KR20120132671A - Memory Devices Having A Cache Memory Array, In Which Chapter Data Can Be Stored, And Methods Of Operating The Same - Google Patents

Memory Devices Having A Cache Memory Array, In Which Chapter Data Can Be Stored, And Methods Of Operating The Same Download PDF

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KR20120132671A
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    • H10B63/80Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays
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    • H01L27/04Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0688Integrated circuits having a three-dimensional layout

Abstract

PURPOSE: A memory device and an operation method thereof are provided to effectively reduce writing and/or reading disturbance in 3-dimensional memory devices and energy consumption. CONSTITUTION: Three main memory arrays(MMA) comprises memory cells which stores block data. A cache memory array(CMA) comprises cache cells which stores chapter data. The cache cells are formed by using different memory elements with the memory cells. A bit line structure comprises bit lines for transmitting page data. A bit line decoder is connected to the cache memory array through the bit line structure.

Description

챕터 데이터가 저장될 수 있는 캐쉬 메모리 어레이를 구비하는 메모리 장치 및 그 동작 방법{Memory Devices Having A Cache Memory Array, In Which Chapter Data Can Be Stored, And Methods Of Operating The Same}Memory Devices Having A Cache Memory Array, In Which Chapter Data Can Be Stored, And Methods Of Operating The Same}

본 발명은 챕터 데이터 처리가 가능한 메모리 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a memory device capable of processing chapter data.

3차원적으로 배열되면서 재기록이 가능한 메모리 셀들을 포함하는, 다양한 3차원 메모리 장치들이 제안되어 왔다. 예를 들면, BiCS, P-BiCS, TCAT, VGNAND 및 VSAT 등과 같은 3차원 플래쉬 메모리 장치들 및 3차원 크로스-포인트 메모리 장치들이 활발하게 연구되고 있다. Various three-dimensional memory devices have been proposed, including memory cells that are three-dimensionally arranged and rewritable. For example, three-dimensional flash memory devices and three-dimensional cross-point memory devices such as BiCS, P-BiCS, TCAT, VGNAND and VSAT are actively studied.

3차원 메모리 장치들은 기판 상에 차례로 적층된 복수의 수평 전극들(예를 들면, 3D NAND 플래시 장치의 워드라인들)을 포함할 수 있다. 연결 구조에서의 복잡성을 피하기 위해, 상기 수평 전극들 중에서 동일한 높이에 위치하는 복수의 것들은 전기적으로 서로 연결된다. 이러한 병렬적 연결 구조의 결과로서, 3차원 메모리 장치들은 프로그램 및 읽기 교란 문제에 취약하다. The 3D memory devices may include a plurality of horizontal electrodes (eg, word lines of a 3D NAND flash device) that are sequentially stacked on a substrate. In order to avoid complexity in the connection structure, a plurality of the horizontal electrodes located at the same height are electrically connected to each other. As a result of this parallel connection scheme, three-dimensional memory devices are vulnerable to program and read disturb problems.

본 발명의 일부 실시예들은 쓰기 및/또는 읽기 교란을 억제할 수 있는 3차원 메모리 장치들 및 그 동작 방법들을 제공한다. Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices capable of suppressing write and / or read disturb and methods of operation thereof.

본 발명의 일부 실시예들은 쓰기 및/또는 읽기 동작의 속도를 향상시킬 수 있는 3차원 메모리 장치들 및 그 동작 방법들을 제공한다. Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices and methods of operating the same that can speed up write and / or read operations.

본 발명의 실시예들에 따른 3차원 반도체 장치들은 페이지 이상의 데이터(예를 들면, 2차원적 챕터 데이터)를 저장하도록 구성된 캐쉬 메모리 어레이를 구비한다. 상기 캐쉬 메모리 어레이는 3차원적으로 배열된 메모리 셀들을 포함하는 메인 메모리 어레이와 주변 회로 영역(예를 들면, 비트라인 디코더 또는 페이지 버퍼) 사이에 제공된다. 상기 캐쉬 메모리 어레이의 사용은, 3차원의 메인 메모리 어레이와 1차원의 페이지 버퍼 사이의 차원 차이에 의해 초래되는, 데이터 교환에서의 기술적 어려움들(예를 들면, 쓰기/읽기 교란 또는 불필요한 에너지 소모)을 해결하는 것을 가능하게 한다. 이에 더하여, 상기 캐쉬 메모리 어레이가 상기 메인 메모리 어레이에 비해 빠른 동작 속도를 갖는 메모리 요소들을 사용하여 구현될 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이를 사용하지 않는 경우에 비해, 상기 메인 메모리 어레이에 대한 읽기 및 쓰기 동작의 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있다. Three-dimensional semiconductor devices according to embodiments of the present invention include a cache memory array configured to store more than one page of data (eg, two-dimensional chapter data). The cache memory array is provided between a main memory array including three-dimensionally arranged memory cells and a peripheral circuit area (eg, a bitline decoder or page buffer). The use of the cache memory array is a technical challenge in data exchange (e.g., write / read disturbance or unnecessary energy consumption) caused by the dimensional difference between the three-dimensional main memory array and the one-dimensional page buffer. Makes it possible to solve the problem. In addition, when the cache memory array is implemented using memory elements having a faster operating speed than the main memory array, read and write operations to the main memory array are compared to when the cache memory array is not used. It can dramatically improve the speed of.

상기 캐쉬 메모리 어레이의 사용에 의해, 3차원 메모리 장치들에서의 쓰기 및/또는 읽기 교란 그리고 에너지 소모를 효과적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 쓰기 및/또는 읽기 동작의 속도를 향상시킬 수 있다. The use of the cache memory array can effectively reduce write and / or read disturb and energy consumption in three-dimensional memory devices, as well as speed up write and / or read operations.

도 1은 3차원 메모리 장치들의 셀 어레이 구조를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명이 적용될 수 있는 3차원 메모리 장치의 메인 메모리 어레이의 두 가지 다른 구조들을 예시적으로 도시하는 사시도들이다.
도 4은, 본 발명이 적용될 수 있는, 3차원 메모리 장치의 셀 어레이 구조의 가능한 실시예들의 일부를 예시적으로 보여주는 표이다.
도 5 내지 도 8은 도 4에 열거된 실시예들의 일부에 따른 셀 어레이 구조들을 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
도 9 및 도 10는 도 5 및 도 8에 도시된 구조들의 예들을 개략적으로 보여주는 도면들이다.
도 11은 본 발명이 적용될 수 있는 3차원 메모리 장치의 메인 메모리 어레이의 계층 구조를 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 동작의 일 측면을 개략적으로 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치에서 수행되는 동작들을 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 14 및 도 15는, 각각, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 읽기 동작의 한 예를 개략적으로 도시하는 순서도 및 개략도이다.
도 16 및 도 17는, 각각, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 쓰기 동작의 한 예를 개략적으로 도시하는 순서도 및 개략도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 읽기 또는 쓰기 동작의 한 예를 개략적으로 도시하는 개략도이다.
도 19는 본 발명의 실시예들과 종래 기술에 따른 동작 방법들을 교란 횟수의 측면에서 비교한 그래프이다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 실시예들과 종래 기술에 따른 읽기 및 쓰기 동작들 사이의 소요 시간들을 비교한 그래프들이다.
도 22 내지 도 28은 캐쉬 메모리 어레이를 위해 사용될 수 있는 메모리 요소들 중의 일부를 예시적으로 도시하는 도면들이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 도시하는 사시도이다.
도 30 내지 도 40은 도 29의 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 41 및 도 42는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 도시하는 사시도 및 평면도이다.
도 43 내지 도 48은 도 41 및 도 42의 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 49는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 장치 및 그 동작의 일부를 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 50 및 도 51은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 몇몇 동작들을 구현하기 위한 전기적 신호의 경로를 예시적으로 도시하는 표들이다.
도 52 내지 도 54은 본 발명의 일부 실시예에 따른 3차원 메모리 장치의 몇가지 동작들을 개략적으로 보여주는 도면들이다.
도 55은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 메모리 장치의 캐쉬 어레이 구조를 개략적으로 보여주는 회로도이다.
도 56은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치 및 동작 전류의 경로들을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 57 및 도 58는 본 발명의 일부 실시예들의 일 측면 또는 2차원 메모리 장치에 적용되는 본 발명의 실시예들을 예시적으로 도시하는 도면들이다.
도 59 및 도 60는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 반도체 메모리 장치들을 도시하는 회로도들이다.
도 61 및 도 62는 본 발명의 변형된 실시예들의 일부를 도시하는 개략적인 회로도들이다.
도 63 내지 도 67은 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들의 구조들을 예시적으로 보여주는 개략적인 사시도들이다.
도 68 및 도 69는 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들를 구비하는 반도체 칩들을 예시적으로 도시하는 개략도들이다.
도 70 및 도 71은, 각각, 분산된 부분 캐쉬 메모리 어레이들을 포함하는 본 발명의 실시예들을 예시적으로 도시하는 블록도 및 사시도이다.
도 72은 본 발명에 따른 메모리 장치를 포함하는 전자 제품을 도시하는 개략도이다.
1 is a schematic cross-sectional view showing a cell array structure of three-dimensional memory devices.
2 and 3 are perspective views illustrating two different structures of the main memory array of the three-dimensional memory device to which the present invention can be applied.
4 is a table illustratively showing some of the possible embodiments of a cell array structure of a three-dimensional memory device, to which the present invention may be applied.
5 through 8 are cross-sectional views schematically illustrating cell array structures in accordance with some of the embodiments listed in FIG. 4.
9 and 10 are schematic views showing examples of the structures shown in FIGS. 5 and 8.
FIG. 11 is a diagram illustrating a hierarchical structure of a main memory array of a 3D memory device to which the present invention can be applied.
12 is a view provided to schematically explain one aspect of the operation according to the embodiments of the present invention.
FIG. 13 is a diagram exemplarily illustrating operations performed in a 3D memory device according to some embodiments of the inventive concept.
14 and 15 are flowcharts and schematic diagrams schematically illustrating an example of a read operation according to some embodiments of the present invention, respectively.
16 and 17 are flowcharts and schematic diagrams schematically illustrating an example of a write operation according to some embodiments of the present invention, respectively.
18 is a schematic diagram schematically showing an example of a read or write operation according to other embodiments of the present invention.
19 is a graph comparing embodiments of the present invention and operating methods according to the related art in terms of the number of disturbances.
20 and 21 are graphs comparing the time required between read and write operations according to the embodiments of the present invention and the prior art.
22 through 28 are diagrams exemplarily showing some of the memory elements that can be used for the cache memory array.
29 is a perspective view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
30 to 40 are diagrams for describing an operation of the semiconductor device of FIG. 29.
41 and 42 are a perspective view and a plan view showing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
43 to 48 are diagrams for describing an operation of the semiconductor device of FIGS. 41 and 42.
49 is a diagram illustrating a semiconductor device and a part of an operation thereof according to example embodiments of the inventive concepts.
50 and 51 are tables exemplarily illustrating paths of electrical signals for implementing some operations of a 3D memory device according to some embodiments of the inventive concept.
52 to 54 are views illustrating some operations of a 3D memory device according to some embodiments of the present invention.
55 is a circuit diagram schematically illustrating a cache array structure of a 3D memory device according to another embodiment of the present invention.
56 is a diagram schematically illustrating paths of a 3D memory device and an operating current according to some embodiments of the present invention.
57 and 58 exemplarily illustrate embodiments of the present invention applied to an aspect or a two-dimensional memory device of some embodiments of the present invention.
59 and 60 are circuit diagrams illustrating three-dimensional semiconductor memory devices according to some embodiments of the inventive concept.
61 and 62 are schematic circuit diagrams illustrating some of the modified embodiments of the present invention.
63 through 67 are schematic perspective views illustrating exemplary structures of main and cache memory arrays.
68 and 69 are schematic diagrams illustratively showing semiconductor chips having main and cache memory arrays.
70 and 71 are block diagrams and perspective views illustratively showing embodiments of the present invention that include distributed partial cache memory arrays, respectively.
72 is a schematic diagram illustrating an electronic product including a memory device according to the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다. 또한, 도면의 구성 요소들의 크기 및 두께 등은 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용될 수 있지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제 2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 본 명세서에서 '및/또는'이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
In the present specification, when it is mentioned that a film (or layer) is on another film (or layer) or substrate, it may be formed directly on another film (or layer) or substrate or a third film between them. (Or layers) may be interposed. In addition, the size and thickness of the components of the drawings may be exaggerated for clarity. In addition, in various embodiments of the present specification, the terms first, second, third, etc. may be used to describe various regions, films (or layers), etc., but these regions, films, It should not be limited. These terms may only be used to distinguish any given region or film (or layer) from other regions or films (or layers). Therefore, the film quality referred to as the first film quality in one embodiment may be referred to as the second film quality in other embodiments. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. The expression 'and / or' is used herein to mean at least one of the components listed before and after. Like numbers refer to like elements throughout the specification.

여기에서 언급되는 기술 용어들은 아래의 의미로서 사용될 수 있다. 비트라인은 메모리 셀에 저장된 정보(즉, 전기적 신호)를 주변회로(예를 들면, 센싱 회로, 디코더 또는 페이지 버퍼 등)으로 전송하는데 이용되거나 외부 데이터를 메모리 셀로 전송하는 데 이용되는 신호 전송 라인을 의미한다. 워드라인은 하나의 비트라인에 접속하는 복수의 메모리 셀들 중의 일부를 선택하는데 이용되는 신호를 전송하도록 구성된 라인을 의미한다. The technical terms referred to herein may be used as the following meanings. A bit line is a signal transmission line used to transmit information (ie, an electrical signal) stored in a memory cell to a peripheral circuit (for example, a sensing circuit, a decoder, or a page buffer) or to transmit external data to a memory cell. it means. The word line refers to a line configured to transmit a signal used to select some of a plurality of memory cells connected to one bit line.

메모리 셀은 전하 저장이 가능한 물질 또는 박막 구조, 가변 저항 특성을 나타내는 물질 또는 박막 구조(예를 들면, PCM, MTJ, )를 포함하는 영역을 의미할 수 있다. 하지만, 본 발명은 특정한 유형의 메모리 셀에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들은 사용되는 메모리 셀의 특성에 기초하여 세분화되고 또한 다양화될 수 있다. The memory cell may mean a region including a material or a thin film structure capable of charge storage and a material or a thin film structure (eg, PCM, MTJ,) exhibiting variable resistance characteristics. However, the present invention is not limited to a particular type of memory cell. For example, embodiments of the present invention may be subdivided and diversified based on the characteristics of the memory cell used.

인접하는 메모리 셀들은 공간적으로 서로 분리된 국소화된 패턴들의 형태로서 또는 서로 연결된 적어도 일부분을 포함하는 구조로서 제공될 수 있다. Adjacent memory cells may be provided in the form of localized patterns spatially separated from each other or as a structure including at least a portion connected to each other.

