KR20220008368A - Semiconductor devices and data storage systems including the same - Google Patents

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KR20220008368A
KR20220008368A KR1020220000137A KR20220000137A KR20220008368A KR 20220008368 A KR20220008368 A KR 20220008368A KR 1020220000137 A KR1020220000137 A KR 1020220000137A KR 20220000137 A KR20220000137 A KR 20220000137A KR 20220008368 A KR20220008368 A KR 20220008368A
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권준영
김종혁
이주현
이홍선
허창현
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삼성전자주식회사
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Abstract

The present invention provides a semiconductor device with improved reliability, and a data storage system including the same. The semiconductor device includes a substrate; a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes alternately stacked on the substrate; channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the substrate and each including a channel layer; separation structures passing through the stacked structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction; wires disposed on the stacked structure and electrically connected to the gate electrodes; and electrically isolated dummy wires vertically overlapping with at least one of the separation structures and the stacked structure, extending in a third direction intersecting the second direction, and electrically isolated on the separation structures and the stacked structure wires.

Description

반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템{SEMICONDUCTOR DEVICES AND DATA STORAGE SYSTEMS INCLUDING THE SAME}Semiconductor device and data storage system including same

본 발명은 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a data storage system including the same.

데이터 저장을 필요로 하는 데이터 저장 시스템에서 고용량의 데이터를 저장할 수 있는 반도체 장치가 요구되고 있다. 이에 따라, 반도체 장치의 데이터 저장 용량을 증가시킬 수 있는 방안이 연구되고 있다. 예를 들어, 반도체 장치의 데이터 저장 용량을 증가시키기 위한 방법 중 하나로써, 2차원적으로 배열되는 메모리 셀들 대신에 3차원적으로 배열되는 메모리 셀들을 포함하는 반도체 장치가 제안되고 있다.In a data storage system requiring data storage, a semiconductor device capable of storing high-capacity data is required. Accordingly, a method for increasing the data storage capacity of a semiconductor device is being studied. For example, as a method for increasing the data storage capacity of a semiconductor device, a semiconductor device including memory cells arranged three-dimensionally instead of two-dimensionally arranged memory cells has been proposed.

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

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 신뢰성이 향상된 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the present invention is to provide a data storage system including a semiconductor device with improved reliability.

예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 기판; 상기 기판 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들 및 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물; 상기 적층 구조물을 상기 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 관통하고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 상기 적층 구조물을 상기 제1 방향으로 관통하고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 분리 구조물들; 상기 적층 구조물 상에 배치되고, 상기 게이트 전극들과 전기적으로 연결되는 배선들; 및 상기 분리 구조물들 및 상기 적층 구조물 상에서, 상기 분리 구조물들 중 적어도 하나 및 상기 적층 구조물과 수직하게 중첩하고, 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향으로 연장되고, 전기적으로 고립된(electrically isolated) 더미 배선들을 포함할 수 있다.A semiconductor device according to example embodiments may include a substrate; a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes that are alternately stacked on the substrate; channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the substrate and each including a channel layer; separation structures passing through the multilayer structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction; wirings disposed on the stack structure and electrically connected to the gate electrodes; and on the separation structures and the multilayer structure, vertically overlapping with at least one of the separation structures and the multilayer structure, extending in a third direction intersecting the second direction, and electrically isolated It may include dummy wires.

예시적인 실시예들에 따른 데이터 저장 시스템은, 하부 기판 및 상기 기판 상의 회로 소자들을 포함하는 하부 구조물; 상기 하부 구조물 상의 상부 구조물; 및 상기 회로 소자들과 전기적으로 연결되는 입출력 패드를 포함하는 반도체 저장 장치; 및 상기 입출력 패드를 통하여 상기 반도체 저장 장치와 전기적으로 연결되며, 상기 반도체 저장 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 상부 구조물은, 상부 기판; 상기 상부 기판 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들 및 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물; 상기 적층 구조물을 상기 상부 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 관통하고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 상기 적층 구조물을 상기 제1 방향으로 관통하고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 분리 구조물들, 상기 분리 구조물들의 각각은 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 기판과 접촉하는 도전층 및 상기 도전층의 측면들을 덮는 절연 스페이서를 포함하고; 상기 적층 구조물 상에 배치되고, 상기 게이트 전극들과 전기적으로 연결되는 배선들; 및 상기 분리 구조물들 상에 배치되고, 상기 분리 구조물들과 교차하여 연장되고, 상기 게이트 전극들 및 상기 도전층과 전기적으로 절연된 더미 배선들을 포함할 수 있다.A data storage system according to example embodiments may include a lower structure including a lower substrate and circuit elements on the substrate; an upper structure on the lower structure; and an input/output pad electrically connected to the circuit elements; and a controller electrically connected to the semiconductor storage device through the input/output pad and configured to control the semiconductor storage device, wherein the upper structure includes: an upper substrate; a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes that are alternately stacked on the upper substrate; channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the upper substrate and each including a channel layer; separation structures penetrating the stack structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction, each of the separation structures extending in the second direction and contacting the substrate; an insulating spacer covering side surfaces of the conductive layer; wirings disposed on the stack structure and electrically connected to the gate electrodes; and dummy wirings disposed on the isolation structures, extending to cross the isolation structures, and electrically insulated from the gate electrodes and the conductive layer.

