KR20170022477A - 반도체 메모리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 전자 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 보다 구체적으로는 반도체 메모리 장치에 관한 것이다. 본 기술에 따른 향상된 집적도를 갖는 반도체 메모리 장치는 복수의 층으로 적층된 메모리 셀 어레이 및 상기 메모리 셀 어레이를 구동하는 주변 회로를 포함하고, 상기 주변 회로 영역에 형성되고, 상기 메모리 셀 어레이 및 상기 주변 회로에 대한 디커플링 커패시터들을 제공하는 파워 디커플링 커패시터 회로를 포함하되, 상기 파워 디커플링 커패시터 회로는 교대로 적층된 도전 라인들, 상기 도전 라인들을 관통하는 복수의 반도체 필라들, 상기 반도체 필라들을 연결하는 수평 연결부 및 상기 도전 라인들을 관통하고 상기 수평 연결부와 절연된 수직 연결부를 포함한다.

Description

반도체 메모리 장치{SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE}
본 발명은 전자 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체 메모리 장치에 관한 것이다.
반도체 메모리 장치(semiconductor memory device)는 실리콘(Si, silicon), 게르마늄(Ge, Germanium), 비화 갈륨(GaAs, gallium arsenide), 인화인듐(InP, indium phospide) 등과 같은 반도체를 이용하여 구현되는 기억장치이다. 반도체 메모리 장치는 크게 휘발성 메모리 장치(Volatile memory device)와 불휘발성 메모리(Nonvolatile memory device)로 구분된다.
휘발성 메모리 장치는 전원 공급이 차단되면 저장하고 있던 데이터가 소멸되는 메모리 장치이다. 휘발성 메모리 장치에는 SRAM (Static RAM), DRAM (Dynamic RAM), SDRAM (Synchronous DRAM) 등이 있다. 불휘발성 메모리 장치는 전원 공급이 차단되어도 저장하고 있던 데이터를 유지하는 메모리 장치이다. 불휘발성 메모리 장치에는 ROM (Read Only Memory), PROM (Programmable ROM), EPROM (Electrically Programmable ROM), EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM), 플래시 메모리, PRAM (Phase-change RAM), MRAM (Magnetic RAM), RRAM (Resistive RAM), FRAM (Ferroelectric RAM) 등이 있다. 플래시 메모리는 크게 노어 타입과 낸드 타입으로 구분된다.
본 발명의 실시 예는 향상된 집적도를 갖는 반도체 메모리 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시 예로서, 반도체 메모리 장치는 복수의 층으로 적층된 메모리 셀 어레이, 상기 메모리 셀 어레이를 구동하는 주변 회로를 포함하고, 상기 주변 회로는, 상기 메모리 셀 어레이 및 상기 주변 회로에 대한 디커플링 커패시터들을 제공하는 파워 디커플링 커패시터 회로를 포함하되, 상기 파워 디커플링 커패시터 회로는 교대로 적층된 도전 라인들, 상기 도전 라인들을 관통하는 복수의 반도체 필라들, 상기 반도체 필라들을 연결하는 수평 연결부 및 상기 도전 라인들을 관통하고 상기 수평 연결부와 절연된 수직 연결부를 포함한다.
실시 예로서, 반도체 메모리 장치는, 셀 영역 및 주변 회로 영역을 갖는 반도체 기판, 상기 셀 영역 및 주변 회로 영역에 적층된 도전 라인들, 상기 도전 라인들을 관통하는 복수의 반도체 필라들, 상기 복수의 반도체 필라들 중 상기 주변 회로 영역에 위치한 반도체 필라들을 연결하는 수평 연결부 및 상기 도전 라인들 중 상기 주변 회로 영역에 위치한 도전 라인들을 관통하고 상기 수평 연결부와 절연된 수직 연결부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 향상된 집적도를 갖는 반도체 메모리 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 파워 디커플링 커패시터 회로의 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 메모리 셀 어레이(100)의 일 실시 예를 보여주는 블록도이다.
도 4는 도 3의 메모리 셀 어레이에 포함된 복수의 메모리들 중 어느 하나의 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4를 참조하여 설명된 메모리 블록(BLK1)의 등가 회로를 보여주는 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 파워 디커플링 커패시터 회로의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7의 파워 디커플링 커패시터 회로의 I-I' 선에 따른 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로의 단면을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 7 및 8을 참조하여 설명된 파워 디커플링 커패시터 회로의 등가 회로를 보여주는 회로도이다.
도 11은 층간 절연막과 도전 물질막을 순차적으로 적층하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 12는 필라들을 형성하기 위한 부분을 제거하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 필라들을 형성하기 위해 ONO를 주입하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 셀 영역의 슬리밍 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 슬릿 영역을 생성하고 도전물질을 제거하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 슬릿 영역에 금속 물질을 주입하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 슬릿 영역을 형성하여 금속 물질을 식각 하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 금속 물질이 제거된 영역에 절연물질을 주입하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 도 9의 실시 예에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로의 형성을 위해 임의의 영역에 슬릿을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 도 19의 과정에서 형성된 슬릿에 금속 물질을 주입하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 콘택 플러그들을 형성하기 위한 식각 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 콘택 플러그들을 형성하기 위해 금속 물질을 매립하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 콘택 플러그들에 전극을 연결한 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 도 1의 반도체 메모리 장치(50)를 포함하는 메모리 시스템(1000)을 보여주는 블록도이다.
도 25는 도 24의 메모리 시스템(1000)의 응용 예(2000)를 보여주는 블록도이다.
도 26은 도 25를 참조하여 설명된 메모리 시스템(2000)을 포함하는 컴퓨팅 시스템(3000)을 보여주는 블록도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 서술된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
반도체 메모리 장치가 동작하기 위한 전원을 공급받을 때 전원 노이즈를 감소시키기 위해 입력 전압(VCC)과 접지 사이에 커패시터가 연결될 수 있다. 이러한 커패시터는 흔히 파워 디커플링(decoupling) 커패시터라고 불린다. 파워 디커플링 커패시터는 입력 전압(Vcc)의 급격한 변화를 방지한다. 입력 전압(Vcc)의 급격한 변화가 방지됨에 따라 반도체 메모리 장치의 오동작이 방지될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 주변 회로 영역에 3차원 구조의 파워 디커플링 커패시터들을 포함하는 반도체 메모리 장치를 제안한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치를 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 메모리 장치(50)는 메모리 셀 어레이(100) 및 주변 회로(110, peripheral circuit)를 포함한다.
메모리 셀 어레이(100)는 복수의 메모리 블록들(BLK1~BLKz)을 포함한다. 복수의 메모리 블록들(BLK1~BLKz)은 행 라인들(RL)을 통해 어드레스 디코더(120)에 연결되고, 비트 라인들(BL1~BLm)을 통해 읽기 및 쓰기 회로(140)에 연결된다. 행 라인들(RL)은 소스 선택 라인들, 워드 라인들 및 드레인 선택 라인들을 포함할 수 있다.
복수의 메모리 블록들(BLK1~BLKz) 각각은 복수의 셀 스트링들을 포함한다. 각 셀 스트링은 기판 위에 적층되는 복수의 불휘발성 메모리 셀들을 포함한다. 예시적인 실시 예로서, 복수의 메모리 셀들은 셀 당 하나 또는 그 이상의 비트를 저장할 수 있다. 메모리 셀 어레이(100) 는 도 3 내지 도 5에 대한 설명에서 보다 상세하게 설명된다.
주변 회로(110)는 메모리 셀 어레이(100)를 구동하도록 구성된다. 주변 회로(110)는 어드레스 디코더(120), 전압 발생기(130), 읽기 및 쓰기 회로(140), 데이터 입출력 회로(150), 제어 로직(160) 및 파워 디커플링 커패시터 회로(170)를 포함한다.
어드레스 디코더(120)는 행 라인들(RL)을 통해 메모리 셀 어레이(100)에 연결된다. 어드레스 디코더(120)는 제어 로직(160)의 제어에 응답하여 동작하도록 구성된다.
