KR20220008368A - Semiconductor devices and data storage systems including the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치는, 기판; 상기 기판 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들 및 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물; 상기 적층 구조물을 상기 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 관통하고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 상기 적층 구조물을 상기 제1 방향으로 관통하고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 분리 구조물들; 상기 적층 구조물 상에 배치되고, 상기 게이트 전극들과 전기적으로 연결되는 배선들; 및 상기 분리 구조물들 및 상기 적층 구조물 상에서, 상기 분리 구조물들 중 적어도 하나 및 상기 적층 구조물과 수직하게 중첩하고, 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향으로 연장되고, 전기적으로 고립된(electrically isolated) 더미 배선들을 포함한다.A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes: a substrate; a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes that are alternately stacked on the substrate; channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the substrate and each including a channel layer; separation structures passing through the multilayer structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction; wirings disposed on the stack structure and electrically connected to the gate electrodes; and on the separation structures and the multilayer structure, vertically overlapping with at least one of the separation structures and the multilayer structure, extending in a third direction intersecting the second direction, and electrically isolated Includes dummy wires.
Description
본 발명은 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a data storage system including the same.
데이터 저장을 필요로 하는 데이터 저장 시스템에서 고용량의 데이터를 저장할 수 있는 반도체 장치가 요구되고 있다. 이에 따라, 반도체 장치의 데이터 저장 용량을 증가시킬 수 있는 방안이 연구되고 있다. 예를 들어, 반도체 장치의 데이터 저장 용량을 증가시키기 위한 방법 중 하나로써, 2차원적으로 배열되는 메모리 셀들 대신에 3차원적으로 배열되는 메모리 셀들을 포함하는 반도체 장치가 제안되고 있다.In a data storage system requiring data storage, a semiconductor device capable of storing high-capacity data is required. Accordingly, a method for increasing the data storage capacity of a semiconductor device is being studied. For example, as a method for increasing the data storage capacity of a semiconductor device, a semiconductor device including memory cells arranged three-dimensionally instead of two-dimensionally arranged memory cells has been proposed.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 신뢰성이 향상된 반도체 장치를 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the present invention is to provide a semiconductor device with improved reliability.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 신뢰성이 향상된 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the present invention is to provide a data storage system including a semiconductor device with improved reliability.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 기판; 상기 기판 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들 및 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물; 상기 적층 구조물을 상기 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 관통하고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 상기 적층 구조물을 상기 제1 방향으로 관통하고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 분리 구조물들; 상기 적층 구조물 상에 배치되고, 상기 게이트 전극들과 전기적으로 연결되는 배선들; 및 상기 분리 구조물들 및 상기 적층 구조물 상에서, 상기 분리 구조물들 중 적어도 하나 및 상기 적층 구조물과 수직하게 중첩하고, 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향으로 연장되고, 전기적으로 고립된(electrically isolated) 더미 배선들을 포함할 수 있다.A semiconductor device according to example embodiments may include a substrate; a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes that are alternately stacked on the substrate; channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the substrate and each including a channel layer; separation structures passing through the multilayer structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction; wirings disposed on the stack structure and electrically connected to the gate electrodes; and on the separation structures and the multilayer structure, vertically overlapping with at least one of the separation structures and the multilayer structure, extending in a third direction intersecting the second direction, and electrically isolated It may include dummy wires.
예시적인 실시예들에 따른 데이터 저장 시스템은, 하부 기판 및 상기 기판 상의 회로 소자들을 포함하는 하부 구조물; 상기 하부 구조물 상의 상부 구조물; 및 상기 회로 소자들과 전기적으로 연결되는 입출력 패드를 포함하는 반도체 저장 장치; 및 상기 입출력 패드를 통하여 상기 반도체 저장 장치와 전기적으로 연결되며, 상기 반도체 저장 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 상부 구조물은, 상부 기판; 상기 상부 기판 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들 및 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물; 상기 적층 구조물을 상기 상부 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 관통하고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 상기 적층 구조물을 상기 제1 방향으로 관통하고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 분리 구조물들, 상기 분리 구조물들의 각각은 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 기판과 접촉하는 도전층 및 상기 도전층의 측면들을 덮는 절연 스페이서를 포함하고; 상기 적층 구조물 상에 배치되고, 상기 게이트 전극들과 전기적으로 연결되는 배선들; 및 상기 분리 구조물들 상에 배치되고, 상기 분리 구조물들과 교차하여 연장되고, 상기 게이트 전극들 및 상기 도전층과 전기적으로 절연된 더미 배선들을 포함할 수 있다.A data storage system according to example embodiments may include a lower structure including a lower substrate and circuit elements on the substrate; an upper structure on the lower structure; and an input/output pad electrically connected to the circuit elements; and a controller electrically connected to the semiconductor storage device through the input/output pad and configured to control the semiconductor storage device, wherein the upper structure includes: an upper substrate; a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes that are alternately stacked on the upper substrate; channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the upper substrate and each including a channel layer; separation structures penetrating the stack structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction, each of the separation structures extending in the second direction and contacting the substrate; an insulating spacer covering side surfaces of the conductive layer; wirings disposed on the stack structure and electrically connected to the gate electrodes; and dummy wirings disposed on the isolation structures, extending to cross the isolation structures, and electrically insulated from the gate electrodes and the conductive layer.
분리 구조물들 상에 분리 구조물들과 교차하는 더미 배선들을 배치함으로써, 신뢰성이 향상된 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템이 제공될 수 있다.By disposing dummy wires crossing the isolation structures on the isolation structures, a semiconductor device with improved reliability and a data storage system including the same may be provided.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and advantageous advantages and effects of the present invention are not limited to the above, and will be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도이다.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 일부 영역을 확대하여 도시하는 부분 확대 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5f는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 일부 영역을 확대하여 도시하는 부분 확대 평면도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 1 is a schematic plan view of a semiconductor device according to example embodiments.
2A and 2B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments.
3 is a partially enlarged plan view illustrating a partial region of a semiconductor device according to example embodiments.
4A and 4B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments.
5A to 5F are partially enlarged plan views illustrating a partial region of a semiconductor device according to example embodiments.
6 is a diagram schematically illustrating a data storage system including a semiconductor device according to example embodiments.