분리 구조물들 상에 분리 구조물들과 교차하는 더미 배선들을 배치함으로써, 신뢰성이 향상된 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템이 제공될 수 있다.By disposing dummy wires crossing the isolation structures on the isolation structures, a semiconductor device with improved reliability and a data storage system including the same may be provided.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and advantageous advantages and effects of the present invention are not limited to the above, and will be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도이다.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 일부 영역을 확대하여 도시하는 부분 확대 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5f는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 일부 영역을 확대하여 도시하는 부분 확대 평면도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
1 is a schematic plan view of a semiconductor device according to example embodiments.
2A and 2B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments.
3 is a partially enlarged plan view illustrating a partial region of a semiconductor device according to example embodiments.
4A and 4B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments.
5A to 5F are partially enlarged plan views illustrating a partial region of a semiconductor device according to example embodiments.
6 is a diagram schematically illustrating a data storage system including a semiconductor device according to example embodiments.
7 is a schematic perspective view of a data storage system including a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
8 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor package according to an exemplary embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도이다. 도 1은 평면적 관점에서 반도체 장치의 레이아웃을 개략적으로 도시한다.1 is a schematic plan view of a semiconductor device according to example embodiments. 1 schematically shows the layout of a semiconductor device in a plan view.

도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다. 도 2a는 도 1의 반도체 장치의 'A' 영역의 절단선 Ⅰ-Ⅰ'를 따른 단면을 도시하고, 도 2b는 도 1의 반도체 장치의 'B' 영역의 절단선 Ⅱ-Ⅱ' 를 따른 단면을 도시한다.2A and 2B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the cutting line I-I of region 'A' of the semiconductor device of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the cutting line II-II' of region 'B' of the semiconductor device of FIG. 1 . shows

도 1 내지 도 2b를 참조하면, 반도체 장치(100)는 제1 구조물(1) 및 제1 구조물(1) 상의 제2 구조물(2)을 포함할 수 있다.1 to 2B , the semiconductor device 100 may include a first structure 1 and a second structure 2 disposed on the first structure 1 .

제1 구조물(1)은, 기판(6), 기판(6) 상의 회로 소자들(20), 회로 소자들(20)과 전기적으로 연결되는 하부 배선 구조물(30), 및 하부 캡핑층(40)을 포함할 수 있다. 제1 구조물(1)은 반도체 장치(100)의 메모리 셀들의 동작을 위한 주변 회로 영역이 배치되는 영역을 포함하며, 제1 구조물(1)은 로우 디코더, 페이지 버퍼 및 기타 주변 회로 등을 제공할 수 있다. 제1 구조물(1)은 제2 구조물(2) 아래에 배치되나, 실시예에 따라 제2 구조물(2)과 수평 방향에서 나란히 배치될 수도 있다.The first structure 1 includes a substrate 6 , circuit elements 20 on the substrate 6 , a lower wiring structure 30 electrically connected to the circuit elements 20 , and a lower capping layer 40 . may include The first structure 1 includes a region in which peripheral circuit regions for operation of memory cells of the semiconductor device 100 are disposed, and the first structure 1 provides a row decoder, a page buffer, and other peripheral circuits. can The first structure 1 is disposed below the second structure 2 , but may be arranged side by side with the second structure 2 in a horizontal direction according to an embodiment.