어드레스 디코더(120)는 제어 로직(160)을 통해 어드레스(ADDR)를 수신한다. 반도체 메모리 장치(50)의 프로그램은 워드 라인 단위로 수행된다. 프로그램 시에, 어드레스(ADDR)는 블록 어드레스 및 행 어드레스를 포함할 것이다.
어드레스 디코더(120)는 수신된 어드레스(ADDR) 중 블록 어드레스를 디코딩하도록 구성된다. 어드레스 디코더(120)는 디코딩된 블록 어드레스에 따라 메모리 블록들(BLK1~BLKz) 중 하나의 메모리 블록을 선택한다.
어드레스 디코더(120)는 수신된 어드레스(ADDR) 중 행 어드레스를 디코딩하도록 구성된다. 어드레스 디코더(120)는 디코딩된 행 어드레스에 따라 전압 발생기(130)로부터 제공받은 전압들을 행 라인들(RL)에 인가하여 선택된 메모리 블록의 하나의 워드 라인을 선택한다.
실시 예로서, 어드레스 디코더(120)는 어드레스 버퍼, 블록 디코더 및 행 디코더 등을 포함할 수 있다.
전압 발생기(130)는 반도체 메모리 장치(50)에 공급되는 외부 전원 전압을 이용하여 복수의 전압들을 발생하도록 구성된다. 전압 발생기(130)는 제어 로직(160)의 제어에 응답하여 동작한다.
실시 예로서, 전압 발생기(130)는 외부 전원 전압을 레귤레이팅하여 내부 전원 전압을 생성할 수 있다. 전압 발생기(130)에서 생성된 내부 전원 전압은 반도체 메모리 장치(50)의 동작 전압으로서 사용된다.
실시 예로서, 전압 발생기(130)는 외부 전원 전압 또는 내부 전원 전압을 이용하여 복수의 전압들을 생성할 수 있다. 예를 들면, 전압 발생기(130)는 내부 전원 전압을 수신하는 복수의 펌핑 커패시터들을 포함하고, 제어 로직(160)의 제어에 응답하여 복수의 펌핑 커패시터들을 선택적으로 활성화하여 복수의 전압들을 생성할 것이다. 생성된 전압들은 어드레스 디코더(120)에 의해 워드 라인들에 인가된다. 프로그램 동작 시에, 전압 발생기(130)는 고전압의 프로그램 펄스 및 프로그램 펄스보다 낮은 패스 펄스를 생성할 것이다. 프로그램 검증 동작 시에, 전압 발생기(130)는 검증전압 및 검증전압보다 높은 검증 패스 전압을 생성할 것이다.
읽기 및 쓰기 회로(140)는 제 1 내지 제 m 페이지 버퍼들(PB1~PBm)을 포함한다. 제 1 내지 제 m 페이지 버퍼들(PB1~PBm)은 각각 제 1 내지 제 m 비트 라인들(BL1~BLm)을 통해 메모리 셀 어레이(100)에 연결된다. 제 1 내지 제 m 페이지 버퍼들(PB1~PBm)은 제어 로직(160)의 제어에 응답하여 동작한다.
제 1 내지 제 m 페이지 버퍼들(PB1~PBm)은 데이터 입출력 회로(150)와 데이터를 통신한다. 프로그램 시에, 제 1 내지 제 m 페이지 버퍼들(PB1~PBm)은 데이터 입출력 회로(150) 및 데이터 라인들(DL)을 통해 저장될 데이터(DATA)를 수신한다. 제 1 내지 제 m 페이지 버퍼들(PB1~PBm)은 선택된 워드 라인에 프로그램 펄스가 인가될 때, 저장될 데이터(DATA)를 비트 라인들(BL1~BLm)을 통해 선택된 메모리 셀들에 전달할 것이다. 프로그램 허용 전압(예를 들면, 접지 전압)이 인가되는 비트 라인과 연결된 메모리 셀은 상승된 문턱 전압을 가질 것이다. 프로그램 금지 전압(예를 들면, 전원 전압)이 인가되는 비트 라인과 연결된 메모리 셀의 문턱 전압은 유지될 것이다. 프로그램 검증 동작 시에, 제 1 내지 제 m 페이지 버퍼들(PB1~PBm)은 선택된 메모리 셀들로부터 비트 라인들(BL1~BLm)을 통해 페이지 데이터를 읽는다.
실시 예로서, 읽기 및 쓰기 회로(140)는 열 선택 회로를 포함할 수 있다.
데이터 입출력 회로(150)는 데이터 라인들(DL)을 통해 제 1 내지 제 m 페이지 버퍼들(PB1~PBm)에 연결된다. 데이터 입출력 회로(150)는 제어 로직(160)의 제어에 응답하여 동작한다. 프로그램 시에, 데이터 입출력 회로(150)는 외부 컨트롤러(미도시)로부터 저장될 데이터(DATA)를 수신한다.
제어 로직(160)은 어드레스 디코더(120), 전압 발생기(130), 읽기 및 쓰기 회로(140) 및 데이터 입출력 회로(150)에 연결된다. 제어 로직(160)은 외부 컨트롤러로부터 커맨드(CMD) 및 어드레스(ADDR)를 수신한다. 제어 로직(160)은 커맨드(CMD)에 응답하여 어드레스 디코더(120), 전압 발생기(130), 읽기 및 쓰기 회로(140) 및 데이터 입출력 회로(150)를 제어하도록 구성된다. 제어 로직(160)은 어드레스(ADDR)를 어드레스 디코더(120)에 전달한다.
파워 디커플링 커패시터 회로(170)는 복수의 파워 디커플링 커패시터들을 포함한다. 복수의 파워 디커플링 커패시터들은 반도체 메모리 장치(50)의 메모리 셀 어레이(100) 및 주변 회로(110)에 포함된 회로들에 대한 디커플링 커패시터들로 동작할 수 있다.
파워 디커플링 커패시터 회로(170)는 반도체 메모리 장치의 구성요소들에 각각 독립적으로 연결된다. 즉 파워 디커플링 커패시터 회로(170)는 메모리 셀 어레이(100), 어드레스 디코더(120), 전압 발생기(130), 읽기 및 쓰기 회로(140), 데이터 입출력 회로(150) 및 제어 로직(160)에 각각 연결될 수 있다.
파워 디커플링 커패시터 회로(170)는 3차원 메모리 셀 어레이(100)의 구조와 극히 유사한 입체 구조를 가질 수 있다. 파워 디커플링 커패시터 회로(170)는 반도체 메모리 장치의 구성요소들에 입력되는 전압의 급격한 변화를 방지한다. 본 발명의 실시 예에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로(170)에 대해서는 후술하는 도 6 내지 도 10에 대한 설명에서 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 파워 디커플링 커패시터 회로의 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 따르면, 본 발명의 파워 디커플링 커패시터 회로는 주변 회로 영역에 형성되지만 반도체 메모리 장치의 구성요소들에 각각 독립적으로 연결될 수 있다. 구체적으로 파워 디커플링 커패시터는 주변회로(110)에 포함된 구성요소들, 즉 메모리 셀 어레이(100), 읽기 및 쓰기 회로(140), 어드레스 디코더(120) 및 전압 발생기(130) 등에 각각 연결될 수 있다.
파워 디커플링 커패시터들(170-1, 170-2, 170-3)은 반도체 메모리 장치의 구성요소들에 입력되는 전압의 급격한 변화를 방지한다. 즉, 구성요소들에 인가되는 전압이 많이 감소하는 경우 파워 디커플링 커패시터에 미리 충전된 전압을 인가함으로써 입력 전압의 급격한 변화를 방지한다. 구성요소들에 인가되는 전압이 높은 경우 파워 디커플링 커패시터는 미리 전하를 충전하여 추후 입력 전압이 많이 감소하는 경우 반도체 메모리 장치의 오동작이 방지한다.
본 발명의 실시 예는 주변 회로 영역에 형성된 메모리 셀 어레이(100)의 3차원 구조와 유사한 셀 캡(Cell Cap) 형태의 파워 디커플링 커패시터 회로를 포함하는 반도체 메모리 장치를 제공한다.
