate electrode (GE_D1) on the lower gate electrode (GE_L), intermediate gate electrodes (GE_M) on the dummy gate electrode (GE_D1), a buffer gate electrode (GE_D2) on the intermediate gate electrodes (GE_M), and upper gate electrodes (GE_U) on the buffer gate electrode (GE_D2). The extended region (22) may include a first step region (22a), a second step region (22c), and a buffer region (22b) between the first and second step regions (22a, 22c) as described above.

상기 제1 계단 영역(22a)은 상기 상부 게이트 전극들(GE_U)의 패드 영역들(P)이 차례로 낮아지며 계단들을 형성하는 영역일 수 있다.The above first step region (22a) may be a region in which the pad regions (P) of the upper gate electrodes (GE_U) are sequentially lowered to form steps.

상기 제2 계단 영역(22c)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)에서 상기 연장 영역(22)을 향하는 제1 방향으로 제1 높이로 낮아지는 계단 모양 및 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 상기 제1 높이 보다 작은 제2 높이로 낮아지거나, 또는 퐁아지는 계단 모양으로 배열되는 패드 영역들(P)이 위치하는 영역일 수 있다. The second step region (22c) may be a region where pad regions (P) are arranged in a step shape that is lowered to a first height in a first direction toward the extension region (22) in the memory cell array region (20) and lowered to a second height smaller than the first height in a second direction perpendicular to the first direction, or in a step shape that is formed by a pongee.

패드 관통 영역(TH1')은 상기 버퍼 영역(22b)의 상기 게이트 적층 구조물(370)을 관통할 수 있다. 상기 패드 관통 영역(TH1')과 중첩하며 상기 상부 기판(150)을 관통하는 갭필 층(160a)이 배치될 수 있다.The pad penetration region (TH1') can penetrate the gate stack structure (370) of the buffer region (22b). A gap fill layer (160a) can be arranged to overlap the pad penetration region (TH1') and penetrate the upper substrate (150).

상기 패드 관통 영역(TH1')은 단차진 부분들(S1)을 포함하는 사이드를 가질 수 있다. 따라서, 상기 패드 관통 영역(TH1')은 복수의 계단들로 형성되는 사이드를 가질 수 있다. 상기 패드 관통 영역(TH1')은 상부로 갈수록 단계적으로 폭이 증가되는 모양일 수 있다. 상기 패드 관통 영역(TH1')에서의 복수의 계단들의 낮아지는 높이차는 상기 제2 계단 영역(22c)의 패드 영역들(P)이 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)에서 상기 연장 영역(22)을 향하는 제1 방향으로 낮아지는 높이차와 실질적으로 동일할 수 있다. The above pad penetration area (TH1') may have a side including the stepped portions (S1). Accordingly, the pad penetration area (TH1') may have a side formed by a plurality of steps. The pad penetration area (TH1') may have a shape in which the width gradually increases as it goes upward. A height difference in which the plurality of steps in the pad penetration area (TH1') decreases may be substantially the same as a height difference in which the pad areas (P) of the second step area (22c) decrease in a first direction from the memory cell array area (20) toward the extension area (22).

다음으로, 계단 모양 및 패드 관통 영역(TH1)이 변형될 수 있는 예시적인 예에 대하여 도 12을 참조하여 설명하기로 한다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타내는 단면도이다. 여기서, 계단 모양 및 패드 관통 영역(TH1)의 변형 예를 중심으로 설명하고, 나머지 구성요소들은 앞에서 설명한 내용으로 대체되어 이해될 수 있기 때문에 자세한 설명은 생략하기로 한다. Next, an exemplary example in which the step shape and the pad penetration region (TH1) can be modified will be described with reference to FIG. 12. FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of modification of a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Here, the description will focus on an example of modification of the step shape and the pad penetration region (TH1), and the detailed description of the remaining components will be omitted because they can be understood by being replaced with the contents described above.

도 12을 참조하면, 게이트 적층 구조물(470)의 게이트 전극들의 패드 영역들은 메모리 셀 어레이 영역으로부터 멀어지는 방향으로 제1 높이로 낮아지는 계단 모양으로 배열될 수 있다. 이와 같이 계단 모양으로 배열되는 패드 영역들은 게이트 전극들의 계단들일 수 있다.Referring to FIG. 12, pad regions of gate electrodes of the gate stack structure (470) may be arranged in a step shape that decreases to a first height in a direction away from the memory cell array region. The pad regions arranged in a step shape in this way may be steps of the gate electrodes.

상기 게이트 적층 구조물(470)을 관통하는 패드 관통 영역(TH1")은 상부로 갈수록 폭이 증가하는 모양일 수 있다. 예를 들어, 상기 패드 관통 영역(TH1")의 사이드는 상기 게이트 적층 구조물(470)의 게이트 전극들의 계단 모양에 대응하는 계단들(S1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 게이트 적층 구조물(470)의 게이트 전극들의 계단들이 제1 높이로 점차적으로 낮아지는 경우에, 상기 패드 관통 영역(TH1")의 사이드의 계단들도 상기 제1 높이로 점차 낮아질 수 있다. The pad penetration region (TH1") penetrating the gate stacked structure (470) may have a shape in which the width increases as it goes upward. For example, the side of the pad penetration region (TH1") may include steps (S1) corresponding to the step shape of the gate electrodes of the gate stacked structure (470). For example, when the steps of the gate electrodes of the gate stacked structure (470) are gradually lowered to a first height, the steps of the side of the pad penetration region (TH1") may also be gradually lowered to the first height.

다음으로, 앞에서 상술한 상기 상부 기판(150) 및/또는 상기 주 분리 구조물들(MS)의 변형 예를 도 13a 및 도 13b를 참조하여 설명하기로 한다. 도 13a는 도 3a의 I-I'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 단면도이고, 도 13b는 도 3a의 II-II'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 단면도이다. 여기서, 상기 상부 기판(150) 및/또는 상기 주 분리 구조물들(MS)의 변형 예를 중심으로 설명하고, 나머지 구성요소들은 앞에서 설명한 내용으로 대체되어 이해될 수 있기 때문에 자세한 설명은 생략하기로 한다.Next, examples of modifications of the upper substrate (150) and/or the main separation structures (MS) described above will be described with reference to FIGS. 13A and 13B. FIG. 13A is a cross-sectional view showing a region taken along line I-I' of FIG. 3A, and FIG. 13B is a cross-sectional view showing a region taken along line II-II' of FIG. 3A. Here, examples of modifications of the upper substrate (150) and/or the main separation structures (MS) will be described, and the remaining components can be understood by being replaced with the contents described above, so a detailed description thereof will be omitted.

도 13a 및 도 13b를 참조하면, 상부 기판(150')은 제1 영역(150a) 및 상기 제1 영역(150a) 상의 제2 영역(150b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 영역(150a)은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 영역(150a)의 도전성 물질은 금속 질화물(e.g., TiN 또는 WN 등), 금속 실리사이드(e.g., WSi or TiSi 등) 또는 금속(e.g., W 등)을 포함할 수 있다. 상기 제2 영역(150b)은 폴리 실리콘으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 영역(150b)의 적어도 일부는 N-형의 도전형을 갖는 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 제2 영역(150b)의 적어도 일부는 도 1 및 도 2의 상기 공통 소스 라인(CSL)일 수 있다. 상기 제1 영역(150a)은 상기 수직 채널 구조물들(VS)과 이격될 수 있다. 상기 제2 영역(150b)은 각각의 상기 수직 채널 구조물들(VS) 일부와 접촉할 수 있다.Referring to FIGS. 13a and 13b, the upper substrate (150') may include a first region (150a) and a second region (150b) on the first region (150a). The first region (150a) may be formed of a conductive material. For example, the conductive material of the first region (150a) may include a metal nitride (e.g., TiN or WN, etc.), a metal silicide (e.g., WSi or TiSi, etc.), or a metal (e.g., W, etc.). The second region (150b) may be formed of polysilicon. For example, at least a portion of the second region (150b) may include polysilicon having an N-type conductivity type. At least a portion of the second region (150b) may be the common source line (CSL) of FIGS. 1 and 2. The first region (150a) may be spaced apart from the vertical channel structures (VS). The second region (150b) may be in contact with a portion of each of the vertical channel structures (VS).

변형 예에서, 주 분리 구조물들(MS')은 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 주 분리 구조물들(MS)은 실리콘 산화물, 실리콘산질화물 또는 실리콘 질화물 등과 같은 절연성 물질로 형성될 수 있다.In a variant example, the main separation structures (MS') may be formed of an insulating material. For example, the main separation structures (MS) may be formed of an insulating material such as silicon oxide, silicon oxynitride, or silicon nitride.

앞에서 도 3a 내지 도 13b을 참조하여 상술한 바와 같이, 예시적인 예에서 복수개가 배치되는 패드 관통 영역들(TH1)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)의 어느 한 측의 연장 영역(22)에 배치될 수 있다. 그렇지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 상기 패드 관통 영역들(TH1)의 배치의 변형 예에 대하여 도 14를 참조하여 설명하기로 한다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타낸 평면도이다.As described above with reference to FIGS. 3A to 13B, in the exemplary example, a plurality of pad penetration regions (TH1) may be arranged in an extended region (22) on either side of the memory cell array region (20). However, the technical idea of the present invention is not limited thereto. A variation example of the arrangement of the pad penetration regions (TH1) will be described with reference to FIG. 14. FIG. 14 is a plan view showing a variation example of a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, 연장 영역(22)은 메모리 셀 어레이 영역(20)의 양 측에 배치될 수 있다. 따라서, 한 쌍의 연장 영역(22) 사이에 하나의 메모리 셀 어레이 영역(20)이 배치될 수 있다. 상술한 제1 패드 관통 영역들(TH1)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)을 사이에 두고 상기 한 쌍의 연장 영역(22) 내에 지그 재그로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 14, the extension regions (22) may be arranged on both sides of the memory cell array region (20). Accordingly, one memory cell array region (20) may be arranged between a pair of extension regions (22). The above-described first pad penetration regions (TH1) may be arranged in a zigzag pattern within the pair of extension regions (22) with the memory cell array region (20) interposed therebetween.