제2 구조물(2)은, 상부 기판(101), 상부 기판(101) 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들(120) 및 게이트 전극들(130)을 포함하는 적층 구조물(ST), 적층 구조물(ST)을 관통하는 채널 구조물들(CH)과 더미 구조물들(DS), 및 적층 구조물(ST)을 관통하며 일 방향으로 연장되는 분리 구조물들(MS)을 포함할 수 있다. 제2 구조물(2)은 상부 분리 구조물(SS), 상부 캡핑층(160), 제1 상부 콘택들(172c, 172g), 제1 배선들(182c, 182g), 제2 상부 콘택들(174c, 174g), 제2 배선들(184c, 184g), 및 상부 절연층들(191, 192, 193, 194, 195)을 더 포함할 수 있다. 제2 구조물(2)은 게이트 전극들(130) 및 채널 구조물들(CH)을 포함하는 메모리 셀 어레이들이 배치되는 영역을 제공할 수 있다.The second structure 2 is a stacked structure ST including an upper substrate 101 , interlayer insulating layers 120 alternately stacked on the upper substrate 101 , and gate electrodes 130 . It may include channel structures CH and dummy structures DS passing through ST, and separation structures MS penetrating through stack structure ST and extending in one direction. The second structure 2 includes an upper isolation structure SS, an upper capping layer 160 , first upper contacts 172c and 172g, first interconnections 182c and 182g, and second upper contacts 174c, 174g), second wirings 184c and 184g, and upper insulating layers 191, 192, 193, 194, and 195 may be further included. The second structure 2 may provide a region in which the memory cell arrays including the gate electrodes 130 and the channel structures CH are disposed.

기판(6)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅳ족 반도체는 실리콘(Si), 저마늄(Ge) 또는 실리콘-저마늄(SiGe)을 포함할 수 있다. 기판(6)은 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 기판(6) 내에는 소자 분리층들(10)이 배치되고, 상기 소자 분리층들(10) 사이에서 정의되는 활성 영역(15)의 일부에는 불순물을 포함하는 소스/드레인 영역들(28)이 배치될 수 있다.The substrate 6 may include a semiconductor material, such as a group IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, or a group II-VI compound semiconductor. For example, the group IV semiconductor may include silicon (Si), germanium (Ge), or silicon-germanium (SiGe). The substrate 6 may be a single crystal silicon substrate. Device isolation layers 10 are disposed in the substrate 6 , and source/drain regions 28 including impurities are formed in a portion of the active region 15 defined between the device isolation layers 10 . can be placed.

회로 소자들(20)은 각각 회로 게이트 유전층(22), 회로 게이트 전극(24), 및 소스/드레인 영역들(28)을 포함하는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 소스/드레인 영역들(28)은 활성 영역(15)에서 회로 게이트 전극(24)의 양 측에 배치될 수 있다. 스페이서층(26)은 회로 게이트 전극(24)의 양 측에 배치되어, 회로 게이트 전극(24)과 소스/드레인 영역(28)을 서로 절연시킬 수 있다. 회로 게이트 유전층(22)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 또는 고유전율(high-k) 물질을 포함할 수 있다. 회로 게이트 전극(24)은 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 및 텅스텐 질화물(WN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiN), 및 텅스텐 실리콘 질화물(WSiN), 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 및 루테늄(Ru) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 회로 게이트 전극(24)은 반도체 층, 예를 들어, 도핑된 다결정 실리콘 층을 포함할 수 있으며, 금속-반도체 화합물과 같은 물질 층을 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 회로 게이트 전극(24)은 2개 이상의 다중층으로 구성될 수 있다.The circuit elements 20 may each include a transistor including a circuit gate dielectric layer 22 , a circuit gate electrode 24 , and source/drain regions 28 . The source/drain regions 28 may be disposed on both sides of the circuit gate electrode 24 in the active region 15 . The spacer layer 26 may be disposed on both sides of the circuit gate electrode 24 to insulate the circuit gate electrode 24 and the source/drain regions 28 from each other. The circuit gate dielectric layer 22 may include silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or a high-k material. The circuit gate electrode 24 is made of titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), and tungsten nitride (WN), titanium silicon nitride (TiSiN), tantalum silicon nitride (TaSiN), and tungsten silicon nitride (WSiN), tungsten ( W), copper (Cu), aluminum (Al), molybdenum (Mo), and may include at least one of ruthenium (Ru). The circuit gate electrode 24 may include a semiconductor layer, for example a doped polycrystalline silicon layer, and may include a material layer such as a metal-semiconductor compound. In an exemplary embodiment, the circuit gate electrode 24 may consist of two or more multilayers.