배선 또는 와이어는 낮은 비저항을 갖는 물질로 형성되는 도전 패턴을 의미할 수 있다. 예를 들면, 이들은 (이에 한정되는 것은 아니지만) 금속 또는 고농도의 반도체 물질일 수 있지만, 유기물 또는 나노 튜브 또는 그래핀 등과 같은 탄소 나노 구조체가 상기 배선 또는 와이어를 구현하기 위해 사용될 수도 있다. The wiring or the wire may refer to a conductive pattern formed of a material having a low specific resistance. For example, they may be metals or high concentrations of semiconductor materials (but not limited to these), but organic materials or carbon nanostructures such as nanotubes or graphene may also be used to implement the interconnects or wires.

일부 실시예들에 따르면, 상기 주변 회로와의 데이터 교환은 광학적 신호의 형태로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 배선 또는 상기 비트라인은 광 도파로의 형태로 제공되고, 상기 주변회로는 스타커플러 등과 같은 다중화기(multiplexer)를 포함할 수 있다. According to some embodiments, the data exchange with the peripheral circuit may be in the form of an optical signal. In this case, the wiring or the bit line may be provided in the form of an optical waveguide, and the peripheral circuit may include a multiplexer such as a star coupler.

비록, 도면에서, 'F'는 해당 요소가 전기적으로 플로팅 상태에 있음을 나타내기 위해 사용되었지만, 이는 설명의 간결함을 위한 것일 뿐, 해당 요소에는 이를 경유하는 전류 경로가 생성되는 것을 방지할 수 있는 전압이 인가될 수도 있다.
Although, in the figure, 'F' is used to indicate that the element is in an electrically floating state, this is merely for the sake of brevity of description and can prevent the element from generating a current path through it. Voltage may be applied.

도 1는, 기판(SUB) 상에 제공된 메인 메모리 어레이(MMA), 배선 구조체(UWS) 및 외부 수평 구조체(EHL)를 포함하는, 3차원 메모리 장치들의 일반적인 셀 어레이 구조를 도시한다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 3차원적으로 배열된 메모리 셀들 및 상기 메모리 셀들을 연결하는 셀 와이어들을 포함할 수 있다. 1 shows a general cell array structure of three-dimensional memory devices, including a main memory array MMA, a wiring structure UWS, and an external horizontal structure EHL provided on a substrate SUB. The main memory array MMA may include three-dimensionally arranged memory cells and cell wires connecting the memory cells.

예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 (1) 다행 및 다열 구조를 형성하면서 (즉, 2차원적으로) 상기 기판(SUB) 상에 배열되는 수직 라인들(VL), (2) 다층 및 다열 구조를 형성하면서 상기 수직 라인들(VL)을 가로지르는 복수의 수평 라인들(IHL), 및 (3) 상기 수직 및 수평 라인들(VL, IHL)의, 3차원적으로 배열된, 교차점들에 제공되는 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있다. 또는, 도 3에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 (1) 다층 및 다열 구조를 형성하는 제 1 수평 라인들(HLx), (2) 다층 및 다행 구조를 형성하는 제 2 수평 라인들(HLy), 및 (3) 이들의 교차점들에 제공되는 상기 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있다.For example, as shown in FIG. 2, the main memory array MMA includes (1) vertical lines arranged on the substrate SUB while forming (i.e., two-dimensionally) a multi-line and multi-row structure. VL), (2) a plurality of horizontal lines IHL across the vertical lines VL while forming a multi-layer and multi-row structure, and (3) of the vertical and horizontal lines VL, IHL, 3 It may include memory cells MC provided at intersections, which are arranged dimensionally. Alternatively, as shown in FIG. 3, the main memory array MMA includes (1) first horizontal lines HLx forming a multilayer and multi-row structure, and (2) second horizontal lines forming a multi-layer and glad structure. And HLy, and (3) the memory cells MC provided at their intersections.

상기 수직 및 수평 라인들(VL, HL)은, 각각, 상기 배선 구조체(UWS) 및 상기 외부 수평 구조체(EHL) 각각 또는 모두를 경유하여, 주변 회로에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 도 2의 구조를 채용하는 일부 실시예에서, 상기 배선 구조체(UWS)는 상기 수직 라인들(VL)에 전기적으로 연결되는 비트라인들(BL)로서 사용되고, 상기 외부 수평 구조체(EHL)는 상기 수평 라인들(IHL)에 전기적으로 연결되는 (전역적) 워드라인들(WL)로서 사용될 수 있다. 하지만, 이러한 연결 구조는 메모리 장치의 유형에 따라 다양하게 변형될 수 있으며, 본 발명의 실시예들이 특정한 하나의 연결 구조에 한정되는 것은 아니다.
The vertical and horizontal lines VL and HL may be electrically connected to a peripheral circuit via each or all of the wiring structure UWS and the external horizontal structure EHL, respectively. For example, in some embodiments employing the structure of FIG. 2, the wiring structure UWS is used as bit lines BL electrically connected to the vertical lines VL and the external horizontal structure EHL. ) May be used as (global) wordlines WL electrically connected to the horizontal lines IHL. However, the connection structure may be variously modified according to the type of memory device, and embodiments of the present invention are not limited to one specific connection structure.

본 발명의 실시예들에 따르면, 3차원 메모리 장치는 도 4 내지 도 10에 도시된 것처럼 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함할 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 셀 어레이 영역 상에 위치할 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가, 예를 들면, 적어도 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 비트라인들에 연결되는 주변 회로(예를 들면, 비트라인 디코더(BLD) 및 센싱 회로(SA))와 사이에 배치됨을 의미한다. 또한, 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 주변 회로 영역에 배치되며 상기 비트라인들로부터 전송되는 또는 이들로 전송할 데이터를 보관하는 저장 공간(예를 들면, 페이지 버퍼)과 구별되는 저장 공간임을 의미한다. According to embodiments of the present invention, the 3D memory device may include a cache memory array CMA as shown in FIGS. 4 to 10. The cache memory array CMA may be located on a cell array region. This means that the cache memory array CMA is, for example, at least with peripheral circuits (eg, bit line decoders BLD and sensing circuits SA) connected to at least the main memory array MMA and bit lines. It means placed between. In addition, this means that the cache memory array CMA is a storage space that is disposed in a peripheral circuit area and is distinct from a storage space (for example, a page buffer) that stores data transferred from or to the bit lines. .

일부 실시예들에 따르면, 도 5 또는 도 9에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이에 위치할 수 있다. (이하, 이러한 구조를 제 1 기본 구조라고 부를 것이다.) 다른 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 상기 비트라인 구조체(BLS)와 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 사이에 위치할 수 있다. (이하, 이러한 구조를 제 2 기본 구조라고 부를 것이다.) 또 다른 실시예들에 따르면, 상기 비트라인 구조체(BLS)가 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 사이에 위치할 수 있다. (이하, 이러한 구조를 제 3 기본 구조라고 부를 것이다.) 이에 더하여, 상기 3차원 메모리 장치는 적어도 하나의 선택 구조체(SLS)를 포함할 수 있으며, 상기 선택 구조체(SLS)의 위치에 따라, 상기 제 1 기본 구조는 도 4에 도시된 것처럼 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 도 5에 도시된 제 1 기본 구조는, 도 8 및 도 10에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 사이에 위치하는 상기 선택 구조체(SLS)를 포함하도록 변형될 수 있다. 유사하게, 상기 제 2 및 제 3 기본 구조들 각각 역시 상기 제 1 기본 구조에 대한 변형 구조들과 같이 다양하게 변형될 수 있다. According to some embodiments, as shown in FIG. 5 or 9, the cache memory array CMA may be located between the main memory array MMA and the bit line structure BLS. According to other embodiments, the main memory array MMA may be located between the bit line structure BLS and the cache memory array CMA. have. In some embodiments, the bit line structure BLS may be located between the main memory array MMA and the cache memory array CMA. Can be. (Hereinafter, such a structure will be referred to as a third basic structure.) In addition, the three-dimensional memory device may include at least one selection structure SLS, and according to the position of the selection structure SLS, The first basic structure may be variously modified as shown in FIG. 4. For example, the first basic structure illustrated in FIG. 5 may include the selection structure SLS positioned between the cache memory array CMA and the main memory array MMA, as illustrated in FIGS. 8 and 10. It may be modified to include. Similarly, each of the second and third basic structures may also be variously modified, such as modified structures for the first basic structure.

상기 선택 구조체(SLS)는, 예를 들면, (1) 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 연결 라인들(예를 들면, 상기 수직 또는 수평 라인들(VL 또는 HL) 또는 상기 제 1 또는 제 2 수평 라인들(HLx 또는 HLy)) 중의 하나 또는 일부를 선택하거나 (2) 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구성하는 도전 라인들 중의 하나 또는 일부를 선택하는 것을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 상기 선택 구조체(SLS)와 관련된 기술적 특징들은 이후 도 22 내지 도 67을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. The selection structure SLS may include, for example, (1) connection lines constituting the main memory array MMA (for example, the vertical or horizontal lines VL or HL or the first or first). Two horizontal lines HLx or HLy) or (2) one or some of the conductive lines constituting the cache memory array CMA. Technical features related to the selection structure SLS will be described in more detail later with reference to FIGS. 22-67.

한편, 상기 비트라인 구조체(BLS)는, 도 5 내지 도 7에 차례로 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 상부, 하부 또는 측면에 배치되는, 상부 배선 구조체(UWS), 하부 배선 구조체(LWS) 또는 외부 수평 구조체(EHL)에 의해 구현될 수 있다. 이는, 상기 제 1 기본 구조가 상기 메인 메모리 어레이(MMA), 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 및 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이의 상술한 배치 또는 배열 순서에 의해 분류된 것이며, 상기 기판(SUB)에 대한 상대적 배치는 다양하게 또는 자유롭게 변형될 수 있음을 의미한다. 예를 들면, 상기 제 1 기본 구조는 도 5 및 도 6에 도시된 것처럼 서로 뒤집어진 형태들로서 구현되거나, 도 7에 도시된 것처럼 시계 또는 반시계 방향으로 90도 회전된 형태로서 구현될 수도 있다. 도 4에 분류된 구조들 각각 역시 상기 기판(SUB)에 대한 상대적 배치에서의 상술한 다양함 또는 자유를 가지고 구현될 수 있다. Meanwhile, the bit line structure BLS may be disposed on the upper, lower, or side surfaces of the main memory array MMA, as shown in FIGS. 5 through 7, and the upper wiring structure UWS and the lower wiring structure ( LWS) or an external horizontal structure (EHL). The first basic structure is classified by the above-described arrangement or arrangement order between the main memory array MMA, the cache memory array CMA, and the bit line structure BLS, and the substrate SUB. The relative arrangement with respect to means that it can be varied or freely modified. For example, the first basic structure may be embodied as inverted forms as shown in FIGS. 5 and 6, or may be embodied as rotated 90 degrees clockwise or counterclockwise as illustrated in FIG. 7. Each of the structures classified in FIG. 4 may also be implemented with the above-described variety or freedom in relative arrangement with respect to the substrate SUB.

상기 비트라인 구조체(BLS)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 연결 라인들에 전기적으로 접속하는 복수의 비트라인들로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 도 2의 구조로서 제공되는 일부 실시예들에서, 도 9 및 도 10에 도시된 것처럼, 상기 비트라인들 각각은 상기 수직 라인들(VL)의 열들 각각에 전기적으로 연결될 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 도 3의 구조로서 제공되는 일부 실시예들에서, 상기 비트라인들 각각은 상기 제 1 또는 제 2 수평 라인들(HLx 또는 HLy)의 열들 또는 층들 중의 상응하는 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
The bit line structure BLS may include a plurality of bit lines electrically connected to the connection lines forming the main memory array MMA. For example, in some embodiments in which the main memory array MMA is provided as the structure of FIG. 2, as shown in FIGS. 9 and 10, each of the bit lines has columns of the vertical lines VL. It can be electrically connected to each. Although not shown, in some embodiments in which the main memory array MMA is provided as the structure of FIG. 3, each of the bit lines is one of columns or layers of the first or second horizontal lines HLx or HLy. It can be electrically connected to the corresponding one.

도 11은 본 발명이 적용될 수 있는 3차원 메모리 장치의 메인 메모리 어레이의 계층 구조(hierarchy structure)를 예시적으로 도시하는 도면이다. 도 11을 참조하면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 적어도 하나의 블록을 포함할 수 있으며, 상기 블록은 하나 또는 복수의 (예를 들면, r개)의 챕터들을 포함할 수 있으며, 상기 챕터들 각각은 복수의 (예를 들면, q개)의 페이지들을 포함할 수 있으며, 상기 페이지들 각각은 복수의 (예를 들면, p개)의 셀들을 포함할 수 있다. FIG. 11 is a diagram exemplarily illustrating a hierarchy structure of a main memory array of a 3D memory device to which the present invention can be applied. Referring to FIG. 11, the main memory array MMA may include at least one block, and the block may include one or a plurality of (eg, r) chapters. Each may include a plurality of (eg q) pages, and each of the pages may include a plurality of (eg p) cells.

상기 블록은 어떤 동작이 독립적으로 수행될 수 있는 (예를 들면, 최대의) 데이터 크기 또는 셀들의 단위일 수 있다. 예를 들면, 낸드 플래시 메모리에 적용가능한 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 블록은 한번에 소거될 수 있는 데이터의 단위로서 사용될 수 있다. The block may be a unit of cells or data size (eg, maximum) in which an operation may be performed independently. For example, according to some embodiments of the invention applicable to NAND flash memory, a block can be used as a unit of data that can be erased at one time.

상기 챕터는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 또는 상기 블록을 구성하는 한 평면에 포함되는 데이터 또는 셀들을 의미할 수 있다. 다시 말해, 상기 챕터는 소정의 평면 상에 2차원적으로 배열된 데이터 또는 셀들로 구성된다. 여기서, 평면은 데이터-계층 구조적인 측면 또는 셀들의 물리적 배치의 측면에서의 평면을 의미하며, 그 평면의 방향은 상기 비트라인들 및 상기 워드라인들의 배치 및 이들을 사용하여 수행되는 동작 방식에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, (공면을 이루는 워드라인들이 전기적으로 연결되어 2차원적으로 배열된 메모리 셀들의 공통 게이트 전극으로 사용되는) BiCS 구조로 알려진 수직-채널형 3차원 낸드 플래시 메모리의 경우, 하나의 챕터는 (상기 공통 게이트 전극에 의해 제어되는) 상기 2차원적으로 배열된 메모리 셀들 또는 거기에 저장된 데이터로 구성될 수 있다. The chapter may refer to data or cells included in one plane of the main memory array (MMA) or the block. In other words, the chapter is composed of data or cells arranged two-dimensionally on a predetermined plane. Here, a plane means a plane in terms of a data-layer structural aspect or a physical arrangement of cells, and the direction of the plane is based on the arrangement of the bitlines and the wordlines and the manner of operation performed using them. Can be selected. For example, in the case of a vertical-channel three-dimensional NAND flash memory known as a BiCS structure (coplanar word lines are electrically connected and used as a common gate electrode of two-dimensionally arranged memory cells), one chapter is described. May be composed of the two-dimensionally arranged memory cells (controlled by the common gate electrode) or data stored therein.