도 3a 내지 도 14에서 상술한 바와 같이, 상기 제1 패드 관통 영역들(TH1)의 각각은 상기 제2 주 분리 구조물(MS2)의 분할된 부분(MS2')에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다. 그렇지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 이와 같은 변형 예에 대하여 도 15를 참조하여 설명하기로 한다. 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타낸 평면도이다.As described above in FIGS. 3A to 14, each of the first pad penetration regions (TH1) may be arranged to be surrounded by a divided portion (MS2') of the second main separation structure (MS2). However, the technical idea of the present invention is not limited thereto. Such a modified example will be described with reference to FIG. 15. FIG. 15 is a plan view showing a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 15를 참조하면, 메모리 셀 어레이 영역(20)의 양 측에 연장 영역(22)이 배치될 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 주 분리 구조물들(MS)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 및 상기 연장 영역(22)을 가로지를 수 있다. 상기 주 분리 구조물들(MS)은 서로 평행하며 이격되는 라인 모양으로 형성될 수 있다. 제1 패드 관통 영역들(TH1)은 메모리 셀 어레이 영역(20)의 어느 한 측의 연장 영역(22) 내에 배치될 수 있다. 상기 제1 패드 관통 영역들(TH1)은 상기 연장 영역(22) 내에서 라인 모양의 상기 주 분리 구조물들(MS) 사이에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 15, an extension region (22) may be arranged on both sides of a memory cell array region (20). As described above, the main separation structures (MS) may cross the memory cell array region (20) and the extension region (22). The main separation structures (MS) may be formed in a line shape that is parallel to and spaced apart from each other. The first pad penetration regions (TH1) may be arranged within the extension region (22) on either side of the memory cell array region (20). The first pad penetration regions (TH1) may be arranged between the line-shaped main separation structures (MS) within the extension region (22).

이와 같은 라인 모양으로 형성되는 주 분리 구조물들(MS) 사이에 배치되는 제1 패드 관통 영역들(TH1)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)의 어느 한 측에 위치하는 연장 영역(22) 내에 배치될 수 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않고 변형될 수 있다. 이와 같은 배치되는 제1 패드 관통 영역들(TH1)의 배치 모양의 변형 예에 대하여 도 16을 참조하여 설명하기로 한다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타낸 평면도이다.The first pad penetration regions (TH1) arranged between the main separation structures (MS) formed in a line shape like this may be arranged within an extension region (22) located on either side of the memory cell array region (20), but the technical idea of the present invention is not limited thereto and may be modified. An example of a modified arrangement shape of the first pad penetration regions (TH1) arranged like this will be described with reference to FIG. 16. FIG. 16 is a plan view showing an example of a modified arrangement of a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 16을 참조하면, 제1 패드 관통 영역들(TH1)은 라인 모양으로 형성되는 주 분리 구조물들(MS) 사이에 배치될 수 있고, 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)의 양 측에 위치하는 연장 영역(22) 내에 지그 재그로 배열될 수 있다. Referring to FIG. 16, the first pad penetration regions (TH1) may be arranged between main separation structures (MS) formed in a line shape and may be arranged in a zigzag manner within the extension regions (22) located on both sides of the memory cell array region (20).

도 15 내지 도 16을 각각 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 패드 관통 영역들(TH1)은 상기 연장 영역(22) 내에서 라인 모양으로 형성되는 주 분리 구조물들(MS) 사이에 배치될 수 있다. 이와 같은 주 분리 구조물들(MS) 사이에 배치되는 관통 영역의 예시적인 예에 대하여 도 17을 참조하여 설명하기로 한다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자의 변형 예를 나타낸 평면도이다.As described with reference to FIGS. 15 and 16, respectively, the first pad penetration regions (TH1) may be arranged between main separation structures (MS) formed in a line shape within the extension region (22). An exemplary example of the penetration region arranged between such main separation structures (MS) will be described with reference to FIG. 17. FIG. 17 is a plan view showing a modified example of a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

도 17을 참조하면, 도 9에서 설명한 것과 같은 메모리 관통 영역(TH3)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 내에서 라인 모양으로 형성되는 주 분리 구조물들(MS) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 주 분리 구조물들(MS) 사이에는 도 15 내지 도 16을 각각 참조하여 설명한 것과 같은 상기 제1 패드 관통 영역들(TH1)과 함께, 상기 메모리 관통 영역(TH3)이 배치될 수 있다. Referring to FIG. 17, the memory penetration region (TH3) as described in FIG. 9 may be arranged between the main separation structures (MS) formed in a line shape within the memory cell array region (20). Accordingly, the memory penetration region (TH3) may be arranged together with the first pad penetration regions (TH1) as described with reference to FIGS. 15 and 16, respectively, between the main separation structures (MS).

앞에서 설명한 예시적인 3차원 반도체 소자의 구조를 형성하는 방법의 예시적인 예에 대하여, 도 18a 및 도 18b과 함께, 도 19 내지 도 24를 참조하여 설명하기로 한다. 도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자 형성 방법의 예시적인 예를 나타내는 공정 흐름도들이다. 도 19 내지 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 반도체 소자 형성 방법의 예시적인 예를 개념적으로 나타내는 사시도들이다. 이하에서 언급되는 구성요소들의 물질 종류 또는 구조는 도 3a 내지 도 5을 참조하여 설명한 내용으로 이해될 수 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. 따라서, 이하에서 도 3a 내지 도 5을 참조하여 설명한 반도체 소자(10a)의 주요 구성요소들에 대한 자세한 설명은 생략하고, 이와 같은 주요 구성요소들을 형성하는 방법을 위주로 설명하기로 한다.An exemplary example of a method for forming a structure of an exemplary three-dimensional semiconductor device described above will be described with reference to FIGS. 19 to 24, together with FIGS. 18A and 18B. FIGS. 18A and 18B are process flow diagrams showing an exemplary example of a method for forming a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIGS. 19 to 24 are perspective views conceptually showing an exemplary example of a method for forming a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Since the material types or structures of the components mentioned below can be understood with the contents described with reference to FIGS. 3A to 5, a detailed description thereof will be omitted. Therefore, a detailed description of the main components of the semiconductor device (10a) described with reference to FIGS. 3A to 5 will be omitted below, and a description will be focused on a method for forming such main components.

도 18a 및 도 18b과 함께 도 19를 참조하면, 하부 기판(105) 상에 주변 회로(PCIR)를 포함하는 하부 구조물(110)을 형성할 수 있다(S5). 상기 하부 구조물(110) 상에 상부 기판(150)을 형성할 수 있다(S10). 상기 상부 기판(150)을 형성하는 것은 폴리 실리콘 기판을 형성하고, 상기 폴리 실리콘 기판을 패터닝하여 기판 홀들을 형성하고, 상기 기판 홀들을 채우는 제1 갭필 층(160a) 및 제2 갭필 층(160b)을 형성함과 동시에 패터닝된 폴리 실리콘 기판의 측면 상의 중간 절연 층(162)을 형성할 수 있다. 여기서, 패터닝된 폴리 실리콘 기판은 상기 상부 기판(150)일 수 있다. Referring to FIG. 19 together with FIGS. 18a and 18b, a lower structure (110) including a peripheral circuit (PCIR) can be formed on a lower substrate (105) (S5). An upper substrate (150) can be formed on the lower structure (110) (S10). Forming the upper substrate (150) may include forming a polysilicon substrate, patterning the polysilicon substrate to form substrate holes, forming a first gapfill layer (160a) and a second gapfill layer (160b) that fill the substrate holes, and forming an intermediate insulating layer (162) on a side surface of the patterned polysilicon substrate. Here, the patterned polysilicon substrate may be the upper substrate (150).

상기 상부 기판(150) 상에 교대로 반복적으로 적층되는 층간 절연 층들(210) 및 희생 층들(207)을 포함하는 몰드 구조체(205)을 형성할 수 있다(S15). A mold structure (205) including interlayer insulating layers (210) and sacrificial layers (207) alternately and repeatedly laminated on the upper substrate (150) can be formed (S15).

상기 층간 절연 층들(210) 및 상기 희생 층들(207) 중에서, 최상위 층간 절연 층 및 최상위 희생 층을 패터닝하여 제1 계단(211a)을 형성할 수 있다. 상기 제1 계단(211a)은 도 3a 내지 도 5에서 설명한 상기 게이트 적층 구조물(270)의 최상위에 위치하는 게이트 전극(GE_U)의 계단 모양에 대응하는 모양일 수 있다.Among the interlayer insulating layers (210) and the sacrificial layers (207), the uppermost interlayer insulating layer and the uppermost sacrificial layer may be patterned to form a first step (211a). The first step (211a) may have a shape corresponding to the step shape of the gate electrode (GE_U) located at the uppermost part of the gate stack structure (270) described in FIGS. 3A to 5.

이어서, 상기 층간 절연 층들(210) 및 상기 희생 층들(207) 중에서, 차상위 층간 절연 층 및 차상위 희생 층을 패터닝하여 계단 수가 증가한 제1 계단(211a) 및 최상위 몰드 패턴들(211b)을 형성할 수 있다. 상기 최상위 몰드 패턴들(211b)은 상기 상부 기판(150) 상의 연장 영역(22) 내에 형성될 수 있으며, 서로 이격될 수 있다. Next, among the interlayer insulating layers (210) and the sacrificial layers (207), the upper interlayer insulating layer and the upper sacrificial layer may be patterned to form a first step (211a) with an increased number of steps and uppermost mold patterns (211b). The uppermost mold patterns (211b) may be formed within an extended region (22) on the upper substrate (150) and may be spaced apart from each other.