하부 배선 구조물(30)은 회로 소자들(20)의 회로 게이트 전극들(24) 및 소스/드레인 영역들(28)과 전기적으로 연결될 수 있다. 하부 배선 구조물(30)은 원기둥 또는 원뿔대 형상의 하부 콘택 플러그들(35) 및 적어도 일 영역이 라인 형태인 하부 배선 라인들(37)을 포함할 수 있다. 하부 콘택 플러그들(35) 중 일부는 소스/드레인 영역들(28)과 연결될 수 있고, 도시되지 않았으나 하부 콘택 플러그들(35) 중 다른 일부는 게이트 전극들(24)과 연결될 수 있다. 하부 콘택 플러그들(35)은 기판(6)의 상면으로부터 서로 다른 레벨에 배치되는 하부 배선 라인들(37)을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 하부 배선 구조물(30)은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있으며, 각각의 구성들은 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 및 텅스텐 질화물(WN) 중 적어도 하나를 포함하는 확산 방지층(diffusion barrier)을 더 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 하부 배선 구조물(30)을 구성하는 하부 콘택 플러그들(35) 및 하부 배선 라인들(37)의 층 수 및 배치 형태는 다양하게 변경될 수 있다.The lower wiring structure 30 may be electrically connected to the circuit gate electrodes 24 and the source/drain regions 28 of the circuit elements 20 . The lower wiring structure 30 may include lower contact plugs 35 having a cylindrical or truncated cone shape and lower wiring lines 37 having at least one region in the form of a line. Some of the lower contact plugs 35 may be connected to the source/drain regions 28 , and although not shown, other portions of the lower contact plugs 35 may be connected to the gate electrodes 24 . The lower contact plugs 35 may electrically connect the lower wiring lines 37 disposed at different levels from the upper surface of the substrate 6 to each other. The lower wiring structure 30 may include a conductive material, for example, tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), and the like, and each of the components includes titanium (Ti) and titanium. A diffusion barrier including at least one of nitride (TiN), tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), and tungsten nitride (WN) may be further included. In example embodiments, the number of layers and the arrangement of the lower contact plugs 35 and the lower wiring lines 37 constituting the lower wiring structure 30 may be variously changed.

하부 캡핑층(40)은 기판(6), 회로 소자들(20), 및 하부 배선 구조물(30)을 덮도록 배치될 수 있다. 하부 캡핑층(40)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 실리콘 산탄화물과 같은 물질로 이루어질 수 있다. 하부 캡핑층(40)은 복수의 절연층들로 이루어질 수 있다. 하부 캡핑층(40)은 실리콘 질화물로 형성되는 식각 정지층을 포함할 수도 있다.The lower capping layer 40 may be disposed to cover the substrate 6 , the circuit elements 20 , and the lower wiring structure 30 . The lower capping layer 40 may be made of a material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or silicon oxycarbide. The lower capping layer 40 may include a plurality of insulating layers. The lower capping layer 40 may include an etch stop layer formed of silicon nitride.

상부 기판(101)은 제1 구조물(1) 상에 배치될 수 있다. 상부 기판(101) 상에 적층 구조물(ST)이 배치될 수 있다. 상부 기판(101)은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, N 도전형의 불순물을 포함하는 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 상부 기판(101)에서, N 도전형의 불순물을 포함하는 다결정 실리콘으로 형성되는 영역은 공통 소스 영역을 포함할 수 있다.The upper substrate 101 may be disposed on the first structure 1 . A stacked structure ST may be disposed on the upper substrate 101 . The upper substrate 101 may include a semiconductor material, for example, polycrystalline silicon containing an N conductivity type impurity. In the upper substrate 101 , a region formed of polycrystalline silicon including an N conductivity type impurity may include a common source region.

적층 구조물(ST)은 도 1에 도시된 것과 같이, 평면에서 메모리 셀 어레이 영역(MCA) 및 메모리 셀 어레이 영역(MCA)의 적어도 일 측을 둘러싸는 계단 영역(CA)을 포함할 수 있다. As illustrated in FIG. 1 , the stack structure ST may include a memory cell array area MCA and a step area CA surrounding at least one side of the memory cell array area MCA in a plan view.

