KR102427647B1 - Semiconductor devices and manufacturing methods of the same - Google Patents

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KR102427647B1
KR102427647B1 KR1020150158365A KR20150158365A KR102427647B1 KR 102427647 B1 KR102427647 B1 KR 102427647B1 KR 1020150158365 A KR1020150158365 A KR 1020150158365A KR 20150158365 A KR20150158365 A KR 20150158365A KR 102427647 B1 KR102427647 B1 KR 102427647B1
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치는, 기판 상에 수직하게 적층되는 게이트 전극들, 게이트 전극들을 관통하여 기판에 수직하게 연장되며, 채널 영역이 배치되는 채널홀들, 및 채널홀들 각각의 상단에서 채널 영역과 연결되도록 배치되며, 볼록한 상면을 갖는 채널 패드들을 포함한다.In a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, gate electrodes stacked vertically on a substrate, channel holes extending perpendicular to the substrate through the gate electrodes, a channel region is disposed, and upper ends of each of the channel holes It is disposed to be connected to the channel region and includes channel pads having a convex top surface.

Description

반도체 장치 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR DEVICES AND MANUFACTURING METHODS OF THE SAME}Semiconductor device and manufacturing method thereof

본 발명은 반도체 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.

반도체 장치는 그 부피가 점점 작아지면서도 고용량의 데이터 처리를 요하고 있다. 이에 따라, 이러한 반도체 장치를 구성하는 반도체 소자의 집적도를 높일 필요가 있다. 이에 따라, 반도체 장치의 집적도를 향상시키기 위한 방법들 중 하나로서, 기존의 평면 트랜지스터 구조 대신 수직 트랜지스터 구조를 가지는 반도체 장치가 제안되고 있다.
Semiconductor devices require high-capacity data processing while their volume is getting smaller. Accordingly, it is necessary to increase the degree of integration of semiconductor elements constituting such a semiconductor device. Accordingly, as one of methods for improving the degree of integration of a semiconductor device, a semiconductor device having a vertical transistor structure instead of a conventional planar transistor structure has been proposed.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 신뢰성이 향상된 반도체 장치를 제공하는 것이다.
One of the technical problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a semiconductor device with improved reliability.

예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 기판 상에 수직하게 적층되는 게이트 전극들, 상기 게이트 전극들을 관통하여 상기 기판에 수직하게 연장되며, 채널 영역이 배치되는 채널홀들, 및 상기 채널홀들 각각의 상단에서 상기 채널 영역과 연결되도록 배치되며, 볼록한 상면을 갖는 채널 패드들을 포함할 수 있다.In a semiconductor device according to example embodiments, gate electrodes vertically stacked on a substrate, channel holes extending perpendicular to the substrate through the gate electrodes, and in which a channel region is disposed, and the channel holes The channel pads may be disposed to be connected to the channel region at their upper ends, and may include channel pads having a convex top surface.

일 예로, 상기 채널 패드들은 상부를 향하여 볼록한 상면을 가질 수 있다.For example, the channel pads may have upper surfaces convex toward the top.

일 예로, 상기 채널 패드들은 상기 상면과 반대 방향을 향하여 볼록한 하면을 가질 수 있다.For example, the channel pads may have lower surfaces convex in a direction opposite to the upper surfaces.

일 예로, 상기 채널 패드들의 상기 상면 주위에서 경계면을 갖도록 배치되는 제1 및 제2 절연층들을 더 포함할 수 있다.For example, first and second insulating layers disposed to have an interface around the upper surfaces of the channel pads may be further included.

일 예로, 상기 채널 패드들은 하부에 배치되는 상기 제1 절연층으로부터 돌출되어 배치될 수 있다.For example, the channel pads may be disposed to protrude from the first insulating layer disposed thereunder.

일 예로, 상기 채널 패드들은 p형 또는 n형 불순물을 포함할 수 있다.For example, the channel pads may include p-type or n-type impurities.

일 예로, 상기 게이트 전극들과 상기 채널 영역의 사이에 배치되는 게이트 유전층을 더 포함하고, 상기 게이트 유전층은 상기 채널홀 내에서 상기 채널 패드의 측면으로 연장될 수 있다.For example, the display device may further include a gate dielectric layer disposed between the gate electrodes and the channel region, wherein the gate dielectric layer may extend to a side surface of the channel pad in the channel hole.

일 예로, 상기 채널 영역은 상기 채널홀 내에서 상기 채널 패드의 측면으로 연장될 수 있다.For example, the channel region may extend to a side surface of the channel pad in the channel hole.

일 예로, 상기 채널 패드들은 상기 상면보다 하면의 폭이 작을 수 있다.For example, the width of the lower surface of the channel pads may be smaller than that of the upper surface.

예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 기판 상에 수직하게 적층되는 게이트 전극들, 상기 게이트 전극들을 관통하여 상기 기판에 수직하게 연장되며, 채널 영역이 배치되는 채널홀들, 및 상기 채널홀들 각각의 상단에 배치되며, 서로 다른 방향으로 굴곡을 갖는 상면 및 하면을 갖는 채널 패드들을 포함할 수 있다.In a semiconductor device according to example embodiments, gate electrodes vertically stacked on a substrate, channel holes extending perpendicular to the substrate through the gate electrodes, and in which a channel region is disposed, and the channel holes It is disposed on the upper end of each, and may include channel pads having upper and lower surfaces curved in different directions.

예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법은, 기판 상에 희생층들 및 층간 절연층들을 교대로 적층하여 적층 구조물을 형성하는 단계, 상기 적층 구조물 상에 제1 절연층 및 마스크층을 형성하는 단계, 상기 마스크층을 이용하여, 상기 적층 구조물 및 상기 제1 절연층을 관통하는 채널홀들을 형성하는 단계, 상기 채널홀들의 측벽에 게이트 유전층들 및 채널 영역들을 형성하는 단계, 상기 채널홀들의 하부를 매립하는 채널 절연층들을 형성하는 단계, 상기 채널 절연층들 상에 상기 채널홀들의 상부를 매립하며 상기 마스크층 상으로 연장되는 도전층을 형성하는 단계, 및 상기 채널홀들 내에만 잔존하도록 상기 마스크층의 상부에서 상기 도전층을 제거하여, 볼록한 상면을 갖는 채널 패드들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments includes forming a stacked structure by alternately stacking sacrificial layers and interlayer insulating layers on a substrate, and forming a first insulating layer and a mask layer on the stacked structure. forming channel holes penetrating the stacked structure and the first insulating layer using the mask layer; forming gate dielectric layers and channel regions on sidewalls of the channel holes; Forming channel insulating layers to fill the lower portion, forming a conductive layer to fill the upper portions of the channel holes on the channel insulating layers and extending over the mask layer, and to remain only in the channel holes The method may include removing the conductive layer from an upper portion of the mask layer to form channel pads having a convex top surface.

일 예로, 상기 채널 패드들을 형성하는 단계에서, 상기 도전층은 평탄화 공정을 이용하여 제거되며, 상기 평탄화 공정 중에 상기 제1 절연층을 정지층으로 이용할 수 있다.For example, in the forming of the channel pads, the conductive layer may be removed using a planarization process, and the first insulating layer may be used as a stop layer during the planarization process.

일 예로, 상기 평탄화 공정 중에, 상기 마스크층이 전부 제거되고 상기 제1 절연층은 제거되지 않을 수 있다.For example, during the planarization process, all of the mask layer may be removed and the first insulating layer may not be removed.

일 예로, 상기 채널 패드들의 상면은 적어도 일부가 상기 제1 절연층으로부터 돌출될 수 있다.For example, at least a portion of upper surfaces of the channel pads may protrude from the first insulating layer.

일 예로, 상기 마스크층은 하부에 형성되는 제1 마스크층 및 상기 제1 마스크층 상에 형성되는 제2 마스크층을 포함하고, 상기 채널 패드들을 형성하는 단계는, 상기 제2 마스크층을 정지층으로 이용하여 상기 도전층의 일부를 제거하는 단계, 및 상기 제1 절연층을 정지층으로 이용하여 상기 제1 마스크층 및 상기 도전층의 일부를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.For example, the mask layer includes a first mask layer formed below and a second mask layer formed on the first mask layer, and the forming of the channel pads may include forming the second mask layer as a stop layer. It may include removing a portion of the conductive layer by using a

일 예로, 상기 채널 절연층들을 형성하는 단계 이후에, 상기 제1 마스크층을 정지층으로 이용하여, 평탄화 공정에 의해 상기 제2 마스크층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.For example, after forming the channel insulating layers, the method may further include removing the second mask layer by a planarization process using the first mask layer as a stop layer.

일 예로, 상기 제1 마스크층 및 상기 제2 마스크층은 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.For example, the first mask layer and the second mask layer may be formed of different materials.

일 예로, 상기 채널 절연층들을 형성하는 단계는, 상기 채널홀들을 매립하도록 절연 물질을 증착하는 단계, 및 상기 채널홀들의 상단에서 상기 절연 물질이 제거되도록 에치-백 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.For example, forming the channel insulating layers may include depositing an insulating material to fill the channel holes, and performing an etch-back process to remove the insulating material from the top of the channel holes. can

일 예로, 상기 에치-백 공정에 의해 상기 채널 절연층들은 상기 기판을 향하여 볼록한 상면을 갖게 될 수 있다.For example, the channel insulating layers may have a convex top surface toward the substrate by the etch-back process.

일 예로, 상기 채널 패드들은 상기 기판을 향하여 볼록한 하면 및 상기 기판을 향하는 방향의 반대 방향을 향하여 볼록한 상면을 가질 수 있다.For example, the channel pads may have a convex lower surface toward the substrate and a convex upper surface toward the opposite direction to the substrate.

일 예로, 상기 제1 절연층의 두께는 상기 채널 패드의 두께의 1.5 배 내지 2.5 배의 범위일 수 있다.For example, the thickness of the first insulating layer may be in the range of 1.5 times to 2.5 times the thickness of the channel pad.

일 예로, 상기 제1 절연층의 두께는 약 1000 Å 내지 2200 Å의 범위일 수 있다.For example, the thickness of the first insulating layer may be in the range of about 1000 Å to 2200 Å.

일 예로, 상기 채널 패드들을 덮는 제2 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.For example, the method may further include forming a second insulating layer covering the channel pads.

예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법은, 기판 상에 희생층들 및 층간 절연층들을 교대로 적층하여 적층 구조물을 형성하는 단계, 상기 적층 구조물 상에 절연층을 형성하는 단계, 상기 적층 구조물 및 상기 절연층을 관통하는 채널홀들을 형성하는 단계, 상기 채널홀들 내에 게이트 유전층들, 채널 영역들 및 채널 절연층들을 형성하는 단계, 및 상기 채널홀들의 상단에 볼록한 상면을 가지며, 상기 절연층으로부터 적어도 일부가 돌출되는 채널 패드들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments may include forming a stacked structure by alternately stacking sacrificial layers and interlayer insulating layers on a substrate, forming an insulating layer on the stacked structure, and the stacking structure. forming channel holes penetrating the structure and the insulating layer, forming gate dielectric layers, channel regions and channel insulating layers in the channel holes, and having a convex top surface on top of the channel holes, the insulating layer and forming channel pads at least partially protruding from the layer.

일 예로, 상기 절연층의 두께는 상기 채널 패드의 두께의 1.5 배 내지 2.5 배의 범위일 수 있다.
For example, the thickness of the insulating layer may be in the range of 1.5 times to 2.5 times the thickness of the channel pad.

채널 패드 주위의 절연층의 두께를 제어하여 상면이 볼록한 채널 패드를 형성함으로써, 신뢰성이 향상된 반도체 장치가 제공될 수 있다.By controlling the thickness of the insulating layer around the channel pad to form the channel pad having a convex top, a semiconductor device with improved reliability can 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 블록 다이어그램이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 메모리 셀 어레이의 등가회로도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예들에 따른 게이트 유전층을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 예시적인 실시예들에 따른 채널 패드를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 채널 패드를 설명하기 위한 전자 현미경 사진이다.
도 7a 내지 도 7j는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 주요 단계별 도면들이다.
도 8 및 도 9는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 사시도들이다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 사시도이다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 저장 장치를 나타낸 블록도이다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 기기를 나타낸 블록도이다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 시스템을 보여주는 개략도이다.
1 is a schematic block diagram of a semiconductor device according to example embodiments.
2 is an equivalent circuit diagram of a memory cell array of a semiconductor device according to example embodiments.
3 is a schematic perspective view of a semiconductor device according to example embodiments.
4A to 4C are cross-sectional views illustrating a gate dielectric layer according to example embodiments.
5A to 5C are cross-sectional views illustrating a channel pad according to example embodiments.
6 is an electron micrograph for explaining a channel pad according to example embodiments.
7A to 7J are main step-by-step views schematically illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.
8 and 9 are schematic perspective views of a semiconductor device according to example embodiments.
10 is a schematic perspective view of a semiconductor device according to example embodiments.
11 is a block diagram illustrating a storage device including a semiconductor device according to example embodiments.
12 is a block diagram illustrating an electronic device including a semiconductor device according to example embodiments.
13 is a schematic diagram illustrating a system including a semiconductor device according to example embodiments.

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.

본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시예가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Embodiments of the present invention may be modified in various other forms or various embodiments may be combined, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 지적하는 것이 아니라면, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함하다", "구비하다", 또는 "가지다" 등과 같은 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 특정하려는 것이며, 하나 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.The terminology used herein is used to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. As used herein, terms such as “comprise,” “comprise,” or “have” are intended to specify that a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described in the specification is present. , the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof should not be construed as precluding the possibility of addition. The term “and/or” includes any one and all combinations of one or more of those listed items.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다.  이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다.  따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다. Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, layers and/or parts, these members, parts, regions, layers, and/or parts are limited by these terms, so that It is self-evident that These terms are used only to distinguish one member, component, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, a first member, component, region, layer or portion discussed below may refer to a second member, component, region, layer or portion without departing from the teachings of the present invention.

본 명세서에서, '더미(dummy)'의 용어는, 다른 구성 요소와 동일하거나 유사한 구조 및 형상을 가지지만, 내에서 실질적인 기능을 하지 않고, 단지 패턴으로 존재하는 구성을 지칭하는 용도로 사용된다. 따라서, '더미' 구성 요소에는 전기적 신호가 인가되지 않거나 전기적으로 특정 기능을 수행하지 않는다.
In this specification, the term 'dummy' is used to refer to a configuration that has the same or similar structure and shape as other components, but does not have a substantial function within, and exists only as a pattern. Therefore, no electrical signal is applied to the 'dummy' component or it does not electrically perform a specific function.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 블록 다이어그램이다.1 is a schematic block diagram of a semiconductor device according to example embodiments.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(10)는 메모리 셀 어레이(20), 구동 회로(30), 읽기/쓰기(read/write) 회로(40) 및 제어 회로(50)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a semiconductor device 10 according to an embodiment of the present invention includes a memory cell array 20 , a driving circuit 30 , a read/write circuit 40 , and a control circuit 50 . ) may be included.

메모리 셀 어레이(20)는 복수의 메모리 셀들을 포함할 수 있으며, 복수의 메모리 셀들은 복수의 행들과 열들을 따라 배열될 수 있다. 메모리 셀 어레이(20)에 포함되는 복수의 메모리 셀들은, 워드 라인(Word Line, WL), 공통 소스 라인(Common Source Line, CSL), 스트링 선택 라인(String Select Line, SSL), 접지 선택 라인(Ground Select Line, GSL) 등을 통해 구동 회로(30)와 연결될 수 있으며, 비트 라인(Bit Line, BL)을 통해 읽기/쓰기 회로(40)와 연결될 수 있다. 일부 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.The memory cell array 20 may include a plurality of memory cells, and the plurality of memory cells may be arranged along a plurality of rows and columns. A plurality of memory cells included in the memory cell array 20 include a word line (WL), a common source line (CSL), a string select line (SSL), and a ground select line ( It may be connected to the driving circuit 30 through a Ground Select Line (GSL), etc., and may be connected to the read/write circuit 40 through a bit line (Bit Line, BL). In some 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.