도 3a 내지 도 5에서 설명한 바와 같이, 평면에서, 메모리 셀 어레이 영역(20)에서 연장 영역(22)을 향하는 방향은 제1 방향(X)으로 정의하고, 상기 제1 방향(X)과 수직한 방향은 제2 방향(Y)으로 정의하고, 단면에서, 상기 상부 기판(150)의 표면과 수직한 방향은 제3 방향(Z)으로 정의하기로 한다. As described in FIGS. 3A to 5, in a plane, the direction from the memory cell array region (20) toward the extension region (22) is defined as a first direction (X), the direction perpendicular to the first direction (X) is defined as a second direction (Y), and in a cross-section, the direction perpendicular to the surface of the upper substrate (150) is defined as a third direction (Z).

상기 제1 계단(211a) 및 상기 최상위 몰드 패턴들(211b)이 형성되지 않는 부분의 상기 몰드 구조체(205)은 상대적으로 높이가 낮아질 수 있다. The mold structure (205) in the portion where the first step (211a) and the uppermost mold patterns (211b) are not formed can have a relatively lower height.

변형 예에서, 상기 제1 계단(211a) 및 상기 최상위 몰드 패턴들(211b)을 형성하기 위하여 일부 층간 절연 층 및 일부 희생 층을 식각함과 동시에, 도 9에서 설명한 상기 메모리 관통 영역(도 9의 TH3)이 형성될 메모리 셀 어레이 영역(20) 에 위치하는 몰드 구조체(205)의 일부 층간 절연 층 및 일부 희생 층을 같이 식각할 수 있다. In a modified example, while etching some of the interlayer insulating layers and some of the sacrificial layers to form the first step (211a) and the uppermost mold patterns (211b), some of the interlayer insulating layers and some of the sacrificial layers of the mold structure (205) located in the memory cell array region (20) where the memory penetration region (TH3 of FIG. 9) described in FIG. 9 is to be formed can be etched together.

도 18a 및 도 18b과 함께 도 20을 참조하면, 상기 몰드 구조체(205)을 패터닝하여 상기 제1 방향(X)으로 점차적으로 낮아지는 계단들(211c)을 형성할 수 있다. 이와 같은 계단들(211c)은 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)에 가까운 상기 최상위 몰드 패턴들(211b)의 부분에서 시작하여 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)과 멀리 떨어진 상기 최상위 몰드 패턴들(211b)의 부분까지 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 방향(X)으로 점차적으로 낮아지는 계단들(211c)은 두 개의 희생 층들 및 두 개의 층간 절연 층들의 두께만큼 낮아질 수 있다. 상기 제1 방향(X)으로 점차적으로 낮아지는 계단들(211c) 중에서, 상기 최상위 몰드 패턴들(211b)과 중첩하는 영역에 위치하는 계단들은 나머지 계단들 보다 상대적으로 높을 수 있다. 상기 계단들은 상기 희생 층들의 계단들일 수 있다. Referring to FIG. 20 together with FIGS. 18a and 18b, the mold structure (205) may be patterned to form steps (211c) that gradually lower in the first direction (X). Such steps (211c) may be formed starting from a portion of the uppermost mold patterns (211b) close to the memory cell array region (20) to a portion of the uppermost mold patterns (211b) that is far from the memory cell array region (20). Here, the steps (211c) that gradually lower in the first direction (X) may be lowered by the thickness of two sacrificial layers and two interlayer insulating layers. Among the steps (211c) that gradually lower in the first direction (X), the steps located in the region overlapping with the uppermost mold patterns (211b) may be relatively higher than the remaining steps. The steps may be steps of the sacrificial layers.

도 18a 및 도 18b과 함께 도 21을 참조하면, 상기 몰드 구조체(205) 상에 제1 관통 개구부(213a) 및 제1 계단 개구부(213b)를 갖는 제1 포토레지스트 패턴(213)을 형성할 수 있다. 상기 제1 관통 개구부(213a)는 상기 최상위 몰드 패턴들(211b)과 상기 제1 계단(211a) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 관통 개구부(213a)는 도 3a 내지 도 5을 참조하여 설명한 상기 제1 패드 관통 영역(TH1)이 형성될 위치에 형성될 수 있다. 변형 예에서, 상기 제1 관통 개구부(213a)는 복수개가 형성되어 도 9에서 설명한 상기 메모리 관통 영역(도 9의 TH3)이 형성될 위치에 형성될 수 있다. Referring to FIG. 21 together with FIGS. 18a and 18b, a first photoresist pattern (213) having a first through opening (213a) and a first step opening (213b) may be formed on the mold structure (205). The first through opening (213a) may be positioned between the uppermost mold patterns (211b) and the first step (211a). The first through opening (213a) may be formed at a position where the first pad through opening (TH1) described with reference to FIGS. 3a to 5 is to be formed. In a modified example, a plurality of first through openings (213a) may be formed at a position where the memory through opening (TH3 of FIG. 9) described with reference to FIG. 9 is to be formed.

도 18a 및 도 18b와 함께 도 22를 참조하면, 상기 제1 포토레지스트 패턴(도 21의 213)을 식각마스크로 이용하여 상기 몰드 구조체(205)을 부분 식각하여 제1 관통 리세스 영역(214a) 및 제1 계단 리세스 영역(214b)을 형성할 수 있다. 상기 제1 관통 리세스 영역(214a)은 상기 제1 관통 개구부(도 21의 213a) 하부에 위치하는 몰드 구조체(205)이 부분 식각되어 형성될 수 있고, 상기 제1 계단 리세스 영역(214b)은 상기 제1 계단 개구부(도 21의 213b) 하부에 위치하는 몰드 구조체(205)이 부분 식각되어 형성될 수 있다.Referring to FIG. 22 together with FIGS. 18a and 18b, the first photoresist pattern (213 of FIG. 21) may be used as an etching mask to partially etch the mold structure (205) to form a first through recess region (214a) and a first step recess region (214b). The first through recess region (214a) may be formed by partially etching the mold structure (205) positioned below the first through opening (213a of FIG. 21), and the first step recess region (214b) may be formed by partially etching the mold structure (205) positioned below the first step opening (213b of FIG. 21).

도 18a 및 도 18b와 함께 도 23을 참조하면, 상기 몰드 구조체(205) 상에 제2 관통 개구부(215a) 및 제2 계단 개구부들(215b)을 갖는 제2 포토레지스트 패턴(215)을 형성할 수 있다. 상기 제2 관통 개구부(215a)는 상기 제1 관통 리세스 영역(214a)을 전부 노출시키면서 상기 제1 관통 리세스 영역(214a) 보다 큰 폭으로 형성될 수 있다. 상기 제2 계단 개구부들(215b)은 상기 제2 방향(Y)으로 서로 이격될 수 있다. 상기 제2 계단 개구부들(215b)은 상기 제1 계단 리세스 영역(214b)의 상기 제1 방향(X)과 평행한 양 측면들이 상기 제2 계단 개구부들(215b)의 가운데 부분에 위치하도록 형성될 수 있다. Referring to FIG. 23 together with FIGS. 18a and 18b, a second photoresist pattern (215) having a second through opening (215a) and second step openings (215b) can be formed on the mold structure (205). The second through opening (215a) can be formed with a larger width than the first through recess region (214a) while fully exposing the first through recess region (214a). The second step openings (215b) can be spaced apart from each other in the second direction (Y). The second step openings (215b) can be formed such that both side surfaces of the first step recess region (214b) parallel to the first direction (X) are positioned at the center portion of the second step openings (215b).

도 18a 및 도 18b와 함께 도 24를 참조하면, 상기 제2 포토레지스트 패턴(215)을 식각 마스크로 이용하여 제2 관통 개구부(215a) 및 제2 계단 개구부들(215b)에 의해 노출되는 상기 몰드 구조체(205)을 식각할 수 있다. 상기 몰드 구조체(205)을 식각하는 것은 어느 한 부분에서 상기 상부 기판(150)이 노출되거나, 및/또는 상기 제1 갭필 층(160a)이 노출될 때까지 상기 몰드 구조체(205)을 식각하는 것을 포함할 수 있다. 이와 같은 공정으로 형성되는 상기 몰드 구조체(205) 내의 상기 희생 층들(207)은 도 3a 내지 도 5에서 설명한 상기 게이트 전극 구조물(270)의 게이트 전극들의 패드 영역들의 계단 모양에 대응하는 모양의 계단들을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 관통 개구부(215a)에 의해 노출되는 상기 몰드 구조체(205)을 식각함으로써, 관통 홀(220)이 형성될 수 있다. 이와 같은 관통 홀은 복수개가 형성될 수 있다. Referring to FIG. 24 together with FIGS. 18a and 18b, the second photoresist pattern (215) may be used as an etching mask to etch the mold structure (205) exposed by the second through opening (215a) and the second step openings (215b). Etching the mold structure (205) may include etching the mold structure (205) until the upper substrate (150) is exposed at one portion and/or until the first gapfill layer (160a) is exposed. The sacrificial layers (207) in the mold structure (205) formed by this process may be formed to have steps having a shape corresponding to the step shape of the pad regions of the gate electrodes of the gate electrode structure (270) described with reference to FIGS. 3a to 5. In addition, a through hole (220) can be formed by etching the mold structure (205) exposed by the second through opening (215a). A plurality of such through holes can be formed.

따라서, 앞에서 설명한 바와 같이 상기 몰드 구조체(205)을 패터닝하여, 몰드 구조체를 관통하는 상기 관통 홀 및 계단들을 형성할 수 있다(S20).Accordingly, as described above, the mold structure (205) can be patterned to form the through holes and steps penetrating the mold structure (S20).