도 3은 도 1의 메모리 셀 어레이(100)의 일 실시 예를 보여주는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 메모리 셀 어레이(100)는 복수의 메모리 블록들(BLK1~BLKz)을 포함한다. 각 메모리 블록은 3차원 구조를 갖는다. 각 메모리 블록은 X 방향, Y 방향 및 Z 방향을 따라 신장된 구조물들을 포함한다. 각 메모리 블록은 제 1 및 제 3 방향들을 따라 배치된 복수의 셀 스트링들을 포함할 것이다. 각 셀 스트링은 제 2 방향을 따라 신장된 구조물일 것이다. 메모리 셀 어레이(100)는 복수의 메모리 블록들(BLK1~BLKz)을 포함한다. 복수의 메모리 블록들(BLK1~BLKz)은 행 라인들(RL)을 통해 어드레스 디코더(120)에 연결되고, 비트 라인들(BL1~BLm)을 통해 읽기 및 쓰기 회로(140)에 연결된다. 복수의 메모리 블록들(BLK1~BLKz) 각각은 복수의 메모리 셀들을 포함한다. 실시 예로서, 복수의 메모리 셀들은 불휘발성 메모리 셀들이다.
도 4는 도 3의 메모리 셀 어레이에 포함된 복수의 메모리들 중 어느 하나의 실시 예를 보여주는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 제 1 타입(예를 들면, p형)을 갖는 기판(211) 상에 제 2 타입(예를 들면, n형)의 도핑 영역(212)이 제공된다. 기판(211)은 n 웰 내에 제공되는 포켓 p웰로서 제공될 수 있다.
제 2 타입의 도핑 영역(212)으로부터 z 방향을 따라 특정 거리만큼 이격된 제 1 내지 제 7 도전 물질들(221~227)이 제공된다. 제 1 내지 제 7 도전 물질들(221~227) 각각은 X 방향 및 Y 방향으로 신장된다. 그리고 제7 도전 물질(227)로부터 z 방향을 따라 이격된 제 8 도전 물질들(231, 232)이 제공된다. 제 8 도전 물질들(231~232)은 서로 Y 방향을 따라 서로 이격된다. 실시 예로서, 제 1 내지 제 7 도전 물질들(221~227), 그리고 제 8 도전 물질들(231, 232)은 폴리 실리콘으로 구성될 수 있다.
도 4에 도시되지는 않으나, 제 1 내지 제 7 도전 물질들(221~227), 그리고 제 8 도전 물질들(231, 232) 사이에는 절연 물질들이 제공될 수 있다. 절연 물질들은, 예를 들면 실리콘 산화물(Silicon Oxide)을 포함할 수 있다.
이하, 제 1 내지 제 7 도전 물질들(221~227)은 각각 제 1 내지 제 7 높이들을 갖는다고 정의된다. 제 8 도전 물질들(231, 232)은 제 8 높이를 갖는다고 정의된다.
제 1 내지 제 7 도전 물질들(221~227), 그리고 제 8 도전 물질들(231, 232)을 관통하고, X 방향 및 Y 방향을 따라 서로 이격되는 복수의 필라들이 제공된다. 각 필라는 Z 방향으로 신장된다. 실시 예로서, 각 필라의 X 방향 및 Y 방향에 따른 폭은 기판에 인접할수록 감소할 수 있다.
도면에는 미도시 되었으나, 실시 예로서, 각 필라는 내부 물질, 중간층 및 표면층을 포함한다. 내부 물질은 절연 물질을 포함한다. 예를 들면, 내부 물질은 실리콘 산화물 또는 에어 갭(air gap)을 포함할 수 있다. 중간층은 제 1 타입으로 도핑된 실리콘 물질을 포함한다. 중간층은 제 z 방향의 채널로 동작한다. 표면층은 데이터를 저장하도록 구성된다. 예를 들면, 표면층은 중간층으로부터 순차적으로 배치된 터널링 절연막, 전하 저장막 및 블로킹 절연막을 포함한다.
실시 예로서, 터널링 절연막은 열 산화막을 포함할 수 있다. 전하 저장막은 질화막 또는 금속 산화막을 포함할 수 있다. 그리고 블로킹 절연막은 터널링 절연막 및 전하 저장막보다 높은 유전 상수를 갖는 유전막을 포함할 수 있다.
각 필라 상에 드레인(240)이 제공된다. 각 드레인(240)은, 예를 들면 제 2 타입으로 도핑된 실리콘 물질을 포함한다. 드레인들 상에는 Y 방향으로 신장되는 상부 도전 물질들(251, 252)이 제공된다. 상부 도전 물질들(251, 252)은 서로 X 방향을 따라 이격된다.
상부 도전 물질들(251, 252)은 금속 물질들이다. 실시 예로서, 상부 도전 물질들(251, 252)은 폴리 실리콘으로 구성될 수 있다.
각 필라, 그리고 각 필라에 인접한 영역의 도전 물질은 하나의 셀 트랜지스터로서 동작한다. 즉, 채널로서 동작하는 필라의 중간층, 필라의 표면층의 터널링 절연막, 전하 저장막 및 블로킹 절연막, 그리고 제어 게이트로서 동작하는 도전 물질은 하나의 셀 트랜지스터를 구성할 것이다.
각 필라는 제 1 내지 제 7 높이의 도전 물질들, 그리고 제 8 높이의 도전 물질들 중 어느 하나와 접한다. 따라서, 하나의 필라에 대응하는 셀 트랜지스터들은 8개일 것이다. 하나의 필라는 하나의 셀 스트링에 대응한다고 가정하면, 각 셀 스트링은 제 1 내지 제 8 높이의 셀 트랜지스터들을 포함할 것이다.
도 4에서, 8개 층의 제1 내지 제8 도전 물질들(221~227, 231, 232)이 제공된다. 그러나, 이는 예시적인 것으로서 8개 층 이상 또는 이하의 도전 물질들이 제공될 수 있음이 이해될 것이다.
도 4에서, 하나의 비트 라인에 2개의 필라들이 연결되는 것이 도시된다. 그러나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 하나의 비트 라인 당 2개 이상의 필라들이 연결될 수 있음이 이해될 것이다.
도 4에서, 상부 도전 물질들(251, 252)이 제공된다. 상부 도전 물질들(251, 252)은 각각 2개의 비트 라인들에 연결될 수 있다. 그러나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 2개 이상의 비트 라인들이 제공될 수 있음이 이해될 것이다.
즉, N(N은 자연수) 개의 비트 라인들이 제공되고, 하나의 비트 라인 당 M(M은 자연수) 개의 필라들이 연결될 것이다.
도 5는 도 4를 참조하여 설명된 메모리 블록(BLK1)의 등가 회로를 보여주는 회로도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제 2 타입의 도핑 영역(212)은 공통 소스 라인(CSL)으로서 동작한다. 제 1 높이의 제 1 도전 물질(221)은 소스 선택 라인(SSL)으로서 동작한다. 제 2 내지 7 높이들의 제 2 내지 제 7 도전 물질들(222~227)은 각각 제 1 내지 제 6 워드 라인들(WL1~WL6)로서 동작한다. 제 8 높이의 제 8 도전 물질들(231, 232)은 각각 제 1 및 제 2 드레인 선택 라인들(DSL1, DSL2)로서 동작한다. 상부 도전 물질들(251, 252)은 각각 제 1 및 제 2 비트 라인들(BL1, BL2)로서 동작한다.
도 4를 참조한 설명과 같이, 각 필라는 하나의 셀 스트링(CS)에 대응한다. 도 4에서는 4개의 필라들이 제공되므로, 메모리 블록(BLK1)은 4개의 셀 스트링들(CS11, CS12, CS21, CS22)을 포함한다.
이하에서, 행 및 열 단위로 셀 스트링들(CS11, CS12, CS21, CS22)이 정의된다.