7 is a schematic perspective view of a data storage system including a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
8 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor package according to an exemplary embodiment.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도이다. 도 1은 평면적 관점에서 반도체 장치의 레이아웃을 개략적으로 도시한다.1 is a schematic plan view of a semiconductor device according to example embodiments. 1 schematically shows the layout of a semiconductor device in a plan view.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다. 도 2a는 도 1의 반도체 장치의 'A' 영역의 절단선 Ⅰ-Ⅰ'를 따른 단면을 도시하고, 도 2b는 도 1의 반도체 장치의 'B' 영역의 절단선 Ⅱ-Ⅱ' 를 따른 단면을 도시한다.2A and 2B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the cutting line I-I of region 'A' of the semiconductor device of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the cutting line II-II' of region 'B' of the semiconductor device of FIG. 1 . shows
도 1 내지 도 2b를 참조하면, 반도체 장치(100)는 제1 구조물(1) 및 제1 구조물(1) 상의 제2 구조물(2)을 포함할 수 있다.1 to 2B , the
제1 구조물(1)은, 기판(6), 기판(6) 상의 회로 소자들(20), 회로 소자들(20)과 전기적으로 연결되는 하부 배선 구조물(30), 및 하부 캡핑층(40)을 포함할 수 있다. 제1 구조물(1)은 반도체 장치(100)의 메모리 셀들의 동작을 위한 주변 회로 영역이 배치되는 영역을 포함하며, 제1 구조물(1)은 로우 디코더, 페이지 버퍼 및 기타 주변 회로 등을 제공할 수 있다. 제1 구조물(1)은 제2 구조물(2) 아래에 배치되나, 실시예에 따라 제2 구조물(2)과 수평 방향에서 나란히 배치될 수도 있다.The
제2 구조물(2)은, 상부 기판(101), 상부 기판(101) 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들(120) 및 게이트 전극들(130)을 포함하는 적층 구조물(ST), 적층 구조물(ST)을 관통하는 채널 구조물들(CH)과 더미 구조물들(DS), 및 적층 구조물(ST)을 관통하며 일 방향으로 연장되는 분리 구조물들(MS)을 포함할 수 있다. 제2 구조물(2)은 상부 분리 구조물(SS), 상부 캡핑층(160), 제1 상부 콘택들(172c, 172g), 제1 배선들(182c, 182g), 제2 상부 콘택들(174c, 174g), 제2 배선들(184c, 184g), 및 상부 절연층들(191, 192, 193, 194, 195)을 더 포함할 수 있다. 제2 구조물(2)은 게이트 전극들(130) 및 채널 구조물들(CH)을 포함하는 메모리 셀 어레이들이 배치되는 영역을 제공할 수 있다.The
기판(6)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅳ족 반도체는 실리콘(Si), 저마늄(Ge) 또는 실리콘-저마늄(SiGe)을 포함할 수 있다. 기판(6)은 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 기판(6) 내에는 소자 분리층들(10)이 배치되고, 상기 소자 분리층들(10) 사이에서 정의되는 활성 영역(15)의 일부에는 불순물을 포함하는 소스/드레인 영역들(28)이 배치될 수 있다.The
회로 소자들(20)은 각각 회로 게이트 유전층(22), 회로 게이트 전극(24), 및 소스/드레인 영역들(28)을 포함하는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 소스/드레인 영역들(28)은 활성 영역(15)에서 회로 게이트 전극(24)의 양 측에 배치될 수 있다. 스페이서층(26)은 회로 게이트 전극(24)의 양 측에 배치되어, 회로 게이트 전극(24)과 소스/드레인 영역(28)을 서로 절연시킬 수 있다. 회로 게이트 유전층(22)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 고유전율(high-k) 물질을 포함할 수 있다. 회로 게이트 전극(24)은 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 및 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiN), 및 텅스텐 실리콘 질화물(WSiN), 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 및 루테늄(Ru) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 회로 게이트 전극(24)은 반도체 층, 예를 들어, 도핑된 다결정 실리콘 층을 포함할 수 있으며, 금속-반도체 화합물과 같은 물질 층을 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 회로 게이트 전극(24)은 2개 이상의 다중층으로 구성될 수 있다.The
하부 배선 구조물(30)은 회로 소자들(20)의 회로 게이트 전극들(24) 및 소스/드레인 영역들(28)과 전기적으로 연결될 수 있다. 하부 배선 구조물(30)은 원기둥 또는 원뿔대 형상의 하부 콘택 플러그들(35) 및 적어도 일 영역이 라인 형태인 하부 배선 라인들(37)을 포함할 수 있다. 하부 콘택 플러그들(35) 중 일부는 소스/드레인 영역들(28)과 연결될 수 있고, 도시되지 않았으나 하부 콘택 플러그들(35) 중 다른 일부는 게이트 전극들(24)과 연결될 수 있다. 하부 콘택 플러그들(35)은 기판(6)의 상면으로부터 서로 다른 레벨에 배치되는 하부 배선 라인들(37)을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 하부 배선 구조물(30)은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있으며, 각각의 구성들은 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 및 텅스텐 질화물(WN) 중 적어도 하나를 포함하는 확산 방지층(diffusion barrier)을 더 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 하부 배선 구조물(30)을 구성하는 하부 콘택 플러그들(35) 및 하부 배선 라인들(37)의 층 수 및 배치 형태는 다양하게 변경될 수 있다.The
하부 캡핑층(40)은 기판(6), 회로 소자들(20), 및 하부 배선 구조물(30)을 덮도록 배치될 수 있다. 하부 캡핑층(40)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 실리콘 산탄화물과 같은 물질로 이루어질 수 있다. 하부 캡핑층(40)은 복수의 절연층들로 이루어질 수 있다. 하부 캡핑층(40)은 실리콘 질화물로 형성되는 식각 정지층을 포함할 수도 있다.The
상부 기판(101)은 제1 구조물(1) 상에 배치될 수 있다. 상부 기판(101) 상에 적층 구조물(ST)이 배치될 수 있다. 상부 기판(101)은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, N 도전형의 불순물을 포함하는 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 상부 기판(101)에서, N 도전형의 불순물을 포함하는 다결정 실리콘으로 형성되는 영역은 공통 소스 영역을 포함할 수 있다.The
적층 구조물(ST)은 도 1에 도시된 것과 같이, 평면에서 메모리 셀 어레이 영역(MCA) 및 메모리 셀 어레이 영역(MCA)의 적어도 일 측을 둘러싸는 계단 영역(CA)을 포함할 수 있다. As illustrated in FIG. 1 , the stack structure ST may include a memory cell array area MCA and a step area CA surrounding at least one side of the memory cell array area MCA in a plan view.