다시, 도 18a 및 도 18b와 함께, 도 3a 내지 도 5을 참조하면, 상기 계단들을 덮으면서 상기 관통 홀을 채우는 절연 층을 형성할 수 있다 (S25) 상기 관통 홀이 복수개가 형성되는 경우에, 복수개의 관통 홀을 채우는 절연 층은 도 3a 내지 도 5을 참조하여 설명한 것과 같은 상기 제1 패드 관통 영역(TH1) 및/또는 상기 메모리 관통 영역(TH3)을 형성하면서, 상기 상부 절연 층(230)을 형성할 수 있다. 상기 몰드 구조체(205)을 관통하는 수직 채널 구조물들(VS)을 형성할 수 있다(S30). 상기 수직 채널 구조물들(VS)은 도 3a 내지 도 5을 참조하여 설명한 것과 같은 상기 수직 채널 구조물들(VS)일 수 있다. Again, referring to FIGS. 3A to 5, together with FIGS. 18A and 18B, an insulating layer may be formed that fills the through holes while covering the steps (S25). In the case where a plurality of through holes are formed, the insulating layer that fills the plurality of through holes may form the upper insulating layer (230) while forming the first pad through-hole area (TH1) and/or the memory through-hole area (TH3) as described with reference to FIGS. 3A to 5. Vertical channel structures (VS) penetrating the mold structure (205) may be formed (S30). The vertical channel structures (VS) may be the vertical channel structures (VS) as described with reference to FIGS. 3A to 5.

이어서, 도 3a 내지 도 5을 참조하여 설명한 것과 같은 제1 캐핑 절연 층(255)을 형성하고, 상기 제1 캐핑 절연 층(255) 및 상기 몰드 구조체(205)을 관통하며 상기 희생 층들(207)을 노출시키는 분리 트렌치들을 형성할 수 있다(S35). 상기 희생 층들(207)을 제거하여 공간들을 형성할 수 있다(S40). 상기 공간들 내에 게이트들을 형성할 수 있다(S45). 상기 게이트들은 도 6 내지 도 13b를 참조하여 설명한 상기 게이트 적층 구조물(270)의 게이트 전극들 및 상기 제2 게이트 유전체(268)일 수 있다. 상기 분리 트렌치들 하부에 도 3a 내지 도 5을 참조하여 설명한 상기 불순물 영역들(272)을 형성할 수 있다. 상기 분리 트렌치들 내에 분리 구조물들을 형성할 수 있다(S50). 상기 분리 구조물들은 도 3 내지 도 13b를 참조하여 설명한 상기 주 분리 구조물들(MS) 및 상기 보조 분리 구조물들(SS)일 수 있다. Next, a first capping insulating layer (255) as described with reference to FIGS. 3A to 5 may be formed, and isolation trenches penetrating the first capping insulating layer (255) and the mold structure (205) and exposing the sacrificial layers (207) may be formed (S35). The sacrificial layers (207) may be removed to form spaces (S40). Gates may be formed in the spaces (S45). The gates may be gate electrodes of the gate stack structure (270) described with reference to FIGS. 6 to 13B and the second gate dielectric (268). The impurity regions (272) described with reference to FIGS. 3A to 5 may be formed below the isolation trenches. Isolation structures may be formed in the isolation trenches (S50). The above separation structures may be the main separation structures (MS) and the auxiliary separation structures (SS) described with reference to FIGS. 3 to 13b.

이어서, 도 3a 내지 도 5을 참조하여 설명한 상기 제2 캐핑 절연 층(278)을 형성할 수 있다. 이어서, 상기 관통 홀 내의 절연 층, 즉 관통 영역(TH1) 및 상기 상부 기판(150)을 관통하며 상기 주변 회로(PCIR)와 전기적으로 연결되는 주변 콘택 플러그들을 형성할 수 있다(S55). 상기 주변 콘택 플러그들은 게이트 주변 콘택 플러그(284g) 및/또는 비트라인 주변 콘택 플러그(284b)일 수 있다. 이어서, 도 3a 내지 도 5을 참조하여 설명한 것과 같은 상부 배선들을 형성할 수 있다. 상기 상부 배선들은 게이트 연결 배선(290g) 및 비트라인(290b)일 수 있다. Next, the second capping insulating layer (278) described with reference to FIGS. 3A to 5 may be formed. Next, the insulating layer in the through hole, i.e., the through region (TH1) and peripheral contact plugs that penetrate the upper substrate (150) and are electrically connected to the peripheral circuit (PCIR), may be formed (S55). The peripheral contact plugs may be gate peripheral contact plugs (284g) and/or bit line peripheral contact plugs (284b). Next, upper wirings such as those described with reference to FIGS. 3A to 5 may be formed. The upper wirings may be gate connection wirings (290g) and bit lines (290b).

다음으로, 도 25a 내지 도 31b를 참조하여 도 3 내지 도 13b에서 설명한 어느 한 방향으로의 계단의 폭과, 어느 한 방향으로의 관통 영역의 단차진 부분의 폭의 크기를 서로 다르게 형성하는 방법의 예시적인 예를 설명하기로 한다. 도 25a 내지 도 31b에서, 도 25a, 도 26a, 도 27a, 도 28a, 도 29a, 도 30a 및 도 31a는 계단들의 일부분을 형성하는 방법의 예시적인 예를 설명하기 위하여 계단 영역(STR)의 일부를 개념적으로 나타내는 단면도들이고, 도 25b, 도 26b, 도 27b, 도 28b, 도 29b, 도 30b 및 도 31b는 관통 영역(THR)의 어느 한 사이드를 형성하는 방법의 예시적인 예를 설명하기 위하여 관통 영역의 일부를 개념적으로 나타내는 단면도들이다. 앞에서 설명한 도 18a 내지 도 24를 참조하여 설명한 예시적인 3차원 반도체 소자의 형성 방법에서 상기 몰드 구조체(205)의 상기 희생 층들(207)의 패터닝되는 모양에 따라 게이트 전극들 및 관통 영역의 모양 및 크기가 결정된다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 이하에서 상기 희생 층들(207)을 패터닝하는 방법을 위주로 설명하지만, 이러한 방법으로부터 앞에서 설명한 3차원 반도체 소자의 게이트 전극들을 관통하는 관통 영역 및 게이트 전극들의 계단들의 모양을 이해할 수 있다. Next, with reference to FIGS. 25a to 31b, an exemplary example of a method for forming the width of the steps in one direction described in FIGS. 3 to 13b and the width of the stepped portion of the through area in one direction are different sizes from each other will be described. In FIGS. 25a to 31b, FIGS. 25a, 26a, 27a, 28a, 29a, 30a, and 31a are cross-sectional views conceptually illustrating a portion of a step area (STR) to illustrate an exemplary example of a method for forming a portion of steps, and FIGS. 25b, 26b, 27b, 28b, 29b, 30b, and 31b are cross-sectional views conceptually illustrating a portion of a through area to illustrate an exemplary example of a method for forming one side of the through area (THR). It can be understood that in the exemplary method of forming a three-dimensional semiconductor device described with reference to FIGS. 18a to 24 described above, the shape and size of the gate electrodes and the penetration regions are determined according to the patterned shape of the sacrificial layers (207) of the mold structure (205). Therefore, although the method of patterning the sacrificial layers (207) will be mainly described below, the shape of the penetration regions penetrating the gate electrodes of the three-dimensional semiconductor device described above and the steps of the gate electrodes can be understood from this method.

우선, 도 25a 및 도 25b를 참조하면, 제1 갭필 층(160a)이 형성된 상부 기판(150)을 준비할 수 있다. 상기 상부 기판(150) 상에 교대로 반복적으로 적층되는 층간 절연 층들(210) 및 희생 층들(207)을 포함하는 몰드 구조체(205)을 형성할 수 있다. 상기 몰드 구조체(205) 상에 제1 포토레지스트 패턴(415a)을 형성할 수 있다. 상기 제1 포토레지스트 패턴(415a)을 식각 마스크로 이용하여 상기 몰드 구조체(205)의 일부분을 식각할 수 있다. 도 25a 및 도 25b에서, 차례로 적층된 4개의 희생 층들(207)이 식각되는 것으로 도시하고 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 형성하고자 하는 계단 모양에 따라, 1개의 희생 층이 식각되거나, 또는 다른 개수의 희생 층들이 식각될 수도 있다.First, referring to FIGS. 25a and 25b, an upper substrate (150) having a first gapfill layer (160a) formed thereon can be prepared. A mold structure (205) including interlayer insulating layers (210) and sacrificial layers (207) that are alternately and repeatedly laminated can be formed on the upper substrate (150). A first photoresist pattern (415a) can be formed on the mold structure (205). A portion of the mold structure (205) can be etched using the first photoresist pattern (415a) as an etching mask. Although FIGS. 25a and 25b illustrate that four sacrificial layers (207) that are sequentially laminated are etched, the technical idea of the present invention is not limited thereto. For example, depending on the desired step shape to be formed, one sacrificial layer may be etched, or a different number of sacrificial layers may be etched.

도 26a 및 도 26b를 참조하면, 상기 제1 포토레지스트 패턴들(415a)의 크기를 단계적으로 크기를 감소시키면서 상기 몰드 구조체(205)의 일부분들을 단계적으로 식각하여 제1 패드 계단들(416a) 및 제1 관통 계단들(417a)을 형성할 수 있다. 상기 단계적으로 크기가 감소되는 제1 포토레지스트 패턴들(415a, 415b, 415c, 415d)은 형성하고자 하는 계단의 폭의 크기에 따라 크기가 감소될 수 있다.Referring to FIGS. 26a and 26b, portions of the mold structure (205) may be stepwise etched while gradually reducing the size of the first photoresist patterns (415a) to form first pad steps (416a) and first through steps (417a). The first photoresist patterns (415a, 415b, 415c, 415d) whose sizes are gradually reduced may be reduced in size according to the size of the width of the steps to be formed.