메모리 셀 어레이(20)에 포함되는 복수의 메모리 셀들은 복수의 메모리 블록들로 구분될 수 있다. 각 메모리 블록은 복수의 워드 라인들(WL), 복수의 스트링 선택 라인들(SSL), 복수의 접지 선택 라인들(GSL), 복수의 비트 라인들(BL)과 적어도 하나의 공통 소스 라인(CSL)을 포함할 수 있다.A plurality of memory cells included in the memory cell array 20 may be divided into a plurality of memory blocks. Each memory block includes a plurality of word lines WL, a plurality of string select lines SSL, a plurality of ground select lines GSL, a plurality of bit lines BL, and at least one common source line CSL. ) may be included.

구동 회로(30)와 읽기/쓰기 회로(40)는 제어 회로(50)에 의해 동작될 수 있다. 일 실시예로, 구동 회로(30)는 외부로부터 어드레스(address) 정보(ADDR)를 수신하고, 수신한 어드레스 정보(ADDR)를 디코딩하여 메모리 셀 어레이에 연결된 워드 라인(WL), 공통 소스 라인(CSL), 스트링 선택 라인(SSL) 및 접지 선택 라인(GSL) 중 적어도 일부를 선택할 수 있다. 구동 회로(30)는 워드 라인(WL), 스트링 선택 라인(SSL), 공통 소스 라인(CSL) 각각에 대한 구동 회로를 포함할 수 있다.The driving circuit 30 and the read/write circuit 40 may be operated by the control circuit 50 . In one embodiment, the driving circuit 30 receives the address information ADDR from the outside, decodes the received address information ADDR, and the word line WL connected to the memory cell array, the common source line ( CSL), the string select line SSL, and at least some of the ground select line GSL may be selected. The driving circuit 30 may include a driving circuit for each of the word line WL, the string selection line SSL, and the common source line CSL.

읽기/쓰기 회로(40)는 제어 회로(50)로부터 수신하는 명령에 따라 메모리 셀 어레이(20)에 연결되는 비트 라인(BL) 중 적어도 일부를 선택할 수 있다. 읽기/쓰기 회로(40)는 선택한 적어도 일부의 비트 라인(BL)과 연결된 메모리 셀에 저장된 데이터를 읽어오거나, 선택한 적어도 일부의 비트 라인(BL)과 연결된 메모리 셀에 데이터를 기입할 수 있다. 읽기/쓰기 회로(40)는 상기와 같은 동작을 수행하기 위해, 페이지 버퍼, 입/출력 버퍼, 데이터 래치 등과 같은 회로를 포함할 수 있다.The read/write circuit 40 may select at least a portion of the bit lines BL connected to the memory cell array 20 according to a command received from the control circuit 50 . The read/write circuit 40 may read data stored in memory cells connected to at least some of the selected bit lines BL or write data to memory cells connected to at least some of the selected bit lines BL. The read/write circuit 40 may include circuits such as a page buffer, an input/output buffer, and a data latch to perform the above operations.

제어 회로(50)는 외부로부터 전달되는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 구동 회로(30) 및 읽기/쓰기 회로(40)의 동작을 제어할 수 있다. 메모리 셀 어레이(20)에 저장된 데이터를 읽어오는 경우, 제어 회로(50)는 읽어오고자 하는 데이터가 저장된 워드 라인(WL)에 읽기 동작을 위한 전압을 공급하도록 구동 회로(30)의 동작을 제어할 수 있다. 읽기 동작을 위한 전압이 특정 워드 라인(WL)에 공급되면, 제어 회로(50)는 읽기/쓰기 회로(40)가 읽기 동작을 위한 전압이 공급된 워드 라인(WL)과 연결된 메모리 셀에 저장된 데이터를 읽어오도록 제어할 수 있다.The control circuit 50 may control the operation of the driving circuit 30 and the read/write circuit 40 in response to the control signal CTRL transmitted from the outside. When data stored in the memory cell array 20 is read, the control circuit 50 controls the operation of the driving circuit 30 to supply a voltage for a read operation to the word line WL in which data to be read is stored. can do. When the voltage for the read operation is supplied to the specific word line WL, the control circuit 50 controls the read/write circuit 40 to store data stored in the memory cell connected to the word line WL to which the voltage for the read operation is supplied. can be controlled to read.

한편, 메모리 셀 어레이(20)에 데이터를 쓰는 경우, 제어 회로(50)는 데이터를 쓰고자 하는 워드 라인(WL)에 쓰기 동작을 위한 전압을 공급하도록 구동 회로(30)의 동작을 제어할 수 있다. 쓰기 동작을 위한 전압이 특정 워드 라인(WL)에 공급되면, 제어 회로(50)는 쓰기 동작을 위한 전압이 공급된 워드 라인(WL)에 연결된 메모리 셀에 데이터를 기록하도록 읽기/쓰기 회로(40)를 제어할 수 있다.
Meanwhile, when data is written to the memory cell array 20 , the control circuit 50 may control the operation of the driving circuit 30 to supply a voltage for a write operation to the word line WL to which data is to be written. have. When the voltage for the write operation is supplied to the specific word line WL, the control circuit 50 writes data to the memory cell connected to the word line WL to which the voltage for the write operation is supplied, the read/write circuit 40 writes data. ) can be controlled.

도 2는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 메모리 셀 어레이의 등가회로도이다.2 is an equivalent circuit diagram of a memory cell array of a semiconductor device according to example embodiments.

도 2는 수직 구조의 반도체 장치(100A)에 포함되는 메모리 셀 어레이의 3차원 구조를 나타낸 등가회로도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 메모리 셀 어레이는, 서로 직렬로 연결되는 n 개의 메모리 셀 소자(MC1~MCn), 메모리 셀 소자(MC1~MCn)의 양단에 직렬로 연결되는 접지 선택 트랜지스터(GST) 및 스트링 선택 트랜지스터(SST)를 포함하는 복수의 메모리 셀 스트링들(S)을 포함할 수 있다.2 is an equivalent circuit diagram illustrating a three-dimensional structure of a memory cell array included in the semiconductor device 100A having a vertical structure. Referring to FIG. 2 , in the memory cell array according to the present embodiment, n memory cell elements MC1 to MCn connected in series with each other, and ground selection transistors connected in series to both ends of the memory cell elements MC1 to MCn A plurality of memory cell strings S including a GST and a string select transistor SST may be included.

서로 직렬로 연결되는 n 개의 메모리 셀 소자(MC1~MCn)는 메모리 셀 소자(MC1~MCn) 중 적어도 일부를 선택하기 위한 워드 라인(WL1~WLn)에 각각 연결될 수 있다.The n memory cell elements MC1 to MCn connected in series may be respectively connected to the word lines WL1 to WLn for selecting at least some of the memory cell elements MC1 to MCn.

접지 선택 트랜지스터(GST)의 게이트 단자는 접지 선택 라인(GSL)과 연결되고, 소스 단자는 공통 소스 라인(CSL)에 연결될 수 있다. 한편, 스트링 선택 트랜지스터(SST)의 게이트 단자는 스트링 선택 라인(SSL)에 연결되고, 소스 단자는 메모리 셀 소자(MCn)의 드레인 단자에 연결될 수 있다. 도 2에서는 서로 직렬로 연결되는 n 개의 메모리 셀 소자(MC1~MCn)에 접지 선택 트랜지스터(GST)와 스트링 선택 트랜지스터(SST)가 하나씩 연결되는 구조를 도시하였으나, 이와 달리 복수의 접지 선택 트랜지스터들(GST) 또는 복수의 스트링 선택 트랜지스터들(SST)이 연결될 수도 있다.The gate terminal of the ground select transistor GST may be connected to the ground select line GSL, and the source terminal may be connected to the common source line CSL. Meanwhile, a gate terminal of the string select transistor SST may be connected to the string select line SSL, and a source terminal may be connected to a drain terminal of the memory cell device MCn. 2 illustrates a structure in which the ground select transistor GST and the string select transistor SST are connected one by one to the n memory cell elements MC1 to MCn connected in series, but unlike the plurality of ground select transistors ( GST) or a plurality of string select transistors SST may be connected.

스트링 선택 트랜지스터(SST)의 드레인 단자는 비트 라인(BL1~BLm)에 연결될 수 있다. 스트링 선택 트랜지스터(SST)의 게이트 단자에 스트링 선택 라인(SSL)을 통해 신호가 인가되면, 비트 라인(BL1~BLm)을 통해 인가되는 신호가 서로 직렬로 연결된 n 개의 메모리 셀 소자(MC1~MCn)에 전달됨으로써 데이터 읽기 또는 쓰기 동작이 실행될 수 있다. 또한, 소스 단자가 공통 소스 라인(CSL)에 연결된 게이트 선택 트랜지스터(GST)의 게이트 단자에 게이트 선택 라인(GSL)을 통해 신호를 인가함으로써, n 개의 메모리 셀 소자(MC1~MCn)에 저장된 전하를 모두 제거하는 소거(erase) 동작이 실행될 수 있다.
A drain terminal of the string select transistor SST may be connected to the bit lines BL1 to BLm. When a signal is applied to the gate terminal of the string select transistor SST through the string select line SSL, the signal applied through the bit lines BL1 to BLm is connected in series to the n memory cell devices MC1 to MCn. By being transferred to , a data read or write operation can be executed. In addition, by applying a signal through the gate selection line GSL to the gate terminal of the gate selection transistor GST whose source terminal is connected to the common source line CSL, the charges stored in the n memory cell elements MC1 to MCn are removed. An erase operation that removes all may be performed.

도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 메모리 셀 스트링들의 구조를 나타내는 개략적인 사시도이다.3 is a schematic perspective view illustrating a structure of memory cell strings of a semiconductor device according to example embodiments.

도 3을 참조하면, 반도체 장치(100)는, 기판(101), 기판(101) 상면에 수직한 방향으로 연장되며 채널 영역(140)이 내부에 배치되는 채널홀들(CH) 및 채널홀들(CH)의 외측벽을 따라 적층된 복수의 층간 절연층들(120) 및 복수의 게이트 전극들(130)을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 장치(100)는 채널 영역(140)과 게이트 전극들(130)의 사이에 배치되는 게이트 유전층(150), 채널 영역들(140)의 하부에 배치되는 에피택셜층들(107), 채널홀들(CH)의 상단의 채널 패드들(160), 게이트 전극들(130) 사이의 기판(101) 내의 불순물 영역(105), 및 불순물 영역(105) 상의 도전층(170)을 더 포함할 수 있다. 도 3에서는 상부의 배선 구조, 예를 들어 비트 라인(BL1~BLm)(도 2 참조)과 같은 일부 구성 요소들은 생략하고 도시되었다.Referring to FIG. 3 , the semiconductor device 100 includes a substrate 101 , channel holes CH extending in a direction perpendicular to a top surface of the substrate 101 , and channel holes CH having a channel region 140 disposed therein. It may include a plurality of interlayer insulating layers 120 and a plurality of gate electrodes 130 stacked along the outer wall of (CH). In addition, the semiconductor device 100 includes a gate dielectric layer 150 disposed between the channel region 140 and the gate electrodes 130 , epitaxial layers 107 disposed below the channel regions 140 , It further includes channel pads 160 on top of the channel holes CH, an impurity region 105 in the substrate 101 between the gate electrodes 130 , and a conductive layer 170 on the impurity region 105 . can do. In FIG. 3 , some components such as the upper wiring structure, for example, the bit lines BL1 to BLm (refer to FIG. 2 ) are omitted and illustrated.

반도체 장치(100)에서, 각각의 채널 영역(140)을 중심으로 하나의 메모리 셀 스트링이 구성될 수 있으며, 복수의 메모리 셀 스트링이 x 방향과 y 방향으로 열과 행을 이루며 배열될 수 있다.
In the semiconductor device 100 , one memory cell string may be configured around each channel region 140 , and a plurality of memory cell strings may be arranged in columns and rows in the x-direction and the y-direction.

기판(101)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 기판(101)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅳ족 반도체는 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(101)은 벌크 웨이퍼 또는 에피택셜층으로 제공될 수도 있다.
The substrate 101 may have an upper surface extending in the x-direction and the y-direction. The substrate 101 may include a semiconductor material, for example, a group IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, or a group II-VI oxide semiconductor. For example, the group IV semiconductor may include silicon, germanium, or silicon-germanium. The substrate 101 may be provided as a bulk wafer or as an epitaxial layer.

채널홀들(CH)은 기판(101) 상에 행과 열을 이루면서 서로 이격되어 배치되고, y 방향에서 서로 쉬프트되도록 배치될 수 있다. 즉, 채널홀들(CH)은 격자 무늬를 형성하도록 배치되거나 일 방향에서 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 채널홀들(CH)은 종횡비에 따라 기판(101)에 가까울수록 좁아지는 경사진 측면을 가질 수 있다. 다만, 채널홀들(CH)의 배치는 실시예에 따라 다양할 수 있으며, 도시된 형태에 한정되지 않는다. The channel holes CH may be disposed to be spaced apart from each other while forming rows and columns on the substrate 101 and may be disposed to be shifted from each other in the y-direction. That is, the channel holes CH may be disposed to form a grid pattern or may be disposed in a zigzag shape in one direction. The channel holes CH may have inclined sides that become narrower as they get closer to the substrate 101 according to the aspect ratio. However, the arrangement of the channel holes CH may vary according to embodiments, and is not limited to the illustrated form.

기둥 형상의 채널 영역(140)이 기판(101)의 상면에 수직한 방향으로 연장되는 채널홀(CH) 내에 배치될 수 있다. 채널홀(CH) 내에서 채널 영역(140)은 내부의 채널 절연층(162)을 둘러싸는 환형(annular)으로 형성될 수 있으나, 실시예에 따라 채널 절연층(162)이 없는 원기둥 또는 각기둥과 같은 기둥 형상을 가질 수도 있다. 채널 영역(140) 중 일부는 더미 채널 영역일 수 있다. 채널 영역(140)은 하단에서 에피택셜층(107)을 통해 기판(101)과 연결될 수 있다. 채널 영역(140)은 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 상기 반도체 물질은 도핑되지 않은 물질이거나, p형 또는 n형 불순물을 포함하는 물질일 수 있다.
The columnar channel region 140 may be disposed in the channel hole CH extending in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate 101 . In the channel hole CH, the channel region 140 may be formed in an annular shape surrounding the channel insulating layer 162 therein. However, according to an embodiment, the channel region 140 may be formed with a cylinder or a prism without the channel insulating layer 162 . It may have the same column shape. A part of the channel region 140 may be a dummy channel region. The channel region 140 may be connected to the substrate 101 through the epitaxial layer 107 at the bottom. The channel region 140 may include a semiconductor material such as polycrystalline silicon or single crystal silicon, and the semiconductor material may be an undoped material or a material containing p-type or n-type impurities.