상기 페이지는 상기 비트라인 구조체(BLS)(또는 UWS, LWS, EHL)를 통해 한번에 독출될 수 있는 데이터 크기를 의미한다. 상술한 것처럼, 각 비트라인이 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 연결 라인들 중의 복수의 것들에 전기적으로 연결되기 때문에, 상기 챕터를 구성하는 2차원 데이터 또는 상기 블록을 구성하는 3차원 데이터를 상기 비트라인 구조체(BLS)를 통해 한번에 입력 또는 출력시키는 것은 어려울 수 있다. 이에 따라, 통상의 경우, 도 12에 도시된 것처럼, 하나의 챕터를 구성하는 2차원 데이터 또는 하나의 블록을 구성하는 3차원 데이터는 1차원 데이터의 그룹들로 분할된 후, 상기 비트라인들의 통해 순차적으로 입력 또는 출력된다. 상기 페이지는 상기 1차원 데이터 그룹들 각각에 해당할 수 있다. The page refers to a data size that can be read out at one time through the bit line structure BLS (or UWS, LWS, EHL). As described above, since each bit line is electrically connected to a plurality of connection lines constituting the main memory array MMA, two-dimensional data constituting the chapter or three-dimensional data constituting the block It may be difficult to input or output at one time through the bit line structure BLS. Accordingly, as shown in FIG. 12, two-dimensional data constituting one chapter or three-dimensional data constituting one block is divided into groups of one-dimensional data, and then, through the bit lines. Input or output sequentially. The page may correspond to each of the one-dimensional data groups.

상기 셀은 상기 수직 라인들(VL) 및 상기 수평 라인들(IHL) 사이 또는 상기 제 1 및 제 2 수평 라인들(HLx 및 HLy) 사이의 교차점들 각각에 제공되는 정보 저장 공간을 의미한다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 셀은 싱글 또는 멀티 비트를 저장하도록 구성될 수 있다. The cell refers to an information storage space provided at each intersection between the vertical lines VL and the horizontal lines IHL or between the first and second horizontal lines HLx and HLy. In embodiments of the present invention, the cell may be configured to store single or multi bits.

상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 역시 챕터, 페이지 및 셀을 포함하는 상술한 계층 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 이에 더하여, 일부 실시예들에 따르면, 도 61에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 적어도 두 층의 챕터들을 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 역시 블록 구조를 가질 수 있다. 비록, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 yz 평면에 평행한 것으로 도 61에 도시되었지만, xz 또는 xy 평면에 평행하도록 구성될 수 있음은 자명하다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 및 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 적어도 두 개의 블록들을 포함하도록 구성될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 적어도 두 페이지 이상의 데이터를 저장할 수 있도록 구성된 메모리 셀들(이하, 캐쉬 셀들(CC))를 포함한다는 것을 의미한다.
The cache memory array CMA may also be configured to have the above-described hierarchical structure including chapters, pages, and cells. In addition, according to some embodiments, as shown in FIG. 61, the cache memory array CMA may include at least two chapters, in which case the cache memory array CMA may also have a block structure. Can have Although the cache memory array CMA is shown in FIG. 61 as being parallel to the yz plane, it is obvious that the cache memory array CMA may be configured to be parallel to the xz or xy plane. The main memory array MMA and the cache memory array CMA may be configured to include at least two blocks. This means that the cache memory array CMA includes memory cells configured to store at least two pages of data (hereinafter, cache cells CC).

본 발명의 다른 실시예들에 따른 3차원 반도체 장치는, 하나의 챕터 또는 하나의 페이지를 (예를 들면, 짝/홀 분할 또는 좌/우 분할에 기초하여) 복수의 섹션들을 포함하도록 분리하여 상기 섹션들 각각을 독립적으로 동작시키도록, 구성될 수 있다. 비록, 설명의 간결함을 위해, 이러한 분리된 섹션에 적용될 수 있는 본 발명의 가능한 실시예들에 대한 설명은 최소화될 것이지만, 상기 섹션 분리의 방법은 읽기 또는 쓰기 동작의 효율성 등을 고려하여 다양하게 변형될 수 있다. 따라서, 이러한 섹션 분리에 기초한 (예를 들면, 2차원 메모리 반도체들에 적용되는) 알려진 기술들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해 사용 또는 응용될 수 있으며, 그러한 사용 또는 응용은 본 발명의 실시예들의 일부로서 포함된다.
According to another embodiment of the present invention, a three-dimensional semiconductor device may include a chapter or a page divided into a plurality of sections (for example, based on a pair / hole division or a left / right division). It can be configured to operate each of the sections independently. Although, for the sake of brevity of description, the description of possible embodiments of the present invention that can be applied to such separate sections will be minimized, the method of section separation may be variously modified in view of the efficiency of read or write operations. Can be. Thus, known techniques based on such section separation (eg, applied to two-dimensional memory semiconductors) can be used or applied to implement the technical idea of the present invention, and such use or application is an embodiment of the present invention. Included as part of the

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 도 13에 도시된 것처럼, 상기 3차원 메모리 장치의 동작은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 저장된 정보를 주변회로(예를 들면, 페이지 버퍼 또는 센싱 회로)로 읽어내는 읽기 동작 및 주변 회로를 통해 제공되는 외부 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 저장하는 쓰기 동작을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 읽기 동작은 MM-CM 복사(S[RM]) 및 CM 읽기(S[RC]) 단계들을 포함하고, 상기 쓰기 동작은 CM 쓰기(S[WC]) 및 CM-MM 복사(S[WM])의 단계들을 포함할 수 있다. 설명의 간결함을 위해, 아래에서는 한 챕터 단위의 데이터에 대한 읽기 및 쓰기 동작이 예시적으로 설명될 것이다. 즉, 복수의 챕터 데이터는 아래에서 설명되는 동작을 반복함으로써 처리될 수 있다. According to some embodiments of the present invention, as shown in FIG. 13, the operation of the 3D memory device may transfer information stored in the main memory array MMA to a peripheral circuit (for example, a page buffer or a sensing circuit). The read operation may include a read operation and a write operation of storing external data provided through the peripheral circuit in the main memory array MMA. According to some embodiments, the read operation includes MM-CM copy (S [RM]) and CM read (S [RC]) steps, and the write operation includes CM write (S [WC]) and CM-. Steps of MM copy (S [WM]). For simplicity of explanation, below, read and write operations for data in one chapter will be described by way of example. That is, the plurality of chapter data can be processed by repeating the operation described below.

도 14에 도시된 것처럼, 상기 MM-CM 복사(S[RM])는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 저장된 데이터를 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)로 복사하는 과정을 의미한다. 상기 MM-CM 복사(S[RM])는, 도 15의 좌측에 도시된 것처럼, 챕터 단위의 데이터를 한번에 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)로 복사하도록 실시될 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 MM-CM 복사(S[RM])는, 그 각각은 두 페이지 단위 또는 그 이상의 데이터를 복사하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다. As illustrated in FIG. 14, the MM-CM copy S [RM] refers to a process of copying data stored in the main memory array MMA to the cache memory array CMA. The MM-CM copy S [RM] may be performed to copy chapter-based data into the cache memory array CMA at a time, as shown in the left side of FIG. 15. According to modified embodiments, the MM-CM copy S [RM] may include a plurality of substeps, each of which is implemented to copy data of two pages or more.

도 14에 도시된 것처럼, 상기 CM 읽기(S[RC])는 상기 비트라인 구조체(BLS)를 이용하여 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 데이터를 주변회로(예를 들면, 센싱 회로 또는 페이지 버퍼)로 전송하는 과정을 의미한다. 상기 CM 읽기(S[RC])는, 도 15의 우측에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 주변 회로로 전송하도록 실시되는, 복수 번의 캐쉬 페이지 읽기 단계들을 포함할 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM 읽기(S[RC])는, 그 각각은 페이지보다 작은 크기의 데이터를 전송하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 읽기(S[RC])의 상기 하부 단계들 각각은 하나 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. As shown in FIG. 14, the CM read S [RC] uses the bit line structure BLS to store data of the cache memory array CMA in a peripheral circuit (eg, a sensing circuit or a page buffer). Means the process of transmission. The CM read S [RC] may include a plurality of cache page read steps, each of which may be implemented to transmit data in units of pages to the peripheral circuit. According to modified embodiments, the CM read S [RC] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to transmit data of a size smaller than a page. For example, each of the substeps of the CM read S [RC] may be implemented to process one or more cell data.

도 16에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC])는 상기 비트라인 구조체(BLS)를 이용하여 외부 데이터를 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 기록하는 과정을 의미한다. 상기 CM 쓰기(S[WC])는, 도 17의 좌측에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 기록하도록 실시되는, 복수 번의 캐쉬 페이지 쓰기 단계들을 포함할 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM 쓰기(S[WC])는, 그 각각은 페이지보다 작은 크기의 데이터를 전송하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 쓰기(S[WC])의 상기 하부 단계들 각각은 비트, 바이트 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. As illustrated in FIG. 16, the CM write S [WC] refers to a process of writing external data to the cache memory array CMA using the bit line structure BLS. The CM write (S [WC]) may comprise a plurality of cache page write steps, each of which is implemented to write page-by-page data to the cache memory array CMA, as shown on the left side of FIG. Can be. According to modified embodiments, the CM write S [WC] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to transmit data of a size smaller than a page. For example, each of the substeps of the CM write S [WC] may be implemented to process bit, byte, or more cell data.

일부 실시예들에서, 데이터는, 랜덤 억세스 방식으로 또는 L1, L2 또는 L3 캐쉬에 대한 알려진 억세스 방식들에 기초하여, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)로부터 독출되거나 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 기록될 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 읽기(S[RC]) 및 상기 CM 쓰기(S[WC])는, 상술한 것처럼, 비트, 바이트, 워드, 또는 페이지 단위의 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 L1, L2 또는 L3 캐쉬들 중의 어느 하나로서 사용될 수 있으며, 현재 사용되는 DRAM 또는 SRAM의 기능을 구현하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 주변 회로는 상기 랜덤 억세스 방식 또는 상기 L1, L2 또는 L3 캐쉬 억세스 방식을 구현할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 주변 회로는 디램, 에스램 또는 노어 플래시 메모리 소자들에서 사용되는 구동 또는 디코딩 회로를 더 포함할 수 있다. In some embodiments, data may be read from or written to the cache memory array CMA in a random access manner or based on known access schemes for an L1, L2 or L3 cache. Can be. For example, the CM read (S [RC]) and the CM write (S [WC]) may be implemented to process data in units of bits, bytes, words, or pages, as described above. In some embodiments, the cache memory array CMA may be used as any one of L1, L2 or L3 caches and may be configured to implement the functionality of a DRAM or SRAM currently used. According to some embodiments, the peripheral circuit may be configured to implement the random access method or the L1, L2, or L3 cache access method. For example, the peripheral circuit may further include a driving or decoding circuit used in DRAM, SRAM or NOR flash memory devices.

상기 CM-MM 복사(S[WM])는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장된 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 복사하는 과정을 의미한다. 상기 CM-MM 복사(S[WM])는, 도 17의 우측에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장된 챕터 단위의 데이터를 한번에 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 소정 챕터에 복사하도록 실시될 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM-MM 복사(S[WM])는, 그 각각은 두 페이지 단위 또는 그 이상의 데이터를 복사하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다. The CM-MM copy S [WM] refers to a process of copying data stored in the cache memory array CMA to the main memory array MMA. The CM-MM copy S [WM] is configured to copy chapter-based data stored in the cache memory array CMA to predetermined chapters of the main memory array MMA at one time, as shown in the right side of FIG. 17. Can be implemented. According to modified embodiments, the CM-MM copy S [WM] may include a plurality of substeps, each of which is implemented to copy data in units of two pages or more.

본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 쓰기 동작 및 상기 읽기 동작은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 사용하지 않는 MM 직접 쓰기(S[WMd]) 및 MM 직접 읽기(S[RMd])의 방식으로 실시될 수 있다. According to modified embodiments of the present invention, the write operation and the read operation may be performed by MM direct write (S [WMd]) and MM direct read (S [RMd]) not using the cache memory array (CMA). It can be done in a manner.

상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는 상기 주변회로를 통해 제공되는 외부 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 직접 기록하는 과정을 의미한다. 예를 들면, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 데이터를 저장하는 중단 단계없이 수행되는 데이터 전달 과정일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는, 도 18에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 소정 챕터에 직접 기록하도록 실시되는, 복수 번의 하부 직접 쓰기 단계들을 포함할 수 있지만, 상기 하부 직접 쓰기 단계들 각각은 하나 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. 또는, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는 챕터 또는 그 이상의 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])의 이러한 예들의 하나는 블록 데이터를 한번에 직접 변경하는 플래시 메모리의 소거 단계일 수 있다. The MM direct write (S [WMd]) refers to a process of directly writing external data provided through the peripheral circuit to the main memory array MMA. For example, the MM direct write S [WMd] may be a data transfer process performed without an interruption step of storing data in the cache memory array CMA. According to some embodiments, the MM direct write (S [WMd]), as shown in FIG. 18, is implemented such that each writes data in page units directly into a predetermined chapter of the main memory array MMA. Although the method may include a plurality of lower direct write steps, each of the lower direct write steps may be implemented to process one or more cell data. Alternatively, the MM direct write (S [WMd]) may be implemented to process chapter or more data. One such example of the MM direct write (S [WMd]) may be an erase step of a flash memory that directly changes block data at once.

상기 MM 직접 읽기(S[RMd])는, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 데이터를 저장하는 중단 단계없이, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 데이터를 상기 주변회로로 전송하는 과정을 의미한다. 상기 MM 직접 읽기(S[RMd])는, 도 18에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 주변 회로로 전송하도록 실시되는, 복수 번의 하부 직접 읽기 단계들을 포함할 수 있으며, 상기 하부 직접 읽기 단계들 각각은 하나 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. The MM direct read S [RMd] refers to a process of transferring data of the main memory array MMA to the peripheral circuit without an interruption step of storing data in the cache memory array CMA. The MM direct read (S [RMd]) may include a plurality of lower direct read steps, each of which is implemented to transmit page-by-page data to the peripheral circuit, as shown in FIG. Each of the direct read steps may be implemented to process one or more cell data.