하나의 비트 라인에 공통으로 연결된 셀 스트링은 하나의 열로서 정의된다. 제 1 비트 라인(BL1)에 연결된 셀 스트링들(CS11, CS21)은 제 1 열에 해당한다. 제 2 비트 라인(BL2)에 연결된 셀 스트링들(CS12, CS22)은 제 2 열에 해당한다.
하나의 드레인 선택 라인에 연결된 셀 스트링들은 하나의 행으로서 정의된다. 제 1 드레인 선택 라인(DSL1)에 연결된 셀 스트링들(CS11, CS12)은 제 1 행에 해당한다. 제 2 드레인 선택 라인(DSL2)에 연결된 셀 스트링들(CS21, CS22)은 제 2 행에 해당한다.
도 4를 참조한 설명과 같이, 각 셀 스트링(CS)은 제 1 내지 제 8 높이의 셀 트랜지스터들을 포함한다. 각 셀 스트링(CS)의 제 1 높이의 셀 트랜지스터는 소스 선택 트랜지스터(SST)로서 동작한다. 각 셀 스트링(CS)의 제 2 내지 제 7 높이들의 셀 트랜지스터들은 각각 제 1 내지 제 6 메모리 셀들(MC1~MC6)로서 동작한다. 각 셀 스트링(CS)의 제 8 높이의 셀 트랜지스터는 드레인 선택 트랜지스터(DST)로서 동작한다. 선택 트랜지스터들(SST, DST) 및 메모리 셀들(MC1~MC6)은 동일한 구조를 가질 수 있다.
각 셀 스트링(CS)의 소스 선택 트랜지스터(SST)는 소스 선택 라인(SSL)에 공통 연결된다.
동일한 높이의 메모리 셀들은 하나의 워드 라인에 공통으로 연결된다. 각 셀 스트링(CS)의 제 1 내지 제 6 메모리 셀들(MC1~MC6)은 각각 제 1 내지 제 6 워드 라인들(WL1~WL6)에 연결된다.
동일한 행의 셀 스트링들은 동일한 드레인 선택 라인(DSL)에 연결된다. 상이한 행의 셀 스트링들은 상이한 드레인 선택 라인(DSL)에 연결된다. 제 1 행의 셀 스트링들(CS11, CS12) 각각의 드레인 선택 트랜지스터(DST)는 제 1 드레인 선택 라인(DSL1)에 연결된다. 제 2 행의 셀 스트링들(CS21, CS22) 각각의 드레인 선택 트랜지스터(DST)는 제 2 드레인 선택 라인(DSL2)에 연결된다.
드레인 선택 라인들(DSL1, DSL2)을 선택 및 비선택함으로써, 비선택된 드레인 선택 라인(예를 들면, DSL2)에 연결된 셀 스트링들(예를 들면, CS21 및 CS22) 각각이 해당 비트 라인으로부터 전기적으로 분리되고, 선택된 드레인 선택 라인(예를 들면, DSL1)에 연결된 셀 스트링들(예를 들면, CS11 및 CS12) 각각이 해당 비트 라인으로부터 전기적으로 연결된다.
각 높이의 하나의 행에 해당하는 메모리 셀들은 하나의 페이지를 구성한다. 예를 들면, 제 2 높이의 메모리 셀들 중 제 1 행의 셀 스트링들(CS11, CS12)에 포함된 메모리 셀들은 하나의 페이지를 구성하고, 제 2 높이의 메모리 셀들 중 제 2 행의 셀 스트링들(CS21, CS22)에 포함된 메모리 셀들은 다른 하나의 페이지를 구성한다.
프로그램 동작은 페이지 단위로 수행된다. 프로그램 동작 시에, 드레인 선택 라인들(DSL1, DSL2) 중 하나가 선택되고, 하나의 워드 라인이 선택될 것이다. 따라서, 선택된 드레인 선택 라인(예를 들면, DSL1)에 연결된 셀 스트링들(예를 들면, CS11 및 CS12) 중 선택된 워드 라인에 연결된 메모리 셀들이 프로그램 될 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 하나의 행의 셀 스트링들은 하나의 셀 스트링 그룹으로서 정의된다. 즉, 하나의 드레인 선택 라인에 연결된 셀 스트링들은 하나의 셀 스트링 그룹으로서 정의된다. 제 1 행의 셀 스트링들(CS11, CS12)은 하나의 셀 스트링 그룹으로서 정의되고, 제 2 행의 셀 스트링들(CS21, CS22)은 다른 하나의 셀 스트링 그룹으로서 정의된다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 하나의 높이의 페이지들은 하나의 페이지 그룹으로서 정의된다. 즉, 하나의 워드 라인에 연결된 페이지들은 하나의 페이지 그룹으로서 정의된다.
도 6은 본 발명에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로 도 6의 (a)는 유(U)자 형으로 형성된 하나의 셀 스트링에 대한 등가회로를 나타낸다. 3차원 메모리 셀 어레이 구조는 도 4에서와 같이 아이(I) 형의 셀 스트링들을 포함할 수도 있고, 도 6의 (a)와 같이 U자 형의 셀 스트링들을 포함할 수 있다.
셀 스트링의 형태는 본 명세서에 설명된 형태 이외에도 다양한 형태로 변형될 수 있음을 명시한다. 셀 스트링은 복수의 트랜지스터들이 인접하는 트랜지스터들과 직렬로 연속하도록 연결된 형태를 갖는다. 각 트랜지스터의 게이트 전극은 워드 라인으로서 동작하고 셀 스트링의 일측 단은 비트 라인 타측 단은 소스 라인으로 동작할 수 있다.
셀 스트링은 소스 라인(SL)과 파이프 채널층(PC) 사이에 기판과 수직한 방향으로 배치되는 소스 선택 트랜지스터(SST) 및 메모리 셀들(C0~Ck), 그리고 비트 라인(BL)과 파이프 채널층(PC) 사이에 기판과 수직한 방향으로 배치되는 드레인 선택 트랜지스터(DST) 및 메모리 셀들(Ck+1~Cn)을 포함한다.
예시적인 실시 예로서, 메모리 셀들(C0~Cn) 중 적어도 하나는 더미 메모리 셀로서 동작할 수 있다. 이러한 더미 메모리 셀은 메모리 셀들(C0~Cn) 간의 문턱 전압 간섭을 방지하기 위해 제공될 것이다.
도 4의 (a)의 셀 스트링에서 소스 라인(SL)과 파이프 채널층(PC) 사이에 기판과 수직한 방향으로 배치되는 소스 선택 트랜지스터(SST) 및 메모리 셀들(C0~Ck)의 게이트 전극들을 하나로 연결하고, 비트 라인(BL)과 파이프 채널층(PC) 사이에 기판과 수직한 방향으로 배치되는 드레인 선택 라인과 메모리 셀들의 워드라인들을 하나의 노드로 연결할 수 있다. 즉 드레인 선택 트랜지스터(DST) 및 메모리 셀들(Ck+1~Cn)의 게이트 전극들을 하나의 노드로 연결하는 구조를 고려해 볼 수 있다. 하나의 노드로 연결한 구조에서 연결된 노드(501)에 전원(Vcc)를 인가하고, 비트 라인 또는 소스 라인에 접지 전압(GND)을 인가하면, 각 트랜지스터는 커패시터로 동작할 수 있다. 이를 개념적으로 나타낸 도면은 도 6의 (b)와 같다.
본 발명의 실시 예에서는, 도 6의 (b)와 같이 3차원 메모리 셀 어레이 구조의 일부를 변형하여 반도체 메모리 장치의 파워 디커플링 커패시터 회로를 형성하는 구조 및 방법을 제안한다. 본 발명의 파워 디커플링 커패시터 회로의 구조에 대해서는 도 7 내지 10에서 보다 상세하게 설명한다. 여기서 파워 디커플링 커패시터 회로는 주변 회로 영역에 포함될 수 있고, 반도체 메모리 장치에 포함된 구성요소에 대한 파워 디커플링 커패시터들을 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 메모리 장치의 파워 디커플링 커패시터 회로의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 7을 참조하면, 파워 디커플링 커패시터 회로는 3차원 메모리 블록의 구조를 변형한 형태를 갖는다. 구체적으로 파워 디커플링 커패시터 회로는 도 4의 메모리 블록의 구조에서 수직 연결부(700)와 수평 연결부(710)를 더 구비한 차이점을 갖는다. 여기서는 파워 디커플링 커패시터 회로에 대해서, 도 4의 메모리 블록과의 차이점 위주로 설명한다.