메모리 셀 어레이 영역(MCA)은 게이트 전극들(130)이 Z 방향으로 이격되어 적층되며, 채널 구조물들(CH)이 배치되는 영역일 수 있다. 메모리 셀 어레이 영역(MCA)은 게이트 전극들(130) 중 최상위 게이트 전극(130U)이 적층 구조물(ST)과 Z 방향으로 중첩하는 적층 구조물(ST)의 일부 영역일 수 있다. 예를 들어, 메모리 셀 어레이 영역(MCA)은 최상위 게이트 전극(130U)의 단부들(EP) 사이의 내부 영역이 적층 구조물(ST)과 Z 방향으로 중첩하는 적층 구조물(ST)의 일부 영역일 수 있다.The memory cell array region MCA may be a region in which the
계단 영역(CA)은 게이트 전극들(130)이 계단 구조를 이루는 영역일 수 있다. 계단 영역(CA)은 도 1에 도시된 것과 같이, 평면에서 메모리 셀 어레이 영역(MCA)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 계단 영역(CA)은 계단 구조를 이루는 게이트 전극들(130)이 게이트 콘택 플러그들(172g)과 연결되기 위한 패드 영역(130_P)을 제공하는 영역일 수 있다. 계단 영역(CA) 중 일부 영역에는, 게이트 콘택 플러그들(172g)을 제1 구조물(1)의 회로 소자들(20)과 전기적으로 연결하기 위해 적층 구조물(ST)을 관통하는 절연 영역이 제공될 수도 있다.The step area CA may be an area in which the
게이트 전극들(130)은 메모리 셀 어레이 영역(MCA)에서 상부 기판(101) 상에 Z 방향으로 이격되어 적층될 수 있다. 게이트 전극들(130)은 분리 구조물들(MS)에 의해 분리되어 X 방향으로 연장될 수 있다. 게이트 전극들(130)은 접지 선택 트랜지스터의 게이트를 이루는 하부 게이트 전극들(130L), 복수의 메모리 셀들을 이루는 메모리 게이트 전극들, 및 스트링 선택 트랜지스터들의 게이트들을 이루는 상부 게이트 전극들(130U)을 포함할 수 있다. 메모리 셀들을 이루는 상기 메모리 게이트 전극들의 개수에 따라, 반도체 장치(100)의 저장 용량이 결정될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 전극들(130)은 상기 상부 게이트 전극들의 상부 및/또는 상기 하부 게이트 전극들의 하부에 배치되며 게이트 유도 누설 전류(Gate Induced Drain Leakage, GIDL) 현상을 이용한 소거 동작에 이용되는 소거 트랜지스터를 이루는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.The
게이트 전극들(130)은 X 방향에서 서로 다른 길이로 연장되어 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. 상기 단차 구조에 의해, 게이트 전극들(130) 중 하위의 게이트 전극(130)이 상위의 게이트 전극(130)보다 길게 연장되어 상부로 노출되는 패드 영역을을 가질 수 있다. 게이트 전극들(130)의 계단 구조는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 게이트 전극들(130)은 한 쌍의 분리 구조물들(MS) 사이에서 X 방향으로 단차 구조를 이루면서, Y 방향으로도 단차 구조를 이룰 수 있다.The
게이트 전극들(130)은 X 방향으로 연장되는 분리 구조물(MS)에 의하여 Y 방향에서 서로 분리되어 배치될 수 있다. 한 쌍의 분리 구조물들(MS) 사이의 게이트 전극들(130)은 하나의 메모리 블록을 이룰 수 있으나, 메모리 블록의 범위는 이에 한정되지는 않는다. 게이트 전극들(130)은 각각 제1 층 및 제2 층을 포함할 수 있다. 상기 제1 층은 제2 층의 상면 및 하면을 덮고, 채널 구조물(CH)과 상기 제2 층의 사이로 연장될 수 있다. 상기 제1 층은 알루미늄 산화물(AlO) 등과 같은 고유전체 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 층은 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐(W), 및 텅스텐 질화물(WN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 게이트 전극들(130)은 다결정 실리콘 또는 금속-반도체 화합물을 포함할 수 있다.The
층간 절연층들(120)은 메모리 셀 어레이 영역(MCA)에서 게이트 전극들(130) 사이에 배치될 수 있다. 층간 절연층들(120)도 게이트 전극들(130)과 마찬가지로 수직 방향(Z)에서 서로 이격되어 적층될 수 있고, X 방향으로 연장될 수 있다. 층간 절연층들(120)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 층간 절연층들(120) 중 일부는 서로 다른 두께를 가질 수도 있다.The
적층 구조물(ST)은 하부 적층 구조물 및 상기 하부 적층 구조물 상의 상부 적층 구조물을 포함하고, 채널 구조물들(CH)의 각각은 상기 하부 적층 구조물을 관통하는 하부 채널 구조물 및 상기 상부 적층 구조물을 관통하는 상부 채널 구조물을 포함할 수 있다. 이 경우, 채널 구조물들(CH)의 각각은 상기 하부 적층 구조물과 상기 상부 적층 구조물이 서로 접합하는 연결 영역에서 폭 차이에 의한 절곡부를 포함할 수 있다. 이러한 실시예는, 적층 구조물(ST)이 이중 스택(stacked)인 구조인 경우에 해당하며, 본 발명은 이중 이상의 스택인 멀티 스택 구조의 실시예도 포함할 수 있다.The stacked structure ST includes a lower stacked structure and an upper stacked structure on the lower stacked structure, and each of the channel structures CH includes a lower channel structure penetrating the lower stacked structure and an upper portion penetrating the upper stacked structure. It may include a channel structure. In this case, each of the channel structures CH may include a bent portion due to a difference in width in a connection region where the lower stacked structure and the upper stacked structure are bonded to each other. This embodiment corresponds to a case in which the stacked structure ST is a double stacked structure, and the present invention may also include an embodiment of a multi-stack structure in which the stacked structure ST is a double or more stacked structure.
채널 구조물들(CH)은, 도 1에 도시된 것과 같이, 각각 하나의 메모리 셀 스트링을 이루며, 메모리 셀 영역(MCA)에서 행과 열을 이루면서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH)은 격자 무늬를 형성하도록 배치되거나 일 방향에서 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH)은 기둥 형상을 가지며, 종횡비에 따라 상부 기판(101)에 가까울수록 폭이 좁아지는 경사진 측면을 가질 수 있다.As shown in FIG. 1 , each of the channel structures CH forms one memory cell string and may be disposed to be spaced apart from each other while forming rows and columns in the memory cell area MCA. The channel structures CH may be disposed to form a grid pattern or may be disposed in a zigzag shape in one direction. The channel structures CH may have a columnar shape, and may have inclined side surfaces that are narrower in width as they approach the
채널 구조물들(CH) 내에는 채널층(140)이 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH) 내에서 채널층(140)은 내부의 코어 절연층(147)을 둘러싸는 환형(annular)으로 형성될 수 있다. 채널층(140)은 하부에서 에피택셜층(107)과 접촉하며 상부 기판(101)과 전기적으로 연결될 수 있다. 채널층(140)은 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다.A
채널 구조물들(CH)에서 채널층(140) 상에 채널 패드(149)가 배치될 수 있다. 채널 패드(149)는 코어 절연층(147)의 상면을 덮고 채널층(140)과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 채널 패드(149)는 예컨대, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 채널 패드(149)는 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.A
게이트 유전층(145)은 게이트 전극들(130)과 채널층(140)의 사이에 배치될 수 있다. 게이트 유전층(145)은 채널층(140)으로부터 순차적으로 적층된 터널링층, 정보 저장층 및 블록킹층을 포함할 수 있다. 터널링층은 전하를 상기 정보 저장층으로 터널링시킬 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 정보 저장층은 전하 트랩층 또는 플로팅 게이트 도전층일 수 있다. 블록킹층은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 고유전율(high-k) 유전 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 유전층(145)의 적어도 일부는 게이트 전극들(130)을 따라 수평 방향으로 연장될 수 있다. The