복수의 게이트 전극(131-138: 130)이 채널홀들(CH) 각각의 측면을 따라 기판(101)으로부터 수직한 방향에서 이격되어 배치될 수 있다. 도 2를 함께 참조하면, 게이트 전극들(130) 각각은 접지 선택 트랜지스터(GST), 복수의 메모리 셀(MC1~MCn) 및 스트링 선택 트랜지스터(SST)의 게이트를 이룰 수 있다. 게이트 전극(130)은 워드 라인들(WL1~ WLn)을 이루며 연장될 수 있고, x 방향 및 y 방향으로 배열된 소정 단위의 인접한 메모리 셀 스트링들에서 공통으로 연결될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 메모리 셀들(MC1~MCn)의 게이트 전극들(132-136)은 5개가 배열될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 반도체 장치(100)의 용량에 따라서 메모리 셀들(MC1~MCn)을 이루는 게이트 전극들(130)의 개수가 결정될 수 있다. 예컨대, 메모리 셀들(MC1~MCn)을 이루는 게이트 전극들(130)의 개수는 2n개(n은 자연수)일 수 있다. A plurality of gate electrodes 131-138: 130 may be disposed to be spaced apart from the substrate 101 in a vertical direction along side surfaces of each of the channel holes CH. Referring to FIG. 2 together, each of the gate electrodes 130 may form a gate of the ground select transistor GST, the plurality of memory cells MC1 to MCn, and the string select transistor SST. The gate electrode 130 may extend to form the word lines WL1 to WLn, and may be commonly connected to adjacent memory cell strings of predetermined units arranged in the x-direction and the y-direction. In example embodiments, five gate electrodes 132 to 136 of the memory cells MC1 to MCn may be arranged, but not limited thereto, and the memory cells MC1 to MCn may be arranged according to the capacity of the semiconductor device 100 . The number of gate electrodes 130 constituting the MCn) may be determined. For example, the number of gate electrodes 130 constituting the memory cells MC1 to MCn may be 2 n (n is a natural number).

접지 선택 트랜지스터(GST)의 게이트 전극(131)은 y 방향으로 연장되어 접지 선택 라인(GSL)을 형성할 수 있다. 접지 선택 트랜지스터(GST)의 기능을 위하여, 게이트 전극(131) 하부의 기판(101) 내에도 소정의 불순물이 도핑될 수 있다.The gate electrode 131 of the ground select transistor GST may extend in the y-direction to form the ground select line GSL. For the function of the ground select transistor GST, a predetermined impurity may also be doped into the substrate 101 under the gate electrode 131 .

스트링 선택 트랜지스터(SST)의 게이트 전극들(137, 138)은 y 방향으로 연장되어 스트링 선택 라인(SSL)을 형성할 수 있다. x 방향으로 일직선 상에 배치되는 스트링 선택 트랜지스터(SST)의 게이트 전극들(137, 138)은 별도의 배선 구조에 의해, 인접한 메모리 셀 스트링들이 서로 다른 비트 라인(BL1~BLm)(도 2 참조)에 각각 연결될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 스트링 선택 트랜지스터(SST)의 게이트 전극들(137, 138)은 x 방향으로 인접한 메모리 셀 스트링들 사이에서 서로 분리되어 서로 다른 스트링 선택 라인(SSL)을 이루도록 형성될 수도 있다. 실시예에 따라, 스트링 선택 트랜지스터(SST)의 게이트 전극들(137, 138) 및 접지 선택 트랜지스터(GST)의 게이트 전극(131)은 각각 1개 또는 2개 이상일 수 있으며, 메모리 셀들(MC1~MCn)의 게이트 전극들(132-136)과 동일하거나 상이한 구조를 가질 수도 있다. The gate electrodes 137 and 138 of the string select transistor SST may extend in the y-direction to form the string select line SSL. The gate electrodes 137 and 138 of the string selection transistor SST disposed on a straight line in the x-direction have a separate wiring structure, so that adjacent memory cell strings have different bit lines BL1 to BLm (refer to FIG. 2 ). can be connected to each. In example embodiments, the gate electrodes 137 and 138 of the string select transistor SST may be formed to be separated from each other between adjacent memory cell strings in the x-direction to form different string select lines SSL. . According to an embodiment, each of the gate electrodes 137 and 138 of the string select transistor SST and the gate electrode 131 of the ground select transistor GST may be one or two or more, and the memory cells MC1 to MCn ) may have the same or different structures as the gate electrodes 132 to 136 .

또한, 일부 게이트 전극들(130), 예를 들어, 접지 선택 트랜지스터(GST)의 게이트 전극(131) 또는 스트링 선택 트랜지스터(SST)의 게이트 전극들(137, 138)에 인접한 게이트 전극들(130)은 더미 게이트 전극일 수 있다. 예를 들어, 접지 선택 트랜지스터(GST)의 게이트 전극(131)과 인접한 게이트 전극(132)은 더미 게이트 전극일 수 있다.In addition, some gate electrodes 130 , for example, gate electrodes 130 adjacent to the gate electrode 131 of the ground select transistor GST or the gate electrodes 137 and 138 of the string select transistor SST. may be a dummy gate electrode. For example, the gate electrode 132 adjacent to the gate electrode 131 of the ground select transistor GST may be a dummy gate electrode.

게이트 전극들(130)은 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속 실리사이드 물질은, 예컨대, Co, Ni, Hf, Pt, W 및 Ti 중에서 선택되는 금속의 실리사이드 물질 또는 이들의 조합일 수 있다. 실시예에 따라, 게이트 전극들(130)은 금속 물질, 예컨대 텅스텐(W)을 포함할 수도 있다. 또한, 별도로 도시되지는 않았지만, 게이트 전극들(130)은 확산 방지막(diffusion barrier)을 더 포함할 수 있으며, 예컨대, 상기 확산 방지막은 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
The gate electrodes 130 may include polycrystalline silicon or a metal silicide material. The metal silicide material may be, for example, a silicide material of a metal selected from Co, Ni, Hf, Pt, W, and Ti, or a combination thereof. In some embodiments, the gate electrodes 130 may include a metal material, for example, tungsten (W). Also, although not shown separately, the gate electrodes 130 may further include a diffusion barrier, for example, the diffusion barrier may include tungsten nitride (WN), tantalum nitride (TaN), or titanium nitride (TiN). ) or a combination thereof.

복수의 층간 절연층들(121-128: 120)이 게이트 전극들(130)의 사이에 배열될 수 있다. 층간 절연층들(120)도 게이트 전극들(130)과 마찬가지로 z 방향으로 서로 이격되고 y 방향으로 연장되도록 배열될 수 있다. 층간 절연층들(120)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다.A plurality of interlayer insulating layers 121-128 (120) may be arranged between the gate electrodes 130 . Like the gate electrodes 130 , the interlayer insulating layers 120 may be spaced apart from each other in the z-direction and may be arranged to extend in the y-direction. The interlayer insulating layers 120 may include an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride.

제1 절연층(180)은 게이트 전극들(130)의 최상부에 배치될 수 있다. 제1 절연층(180)은 층간 절연층들(120)과 같이 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다.
The first insulating layer 180 may be disposed on top of the gate electrodes 130 . The first insulating layer 180 may include an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride, like the interlayer insulating layers 120 .

채널 패드들(160)은, 메모리 셀 스트링들의 상단에서, 채널 절연층들(162)의 상면을 덮고 채널 영역들(140)과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 채널 패드들(160)은 스트링 선택 트랜지스터(SST)(도 2 참조)의 드레인 영역으로 작용할 수 있다. 채널 패드들(160)은 콘택 플러그와 같은 연결 구조물에 의해 비트 라인들(BL1~BLm)(도 2 참조)과 전기적으로 연결될 수 있다.The channel pads 160 may be disposed on top of the memory cell strings to cover a top surface of the channel insulating layers 162 and to be electrically connected to the channel regions 140 . The channel pads 160 may serve as drain regions of the string select transistor SST (refer to FIG. 2 ). The channel pads 160 may be electrically connected to the bit lines BL1 to BLm (refer to FIG. 2 ) by a connection structure such as a contact plug.

채널 패드들(160)은 서로 다른 방향으로 굴곡을 갖는 상면(160U) 및 하면(160L)을 가질 수 있다. 채널 패드들(160)은 볼록한 상면(160U)을 가질 수 있다. 특히, 채널 패드(160)의 상면(160U)은 기판(101)으로부터 멀어지는 방향인 상부를 향하여 볼록한 형상을 가질 수 있다. 채널 패드(160)의 상면(160U)은 제1 절연층(180)으로부터 적어도 일부가 돌출될 수 있다. 이러한 형상에 의해, 채널 패드(160)는 상부의 배선 구조와 안정적으로 연결될 수 있다.The channel pads 160 may have an upper surface 160U and a lower surface 160L that are curved in different directions. The channel pads 160 may have a convex top surface 160U. In particular, the upper surface 160U of the channel pad 160 may have a convex shape toward an upper portion in a direction away from the substrate 101 . At least a portion of the upper surface 160U of the channel pad 160 may protrude from the first insulating layer 180 . With this shape, the channel pad 160 may be stably connected to the upper wiring structure.

이와 달리, 채널 패드들(160)의 하면(160L)은 기판(101)을 향하여 볼록할 수 있다. 따라서, 채널 패드들(160)은 중심부에서의 최대 높이인 제1 높이(H1)를 가지며, 가장자리로 갈수록 두께가 얇아질 수 있다. 제1 높이(H1)는 약 600 Å 내지 1200 Å의 범위일 수 있다. 채널 패드들(160)은 중심부에서 제2 높이(H2)만큼 제1 절연층(180)으로부터 돌출될 수 있다. 제2 높이(H2)는 수 Å 내지 수십 Å일 수 있다. 채널 패드들(160)은 최상부의 게이트 전극(138)으로부터 제3 높이(H3)만큼 이격되어 위치할 수 있다. 제3 높이(H3)는 약 600 Å 내지 1200 Å의 범위일 수 있으며, 제1 높이(H1)보다 클 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. Alternatively, the lower surfaces 160L of the channel pads 160 may be convex toward the substrate 101 . Accordingly, the channel pads 160 may have a first height H1 , which is the maximum height at the center, and may decrease in thickness toward the edge. The first height H1 may be in a range of about 600 Å to 1200 Å. The channel pads 160 may protrude from the first insulating layer 180 by a second height H2 from the center. The second height H2 may be several Å to several tens of Å. The channel pads 160 may be spaced apart from the uppermost gate electrode 138 by a third height H3 . The third height H3 may be in a range of about 600 Å to 1200 Å, and may be greater than the first height H1, but is not limited thereto.

채널 패드들(160)의 측면은 채널 영역(140)과 접촉될 수 있다. 본 실시예에서, 채널 패드들(160)의 측면을 채널 영역(140) 및 게이트 유전층(150)이 둘러싸는 것으로 도시하였으나, 실시예들은 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 채널 패드들(160)의 측면에는 채널 영역(140)만 배치되거나, 채널 영역(140)과 게이트 유전층(150)이 모두 배치되지 않을 수 있다. 이 경우, 채널 패드(160)는 채널홀(CH)의 측벽으로 연장되며 제1 절연층(180)과 접촉될 수도 있다.Sides of the channel pads 160 may be in contact with the channel region 140 . In the present embodiment, it is illustrated that the side surfaces of the channel pads 160 are surrounded by the channel region 140 and the gate dielectric layer 150, but embodiments are not limited thereto. For example, in some embodiments, only the channel region 140 may be disposed on the side surfaces of the channel pads 160 , or neither the channel region 140 nor the gate dielectric layer 150 may be disposed. In this case, the channel pad 160 may extend to the sidewall of the channel hole CH and contact the first insulating layer 180 .

채널 패드들(160)은 예컨대, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 채널 패드들(160)은 p형 또는 n형 불순물을 포함할 수 있다.
The channel pads 160 may include, for example, doped polycrystalline silicon. The channel pads 160 may include p-type or n-type impurities.

게이트 유전층(150)은 채널홀(CH) 내에서 게이트 전극들(130)과 채널 영역(140)의 사이에 배치될 수 있다. 게이트 유전층(150)은 채널 영역(140)을 따라 기판(101) 상으로 수직하게 연장될 수 있다. 게이트 유전층(150)은 채널 영역(140)으로부터 순차적으로 적층된 터널링층, 전하 저장층 및 블록킹층을 포함할 수 있다. 이에 대해서는, 하기에 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
The gate dielectric layer 150 may be disposed between the gate electrodes 130 and the channel region 140 in the channel hole CH. The gate dielectric layer 150 may extend vertically on the substrate 101 along the channel region 140 . The gate dielectric layer 150 may include a tunneling layer, a charge storage layer, and a blocking layer sequentially stacked from the channel region 140 . This will be described in more detail with reference to FIGS. 4A to 4C below.

에피택셜층(107)은 채널홀들(CH)의 하단에서 기판(101) 상에 배치되며, 적어도 하나의 게이트 전극(130)의 측면에 배치될 수 있다. 에피택셜층(107)은 기판(101)의 리세스된 영역에 배치될 수 있다. 에피택셜층(107)의 상부면의 높이는 최하부의 게이트 전극(131)의 상부면보다 높을 수 있으며, 그 상부의 게이트 전극(132)의 하부면보다 낮을 수 있다. 에피택셜층(107)에 의해 채널 영역(140)의 종횡비가 증가하여도 채널 영역(140)이 기판(101)과 안정적으로 전기적으로 연결될 수 있으며, 메모리 셀 스트링들 사이의 접지 선택 트랜지스터(GST)의 특성이 균일해질 수 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 에피택셜층(107)은 생략될 수도 있으며, 이 경우, 채널 영역(140)은 기판(101)과 직접 연결될 수 있다.The epitaxial layer 107 is disposed on the substrate 101 at lower ends of the channel holes CH, and may be disposed on a side surface of the at least one gate electrode 130 . The epitaxial layer 107 may be disposed in the recessed region of the substrate 101 . The height of the upper surface of the epitaxial layer 107 may be higher than the upper surface of the lowermost gate electrode 131 , and may be lower than the lower surface of the upper gate electrode 132 . Even when the aspect ratio of the channel region 140 is increased due to the epitaxial layer 107 , the channel region 140 may be stably electrically connected to the substrate 101 , and a ground select transistor (GST) between the memory cell strings may be used. characteristics can be uniform. However, in exemplary embodiments, the epitaxial layer 107 may be omitted, and in this case, the channel region 140 may be directly connected to the substrate 101 .

에피택셜층(107)은 선택적 에피택시 공정(Selective Epitaxial Growth, SEG)을 이용하여 형성된 층일 수 있다. 에피택셜층(107)은 단일층 또는 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 에피택셜층(107)은 불순물이 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 다결정 실리콘, 단결정 실리콘, 다결정 게르마늄 혹은 단결정 게르마늄을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(101)이 단결정 실리콘(Si)인 경우, 에피택셜층(107)도 단결정 실리콘일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 기판(101)이 단결정 실리콘(Si)인 경우라도 에피택셜층(107)의 적어도 일부는 복수의 결정립들(grain)을 포함하는 다결정 실리콘 구조를 가질 수도 있다.
The epitaxial layer 107 may be a layer formed using a selective epitaxial growth (SEG) process. The epitaxial layer 107 may be formed of a single layer or a plurality of layers. The epitaxial layer 107 may include polycrystalline silicon, single crystal silicon, polycrystalline germanium, or single crystal germanium doped or undoped with impurities. For example, when the substrate 101 is made of single crystal silicon (Si), the epitaxial layer 107 may also be made of single crystal silicon. In example embodiments, even when the substrate 101 is single crystal silicon (Si), at least a portion of the epitaxial layer 107 may have a polycrystalline silicon structure including a plurality of grains.