파워 디커플링 커패시터 회로는 제 1 타입(예를 들면, p형)을 갖는 기판(211') 상에 제 2 타입(예를 들면, n형)의 도핑 영역(212')이 제공된다. 기판(211')은 n 웰 내에 제공되는 포켓 p웰로서 제공될 수 있다.
제 2 타입의 도핑 영역(212')으로부터 z 방향을 따라 특정 거리만큼 이격된 제 1 내지 제 8 도전 물질들(221'~228')이 제공된다. 제 1 내지 제 8 도전 물질들(221'~228') 각각은 X 방향 및 Y 방향으로 신장된다. 실시 예로서, 제 1 내지 제 8 도전 물질들(221'~228')은 폴리 실리콘으로 구성될 수 있다.
도 7에 도시되지는 않으나, 제 1 내지 제 8 도전 물질들(221'~228')사이에는 절연 물질들이 제공될 수 있다. 절연 물질들은, 예를 들면 실리콘 산화물(Silicon Oxide)을 포함할 수 있다.
이하, 제 1 내지 제 8 도전 물질들(221'~228')은 각각 제 1 내지 제 8 높이들을 갖는다고 정의된다. 제 1 내지 제 8 도전 물질들(221'~228')을 관통하고, X 방향 및 Y 방향을 따라 서로 이격되는 복수의 필라들이 제공된다. 각 필라는 Z 방향으로 신장된다. 실시 예로서, 각 필라의 X 방향 및 Y 방향에 따른 폭은 기판에 인접할수록 감소할 수 있다.
Y방향을 기준으로 각 필라와 필라 사이를 구분하고 제1 내지 제8 도전 물질들(221'~228')을 Z방향으로 관통하며 연결하는 수직 연결부(700)가 제공된다. 수직 연결부(700)는 Z방향으로 제1 내지 제8 도전 물질들(221'~228')을 연결한다. 수직 연결부(700)는 도전 물질이고, 폴리 실리콘으로 구성될 수 있다.
각 필라는 내부 물질, 중간층 및 표면층을 포함한다. 내부 물질은 절연 물질을 포함한다. 예를 들면, 내부 물질은 실리콘 산화물 또는 에어 갭(air gap)을 포함할 수 있다. 중간층은 제 1 타입으로 도핑된 실리콘 물질을 포함한다. 중간층은 제 z 방향의 채널로 동작한다. 표면층은 중간층으로부터 순차적으로 배치된 터널링 절연막, 전하 저장막 및 블로킹 절연막을 포함한다.
실시 예로서, 터널링 절연막은 열 산화막을 포함할 수 있다. 전하 저장막은 질화막 또는 금속 산화막을 포함할 수 있다. 그리고, 블로킹 절연막은 터널링 절연막 및 전하 저장막보다 높은 유전 상수를 갖는 유전막을 포함할 수 있다.
각 필라 상에 수평 연결부(710)가 제공된다. 수평 연결부(710)는 제 2 타입으로 도핑된 실리콘 물질을 포함한다. 수평 연결부(710)는 수직 연결부(700)와 연결되지는 않고, 필라들을 연결하도록 X 방향 및 Y 방향으로 신장된다. 수평 연결부(710)는 금속 물질들이다. 실시 예로서, 수평 연결부(710)는 폴리 실리콘으로 구성될 수 있다.
각 필라, 그리고 각 필라에 인접한 영역의 도전 물질은 하나의 트랜지스터로서 동작한다. 즉, 채널로서 동작하는 필라의 중간층, 필라의 표면층의 터널링 절연막, 전하 저장막 및 블로킹 절연막, 그리고 제어 게이트로서 동작하는 도전 물질은 하나의 트랜지스터를 구성할 것이다.
각 필라는 제 1 내지 제 8 높이의 도전 물질들(221'~228') 중 어느 하나와 접한다. 따라서, 하나의 필라에 대응하는 트랜지스터들은 8개일 것이다. 제1 내지 제8 도전 물질들(221'~228')과 연결된 수직 연결부(700)에 전원 전압(Vcc)을 인가하고, 필라의 중간층 연결된 수평 연결부(710)에 접지 전압(GND)을 인가하면, 복수의 트랜지스터들은 커패시터들로 동작할 것이다. 여기서 하나의 필라는 하나의 커패시터 스트링에 대응한다고 가정하면, 각 커패시터 스트링은 제 1 내지 제 8 높이의 트랜지스터들을 포함할 것이다.
도 7에서는 8개 층의 도전 물질들(221'~228')이 제공된다. 그러나, 이는 예시적인 것으로서 8개 층 이상 또는 이하의 도전 물질들이 제공될 수 있음이 이해될 것이다.
도 7에서, 하나의 수평 연결부(710)에 4개의 필라들이 연결되는 것이 도시된다. 그러나 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 하나의 수평 연결부(710)에 4개 이상의 필라들이 연결될 수 있음이 이해될 것이다.
도 8은 도 7의 파워 디커플링 커패시터 회로의 I-I' 선에 따른 단면도이다.
도 8에 따르면, 복수의 필라들에 연결된 수평 연결부(710)가 제공된다. 수평 연결부(710)에는 접지 전압이 인가되는 콘택 플러그들(G)이 제공되고, 수직 연결부(700)의 상부에는 전원 전압이 인가되는 콘택 플러그(P)가 제공된다.
제1 내지 제8 도전 물질들(211'~228')은 수직 연결부(700)와 전기적으로 연결될 수 있고, 필라들의 내부 물질, 중간층 및 표면층은 수평 연결부(710)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 수직 연결부(700)와 연결된 콘택 플러그에 전원 전압을 인가하고, 수평 연결부(710)와 연결된 콘택 플러그에 접지전압을 인가하면, 복수의 필라들에 형성된 트랜지스터들은 커패시터들로 동작하며, 이를 통해 반도체 메모리 장치에 파워 디커플링 커패시터들을 제공할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로의 단면을 나타낸 도면이다.
도 9의 실시 예는 수직 방향의 복수의 필라들 중 일부의 필라들을 슬릿 처리하고 그 내부에 도전 물질을 주입하여 전원 전압이 인가되는 콘택 플러그(P)들을 더 확보한 것이다. 도 9의 실시 예는 도 8의 실시 예의 형태를 구현하면서 특정 위치에 슬릿 영역을 형성하고 금속 물질을 주입함으로써, 도 8의 실시 예에 비해 더 많은 수직 연결부(900)를 포함한다.
도 9의 실시 예를 형성함에 있어, 슬릿 공정에서 에치-백(etch-back)을 진행하지 않고 콘택(contact)공정 전에 특정 위치에 콘택 플러그를 형성하기 위해 슬릿 영역을 형성하고 금속 물질의 주입을 통해 복수의 전원 전압이 인가되는 영역을 구성한다.
도 10은 도 7 및 8을 참조하여 설명된 파워 디커플링 커패시터 회로의 등가회로를 보여주는 회로도이다.
제 1 내지 8 높이들의 제 1 내지 제 8 도전 물질들(221'~228')은 각각 제 1 내지 제 8 커패시터들(C0~C7)의 게이트 전극에 연결된다.
도 7 및 도 8의 설명에 따라 각 필라는 하나의 커패시터 스트링에 대응한다. 도 7에서는 4개의 필라들이 제공되므로, 파워 디커플링 커패시터 회로는 4개의 커패시터 스트링들을 포함한다.