채널 구조물들(CH)은 도 2a에 도시된 것과 같이, 적층 구조물(ST)의 게이트 전극들(130)을 Z 방향으로 관통하고 상부 기판(101)과 접촉할 수 있다. 채널 구조물들(CH)에서 채널층(140)과 상부 기판(101) 사이에 에피택셜층(107)이 배치될 수 있다. 에피택셜층(107)은 상부 기판(101)과 접촉하며, 적어도 하나의 게이트 전극(130L)의 측면에 인접하게 배치될 수 있다. 에피택셜층(107)은 상부 기판(101)을 일부 리세스하여 배치될 수 있다. 에피택셜층(107)의 상면의 높이는 최하위 게이트 전극(130)의 상면보다 높고 그 상부의 게이트 전극(130)의 하면보다 낮을 수 있으나, 도시된 것에 한정되지는 않는다. 에피택셜층(107)은 상면을 통해 채널층(140)과 연결될 수 있다. 에피택셜층(107) 및 이와 인접하는 하부 게이트 전극(130L) 사이에는 하부 절연층(108)이 배치될 수 있다.As shown in FIG. 2A , the channel structures CH may pass through the
더미 수직 구조물(DS)은 도 1에 도시된 것과 같이, 계단 영역(CA)에 배치될 수 있다. 더미 수직 구조물(DS)은 채널 구조물(CH)과 유사하게 행과 열을 이루면서 서로 이격되어 배치될 수 있고, 격자 무늬를 형성하도록 배치되거나 일 방향에서 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 더미 수직 구조물(DS)은 채널 구조물(CH)과 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있으나, 반도체 장치(100) 내에서 실질적인 기능을 수행하지 않을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 더미 수직 구조물(DS)은 채널 구조물(CH)과 다른 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어, 내부가 실리콘 산화물과 같은 절연 물질로 이루어질 수도 있다. 또한, 채널 구조물들(CH) 중 상부 분리 영역(SS)과 중첩하도록 배치되는 구조물은, 더미 채널 구조물일 수 있다.The dummy vertical structure DS may be disposed in the step area CA as shown in FIG. 1 . The dummy vertical structures DS may be disposed to be spaced apart from each other in rows and columns similar to the channel structures CH, and may be disposed to form a grid pattern or disposed in a zigzag shape in one direction. The dummy vertical structure DS may have the same or similar structure to the channel structure CH, but may not perform a substantial function in the
분리 구조물(MS)은 적층 구조물(ST)을 Z 방향으로 관통하며, X 방향을 따라 연장되도록 배치될 수 있다. 분리 구조물(MS)은 Y 방향에서 나란하게 배치되는 복수의 분리 구조물들(MS)을 포함할 수 있다. 분리 구조물들(MS)은 게이트 전극들(130)을 Y 방향에서 서로 분리시킬 수 있다. 상부 기판(101)의 상면을 기준으로, 분리 구조물(MS)의 상면의 레벨은, 채널 구조물(CH)의 상면의 레벨보다 높을 수 있다. 분리 구조물(MS)은 적층된 게이트 전극들(130) 전체를 상하로 관통하며 상부 기판(101)과 접촉할 수 있다. 분리 구조물(MS)은 높은 종횡비로 인하여 상부 기판(101)에 가까울수록 폭이 감소되는 형상을 가질 수 있다. 분리 구조물(MS)은 도전층(105) 및 도전층(105)의 측면들을 덮는 분리 절연층(106)을 포함할 수 있다. 도전층(105)은 도전성 물질로 형성될 수 있고, 분리 절연층(106)은 절연성 물질로 형성될 수 있다. 도전층(105)은 X 방향을 따라 연장되고, 상부 기판(101)과 접촉할 수 있다. 도전층(105)은 상부 기판(101)의 불순물 영역과 함께 공통 소스 라인을 이룰 수 있다.The separation structure MS penetrates the stack structure ST in the Z direction, It may be arranged to extend along the X direction. The separation structure MS may include a plurality of separation structures MS that are arranged side by side in the Y direction. The isolation structures MS may separate the
상부 분리 구조물(SS)은 분리 구조물들(MS)의 사이에서 X 방향으로 연장될 수 있다. 상부 분리 구조물(SS)은 게이트 전극들(130) 중 최상위 게이트 전극들(130U)을 포함하는 상부 게이트 전극들(130)을 Y 방향에서 서로 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 상부 분리 구조물(SS)은 최상위 게이트 전극(130U)과 그 아래에 배치되는 차상위 게이트 전극(130)을 관통할 수 있다. 상부 분리 구조물(SS)에 의해 분리되는 게이트 전극들(130)의 개수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 상부 분리 구조물(SS)에 의해 분리된 상부 게이트 전극들(130)은 반도체 장치(100)에서 서로 다른 스트링 선택 라인을 이룰 수 있다. 상부 분리 구조물(SS)은 절연 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.The upper separation structures SS may extend in the X direction between the separation structures MS. The upper isolation structure SS may separate the
상부 캡핑층(160)은 적층 구조물(ST) 상에 배치되어, 채널 구조물들(CH), 더미 구조물(DS), 분리 구조물(MS), 및 상부 분리 구조물(SS) 각각의 측면들 일부를 덮도록 배치될 수 있다. 상부 캡핑층(160)의 상면은 채널 구조물(CH)의 상면 및 채널 구조물(DS)의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다. 상부 캡핑층(160)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 실리콘 산탄화물과 같은 물질로 이루어질 수 있다.The
제1 상부 콘택들(172c, 172g)은 적층 구조물(ST) 상에 배치될 수 있다. 제1 상부 콘택들(172c, 172g)은 제1 채널 콘택들(172c) 및 제1 게이트 콘택들(172g)을 포함할 수 있다. 제1 채널 콘택들(172c)은 채널 구조물들(CH)과 연결될 수 있다. 제1 게이트 콘택들(172g)은 계단 영역(CA)에서 게이트 전극들(130)의 패드 영역들(130_P)과 연결될 수 있다.The first
제2 상부 콘택들(174c, 174g)은 제1 배선들(182c, 184g) 상에 배치될 수 있다. 제2 채널 콘택들(174c) 및 제2 게이트 콘택들(174g)을 포함할 수 있다. 제2 채널 콘택들(174c)은 제1 채널 배선들(182c)과 연결될 수 있다. 제2 게이트 콘택들(174g)은 제1 게이트 배선들(184g)과 연결될 수 있다.The second
제1 배선들(182)은 제1 상부 콘택들(172c, 172g) 상에 배치될 수 있다. 제1 배선들(182c, 184g)은 제1 채널 배선들(182c) 및 제1 게이트 배선들(182g)을 포함할 수 있다. 제1 채널 배선들(182c)은 제1 채널 콘택들(172c)과 연결될 수 있다. 제1 게이트 배선들(182g)은 제1 게이트 콘택들(172g)과 연결될 수 있다.The
제2 배선들(184)은 제2 상부 콘택들(174c, 174g) 상에 배치될 수 있다. 제2 배선들(184c, 184g)은 제2 채널 배선들(184c) 및 제2 게이트 배선들(184g)을 포함할 수 있다. 제2 채널 배선들(184c)은 제2 채널 콘택들(174c)과 연결될 수 있다. 제2 게이트 배선들(184g)은 제2 게이트 콘택들(174g)과 연결될 수 있다.The
상부 콘택들(172c, 172g, 174c, 174g) 및 상부 배선들(182c, 182g, 184c, 184g)은 상부 배선 구조물을 이룰 수 있다. 상기 상부 배선 구조물을 이루는 각 구성요소들은, 도전층 및 상기 도전층의 하면 및 측면들을 덮는 배리어층을 포함할 수 있다. 상기 배리어층은 예를 들어, 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 및 텅스텐 탄소 질화물(WCN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 도전층은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
상부 절연층들(191, 192, 193, 194, 195)은 상부 캡핑층(160) 상에 배치되며, 차례로 적층되는 제1 상부 절연층(191), 제2 상부 절연층(192), 제3 상부 절연층(193), 제4 상부 절연층(194), 및 제5 상부 절연층(195)을 포함할 수 있다. 상부 절연층들(191, 192, 193, 194, 195)의 각각은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 실리콘 산탄화물과 같은 물질로 이루어질 수 있다.The upper insulating
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 일부 영역을 확대하여 도시하는 부분 확대 평면도이다. 도 3은 도 1의 반도체 장치(100)의 계단 영역(CA)의 일부 영역을 확대하여 도시하며, 설명의 편의를 위해, 더미 구조물(DS), 게이트 전극들(130)의 단부들(EP), 및 게이트 콘택들(172g)은 생략하여 도시하였다.3 is a partially enlarged plan view illustrating a partial region of a semiconductor device according to example embodiments. 3 is an enlarged view of a partial area of the step area CA of the
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다. 도 4a 및 도 4b는 도 3의 절단선 Ⅲ-Ⅲ' 및 Ⅳ-Ⅳ' 를 따른 단면들을 각각 도시한다.4A and 4B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments. 4A and 4B show cross-sections taken along cutting lines III-III' and IV-IV' of FIG. 3, respectively.