도전층(170)은 채널 영역들(140)의 사이에서 게이트 전극들(130) 및 층간 절연층들(120)을 관통하여 기판(101)과 연결될 수 있으며, 매립 절연층(164)에 의해 게이트 전극들(130)과 전기적으로 절연될 수 있다. 따라서, 게이트 전극들(130)은 도전층(170)을 사이에 두고 x 방향에서 서로 분리될 수 있다. 도전층(170)은 y 방향으로 연장되는 라인 형상으로 배치될 수 있다. 도전층(170)은, x 방향으로 소정 간격으로, 예를 들어, 채널 영역(140) 2열 내지 4열마다 하나씩 배열될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 도전층(170)은 높은 종횡비로 인하여, 기판(101)을 향하면서 폭이 감소되는 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
The conductive layer 170 may be connected to the substrate 101 through the gate electrodes 130 and the interlayer insulating layers 120 between the channel regions 140 , and a gated by the buried insulating layer 164 . It may be electrically insulated from the electrodes 130 . Accordingly, the gate electrodes 130 may be separated from each other in the x-direction with the conductive layer 170 interposed therebetween. The conductive layer 170 may be disposed in a line shape extending in the y-direction. The conductive layers 170 may be arranged at predetermined intervals in the x-direction, for example, one for every second to fourth column of the channel region 140 , but is not limited thereto. Due to the high aspect ratio, the conductive layer 170 may have a shape in which the width decreases toward the substrate 101 , but is not limited thereto.

불순물 영역(105)은 도전층(170)의 하부에서 기판(101) 내에 배치될 수 있다. 불순물 영역(105)은 기판(101)의 상면에 인접하여 y 방향으로 연장될 수 있다. 불순물 영역(105)은 기판(101)과 동일하거나 반대되는 도전형의 불순물을 포함할 수 있으며, 동일한 도전형의 불순물을 포함하는 경우, 기판(101)보다 높은 농도로 포함할 수 있다. 도전층(170)은 불순물 영역(105)을 통해 기판(101)에 전압을 인가할 수 있다.
The impurity region 105 may be disposed in the substrate 101 under the conductive layer 170 . The impurity region 105 may extend in the y-direction adjacent to the top surface of the substrate 101 . The impurity region 105 may include an impurity of the same conductivity type as that of the substrate 101 , and when it contains an impurity of the same conductivity type, it may contain a higher concentration than that of the substrate 101 . The conductive layer 170 may apply a voltage to the substrate 101 through the impurity region 105 .

도 4a 내지 도 4c는 예시적인 실시예들에 따른 게이트 유전층을 설명하기 위한 단면도들로서 도 3의 'A' 영역에 대응되는 영역이 도시된다.4A to 4C are cross-sectional views illustrating a gate dielectric layer according to example embodiments, and a region corresponding to region 'A' of FIG. 3 is shown.

도 4a를 참조하면, 메모리 셀 스트링들의 게이트 전극(132), 게이트 유전층(150) 및 채널 영역(140)이 도시된다. 게이트 유전층(150)은 채널 영역(140)으로부터 순차적으로 적층된 터널링층(152), 전하 저장층(154) 및 블록킹층(156)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4A , the gate electrode 132 , the gate dielectric layer 150 and the channel region 140 of the memory cell strings are shown. The gate dielectric layer 150 may include a tunneling layer 152 , a charge storage layer 154 , and a blocking layer 156 sequentially stacked from the channel region 140 .

터널링층(152)은 F-N 터널링 방식으로 전하를 전하 저장층(154)으로 터널링시킬 수 있다. 터널링층(152)은 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The tunneling layer 152 may tunnel charges into the charge storage layer 154 in an FN tunneling method. The tunneling layer 152 may include, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), or a combination thereof.

전하 저장층(154)은 전하 트랩층 또는 플로팅 게이트 도전층일 수 있다. 예컨대, 전하 저장층(154)은 유전 물질, 양자 도트(quantum dots) 또는 나노 크리스탈(nanocrystals)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 양자 도트 또는 나노 크리스탈은 도전체, 예를 들면 금속 또는 반도체의 미세 입자들로 구성될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 전하 저장층(154)이 전하 트랩층인 경우, 전하 저장층(154)은 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다. The charge storage layer 154 may be a charge trap layer or a floating gate conductive layer. For example, the charge storage layer 154 may include a dielectric material, quantum dots, or nanocrystals. Here, the quantum dots or nanocrystals may be composed of fine particles of a conductor, for example, a metal or a semiconductor. In example embodiments, when the charge storage layer 154 is a charge trap layer, the charge storage layer 154 may be formed of silicon nitride.

블록킹층(156)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 고유전율(high-k) 유전 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 고유전율 유전 물질은, 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy), 란탄 산화물(La2O3), 란탄 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 란탄 하프늄 산화물(LaHfxOy), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlxOy), 및 프라세오디뮴 산화물(Pr2O3) 중 어느 하나일 수 있다.
The blocking layer 156 may include silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), a high-k dielectric material, or a combination thereof. The high-k dielectric material is, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), zirconium silicon oxide (ZrSi x O y ), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium silicon oxide (HfSi x O y ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), lanthanum aluminum oxide (LaAl x O y ), lanthanum hafnium oxide (LaHf x O y ), hafnium aluminum oxide (HfAl x O y ), and praseodymium oxide (Pr 2 O 3 ) may be any one.

도 4b를 참조하면, 메모리 셀 스트링들의 게이트 전극(132), 게이트 유전층(150a) 및 채널 영역(140)이 도시된다. 게이트 유전층(150a)은 채널 영역(140)으로부터 순차적으로 터널링층(152), 전하 저장층(154) 및 블록킹층(156a)이 적층된 구조를 가질 수 있다. 게이트 유전층(150a)을 이루는 상기 층들의 상대적인 두께는 도면에 도시된 것에 한정되지 않으며 다양하게 변화될 수 있다.Referring to FIG. 4B , the gate electrode 132 , the gate dielectric layer 150a and the channel region 140 of the memory cell strings are shown. The gate dielectric layer 150a may have a structure in which a tunneling layer 152 , a charge storage layer 154 , and a blocking layer 156a are sequentially stacked from the channel region 140 . The relative thicknesses of the layers constituting the gate dielectric layer 150a are not limited to those shown in the drawings and may be variously changed.

특히, 본 실시예의 게이트 유전층(150a)은 도 4a의 실시예에서와 달리, 터널링층(152) 및 전하 저장층(154)은 채널 영역(140)을 따라 수직하게 연장되도록 배치되지만, 블록킹층(156a)은 게이트 전극층(132)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
In particular, in the gate dielectric layer 150a of this embodiment, unlike the embodiment of FIG. 4A , the tunneling layer 152 and the charge storage layer 154 are arranged to extend vertically along the channel region 140, but the blocking layer ( 156a may be disposed to surround the gate electrode layer 132 .

도 4c를 참조하면, 메모리 셀 스트링들의 게이트 전극(132), 게이트 유전층(150b) 및 채널 영역(140)이 도시된다. 게이트 유전층(150b)은 채널 영역(140)으로부터 순차적으로 터널링층(152b), 전하 저장층(154b) 및 블록킹층(156b)이 적층된 구조를 가질 수 있다. Referring to FIG. 4C , the gate electrode 132 , the gate dielectric layer 150b and the channel region 140 of the memory cell strings are shown. The gate dielectric layer 150b may have a structure in which a tunneling layer 152b, a charge storage layer 154b, and a blocking layer 156b are sequentially stacked from the channel region 140 .

특히, 본 실시예의 게이트 유전층(150b)은 도 4a 및 도 4b의 실시예들에서와 달리, 터널링층(152b), 전하 저장층(154b) 및 블록킹층(156b)이 모두 게이트 전극층(132)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 블록킹층(156b)의 일부는 채널 영역(140)을 따라 수직하게 연장되도록 배치되고, 일부는 게이트 전극층(132)을 둘러싸도록 배치될 수도 있다.
In particular, in the gate dielectric layer 150b of this embodiment, unlike the embodiments of FIGS. 4A and 4B , the tunneling layer 152b, the charge storage layer 154b and the blocking layer 156b all form the gate electrode layer 132 . It may be arranged to surround. In some embodiments, a portion of the blocking layer 156b may be disposed to extend vertically along the channel region 140 , and a portion may be disposed to surround the gate electrode layer 132 .

도 5a 내지 도 5c는 예시적인 실시예들에 따른 채널 패드들을 설명하기 위한 단면도들로서 도 3의 'B' 영역에 대응되는 영역이 도시된다.5A to 5C are cross-sectional views illustrating channel pads according to example embodiments, and a region corresponding to region 'B' of FIG. 3 is shown.

도 5a를 참조하면, 채널홀(CH) 내의 채널 영역(140), 게이트 유전층(150) 및 채널 패드(160a)가 도시된다. 채널 패드(160a)는 상부로 볼록한 상면(160aU)을 가질 수 있다. Referring to FIG. 5A , the channel region 140 in the channel hole CH, the gate dielectric layer 150 and the channel pad 160a are shown. The channel pad 160a may have a convex upper surface 160aU.

특히, 본 실시예의 채널 패드(160a)는 도 3의 실시예에서와 달리, 편평한 하면(160aL)을 가질 수 있다. 이와 같은 채널 패드(160a)의 하면(160aL)의 형상은 제조 방법에 따라 변경될 수 있다.
In particular, the channel pad 160a of this embodiment may have a flat lower surface 160aL, unlike the embodiment of FIG. 3 . The shape of the lower surface 160aL of the channel pad 160a may be changed according to a manufacturing method.

도 5b를 참조하면, 채널홀(CH) 내의 채널 영역(140), 게이트 유전층(150) 및 채널 패드(160b)가 도시된다. 채널 패드(160b)는 상부로 볼록한 상면(160bU) 및 하부로 볼록한 하면(160bL)을 가질 수 있다.Referring to FIG. 5B , the channel region 140 in the channel hole CH, the gate dielectric layer 150 and the channel pad 160b are shown. The channel pad 160b may have an upper convex upper surface 160bU and a lower convex lower surface 160bL.

특히, 본 실시예의 채널 패드(160b)는 도 3의 실시예에서와 달리, 채널홀(CH) 전체가 제1 절연층(180)으로부터 상부로 돌출될 수 있다. 즉, 채널 패드(160b)의 측면을 둘러싸는 채널 영역(140) 및 게이트 유전층(150)이 채널 패드(160b)와 함께 제1 절연층(180)으로부터 돌출될 수 있다. 게이트 유전층(150)은 제1 절연층(180)으로부터 제4 높이(H4)로 돌출될 수 있으며, 제4 높이(H4)는 예를 들어, 수 Å 내지 수십 Å의 범위일 수 있다.
In particular, in the channel pad 160b of this embodiment, unlike the embodiment of FIG. 3 , the entire channel hole CH may protrude upward from the first insulating layer 180 . That is, the channel region 140 and the gate dielectric layer 150 surrounding the side surface of the channel pad 160b may protrude from the first insulating layer 180 together with the channel pad 160b. The gate dielectric layer 150 may protrude from the first insulating layer 180 to a fourth height H4 , and the fourth height H4 may range from, for example, several Å to several tens of Å.

도 5c는 채널홀(CH) 내의 채널 영역(140), 게이트 유전층(150) 및 채널 패드(160c)가 도시된다. 채널 패드(160c)는 상부로 볼록한 상면(160cU) 및 하부로 볼록한 하면(160cL)을 가질 수 있다.5C shows the channel region 140, the gate dielectric layer 150, and the channel pad 160c in the channel hole CH. The channel pad 160c may have an upper convex upper surface 160cU and a lower convex lower surface 160cL.

특히, 본 실시예의 채널 패드(160c)는 도 3의 실시예에서와 달리, 상면(160cU)의 폭(W1)보다 하면(160cL)의 폭(W2)이 작을 수 있다. 이는, 채널홀(CH)이 기판(101)을 향하는 하부로 갈수록 폭이 감소하는 형태를 가지기 때문일 수 있다. 채널홀(CH)이 높은 종횡비를 갖는 경우, 형성 공정에 따라 하부로 갈수록 폭이 감소하는 형태로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 채널홀(CH)의 상단을 채우는 채널 패드(160c)도 상면(160cU)과 하면(160cL)의 폭이 다르게 형성될 수 있다.
In particular, in the channel pad 160c of the present embodiment, unlike the embodiment of FIG. 3 , the width W2 of the lower surface 160cL may be smaller than the width W1 of the upper surface 160cU. This may be because the channel hole CH has a shape in which the width decreases toward the bottom toward the substrate 101 . When the channel hole CH has a high aspect ratio, it may be formed in a shape that decreases in width toward the bottom according to the forming process, and accordingly, the channel pad 160c filling the upper end of the channel hole CH is also formed on the upper surface ( 160cU) and the lower surface 160cL may have different widths.

도 6은 예시적인 실시예들에 따른 채널 패드들을 설명하기 위한 전자 현미경 사진이다.6 is an electron micrograph for explaining channel pads according to example embodiments.

도 6을 참조하면, 주사 전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)에 의해 분석된 채널 패드(160)가 나타난다. 채널홀(CH) 내에 측벽으로부터 게이트 유전층(150) 및 채널 영역(140)이 순차적으로 배치될 수 있다. 채널홀(CH)의 하부에는 채널 절연층(162)이 채널홀(CH)을 매립하고, 상단에는 채널 절연층(162) 상에 채널 패드(160)가 배치될 수 있다.Referring to FIG. 6 , the channel pad 160 analyzed by scanning electron microscopy (SEM) is shown. The gate dielectric layer 150 and the channel region 140 may be sequentially disposed in the channel hole CH from the sidewall. A channel insulating layer 162 may fill the channel hole CH at a lower portion of the channel hole CH, and a channel pad 160 may be disposed on the channel insulating layer 162 at an upper end thereof.

채널 패드(160)는 상부를 향하여 볼록한 상면(160U)을 가질 수 있으며, 볼록한 정도는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 채널 패드(160)는 하부를 향하여 볼록한 하면(160L)을 가질 수 있다. 채널 영역(140)과 채널 패드(160)는 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 도 6에 나타난 것과 같이 경계가 사진 상에서 구별되지 어려울 수 있다.The channel pad 160 may have an upper surface 160U that is convex toward the top, and the degree of convexity may be variously changed in some embodiments. In addition, the channel pad 160 may have a lower surface 160L convex toward the bottom. The channel region 140 and the channel pad 160 may be made of the same material, and in this case, as shown in FIG. 6 , it may be difficult to distinguish the boundary in a photograph.

또한, 본 실시예에서는, 도 4b의 실시예와 유사하게, 게이트 전극(138)과 채널홀(CH) 사이에 게이트 유전층(150)의 일부가 배치될 수 있다.
Also, in this embodiment, similar to the embodiment of FIG. 4B , a portion of the gate dielectric layer 150 may be disposed between the gate electrode 138 and the channel hole CH.

도 7a 내지 도 7j는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 주요 단계별 도면들이다. 도 7a 내지 도 7j에서는, 도 3의 반도체 장치(100)의 제조 방법이 설명된다.7A to 7J are main step-by-step views schematically illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments. 7A to 7J , a method of manufacturing the semiconductor device 100 of FIG. 3 is described.

도 7a를 참조하면, 기판(101) 상에 희생층들(111-117: 110) 및 층간 절연층들(121-128: 120)을 교대로 적층한 후, 제1 절연층(180)을 최상부에 형성할 수 있다. 후속 공정을 통해, 희생층들(110)은 게이트 전극(130)으로 교체될 수 있다.Referring to FIG. 7A , after sacrificial layers 111-117: 110 and interlayer insulating layers 121-128: 120 are alternately stacked on the substrate 101, the first insulating layer 180 is formed on the uppermost part. can be formed in Through a subsequent process, the sacrificial layers 110 may be replaced with the gate electrode 130 .