상기 단계적으로 크기가 감소되는 제1 포토레지스트 패턴들(415a, 415b, 415c, 415d)은 상기 제1 패드 계단들(416a) 및 상기 제1 관통 계단들(417a)이 형성된 후에 제거될 수 있다. The first photoresist patterns (415a, 415b, 415c, 415d) whose sizes are gradually reduced above can be removed after the first pad steps (416a) and the first through steps (417a) are formed.

도 27a, 도 28a, 도 29a, 도 30a 및 도 27b, 도 28b, 도 29b, 도 30b를 참조하면, 상기 제1 패드 계단들(416a) 및 상기 제1 관통 계단들(417a)이 형성된 몰드 구조체(205) 상에 제2 포토레지스트 패턴(420a)을 형성하고, 도 25a 내지 도 26b를 참조하여 설명한 방법과 실질적으로 동일한 방법을 이용하여 계단 형성 공정을 진행할 수 있다.Referring to FIGS. 27a, 28a, 29a, 30a and 27b, 28b, 29b and 30b, a second photoresist pattern (420a) is formed on a mold structure (205) on which the first pad steps (416a) and the first through steps (417a) are formed, and a step formation process can be performed using substantially the same method as the method described with reference to FIGS. 25a to 26b.

도 25a 내지 도 26b에서 상술한 단계적으로 크기가 감소되는 상기 제1 포토레지스트 패턴들(도 25a 내지 도 26b의 415a, 415b, 415c, 415d)과 마찬가지로, 단계적으로 크기가 감소되는 제2 포토레지스트 패턴들(420a, 420b, 420c, 420d)이 차례로 형성될 수 있으며, 이와 같이 단계적으로 크기가 감소되는 제2 포토레지스트 패턴들(420a, 420b, 420c, 420d)을 각각 식각 마스크로 이용하는 식각 공정을 진행하여 상기 몰드 구조체(205)의 일부를 단계적으로 식각할 수 있다.Similarly to the first photoresist patterns (415a, 415b, 415c, 415d of FIGS. 25a to 26b) whose sizes are gradually reduced as described above in FIGS. 25a to 26b, second photoresist patterns (420a, 420b, 420c, 420d) whose sizes are gradually reduced can be sequentially formed, and an etching process using each of the second photoresist patterns (420a, 420b, 420c, 420d) whose sizes are gradually reduced in this way as etching masks can be performed to stepwise etch a portion of the mold structure (205).

상기 단계적으로 크기가 감소되는 제2 포토레지스트 패턴들(420a, 420b, 420c, 420d)은 상기 제1 패드 계단들(416a)과 중첩하지 않도록 형성될 수 있고, 상기 제1 관통 계단들(417a)과 부분적으로 중첩되도록 형성될 수 있다. The second photoresist patterns (420a, 420b, 420c, 420d) whose sizes are gradually reduced above may be formed so as not to overlap the first pad steps (416a) and may be formed so as to partially overlap the first through steps (417a).

따라서, 상기 단계적으로 크기가 감소되는 제2 포토레지스트 패턴들(420a, 420b, 420c, 420d)에 의해서 상기 제1 패드 계단들(416a)과 중첩하지 않는 제2 패드 계단들(416b)이 형성되어, 상기 제1 및 제2 패드 계단들(416a, 416b)로 구성되는 패드 계단들(425a)이 형성될 수 있다. Accordingly, second pad steps (416b) that do not overlap with the first pad steps (416a) are formed by the second photoresist patterns (420a, 420b, 420c, 420d) whose sizes are gradually reduced, so that pad steps (425a) composed of the first and second pad steps (416a, 416b) can be formed.

또한, 상기 단계적으로 크기가 감소되는 제2 포토레지스트 패턴들(420a, 420b, 420c, 420d)에 의해서 상기 제1 관통 계단들(417a)의 수평 폭 보다 작아진 수평폭을 갖는 관통 계단들(421b)이 형성될 수 있다. Additionally, through-steps (421b) having a horizontal width smaller than that of the first through-steps (417a) can be formed by the second photoresist patterns (420a, 420b, 420c, 420d) whose sizes are gradually reduced.

또한, 상기 관통 계단들(421b)에서, 최상단 계단과 최하단 계단 사이의 수평 길이(L2)는 상기 패드 계단들(425a)에서, 최상단 계단과 최하단 계단 사이의 수평 길이(L1) 보다 작을 수 있다. Additionally, in the above-described through steps (421b), the horizontal length (L2) between the top step and the bottom step may be smaller than the horizontal length (L1) between the top step and the bottom step in the above-described pad steps (425a).

본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 반도체 소자는 상술한 바와 같이, 상기 메모리 셀 어레이 영역(20), 상기 메모리 셀 어레이 영역(20)의 어느 측 또는 양측의 연장 영역들(22), 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 및 상기 연장 영역들(22)을 가로지르며 메모리 블록들(BLK)을 한정하는 주 분리 구조물들(MS), 상기 메모리 블록들(BLK) 내에 배치되며 상기 연장 영역들(22) 내로 연장되는 게이트 적층 구조물(270, 370), 상기 주 분리 구조물들(MS) 사이에 배치되며 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 내의 상기 게이트 적층 구조물(270)을 관통하는 수직 채널 구조물들(VS), 및 상기 메모리 셀 어레이 영역(20) 또는 상기 연장 영역들(22) 내에 배치되며 상기 게이트 적층 구조물(270)을 관통하는 적어도 하나의 관통 영역(TH1, TH3)을 포함할 수 있다. 상기 관통 영역(TH1, TH3)은 적어도 하나의 계단(S1, S2, S, S')을 포함하는 사이드(side)를 가질 수 있다. 여기서, 상기 관통 영역(TH1, TH3)의 상기 사이드의 계단(S1, S2, S, S')은 단차진 부분으로 설명될수도 있다. 상기 관통 영역(TH1, TH3)은 하부 영역 및 상기 하부 영역 상에 상부 영역을 가질 수 있다. 여기서, 상기 관통 영역(TH1, TH3)의 상부 영역은 상기 하부 영역 보다 큰 폭을 가질 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a three-dimensional semiconductor device may include, as described above, the memory cell array region (20), extension regions (22) on one or both sides of the memory cell array region (20), main isolation structures (MS) that extend across the memory cell array region (20) and the extension regions (22) and define memory blocks (BLK), gate stacked structures (270, 370) that are arranged in the memory blocks (BLK) and extend into the extension regions (22), vertical channel structures (VS) that are arranged between the main isolation structures (MS) and penetrate the gate stacked structure (270) in the memory cell array region (20), and at least one through region (TH1, TH3) that is arranged in the memory cell array region (20) or the extension regions (22) and penetrates the gate stacked structure (270). The above-described penetration area (TH1, TH3) can have a side including at least one step (S1, S2, S, S'). Here, the steps (S1, S2, S, S') of the side of the penetration area (TH1, TH3) can be described as a stepped portion. The above-described penetration area (TH1, TH3) can have a lower region and an upper region on the lower region. Here, the upper region of the penetration area (TH1, TH3) can have a larger width than the lower region.

실시 예들에서, 상기 관통 영역(TH1, TH3)은 상기 게이트 적층 구조물(270)의 패드 영역들(P)을 형성하는 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 따라서, 상기 관통 영역(TH1, TH3)을 형성하기 위한 별도의 공정을 생략할 수 있으므로, 생산 비용을 감소시키어, 반도체 소자의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 관통 영역(TH1, TH3)은 상기 상부 기판(150)으로부터 멀어지는 수직 방향으로 폭이 단계적으로 증가할 수 있기 때문에, 상기 관통 영역(TH1, TH3)을 구성하는 절연성 물질을 보이드 등과 같은 불량 없이 형성할 수 있다. In embodiments, the through-regions (TH1, TH3) may be formed using a process for forming pad regions (P) of the gate stack structure (270). Accordingly, a separate process for forming the through-regions (TH1, TH3) may be omitted, thereby reducing production costs and improving productivity of semiconductor devices. In addition, since the through-regions (TH1, TH3) may have a width that gradually increases in a vertical direction away from the upper substrate (150), the insulating material constituting the through-regions (TH1, TH3) may be formed without defects such as voids.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. Above, while the embodiments of the present invention have been described with reference to the attached drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