도 3 및 도 4를 참조하면, 반도체 장치(100)의 제2 구조물(2)은 제1 배선들(182)과 동일한 레벨에 배치되며, 분리 구조물들(MS)과 교차하여 연장되고, 전기적으로 고립된(electrically isolated) 더미 배선들(182D)을 더 포함할 수 있다. 더미 배선들(182D)은 분리 구조물들(MS)에 크랙(crack)이 발생하는 것을 방지하거나, 분리 구조물들(MS)로부터 크랙이 전파되는 것을 방지할 수 있다.3 and 4 , the
더미 배선들(182D)은 적층 구조물(ST)의 계단 영역(CA) 상에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 계단 영역(CA)에서 X 방향으로 연장되는 분리 구조물들(MS) 상에 배치될 수 있다. 더미 배선들(182D)은 분리 구조물들(MS) 적층 구조물(ST) 상에서, 분리 구조물들(MS) 중 적어도 하나 및 적층 구조물(ST)과 수직하게 중첩할 수 있다. 더미 배선들(182D)은 전기적 플로팅(floating) 상태이며, 예를 들어, 게이트 전극들(130) 및 분리 구조물들(MS)의 도전층들(105)과 전기적으로 절연될 수 있다. 예를 들어, 분리 구조물들(MS)과 더미 배선들(182D)이 서로 교차하는 영역들에서, 분리 구조물들(MS)과 더미 배선들(182D) 사이에는 상부 콘택들(172c, 172g)이 배치되지 않을 수 있다. 이와 달리, 제1 배선들(182)은 채널 구조물들(CH) 및 게이트 전극들(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이, 제1 배선들(182) 중 일부(182g)는 제1 게이트 콘택들(172g)을 통해 게이트 전극들(130)과 전기적으로 연결될 수 있고, 제1 배선들(182) 중 일부(182c)는 제1 채널 콘택들(172c)을 통해 채널 구조물들(CH)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 배선들(182)은 제2 상부 콘택들(174)을 통해 제2 배선들(184)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제1 배선들(182) 중 일부는 메모리 셀 어레이 영역(MCA)에서 분리 구조물(MS)의 도전층(105)과 전기적으로 연결될 수 있다. 배선들 중에서, 전기적으로 고립된 더미 배선들(182D)인지 전기적 신호가 인가되는 제1 배선들(182)인지 여부는, 해당 구성요소가 그 상부 또는 하부에 배치되는 도전층과 전기적으로 연결되어 있는지 아닌지를 판별하여 확인할 수 있다.The
더미 배선들(182D)은 X 방향과 수직한 Y 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 더미 배선들(182D)은 Y 방향에서 길이가 X 방향에서 길이보다 길 수 있다. 더미 배선들(182D)은 분리 구조물들(MS) 상에서 X 방향을 따라 나란히 배열될 수 있다. 더미 배선들(182D) 중 일부는 제1 배선들(182) 사이에 배치될 수 있으며, 더미 배선들(182) 중 일부는 제1 배선들(182)과 X 방향에서 교대로 배열될 수도 있다. 인접하는 더미 배선들(182D)은 서로 균일한 피치 또는 간격으로 배열될 수 있으나, 하기 다른 실시예들에서와 같이 다른 피치 또는 간격으로 배열될 수 있다. 더미 배선들(182D)은 제1 배선들(182)과 이격되며, 제1 배선들(182)이 배치되지 않는 공간에 적절히 배열될 수 있다.The
도 5a 내지 도 5f는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 일부 영역을 확대하여 도시하는 부분 확대 평면도이다. 도 5a 내지 도 5f는 더미 배선들의 배치를 예시적으로 도시하는 도면들이다.5A to 5F are partially enlarged plan views illustrating a partial region of a semiconductor device according to example embodiments. 5A to 5F are diagrams exemplarily illustrating the arrangement of dummy wirings.
도 5a를 참조하면, 반도체 장치(100A)의 더미 배선들(182Da)은 상부 기판(101)의 상면에 평행한 방향으로 연장되되, X 방향 및 Y 방향과 비스듬한 방향으로 연장될 수 있다. 더미 배선들(182Da)은 분리 구조물(MS) 상에 배치되고, 분리 구조물(MS)의 연장 방향과 비스듬하게 연장될 수 있다.Referring to FIG. 5A , the dummy wires 182Da of the
도 5b를 참조하면, 반도체 장치(100B)의 더미 배선들(182Db)은 제1 폭(W1)을 갖는 제1 패턴(PA1) 및 제1 폭(W1)보다 큰 제2 폭(W2)을 갖는 제2 패턴(PA2)을 포함할 수 있다. 제1 패턴(PA1)과 제2 패턴(PA2)은 서로 교대로 배열될 수 있다. 다만, 제1 패턴(PA1) 및 제2 패턴(PA2)의 배열은 도시된 것에 한정되지 않고, 실시예들에 따라 다양하게 변경될 수 있다. Referring to FIG. 5B , the dummy wires 182Db of the
도 5c를 참조하면, 반도체 장치(100C)의 더미 배선들(182Dc)은 제1 간격(D1)으로 배치되는 제1 패턴들(PB1) 및 제1 간격(D1)보다 큰 제2 간격(D2)으로 배치되는 제2 패턴들(PB2)을 포함할 수 있다. 제1 패턴들(PB1)의 배치 밀도는 제2 패턴들(PB2)의 배치 밀도와 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 패턴들(PB1)의 배치 밀도가 제2 패턴들(PB2)의 배치 밀도보다 작을 수 있다. Referring to FIG. 5C , the dummy wirings 182Dc of the
도 5d를 참조하면, 반도체 장치(100D)의 더미 배선들(182Dd)은 평면에서 사각링 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 더미 배선들(182Dd)의 각각은, 분리 구조물들(MS)과 교차하는 한 쌍의 제1 부분들 및 분리 구조물들(MS)과 나란한 방향으로 연장되는 한 쌍의 제2 부분들을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5D , the dummy wires 182Dd of the
도 5e를 참조하면, 반도체 장치(100E)의 더미 배선들(182De)의 각각은 평면에서 분리 구조물들(MS)과 교차하는 제1 부분들 및 상기 제1 부분들을 서로 연결하며 분리 구조물(MS)과 나란한 방향으로 연장되는 제2 부분들을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5E , each of the dummy wirings 182De of the
도 5f를 참조하면, 반도체 장치(100F)의 분리 구조물들(MS) 중 일부(MS')는 계단 영역(CA)에서 단속적으로 연장되고, 더미 배선들(182D) 중 일부(182D')는 상기 분리 구조물(MS')이 서로 분리된 영역과 중첩하여 배치될 수 있다.Referring to FIG. 5F , some MS′ of the isolation structures MS of the
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 6 is a diagram schematically illustrating a data storage system including a semiconductor device according to example embodiments.