본 발명의 다른 변형된 실시예들에 따르면, 상기 읽기 동작은 도 14 및 도 15의 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 및 상기 CM 읽기(S[RC]) 단계들에 더하여, 도 18의 상기 MM 직접 읽기(S[RMd]) 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 쓰기 동작은 도 16 및 도 17의 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 단계들에 더하여, 도 18의 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd]) 단계를 더 포함할 수 있다. According to other modified embodiments of the present invention, the read operation is in addition to the MM-CM copy (S [RM]) and CM read (S [RC]) steps of FIGS. 14 and 15, FIG. 18. The method may further include reading the MM direct reading (S [RMd]). Further, the write operation may be performed in addition to the CM write (S [WC]) and CM-MM copy (S [WM]) steps of FIGS. 16 and 17, and the MM direct write (S [WMd]) of FIG. The method may further include a step.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 도 13에 도시된 것처럼, 상기 3차원 메모리 장치의 동작은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 또는 상기 캐쉬 셀들(CC) 전부 또는 일부를 초기화시키는(예를 들면, 특정한 데이터 상태로 만드는) CM 초기화(S[IN]) 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC)의 데이터 변경이 외부적 요인(예를 들면, 외부 또는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)로부터 전송되는 전기적 신호)뿐만이 아니라 내부적 요인(예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC) 그 자체의 데이터 상태)에 대한 의존성을 함께 갖는 경우, 상기 CM 초기화(S[IN]) 단계를 통해 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 내에서의 상기 내부적 요인과 관련된 불균일성을 해소시키는 것이 필요할 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 초기화되지 않았을 때에는, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 저장된 데이터 중의 일부를 바꿀 수 없는 경우가 있을 수 있으며, 이 경우, (예를 들면, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 동안) 외부 또는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)로부터의 데이터 중의 일부 만이 상기 캐쉬 셀들(CC)에 기록될 수 있다. 즉, 오류가 발생할 수 있다. According to some embodiments of the present disclosure, as illustrated in FIG. 13, an operation of the 3D memory device may initialize (eg, initialize) all or part of the cache memory array CMA or the cache cells CC. CM initialization (S [IN]) step may be further included. For example, the data change of the cache cell CC is not only an external factor (for example, an external or electrical signal transmitted from the main memory array MMA) but also an internal factor (for example, the cache cell ( CC) together with its own data state), it may be necessary to resolve the inhomogeneity associated with the internal factors within the cache memory array CMA through the CM initialization (S [IN]) step. have. In other words, when the cache cells CC are not initialized, some of the data stored in the cache cells CC may not be changed. In this case, for example, the CM write (S [ WC]) and during the MM-CM copy S [RM]) only some of the data from the external or the main memory array MMA may be written to the cache cells CC. That is, an error may occur.

그럼에도, 상기 캐쉬 셀(CC)의 데이터 변경이 상기 내부적 요인에 작거나 무시할 수 있는 의존성을 갖는 경우, 일부 실시예들에서는, 상기 CM 초기화(S[IN]) 단계가 생략될 수도 있다. 보다 구체적으로, 이러한 생략은 상기 캐쉬 셀들(CC)의 데이터 저장 원리 또는 상기 메모리 셀들(MC)에 저장된 정보를 포함하는 전기적 신호의 유형이 무엇인가에 의해 결정되며, 이러한 결정은 아래에서 예시되는 예들에 기초하여 당업자의 지식 수준에서 이루어질 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC)이 짧은 리텐션 특성을 갖는 (즉, 휘발성) 메모리 요소를 통해 구현되는 경우, 상기 CM 초기화(S[IN]) 단계는 생략될 수 있다.
Nevertheless, if the data change of the cache cell CC has a small or negligible dependency on the internal factor, in some embodiments, the CM initialization (S [IN]) step may be omitted. More specifically, this omission is determined by the data storage principle of the cache cells CC or the type of electrical signal including the information stored in the memory cells MC, the determination of which is illustrated in the examples below. Based on the knowledge level of one skilled in the art. For example, when the cache cell CC is implemented through a memory element having a short retention characteristic (ie, volatile), the CM initialization (S [IN]) step may be omitted.

상술한 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 적어도 두 페이지 이상의 데이터를 저장할 수 있는 복수의 상기 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성된다. 예를 들면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 한 챕터에 해당하는 데이터를 저장할 수 있도록 구성될 수 있다. As described above, the cache memory array CMA is configured to include a plurality of the cache cells CC capable of storing data of at least two pages. For example, the cache memory array CMA may be configured to store data corresponding to one chapter of the main memory array MMA.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 메모리 셀들(MC)과 다른 데이터 저장 원리에 기초한 메모리 셀들일 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 셀들(CC)과 상기 메모리 셀들(MC)은 동일한 종류의 메모리 셀들 또는 동일하거나 유사한 동작 원리에 기초한 메모리 셀들일 수 있다. According to some embodiments of the present invention, the cache cells CC may be memory cells based on a data storage principle different from that of the memory cells MC. However, according to other embodiments, the cache cells CC and the memory cells MC may be memory cells of the same type or memory cells based on the same or similar operating principle.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각은 상기 메모리 셀들(MC) 각각에 비해 빠른 쓰기 및/또는 읽기 속도를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 메모리 셀들(MC)이 (전하 트랩 사이트들이 풍부한 막 또는 플로팅 게이트 등의) 전하 저장 요소인 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC)은, 도 22에 도시된 것처럼, (PCM, MTJ, ReRAM materials 등과 같은) 가변 저항 특성을 나타내는 메모리 요소들을 포함하도록 구성될 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제조 공정, 데이터 유지 특성, (아래에서 설명될) 짝 맞춤 특성 및 전류 경로 형성의 용이성 등과 같은 다른 기술적 특성들에 대한 고려에 기초하여, 이러한 조건은 완화되거나 바뀔 수 있다. According to some embodiments of the present disclosure, each of the cache cells CC may be configured to have a faster write and / or read speed than each of the memory cells MC. For example, if the memory cells MC are charge storage elements (such as a film or floating gate rich in charge trap sites), the cache cells CC may be (PCM, MTJ, Memory elements exhibiting variable resistance characteristics (such as ReRAM materials, etc.). However, the embodiments of the present invention are not limited thereto. For example, based on consideration of other technical characteristics such as manufacturing process, data retention characteristics, mating characteristics (described below) and ease of current path formation, such conditions may be relaxed or changed.

일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 메모리 셀(MC) 각각은, 예를 들면, DRAM, SRAM, FRAM, NAND FLASH, MRAM, STT-MRAM, PCRAM, NRAM, RRAM, CBRAM, SEM, T-RAM, Z-RAM, Polymer, Molecular, Racetrack, Holographic, 및 Probe 등으로 알려진 메모리 요소들의 그룹에서 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 낸드 플래시 메모리, PCRAM, 또는 RRAM의 형태로 구현될 수 있고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 SRAM, STT-MRAM, CBRAM, T-RAM, 또는 Z-RAM의 형태로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 비휘발성의 메모리 요소들로 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메모리 셀(MC)보다 빠른 동작 속도를 갖는 휘발성 또는 비휘발성의 메모리 요소들로 구성될 수 있다.
In some embodiments, each of the cache cell CC and the memory cell MC is, for example, DRAM, SRAM, FRAM, NAND FLASH, MRAM, STT-MRAM, PCRAM, NRAM, RRAM, CBRAM, SEM Can be selected from a group of memory elements known as T-RAM, Z-RAM, Polymer, Molecular, Racetrack, Holographic, and Probe. For example, the main memory array MMA may be implemented in the form of NAND flash memory, PCRAM, or RRAM, and the cache memory array CMA may be SRAM, STT-MRAM, CBRAM, T-RAM, or Z. It can be implemented in the form of RAM. In some embodiments, the main memory array MMA is comprised of nonvolatile memory elements, and the cache memory array CMA is a volatile or nonvolatile memory having a faster operating speed than the memory cell MC. It may consist of elements.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 CM 읽기(S[RC]), 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM 초기화(S[IN])은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 전기적 접근없이 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 메모리 셀들(MC)에 저장된 데이터는 이 단계들에 의해 교란되지 않는다. 이에 더하여, 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM])는, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한, 페이지 단위의 반복적 접근 없이, 챕터 단위의 한번 접근을 통해 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 불필요한 접근(즉, 데이터 교란)을 줄일 수 있다. 그 결과, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 한 블록에 대한 정상적인 읽기 및 쓰기 동작 동안 발생하는 교란 동작의 횟수는, 도 19에 도시된 것처럼, 각 블록을 구성하는 챕터들의 수(r)와 실질적으로 동일할 수 있다. 같은 이유에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근에서 발생하는 에너지 소모를 감소시킬 수 있다. According to some embodiments of the present invention, the CM read (S [RC]), the CM write (S [WC]) and the CM initialization (S [IN]) are electrically connected to the main memory array (MMA). Can be performed without access. Accordingly, data stored in the memory cells MC are not disturbed by these steps. In addition, the CM-MM copy (S [WM]) and the MM-CM copy (S [RM]) access chapter-by-chapter, without repetitive page-by-page access to the main memory array (MMA). It can be performed through. Accordingly, unnecessary access (ie, data disturbance) to the main memory array MMA may be reduced. As a result, the number of disturbance operations occurring during normal read and write operations for one block of the main memory array MMA is substantially equal to the number r of chapters constituting each block, as shown in FIG. 19. May be the same. For the same reason, energy consumption in access to the main memory array MMA can be reduced.

이와 달리, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)없이 수행되는 또는 이를 이용하지 않는 종래의 읽기 및 쓰기 동작의 경우, 한 챕터의 데이터를 처리하기 위해서는 적어도 그 챕터를 구성하는 페이지의 수만큼 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 반복적인 접근이 필요하다. 다시 말해, 종래 기술의 경우, 교란 동작의 횟수는 도 19에 도시된 것처럼, 각 블록을 구성하는 챕터들의 수(r)와 각 챕터를 구성하는 페이지들의 수(q)의 곱과 실질적으로 동일할 수 있다. 하지만, 이러한 숫자들은 본 발명에 대한 보다 나은 이해를 위해 제공되는 것으로, 실제의 경우, 데이터 신뢰성 향상을 위한 추가적인 동작들(예를 들면, 확인(verify) 동작)에 의해 달라질 수 있다.
In contrast, in the case of a conventional read and write operation performed without or without the cache memory array CMA, in order to process data of one chapter, the main memory array (at least as many as the number of pages constituting the chapter) may be used. Iterative approach to MMA) is required. In other words, in the prior art, the number of disturbance operations may be substantially equal to the product of the number r of chapters constituting each block and the number q of pages constituting each chapter, as shown in FIG. 19. Can be. However, these numbers are provided for a better understanding of the present invention, and in practice can be varied by additional operations (e.g., verify operations) to improve data reliability.

한편, 상술한 것처럼, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각이 상기 메모리 셀들(MC) 각각에 비해 빠른 쓰기 및/또는 읽기 속도를 갖도록 구성될 경우, 각 챕터 데이터 전체를 독출하거나 기록하는데 소요되는 시간(이하, 챕터 읽기 시간 및 챕터 쓰기 시간)은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 이용하지 않는 종래 기술에 비해 감소될 수 있다. On the other hand, as described above, when each of the cache cells (CC) is configured to have a faster write and / or read speed than each of the memory cells (MC), the time required to read or write the entire chapter data (hereinafter referred to as , Chapter read time and chapter write time) can be reduced compared to the prior art which does not use the cache memory array (CMA).

예를 들면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)없이 수행되는 통상의 기술의 경우, 상기 챕터 읽기 시간은 페이지 데이터를 상기 메모리 셀들(MC)로부터 한번 읽는데 소요되는 시간(T0)와 각 챕터의 페이지 수(q)의 곱이다(~ q x T0). 이와 달리, 도 14 및 도 15의 읽기 방법의 경우, 상기 챕터 읽기 시간은 a) 챕터 데이터를 상기 메모리 셀들(MC)로부터 한번 읽는데 소요되는 시간(T0')과 b) 페이지 데이터를 상기 캐쉬 셀들(CC)로부터 읽는데 소요되는 시간(T1)과 각 챕터의 페이지 수(q)의 곱의 합과 같다(즉, T0+ q x T1). 여기서, T0'과 T0는 대략적으로 동일할 수 있으며, 이 경우, 상기 챕터 읽기 시간은 대략 T0+ q x T1일 수 있다. For example, in a conventional technique performed without the cache memory array CMA, the chapter read time may include a time T0 for reading page data from the memory cells MC once and the number of pages of each chapter ( q) (~ qx T0). In contrast, in the reading method of FIGS. 14 and 15, the chapter reading time may include: a) a time T0 ′ for reading chapter data once from the memory cells MC and b) page data for the cache cells ( It is equal to the sum of the time T1 spent reading from CC) and the product of the number of pages q of each chapter (i.e., T0 + qx T1). Here, T0 'and T0 may be approximately the same, and in this case, the chapter read time may be approximately T0 + q x T1.

또한, 도 14 및 도 15의 읽기 방법과 비교할 때, 도 16 및 도 17의 쓰기 방법은 동작 순서에서의 차이는 있지만 상기 챕터 읽기 시간에서와 동일한 수학적 논리가 적용될 수 있다. 이에 따라, 상기 챕터 쓰기 시간은 도 16 및 도 17의 쓰기 방법의 경우 대략 T2+ q x T3로 주어지고, 종래 기술의 경우 q x T2로 주어질 수 있다. (여기서, T2는 챕터 데이터를 상기 메모리 셀들(MC)에 한번 쓰는데 소요되는 시간이고, T3는 페이지 데이터를 상기 캐쉬 셀들(CC)에 한번 기록하는데 소요되는 시간이다.) In addition, compared with the reading methods of FIGS. 14 and 15, the writing methods of FIGS. 16 and 17 may have the same mathematical logic as in the chapter reading time, although there is a difference in operation order. Accordingly, the chapter writing time may be given as approximately T2 + q x T3 for the writing method of FIGS. 16 and 17 and q x T2 for the prior art. (T2 is a time required to write chapter data to the memory cells MC once, and T3 is a time required to write page data to the cache cells CC once.)

따라서, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 대한 읽기 속도 T1 또는 쓰기 속도 T3이 상기 메모리 셀들(MC)의 그것들(T0 및 T2)보다 충분히 작다면, 도 20 및 도 21에 각각 도시된 것처럼, 상기 챕터 읽기 시간 및 챕터 쓰기 시간은 종래 기술에 비해 크게 감소될 수 있다. 예를 들면, 아래 표는 상기 메모리 셀들(MC)이 대략 25us 및 200us의 읽기 및 쓰기 속도를 갖는 플래시 메모리 셀이고, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 대략 10ns 및 10ns의 읽기 및 쓰기 속도를 갖는 RRAM 또는 STT-MRAM인 경우, 16 페이지를 포함하는 한 챕터에 대한 읽기 및 쓰기 동작에 소요되는 시간을 보여준다. Therefore, if the read rate T1 or write rate T3 for the cache cells CC is sufficiently smaller than those T0 and T2 of the memory cells MC, as shown in Figs. 20 and 21, respectively, the chapter reads Time and chapter writing time can be significantly reduced compared to the prior art. For example, in the table below, the memory cells MC are flash memory cells having read and write speeds of approximately 25us and 200us, and the cache cells CC have read and write speeds of approximately 10ns and 10ns. In case of STT-MRAM, it shows the time required for read and write operation for one chapter including 16 pages.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

표 1을 참조하면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함하는 경우, 한 챕터에 대한 읽기 및 쓰기 시간(25.16us, 200.16us)은 상기 메모리 셀에 대한 한번의 읽기 및 쓰기 시간들(T0(25.00us), T2(200.00us))과 거의 차이를 갖지 않는다. 이에 따라, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함하는 경우, 챕터 데이터에 대한 읽기 및 쓰기 시간은 그렇지 않은 경우에 비해 한 챕터를 구성하는 페이지들의 수(표 1의 경우, 대략 16배)만큼 빨라질 수 있다.
Referring to Table 1, when the cache memory array (CMA) is included, the read and write times (25.16us and 200.16us) for one chapter are calculated as one read and write times (T0 (25.00) for the memory cell. us), little difference from T2 (200.00us)). Accordingly, when including the cache memory array (CMA), the read and write time for the chapter data can be as fast as the number of pages constituting one chapter (approximately 16 times in the case of Table 1) compared to the other case. have.