BLK : 메모리 블록 MC : 메모리 셀
WL : 워드라인 BL : 비트라인
CSL : 공통 소스 라인 SSL : 스트링 선택 라인
S : 메모리 스트링 DS : 더미 스트링
20 : 메모리 셀 어레이 영역 22 : 연장 영역
22a : 제1 계단 영역 22b : 버퍼 영역
22c : 제2 계단 영역 105 : 하부 기판
110 : 하부 구조물 115 : 아이솔레이션 영역
120 : 활성 영역 PTR : 주변 트랜지스터
130 : 주변 배선들 PCIR : 주변 회로
140 : 하부 절연 층 150 : 상부 기판
155a, 155b : 기판 홀 160a, 160b, 161 : 갭필 층
162 : 중간 절연 층 270, 370 : 게이트 적층 구조물
GE_L : 하부 게이트 전극 GE_D1: 더미 게이트 전극
GE_D2 : 버퍼 게이트 전극 GE_M : 중간 게이트 전극들
GE_U : 상부 게이트 전극 205 : 몰드 구조체
207 : 희생 층 210L : 하부 층간 절연 층
210M : 중간 층간 절연 층 210U : 상부 층간 절연 층
210 : 층간 절연 층 211a : 제1 계단
211b : 최상위 몰드 패턴 213, 313, 215 : 제1 포토레지스트 패턴
213a : 제1 관통 개구부 213b : 제1 계단 개구부
214a : 제1 관통 리세스 영역 214b : 제1 계단 리세스 영역
215a : 제2 관통 개구부 215b : 제2 계단 개구부
TH1 : 제1 패드 관통 영역 TH1_L : 하부 관통 영역
TH1_U : 상부 관통 영역 TH2 : 제2 패드 관통 영역
TH3 : 메모리 관통 영역 SG1 : 제1 계단 그룹
SG2 : 제2 계단 그룹 SG3 : 제3 계단 그룹
DA : 더미 영역 230 : 상부 절연 층
232 : 절연성 라인 VS : 수직 채널 구조물
235 : 하부 채널 반도체 층 240 : 제1 게이트 유전체
242 : 터널 유전체 243 : 정보 저장 층
244 : 블로킹 유전체 246, 246' : 채널 반도체 층
248 : 절연성 코어 층 250 : 패드 층
255 : 제1 캐핑 절연 층 268 : 제2 게이트 유전체
MS : 주 분리 구조물들 MS1 : 제1 주 분리 구조물
MS2 : 제2 주 분리 구조물 MS2' : 분할된 부분
SS : 보조 분리 구조물들 272 : 불순물 영역
274 : 스페이서 276 : 도전성 패턴
278 : 제2 캐핑 절연 층 280g : 게이트 콘택 플러그들
280b : 비트라인 콘택 플러그들 284g : 게이트 주변 콘택 플러그
284b : 비트라인 주변 콘택 플러그 290b : 비트라인
290g : 게이트 연결 배선 415a ~ 415d : 포토레지스트 패턴들
416a : 제1 패드 계단들 417a : 제1 관통 계단들
BLK: Memory Block MC: Memory Cell
WL: Wordline BL: Bitline
CSL: Common Source Line SSL: String Selection Line
S: memory string DS: dummy string
20: Memory cell array area 22: Extension area
22a: 1st step area 22b: Buffer area
22c: 2nd step area 105: lower substrate
110 : Substructure 115 : Isolation area
120 : Active Area PTR : Peripheral Transistor
130: Peripheral wiring PCIR: Peripheral circuits
140 : Lower insulation layer 150 : Upper substrate
155a, 155b: substrate hole 160a, 160b, 161: gap fill layer
162: Middle insulation layer 270, 370: Gate laminate structure
GE_L: Lower gate electrode GE_D1: Dummy gate electrode
GE_D2: Buffer gate electrode GE_M: Middle gate electrodes
GE_U : Top gate electrode 205 : Mold structure
207: Sacrificial layer 210L: Lower interlayer insulation layer
210M: Middle interlayer insulation layer 210U: Upper interlayer insulation layer
210: Interfloor insulation layer 211a: First staircase
211b: Top mold pattern 213, 313, 215: First photoresist pattern
213a: First through-hole opening 213b: First stair opening
214a: First through-hole recess area 214b: First step recess area
215a: Second through opening 215b: Second stair opening
TH1: 1st pad penetration area TH1_L: Lower penetration area
TH1_U: Upper penetration area TH2: Second pad penetration area
TH3: Memory penetration area SG1: 1st step group
SG2: 2nd step group SG3: 3rd step group
DA: Dummy area 230: Upper insulation layer
232: Insulating Line VS: Vertical Channel Structure
235: Lower channel semiconductor layer 240: First gate dielectric
242: Tunnel dielectric 243: Information storage layer
244: Blocking dielectric 246, 246': Channel semiconductor layer
248: Insulating core layer 250: Pad layer
255: First capping insulating layer 268: Second gate dielectric
MS: Main Separation Structures MS1: First Main Separation Structure
MS2: Second main separation structure MS2': Divided part
SS: Auxiliary separation structures 272: Impurity region
274 : Spacer 276 : Challenge Pattern
278: Second capping insulation layer 280g: Gate contact plugs
280b: Bitline contact plugs 284g: Gate peripheral contact plugs
284b: Bitline peripheral contact plug 290b: Bitline
290g: Gate connection wiring 415a - 415d: Photoresist patterns
416a: 1st pad steps 417a: 1st through steps

Claims (20)