먼저, 층간 절연층(121)을 형성하고, 희생층들(110) 및 층간 절연층들(120)을 도시된 것과 같이 기판(101) 상에 서로 교대로 적층하여 적층 구조물을 형성할 수 있다. 희생층들(110)은 층간 절연층들(120)에 대해 식각 선택성을 가지고 식각될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 즉, 희생층들(110)은, 희생층들(110)을 식각하는 공정 중에 층간 절연층들(120)의 식각을 최소화하면서 식각될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 이러한 식각 선택성 또는 식각 선택비는 층간 절연층(120)의 식각 속도에 대한 희생층들(110)의 식각 속도의 비율을 통해 정량적으로 표현될 수 있다. 예를 들면, 층간 절연층(120)은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 한가지로 이루어질 수 있고, 희생층들(110)은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드 및 실리콘 질화물 중에서 선택되는 층간 절연층(120)과 다른 물질로 이루어질 수 있다.First, the interlayer insulating layer 121 may be formed, and the sacrificial layers 110 and the interlayer insulating layers 120 may be alternately stacked on the substrate 101 as shown to form a stacked structure. The sacrificial layers 110 may be formed of a material that can be etched with etch selectivity with respect to the interlayer insulating layers 120 . That is, the sacrificial layers 110 may be formed of a material that can be etched while minimizing the etching of the interlayer insulating layers 120 during the process of etching the sacrificial layers 110 . The etch selectivity or etch selectivity may be quantitatively expressed through a ratio of the etch rate of the sacrificial layers 110 to the etch rate of the interlayer insulating layer 120 . For example, the interlayer insulating layer 120 may be made of at least one of silicon oxide and silicon nitride, and the sacrificial layers 110 may include an interlayer insulating layer 120 selected from silicon, silicon oxide, silicon carbide, and silicon nitride. and other materials.

일부 실시예들에서, 층간 절연층들(120)의 두께는 모두 동일하지 않을 수 있다. 예를 들어, 최하부의 층간 절연층(121)은 상대적으로 얇게 형성될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 도 2의 접지 선택 트랜지스터(GST) 및 스트링 선택 트랜지스터(SST)와 메모리 셀들(MC1~MCn)의 사이에 배치되는 층간 절연층들(122, 126)은 메모리 셀들(MC1~MCn) 사이에 배치되는 층간 절연층들(123-125)보다 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. 층간 절연층들(120) 및 희생층들(110)의 두께는 도시된 것으로부터 다양하게 변형될 수 있으며, 층간 절연층들(120) 및 희생층들(110)을 구성하는 막들의 개수 역시 다양하게 변경될 수 있다. In some embodiments, the thicknesses of the interlayer insulating layers 120 may not all be the same. For example, the lowermost interlayer insulating layer 121 may be formed to be relatively thin. In addition, in some embodiments, the interlayer insulating layers 122 and 126 disposed between the ground select transistor GST and the string select transistor SST of FIG. 2 and the memory cells MC1 to MCn are the memory cells ( It may be formed to be relatively thicker than the interlayer insulating layers 123 to 125 disposed between MC1 to MCn. The thicknesses of the interlayer insulating layers 120 and the sacrificial layers 110 may be variously modified from those shown, and the number of layers constituting the interlayer insulating layers 120 and the sacrificial layers 110 may also vary. can be changed to

최상부에 형성되는 제1 절연층(180)은 후속에서 채널 패드(160)(도 3 참조)가 형성되는 영역을 포함할 수 있으며, 층간 절연층들(120)에 비하여 상대적으로 두꺼운 두께(T1)로 형성될 수 있다. 상기 두께(T1)는 채널 패드(160)의 두께의 1.5 배 내지 2.5 배의 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 두께(T1)는 약 1000 Å 내지 2200 Å의 범위, 예를 들어, 약 1500 Å 내지 2000 Å의 범위일 수 있다. 제1 절연층(180)이 상기 범위보다 두꺼운 경우, 후속에서 평탄화 공정 중에 제거되어야 하는 양이 많아져, 채널 패드(160)에 디싱(dishing)이 발생할 수 있다. 제1 절연층(180)이 상기 범위보다 얇은 경우, 후속에서 형성되는 최상부의 게이트 전극(138)과의 거리가 가까워져 불량이 발생될 수 있다.The first insulating layer 180 formed on the uppermost portion may include a region where the channel pad 160 (refer to FIG. 3 ) is subsequently formed, and has a relatively thicker thickness T1 than that of the interlayer insulating layers 120 . can be formed with The thickness T1 may range from 1.5 times to 2.5 times the thickness of the channel pad 160 . For example, the thickness T1 may be in the range of about 1000 Å to 2200 Å, for example, in the range of about 1500 Å to 2000 Å. When the first insulating layer 180 is thicker than the above range, an amount to be removed during a subsequent planarization process increases, and dishing may occur in the channel pad 160 . When the first insulating layer 180 is thinner than the above range, the distance to the uppermost gate electrode 138 to be formed later becomes close, and a defect may occur.

제1 절연층(180)은, 예를 들어, TEOS(Tetra-Ethly-Ortho-Silicate) 산화막일 수 있다.
The first insulating layer 180 may be, for example, a Tetra-Ethly-Ortho-Silicate (TEOS) oxide film.

도 7b를 참조하면, 적층된 층간 절연층들(120), 희생층들(110) 및 제1 절연층(180) 상에 제1 내지 제3 마스크층들(182, 184, 186)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7B , first to third mask layers 182 , 184 , and 186 are to be formed on the stacked interlayer insulating layers 120 , the sacrificial layers 110 , and the first insulating layer 180 . can

제1 및 제2 마스크층들(182, 184)은 서로 다른 물질로 이루어질 수 있으며, 이에 의해 서로 식각 선택성을 가질 수 있다. 제2 마스크층(184)은 층간 절연층(120)들과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 마스크층(182)은 실리콘 질화물일 수 있으며, 제2 마스크층(184)는 TEOS와 같은 실리콘 질화물일 수 있다.The first and second mask layers 182 and 184 may be made of different materials, and thus may have etch selectivity from each other. The second mask layer 184 may be made of the same material as the interlayer insulating layers 120 . For example, the first mask layer 182 may be silicon nitride, and the second mask layer 184 may be silicon nitride such as TEOS.

제3 마스크층(186)은 예를 들어, 포토레지스트층일 수 있으며, 채널홀들(CH)(도 3 참조)에 대응되는 영역을 오픈시키도록 패터닝될 수 있다.
The third mask layer 186 may be, for example, a photoresist layer, and may be patterned to open regions corresponding to the channel holes CH (refer to FIG. 3 ).

도 7c를 참조하면, 제3 마스크층(186)을 이용하여 채널홀들(CH)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7C , channel holes CH may be formed using the third mask layer 186 .

채널홀들(CH)은 제1 및 제2 마스크층들(182, 184), 제1 절연층(180), 희생층들(110) 및 층간 절연층들(120)을 이방성 식각하여 형성할 수 있다. 상기 식각 시에, 제2 마스크층(184)은 하드 마스크층으로서 기능할 수 있다. 채널홀들(CH)에 의해 기판(101)의 일부가 리세스될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. The channel holes CH may be formed by anisotropically etching the first and second mask layers 182 and 184 , the first insulating layer 180 , the sacrificial layers 110 , and the interlayer insulating layers 120 . have. During the etching, the second mask layer 184 may function as a hard mask layer. A portion of the substrate 101 may be recessed by the channel holes CH, but is not limited thereto.

서로 다른 종류의 막들을 포함한 적층 구조물을 식각하기 때문에, 일부 실시예들에서, 채널홀들(CH)의 측벽은 기판(101)의 상부면에 수직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 채널홀들(CH)의 폭은 기판(101)의 상부면에 가까울수록 감소될 수 있다.
Since the stack structure including different types of layers is etched, sidewalls of the channel holes CH may not be perpendicular to the top surface of the substrate 101 in some embodiments. For example, in some embodiments, the width of the channel holes CH may decrease as it approaches the upper surface of the substrate 101 .

도 7d를 참조하면, 채널홀들(CH) 내에, 에피택셜층(107), 게이트 유전층(150), 채널 영역(140) 및 예비 채널 절연층(162P)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7D , an epitaxial layer 107 , a gate dielectric layer 150 , a channel region 140 , and a preliminary channel insulating layer 162P may be formed in the channel holes CH.

먼저, 기판(101)의 리세스된 영역 상에 에피택셜층(107)을 형성할 수 있다. 에피택셜층(107)은 기판(101)으로부터 SEG를 이용하여 성장시킬 수 있으며, 단일층 또는 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 에피택셜층(107)은 불순물이 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 다결정 실리콘, 단결정 실리콘, 다결정 게르마늄 혹은 단결정 게르마늄을 포함할 수 있다. 에피택셜층(107)은 상부면이 접지 선택 트랜지스터(GST)(도 2 참조)의 게이트 전극(131)으로 대체되는 희생층(111)의 상부면보다 높게 형성될 수 있다.First, an epitaxial layer 107 may be formed on the recessed region of the substrate 101 . The epitaxial layer 107 may be grown from the substrate 101 using SEG, and may be formed of a single layer or a plurality of layers. The epitaxial layer 107 may include polycrystalline silicon, single crystal silicon, polycrystalline germanium, or single crystal germanium doped or undoped with impurities. The epitaxial layer 107 may have a top surface higher than the top surface of the sacrificial layer 111 replaced with the gate electrode 131 of the ground selection transistor GST (refer to FIG. 2 ).

다음으로, 게이트 유전층(150)은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 또는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 사용하여 균일한 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 본 단계에서 게이트 유전층(150)은 전부 또는 일부 형성될 수 있으며, 채널홀(CH)을 따라 기판(101)에 수직하게 연장되는 부분이 본 단계에서 형성될 수 있다. 채널 영역(140)은 채널홀들(CH) 내에서 게이트 유전층(150) 상에 형성될 수 있다.Next, the gate dielectric layer 150 may be formed to have a uniform thickness using atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (CVD). In this step, all or part of the gate dielectric layer 150 may be formed, and a portion extending perpendicularly to the substrate 101 along the channel hole CH may be formed in this step. The channel region 140 may be formed on the gate dielectric layer 150 in the channel holes CH.

예비 채널 절연층(162P)은 채널홀들(CH)을 충전하도록 형성되며, 절연 물질일 수 있다. 다만, 일부 실시예들에서는, 예비 채널 절연층(162P)이 아닌 도전성 물질로 채널 영역(140) 사이를 매립할 수도 있다. 본 단계에서, 예비 채널 절연층(162P)은 채널홀들(CH)을 매립하고 제2 마스크층(184)의 상부에도 형성될 수 있다.
The preliminary channel insulating layer 162P is formed to fill the channel holes CH, and may be an insulating material. However, in some embodiments, the space between the channel regions 140 may be filled with a conductive material other than the preliminary channel insulating layer 162P. In this step, the preliminary channel insulating layer 162P may be formed on the second mask layer 184 to fill the channel holes CH.

도 7e를 참조하면, 채널홀들(CH)의 상단에서 예비 채널 절연층(162P)의 일부를 제거하여 채널 절연층(162)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7E , the channel insulating layer 162 may be formed by removing a portion of the preliminary channel insulating layer 162P from the upper ends of the channel holes CH.

먼저, 제1 마스크층(182)을 정지층으로 이용하여 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정과 같은 평탄화 공정을 수행하여, 상부에 형성된 예비 채널 절연층(162P)의 물질들을 제거하고, 적층 구조물의 평탄한 상부면을 형성할 수 있다. 이에 의해, 제2 마스크층(184)이 제거될 수 있다. 다만, 본 공정은 선택적인 것으로 생략될 수도 있다.First, a planarization process such as a chemical mechanical polishing (CMP) process is performed using the first mask layer 182 as a stop layer to remove materials of the preliminary channel insulating layer 162P formed thereon; A flat upper surface of the laminate structure may be formed. Accordingly, the second mask layer 184 may be removed. However, this process is optional and may be omitted.

다음으로, 에치-백(etch-back) 공정을 이용하여, 예비 채널 절연층(162P)의 일부를 제거할 수 있다. 본 공정에 의해 형성된 채널 절연층(162)의 상면은, 제1 절연층(180) 내에 위치할 수 있으며 기판(101)을 향하여 볼록한 형상을 갖게 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예비 채널 절연층(162P)의 일부 제거 시에, 측면의 채널 영역(140) 및/또는 게이트 유전층(150)도 적어도 일부가 함께 제거될 수 있다. 상기 평탄화 공정 또는 에치-백 공정 시에, 제1 마스크층(182)도 일부 제거될 수 있으며, 이에 따라 이전 단계에서의 두께(T2)(도 7d 참조)보다 감소한 두께(T3)를 가질 수 있다.
Next, a portion of the preliminary channel insulating layer 162P may be removed using an etch-back process. The upper surface of the channel insulating layer 162 formed by this process may be located in the first insulating layer 180 and may have a convex shape toward the substrate 101 . In some embodiments, when a portion of the preliminary channel insulating layer 162P is removed, at least a portion of the side channel region 140 and/or the gate dielectric layer 150 may also be removed. During the planarization process or the etch-back process, the first mask layer 182 may also be partially removed, and thus may have a thickness T3 reduced from the thickness T2 (refer to FIG. 7D ) in the previous step. .

도 7f를 참조하면, 채널 절연층(162) 상에 채널 패드층(160P)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7F , a channel pad layer 160P may be formed on the channel insulating layer 162 .

도전성 물질을 증착하여 채널 절연층(162) 상에 채널홀들(CH)을 매립하고 적층 구조물의 상부로 연장되는 채널 패드층(160P)을 형성할 수 있다. 제1 마스크층(182)의 상면에는 채널 패드층(160P)이 소정 두께(T4)로 형성될 수 있다. 상기 두께(T4)는 복수의 채널홀들(CH)을 모두 안정적으로 매립할 수 있는 범위에서 최소 두께로 결정될 수 있다.A conductive material may be deposited to fill the channel holes CH on the channel insulating layer 162 and a channel pad layer 160P extending over the stacked structure may be formed. A channel pad layer 160P may be formed with a predetermined thickness T4 on the upper surface of the first mask layer 182 . The thickness T4 may be determined as a minimum thickness within a range in which all of the plurality of channel holes CH can be stably filled.

본 단계에서, 채널홀들(CH) 내에 형성되는 채널 패드층(160P)은 그 깊이를 조절함으로써 내부에 보이드와 같은 결함을 포함하지 않도록 형성될 수 있다. 채널 패드층(160P)이 형성되는 깊이는 제1 절연층(180) 및 제1 마스크층(182)의 두께 및 목적하는 채널 패드(160)의 두께에 따라 결정될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 특히 도 7a를 참조하여 상술한 것과 같이, 제1 절연층(180)의 두께를 조절함으로써 상기 깊이를 조절할 수 있다.
In this step, the channel pad layer 160P formed in the channel holes CH may be formed so as not to include defects such as voids therein by adjusting the depth thereof. The depth at which the channel pad layer 160P is formed may be determined according to the thicknesses of the first insulating layer 180 and the first mask layer 182 and the desired thickness of the channel pad 160. In the embodiment of the present invention, In particular, as described above with reference to FIG. 7A , the depth may be adjusted by adjusting the thickness of the first insulating layer 180 .

도 7g를 참조하면, 채널홀들(CH) 내에만 잔존하도록 채널 패드층(160P)의 일부를 제거하여 채널 패드들(160)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7G , the channel pads 160 may be formed by removing a portion of the channel pad layer 160P to remain only in the channel holes CH.

먼저, 제1 마스크층(182)을 정지층으로 이용하여 CMP와 같은 평탄화 공정을 수행하여, 제1 마스크층(182) 상부의 채널 패드층(160P)을 제거할 수 있다. First, a planarization process such as CMP may be performed using the first mask layer 182 as a stop layer to remove the channel pad layer 160P on the first mask layer 182 .