도 6을 참조하면, 데이터 저장 시스템(1000)은 반도체 장치(1100) 및 반도체 장치(1100)와 전기적으로 연결되는 컨트롤러(1200)를 포함할 수 있다. 데이터 저장 시스템(1000)은 하나 또는 복수의 반도체 장치(1100)를 포함하는 스토리지 장치(storage device) 또는 스토리지 장치를 포함하는 전자 장치(electronic device)일 수 있다. 예를 들어, 데이터 저장 시스템(1000)은 하나 또는 복수의 반도체 장치(1100)를 포함하는 SSD 장치(solid state drive device), USB(Universal Serial Bus), 컴퓨팅 시스템, 의료 장치 또는 통신 장치일 수 있다. Referring to FIG. 6 , the
반도체 장치(1100)는 비휘발성 메모리 장치일 수 있으며, 예를 들어, 도 1 내지 도 11을 참조하여 상술한 NAND 플래쉬 메모리 장치일 수 있다. 반도체 장치(1100)는 제1 구조물(1100F) 및 제1 구조물(1100F) 상의 제2 구조물(1100S)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 구조물(1100F)은 제2 구조물(1100S)의 옆에 배치될 수도 있다. 제1 구조물(1100F)은 디코더 회로(1110), 페이지 버퍼(1120), 및 로직 회로(1130)를 포함하는 주변 회로 구조물일 수 있다. 제2 구조물(1100S)은 비트 라인(BL), 공통 소스 라인(CSL), 워드라인들(WL), 제1 및 제2 게이트 상부 라인들(UL1, UL2), 제1 및 제2 게이트 하부 라인들(LL1, LL2), 및 비트 라인(BL)과 공통 소스 라인(CSL) 사이의 메모리 셀 스트링들(CSTR)을 포함하는 메모리 셀 구조물일 수 있다.The
제2 구조물(1100S)에서, 각각의 메모리 셀 스트링들(CSTR)은 공통 소스 라인(CSL)에 인접하는 하부 트랜지스터들(LT1, LT2), 비트 라인(BL)에 인접하는 상부 트랜지스터들(UT1, UT2), 및 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)과 상부 트랜지스터들(UT1, UT2) 사이에 배치되는 복수의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)을 포함할 수 있다. 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)의 개수와 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)의 개수는 실시예들에 따라 다양하게 변형될 수 있다. In the
예시적인 실시예들에서, 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)은 스트링 선택 트랜지스터를 포함할 수 있고, 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)은 접지 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. 게이트 하부 라인들(LL1, LL2)은 각각 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)의 게이트 전극일 수 있다. 워드라인들(WL)은 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)의 게이트 전극들일 수 있고, 게이트 상부 라인들(UL1, UL2)은 각각 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)의 게이트 전극일 수 있다. In example embodiments, the upper transistors UT1 and UT2 may include a string select transistor, and the lower transistors LT1 and LT2 may include a ground select transistor. The gate lower lines LL1 and LL2 may be gate electrodes of the lower transistors LT1 and LT2, respectively. The word lines WL may be gate electrodes of the memory cell transistors MCT, and the gate upper lines UL1 and UL2 may be gate electrodes of the upper transistors UT1 and UT2, respectively.
예시적인 실시예들에서, 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)은 직렬 연결된 하부 소거 제어 트랜지스터(LT1) 및 접지 선택 트랜지스터(LT2)를 포함할 수 있다. 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)은 직렬 연결된 스트링 선택 트랜지스터(UT1) 및 상부 소거 제어 트랜지스터(UT2)를 포함할 수 있다. 하부 소거 제어 트랜지스터(LT1) 및 상부 소거 제어 트랜지스터(UT1) 중 적어도 하나는 GIDL 현상을 이용하여 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)에 저장된 데이터를 삭제하는 소거 동작에 이용될 수 있다.In example embodiments, the lower transistors LT1 and LT2 may include a lower erase control transistor LT1 and a ground select transistor LT2 connected in series. The upper transistors UT1 and UT2 may include a string select transistor UT1 and an upper erase control transistor UT2 connected in series. At least one of the lower erase control transistor LT1 and the upper erase control transistor UT1 may be used for an erase operation of erasing data stored in the memory cell transistors MCT using the GIDL phenomenon.
공통 소스 라인(CSL), 제1 및 제2 게이트 하부 라인들(LL1, LL2), 워드라인들(WL), 및 제1 및 제2 게이트 상부 라인들(UL1, UL2)은, 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 제1 연결 배선들(1115)을 통해 디코더 회로(1110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 비트 라인들(BL)은 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 제2 연결 배선들(1125)을 통해 페이지 버퍼(1120)와 전기적으로 연결될 수 있다.The common source line CSL, the first and second gate lower lines LL1 and LL2, the word lines WL, and the first and second gate upper lines UL1 and UL2 are connected to the first structure ( It may be electrically connected to the
제1 구조물(1100F)에서, 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 복수의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 중 적어도 하나의 선택 메모리 셀 트랜지스터에 대한 제어 동작을 실행할 수 있다. 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 로직 회로(1130)에 의해 제어될 수 있다. 반도체 장치(1000)는 로직 회로(1130)와 전기적으로 연결되는 입출력 패드(1101)를 통해, 컨트롤러(1200)와 통신할 수 있다. 입출력 패드(1101)는 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 입출력 연결 배선(1135)을 통해 로직 회로(1130)와 전기적으로 연결될 수 있다.In the
컨트롤러(1200)는 프로세서(1210), NAND 컨트롤러(1220), 및 호스트 인터페이스(1230)를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 데이터 저장 시스템(1000)은 복수의 반도체 장치들(1100)을 포함할 수 있으며, 이 경우, 컨트롤러(1200)는 복수의 반도체 장치들(1000)을 제어할 수 있다.The
프로세서(1210)는 컨트롤러(1200)를 포함한 데이터 저장 시스템(1000) 전반의 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(1210)는 소정의 펌웨어에 따라 동작할 수 있으며, NAND 컨트롤러(1220)를 제어하여 반도체 장치(1100)에 억세스할 수 있다. NAND 컨트롤러(1220)는 반도체 장치(1100)와의 통신을 처리하는 NAND 인터페이스(1221)를 포함할 수 있다. NAND 인터페이스(1221)를 통해, 반도체 장치(1100)를 제어하기 위한 제어 명령, 반도체 장치(1100)의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)에 기록하고자 하는 데이터, 반도체 장치(1100)의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)로부터 읽어오고자 하는 데이터 등이 전송될 수 있다. 호스트 인터페이스(1230)는 데이터 저장 시스템(1000)과 외부 호스트 사이의 통신 기능을 제공할 수 있다. 호스트 인터페이스(1230)를 통해 외부 호스트로부터 제어 명령을 수신하면, 프로세서(1210)는 제어 명령에 응답하여 반도체 장치(1100)를 제어할 수 있다. The
도 7은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.7 is a schematic perspective view of a data storage system including a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
도 7을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 데이터 저장 시스템(2000)은 메인 기판(2001)과, 메인 기판(2001)에 실장되는 컨트롤러(2002), 하나 이상의 반도체 패키지(2003), 및 DRAM(2004)을 포함할 수 있다. 반도체 패키지(2003) 및 DRAM(2004)은 메인 기판(2001)에 형성되는 배선 패턴들(2005)에 의해 컨트롤러(2002)와 서로 연결될 수 있다. Referring to FIG. 7 , a