본 발명의 실시예들에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 또는 상기 캐쉬 셀(CC)은 알려진 메모리 요소들 중의 적어도 하나(예를 들면, ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor) 및 그것의 참고문헌 목록을 구성하는 문헌들에 개시된, 메모리 요소들 중의 적어도 하나)를 포함하도록 구성되되, 상술한 교란 감소 및 읽기/쓰기 시간 축소의 기술적 효과를 극대화할 수 있도록 구성될 수 있다. 도 22 내지 도 28은, 본 발명에 대한 보다 나은 이해를 위해 제공되는, 그러한 메모리 요소들 중의 일부를 예시적으로 도시한다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 위한 메모리 요소의 종류는 상기 메모리 셀들(MC)의 동작 원리, 동작을 위한 전기적 신호의 특성(예를 들면, 단방향성 또는 양방향성, 전압 인가 방식 또는 전류 인가 방식, 전류 량, 속도 등) 또는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 그 자체에 대한 다양한 기술적 요구들(예를 들면, 램 또는 버퍼 메모리로써의 동작 가능성) 등을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 단계와 관련하여서는 상기 캐쉬 셀(CC)의 읽기 신호의 특성이 상기 메모리 셀(MC)의 쓰기 신호의 특성에 부합하도록, 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 단계와 관련하여서는, 상기 메모리 셀(MC)의 읽기 신호의 특성이 상기 캐쉬 셀(CC)의 쓰기 신호의 특성에 부합하도록, 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 메모리 셀(MC)을 디자인하는 것이 필요할 수 있다. 당업자는 여기에서 논의되는 내용에 기초하여 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 최적화된 또는 바람직한 조합의 경우를 찾을 수 있을 것이므로, 아래에서는, 설명의 간결함을 위해 이러한 가능한 조합들 중의 일부를 예시적으로 설명할 것이다. 하지만, 본 발명의 기술적 사상이 이러한 예들에 한정되지는 않는다.
In embodiments of the present invention, the cache memory array CMA or the cache cell CC may include at least one of known memory elements (e.g., an International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) and a list of references thereof). And at least one of the memory elements disclosed in the constituent documents, but may be configured to maximize the technical effects of the disturbance reduction and the read / write time reduction described above. 22-28 exemplarily illustrate some of such memory elements, which are provided for a better understanding of the present invention. The type of memory element for the cache memory array CMA may include a principle of operation of the memory cells MC, characteristics of an electrical signal for operation (for example, unidirectional or bidirectional, voltage application or current application, and current). Amount, speed, etc.) or various technical requirements for the cache memory array (CMA) itself (e.g., operability as RAM or buffer memory), and the like. For example, in relation to the CM-MM copy (S [WM]) step, the MM-CM is configured such that the characteristic of the read signal of the cache cell CC corresponds to the characteristic of the write signal of the memory cell MC. In relation to the copying S [RM] step, the cache cell CC and the memory cell C are arranged such that the characteristics of the read signal of the memory cell MC correspond to the characteristics of the write signal of the cache cell CC. It may be necessary to design MC). Those skilled in the art will be able to find the case of an optimized or preferred combination of the cache memory array (CMA) and the main memory array (MMA) on the basis of the content discussed herein, and so below, these possible combinations for the sake of brevity of description. Some of these will be described by way of example. However, the technical idea of the present invention is not limited to these examples.

도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 도시하는 사시도이고, 도 30 내지 도 40은 도 29의 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 보다 구체적으로, 도 29를 참조하면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 수직 채널 3차원 낸드 플래시의 구조(예를 들면, BiCS 또는 TCAT)를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 상에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서는, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 양방향 전류를 이용하여 동작하는 고속의 저항성 메모리 요소(예를 들면, STT-MTJ)를 사용하여 구현되는 실시예가 예시적으로 설명될 것이다. 29 is a perspective view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 30 to 40 are diagrams for describing an operation of the semiconductor device of FIG. 29. More specifically, referring to FIG. 29, the main memory array MMA is configured to have a structure (eg, BiCS or TCAT) of a vertical channel 3D NAND flash, and the cache memory array CMA is configured as the main memory array. It may be configured to include the cache cells (CC) two-dimensionally arranged on the memory array (MMA). Here, an embodiment in which the cache cells CC are implemented using a high-speed resistive memory element (eg, STT-MTJ) operating using bidirectional current will be described.

상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 비트라인(BL)과 수직 라인(VL) 사이에 개재될 수 있고, 상기 수직 라인(VL)은 기판(SUB)의 상부면에 수직한 반도체 패턴(즉, 실리콘) 및 전하저장막(e.g., ONO)을 포함할 수 있다. 상기 수직 라인(VL)의 상기 반도체 패턴은, 예를 들면, 소오스 및 드레인 전극들으로 사용되는 n형 불순물 영역들 및 이들 사이에 개재되는 피형 또는 진성의 수직 채널 영역을 포함할 수 있다. The cache cells CC may be interposed between the bit line BL and the vertical line VL, and the vertical line VL is a semiconductor pattern perpendicular to the upper surface of the substrate SUB (ie, silicon). And a charge storage layer (eg, ONO). The semiconductor pattern of the vertical line VL may include, for example, n-type impurity regions used as source and drain electrodes, and a vertical or intrinsic vertical channel region interposed therebetween.

상기 수평 라인들(IHL)은 금속 또는 도핑된 실리콘을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 29에 도시된 것처럼, 복수의 캐쉬 라인들(CWL or DL)이 상기 캐쉬 셀들(CC)과 상기 수평 라인들(IHL) 사이에 개재될 수 있다. 상기 캐쉬 라인들(CWL) 각각은, 상기 비트라인들(BL)을 가로지르면서, 상기 드레인 전극으로 사용되는 상기 n형 불순물 영역들을 연결할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 라인들(CWL)은 상기 n형 불순물 영역들과 정류 소자를 구성할 수 있는 물질(예를 들면, p형 반도체)로 형성될 수 있다. The horizontal lines IHL may include metal or doped silicon. According to some embodiments, as shown in FIG. 29, a plurality of cache lines CWL or DL may be interposed between the cache cells CC and the horizontal lines IHL. Each of the cache lines CWL may connect the n-type impurity regions used as the drain electrode while crossing the bit lines BL. In some embodiments, the cache lines CWL may be formed of a material (eg, a p-type semiconductor) constituting the rectifying device with the n-type impurity regions.

상기 캐쉬 라인들(CWL)의 존재에 의해, 상기 수직 채널 영역은, 도 32 및 도 33에 도시된 것처럼 상기 CM 읽기(S[RC])을 위한, 도 34 및 도 35에 도시된 것처럼 상기 CM 쓰기(S[WC])를 위한, 그리고, 도 39에 도시된 것처럼 상기 CM 초기화(S[IN])를 위한 전기적 경로로서 사용되지 않을 수 있다. 이는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 가해지는 읽기 및 쓰기 교란의 문제를 줄이는 것을 가능하게 한다. Due to the presence of the cache lines CWL, the vertical channel region is divided into the CM as shown in FIGS. 34 and 35 for the CM read S [RC] as shown in FIGS. 32 and 33. It may not be used as an electrical path for write (S [WC]) and for the CM initialization (S [IN]) as shown in FIG. This makes it possible to reduce the problem of read and write disturbances applied to the main memory array (MMA).

상기 MM-CM 복사(S[RM]) 동안, 도 31에 도시된 것처럼, 복수의 비트라인들(BL)과 상기 수평 라인들(IHL) 중의 어느 하나(이하, 선택 워드라인)에 동작 전압이 인가된다. 이 경우, 도 30에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각을 경유하는 전류 경로는 상기 선택 워드라인에 의해 제어되는 2차원 메모리 셀들(MC)에 저장된 데이터 각각에 의존하여 선택적으로 생성될 수 있다. 도 30의 전류 경로가 생성되는 경우, 해당 캐쉬 셀(CC)의 데이터가 (예를 들면, 고저항 상태 또는 오프 상태로) 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 CM 초기화(S[IN])가 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 이전에, 상기 캐쉬 셀들(CC)을 온 상태로 만들기 위해 실시될 수 있다. During the MM-CM copy S [RM], as shown in FIG. 31, an operating voltage is applied to any one of the plurality of bit lines BL and the horizontal lines IHL (hereinafter, selected word line). Is approved. In this case, as shown in FIG. 30, a current path via each of the cache cells CC may be selectively generated depending on each of the data stored in the two-dimensional memory cells MC controlled by the selection word line. have. When the current path of FIG. 30 is generated, data of the corresponding cache cell CC may be changed (for example, in a high resistance state or an off state). In some embodiments, the CM initialization S [IN] may be performed to bring the cache cells CC on before the MM-CM copy S [RM].

상기 CM 읽기(S[RC]) 동안, 도 32 및 도 33에 도시된 것처럼, 서로 다른 동작 전압들(V1, V2)이 상기 캐쉬 라인들(CWL) 중의 어느 하나와 상기 비트라인들(BL)에 각각 인가될 수 있다. 이 경우, 인가 전압 조건에 따라, 도 32에 도시된 또는 반대 방향의 전류 경로가 상기 캐쉬 셀(CC)에 저장된 데이터에 의존하여 선택적으로 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센스 앰프는 이러한 전류 경로의 생성에 의해 유발되는 비트라인의 전기적 상태(예를 들면, 전위)의 변동을 감지하도록 구성될 수 있다. 도시된 것처럼, 상기 CM 읽기(S[RC])은 페이지 단위(또는 그 이하)로 수행될 수 있다. During the CM read S [RC], as shown in FIGS. 32 and 33, different operating voltages V1 and V2 are applied to any one of the cache lines CWL and the bit lines BL. Each can be applied to. In this case, depending on the applied voltage condition, the current path shown in FIG. 32 or in the opposite direction may be selectively generated depending on the data stored in the cache cell CC. In some embodiments, the sense amplifier can be configured to detect a change in the electrical state (eg, potential) of the bit line caused by the generation of such a current path. As shown, the CM read (S [RC]) may be performed in units of pages (or less).

상기 CM 쓰기(S[WC]) 동안, 도 34 및 도 35에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 라인들(CWL) 중의 어느 하나와 복수의 비트라인들(BL)에 동작 전압들이 인가될 수 있다. 이 경우, 입력 데이터가 (예를 들면, 주변회로의 페이지 버퍼로부터) 상기 비트라인들(BL)을 통해 상기 캐쉬 셀들(CC)로 전달될 수 있다. 예를 들면, 상기 입력하려는 데이터에 따라, 상기 비트라인들(BL) 중의 일부에 인가되는 전압(예를 들면, V1)은 다른 일부에 인가되는 전압(e.g., V2)과 다를 수 있다. 또한, 상기 캐쉬 라인들(CWL) 중의 어느 하나에는 상기 비트라인 전압들 중의 어느 하나와 실질적으로 동일한 전압이 인가될 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 셀(CC)에 대한 쓰기 전류는, 그것이 연결된, 상기 비트라인(BL)과 상기 캐쉬 라인(CWL) 사이의 전위 차에 의해 선택적으로 생성될 수 있다. 도 35에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC])는 페이지 단위(또는 그 이하)로 수행될 수 있다. During the CM write S [WC], as illustrated in FIGS. 34 and 35, operating voltages may be applied to one of the cache lines CWL and the plurality of bit lines BL. In this case, input data may be transferred to the cache cells CC through the bit lines BL (eg, from a page buffer of a peripheral circuit). For example, according to the data to be input, a voltage (for example, V1) applied to some of the bit lines BL may be different from voltages (e.g., V2) applied to other portions. In addition, a voltage substantially equal to any one of the bit line voltages may be applied to any one of the cache lines CWL. In other words, the write current for the cache cell CC may be selectively generated by the potential difference between the bit line BL and the cache line CWL to which it is connected. As illustrated in FIG. 35, the CM write S [WC] may be performed in page units (or less).

상술한 읽기 및 쓰기 동작들은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 일부분(예를 들면, 페이지 또는 그 이하)에 대해 선택적으로 및/또는 랜덤하게 수행될 수 있다. 또한, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 대한 이러한 선택적 읽기 및 쓰기 동작들은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근없이 독립적으로 수행될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 L1, L2, 또는 L3 캐쉬로서 사용될 수 있음을 의미한다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장된 데이터에 대한 장기간 보관이 필요하다고 판단되는 시점에 수행될 수 있다. 즉, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는, 예를 들면, 스토리지로서 사용될 수 있다. The read and write operations described above may be performed selectively and / or randomly on a portion (eg, page or less) of the cache memory array (CMA). Further, such selective read and write operations to the cache memory array CMA may be performed independently without access to the main memory array MMA. This means that the cache memory array CMA can be used as L1, L2, or L3 cache. Access to the main memory array (MMA) may be performed at a time when it is determined that long-term storage of data stored in the cache memory array (CMA) is necessary. That is, the main memory array MMA may be used as storage, for example.

상기 CM-MM 복사(S[WM]) 동안, 도 36 및 도 37에 도시된 것처럼, 상기 비트라인들(BL)에는 비트라인 전압(V_BL)이 인가되고, 상기 수평 라인들(IHL) 중의 어느 하나(이하, 선택 워드라인)에 프로그램 전압이 인가된다. 이 경우, 도 36의 전류 경로는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구성하는 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각에 저장된 데이터에 의존하여 선택적으로 생성될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC)이 온 상태일 경우, 해당 채널 영역은 상기 비트라인과 실질적으로 같은 전위(즉, V_BL)(예를 들면, 0V)을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 선택 워드라인에 인가되는 전압이 높을 경우, 에프-엔 터널링을 통한 프로그램이 가능하다. 반면, 상기 캐쉬 셀(CC)이 오프 상태일 경우, 해당 채널 영역은 전기적으로 고립되고, 상기 수평 라인들(IHL)에 인가되는 전압들에 의해 올라간 전위를 갖게 되어, 상기 프로그램 전압과의 전위 차이가 감소될 수 있다. 즉, 셀프 부스팅 기술을 통한 프로그램 방지가 가능해질 수 있다. During the CM-MM copy S [WM], as shown in FIGS. 36 and 37, a bit line voltage V_BL is applied to the bit lines BL, and any one of the horizontal lines IHL is applied. The program voltage is applied to one (hereinafter, selected word line). In this case, the current path of FIG. 36 may be selectively generated depending on data stored in each of the cache cells CC constituting the cache memory array CMA. For example, when the cache cell CC is in an on state, the corresponding channel region may have a potential substantially equal to that of the bit line (ie, V_BL) (eg, 0V). In this case, when the voltage applied to the selected word line is high, programming through F-N tunneling is possible. On the other hand, when the cache cell CC is in an off state, the corresponding channel region is electrically isolated, and has a potential raised by voltages applied to the horizontal lines IHL, and thus a potential difference from the program voltage. Can be reduced. That is, program prevention through self-boosting technology may be enabled.