다음으로, 제1 절연층(180)을 이용하여 CMP와 같은 평탄화 공정을 수행하여, 제1 마스크층(182) 상부의 채널 패드층(160P) 및 제1 마스크층(182)을 제거할 수 있다. 이 때, 주로 제1 마스크층(182)을 제거하는 조건으로 평탄화 공정이 수행되므로, 상대적으로 채널 패드층(160P)이 잘 제거되지 않을 수 있으며, 이에 의해 채널 패드들(160)의 상면이 볼록하게 형성될 수 있다. 또한, 제1 절연층(180)을 거의 제거하지 않으므로, 채널 패드(160)에서 디싱(dishing)과 같은 현상을 방지할 수 있다. 채널 패드들(160)의 하면은 채널 절연층(162)의 형상에 의해 하부로 볼록하게 형성될 수 있다.Next, a planarization process such as CMP may be performed using the first insulating layer 180 to remove the channel pad layer 160P and the first mask layer 182 on the first mask layer 182 . . At this time, since the planarization process is mainly performed under the condition of removing the first mask layer 182 , the channel pad layer 160P may not be removed relatively well, whereby the top surfaces of the channel pads 160 are convex. can be formed. In addition, since the first insulating layer 180 is hardly removed, a phenomenon such as dishing in the channel pad 160 can be prevented. The lower surfaces of the channel pads 160 may be convex downwards due to the shape of the channel insulating layer 162 .

채널 패드들(160)이 형성된 후, 제1 절연층(180)의 두께(T5)는 처음 형성 시의 두께(T1)(도 7a 참조)와 동일하거나, 본 단계에서 소량이 제거되어 다소 작을 수 있다. 상기 두께(T5)는 채널 패드(160)의 두께의 약 1.5 배 내지 2.5 배, 예를 들어, 약 1.5배 내지 2배의 범위일 수 있다.
After the channel pads 160 are formed, the thickness T5 of the first insulating layer 180 may be the same as the thickness T1 at the time of initial formation (refer to FIG. 7A ), or may be slightly smaller as a small amount is removed in this step. have. The thickness T5 may be in the range of about 1.5 to 2.5 times the thickness of the channel pad 160 , for example, about 1.5 to 2 times.

도 7h를 참조하면, 채널 패드(160) 상에 제2 절연층(188)을 형성한 후, 희생층들(110) 및 층간 절연층들(120)의 적층물을 소정 간격으로 분리하는 개구부(OP)를 형성하고, 개구부(OP)를 통해 노출된 희생층들(110)을 제거할 수 있다.Referring to FIG. 7H , after forming the second insulating layer 188 on the channel pad 160 , an opening ( OP) may be formed, and the sacrificial layers 110 exposed through the opening OP may be removed.

제2 절연층(188)은 채널 패드(160) 및 그 하부의 채널 영역(140) 등의 손상을 방지할 수 있다. 제1 및 제2 절연층(180, 188)의 경계면은 채널 패드(160)의 상면(160U)에 인접한 채널 영역(140) 및 게이트 유전층(150)의 가장자리에 형성될 수 있다.The second insulating layer 188 may prevent damage to the channel pad 160 and the channel region 140 thereunder. The interface between the first and second insulating layers 180 and 188 may be formed at an edge of the channel region 140 and the gate dielectric layer 150 adjacent to the top surface 160U of the channel pad 160 .

개구부(OP)는 포토 리소그래피 공정을 이용하여 마스크층을 형성하고, 희생층들(110) 및 층간 절연층들(120)의 적층물을 이방성 식각함으로써 형성될 수 있다. 개구부(OP)는 y 방향(도 3 참조)으로 연장되는 트랜치 형태로 형성될 수 있다. 개구부(OP)는 채널 영역들(140)의 사이에서 기판(101)을 노출시킬 수 있다. 희생층들(110)이 식각 공정에 의해 제거될 수 있으며, 그에 따라 층간 절연층들(120) 사이에 복수의 측면 개구부들이 형성될 수 있다. 상기 측면 개구부들을 통해 게이트 유전층(150)의 일부 측벽들이 노출될 수 있다.
The opening OP may be formed by forming a mask layer using a photolithography process and anisotropically etching the stack of the sacrificial layers 110 and the interlayer insulating layers 120 . The opening OP may be formed in the form of a trench extending in the y direction (refer to FIG. 3 ). The opening OP may expose the substrate 101 between the channel regions 140 . The sacrificial layers 110 may be removed by an etching process, and thus a plurality of side openings may be formed between the interlayer insulating layers 120 . Some sidewalls of the gate dielectric layer 150 may be exposed through the side openings.

도 7i를 참조하면, 게이트 전극(130)을 희생층(110)이 제거된 상기 측면 개구부들 내에 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7I , the gate electrode 130 may be formed in the side openings from which the sacrificial layer 110 is removed.

게이트 전극들(130)은 금속, 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속 실리사이드 물질은, 예컨대, Co, Ni, Hf, Pt, W 및 Ti 중에서 선택되는 금속의 실리사이드 물질 또는 이들의 조합일 수 있다. 게이트 전극들(130)이 금속 실리사이드 물질로 이루어지는 경우, 실리콘(Si)을 터널부들(TP) 내에 매립한 후, 별도의 금속층을 형성하여 실리사이드화 공정을 수행함으로써 게이트 전극들(130)을 형성할 수 있다.The gate electrodes 130 may include a metal, polycrystalline silicon, or a metal silicide material. The metal silicide material may be, for example, a silicide material of a metal selected from Co, Ni, Hf, Pt, W, and Ti, or a combination thereof. When the gate electrodes 130 are made of a metal silicide material, the gate electrodes 130 may be formed by burying silicon (Si) in the tunnel portions TP and then performing a silicidation process by forming a separate metal layer. can

게이트 전극(130)을 형성한 후, 상기 측면 개구부들 내에만 게이트 전극(130)이 배치되도록, 개구부(OP) 내에 형성된 게이트 전극(130)을 이루는 물질을 추가적인 공정을 통하여 제거할 수 있다. 본 단계에서, 도시된 것과 같이 개구부(OP)를 향하여 게이트 전극(130)보다 층간 절연층(120)이 돌출될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
After the gate electrode 130 is formed, the material forming the gate electrode 130 formed in the opening OP may be removed through an additional process so that the gate electrode 130 is disposed only in the side openings. In this step, the interlayer insulating layer 120 may protrude more than the gate electrode 130 toward the opening OP as illustrated, but is not limited thereto.

도 7j를 참조하면, 개구부(OP) 내의 기판(101)에 불순물 영역(105)을 형성하고, 불순물 영역(105) 상에 매립 절연층(164) 및 도전층(170)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7J , an impurity region 105 may be formed in the substrate 101 in the opening OP, and a buried insulating layer 164 and a conductive layer 170 may be formed on the impurity region 105 .

먼저, 개구부(OP)에 의해 노출된 기판(101) 내에 불순물을 주입함으로써 불순물 영역(105)이 형성될 수 있다. 다음으로, 개구부(OP)의 측벽에 매립 절연층(164)을 형성할 수 있다. 매립 절연층(164)은 절연 물질을 형성하고 기판(101)의 상면이 노출되도록 기판(101) 상에서 절연 물질을 제거하여 스페이서 형태로 제조될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 불순물 영역(105)은 매립 절연층(164)의 적어도 일부를 먼저 형성한 후 형성될 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 매립 절연층(164)은 다층막으로 이루어질 수도 있다.First, the impurity region 105 may be formed by implanting impurities into the substrate 101 exposed by the opening OP. Next, a buried insulating layer 164 may be formed on a sidewall of the opening OP. The buried insulating layer 164 may be manufactured in the form of a spacer by forming an insulating material and removing the insulating material from the substrate 101 so that the top surface of the substrate 101 is exposed. In example embodiments, the impurity region 105 may be formed after at least a portion of the buried insulating layer 164 is first formed. In example embodiments, the buried insulating layer 164 may be formed of a multilayer film.

다음으로, 매립 절연층(164)에 의해 정의되는 영역에 도전층(170)을 형성할 수 있다. 도전층(170)의 형성 전에, 매립 절연층(164) 상에 확산 방지층이 더 형성될 수 있다. 상기 확산 방지층은, 예를 들어, TiN, WN과 같은 질화물을 포함할 수 있다. Next, the conductive layer 170 may be formed in a region defined by the buried insulating layer 164 . Before the formation of the conductive layer 170 , a diffusion barrier layer may be further formed on the buried insulating layer 164 . The diffusion barrier layer may include, for example, a nitride such as TiN or WN.

이후에, 채널 패드들(160) 상에 제2 절연층(188)을 관통하는 콘택홀들을 형성하고, 상기 콘택홀들을 매립하는 콘택 플러그들(190)을 형성할 수 있다. 본 실시예에서는, 채널 패드들(160)이 상부를 향하여 볼록한 상면을 가지므로, 본 단계에서 복수의 콘택 플러그들(190)을 형성할 때 일부가 채널 패드들(160)와 연결되지 않는 불량이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 채널 패드들(160)의 볼록한 상면에 의해, 상기 콘택홀들의 형성 시의 공정 마진을 확보할 수 있게 되어, 상기 콘택홀에 의해 채널 패드들(160)이 노출되지 않는 현상을 방지할 수 있게 된다.Thereafter, contact holes penetrating the second insulating layer 188 may be formed on the channel pads 160 , and contact plugs 190 filling the contact holes may be formed. In the present embodiment, since the channel pads 160 have a convex top surface toward the top, when the plurality of contact plugs 190 are formed in this step, there is a problem that some of them are not connected to the channel pads 160 . can be prevented from occurring. That is, the convex top surface of the channel pads 160 makes it possible to secure a process margin when the contact holes are formed, thereby preventing the channel pads 160 from being exposed by the contact holes. there will be

일부 실시예들에서, 콘택 플러그들(190)은 채널 패드들(160)을 일부 리세스하도록 형성될 수도 있다. 콘택 플러그들(190)은 채널 패드들(160)을 비트 라인(BL1~BLm)(도 2 참조)과 같은 배선 구조들과 연결시킬 수 있다. In some embodiments, the contact plugs 190 may be formed to partially recess the channel pads 160 . The contact plugs 190 may connect the channel pads 160 to wiring structures such as the bit lines BL1 to BLm (refer to FIG. 2 ).

콘택 플러그들(190)은 도전성 물질, 예를 들어, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등과 같은 금속으로 이루어질 수 있다.
The contact plugs 190 may be formed of a conductive material, for example, a metal such as tungsten (W), aluminum (Al), or copper (Cu).

도 8 및 도 9는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 사시도들이다.8 and 9 are schematic perspective views of a semiconductor device according to example embodiments.

도 8을 참조하면, 반도체 장치(100a)는, 기판(101), 채널 영역(140)이 내부에 배치되는 채널홀들(CH), 복수의 층간 절연층들(120), 복수의 게이트 전극들(130), 게이트 유전층(150), 에피택셜층들(107), 채널 패드들(160), 불순물 영역(105), 및 도전층(170)을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 장치(100a)는, 채널 패드들(160) 상의 콘택 플러그들(190) 및 비트 라인들(195)을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8 , the semiconductor device 100a includes a substrate 101 , channel holes CH having a channel region 140 disposed therein, a plurality of interlayer insulating layers 120 , and a plurality of gate electrodes. 130 , a gate dielectric layer 150 , epitaxial layers 107 , channel pads 160 , an impurity region 105 , and a conductive layer 170 . Also, the semiconductor device 100a may further include contact plugs 190 and bit lines 195 on the channel pads 160 .

채널 패드들(160)은 콘택 플러그들(190)을 통해서 비트 라인들(195)과 전기적으로 연결될 수 있다. 본 실시예에서, 채널 패드들(160)은 상부를 향하여 볼록한 상면을 가지므로, 콘택 플러그들(190)과 전기적으로 안정적으로 연결될 수 있다.The channel pads 160 may be electrically connected to the bit lines 195 through contact plugs 190 . In the present embodiment, since the channel pads 160 have upper surfaces convex toward the top, they may be electrically and stably connected to the contact plugs 190 .

콘택 플러그들(190)은 하부로 갈수록 폭이 감소하는 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 일부 실시예들에서, 콘택 플러그들(190)은 채널 패드들(160)의 상부를 소정 깊이로 리세스하도록 형성될 수 있다.The contact plugs 190 may have a shape that decreases in width toward the bottom, but is not limited thereto. In some embodiments, the contact plugs 190 may be formed to recess upper portions of the channel pads 160 to a predetermined depth.

비트 라인들(195)은 콘택 플러그들(190)의 상부에서 일 방향, 예를 들어, x 방향으로 연장될 수 있다. 비트 라인들(195)은 x 방향으로 일직선 상에 배치되는 채널 패드들(160)이 서로 다른 비트 라인들(195)에 연결되도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 일부 실시예들에서 비트 라인들(195)은 하부 또는 상부에 위치하는 추가적인 배선 라인들 및 콘택 플러그들을 더 포함하는 구조를 가질 수도 있다.The bit lines 195 may extend above the contact plugs 190 in one direction, for example, the x-direction. The bit lines 195 may be arranged such that channel pads 160 arranged on a straight line in the x-direction are connected to different bit lines 195 . To this end, in some embodiments, the bit lines 195 may have a structure further including additional wiring lines and contact plugs positioned below or above.

콘택 플러그들(190) 및 비트 라인들(195)은 도전성 물질, 예를 들어, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등과 같은 금속을 포함할 수 있다.
The contact plugs 190 and the bit lines 195 may include a conductive material, for example, a metal such as tungsten (W), aluminum (Al), or copper (Cu).

도 9를 참조하면, 반도체 장치(100b)는, 기판(101), 채널 영역(140)이 내부에 배치되는 채널홀들(CH), 복수의 층간 절연층들(120), 복수의 게이트 전극들(130), 기판(101) 상에 배치되며 채널 영역(140)이 수평하게 연장된 영역을 포함하는 수평부(SP), 수평부(SP) 외측의 수평 충전층(108), 게이트 유전층(150) 및 채널 패드들(160)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the semiconductor device 100b includes a substrate 101 , channel holes CH having a channel region 140 disposed therein, a plurality of interlayer insulating layers 120 , and a plurality of gate electrodes. 130 , a horizontal portion SP disposed on the substrate 101 and including a region in which the channel region 140 horizontally extends, a horizontal filling layer 108 outside the horizontal portion SP, and a gate dielectric layer 150 . ) and channel pads 160 .

특히, 본 실시예의 반도체 장치(100b)는 게이트 전극(130)의 하부에 배치되는 수평부(SP)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수평부(SP)는 기판(101) 내에 배치될 수도 있다. In particular, the semiconductor device 100b according to the present embodiment may further include a horizontal portion SP disposed under the gate electrode 130 . In some embodiments, the horizontal portion SP may be disposed in the substrate 101 .

수평부(SP)는 채널홀들(CH)과 연결되며, 기판(101)의 상면에 평행한 층으로 배치되어 적어도 일부 채널홀들(CH) 사이에서 연결된 구조를 가질 수 있다. 수평부(SP)는 적어도 일부 채널홀들(CH)의 사이에서 서로 연결된 판 형상의 구조를 가질 수 있으며, 수평부(SP)에 의해 연결되는 채널홀들(CH)의 개수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다.The horizontal portion SP may be connected to the channel holes CH, may be disposed as a layer parallel to the upper surface of the substrate 101 , and may have a structure connected between at least some of the channel holes CH. The horizontal portion SP may have a plate-shaped structure connected to each other between at least some channel holes CH, and the number of channel holes CH connected by the horizontal portion SP may vary in the embodiments. It can be variously changed.