도 7 및 도 8을 참조한 설명과 같이, 각 커패시터 스트링은 제 1 내지 제 8 높이의 트랜지스터들을 포함한다. 각 커패시터 스트링의 제 1 내지 제 8 높이들의 트랜지스터들은 각각 제 1 내지 제 8 커패시터들(C0~C7)로서 동작한다. 각 동일한 높이의 커패시터들은 하나의 도전 라인에 공통으로 연결된다. 각 커패시터 스트링의 제 1 내지 제 7 커패시터들(C0~C7)은 각각 제 1 내지 제 7 도전 라인들(11~18)에 연결된다.
제1 내지 제7 도전라인(11~18)은 하나의 노드로 연결될 수 있다. 이는 도 7 및 도 8의 수직 연결부(700)에 의해 형성된다. 다양한 실시 예에서, 서로 다른 행에 있는 커패시터 스트링들의 도전 라인들도 수직 연결부(700)에 의해 제1 노드로 연결될 수 있다. 여기서 도전 라인들은 커패시터들의 게이트 전극일 수 있다. 도전 라인들이 연결된 제1 노드는 전원 전압이 인가되는 노드(POWER)일 수 있다.
복수의 커패시터 스트링들은 상부에서 도 7 및 도 8의 수평 연결부(800)에 의해 제2 노드에 연결될 수 있다. 제2 노드는 접지 전압이 인가되는 노드(GND)일 수 있다.
도 11 내지 도 21은 도 8 및 도 9의 실시 예에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로의 형성 과정을 메모리 셀 어레이의 형성 과정과 함께 설명하기 위한 도면이다.
도 11에서, 메모리 셀 어레이가 형성되는 셀 영역(cell 영역)과 메모리 셀 어레이의 동작을 제어하는 주변 회로 영역(peri 영역)이 제공될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 파워 디커플링 커패시터 회로의 구조와 메모리 셀 어레이의 메모리 블록의 구조가 유사하므로 셀 영역과 주변 회로 영역이 별도의 마스크 공정으로 형성되지 않고, 단일 마스크 공정으로 형성될 수 있다.
주변 회로 영역의 (a)는 도 8의 실시 예(이하, 제1 실시 예라 한다.)에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로를 형성하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 주변 회로 영역의 (b)는 도 9의 실시 예(이하, 제2 실시 예라 한다.)에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로를 형성하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 층간 절연막과 도전 물질막을 순차적으로 적층하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 11에서는 절연 물질로 이루어진 층간절연막(1100) 도전 물질로 이루어진 도전물질막(1110)이 셀 영역과 주변 회로 영역 모두에 순차적으로 적층될 수 있다. 층간절연막(1100)은 실리콘 산화물(Silicon Oxide)일 수 있고, 도전 물질막(1110)은 폴리 실리콘일 수 있다. 실시 예에서 층간 절연막과 도전물질막은 ON(oxide-nitride) 스택을 형성할 수 있다.
도 12는 필라들을 형성하기 위한 부분을 제거하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12에서, 복수의 필라들을 형성하기 위한 선행 공정으로 셀 영역과 주변 회로 영역 모두에 식각(Etching) 과정을 진행한다. 즉 복수의 필라들을 형성하기 위한 수직 기둥 부분(1130)을 수직 방향으로 제거하며 이 과정은 제1 및 제2 실시 예 모두에 적용될 수 있다.
도 13은 필라들을 형성하기 위해 ONO를 주입하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13에서는, 셀 영역에서는 식각 과정에 의해 제거된 부분에 ONO(oxide-nitride-oxide)(1140)를 주입하여 정보 저장 공간을 형성한다. 주변 회로 영역의 경우도 제1 및 제2 실시 예 모두 동일하게 ONO(1140)를 주입하여 필라들을 생성한다.
도 14는 셀 영역의 슬리밍 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 14 에서는 셀 영역과 주변 회로 영역에 내부 연결 영역(inter connection region)을 생성한다. 이때, 셀 영역에서는 추후 콘택 플러그의 연결을 위해 층간 절연막들과 도전 물질막들을 계단형태로 제거하는 슬리밍(1150) 과정이 수행될 수 있다. 주변 회로 영역에는 슬리밍 과정이 수행되지 않는다.
도 15는 슬릿 영역을 생성하고 도전물질을 제거하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15에서는, 셀 영역과 주변 회로 영역 모두에 대해서 슬릿 영역(1160)을 생성하고 도전 물질 막(1161)들을 제거할 수 있다. 한다. 이 때, 주변 회로 영역에서도 동일하게 슬릿 영역(1160)을 생성하고, 도전 물질막(1161)들을 제거하며 이 과정은, 제 1 및 제2 실시 예 모두에 적용될 수 있다.
도 16은 슬릿 영역에 금속 물질을 주입하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 16에서는, 제거된 도전 물질막에 슬릿 영역을 통해 금속 물질(1170)을 주입한다. 주입된 금속 물질은 셀 영역에서는 워드라인을 형성한다. 금속 물질(1170)을 주입하는 과정은 주변 회로 영역에서도 동시에 수행될 수 있다. 이 과정은 제1 실시 예 및 제2 실시 예 모두에 적용될 수 있다.
도 16의 과정을 거치면 제1 실시 예에서의 파워 디커플링 커패시터 회로가 형성된다. 즉, 슬릿영역에 주입된 금속 물질(1170)은 수직 방향으로 연결되며, 도 7 및 도 8에서의 수직 연결부(700)를 형성한다. 제1 실시 예는, 이후 도 21 내지 23에서의 콘택 플러그를 형성하는 과정을 거쳐 반도체 메모리 장치에 파워 디커플링 커패시터들을 제공할 수 있다. 따라서 제1 실시 예의 경우 도 17 내지 도 20의 과정이 수행되지 않는다.
도 17은 슬릿 영역을 형성하여 금속 물질을 식각 하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 17에서는 셀 영역에서 워드라인들끼리 연결되지 않도록 슬릿 영역(1180)의 금속 물질을 식각(etching)과정을 통해 제거한다. 이 때, 주변 회로 영역에서 제2 실시 예의 경우 동일한 과정이 수행된다.
도 18은 금속 물질이 제거된 영역에 절연물질을 주입하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 18에서 셀 영역은, 제거된 슬릿 영역(1190)에 절연 물질을 주입하여 슬릿 영역을 기준으로 양측을 절연시킨다. 주변 회로 영역에서 제2 실시 예의 경우 제거된 슬릿 영역(1190)에 절연 물질을 주입한다.
도 19는 도 9의 실시 예에 따른 파워 디커플링 커패시터 회로의 형성을 위해 임의의 영역에 슬릿을 형성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 19 및 도 20에서의 과정은 셀 영역에서는 수행되지 않고 주변 회로 영역의 제2 실시 예에 대해서만 수행된다.
도 19에 따르면, 주변 회로 영역에서 전원 전압을 인가하고자 하는 위치에 슬릿 영역(1191)을 생성할 수 있다.
도 20는 도 19의 과정에서 형성된 슬릿에 금속 물질을 주입하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 20에 따르면, 주변 회로 영역에서는 생성된 슬릿 영역에 금속 물질(1192)을 주입하여 수직방향으로 도전 물질과 연결되도록 한다. 이는 도 9에서의 수직 연결부(900)를 형성한다.
도 21은 콘택 플러그들을 형성하기 위한 식각 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 21에 따르면, 셀 영역에서는 워드 라인들을 연결하기 위해 콘택 플러그(1193)를 형성하기 위한 식각 과정을 진행한다. 셀 영역에서는 워드 라인들에 접촉되도록 콘택 플러그(1193)를 식각한다.
주변 회로 영역에서는 제1 및 제2 실시 예에서 전원 전압이 인가될 콘택 플러그(P)들과 접지 전압이 인가될 콘택 플러그(G)들을 형성하기 위한 식각 과정이 진행된다.
도 22는 콘택 플러그들을 형성하기 위해 금속 물질을 매립하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 22에서는 셀 영역 및 주변 회로 영역에서 생성한 콘택 플러그에 금속 물질(1195)을 주입하여 전기적으로 연결한다.
도 23은 콘택 플러그들에 전극을 연결한 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 23에서, 셀 영역에서는 각각의 콘택 플러그는 소스 선택 라인, 드레인 선택 라인 및 복수의 워드라인들로 연결되도록 전극(1197)을 연결한다.