한편, 상기 캐쉬 셀(CC)을 사용하여 셀프-부스팅시킬 경우, 종래 기술에서 요구되는, 스트링 선택 라인들(SSL)에 대한 필요가 감소할 수 있다. 예를 들면, 상기 스트링 선택 라인들(SSL)이 실질적으로 그에 인접하는 워드라인들(WL)과 동일한 전압을 인가받는 경우에도, 도 30 내지 도 37을 참조하여 상술한 동작들은 유효하게 수행될 수도 있다. 하지만, 이것이 상기 스트링 선택 라인들(SSL)의 제거를 필수적으로 요구하는 것은 아닐 수 있다. On the other hand, when the self-boosting using the cache cell (CC), the need for the string select lines (SSL), which is required in the prior art can be reduced. For example, even when the string select lines SSL are applied with substantially the same voltage as the word lines WL adjacent thereto, the operations described above with reference to FIGS. 30 to 37 may be effectively performed. have. However, this may not necessarily require the removal of the string select lines SSL.

도 38에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])의 방식을 통해 (예를 들면, 페이지 단위로) 프로그램될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 오프 상태일 때에도 충분히 높은 저항값을 갖지 못한다면, 상술한 셀프 부스팅을 구현하기 어려울 수도 있다. 이 경우, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd]) 단계가 실시될 수 있다. 소거 단계의 경우, 알려진 종래의 기술들이 동일하게 적용될 수 있다. As illustrated in FIG. 38, the main memory array MMA may be programmed (for example, in page units) through the MM direct write operation S [WMd]. For example, if the cache cells CC do not have a sufficiently high resistance even when in the off state, it may be difficult to implement the above self-boosting. In this case, the MM direct write (S [WMd]) step may be performed. In the case of the erasing step, known conventional techniques can be equally applied.

도 39 및 도 40은 상기 CM 초기화(S[IN])를 위한 두가지 가능한 방법을 예시적으로 도시한다. 도 39의 경우, 상기 CM 초기화(S[IN])는 상기 캐쉬 라인들(CWL)을 경유하는 전류를 이용하여 챕터 단위로 실시될 수 있으며, 이 경우, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 교란없이 수행될 수 있다. 하지만, 도 40에서와 같이, 상기 CM 초기화(S[IN])는 상기 채널 영역을 경유하는 전류 경로를 이용하여 챕터 또는 페이지 단위로 실시될 수도 있다.
39 and 40 exemplarily show two possible methods for the CM initialization (S [IN]). In the case of FIG. 39, the CM initialization S [IN] may be performed in units of chapters using currents passing through the cache lines CWL. In this case, disturbance of the main memory array MMA may be performed. Can be performed without. However, as shown in FIG. 40, the CM initialization (S [IN]) may be performed in chapters or pages by using a current path through the channel region.

도 41 및 도 42는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 도시하는 사시도 및 평면도이고, 도 43 내지 도 47은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 보다 구체적으로, 이 실시예에 따르면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 아래에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서는, 상기 메모리 셀들(MC)이 양방향 전류 특성을 갖는 메모리 요소들인 실시예가 예시적으로 설명될 것이다. 상기 메모리 셀들(MC)이 (예를 들면, 다이오드의 사용에 의해) 단방향 전류 특성을 가질 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 양방향 전류의 경우에 비해 용이하게 구현될 수 있다. 이에 따라, 상기 메모리 셀들(MC)이 단방향 전류 특성을 갖는 경우에 대한 일부 실시예들은 아래에서 간략하게만 설명될 것이다. 41 and 42 are perspective and plan views illustrating a semiconductor device according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 43 to 47 are views for explaining an operation of the semiconductor device according to another embodiment of the present invention. More specifically, according to this embodiment, the cache memory array CMA may be configured to include cache cells CC that are two-dimensionally arranged below the main memory array MMA. Here, an embodiment in which the memory cells MC are memory elements having bidirectional current characteristics will be described as an example. When the memory cells MC have a unidirectional current characteristic (for example, by use of a diode), the cache memory array CMA may be more easily implemented than the bidirectional current. Accordingly, some embodiments of the case where the memory cells MC have a unidirectional current characteristic will be briefly described below.

이 실시예들에 따르면, 도 41 내지 도 47에 도시된 상기 캐쉬 셀들(CC)은 도 25 및 도 26을 참조하여 설명된 제로-커패시터 램을 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 캐쉬 라인(SWL or DL)과 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각의 사이에는, 제 2 게이트 라인(GL2)에 의해 제어되는 선택자(selector: ST)가 제공될 수 있다. 상기 선택자(ST)의 존재에 의해, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 교란을 유발하지 않는 전류 경로를 생성하는 것이 가능해질 수 있다. 상기 수직 라인(VL)은 상기 선택자(ST)와 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 노드(예를 들면, 소오스/드레인)에 연결될 수 있다. 상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 비트라인들(BL)을 가로지르는 제 1 게이트 라인(GL1)에 연결될 수 있다. 한편, 상기 선택자(ST)의 종류 및 배치 등은 도시된 것처럼 모오스 트랜지스터에 한정되는 것은 아니며, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 요구되는 전기적 특성들에 상응하는 구조를 갖도록 다양하게 변형될 수 있다. 이에 더하여, 상기 선택자(ST)는 그 자체로서 상기 캐쉬 셀(CC)로서 기능하도록 구성될 수 있으며, 이 경우, 도 62를 참조하여 설명될 실시예들에서의 기술적 특징들을 구현할 수 있다. According to these embodiments, the cache cells CC illustrated in FIGS. 41 to 47 may be configured to include the zero-capacitor RAM described with reference to FIGS. 25 and 26. A selector ST controlled by the second gate line GL2 may be provided between the cache line SWL or DL and each of the cache cells CC. By the presence of the selector ST, it may be possible to create a current path that does not cause disturbance to the main memory array MMA. The vertical line VL may be connected to a node (eg, source / drain) between the selector ST and the cache cell CC. The cache cells CC may be connected to a first gate line GL1 that crosses the bit lines BL. On the other hand, the type and arrangement of the selector ST is not limited to the MOS transistor as shown, and may be variously modified to have a structure corresponding to electrical characteristics required for the cache cells CC. In addition, the selector ST may itself be configured to function as the cache cell CC, in which case the technical features in the embodiments to be described with reference to FIG. 62 may be implemented.

도 41 및 도 42는, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 단위 셀 내에, 상술한 여러 동작들을 위한 전류 경로를 생성할 수 있음을 예시적으로 보여주지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 41에는 매몰 산화막을 포함하는 SOI 기판을 이용하는 평면형 트랜지스터를 도시하고 있지만, 이러한 평면형 트랜지스터는 도 26에 도시된 것과 같은 수직 채널 트랜지스터로 대체될 수 있다. 41 and 42 exemplarily illustrate that a current path for various operations described above may be generated in a unit cell of the cache memory array CMA, but embodiments of the present invention are not limited thereto. . For example, although FIG. 41 shows a planar transistor using an SOI substrate including an buried oxide film, this planar transistor can be replaced with a vertical channel transistor as shown in FIG.

도 43 내지 도 47은 도 41 및 도 42에 도시된 반도체 장치에 상응하는 회로도들일 수 있다. 도 43 내지 도 47은, 각각, 상기 CM 쓰기(S[WC]), 상기 CM-MM 복사(S[WM]), 상기 MM-CM 복사(S[RM]), 상기 CM 읽기(S[RC]), 및 상기 CM 초기화(S[IN])가 도시된 회로 구조를 사용하여 구현될 수 있음을 예시적으로 보여준다. 즉, 본 발명의 실시예들이 도 43 내지 도 47에 도시된 전압 조건, 회로 구조 또는 배선 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 48은 상기 제 2 게이트 라인들(GL2)이 서로 연결되어, 상기 캐쉬 셀들(CC) 중에서 인접하는 것들의 공통 게이트 전극으로 사용될 수 있음을 보여준다. 이에 더하여, 상기 캐쉬 셀들(CC)의 구조 및 연결은, DRAM, FRAM, 또는 노어 플래시 등에서 사용되는 종래의 셀 어레이 구조들 중의 하나에 기초하여, 상술한 동작들을 구현하도록 변형될 수 있다.
43 to 47 may be circuit diagrams corresponding to the semiconductor devices illustrated in FIGS. 41 and 42. 43 to 47 show the CM write (S [WC]), the CM-MM copy (S [WM]), the MM-CM copy (S [RM]), and the CM read (S [RC], respectively. ]), And the CM initialization (S [IN]) can be implemented using the illustrated circuit structure. That is, embodiments of the present invention are not limited to the voltage condition, circuit structure, or wiring structure shown in FIGS. 43 to 47. For example, FIG. 48 shows that the second gate lines GL2 are connected to each other and may be used as a common gate electrode of adjacent ones of the cache cells CC. In addition, the structure and connection of the cache cells CC may be modified to implement the above-described operations based on one of the conventional cell array structures used in DRAM, FRAM, NOR flash, or the like.

도 49는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 장치 및 그 동작의 일부를 예시적으로 도시하는 도면이다. 이 실시예에 따르면, 상기 수직 라인들 각각은 수직 경로 제어 구조체(VPCS)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)와 관련된 기술적 특징들은, 그 내용이 본 발명의 일부로서 완전하게 포함되는, PCT 공개번호 WO 2010/018888 (2010.02.18) 및 미국 출원번호 13/059,059에 개시되고 있다. 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)의 사용은, 상기 메모리 셀들(MC) 각각에 정류 요소(예를 들면, 다이오드)을 배치하지 않는 경우에도, 3차원적으로 배열된 메모리 셀들(MC) 사이의 기생 전류 경로(sneak path)를 차단할 수 있게 만든다. 예를 들면, 비트라인들(BL) 중의 하나 및 게이트 라인들(GL) 중의 하나를 선택하면, 상기 캐쉬 셀들(CC) 중의 하나가 일의적으로 선택될 수 있다. 하지만, 상기 수직 라인(VL)이 금속성 물질로 형성될 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC) 중의 하나가 일의적으로 선택되더라도, 감춰진 기생 경로들을 완전히 차단할 수는 없다. 49 is a diagram illustrating a semiconductor device and a part of an operation thereof according to example embodiments of the inventive concepts. According to this embodiment, each of the vertical lines may be configured to include a vertical path control structure (VPCS). Technical features related to the vertical path control structure (VPCS) are disclosed in PCT Publication No. WO 2010/018888 (2010.02.18) and US Application No. 13 / 059,059, the contents of which are fully incorporated as part of the present invention. . The use of the vertical path control structure VPCS is parasitic between three-dimensionally arranged memory cells MC, even when no rectifying element (eg, diode) is placed in each of the memory cells MC. Makes it possible to block the current path. For example, when one of the bit lines BL and one of the gate lines GL are selected, one of the cache cells CC may be uniquely selected. However, when the vertical line VL is formed of a metallic material, even if one of the cache cells CC is uniquely selected, the hidden parasitic paths may not be completely blocked.

상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)를 사용할 경우, 상기 수직 라인(VL)은 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각에 연결되는 반도체 패턴과 상기 반도체 패턴의 전위를 제어하는 수직 제어 전극을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상술한 감춰진 기생 전류 경로(sneak path)의 생성을 차단할 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와의 연결을 위해, 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)를 사용할 경우, 정류 소자를 사용하지 않으면서도 기생 전류 경로(sneak path)를 차단할 수 있다. 이에 따라, 반도체 장치는 보다 용이하게 제조될 수 있다. 이에 더하여, 상기 캐쉬 셀들(CC)과 상기 메모리 셀들(MC) 사이의 (종류에서의) 바람직한 조합은 보다 완화된 조건 아래에서 얻어질 수 있다.
When the vertical path control structure VPCS is used, the vertical line VL may be configured to include a semiconductor pattern connected to each of the cache cells CC and a vertical control electrode controlling a potential of the semiconductor pattern. . In this case, generation of the above-described hidden parasitic current path may be blocked. In other words, when the vertical path control structure VPCS is used to connect to the cache memory array CMA, a parasitic current path may be blocked without using a rectifying device. Thus, the semiconductor device can be manufactured more easily. In addition, a preferred combination (in kind) between the cache cells CC and the memory cells MC can be obtained under more relaxed conditions.

도 50 및 도 51은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 몇몇 동작들을 구현하기 위한 전기적 신호의 경로를 예시적으로 도시하는 표들이다. 50 and 51 are tables exemplarily illustrating paths of electrical signals for implementing some operations of a 3D memory device according to some embodiments of the inventive concept.

도 52 내지 도 54은 본 발명의 일부 실시예에 따른 3차원 메모리 장치의 몇 가지 동작들을 개략적으로 보여주는 도면들이다. 52 to 54 schematically illustrate some operations of a 3D memory device according to some embodiments of the inventive concept.

도 55은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 메모리 장치의 캐쉬 어레이 구조를 개략적으로 보여주는 회로도이다. 55 is a circuit diagram schematically illustrating a cache array structure of a 3D memory device according to another embodiment of the present invention.

도 56은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치 및 동작 전류의 경로들을 개략적으로 도시하는 도면이다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 메모리 셀들(MC)은 정류 소자를 포함함으로써 단방향 전류 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 CM-MM 복사(S[WM]), 상기 MM-CM 복사(S[RM]), 및 상기 CM 읽기(S[RC])에 사용되는 전류들은, 도 56에 도시된 것처럼, 같은 방향을 가질 수 있다. 반면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 양방향 전류 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 메모리 셀들(MC)을 경유하는 전류 경로는, 상기 캐쉬 셀들(CC)의 초기화를 위해 사용되기 어렵다. 하지만, 도 56에 도시된 것처럼, 별도의 전류 경로(DL)를 형성함으로써, 이러한 초기화의 어려움은 해결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 별도의 전류 경로(DL)은 상기 수평 라인들(IHL) 중의 하나를 사용하여 구현될 수 있다.56 is a diagram schematically illustrating paths of a 3D memory device and an operating current according to some embodiments of the present invention. According to some embodiments, the memory cells MC may be configured to have a unidirectional current characteristic by including a rectifying element. In this case, the currents used for the CM-MM copy (S [WM]), the MM-CM copy (S [RM]), and the CM read (S [RC]) are as shown in FIG. It may have the same direction. On the other hand, the cache cells CC may be configured to have bidirectional current characteristics. In this case, the current path through the memory cells MC is difficult to use for initialization of the cache cells CC. However, as shown in FIG. 56, by forming a separate current path DL, this difficulty of initialization can be solved. In some embodiments, the separate current path DL may be implemented using one of the horizontal lines IHL.