메인 기판(2001)은 외부 호스트와 결합되는 복수의 핀들을 포함하는 커넥터(2006)를 포함할 수 있다. 커넥터(2006)에서 상기 복수의 핀들의 개수와 배치는, 데이터 저장 시스템(2000)과 상기 외부 호스트 사이의 통신 인터페이스에 따라 달라질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 데이터 저장 시스템(2000)은 USB(Universal Serial Bus), PCI-Express(Peripheral Component Interconnect Express), SATA(Serial Advanced Technology Attachment), UFS(Universal Flash Storage)용 M-Phy 등의 인터페이스들 중 어느 하나에 따라 외부 호스트와 통신할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 데이터 저장 시스템(2000)은 커넥터(2006)를 통해 외부 호스트로부터 공급받는 전원에 의해 동작할 수 있다. 데이터 저장 시스템(2000)은 상기 외부 호스트로부터 공급받는 전원을 컨트롤러(2002) 및 반도체 패키지(2003)에 분배하는 PMIC(Power Management Integrated Circuit)를 더 포함할 수도 있다. The
컨트롤러(2002)는 반도체 패키지(2003)에 데이터를 기록하거나, 반도체 패키지(2003)로부터 데이터를 읽어올 수 있으며, 데이터 저장 시스템(2000)의 동작 속도를 개선할 수 있다.The
DRAM(2004)은 데이터 저장 공간인 반도체 패키지(2003)와 외부 호스트의 속도 차이를 완화하기 위한 버퍼 메모리일 수 있다. 데이터 저장 시스템(2000)에 포함되는 DRAM(2004)은 일종의 캐시 메모리로도 동작할 수 있으며, 반도체 패키지(2003)에 대한 제어 동작에서 임시로 데이터를 저장하기 위한 공간을 제공할 수도 있다. 데이터 저장 시스템(2000)에 DRAM(2004)이 포함되는 경우, 컨트롤러(2002)는 반도체 패키지(2003)를 제어하기 위한 NAND 컨트롤러 외에 DRAM(2004)을 제어하기 위한 DRAM 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.The
반도체 패키지(2003)는 서로 이격된 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)은 각각 복수의 반도체 칩들(2200)을 포함하는 반도체 패키지일 수 있다. 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b) 각각은, 패키지 기판(2100), 패키지 기판(2100) 상의 반도체 칩들(2200), 반도체 칩들(2200) 각각의 하부면에 배치되는 접착층들(2300), 반도체 칩들(2200)과 패키지 기판(2100)을 전기적으로 연결하는 연결 구조물(2400), 및 패키지 기판(2100) 상에서 반도체 칩들(2200) 및 연결 구조물(2400)을 덮는 몰딩층(2500)을 포함할 수 있다. The
패키지 기판(2100)은 패키지 상부 패드들(2130)을 포함하는 인쇄회로 기판일 수 있다. 각각의 반도체 칩(2200)은 입출력 패드(2210)를 포함할 수 있다. 입출력 패드(2210)는 도 6의 입출력 패드(1101)에 해당할 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은 게이트 적층 구조물들(3210) 및 채널 구조물들(3220)을 포함할 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은 도 1 내지 도 5d를 참조하여 상술한 반도체 장치를 포함할 수 있다.The
예시적인 실시예들에서, 연결 구조물(2400)은 입출력 패드(2210)와 패키지 상부 패드들(2130)을 전기적으로 연결하는 본딩 와이어일 수 있다. 따라서, 각각의 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)에서, 반도체 칩들(2200)은 본딩 와이어 방식으로 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 패키지 기판(2100)의 패키지 상부 패드들(2130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예들에 따라, 각각의 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)에서, 반도체 칩들(2200)은 본딩 와이어 방식의 연결 구조물(2400) 대신에, 관통 전극(Through Silicon Via, TSV)을 포함하는 연결 구조물에 의하여 서로 전기적으로 연결될 수도 있다. In example embodiments, the
예시적인 실시예들에서, 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)은 하나의 패키지에 포함될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 메인 기판(2001)과 다른 별도의 인터포저 기판에 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)이 실장되고, 상기 인터포저 기판에 형성되는 배선에 의해 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)이 서로 연결될 수도 있다. In example embodiments, the
도 8은 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 8은 도 7의 반도체 패키지(2003)의 예시적인 실시예를 설명하며, 도 7의 반도체 패키지(2003)를 절단선 Ⅴ-Ⅴ'를 따라 절단한 영역을 개념적으로 나타낸다.8 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor package according to an exemplary embodiment. 8 illustrates an exemplary embodiment of the
도 8을 참조하면, 반도체 패키지(2003)에서, 패키지 기판(2100)은 인쇄회로 기판일 수 있다. 패키지 기판(2100)은 패키지 기판 바디부(2120), 패키지 기판 바디부(2120)의 상면에 배치되는 패키지 상부 패드들(2130)(도 7 참조), 패키지 기판 바디부(2120)의 하면에 배치되거나 하면을 통해 노출되는 하부 패드들(2125), 및 패키지 기판 바디부(2120) 내부에서 상부 패드들(2130)과 하부 패드들(2125)을 전기적으로 연결하는 내부 배선들(2135)을 포함할 수 있다. 상부 패드들(2130)은 연결 구조물들(2400)과 전기적으로 연결될 수 있다. 하부 패드들(2125)은 도전성 연결부들(2800)을 통해 도 7과 같이 데이터 저장 시스템(2000)의 메인 기판(2010)의 배선 패턴들(2005)에 연결될 수 있다.Referring to FIG. 8 , in the
반도체 칩들(2200) 각각은 반도체 기판(3010) 및 반도체 기판(3010) 상에 차례로 적층되는 제1 구조물(3100) 및 제2 구조물(3200)을 포함할 수 있다. 제1 구조물(3100)은 주변 배선들(3110)을 포함하는 주변 회로 영역을 포함할 수 있다. 제2 구조물(3200)은 공통 소스 라인(3205), 공통 소스 라인(3205) 상의 게이트 적층 구조물(3210), 게이트 적층 구조물(3210)을 관통하는 채널 구조물들(3220)과 분리 영역들(3230), 메모리 채널 구조물들(3220)과 전기적으로 연결되는 비트 라인들(3240), 및 게이트 적층 구조물(3210)의 워드라인들(WL)(도 6 참조)과 전기적으로 연결되는 게이트 콘택 플러그들을 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 5f를 참조하여 상술한 것과 같이, 반도체 칩들(2200) 각각은 기판(6), 상부 기판(101), 분리 패턴(MS), 제1 배선들(182), 및 더미 배선들(182D)을 포함할 수 있다. Each of the
반도체 칩들(2200) 각각은, 제1 구조물(3100)의 주변 배선들(3110)과 전기적으로 연결되며 제2 구조물(3200) 내로 연장되는 관통 배선(3245)을 포함할 수 있다. 관통 배선(3245)은 게이트 적층 구조물(3210)의 외측에 배치될 수 있으며, 게이트 적층 구조물(3210)을 관통하도록 더 배치될 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은, 제1 구조물(3100)의 주변 배선들(3110)과 전기적으로 연결되는 입출력 패드(2210)(도 7 참조)를 더 포함할 수 있다.Each of the
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경과 실시예들의 조합이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Accordingly, various types of substitutions, modifications and changes and combinations of embodiments will be possible by those of ordinary skill in the art within the scope without departing from the spirit of the present invention described in the claims, and this is also the present invention will be said to be within the scope of
CA: 계단 영역
CH: 채널 구조물
DS: 더미 구조물
MCA: 메모리 셀 영역
MS: 분리 구조물
ST: 적층 구조물
6: 기판
20: 회로 소자
30: 하부 배선 구조물
40: 하부 캡핑층
101: 상부 기판
105: 도전층
106: 분리 절연층
120: 층간 절연층
130: 게이트 전극
140: 채널층
145: 게이트 유전층
147: 코어 절연층
149: 채널 패드
160: 상부 캡핑층
182: 제1 배선들
182D: 더미 배선들
184: 제2 배선들
192, 192, 193, 194, 195: 상부 절연층CA: stair area CH: channel structure
DS: dummy structure MCA: memory cell area
MS: Separation Structure ST: Laminate Structure
6: substrate 20: circuit element
30: lower wiring structure 40: lower capping layer
101: upper substrate 105: conductive layer
106: isolation insulating layer 120: interlayer insulating layer
130: gate electrode 140: channel layer
145: gate dielectric layer 147: core insulating layer
149: channel pad 160: upper capping layer
182:
184:
Claims (10)
상기 기판 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들 및 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물;
상기 적층 구조물을 상기 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 관통하고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들;
상기 적층 구조물을 상기 제1 방향으로 관통하고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 분리 구조물들;
상기 적층 구조물 상에 배치되고, 상기 게이트 전극들과 전기적으로 연결되는 배선들; 및
상기 분리 구조물들 및 상기 적층 구조물 상에서, 상기 분리 구조물들 중 적어도 하나 및 상기 적층 구조물과 수직하게 중첩하고, 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향으로 연장되고, 전기적으로 고립된(electrically isolated) 더미 배선들을 포함하는 반도체 장치.