주변회로 영역의 경우, 기존의 워드 라인 역할을 하던 금속 영역을 수직 연결부로 전극을 연결하여 전원 전압을 인가하고, 메모리 셀들의 채널부분은 수평 연결부로 전극(1197)을 연결하여 접지 전원을 인가함으로써 파워 디커플링 커패시터들을 제공한다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따르면, 파워 디커플링 커패시터 회로는 3차원 메모리 셀 어레이 형태의 커패시터들을 주변 회로 영역에 구현함에 따라 적은 면적에서 높은 커패시턴스를 제공할 수 있다. 또한, 기존의 워드 라인 간의 커패시터 연결 구조와 비교하여 워드 라인 연결부를 만들기 위해 차지하던 공간이 제거될 수 있어 면적감소를 달성할 수 있으며, 또한 워드 라인 브릿지(WL bridge) 현상으로 인한 파워 쇼트(Power short)를 막을 수 있다.
도 24는 도 1의 반도체 메모리 장치(50)를 포함하는 메모리 시스템(1000)을 보여주는 블록도이다.
도 24를 참조하면, 메모리 시스템(1000)은 반도체 메모리 장치(50) 및 컨트롤러(1200)를 포함한다.
반도체 메모리 장치(50)는 도 1을 참조하여 설명된 바와 마찬가지로 구성되고, 동작할 수 있다. 이하, 중복되는 설명은 생략된다.
컨트롤러(1200)는 호스트(Host) 및 반도체 메모리 장치(50)에 연결된다. 호스트(Host)로부터의 요청에 응답하여, 컨트롤러(1200)는 반도체 메모리 장치(50)를 액세스하도록 구성된다. 예를 들면, 컨트롤러(1200)는 반도체 메모리 장치(50)의 리드, 프로그램, 소거, 그리고 배경(background) 동작을 제어하도록 구성된다. 컨트롤러(1200)는 반도체 메모리 장치(50) 및 호스트(Host) 사이에 인터페이스를 제공하도록 구성된다. 컨트롤러(1200)는 반도체 메모리 장치(50)를 제어하기 위한 펌웨어(firmware)를 구동하도록 구성된다.
컨트롤러(1200)는 램(1210, Random Access Memory), 프로세싱 유닛(1220, processing unit), 호스트 인터페이스(1230, host interface), 메모리 인터페이스(1240, memory interface) 및 에러 정정 블록(1250)을 포함한다.
램(1210)은 프로세싱 유닛(1220)의 동작 메모리, 반도체 메모리 장치(50) 및 호스트(Host) 사이의 캐시 메모리, 그리고 반도체 메모리 장치(50) 및 호스트(Host) 사이의 버퍼 메모리 중 적어도 하나로서 이용된다.
프로세싱 유닛(1220)은 컨트롤러(1200)의 제반 동작을 제어한다.
프로세싱 유닛(1220)은 호스트(Host)로부터 수신된 데이터를 랜더마이즈하도록 구성된다. 예를 들면, 프로세싱 유닛(1220)은 랜더마이징 시드(seed)를 이용하여 호스트(Host)로부터 수신된 데이터를 랜더마이즈할 것이다. 랜더마이즈된 데이터는 저장될 데이터(DATA, 도 1 참조)로서 반도체 메모리 장치(50)에 제공되어 메모리 셀 어레이(100, 도 1 참조)에 프로그램된다.
프로세싱 유닛(1220)은 리드 동작 시 반도체 메모리 장치(50)로부터 수신된 데이터를 디랜더마이즈하도록 구성된다. 예를 들면, 프로세싱 유닛(1220)은 디랜더마이징 시드를 이용하여 반도체 메모리 장치(50)로부터 수신된 데이터를 디랜더마이즈할 것이다. 디랜더마이즈된 데이터는 호스트(Host)로 출력될 것이다.
실시 예로서, 프로세싱 유닛(1220)은 소프트웨어(software) 또는 펌웨어(firmware)를 구동함으로써 랜더마이즈 및 디랜더마이즈를 수행할 수 있다.
호스트 인터페이스(1230)는 호스트(Host) 및 컨트롤러(1200) 사이의 데이터 교환을 수행하기 위한 프로토콜을 포함한다. 예시적인 실시 예로서, 컨트롤러(1200)는 USB (Universal Serial Bus) 프로토콜, MMC (multimedia card) 프로토콜, PCI (peripheral component interconnection) 프로토콜, PCI-E (PCI-express) 프로토콜, ATA (Advanced Technology Attachment) 프로토콜, Serial-ATA 프로토콜, Parallel-ATA 프로토콜, SCSI (small computer small interface) 프로토콜, ESDI (enhanced small disk interface) 프로토콜, 그리고 IDE (Integrated Drive Electronics) 프로토콜, 사유(private) 프로토콜 등과 같은 다양한 인터페이스 프로토콜들 중 적어도 하나를 통해 호스트(Host)와 통신하도록 구성된다.
메모리 인터페이스(1240)는 반도체 메모리 장치(50)와 인터페이싱한다. 예를 들면, 메모리 인터페이스는 낸드 인터페이스 또는 노어 인터페이스를 포함한다.
에러 정정 블록(1250)은 에러 정정 코드(ECC, Error Correcting Code)를 이용하여 반도체 메모리 장치(50)로부터 수신된 데이터의 에러를 검출하고, 정정하도록 구성된다.
컨트롤러(1200) 및 반도체 메모리 장치(50)는 하나의 반도체 장치로 집적될 수 있다. 예시적인 실시 예로서, 컨트롤러(1200) 및 반도체 메모리 장치(50)는 하나의 반도체 장치로 집적되어, 메모리 카드를 구성할 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(1200) 및 반도체 메모리 장치(50)는 하나의 반도체 장치로 집적되어 PC 카드(PCMCIA, personal computer memory card international association), 컴팩트 플래시 카드(CF), 스마트 미디어 카드(SM, SMC), 메모리 스틱, 멀티미디어 카드(MMC, RS-MMC, MMCmicro), SD 카드(SD, miniSD, microSD, SDHC), 유니버설 플래시 기억장치(UFS) 등과 같은 메모리 카드를 구성할 것이다.
컨트롤러(1200) 및 반도체 메모리 장치(50)는 하나의 반도체 장치로 집적되어 반도체 드라이브(SSD, Solid State Drive)를 구성할 수 있다. 반도체 드라이브(SSD)는 반도체 메모리에 데이터를 저장하도록 구성되는 저장 장치를 포함한다. 메모리 시스템(1000)이 반도체 드라이브(SSD)로 이용되는 경우, 메모리 시스템(1000)에 연결된 호스트(Host)의 동작 속도는 획기적으로 개선된다.
다른 예로서, 메모리 시스템(1000)은 컴퓨터, UMPC (Ultra Mobile PC), 워크스테이션, 넷북(net-book), PDA (Personal Digital Assistants), 포터블(portable) 컴퓨터, 웹 타블렛(web tablet), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), e-북(e-book), PMP(portable multimedia player), 휴대용 게임기, 내비게이션(navigation) 장치, 블랙박스(black box), 디지털 카메라(digital camera), 3차원 수상기(3-dimensional television), 디지털 음성 녹음기(digital audio recorder), 디지털 음성 재생기(digital audio player), 디지털 영상 녹화기(digital picture recorder), 디지털 영상 재생기(digital picture player), 디지털 동영상 녹화기(digital video recorder), 디지털 동영상 재생기(digital video player), 정보를 무선 환경에서 송수신할 수 있는 장치, 홈 네트워크를 구성하는 다양한 전자 장치들 중 하나, 컴퓨터 네트워크를 구성하는 다양한 전자 장치들 중 하나, 텔레매틱스 네트워크를 구성하는 다양한 전자 장치들 중 하나, RFID 장치, 또는 컴퓨팅 시스템을 구성하는 다양한 구성 요소들 중 하나 등과 같은 전자 장치의 다양한 구성 요소들 중 하나로 제공된다.