한편, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 양방향 전류 특성을 갖지 않거나 짧은 리텐션 특성을 갖는 (즉, 휘발성의) 메모리 요소일 경우, 상기 별도의 전류 경로를 형성할 필요는 없을 수 있다. 또한, 이러한 별도의 전류 경로는 상기 캐쉬 셀들(CC) 및 상기 메모리 셀들(MC)의 종류 및 이들의 조합된 특성에 기초하여 적응적으로(adaptively) 구현될 수 있으며, 도 56에 도시된 한 예에 한정되는 것은 아니다. On the other hand, when the cache cells CC do not have a bidirectional current characteristic or (ie, volatile) memory element having a short retention characteristic, it may not be necessary to form the separate current path. In addition, such a separate current path may be adaptively implemented based on the types of the cache cells CC and the memory cells MC and their combined characteristics, as shown in FIG. 56. It is not limited to.

도 57은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치를 도시하는 개략 사시도이고, 도 58은 도 57의 점선 I-I를 따른 평면을 구성하는 요소들의 개략 회로도이다. 예를 들면, 도 57은 도 4의 제 1 기본 구조에 상응하는 도면일 수 있다. 한편, 본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 2차원적으로 배열된 메모리 셀들(MC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우에도, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 교란 감소 및 속도 증가 등을 구현하기 위해, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 주변 회로 사이에 제공될 수 있다. FIG. 57 is a schematic perspective view illustrating a semiconductor memory device in accordance with some embodiments of the present invention, and FIG. 58 is a schematic circuit diagram of elements constituting a plane along the dotted line I-I of FIG. 57. For example, FIG. 57 may correspond to the first basic structure of FIG. 4. Meanwhile, according to modified embodiments of the present invention, the main memory array MMA may be configured to include two-dimensionally arranged memory cells MC. In this case, the cache memory array CMA may be provided between the main memory array MMA and a peripheral circuit in order to reduce disturbance and increase speed of the main memory array MMA.

도 59 및 도 60는, 그것의 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 도 3을 참조하여 설명된 구조를 갖는, 3차원 반도체 메모리 장치들의 일부 예들을 도시하는 회로도들이다. 도 59를 참조하면, 상기 캐쉬 라인들(CWL)은 상기 제 2 수평 라인들(HLy)에 실질적으로 평행하고, 상기 비트라인들(BL)은 상기 캐쉬 라인들(CWL)을 가로질 수 있다. 도 60을 참조하면, 상기 비트라인들(BL)은 상기 제 2 수평 라인들(HLy)에 실질적으로 평행하고, 상기 캐쉬 라인들(CWL)은 상기 비트라인들(BL)를 가로지를 수 있다. 큰 점선은 각 챕터를 나타내고, 작은 점선은 각 페이지를 나타낸다. 59 and 60 are circuit diagrams showing some examples of three-dimensional semiconductor memory devices in which the main memory array MMA has the structure described with reference to FIG. 3. Referring to FIG. 59, the cache lines CWL may be substantially parallel to the second horizontal lines HLy, and the bit lines BL may cross the cache lines CWL. Referring to FIG. 60, the bit lines BL may be substantially parallel to the second horizontal lines HLy, and the cache lines CWL may cross the bit lines BL. Large dotted lines represent each chapter, and small dotted lines represent each page.

도 61 및 도 62는 본 발명의 변형된 실시예들의 일부를 도시하는 개략적인 회로도들이다. 도 61에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 다층 또는 다열 구조로 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 3차원적으로 배열되고, 적어도 두 개의 캐쉬 셀들(CC)이 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 직렬로 연결될 수 있다. 도 62에 도시된 것처럼, 적어도 두 개의 캐쉬 셀들(CC)이 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 병렬로 연결될 수 있다. 61 and 62 are schematic circuit diagrams illustrating some of the modified embodiments of the present invention. As illustrated in FIG. 61, the cache memory array CMA may be provided in a multilayer or multi-row structure. For example, the cache cells CC may be three-dimensionally arranged, and at least two cache cells CC may be connected in series to each of the first horizontal lines HLx. As shown in FIG. 62, at least two cache cells CC may be connected to each of the first horizontal lines HLx in parallel.

도 61 또는 도 62에 도시된 것처럼, 복수의 상기 캐쉬 셀들(CC)이 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결되는 경우, 이들은 서로 다른 기능 또는 보다 향상된 동작 속도를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 이들 중의 하나는 상기 CM-MM 복사 또는 상기 MM-CM 복사의 동작을 위해 사용되고, 다른 하나는 이러한 동작 동안 다른 챕터에 쓰여질 챕터 데이터를 임시로 보관하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 복수의 챕터 데이터를 보관할 수 있도록 구성될 수 있다. As shown in FIG. 61 or 62, when the plurality of cache cells CC are connected in series or in parallel to each of the first horizontal lines HLx, they may be configured to implement different functions or improved operating speeds. Can be used for For example, one of these may be used for the operation of the CM-MM copy or the MM-CM copy, and the other may be used to temporarily store chapter data to be written to another chapter during this operation. That is, the cache memory array CMA may be configured to hold a plurality of chapter data.

또는 상기 메모리 셀들(MC)이 다중레벨 셀(MLC)를 구현할 수 있는 메모리 요소일 경우, 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 연결되는 복수의 상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 메모리 셀들(MC)의 이러한 다중레벨 특성을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 다른 변형된 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각은 다중레벨 특성을 구현할 수 있는 메모리 요소일 수 있으며, 이 경우, 도 61 또는 도 62를 참조하여 설명된 기술적 특징들(예를 들면, 다양한 기능 또는 향상된 동작 속도)은 이러한 다중 레벨 캐쉬 셀들(CC)을 이용하여 구현될 수 있다. Alternatively, when the memory cells MC are memory elements capable of implementing a multilevel cell MLC, the plurality of cache cells CC connected to each of the first horizontal lines HLx may be the memory cells MC. Can be used to implement this multilevel characteristic. According to other modified embodiments, each of the cache cells CC may be a memory element capable of implementing a multilevel characteristic, in which case the technical features described with reference to FIG. 61 or 62 (eg, , Various functions or improved operating speeds) may be implemented using such multi-level cache cells CC.

도 61 및 도 62에 도시된 회로적인 측면에서의 기술적 특징들은, 물리적인 측면에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 단층 또는 다층 구조로서 형성함으로써 구현될 수 있다. 이에 더하여, 도 4에 도시된 실시예들 각각, 역시, 도 61 및 도 62를 참조하여 설명된 기술적 특징 또는 기술적 효과를 구현하도록 구성될 수 있다. Technical features in the circuitry illustrated in FIGS. 61 and 62 may be implemented in physical terms by forming the cache memory array CMA as a single layer or a multi-layer structure. In addition, each of the embodiments shown in FIG. 4 may also be configured to implement the technical features or technical effects described with reference to FIGS. 61 and 62.

도 63 내지 도 67은 상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들(MMA, CMA)의 위치들 및 그 내부 라인들의 방향들을 예시적으로 보여주는 개략적인 사시도들이다. 예를 들면, 도 63은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 수직-채널 낸드 플래시 메모리의 형태로 제공되는 실시예들에 적용된 일 예를 도시하고, 도 64는 수직-게이트 낸드 플래시 메모리에 적용된 일 예를 도시하고, 도 65는 3차원 크로스포인트 저항성 메모리 또는 수직-게이트 낸드 플래시 메모리에 적용된 일 예를 도시하고, 도 66 및 도 67은 3차원 크로스포인트 저항성 메모리에 적용된 예들을 도시한다. 도면에서의 복잡성을 피하기 위해, 도 63 내지 도 67에서, 워드라인들(WL)은 평판 형태로 도시되었지만, 다층 및 다열 구조로 제공될 수도 있다.
63 to 67 are schematic perspective views exemplarily showing positions of the main and cache memory arrays MMA and CMA and directions of inner lines thereof. For example, FIG. 63 illustrates an example applied to embodiments in which the main memory array MMA is provided in the form of a vertical-channel NAND flash memory, and FIG. 64 illustrates an example applied to a vertical-gate NAND flash memory. 65 shows an example applied to a three-dimensional crosspoint resistive memory or a vertical-gate NAND flash memory, and FIGS. 66 and 67 show examples applied to a three-dimensional crosspoint resistive memory. In order to avoid complexity in the drawings, in FIGS. 63 to 67, the word lines WL are shown in the form of flat plates, but may be provided in a multi-layer and multi-row structure.

도 68는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 및 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구비하는 메모리 반도체 칩의 일 예를 도시하고, 도 69는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 및 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구비하는 멀티-코어 프로세서의 한 예(e.g., CPU 또는 AP)를 도시한다. 즉, 본 발명의 실시예들은 도 68 및 도 69에 예시적으로 도시된 반도체 장치들로서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 69의 프로세서 칩에 있어서, 상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이(MMA, CMA)는 단일 집적(monolithic) 방식으로 형성된 하나의 칩의 일부분들일 수 있으며, 그 각각은 L1 및 L2 캐쉬들로서 또는 L2 및 L3 캐쉬들로서 사용될 수 있다. 도 69의 프로세서 칩은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 대해 캐쉬 알고리즘을 수행하도록 구성되는 회로들을 더 구비할 수 있다.
FIG. 68 illustrates an example of a memory semiconductor chip including the main memory array MMA and the cache memory array CMA, and FIG. 69 illustrates the main memory array MMA and the cache memory array CMA. An example of a multi-core processor (eg, CPU or AP) is shown. That is, embodiments of the present invention may be implemented as the semiconductor devices illustrated in FIGS. 68 and 69. According to some embodiments, in the processor chip of FIG. 69, the main and cache memory arrays MMA and CMA may be portions of one chip formed in a monolithic manner, each of which is L1 and L2. It can be used as caches or as L2 and L3 caches. The processor chip of FIG. 69 may further include circuits configured to perform a cache algorithm on the cache memory array CMA.

상술한 것처럼 상기 챕터는 소정의 평면 상에 2차원적으로 배열된 데이터 또는 셀들로 구성되며, 여기서, 평면은 데이터-계층 구조적인 측면에서의 평면을 의미할 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 한 챕터가 블록들 중의 특정한 하나에 한정되는 개념이 아님을 의미한다. 예를 들면, 도 70에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는, 복수의 블록들 각각에 분산된, 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)로 구성될 수 있다. As described above, the chapter is composed of data or cells arranged two-dimensionally on a predetermined plane, where the plane may mean a plane in terms of data-hierarchical structure. This means that one chapter of the cache memory array CMA is not a concept limited to a particular one of the blocks. For example, as shown in FIG. 70, the cache memory array CMA may be configured as partial cache memory arrays PCMA distributed in each of a plurality of blocks.

일부 실시예들에 따르면, 도 9, 도 10 및 도 29을 참조하여 설명된 실시예들에서와 같이, 상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA) 각각을 구성하는 상기 캐쉬 셀들(CC)의 수(이하, 캐쉬 밀도)는 (예를 들면, 그것에 연결된) 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 어느 한 블록의 어느 한 챕터를 구성하는, 상기 메모리 셀들(MC)의 수(이하, 저장소 밀도)와 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도보다 클 수 있다. 예를 들면, 도 61 및 도 62를 참조하여 설명된 실시예들에서와 같이, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도의 두 배일 수 있다. According to some embodiments, as in the embodiments described with reference to FIGS. 9, 10, and 29, the number of the cache cells CC constituting each of the partial cache memory arrays PCMA (hereinafter, referred to as the embodiments) may be described. , Cache density) is substantially equal to the number of memory cells MC (hereinafter referred to as storage density), which constitutes any chapter of any block of the main memory array MMA (e.g., connected to it). can do. According to other embodiments, the cache density may be greater than the reservoir density. For example, as in the embodiments described with reference to FIGS. 61 and 62, the cache density may be twice the reservoir density.

또 다른 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도보다 작을 수 있다. 예를 들면, 상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA) 각각은 페이지 데이터를 저장하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 71에 도시된 것처럼, 반도체 장치는 VG-NAND 구조를 갖는 복수의 블록들 및 상기 블록들 각각에 연결되는 복수의 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)을 포함할 수 있다. 상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)은 비트라인들(BL)를 가로지르는 캐쉬 라인들(CWL)에 의해 제어될 수 있으며, 그 각각의 데이터 저장 크기는, 예를 들면, 페이지일 수 있다. According to still other embodiments, the cache density may be less than the reservoir density. For example, each of the partial cache memory arrays PCMA may be configured to store page data. For example, as illustrated in FIG. 71, the semiconductor device may include a plurality of blocks having a VG-NAND structure and a plurality of partial cache memory arrays PCMA connected to each of the blocks. The partial cache memory arrays PCMA may be controlled by the cache lines CWL across the bit lines BL, and the respective data storage size may be, for example, a page.

당업자에 의해 용이하게 변형 가능한 수준에서의 차이는 존재하지만, 도 29 내지 도 40을 참조하여 설명된 수직 채널 구조에 대한 동작 방법들은 도 71의 수직 게이트 구조에 대해서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 설명의 간결함을 위해, 이러한 동작 방법들에 대한 설명은 생략한다. 한편, 상기 분산된 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)을 포함하는 실시예들에 대한 보다 나은 이해를 위해, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 VG-NAND 구조로 구현하는 예가 도 71에 예시적으로 도시되었다. 하지만, 이러한 실시예들이 VG-NAND 구조에 한정적으로 적용될 수 있는 것은 아니며, 상술한 설명들에 기초하여 다양하게 변형될 수 있다. Although there are differences in the levels easily deformable by those skilled in the art, the operating methods for the vertical channel structure described with reference to FIGS. 29 to 40 may be substantially the same for the vertical gate structure of FIG. 71. Therefore, for the sake of brevity, the description of these operating methods will be omitted. Meanwhile, for a better understanding of embodiments including the distributed partial cache memory arrays (PCMA), an example of implementing the main memory array (MMA) in a VG-NAND structure is illustrated in FIG. 71 by way of example. It became. However, these embodiments are not limited to the VG-NAND structure and may be variously modified based on the above descriptions.

이에 더하여, 도 70에 기초한 실시예들의 경우, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도보다 작을 수 있다. 이러한 밀도 차이에 의해, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각은 상기 메모리 셀들(MC) 각각보다 큰 단위 면적을 갖는 메모리 요소를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 (에스램 또는 레이스트랙 메모리 등과 같은) 큰 면적을 갖는 메모리 요소들일 수 있으며, 상기 메모리 셀들(MC)은 (크로스포인트 메모리 또는 플래시 메모리 등과 같은) 작은 점유 면적을 갖는 플래시 메모리일 수 있다.
In addition, for embodiments based on FIG. 70, the cache density may be less than the reservoir density. Due to this density difference, each of the cache cells CC may be implemented using a memory element having a larger unit area than each of the memory cells MC. For example, the cache cells CC may be memory elements having a large area (such as SRAM or racetrack memory, etc.), and the memory cells MC may occupy a small amount (such as crosspoint memory or flash memory, etc.). It may be a flash memory having an area.