상부 기판;
상기 상부 기판 상에 배치되고 게이트 전극들을 포함하는 게이트 적층 구조물, 상기 게이트 전극들은 메모리 셀 어레이 영역 내에서 상기 상부 기판의 표면과 수직한 수직 방향으로 서로 이격되면서 적층되고 상기 메모리 셀 어레이 영역과 인접하는 연장 영역 내로 연장되어 상기 연장 영역 내에서 계단 모양으로 배열되는 패드 영역들을 갖고;
상기 연장 영역 내에서 상기 게이트 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하는 적어도 하나의 관통 영역;
상기 메모리 셀 어레이 영역 및 상기 연장 영역을 가로지르며 각각의 메모리 블록들을 한정하는 주 분리 구조물들; 및
상기 주 분리 구조물들 사이에 배치되며 상기 메모리 셀 어레이 영역 내에 배치되고, 상기 게이트 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하는 수직 채널 구조물들을 포함하되,
상기 적어도 하나의 관통 영역은 하부 영역 및 상기 하부 영역 상의 상부 영역을 포함하고, 상기 상부 영역은 상기 하부 영역 보다 큰 폭을 갖고,
상기 적어도 하나의 관통 영역의 사이드(side)는 단차진 부분을 포함하고,
상기 적어도 하나의 관통 영역은 상기 주 분리 구조물들 사이에 배치되는 3차원 반도체 소자.
upper substrate;
A gate stack structure disposed on the upper substrate and including gate electrodes, the gate electrodes being stacked while being spaced apart from each other in a vertical direction perpendicular to a surface of the upper substrate within a memory cell array region and extending into an extension region adjacent to the memory cell array region and having pad regions arranged in a step shape within the extension region;
At least one through-hole region penetrating the gate stack structure in the vertical direction within the extended region;
Main separation structures defining each memory block across the memory cell array region and the extended region; and
A vertical channel structure is disposed between the above main separation structures and within the memory cell array region, and penetrates the gate stack structure in the vertical direction.
wherein said at least one penetration region comprises a lower region and an upper region over said lower region, said upper region having a width greater than that of said lower region;
A side of at least one of the above penetration areas comprises a stepped portion,
A three-dimensional semiconductor device wherein at least one of the penetration regions is positioned between the main separation structures.
상부 기판;
상기 상부 기판 하부에 배치되는 하부 기판;
상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 배치되며, 주변 회로를 포함하는 하부 구조물; 및
상기 상부 기판을 관통하는 기판 홀 내에 배치되는 갭필 층;
상기 상부 기판 상에 배치되고 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물, 상기 게이트 전극들은 메모리 셀 어레이 영역 내에서 수직 방향으로 서로 이격되면서 적층되고 상기 메모리 셀 어레이 영역과 제1 방향에서 인접하는 연장 영역 내로 연장되어 상기 연장 영역 내에서 계단 모양으로 배열되는 패드 영역들을 갖고;
상기 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하는 분리 구조물들;
상기 분리 구조물들 사이에 배치되고, 상기 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하는 수직 채널 구조물;
상기 연장 영역 내에서 상기 분리 구조물들 사이에 배치되고, 상기 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하고, 상기 갭필 층과 수직하게 중첩하는 관통 영역; 및
상기 관통 영역을 상기 수직 방향으로 관통하는 주변 콘택 플러그를 포함하되,
상기 분리 구조물들은 상기 메모리 셀 어레이 영역과 상기 관통 영역 사이의 상기 연장 영역 내에서 상기 제1 방향으로 서로 이격되는 부분들을 포함하는 3차원 반도체 소자.
upper substrate;
A lower substrate disposed below the upper substrate;
A lower structure disposed between the lower substrate and the upper substrate and including a peripheral circuit; and
A gapfill layer disposed within a substrate hole penetrating the upper substrate;
A laminated structure disposed on the upper substrate and including gate electrodes, the gate electrodes being laminated while being spaced apart from each other in the vertical direction within a memory cell array region and having pad regions extending into an extension region adjacent to the memory cell array region in a first direction and arranged in a step shape within the extension region;
Separating structures penetrating the above laminated structure in the vertical direction;
A vertical channel structure disposed between the above separation structures and penetrating the above laminated structure in the vertical direction;
A penetration region disposed between the separation structures within the extended region, penetrating the laminated structure in the vertical direction, and vertically overlapping the gapfill layer; and
Including a peripheral contact plug penetrating the above penetration area in the vertical direction,
A three-dimensional semiconductor device wherein the above separation structures include portions spaced apart from each other in the first direction within the extended region between the memory cell array region and the through region.
제 2 항에 있어서,
상기 관통 영역의 사이드(side)는 단차진 부분을 포함하는 3차원 반도체 소자.
In the second paragraph,
A three-dimensional semiconductor element including a stepped portion on the side of the above penetration region.
제 3 항에 있어서,
상기 단차진 부분은 상기 적층 구조물의 상부면 보다 상기 적층 구조물의 하부면에 가까운 3차원 반도체 소자.
In the third paragraph,
A three-dimensional semiconductor device in which the stepped portion is closer to the lower surface of the laminated structure than to the upper surface of the laminated structure.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 관통 영역의 상기 사이드는 계단 모양으로 형성되고,
상기 적어도 하나의 관통 영역은 상기 사이드의 계단 모양에 따라 상기 적어도 하나의 관통 영역의 상부로 갈수록 폭이 단계적으로 넓어지는 3차원 반도체 소자.
In paragraph 1,
The side of said at least one penetration area is formed in a step shape,
A three-dimensional semiconductor device in which the at least one through-hole region has a width that gradually increases toward the top of the at least one through-hole region according to the step shape of the side.
상부 기판;
상기 상부 기판 상에 배치되고 게이트 전극들을 포함하는 게이트 적층 구조물, 상기 게이트 전극들은 메모리 셀 어레이 영역 내에서 상기 상부 기판의 표면과 수직한 방향으로 서로 이격되면서 적층되고 상기 메모리 셀 어레이 영역과 인접하는 연장 영역 내로 연장되어 상기 연장 영역 내에서 계단 모양으로 배열되는 패드 영역들을 갖고; 및
상기 메모리 셀 어레이 영역 또는 상기 연장 영역 내에서 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 적어도 하나의 관통 영역을 포함하되,
상기 적어도 하나의 관통 영역은 하부 영역 및 상기 하부 영역 상의 상부 영역을 포함하고, 상기 상부 영역은 상기 하부 영역 보다 큰 폭을 갖고,
상기 연장 영역은 제1 계단 영역, 제2 계단 영역, 및 상기 제1 및 제2 계단 영역들 사이의 버퍼 영역을 포함하고,
상기 적어도 하나의 관통 영역은 상기 버퍼 영역의 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 제1 패드 관통 영역을 포함하는 3차원 반도체 소자.
upper substrate;
A gate stack structure disposed on the upper substrate and including gate electrodes, the gate electrodes being stacked while being spaced apart from each other in a direction perpendicular to a surface of the upper substrate within a memory cell array region and extending into an extension region adjacent to the memory cell array region and having pad regions arranged in a step-like shape within the extension region; and
At least one through-hole region penetrating the gate stack structure within the memory cell array region or the extended region,
wherein said at least one penetration region comprises a lower region and an upper region over said lower region, said upper region having a width greater than that of said lower region;
The above extension region includes a first step region, a second step region, and a buffer region between the first and second step regions,
A three-dimensional semiconductor device wherein at least one of the through-hole regions comprises a first pad through-hole region penetrating the gate stack structure of the buffer region.
제 6 항에 있어서,
상기 패드 영역들 중에서, 상기 제1 계단 영역에 배치되는 패드 영역들은 상기 메모리 셀 어레이 영역에서 상기 연장 영역으로 향하는 제1 방향으로 갈수록 높이가 낮아지고 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향에서 동일한 높이로 배열되고,
상기 패드 영역들 중에서, 상기 제2 계단 영역에 배치되는 패드 영역들 중 적어도 일부는 상기 제1 방향으로 갈수록 높이가 낮아지고, 상기 제2 방향에서 서로 다른 높이로 배열되는 3차원 반도체 소자.
In paragraph 6,
Among the above pad regions, the pad regions arranged in the first step region have a lower height in the first direction from the memory cell array region toward the extension region and are arranged at the same height in the second direction perpendicular to the first direction.
A three-dimensional semiconductor device in which, among the above pad regions, at least some of the pad regions arranged in the second step region have a height that decreases as they go in the first direction and are arranged at different heights in the second direction.
제 7 항에 있어서,
상기 게이트 전극들 중에서, 상기 제1 계단 영역에 배치되는 상기 패드 영역들을 갖는 게이트 전극들은 상부 선택 게이트 전극들을 포함하고,
상기 게이트 전극들 중에서, 상기 제2 계단 영역들에 배치되는 상기 패드 영역들을 갖는 게이트 전극들은 워드라인들을 포함하고,
상기 제1 패드 관통 영역은 상기 상부 선택 게이트 전극들의 패드 영역들과, 상기 워드라인들의 패드 영역들 사이에 배치되는 3차원 반도체 소자.
In paragraph 7,
Among the above gate electrodes, the gate electrodes having the pad regions arranged in the first step region include upper selection gate electrodes,
Among the above gate electrodes, the gate electrodes having the pad regions arranged in the second step regions include word lines,
A three-dimensional semiconductor device in which the first pad penetration region is positioned between the pad regions of the upper selection gate electrodes and the pad regions of the word lines.
주변 회로를 포함하는 하부 구조물;
상기 하부 구조물 상에 배치되고 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물, 상기 게이트 전극들은 메모리 셀 어레이 영역 내에서 수직 방향으로 서로 이격되면서 적층되고 상기 메모리 셀 어레이 영역과 제1 방향에서 인접하는 연장 영역 내로 연장되어 상기 연장 영역 내에서 계단 모양으로 배열되는 패드 영역들을 갖고;
상기 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하는 분리 구조물들;
상기 연장 영역 내에서 상기 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하는 관통 영역들;
상기 메모리 셀 어레이 영역 내에서 상기 분리 구조물들 사이에 배치되고, 상기 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하는 수직 채널 구조물; 및
상기 관통 영역들을 상기 수직 방향으로 관통하는 주변 콘택 플러그들을 포함하되,
상기 관통 영역들은 상기 제1 방향에서 서로 이격되는 제1 관통 영역 및 제2 관통 영역을 포함하고,
상기 분리 구조물들은 상기 제1 관통 영역과 상기 제2 관통 영역 사이에서 상기 제1 방향으로 서로 이격된 제1 부분들을 포함하는 3차원 반도체 소자.
Substructure containing peripheral circuits;
A laminated structure disposed on the above-described lower structure and including gate electrodes, the gate electrodes being laminated while being spaced apart from each other in the vertical direction within a memory cell array region and having pad regions extending into an extension region adjacent to the memory cell array region in a first direction and arranged in a step shape within the extension region;
Separating structures penetrating the above laminated structure in the vertical direction;
Penetration regions penetrating the laminated structure in the vertical direction within the extended region;
A vertical channel structure disposed between the separation structures within the memory cell array region and penetrating the stacked structure in the vertical direction; and
Including peripheral contact plugs penetrating the above penetration areas in the vertical direction,
The above penetration regions include a first penetration region and a second penetration region spaced apart from each other in the first direction,
A three-dimensional semiconductor device wherein the above separation structures include first portions spaced apart from each other in the first direction between the first through-hole region and the second through-hole region.
제 9 항에 있어서,
상기 분리 구조물들과 교차하는 방향으로 연장되는 비트라인; 및
상기 비트라인과 상기 수직 채널 구조물 사이에서 상기 비트라인과 상기 수직 채널 구조물을 전기적으로 연결하는 비트라인 콘택 플러그를 더 포함하고,
상기 분리 구조물들은 상기 제1 관통 영역과 상기 메모리 셀 어레이 영역 사이의 상기 연장 영역 내에서 서로 이격되는 제2 부분들을 더 포함하는 3차원 반도체 소자.
In Article 9,
a bit line extending in a direction intersecting the above separation structures; and
Further comprising a bitline contact plug electrically connecting the bitline and the vertical channel structure between the bitline and the vertical channel structure,
A three-dimensional semiconductor device wherein the above separation structures further include second portions spaced apart from each other within the extension region between the first through-hole region and the memory cell array region.