메모리 셀 어레이 영역(MCA)은 게이트 전극들(130)이 Z 방향으로 이격되어 적층되며, 채널 구조물들(CH)이 배치되는 영역일 수 있다. 메모리 셀 어레이 영역(MCA)은 게이트 전극들(130) 중 최상위 게이트 전극(130U)이 적층 구조물(ST)과 Z 방향으로 중첩하는 적층 구조물(ST)의 일부 영역일 수 있다. 예를 들어, 메모리 셀 어레이 영역(MCA)은 최상위 게이트 전극(130U)의 단부들(EP) 사이의 내부 영역이 적층 구조물(ST)과 Z 방향으로 중첩하는 적층 구조물(ST)의 일부 영역일 수 있다.The memory cell array region MCA may be a region in which the gate electrodes 130 are stacked to be spaced apart from each other in the Z direction, and the channel structures CH are disposed. The memory cell array region MCA may be a partial region of the stacked structure ST in which the uppermost gate electrode 130U of the gate electrodes 130 overlaps the stacked structure ST in the Z direction. For example, the memory cell array region MCA may be a partial region of the stacked structure ST in which an inner region between the ends EP of the uppermost gate electrode 130U overlaps the stacked structure ST in the Z direction. have.

계단 영역(CA)은 게이트 전극들(130)이 계단 구조를 이루는 영역일 수 있다. 계단 영역(CA)은 도 1에 도시된 것과 같이, 평면에서 메모리 셀 어레이 영역(MCA)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 계단 영역(CA)은 계단 구조를 이루는 게이트 전극들(130)이 게이트 콘택 플러그들(172g)과 연결되기 위한 패드 영역(130_P)을 제공하는 영역일 수 있다. 계단 영역(CA) 중 일부 영역에는, 게이트 콘택 플러그들(172g)을 제1 구조물(1)의 회로 소자들(20)과 전기적으로 연결하기 위해 적층 구조물(ST)을 관통하는 절연 영역이 제공될 수도 있다.The step area CA may be an area in which the gate electrodes 130 form a step structure. As illustrated in FIG. 1 , the step area CA may be disposed to surround the memory cell array area MCA in a plan view. The step area CA may be an area in which the gate electrodes 130 forming the step structure provide the pad area 130_P for connecting the gate contact plugs 172g. An insulating region passing through the stacked structure ST to electrically connect the gate contact plugs 172g to the circuit elements 20 of the first structure 1 may be provided in some of the step area CA. may be

게이트 전극들(130)은 메모리 셀 어레이 영역(MCA)에서 상부 기판(101) 상에 Z 방향으로 이격되어 적층될 수 있다. 게이트 전극들(130)은 분리 구조물들(MS)에 의해 분리되어 X 방향으로 연장될 수 있다. 게이트 전극들(130)은 접지 선택 트랜지스터의 게이트를 이루는 하부 게이트 전극들(130L), 복수의 메모리 셀들을 이루는 메모리 게이트 전극들, 및 스트링 선택 트랜지스터들의 게이트들을 이루는 상부 게이트 전극들(130U)을 포함할 수 있다. 메모리 셀들을 이루는 상기 메모리 게이트 전극들의 개수에 따라, 반도체 장치(100)의 저장 용량이 결정될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 전극들(130)은 상기 상부 게이트 전극들의 상부 및/또는 상기 하부 게이트 전극들의 하부에 배치되며 게이트 유도 누설 전류(Gate Induced Drain Leakage, GIDL) 현상을 이용한 소거 동작에 이용되는 소거 트랜지스터를 이루는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.The gate electrodes 130 may be stacked to be spaced apart from each other in the Z direction on the upper substrate 101 in the memory cell array region MCA. The gate electrodes 130 may be separated by the isolation structures MS to extend in the X direction. The gate electrodes 130 include lower gate electrodes 130L forming the gate of the ground select transistor, memory gate electrodes forming a plurality of memory cells, and upper gate electrodes 130U forming the gates of the string select transistors. can do. The storage capacity of the semiconductor device 100 may be determined according to the number of the memory gate electrodes constituting the memory cells. In example embodiments, the gate electrodes 130 are disposed above the upper gate electrodes and/or under the lower gate electrodes, and are subjected to an erase operation using a gate induced drain leakage (GIDL) phenomenon. It may further include a gate electrode constituting the erase transistor used.