본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는, 상기 기판(SUB)의 상부에 또는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 상부 또는 하부에, (예를 들면, 단일집적 방식으로) 집적된 칩의 내적 구조물(internal structure)일 수 있다. 이 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 수 내지 수십 마이크로 미터의 크기를 갖는 실리콘-관통 비아들 또는 본딩 와이어 등을 사용하여 연결되는 외부 메모리 칩과 구별될 수 있다. 예를 들면, 상술한 캐쉬 밀도와 저장소 밀도 사이의 관계는 상기 실리콘-관통 비아들 또는 본딩 와이어들로부터 얻어지기 어렵다. According to some embodiments of the present disclosure, the cache memory array CMA may be disposed on the substrate SUB or above or below the main memory array MMA (eg, in a single integrated manner). ) May be an internal structure of the integrated chip. In this case, the cache memory array CMA may be distinguished from an external memory chip connected by using silicon-through vias or bonding wires having a size of several to several tens of micrometers. For example, the relationship between the cache density and the storage density described above is difficult to obtain from the silicon-through vias or bonding wires.

이에 더하여, 평면도의 측면에서 볼 때, 상기 캐쉬 셀들(CC)은, 셀 어레이 영역의 내부에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 연결 라인들(예를 들면, 수직 라인들(VL))에 전기적으로 연결될 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 셀들(CC)은, 페이지 버퍼, 비트라인 디코더 또는 센싱 회로 등과 같은 주변 회로를 경유하지 않고, 상기 메모리 셀들(MC)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이처럼, 외부 장치(예를 들면, CPU)로부터의 데이터 경로 길이에 있어서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 상기 주변회로보다 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 가깝다는 점에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 주변회로에 대한 내부 구조물일 수 있으며, 상기 수직 라인들(VL)은 칩 내부 라인들일 수 있다. 반면, 상기 실리콘-관통 비아들 또는 본딩 와이어들은 적층된 칩들의 I/O 단자들을 연결하는 배선들로 사용된다는 점에서, 이들은 상기 적층된 칩들 각각의 주변회로에 대한 외부 구조물에 해당한다. In addition, when viewed from the side of the plan view, the cache cells CC may include connection lines (for example, vertical lines VL) constituting the main memory array MMA in a cell array region. Can be electrically connected to the In other words, the cache cells CC may be electrically connected to the memory cells MC without passing through a peripheral circuit such as a page buffer, a bit line decoder, or a sensing circuit. As such, in the data path length from an external device (for example, a CPU), the cache memory array CMA is closer to the main memory array MMA than the peripheral circuit. ) May be an internal structure for the peripheral circuit, and the vertical lines VL may be chip internal lines. On the other hand, the silicon-via vias or bonding wires are used as wirings connecting the I / O terminals of the stacked chips, which corresponds to the external structure for the peripheral circuit of each of the stacked chips.

또한, 도 2, 도 41, 도 63, 도 66 및 도 67에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 수직 라인(VL)은 상기 기판(SUB)을 완전히 관통하지 않도록 형성되며, 그 길이는 그것을 포함하는 칩의 전체 두께보다 작을 수 있다. 2, 41, 63, 66 and 67, the vertical line VL is formed so as not to completely penetrate the substrate SUB, the length of which includes it. It may be less than the overall thickness of the chip.

그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 칩들이 실리콘-관통 비아 또는 웨이퍼 본딩 기술의 적용없이 구현되어야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함하는 반도체 칩들은 상기 실리콘-관통 비아들을 사용하는 멀티-칩 패키지의 일부로서 제공될 수 있다.
Nevertheless, semiconductor chips according to embodiments of the present invention should not be implemented without the application of silicon-through vias or wafer bonding techniques. For example, semiconductor chips including the cache memory array (CMA) according to embodiments of the present invention may be provided as part of a multi-chip package using the silicon-through vias.

상기 MM-CM 복사(S[RM])의 경우, 상기 메모리 셀(MC)의 읽기 동작은 상기 캐쉬 셀(CC)의 쓰기 동작과 짝을 이루어 수행되고, 상기 CM-MM 복사(S[WM])의 경우, 상기 메모리 셀(MC)의 쓰기 동작은 상기 캐쉬 셀(CC)의 읽기 동작과 짝을 이루어 수행될 수 있다. 본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 도 72에 도시된 것처럼, 반도체 장치는 이러한 짝 맞춤의 유효성을 강화시키도록 구성되는 환경층(EVL)을 더 포함할 수 있다. In the case of the MM-CM copy S [RM], a read operation of the memory cell MC is performed in pairs with a write operation of the cache cell CC, and the CM-MM copy S [WM] is performed. ), The write operation of the memory cell MC may be performed in pairs with the read operation of the cache cell CC. According to modified embodiments of the present invention, as shown in FIG. 72, the semiconductor device may further include an environmental layer (EVL) configured to enhance the effectiveness of such pairing.

예를 들면, 상기 환경층(EVL)은 상기 메모리 셀(MC)과 상기 캐쉬 셀(CC)을 연결하는 경로의 전기적 저항을 조절하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 환경층(EVL)은 상기 메모리 셀(MC)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 데이터 교환 또는 복사에서의 특성 불일치를 완화시키도록 구성되는 추가적인 메모리 요소들을 포함할 수 있다. 또는, 상기 환경층(EVL)은 상기 캐쉬 셀(CC)의 동작 환경(예를 들면, 온도)에 대한 변화를 가져오도록 구성될 수 있다. 상기 환경층(EVL)은 국소적 또는 선택적으로 동작하도록 구성될 수 있으며, 이를 위해 복수의 환경 제어 요소들 및 이들을 전기적으로 제어하는 도전 라인들을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 비트라인들이 광도파로의 형태로 제공되는 경우, 상기 환경층(EVL)은 전기적 신호를 광학적 신호로 또는 그 반대로 변환 시키는 광전 변환 소자들을 포함할 수 있다. For example, the environmental layer EVL may be configured to adjust an electrical resistance of a path connecting the memory cell MC and the cache cell CC. Alternatively, the environmental layer EVL may include additional memory elements configured to mitigate characteristic mismatches in data exchange or copying between the memory cell MC and the cache cell CC. Alternatively, the environmental layer EVL may be configured to bring about a change in an operating environment (eg, temperature) of the cache cell CC. The environmental layer EVL may be configured to operate locally or selectively, and may include a plurality of environmental control elements and conductive lines electrically controlling them for this purpose. In addition, when the bit lines are provided in the form of an optical waveguide, the environmental layer EVL may include photoelectric conversion elements for converting an electrical signal into an optical signal or vice versa.

한편, 도 72는 상기 환경층(EVL)이 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 배선 구조체(UWS) 사이에 개재되는 예를 도시하고 있지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 4에 도시된 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 배치에서의 변형들에서와 다양하게 변형될 수 있다.
72 illustrates an example in which the environmental layer EVL is interposed between the main memory array MMA and the wiring structure UWS, but embodiments of the present invention are not limited thereto. The variations in the arrangement of the cache memory array CMA shown in FIG.

[응용][Applications]

도 73에 도시된 것처럼, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 제품(1000)은 메모리 장치(1001) 및 상기 메모리 장치(1001)와 유기적으로 또는 독립적으로 동작하는 전자 부품(1002)을 포함할 수 있다. 상기 전자 제품(1000)은 (메모리 모듈, SSD, 프로세서, 컨트롤러, 또는 메모리 카드와 같은) 전자 부품, (모바일 기기, 웨어러블 기기, 이미지 기록 장치, 노트북, 또는 컴퓨터와 같은) 개인용 전자 제품, 및 (데이터 센터, 서버 시스템, 클라우딩 시스템, 의료 기기, 군사 기기, 자동차, 선박, 또는 방송 장비 등과 같은) 복합 시스템의 형태로서 제공될 수 있다. 상기 메모리 장치(1001)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들 중의 적어도 하나를 포함하는 형태로서 제공될 수 있다. 상기 전자 제품(1000)이 전자 부품의 형태로 제공되는 경우, 상기 전자 부품(1002)은 커패시터, 저항, 코일, 반도체 칩(예를 들면, 컨트롤러), 및/또는 배선 기판 등의 형태로 제공될 수 있고, 개인용 전자 제품의 경우, 상기 전자 부품(1002)은 안테나, 디스플레이, 제어 장치, 사용자 정보 입력 수단(예를 들면, 터치 패널) 및/또는 전원 등을 포함할 수 있고, 시스템의 경우, 상기 전자 부품(1002)은 입출력 수단, 하우징 및/또는 전원 공급부 등을 포함할 수 있다. As illustrated in FIG. 73, an electronic product 1000 according to some embodiments of the present disclosure may include a memory device 1001 and an electronic component 1002 that operates organically or independently of the memory device 1001. Can be. The electronics 1000 may include electronic components (such as memory modules, SSDs, processors, controllers, or memory cards), personal electronics (such as mobile devices, wearable devices, image recording devices, laptops, or computers), and ( Data centers, server systems, clouding systems, medical devices, military devices, automobiles, ships, or broadcast equipment). The memory device 1001 may be provided in a form including at least one of the semiconductor devices according to the embodiments of the present invention described above. When the electronic product 1000 is provided in the form of an electronic component, the electronic component 1002 may be provided in the form of a capacitor, a resistor, a coil, a semiconductor chip (for example, a controller), and / In the case of a personal electronic device, the electronic component 1002 may include an antenna, a display, a control device, a user information input means (e.g., a touch panel) and / or a power source, The electronic component 1002 may include input / output means, a housing, and / or a power supply.

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

Claims (12)

3차원적으로 배열되어 블록 데이터를 저장하는, 메모리 셀들을 포함하는 메인 메모리 어레이;
2차원적으로 배열되어 챕터 데이터를 저장하는, 캐쉬 셀들을 포함하는 캐쉬 메모리 어레이;
1차원적으로 배열되어 페이지 데이터를 전송하는, 비트라인들을 포함하는 비트라인 구조체; 및
상기 비트라인 구조체를 통해 상기 캐쉬 메모리 어레이 연결되는 비트라인 디코더를 포함하는 반도체 장치.
A main memory array comprising memory cells three-dimensionally arranged to store block data;
A cache memory array including cache cells that are two-dimensionally arranged to store chapter data;
A bitline structure including bitlines arranged one-dimensionally to transmit page data; And
And a bitline decoder coupled to the cache memory array through the bitline structure.
청구항 1에 있어서,
상기 캐쉬 셀들은 상기 메모리 셀들과는 다른 메모리 요소들을 사용하여 구현되는 반도체 장치.
The method according to claim 1,
And the cache cells are implemented using memory elements different from the memory cells.
청구항 1에 있어서,
상기 캐쉬 셀들은 상기 메모리 셀들에 비해 빠른 동작 속도를 갖는 메모리 요소들을 사용하여 구현되는 반도체 장치.
The method according to claim 1,
And the cache cells are implemented using memory elements having a faster operating speed than the memory cells.
청구항 1에 있어서,
상기 캐쉬 메모리 어레이는 상기 비트라인들을 가로지르면서 상기 캐쉬 메모리 셀들을 제어하는 복수의 캐쉬 라인을 포함하는 반도체 장치.
The method according to claim 1,
And the cache memory array includes a plurality of cache lines that control the cache memory cells while crossing the bit lines.
청구항 1에 있어서,
상기 메인 메모리 어레이는 2차원적으로 배열되어 상기 메모리 셀들을 연결하는 복수의 수직 라인들을 포함하고,
상기 캐쉬 셀들 각각은 상기 수직 라인들 중의 상응하는 하나에 연결되는 반도체 장치.
The method according to claim 1,
The main memory array includes a plurality of vertical lines arranged two-dimensionally to connect the memory cells,
Each of the cache cells is connected to a corresponding one of the vertical lines.
청구항 5에 있어서,
상기 메모리 셀들은 전하저장층을 포함하는 메모리 요소들이고,
상기 캐쉬 셀들은 가변저항 특성을 갖는 메모리 요소들인 반도체 장치.
The method according to claim 5,
The memory cells are memory elements comprising a charge storage layer,
And the cache cells are memory elements having a variable resistance characteristic.
청구항 1에 있어서,
상기 메인 메모리 어레이는, 그 각각은 블록 데이터를 저장하도록 구성되는, 복수의 블록들을 포함하고,
상기 캐쉬 메모리 어레이는 상기 블록들 각각에 대응하여 제공되는 복수의 부분 캐쉬 메모리 어레이들을 포함하는 반도체 장치.
The method according to claim 1,
The main memory array comprising a plurality of blocks, each configured to store block data,
The cache memory array includes a plurality of partial cache memory arrays provided corresponding to each of the blocks.
청구항 7에 있어서,
상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들 각각은 한 페이지 또는 그 이하의 데이터를 저장하도록 구성되는 반도체 장치.
The method of claim 7,
Each of the partial cache memory arrays is configured to store one page or less of data.
청구항 7에 있어서,
상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들 각각은 두 페이지 또는 그 이상의 데이터를 저장하도록 구성되는 반도체 장치.
The method of claim 7,
Each of the partial cache memory arrays is configured to store two pages or more data.
청구항 1의 반도체 장치를 동작하는 방법에 있어서,
상기 캐쉬 메모리 어레이와 상기 비트라인 디코더 사이의 데이터 교환은 한 페이지 또는 그 이하의 단위로 수행되고,
상기 캐쉬 메모리 어레이와 상기 메인 메모리 어레이 사이의 데이터 교환은 적어도 두 페이지 이상의 단위로 수행되는 반도체 장치의 동작 방법.
In the method of operating the semiconductor device of claim 1,
The data exchange between the cache memory array and the bit line decoder is performed in units of one page or less,
And exchanging data between the cache memory array and the main memory array in units of at least two pages.
청구한 10에 있어서,
상기 메인 메모리 어레이에 대한 쓰기 동작은
상기 비트라인 디코더를 경유하여 입력되는 외부 데이터를, 한 페이지 또는 그 이하의 단위로, 상기 캐쉬 메모리 어레이에 기록하는 캐쉬 쓰기를 적어도 한번 실시하는 단계; 및
상기 캐쉬 메모리 어레이에 저장된 데이터를, 적어도 두 페이지 이상의 단위로, 상기 메인 메모리 어레이로 기록하는 캐쉬-메인 복사를 한번 실시하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법.
For 10 claimed,
The write operation to the main memory array is
At least once performing a cache write for writing external data input through the bit line decoder to the cache memory array in units of one page or less; And
And performing a cache-main copy, which writes data stored in the cache memory array to the main memory array in units of at least two pages.
청구한 10에 있어서,
상기 메인 메모리 어레이에 대한 읽기 동작은
상기 메인 메모리 어레이에 저장된 데이터를, 적어도 두 페이지 이상의 단위로, 상기 캐쉬 메모리 어레이에 기록하는 메인-캐쉬 복사를 한번 실시하는 단계; 및
상기 캐쉬 메모리 어레이에 기록된 데이터를, 한 페이지 또는 그 이하의 단위로, 상기 비트라인 디코더로 전송하는 캐쉬 읽기를 적어도 한번 실시하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법.
For 10 claimed,
The read operation on the main memory array is
Performing a main-cache copy for writing data stored in the main memory array in the cache memory array in units of at least two pages; And
And performing at least one cache read for transmitting the data written in the cache memory array to the bit line decoder in units of one page or less.
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