예시적인 실시 예로서, 반도체 메모리 장치(50) 또는 메모리 시스템(1000)은 다양한 형태들의 패키지로 실장 될 수 있다. 예를 들면, 반도체 메모리 장치(50) 또는 메모리 시스템(1000)은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline integrated circuit (SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline Package(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 방식으로 패키지화되어 실장 될 수 있다.
도 25는 도 24의 메모리 시스템(1000)의 응용 예(2000)를 보여주는 블록도이다.
도 25를 참조하면, 메모리 시스템(2000)은 반도체 메모리 장치(2100) 및 컨트롤러(2200)를 포함한다. 반도체 메모리 장치(2100)는 복수의 반도체 메모리 칩들을 포함한다. 복수의 반도체 메모리 칩들은 복수의 그룹들로 분할된다.
도 25에서, 복수의 그룹들은 각각 제1 내지 제 k 채널들(CH1~CHk)을 통해 컨트롤러(2200)와 통신하는 것으로 도시되어 있다. 각 반도체 메모리 칩은 도 1을 참조하여 설명된 반도체 메모리 장치(50) 중 하나와 마찬가지로 구성되고, 동작할 것이다.
각 그룹은 하나의 공통 채널을 통해 컨트롤러(2200)와 통신하도록 구성된다. 컨트롤러(2200)는 도 24를 참조하여 설명된 컨트롤러(1200)와 마찬가지로 구성되고, 복수의 채널들(CH1~CHk)을 통해 반도체 메모리 장치(2100)의 복수의 메모리 칩들을 제어하도록 구성된다.
도 25에서, 하나의 채널에 복수의 반도체 메모리 칩들이 연결되는 것으로 설명되었다. 그러나 하나의 채널에 하나의 반도체 메모리 칩이 연결되도록 메모리 시스템(2000)이 변형될 수 있음이 이해될 것이다.
도 26은 도 25를 참조하여 설명된 메모리 시스템(2000)을 포함하는 컴퓨팅 시스템(3000)을 보여주는 블록도이다.
도 26을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(3000)은 중앙 처리 장치(3100), 램(3200, RAM, Random Access Memory), 사용자 인터페이스(3300), 전원(3400), 시스템 버스(3500), 그리고 메모리 시스템(2000)을 포함한다.
메모리 시스템(2000)은 시스템 버스(3500)를 통해, 중앙처리장치(3100), 램(3200), 사용자 인터페이스(3300), 그리고 전원(3400)에 전기적으로 연결된다. 사용자 인터페이스(3300)를 통해 제공되거나, 중앙 처리 장치(3100)에 의해서 처리된 데이터는 메모리 시스템(2000)에 저장된다.
도 26에서, 반도체 메모리 장치(2100)는 컨트롤러(2200)를 통해 시스템 버스(3500)에 연결되는 것으로 도시되어 있다. 그러나 반도체 메모리 장치(2100)는 시스템 버스(3500)에 직접 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 컨트롤러(2200)의 기능은 중앙 처리 장치(3100) 및 램(3200)에 의해 수행될 것이다.
도 26에서, 도 25를 참조하여 설명된 메모리 시스템(2000)이 제공되는 것으로 도시되어 있다. 그러나 도 26의 메모리 시스템(2000)은 도 24를 참조하여 설명된 메모리 시스템(1000)으로 대체될 수 있다. 실시 예로서, 컴퓨팅 시스템(3000)은 도 24 및 도 25를 참조하여 설명된 메모리 시스템들(1000, 2000)을 모두 포함하도록 구성될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 실시 예들에서, 모든 단계는 선택적으로 수행의 대상이 되거나 생략의 대상이 될 수 있다. 또한, 각 실시 예에서 단계들은 반드시 순서대로 일어날 필요는 없으며, 뒤바뀔 수 있다. 한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 명세서의 실시 예들은 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 명세서의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
50: 반도체 메모리 장치
100: 메모리 셀 어레이
110: 주변 회로
120: 어드레스 디코더
130: 전압 발생기
140: 읽기 및 쓰기 회로
150: 데이터 입출력 회로
160: 제어 로직
170: 파워 디커플링 커패시터 회로

Claims (18)

  1. 복수의 층으로 적층된 메모리 셀 어레이;
    상기 메모리 셀 어레이를 구동하는 주변 회로;를 포함하되,
    상기 주변 회로는, 상기 메모리 셀 어레이 및 상기 주변 회로에 디커플링 커패시터들을 제공하는 파워 디커플링 커패시터 회로를 포함하고,
    상기 파워 디커플링 커패시터 회로는,
    교대로 적층된 도전 라인들;
    상기 도전 라인들을 관통하는 복수의 반도체 필라들;
    상기 반도체 필라들을 연결하는 수평 연결부; 및
    상기 도전 라인들을 관통하고 상기 수평 연결부와 절연된 수직 연결부;를 포함하는 반도체 메모리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수직 연결부의 상부에는 전원 전압이 인가되는 콘택 플러그가 형성되고, 상기 수평 연결부의 상부에는 접지 전압이 인가되는 콘택 플러그가 형성된 반도체 메모리 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 수직 연결부는,
    수직방향으로 상기 도전 라인들을 연결하는 반도체 메모리 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 필라들은,
    복수의 트랜지스터들을 포함하는 커패시터 스트링이고,
    상기 도전 라인들은 상기 복수의 트랜지스터들의 게이트 전극들과 각각 연결된 반도체 메모리 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 필라들은,
    상기 도전 라인들 중 어느 하나와 접하는 반도체 메모리 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 필라들은,
    절연 물질을 포함하는 내부 물질, 중간층 및 표면층을 포함하고,
    상기 표면층은 상기 중간층으로부터 순차적으로 배치된 터널링 절연막, 전하 저장막 및 블로킹 절연막을 포함하는 반도체 메모리 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 도전 라인들을 형성하는 도전 물질은,
    폴리 실리콘으로 구성된 반도체 메모리 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 도전 라인들 사이에 형성된 절연물질들을 더 포함하는 반도체 메모리 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 절연 물질들은,
    실리콘 산화물인 반도체 메모리 장치.
  10. 셀 영역 및 주변 회로 영역을 갖는 반도체 기판;
    상기 셀 영역 및 주변 회로 영역에 적층된 도전 라인들;
    상기 도전 라인들을 관통하는 복수의 반도체 필라들;
    상기 복수의 반도체 필라들 중 상기 주변 회로 영역에 위치한 반도체 필라들을 연결하는 수평 연결부; 및
    상기 도전 라인들 중 상기 주변 회로 영역에 위치한 도전 라인들을 관통하고 상기 수평 연결부와 절연된 수직 연결부;를 포함하는 반도체 메모리 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 수직 연결부의 상부에는 전원 전압이 인가되는 콘택 플러그가 형성되고, 상기 수평 연결부의 상부에는 접지 전압이 인가되는 콘택 플러그가 형성된 반도체 메모리 장치.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 수직 연결부는,
    수직방향으로 상기 도전 라인들을 연결하는 반도체 메모리 장치.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 주변 회로 영역에 위치한 반도체 필라들은, 복수의 트랜지스터들을 포함하는 커패시터 스트링이고,
    상기 도전 라인들은 상기 복수의 트랜지스터들의 게이트 전극들과 각각 연결된 반도체 메모리 장치.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 반도체 필라들은,
    상기 도전 라인들 중 어느 하나와 접하는 반도체 메모리 장치.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 반도체 필라들은,
    절연 물질을 포함하는 내부 물질, 중간층 및 표면층을 포함하고,
    상기 표면층은 상기 중간층으로부터 순차적으로 배치된 터널링 절연막, 전하 저장막 및 블로킹 절연막을 포함하는 반도체 메모리 장치.
  16. 제 10항에 있어서, 상기 도전 라인들을 형성하는 도전 물질은,
    폴리 실리콘으로 구성된 반도체 메모리 장치.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 도전 라인들 사이에 형성된 절연물질들을 더 포함하는 반도체 메모리 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 절연 물질들은,
    실리콘 산화물인 반도체 메모리 장치.
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