게이트 전극들(130)은 X 방향에서 서로 다른 길이로 연장되어 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. 상기 단차 구조에 의해, 게이트 전극들(130) 중 하위의 게이트 전극(130)이 상위의 게이트 전극(130)보다 길게 연장되어 상부로 노출되는 패드 영역을을 가질 수 있다. 게이트 전극들(130)의 계단 구조는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 게이트 전극들(130)은 한 쌍의 분리 구조물들(MS) 사이에서 X 방향으로 단차 구조를 이루면서, Y 방향으로도 단차 구조를 이룰 수 있다.The gate electrodes 130 may extend to have different lengths in the X direction to form a stepped structure in the form of a step. Due to the step structure, the lower gate electrode 130 of the gate electrodes 130 may have a pad region that is extended longer than the upper gate electrode 130 and is exposed upwardly. The step structure of the gate electrodes 130 is not particularly limited. For example, the gate electrodes 130 may form a stepped structure in the X direction and a stepped structure in the Y direction between the pair of separation structures MS.

게이트 전극들(130)은 X 방향으로 연장되는 분리 구조물(MS)에 의하여 Y 방향에서 서로 분리되어 배치될 수 있다. 한 쌍의 분리 구조물들(MS) 사이의 게이트 전극들(130)은 하나의 메모리 블록을 이룰 수 있으나, 메모리 블록의 범위는 이에 한정되지는 않는다. 게이트 전극들(130)은 각각 제1 층 및 제2 층을 포함할 수 있다. 상기 제1 층은 제2 층의 상면 및 하면을 덮고, 채널 구조물(CH)과 상기 제2 층의 사이로 연장될 수 있다. 상기 제1 층은 알루미늄 산화물(AlO) 등과 같은 고유전체 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 층은 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐(W), 및 텅스텐 질화물(WN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 게이트 전극들(130)은 다결정 실리콘 또는 금속-반도체 화합물을 포함할 수 있다.The gate electrodes 130 may be disposed to be separated from each other in the Y direction by the separation structure MS extending in the X direction. The gate electrodes 130 between the pair of isolation structures MS may form one memory block, but the scope of the memory block is not limited thereto. The gate electrodes 130 may include a first layer and a second layer, respectively. The first layer may cover upper and lower surfaces of the second layer and may extend between the channel structure CH and the second layer. The first layer may include a high dielectric material such as aluminum oxide (AlO), and the second layer may include titanium (Ti), titanium nitride (TiN), tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), tungsten ( W), and at least one of tungsten nitride (WN). In some embodiments, the gate electrodes 130 may include polycrystalline silicon or a metal-semiconductor compound.

층간 절연층들(120)은 메모리 셀 어레이 영역(MCA)에서 게이트 전극들(130) 사이에 배치될 수 있다. 층간 절연층들(120)도 게이트 전극들(130)과 마찬가지로 수직 방향(Z)에서 서로 이격되어 적층될 수 있고, X 방향으로 연장될 수 있다. 층간 절연층들(120)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 층간 절연층들(120) 중 일부는 서로 다른 두께를 가질 수도 있다.The interlayer insulating layers 120 may be disposed between the gate electrodes 130 in the memory cell array region MCA. Like the gate electrodes 130 , the interlayer insulating layers 120 may be stacked apart from each other in the vertical direction Z, and may extend in the X direction. The interlayer insulating layers 120 may include an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride. Some of the interlayer insulating layers 120 may have different thicknesses.

적층 구조물(ST)은 하부 적층 구조물 및 상기 하부 적층 구조물 상의 상부 적층 구조물을 포함하고, 채널 구조물들(CH)의 각각은 상기 하부 적층 구조물을 관통하는 하부 채널 구조물 및 상기 상부 적층 구조물을 관통하는 상부 채널 구조물을 포함할 수 있다. 이 경우, 채널 구조물들(CH)의 각각은 상기 하부 적층 구조물과 상기 상부 적층 구조물이 서로 접합하는 연결 영역에서 폭 차이에 의한 절곡부를 포함할 수 있다. 이러한 실시예는, 적층 구조물(ST)이 이중 스택(stacked)인 구조인 경우에 해당하며, 본 발명은 이중 이상의 스택인 멀티 스택 구조의 실시예도 포함할 수 있다.The stacked structure ST includes a lower stacked structure and an upper stacked structure on the lower stacked structure, and each of the channel structures CH includes a lower channel structure penetrating the lower stacked structure and an upper portion penetrating the upper stacked structure. It may include a channel structure. In this case, each of the channel structures CH may include a bent portion due to a difference in width in a connection region where the lower stacked structure and the upper stacked structure are bonded to each other. This embodiment corresponds to a case in which the stacked structure ST is a double stacked structure, and the present invention may also include an embodiment of a multi-stack structure in which the stacked structure ST is a double or more stacked structure.