Board;
a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes that are alternately stacked on the substrate;
channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the substrate and each including a channel layer;
separation structures passing through the multilayer structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction;
wirings disposed on the stack structure and electrically connected to the gate electrodes; and
an electrically isolated dummy, vertically overlapping with at least one of the separation structures and the multilayer structure, extending in a third direction intersecting the second direction, and electrically isolated on the separation structures and the stacked structure A semiconductor device comprising wires.
상기 적층 구조물은 상기 채널 구조물들이 배열되는 메모리 셀 영역 및 상기 게이트 전극들이 계단 구조를 이루는 계단 영역을 포함하고,
상기 더미 배선들은 상기 계단 영역 상에 배치되는 반도체 장치.
According to claim 1,
The multilayer structure includes a memory cell region in which the channel structures are arranged and a step region in which the gate electrodes form a step structure,
The dummy wirings are disposed on the step area.
상기 분리 구조물들의 각각은, 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 기판과 접촉하는 도전층 및 상기 도전층의 측면들을 덮는 분리 절연층을 포함하고,
상기 더미 배선들은 상기 게이트 전극들 및 상기 도전층과 전기적으로 절연된 반도체 장치.
According to claim 1,
Each of the separation structures includes a conductive layer extending in the second direction and in contact with the substrate and a separation insulating layer covering side surfaces of the conductive layer,
The dummy wirings are electrically insulated from the gate electrodes and the conductive layer.
상기 분리 구조물들과 상기 더미 배선들이 서로 교차하는 영역들에서, 상기 분리 구조물들과 상기 더미 배선들 사이에는 콘택들이 배치되지 않는 반도체 장치.
According to claim 1,
In regions where the isolation structures and the dummy lines cross each other, contacts are not disposed between the isolation structures and the dummy lines.
상기 제3 방향은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 수직한 반도체 장치.
According to claim 1,
The third direction is perpendicular to the first direction and the second direction.
상기 제3 방향은 상기 제2 방향에 대해 비스듬한 방향인 반도체 장치.
According to claim 1,
The third direction is a direction oblique to the second direction.
상기 더미 배선들은 제1 폭을 갖는 제1 패턴들 및 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 제2 패턴들을 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The dummy wirings include first patterns having a first width and second patterns having a second width greater than the first width.
상기 더미 배선들은 제1 간격으로 배치되는 제1 패턴들 및 상기 제1 간격보다 큰 제2 간격으로 배치되는 제2 패턴들을 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The dummy wirings may include first patterns disposed at a first interval and second patterns disposed at a second interval greater than the first interval.
상기 입출력 패드를 통하여 상기 반도체 저장 장치와 전기적으로 연결되며, 상기 반도체 저장 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 상부 구조물은,
상부 기판;
상기 상부 기판 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들 및 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물;
상기 적층 구조물을 상기 상부 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 관통하고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들;
상기 적층 구조물을 상기 제1 방향으로 관통하고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 분리 구조물들, 상기 분리 구조물들의 각각은 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 기판과 접촉하는 도전층 및 상기 도전층의 측면들을 덮는 절연 스페이서를 포함하고;
상기 적층 구조물 상에 배치되고, 상기 게이트 전극들과 전기적으로 연결되는 배선들; 및
상기 분리 구조물들 상에 배치되고, 상기 분리 구조물들과 교차하여 연장되고, 상기 게이트 전극들 및 상기 도전층과 전기적으로 절연된 더미 배선들을 포함하는 데이터 저장 시스템.
a lower structure including a lower substrate and circuit elements on the substrate; an upper structure on the lower structure; and an input/output pad electrically connected to the circuit elements; and
a controller electrically connected to the semiconductor storage device through the input/output pad and controlling the semiconductor storage device;
The upper structure is
upper substrate;
a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes that are alternately stacked on the upper substrate;
channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the upper substrate and each including a channel layer;
separation structures penetrating the stack structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction, each of the separation structures extending in the second direction and contacting the substrate; an insulating spacer covering side surfaces of the conductive layer;
wirings disposed on the stack structure and electrically connected to the gate electrodes; and
and dummy wirings disposed on the isolation structures, extending to cross the isolation structures, and electrically insulated from the gate electrodes and the conductive layer.
상기 적층 구조물은 상기 채널 구조물들이 배열되는 메모리 셀 영역 및 상기 게이트 전극들이 계단 구조를 이루는 계단 영역을 포함하고,
상기 더미 배선들은 상기 계단 영역 상에 배치되는 데이터 저장 시스템.
10. The method of claim 9,
The multilayer structure includes a memory cell region in which the channel structures are arranged and a step region in which the gate electrodes form a step structure,
and the dummy wires are disposed on the step area.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220000137A KR20220008368A (en) | 2022-01-03 | 2022-01-03 | Semiconductor devices and data storage systems including the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020220000137A KR20220008368A (en) | 2022-01-03 | 2022-01-03 | Semiconductor devices and data storage systems including the same |
Publications (1)
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---|---|
KR20220008368A true KR20220008368A (en) | 2022-01-20 |
Family
ID=80053156
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country | Link |
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KR (1) | KR20220008368A (en) |
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2022
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PA0109 | Patent application |
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