수평부(SP)는 게이트 유전층(150) 및 채널 영역(140)의 일부로 이루어질 수 있다. 즉, 수평부(SP)는 채널 영역(140) 및 게이트 유전층(150)이 채널홀들(CH)로부터 수평 방향으로 연장되어 이루어질 수 있다. 수평부(SP)의 하면 및 측면에는 게이트 유전층(150)이 배치될 수 있으며, 수평부(SP)의 내부는 채널 영역(140)으로 채워질 수 있다. 다만, 수평부(SP) 내의 채널 영역(140) 및 게이트 유전층(150)의 배치는 이에 한정되지 않으며, 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다.The horizontal portion SP may be formed of a part of the gate dielectric layer 150 and the channel region 140 . That is, the horizontal portion SP may be formed by extending the channel region 140 and the gate dielectric layer 150 from the channel holes CH in the horizontal direction. The gate dielectric layer 150 may be disposed on the lower surface and side surfaces of the horizontal portion SP, and the inside of the horizontal portion SP may be filled with the channel region 140 . However, the arrangement of the channel region 140 and the gate dielectric layer 150 in the horizontal portion SP is not limited thereto, and may be variously changed in embodiments.

수평 충전층(108)은 수평부(SP)의 외측에서 수평부(SP)와 수평하게 배치될 수 있다. 즉, 수평 충전층(108)은 수평부(SP)와 함께 기판(101)의 상면에 평행한 하나의 층을 형성할 수 있다. 수평 충전층(108)은 도전성 물질, 예를 들어, 반도체 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 일부 실시예들에서, 수평 충전층(108)은 생략될 수도 있으며, 이 경우 수평부(SP)가 수평 충전층(108)이 형성된 영역까지 연장될 수 있다.The horizontal filling layer 108 may be disposed on the outside of the horizontal part SP and horizontally with the horizontal part SP. That is, the horizontal filling layer 108 may form one layer parallel to the upper surface of the substrate 101 together with the horizontal portion SP. The horizontal filling layer 108 may be formed of a conductive material, for example, a semiconductor material, but is not limited thereto. In some embodiments, the horizontal filling layer 108 may be omitted, and in this case, the horizontal portion SP may extend to an area in which the horizontal filling layer 108 is formed.

본 실시예에서, 채널 패드들(160) 중 일부는 상부에서 비트 라인(195)(도 8 참조)과 연결되고 일부는 비트 라인(195)과 다른 전기적 신호가 인가되는 배선 라인에 연결될 수 있다.
In the present embodiment, some of the channel pads 160 may be connected to the bit line 195 (refer to FIG. 8 ) at an upper portion, and some may be connected to a wiring line to which an electrical signal different from the bit line 195 is applied.

도 10은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 사시도이다.10 is a schematic perspective view of a semiconductor device according to example embodiments.

도 10을 참조하면, 반도체 장치(200)는 셀 영역(CELL) 및 주변 회로(peripheral circuit) 영역(PERI)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 10 , the semiconductor device 200 may include a cell region CELL and a peripheral circuit region PERI.

셀 영역(CELL)은 도 1의 메모리 셀 어레이(20)가 배치되는 영역에 해당할 수 있으며, 주변 회로 영역(PERI)은 도 1의 메모리 셀 어레이(20)의 구동 회로(30)가 배치되는 영역에 해당할 수 있다. 셀 영역(CELL)은 주변 회로 영역(PERI)의 상단에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 셀 영역(CELL)은 주변 회로 영역(PERI)의 하단에 배치될 수도 있다.
The cell region CELL may correspond to a region in which the memory cell array 20 of FIG. 1 is disposed, and the peripheral circuit region PERI is a region in which the driving circuit 30 of the memory cell array 20 of FIG. 1 is disposed. may be in the area. The cell region CELL may be disposed on top of the peripheral circuit region PERI. In example embodiments, the cell region CELL may be disposed below the peripheral circuit region PERI.

셀 영역(CELL)은, 반도체 장치(100)는, 기판(101), 기판(101) 상면에 수직한 방향으로 연장되며 채널 영역(140)이 내부에 배치되는 채널홀들(CH) 및 채널홀들(CH)의 외측벽을 따라 적층된 복수의 층간 절연층들(120) 및 복수의 게이트 전극들(130)을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 장치(100)는 채널 영역(140)과 게이트 전극들(130)의 사이에 배치되는 게이트 유전층(150), 채널 영역들(140)의 하부에 배치되는 에피택셜층들(107), 채널홀들(CH)의 상단의 채널 패드들(160), 게이트 전극들(130) 사이의 기판(101) 내의 불순물 영역(105), 및 불순물 영역(105) 상의 도전층(170)을 더 포함할 수 있다. The cell region CELL includes the semiconductor device 100 , the substrate 101 , the channel holes CH extending in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate 101 , and the channel region 140 disposed therein. It may include a plurality of interlayer insulating layers 120 and a plurality of gate electrodes 130 stacked along the outer wall of the devices CH. In addition, the semiconductor device 100 includes a gate dielectric layer 150 disposed between the channel region 140 and the gate electrodes 130 , epitaxial layers 107 disposed below the channel regions 140 , It further includes channel pads 160 on top of the channel holes CH, an impurity region 105 in the substrate 101 between the gate electrodes 130 , and a conductive layer 170 on the impurity region 105 . can do.

본 실시예에서, 셀 영역(CELL)은 도 3의 실시예와 동일한 구조를 갖는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다. 셀 영역(CELL)은 예를 들어, 도 4a 내지 도 5c, 도 8 및 도 9를 참조하여 상술한 것과 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 구조를 갖는 반도체 장치를 포함할 수 있다.
In the present embodiment, the cell region CELL is illustrated as having the same structure as the embodiment of FIG. 3 , but is not limited thereto. The cell region CELL may include, for example, a semiconductor device having a structure according to various embodiments of the present disclosure as described above with reference to FIGS. 4A to 5C , 8 and 9 .

주변 회로 영역(PERI)은, 기저 기판(201), 기저 기판(201) 상에 배치된 회로 소자들(230), 콘택 플러그들(250) 및 배선 라인들(260)을 포함할 수 있다.The peripheral circuit region PERI may include a base substrate 201 , circuit elements 230 disposed on the base substrate 201 , contact plugs 250 , and wiring lines 260 .

기저 기판(201)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 기저 기판(201)은 소자분리층(210)이 형성되어 활성 영역이 정의될 수 있다. 상기 활성 영역의 일부에는 불순물을 포함하는 도핑 영역(205)이 배치될 수 있다. 기저 기판(201)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 산화물 반도체를 포함할 수 있다.The base substrate 201 may have a top surface extending in the x-direction and the y-direction. The base substrate 201 may have a device isolation layer 210 formed thereon to define an active region. A doped region 205 including impurities may be disposed in a portion of the active region. The base substrate 201 may include a semiconductor material, for example, a group IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, or a group II-VI oxide semiconductor.

회로 소자(230)는 수평 트랜지스터를 포함할 수 있다. 각각의 회로 소자(230)는 회로 게이트 절연층(232), 스페이서층(234) 및 회로 게이트 전극(235)을 포함할 수 있다. 회로 게이트 전극(235)의 양 측에서 기저 기판(201) 내에는 도핑 영역(205)이 배치되어, 회로 소자(230)의 소스 영역 또는 드레인 영역으로 작용할 수 있다.The circuit element 230 may include a horizontal transistor. Each circuit element 230 may include a circuit gate insulating layer 232 , a spacer layer 234 , and a circuit gate electrode 235 . A doped region 205 may be disposed in the base substrate 201 on both sides of the circuit gate electrode 235 to serve as a source region or a drain region of the circuit device 230 .

복수의 주변 영역 절연층들(244, 246, 248)이 기저 기판(201) 상에서 회로 소자(230) 상에 배치될 수 있다.A plurality of peripheral region insulating layers 244 , 246 , and 248 may be disposed on the circuit device 230 on the base substrate 201 .

콘택 플러그들(250)은 주변 영역 절연층(244)을 관통하여 도핑 영역(205)에 연결될 수 있다. 콘택 플러그들(250)에 의해 회로 소자(230)에 전기적 신호가 인가될 수 있다. 도시되지 않은 영역에서, 회로 게이트 전극(235)에도 콘택 플러그들(250)가 연결될 수 있다. 배선 라인들(260)은 콘택 플러그들(250)과 연결될 수 있으며, 예시적인 실시예들에서, 복수의 층으로 배치될 수 있다.
The contact plugs 250 may be connected to the doped region 205 through the peripheral region insulating layer 244 . An electrical signal may be applied to the circuit element 230 by the contact plugs 250 . In an area not shown, the contact plugs 250 may also be connected to the circuit gate electrode 235 . The wiring lines 260 may be connected to the contact plugs 250 and may be arranged in a plurality of layers in example embodiments.

주변 회로 영역(PERI)이 먼저 제조된 후에, 셀 영역(CELL)의 기판(101)이 그 상부에 형성되어 셀 영역(CELL)이 제조될 수 있다. 기판(101)은 기저 기판(201)과 동일한 크기를 갖거나, 기저 기판(201)보다 작게 형성될 수 있다. 기판(101)은 다결정 실리콘으로 형성되거나, 비정질 실리콘으로 형성된 후 단결정화될 수도 있다.After the peripheral circuit region PERI is first manufactured, the substrate 101 of the cell region CELL may be formed thereon to manufacture the cell region CELL. The substrate 101 may have the same size as the base substrate 201 or may be formed smaller than the base substrate 201 . The substrate 101 may be formed of polycrystalline silicon or single-crystallized after being formed of amorphous silicon.

셀 영역(CELL) 및 주변 회로 영역(PERI)은 도시되지 않은 영역에서 서로 연결될 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극(130)의 y 방향에서의 일단은 회로 소자(230)와 전기적으로 연결될 수 있다.
The cell region CELL and the peripheral circuit region PERI may be connected to each other in an area not shown. For example, one end of the gate electrode 130 in the y direction may be electrically connected to the circuit element 230 .

도 11은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 저장 장치를 나타낸 블록도이다. 11 is a block diagram illustrating a storage device including a semiconductor device according to example embodiments.

도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 저장 장치(1000)는 호스트(HOST)와 통신하는 컨트롤러(1010) 및 데이터를 저장하는 메모리(1020-1, 1020-2, 1020-3)를 포함할 수 있다. 각 메모리(1020-1, 1020-2, 1020-3)는, 도 3 내지 도 5c, 및 도 8 내지 도 10을 참조하여 상술한 것과 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 11 , the storage device 1000 according to the present embodiment may include a controller 1010 communicating with a host HOST and memories 1020-1, 1020-2, and 1020-3 for storing data. can Each of the memories 1020-1, 1020-2, and 1020-3 may include a semiconductor device according to various embodiments of the present disclosure as described above with reference to FIGS. 3 to 5C and FIGS. 8 to 10 . have.

컨트롤러(1010)와 통신하는 호스트(HOST)는 저장 장치(1000)가 장착되는 다양한 전자 기기일 수 있으며, 예를 들어 스마트폰, 디지털 카메라, 데스크 톱, 랩톱, 미디어 플레이어 등일 수 있다. 컨트롤러(1010)는 호스트(HOST)에서 전달되는 데이터 쓰기 또는 읽기 요청을 수신하여 메모리(1020-1, 1020-2, 1020-3)에 데이터를 저장하거나, 메모리(1020-1, 1020-2, 1020-3)로부터 데이터를 인출하기 위한 명령(CMD)을 생성할 수 있다.The host (HOST) communicating with the controller 1010 may be various electronic devices to which the storage device 1000 is mounted, and may be, for example, a smart phone, a digital camera, a desktop, a laptop, or a media player. The controller 1010 receives a data write or read request transmitted from the host and stores data in the memories 1020-1, 1020-2, and 1020-3, or the memory 1020-1, 1020-2, A command (CMD) for fetching data from 1020-3) may be generated.

도 11에 도시한 바와 같이, 저장 장치(1000) 내에 하나 이상의 메모리(1020-1, 1020-2, 1020-3)가 컨트롤러(1010)에 병렬로 연결될 수 있다. 복수의 메모리(1020-1, 1020-2, 1020-3)를 컨트롤러(1010)에 병렬로 연결함으로써, SSD(Solid State Drive)와 같이 큰 용량을 갖는 저장 장치(1000)를 구현할 수 있다.
11 , one or more memories 1020-1, 1020-2, and 1020-3 in the storage device 1000 may be connected to the controller 1010 in parallel. By connecting the plurality of memories 1020-1, 1020-2, and 1020-3 to the controller 1010 in parallel, the storage device 1000 having a large capacity, such as a solid state drive (SSD), may be implemented.

도 12는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 전자 기기를 나타낸 블록도이다. 12 is a block diagram illustrating an electronic device including a semiconductor device according to example embodiments.

도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 기기(2000)는 통신부(2010), 입력부(2020), 출력부(2030), 메모리(2040) 및 프로세서(2050)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 12 , the electronic device 2000 according to the present embodiment may include a communication unit 2010 , an input unit 2020 , an output unit 2030 , a memory 2040 , and a processor 2050 .

통신부(2010)는 유/무선 통신 모듈을 포함할 수 있으며, 무선 인터넷 모듈, 근거리 통신 모듈, GPS 모듈, 이동통신 모듈 등을 포함할 수 있다. 통신부(2010)에 포함되는 유/무선 통신 모듈은 다양한 통신 표준 규격에 의해 외부 통신망과 연결되어 데이터를 송수신할 수 있다. The communication unit 2010 may include a wired/wireless communication module, and may include a wireless Internet module, a short-range communication module, a GPS module, a mobile communication module, and the like. The wired/wireless communication module included in the communication unit 2010 may be connected to an external communication network according to various communication standards to transmit/receive data.

입력부(2020)는 사용자가 전자 기기(2000)의 동작을 제어하기 위해 제공되는 모듈로서, 기계식 스위치, 터치스크린, 음성 인식 모듈 등을 포함할 수 있다. 또한, 입력부(2020)는 트랙 볼 또는 레이저 포인터 방식 등으로 동작하는 마우스, 또는 핑거 마우스 장치를 포함할 수도 있으며, 그 외에 사용자가 데이터를 입력할 수 있는 다양한 센서 모듈을 더 포함할 수도 있다.The input unit 2020 is a module provided for a user to control the operation of the electronic device 2000 , and may include a mechanical switch, a touch screen, a voice recognition module, and the like. In addition, the input unit 2020 may include a mouse or a finger mouse device that operates in a track ball or laser pointer method, and may further include various sensor modules through which a user can input data.

출력부(2030)는 전자 기기(2000)에서 처리되는 정보를 음성 또는 영상의 형태로 출력하며, 메모리(2040)는 프로세서(2050)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이나, 또는 데이터 등을 저장할 수 있다. 프로세서(2050)는 필요한 동작에 따라 메모리(2040)에 명령어를 전달하여 데이터를 저장 또는 인출할 수 있다.The output unit 2030 outputs information processed by the electronic device 2000 in the form of audio or video, and the memory 2040 may store a program or data for processing and controlling the processor 2050 or data. . The processor 2050 may store or retrieve data by transmitting a command to the memory 2040 according to a required operation.

메모리(2040)는 전자 기기(2000)에 내장되거나 또는 별도의 인터페이스를 통해 프로세서(2050)와 통신할 수 있다. 별도의 인터페이스를 통해 프로세서(2050)와 통신하는 경우, 프로세서(2050)는 SD, SDHC, SDXC, MICRO SD, USB 등과 같은 다양한 인터페이스 규격을 통해 메모리(2040)에 데이터를 저장하거나 또는 인출할 수 있다.The memory 2040 may be embedded in the electronic device 2000 or may communicate with the processor 2050 through a separate interface. When communicating with the processor 2050 through a separate interface, the processor 2050 may store or retrieve data from the memory 2040 through various interface standards such as SD, SDHC, SDXC, MICRO SD, USB, etc. .