채널 구조물들(CH)은, 도 1에 도시된 것과 같이, 각각 하나의 메모리 셀 스트링을 이루며, 메모리 셀 영역(MCA)에서 행과 열을 이루면서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH)은 격자 무늬를 형성하도록 배치되거나 일 방향에서 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH)은 기둥 형상을 가지며, 종횡비에 따라 상부 기판(101)에 가까울수록 폭이 좁아지는 경사진 측면을 가질 수 있다.As shown in FIG. 1 , each of the channel structures CH forms one memory cell string and may be disposed to be spaced apart from each other while forming rows and columns in the memory cell area MCA. The channel structures CH may be disposed to form a grid pattern or may be disposed in a zigzag shape in one direction. The channel structures CH may have a columnar shape, and may have inclined side surfaces that are narrower in width as they approach the upper substrate 101 according to an aspect ratio.

채널 구조물들(CH) 내에는 채널층(140)이 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH) 내에서 채널층(140)은 내부의 코어 절연층(147)을 둘러싸는 환형(annular)으로 형성될 수 있다. 채널층(140)은 하부에서 에피택셜층(107)과 접촉하며 상부 기판(101)과 전기적으로 연결될 수 있다. 채널층(140)은 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다.A channel layer 140 may be disposed in the channel structures CH. In the channel structures CH, the channel layer 140 may be formed in an annular shape surrounding the inner core insulating layer 147 . The channel layer 140 may be in contact with the epitaxial layer 107 at a lower portion and may be electrically connected to the upper substrate 101 . The channel layer 140 may include a semiconductor material such as polycrystalline silicon or single crystal silicon.

채널 구조물들(CH)에서 채널층(140) 상에 채널 패드(149)가 배치될 수 있다. 채널 패드(149)는 코어 절연층(147)의 상면을 덮고 채널층(140)과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 채널 패드(149)는 예컨대, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 채널 패드(149)는 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.A channel pad 149 may be disposed on the channel layer 140 in the channel structures CH. The channel pad 149 may be disposed to cover the upper surface of the core insulating layer 147 and be electrically connected to the channel layer 140 . The channel pad 149 may include, for example, doped polycrystalline silicon. The channel pad 149 may include a semiconductor material such as polycrystalline silicon or single crystal silicon, for example, may include doped polycrystalline silicon.

게이트 유전층(145)은 게이트 전극들(130)과 채널층(140)의 사이에 배치될 수 있다. 게이트 유전층(145)은 채널층(140)으로부터 순차적으로 적층된 터널링층, 정보 저장층 및 블록킹층을 포함할 수 있다. 터널링층은 전하를 상기 정보 저장층으로 터널링시킬 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 정보 저장층은 전하 트랩층 또는 플로팅 게이트 도전층일 수 있다. 블록킹층은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 고유전율(high-k) 유전 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 유전층(145)의 적어도 일부는 게이트 전극들(130)을 따라 수평 방향으로 연장될 수 있다. The gate dielectric layer 145 may be disposed between the gate electrodes 130 and the channel layer 140 . The gate dielectric layer 145 may include a tunneling layer, an information storage layer, and a blocking layer sequentially stacked from the channel layer 140 . The tunneling layer may tunnel charges into the information storage layer, and may include, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), or a combination thereof. . The information storage layer may be a charge trap layer or a floating gate conductive layer. The blocking layer may include silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), a high-k dielectric material, or a combination thereof. In example embodiments, at least a portion of the gate dielectric layer 145 may extend in a horizontal direction along the gate electrodes 130 .