제 10 항에 있어서,
상기 관통 영역들은 상기 메모리 셀 어레이 영역 내에서 상기 분리 구조물들 중 서로 인접하는 한 쌍의 분리 구조물들 사이에 배치되는 메모리 관통 영역을 더 포함하는 3차원 반도체 소자.
In Article 10,
A three-dimensional semiconductor device wherein the above penetration regions further include a memory penetration region disposed between a pair of adjacent separation structures among the separation structures within the memory cell array region.
하부 기판;
상기 하부 기판 상에 배치되며 주변 회로를 포함하는 하부 구조물;
상기 하부 구조물 상에 배치되는 상부 기판;
상기 상부 기판 내의 기판 홀 내의 갭필 층;
상기 상부 기판 상에 배치되는 게이트 적층 구조물, 상기 게이트 적층 구조물은 메모리 셀 어레이 영역 내에서 수직 방향으로 적층되며 서로 이격되고, 상기 메모리 셀 어레이 영역과 인접한 연장 영역 내로 연장되고, 상기 연장 영역 내에서 계단 모양을 갖도록 배열되는 게이트 전극들을 포함하고;
상기 연장 영역 내에서 상기 게이트 적층 구조물을 수직 방향으로 각각 관통하는 제1 관통 영역 및 제2 관통 영역;
상기 메모리 셀 어레이 영역 및 상기 연장 영역을 가로지르며 각각의 메모리 블록들을 한정하는 주 분리 구조물들; 및
상기 주 분리 구조물들 사이에 배치되며 상기 메모리 셀 어레이 영역 내에 배치되고, 상기 게이트 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하는 수직 채널 구조물들을 포함하되,
상기 게이트 적층 구조물과 인접한 상기 관통 영역의 사이드(side)는 단차진 부분을 포함하고,
상기 제1 관통 영역 및 상기 제2 관통 영역은 제1 방향에서 서로 이격되고,
상기 제1 방향은 상기 메모리 셀 어레이 영역으로부터 멀어지는 방향이고,
상기 제1 관통 영역 및 상기 제2 관통 영역은 상기 주 분리 구조물들 사이에 배치되는 3차원 반도체 소자.
lower substrate;
A substructure disposed on the lower substrate and including peripheral circuitry;
An upper substrate disposed on the above lower structure;
A gapfill layer within the substrate hole within the upper substrate;
A gate stacked structure disposed on the upper substrate, the gate stacked structure including gate electrodes that are vertically stacked within a memory cell array region and spaced apart from each other, extending within an extension region adjacent to the memory cell array region, and arranged to have a step shape within the extension region;
A first through-hole region and a second through-hole region each vertically penetrating the gate stack structure within the extended region;
Main separation structures defining each memory block across the memory cell array region and the extended region; and
A vertical channel structure is disposed between the above main separation structures and within the memory cell array region, and penetrates the gate stack structure in the vertical direction.
The side of the penetration region adjacent to the gate stack structure includes a stepped portion,
The first penetration region and the second penetration region are spaced apart from each other in the first direction,
The above first direction is a direction away from the memory cell array region,
A three-dimensional semiconductor device wherein the first through-hole region and the second through-hole region are positioned between the main separation structures.
제 12 항에 있어서,
상기 관통 영역은 하부 영역 및 상기 하부 영역 상의 상부 영역을 포함하고,
상기 상부 영역은 상기 하부 영역 보다 큰 폭을 갖는 3차원 반도체 소자.
In Article 12,
The above penetration area includes a lower area and an upper area above the lower area,
A three-dimensional semiconductor device wherein the upper region has a larger width than the lower region.
제 12 항에 있어서,
상기 관통 영역 및 상기 갭필 층을 관통하며 상기 하부 구조물 내로 연장되어 상기 주변 회로와 전기적으로 연결되는 주변 콘택 플러그; 및
상기 게이트 적층 구조물 및 상기 관통 영역 상의 상부 배선들을 포함하되,
상기 상부 배선들 중 적어도 하나는 상기 주변 콘택 플러그와 전기적으로 연결되는 3차원 반도체 소자.
In Article 12,
A peripheral contact plug extending through the above penetration region and the gapfill layer and into the lower structure to be electrically connected to the peripheral circuit; and
Including the gate stack structure and upper wirings on the penetration region,
A three-dimensional semiconductor device, wherein at least one of the upper wirings is electrically connected to the peripheral contact plug.
제 14 항에 있어서,
상기 상부 배선들은 상기 게이트 전극들의 패드 영역들과 전기적으로 연결되는 상부 게이트 배선들, 및 상기 수직 채널 구조물들과 전기적으로 연결되는 비트라인을 포함하고,
상기 상부 게이트 배선들 중 적어도 일부 또는 상기 비트라인은 상기 주변 콘택 플러그와 전기적으로 연결되는 3차원 반도체 소자.
In Article 14,
The upper wirings include upper gate wirings electrically connected to pad regions of the gate electrodes, and bit lines electrically connected to the vertical channel structures,
A three-dimensional semiconductor device, wherein at least some of the upper gate wirings or the bit lines are electrically connected to the peripheral contact plug.
메모리 셀 어레이 영역;
제1 방향에서 상기 메모리 셀 어레이 영역과 인접하는 연장 영역;
상기 메모리 셀 어레이 영역 및 상기 연장 영역을 가로지르는 주 분리 구조물들;
상기 메모리 셀 어레이 영역 내에 배치되며 상기 연장 영역 내로 연장되는 게이트 적층 구조물;
상기 주 분리 구조물들 사이의 보조 분리 구조물들;
상기 주 분리 구조물들 사이에 배치되며 상기 메모리 셀 어레이 영역 내의 상기 게이트 적층 구조물을 수직 방향으로 관통하는 수직 채널 구조물들; 및
상기 연장 영역 내에 배치되며 상기 게이트 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하는 적어도 하나의 관통 영역을 포함하되,
상기 적어도 하나의 관통 영역의 사이드(side)는 적어도 하나의 계단을 포함하고,
상기 적어도 하나의 관통 영역은 상기 주 분리 구조물들 사이에 배치되고,
상기 보조 분리 구조물들은 상기 게이트 적층 구조물을 상기 수직 방향으로 관통하고,
각각의 상기 보조 분리 구조물들은 각각의 상기 주 분리 구조물들 보다 짧은 길이로 형성되고,
상기 보조 분리 구조물들은 제1 보조 분리 구조물 및 상기 제1 보조 분리 구조물과 상기 제1 방향에서 이격되는 제2 보조 분리 구조물을 포함하는 3차원 반도체 소자.
memory cell array area;
An extended region adjacent to the memory cell array region in the first direction;
Main separation structures crossing the above memory cell array region and the extension region;
A gate stack structure disposed within the memory cell array region and extending into the extension region;
Auxiliary separation structures between the above main separation structures;
Vertical channel structures disposed between the above main separation structures and vertically penetrating the gate stack structure within the memory cell array region; and
At least one through-hole region disposed within the extended region and penetrating the gate stack structure in the vertical direction,
A side of said at least one penetration region comprises at least one step,
wherein at least one of the above penetration regions is disposed between the main separation structures,
The above auxiliary separation structures penetrate the above gate stack structure in the vertical direction,
Each of the above auxiliary separation structures is formed with a shorter length than each of the above main separation structures,
A three-dimensional semiconductor device, wherein the above auxiliary separation structures include a first auxiliary separation structure and a second auxiliary separation structure spaced apart from the first auxiliary separation structure in the first direction.
제 16 항에 있어서,
하부 기판;
상기 하부 기판 상에 배치되며 주변 회로를 포함하는 하부 구조물;
상기 하부 구조물 상의 상부 기판; 및
상기 상부 기판을 관통하는 기판 홀 내의 갭필 층을 더 포함하되,
상기 갭필 층은 상기 관통 영역과 중첩하고,
상기 게이트 적층 구조물 및 상기 주 분리 구조물들은 상기 상부 기판 상에 배치되고,
상기 게이트 적층 구조물은 상기 메모리 셀 어레이 영역 내에서 상기 상부 기판의 표면과 수직한 상기 수직 방향으로 서로 이격되며 적층되고 상기 연장 영역 내로 연장되는 게이트 전극들을 포함하고,
상기 게이트 전극들은 상기 연장 영역 내에서 계단 모양으로 배열되는 패드 영역들을 포함하고,
상기 관통 영역의 상기 계단의 폭은 상기 패드 영역들 중 어느 하나의 폭 보다 작은 3차원 반도체 소자.
In Article 16,
lower substrate;
A substructure disposed on the lower substrate and including peripheral circuitry;
an upper substrate on the above substructure; and
Further comprising a gap fill layer within the substrate hole penetrating the upper substrate,
The above gap fill layer overlaps the above penetration area,
The above gate stack structure and the above main separation structures are arranged on the upper substrate,
The above gate stack structure includes gate electrodes that are stacked and spaced apart from each other in the vertical direction perpendicular to the surface of the upper substrate within the memory cell array region and extend into the extension region,
The above gate electrodes include pad regions arranged in a step shape within the extended region,
A three-dimensional semiconductor device wherein the width of the step in the above penetration region is smaller than the width of any one of the above pad regions.
메모리 셀 어레이 영역;
상기 메모리 셀 어레이 영역 양 측의 연장 영역들;
상기 메모리 셀 어레이 영역 및 상기 연장 영역들을 가로지르는 주 분리 구조물들;
상기 메모리 셀 어레이 영역 내에 배치되며 상기 연장 영역들 내로 연장되는 게이트 적층 구조물;
상기 주 분리 구조물들 사이에 배치되며 상기 메모리 셀 어레이 영역 내의 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 수직 채널 구조물들; 및
상기 메모리 셀 어레이 영역 또는 상기 연장 영역들 내에 배치되며 상기 게이트 적층 구조물을 관통하는 적어도 하나의 관통 영역을 포함하되,
상기 관통 영역은 적어도 하나의 계단을 포함하는 사이드(side)를 갖고,
상기 주 분리 구조물들은 서로 인접하는 한 쌍의 제1 주 분리 구조물들 및 상기 한 쌍의 제1 주 분리 구조물들 사이에 배치되는 하나의 제2 주 분리 구조물을 포함하고,
상기 관통 영역은 상기 한 쌍의 제1 주 분리 구조물들 사이에 배치되면서 상기 연장 영역들 중 적어도 하나의 연장 영역 내에 배치되고,
상기 제2 주 분리 구조물은 상기 메모리 셀 어레이 영역을 하나의 라인 모양으로 가로지르고 상기 연장 영역들 중 적어도 하나의 연장 영역 내에서 상기 관통 영역을 둘러싸도록 분할된 부분을 포함하는 3차원 반도체 소자.
memory cell array area;
Extension regions on both sides of the above memory cell array region;
Main separation structures crossing the above memory cell array region and the extension regions;
A gate stack structure disposed within the memory cell array region and extending into the extension regions;
Vertical channel structures disposed between the above main separation structures and penetrating the gate stack structure within the memory cell array region; and
At least one through-hole region disposed within the memory cell array region or the extended regions and penetrating the gate stack structure,
The above penetration region has a side including at least one step,
The above main separation structures include a pair of first main separation structures adjacent to each other and a second main separation structure disposed between the pair of first main separation structures,
The above penetration region is disposed between the pair of first main separation structures and within at least one of the extension regions,
A three-dimensional semiconductor device wherein the second main separation structure includes a portion divided so as to cross the memory cell array region in a single line shape and surround the through region within at least one of the extension regions.
제 18 항에 있어서,
상기 주 분리 구조물들 사이의 보조 분리 구조물들을 더 포함하되,
상기 보조 분리 구조물들은 상기 메모리 셀 어레이 영역 및 상기 연장 영역들 내에 배치되고
각각의 상기 보조 분리 구조물들은 각각의 상기 주 분리 구조물들 보다 짧은 길이로 형성되는 3차원 반도체 소자.
In Article 18,
Further comprising auxiliary separation structures between the above main separation structures,
The above auxiliary separation structures are arranged within the memory cell array region and the extension regions.
A three-dimensional semiconductor device in which each of the above auxiliary separation structures is formed with a shorter length than each of the above main separation structures.
제 16 항에 있어서,
상기 게이트 적층 구조물은 게이트 전극들을 포함하고,
상기 게이트 전극들은 하부 게이트 전극, 상기 하부 게이트 전극 상의 중간 게이트 전극들, 상기 중간 게이트 전극들 상의 버퍼 게이트 전극, 상기 버퍼 게이트 전극 상의 하나 또는 복수의 상부 게이트 전극을 포함하고,
상기 하나 또는 복수의 상부 게이트 전극은 상기 연장 영역 내에서 상부 패드 영역을 갖고,
상기 중간 게이트 전극들은 상기 연장 영역 내에서 중간 패드 영역들을 갖고,
상기 관통 영역은 상기 상부 패드 영역과 상기 중간 패드 영역들 사이에 배치되며 상기 버퍼 게이트 전극을 관통하는 3차원 반도체 소자.
In Article 16,
The above gate stack structure includes gate electrodes,
The above gate electrodes include a lower gate electrode, intermediate gate electrodes on the lower gate electrode, a buffer gate electrode on the intermediate gate electrodes, and one or more upper gate electrodes on the buffer gate electrode,
The one or more upper gate electrodes have an upper pad region within the extended region,
The above intermediate gate electrodes have intermediate pad regions within the extended region,
A three-dimensional semiconductor element in which the above penetration region is positioned between the upper pad region and the middle pad region and penetrates the buffer gate electrode.
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