프로세서(2050)는 전자 기기(2000)에 포함되는 각부의 동작을 제어한다. 프로세서(2050)는 음성 통화, 화상 통화, 데이터 통신 등과 관련된 제어 및 처리를 수행하거나, 멀티미디어 재생 및 관리를 위한 제어 및 처리를 수행할 수도 있다. 또한, 프로세서(2050)는 입력부(2020)를 통해 사용자로부터 전달되는 입력을 처리하고 그 결과를 출력부(2030)를 통해 출력할 수 있다. 또한, 프로세서(2050)는 앞서 설명한 바와 같이 전자 기기(2000)의 동작을 제어하는데 있어서 필요한 데이터를 메모리(2040)에 저장하거나 메모리(2040)로부터 인출할 수 있다. 프로세서(2050) 및 메모리(2040) 중 적어도 하나는 도 3 내지 도 5c, 및 도 8 내지 도 10을 참조하여 상술한 것과 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다.
The processor 2050 controls the operation of each unit included in the electronic device 2000 . The processor 2050 may perform control and processing related to voice calls, video calls, data communication, and the like, or may perform control and processing for multimedia reproduction and management. In addition, the processor 2050 may process an input transmitted from the user through the input unit 2020 and output the result through the output unit 2030 . Also, as described above, the processor 2050 may store or retrieve data necessary for controlling the operation of the electronic device 2000 in the memory 2040 . At least one of the processor 2050 and the memory 2040 may include a semiconductor device according to various embodiments of the present disclosure as described above with reference to FIGS. 3 to 5C and FIGS. 8 to 10 .

도 13은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 시스템을 보여주는 개략도이다.13 is a schematic diagram illustrating a system including a semiconductor device according to example embodiments.

도 13을 참조하면, 시스템(3000)은 제어기(3100), 입/출력 장치(3200), 메모리(3300) 및 인터페이스(3400)를 포함할 수 있다. 시스템(3000)은 모바일 시스템 또는 정보를 전송하거나 전송받는 시스템일 수 있다. 상기 모바일 시스템은 PDA, 휴대용 컴퓨터(portable computer), 웹 타블렛(web tablet), 무선 폰(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어(digital music player) 또는 메모리 카드(memory card)일 수 있다. Referring to FIG. 13 , a system 3000 may include a controller 3100 , an input/output device 3200 , a memory 3300 , and an interface 3400 . The system 3000 may be a mobile system or a system for transmitting or receiving information. The mobile system may be a PDA, a portable computer, a web tablet, a wireless phone, a mobile phone, a digital music player, or a memory card. can

제어기(3100)는 프로그램을 실행하고, 시스템(3000)을 제어하는 역할을 할 수 있다. 제어기(3100)는, 예를 들어 마이크로프로세서(microprocessor), 디지털 신호 처리기(digital signal processor), 마이크로콘트롤러(microcontroller) 또는 이와 유사한 장치일 수 있다. The controller 3100 may serve to execute a program and control the system 3000 . The controller 3100 may be, for example, a microprocessor, a digital signal processor, a microcontroller, or a similar device.

입/출력 장치(3200)는 시스템(3000)의 데이터를 입력 또는 출력하는데 이용될 수 있다. 시스템(3000)은 입/출력 장치(3200)를 이용하여 외부 장치, 예컨대 개인용 컴퓨터 또는 네트워크에 연결되어, 외부 장치와 서로 데이터를 교환할 수 있다. 입/출력 장치(3200)는, 예를 들어 키패드(keypad), 키보드(keyboard) 또는 표시장치(display)일 수 있다. The input/output device 3200 may be used to input or output data of the system 3000 . The system 3000 may be connected to an external device, for example, a personal computer or a network, using the input/output device 3200 to exchange data with the external device. The input/output device 3200 may be, for example, a keypad, a keyboard, or a display.

메모리(3300)는 제어기(3100)의 동작을 위한 코드 및/또는 데이터를 저장하거나, 및/또는 제어기(3100)에서 처리된 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(3300)는 본 발명의 실시예들 중 어느 하나에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다. The memory 3300 may store codes and/or data for operation of the controller 3100 , and/or store data processed by the controller 3100 . The memory 3300 may include the semiconductor device according to any one of the embodiments of the present invention.

인터페이스(3400)는 시스템(3000)과 외부의 다른 장치 사이의 데이터 전송통로일 수 있다. 제어기(3100), 입/출력 장치(3200), 메모리(3300) 및 인터페이스(3400)는 버스(3500)를 통하여 서로 통신할 수 있다.The interface 3400 may be a data transmission path between the system 3000 and another external device. The controller 3100 , the input/output device 3200 , the memory 3300 , and the interface 3400 may communicate with each other through the bus 3500 .

제어기(3100) 또는 메모리(3300) 중 적어도 하나는 도 3 내지 도 5c, 및 도 8 내지 도 10을 참조하여 상술한 것과 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반도체 장치를 포함할 수 있다.
At least one of the controller 3100 or the memory 3300 may include a semiconductor device according to various embodiments of the present disclosure as described above with reference to FIGS. 3 to 5C and FIGS. 8 to 10 .

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 변경이 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 will be possible by those skilled in the art within the scope not departing from the technical spirit of the present invention described in the claims, and this also falls within the scope of the present invention. something to do.

CH: 채널홀 100: 반도체 장치
101: 기판 105: 불순물 영역
107: 에피택셜층 110: 희생층
120: 층간 절연층 130: 게이트 전극
140: 채널 영역 150: 게이트 유전층
152: 터널링층 154: 전하 저장층
156: 블록킹층 160: 채널 패드
162: 채널 절연층 164: 매립 절연층
170: 도전층 180: 제1 절연층
182: 제1 마스크층 184: 제2 마스크층
186: 제3 마스크층 188: 제2 절연층
190: 콘택 플러그 195: 비트 라인
CH: channel hole 100: semiconductor device
101: substrate 105: impurity region
107: epitaxial layer 110: sacrificial layer
120: interlayer insulating layer 130: gate electrode
140: channel region 150: gate dielectric layer
152: tunneling layer 154: charge storage layer
156: blocking layer 160: channel pad
162: channel insulating layer 164: buried insulating layer
170: conductive layer 180: first insulating layer
182: first mask layer 184: second mask layer
186: third mask layer 188: second insulating layer
190: contact plug 195: bit line

Claims (20)

기판 상에 수직하게 적층되는 게이트 전극들;
상기 게이트 전극들을 관통하여 상기 기판에 수직하게 연장되며, 채널 영역이 각각 배치되는 채널홀들;
상기 채널홀들 각각의 상단에서 상기 채널 영역과 연결되도록 배치되며, 볼록한 상면을 갖는 채널 패드들; 및
상기 채널 패드들의 상기 상면 주위에서 경계면을 갖도록 배치되는 제1 및 제2 절연층들을 포함하고,
상기 채널 패드들은, 상기 채널홀들 및 하부에 배치되는 상기 제1 절연층으로부터, 상부에 배치되는 상기 제2 절연층 내로 돌출되어 배치되고,
상기 채널 영역은 상기 제1 절연층으로부터 돌출된 반도체 장치.
gate electrodes vertically stacked on the substrate;
channel holes extending perpendicular to the substrate through the gate electrodes and having channel regions respectively;
channel pads disposed on top of each of the channel holes to be connected to the channel region and having a convex top surface; and
first and second insulating layers disposed to have an interface around the upper surfaces of the channel pads;
The channel pads are disposed to protrude from the channel holes and the lower first insulating layer into the second insulating layer disposed thereon,
The channel region protrudes from the first insulating layer.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 채널 패드들은 상기 상면과 반대 방향을 향하여 볼록한 하면을 갖는 반도체 장치.
The method of claim 1,
The channel pads have a lower surface convex in a direction opposite to the upper surface.
제1 항에 있어서,
각각의 상기 채널홀들 내에서 상기 채널 영역의 내측에 배치되며, 상기 기판을 향하여 볼록한 상면을 갖는 채널 절연층을 더 포함하는 반도체 장치.
The method of claim 1,
and a channel insulating layer disposed inside the channel region in each of the channel holes and having an upper surface convex toward the substrate.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 채널 패드들은 p형 또는 n형 불순물을 포함하는 반도체 장치.
The method of claim 1,
The channel pads include p-type or n-type impurities.
제1 항에 있어서,
상기 게이트 전극들과 상기 채널 영역의 사이에 배치되는 게이트 유전층을 더 포함하고,
상기 게이트 유전층은 상기 채널홀 내에서 상기 채널 패드의 측면으로 연장되는 반도체 장치.
The method of claim 1,
Further comprising a gate dielectric layer disposed between the gate electrodes and the channel region,
and the gate dielectric layer extends from the channel hole to a side surface of the channel pad.
제1 항에 있어서,
상기 채널 영역은 상기 채널홀 내에서 상기 채널 패드의 측면으로 연장되는 반도체 장치.
The method of claim 1,
The channel region extends to a side surface of the channel pad in the channel hole.
제1 항에 있어서,
상기 채널 패드들은 상기 상면보다 하면의 폭이 작은 반도체 장치.
The method of claim 1,
The channel pads have a lower width than the upper surface of the semiconductor device.
기판 상에 수직하게 적층되는 게이트 전극들;
상기 게이트 전극들을 관통하여 상기 기판에 수직하게 연장되며, 채널 영역이 각각 배치되는 채널홀들;
상기 채널홀들 각각의 상단에 배치되며, 서로 다른 방향으로 굴곡을 갖는 상면 및 하면을 갖는 채널 패드들; 및
상기 채널 패드들의 상기 상면 주위에서 경계면을 갖도록 배치되는 제1 및 제2 절연층들을 포함하고,
상기 채널 패드들은, 상기 채널홀들 및 하부에 배치되는 상기 제1 절연층으로부터, 상부에 배치되는 상기 제2 절연층 내로 돌출되어 배치되고,
상기 채널 영역은 상기 제1 절연층으로부터 돌출된 반도체 장치.
gate electrodes vertically stacked on the substrate;
channel holes extending perpendicular to the substrate through the gate electrodes and having channel regions respectively;
channel pads disposed on top of each of the channel holes and having upper and lower surfaces curved in different directions; and
first and second insulating layers disposed to have an interface around the upper surfaces of the channel pads;
The channel pads are disposed to protrude from the channel holes and the lower first insulating layer into the second insulating layer disposed thereon,
The channel region protrudes from the first insulating layer.
기판 상에 희생층들 및 층간 절연층들을 교대로 적층하여 적층 구조물을 형성하는 단계;
상기 적층 구조물 상에 절연층 및 마스크층을 형성하는 단계;
상기 마스크층을 이용하여, 상기 적층 구조물 및 상기 절연층을 관통하는 채널홀들을 형성하는 단계;
상기 채널홀들의 측벽에 게이트 유전층들 및 채널 영역들을 형성하는 단계;
상기 채널홀들의 하부를 매립하는 채널 절연층들을 형성하는 단계;
상기 채널 절연층들 상에 상기 채널홀들의 상부를 매립하며 상기 마스크층 상으로 연장되는 도전층을 형성하는 단계; 및
상기 채널홀들 내에만 잔존하도록 상기 마스크층의 상부에서 상기 도전층을 제거하여, 볼록한 상면을 갖는 채널 패드들을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
forming a stacked structure by alternately stacking sacrificial layers and interlayer insulating layers on a substrate;
forming an insulating layer and a mask layer on the laminate structure;
forming channel holes penetrating the stacked structure and the insulating layer by using the mask layer;
forming gate dielectric layers and channel regions on sidewalls of the channel holes;
forming channel insulating layers filling the lower portions of the channel holes;
forming a conductive layer on the channel insulating layers to fill the upper portions of the channel holes and extend onto the mask layer; and
and forming channel pads having a convex top surface by removing the conductive layer from an upper portion of the mask layer so as to remain only in the channel holes.
제11 항에 있어서,
상기 채널 패드들을 형성하는 단계에서, 상기 도전층은 평탄화 공정을 이용하여 제거되며, 상기 평탄화 공정 중에 상기 절연층을 정지층으로 이용하는 반도체 장치의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
In the forming of the channel pads, the conductive layer is removed using a planarization process, and the insulating layer is used as a stop layer during the planarization process.
제12 항에 있어서,
상기 평탄화 공정 중에, 상기 마스크층이 전부 제거되고 상기 절연층은 제거되지 않는 반도체 장치의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
During the planarization process, all of the mask layer is removed and the insulating layer is not removed.
제11 항에 있어서,
상기 채널 패드들의 상면은 적어도 일부가 상기 절연층으로부터 돌출되는 반도체 장치의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
At least a portion of upper surfaces of the channel pads protrude from the insulating layer.
제11 항에 있어서,
상기 마스크층은 하부에 형성되는 제1 마스크층 및 상기 제1 마스크층 상에 형성되는 제2 마스크층을 포함하고,
상기 채널 패드들을 형성하는 단계는,
상기 제2 마스크층을 정지층으로 이용하여 상기 도전층의 일부를 제거하는 단계; 및
상기 절연층을 정지층으로 이용하여 상기 제1 마스크층 및 상기 도전층의 일부를 제거하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
The mask layer includes a first mask layer formed below and a second mask layer formed on the first mask layer,
The forming of the channel pads comprises:
removing a portion of the conductive layer using the second mask layer as a stop layer; and
and removing a portion of the first mask layer and the conductive layer by using the insulating layer as a stop layer.
제15 항에 있어서,
상기 채널 절연층들을 형성하는 단계 이후에, 상기 제1 마스크층을 정지층으로 이용하여, 평탄화 공정에 의해 상기 제2 마스크층을 제거하는 단계를 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
and removing the second mask layer by a planarization process using the first mask layer as a stop layer after forming the channel insulating layers.
제11 항에 있어서,
상기 채널 절연층들을 형성하는 단계는,
상기 채널홀들을 매립하도록 절연 물질을 증착하는 단계; 및
상기 채널홀들의 상단에서 상기 절연 물질이 제거되도록 에치-백 공정을 수행하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
The forming of the channel insulating layers comprises:
depositing an insulating material to fill the channel holes; and
and performing an etch-back process to remove the insulating material from upper ends of the channel holes.
제17 항에 있어서,
상기 에치-백 공정에 의해 상기 채널 절연층들은 상기 기판을 향하여 볼록한 상면을 갖게 되는 반도체 장치의 제조 방법.
18. The method of claim 17,
The method of manufacturing a semiconductor device in which the channel insulating layers have a convex top surface toward the substrate by the etch-back process.
제11 항에 있어서,
상기 절연층의 두께는 상기 채널 패드의 두께의 1.5 배 내지 2.5 배의 범위인 반도체 장치의 제조 방법.
12. The method of claim 11,
The thickness of the insulating layer is in the range of 1.5 to 2.5 times the thickness of the channel pad.
기판 상에 희생층들 및 층간 절연층들을 교대로 적층하여 적층 구조물을 형성하는 단계;
상기 적층 구조물 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 적층 구조물 및 상기 절연층을 관통하는 채널홀들을 형성하는 단계;
상기 채널홀들 내에 게이트 유전층들, 채널 영역들 및 채널 절연층들을 형성하는 단계; 및
상기 채널홀들의 상단에 볼록한 상면을 가지며, 상기 절연층으로부터 적어도 일부가 돌출되는 채널 패드들을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
forming a stacked structure by alternately stacking sacrificial layers and interlayer insulating layers on a substrate;
forming an insulating layer on the laminate structure;
forming channel holes penetrating the multilayer structure and the insulating layer;
forming gate dielectric layers, channel regions and channel insulating layers in the channel holes; and
and forming channel pads having convex top surfaces on top of the channel holes and protruding at least a portion of the insulating layer.
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