채널 구조물들(CH)은 도 2a에 도시된 것과 같이, 적층 구조물(ST)의 게이트 전극들(130)을 Z 방향으로 관통하고 상부 기판(101)과 접촉할 수 있다. 채널 구조물들(CH)에서 채널층(140)과 상부 기판(101) 사이에 에피택셜층(107)이 배치될 수 있다. 에피택셜층(107)은 상부 기판(101)과 접촉하며, 적어도 하나의 게이트 전극(130L)의 측면에 인접하게 배치될 수 있다. 에피택셜층(107)은 상부 기판(101)을 일부 리세스하여 배치될 수 있다. 에피택셜층(107)의 상면의 높이는 최하위 게이트 전극(130)의 상면보다 높고 그 상부의 게이트 전극(130)의 하면보다 낮을 수 있으나, 도시된 것에 한정되지는 않는다. 에피택셜층(107)은 상면을 통해 채널층(140)과 연결될 수 있다. 에피택셜층(107) 및 이와 인접하는 하부 게이트 전극(130L) 사이에는 하부 절연층(108)이 배치될 수 있다.As shown in FIG. 2A , the channel structures CH may pass through the gate electrodes 130 of the stack structure ST in the Z direction and contact the upper substrate 101 . An epitaxial layer 107 may be disposed between the channel layer 140 and the upper substrate 101 in the channel structures CH. The epitaxial layer 107 contacts the upper substrate 101 and may be disposed adjacent to a side surface of the at least one gate electrode 130L. The epitaxial layer 107 may be disposed by partially recessing the upper substrate 101 . The height of the upper surface of the epitaxial layer 107 may be higher than the upper surface of the lowermost gate electrode 130 and lower than the lower surface of the upper gate electrode 130, but is not limited thereto. The epitaxial layer 107 may be connected to the channel layer 140 through the top surface. A lower insulating layer 108 may be disposed between the epitaxial layer 107 and the lower gate electrode 130L adjacent thereto.

더미 수직 구조물(DS)은 도 1에 도시된 것과 같이, 계단 영역(CA)에 배치될 수 있다. 더미 수직 구조물(DS)은 채널 구조물(CH)과 유사하게 행과 열을 이루면서 서로 이격되어 배치될 수 있고, 격자 무늬를 형성하도록 배치되거나 일 방향에서 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 더미 수직 구조물(DS)은 채널 구조물(CH)과 동일하거나 유사한 구조를 가질 수 있으나, 반도체 장치(100) 내에서 실질적인 기능을 수행하지 않을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 더미 수직 구조물(DS)은 채널 구조물(CH)과 다른 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어, 내부가 실리콘 산화물과 같은 절연 물질로 이루어질 수도 있다. 또한, 채널 구조물들(CH) 중 상부 분리 영역(SS)과 중첩하도록 배치되는 구조물은, 더미 채널 구조물일 수 있다.The dummy vertical structure DS may be disposed in the step area CA as shown in FIG. 1 . The dummy vertical structures DS may be disposed to be spaced apart from each other in rows and columns similar to the channel structures CH, and may be disposed to form a grid pattern or disposed in a zigzag shape in one direction. The dummy vertical structure DS may have the same or similar structure to the channel structure CH, but may not perform a substantial function in the semiconductor device 100 . In an exemplary embodiment, the dummy vertical structure DS may have a structure different from that of the channel structure CH, and for example, an inside thereof may be formed of an insulating material such as silicon oxide. Also, a structure disposed to overlap the upper isolation region SS among the channel structures CH may be a dummy channel structure.

분리 구조물(MS)은 적층 구조물(ST)을 Z 방향으로 관통하며, X 방향을 따라 연장되도록 배치될 수 있다. 분리 구조물(MS)은 Y 방향에서 나란하게 배치되는 복수의 분리 구조물들(MS)을 포함할 수 있다. 분리 구조물들(MS)은 게이트 전극들(130)을 Y 방향에서 서로 분리시킬 수 있다. 상부 기판(101)의 상면을 기준으로, 분리 구조물(MS)의 상면의 레벨은, 채널 구조물(CH)의 상면의 레벨보다 높을 수 있다. 분리 구조물(MS)은 적층된 게이트 전극들(130) 전체를 상하로 관통하며 상부 기판(101)과 접촉할 수 있다. 분리 구조물(MS)은 높은 종횡비로 인하여 상부 기판(101)에 가까울수록 폭이 감소되는 형상을 가질 수 있다. 분리 구조물(MS)은 도전층(105) 및 도전층(105)의 측면들을 덮는 분리 절연층(106)을 포함할 수 있다. 도전층(105)은 도전성 물질로 형성될 수 있고, 분리 절연층(106)은 절연성 물질로 형성될 수 있다. 도전층(105)은 X 방향을 따라 연장되고, 상부 기판(101)과 접촉할 수 있다. 도전층(105)은 상부 기판(101)의 불순물 영역과 함께 공통 소스 라인을 이룰 수 있다.The separation structure MS penetrates the stack structure ST in the Z direction, It may be arranged to extend along the X direction. The separation structure MS may include a plurality of separation structures MS that are arranged side by side in the Y direction. The isolation structures MS may separate the gate electrodes 130 from each other in the Y direction. Based on the upper surface of the upper substrate 101 , the level of the upper surface of the isolation structure MS may be higher than the level of the upper surface of the channel structure CH. The isolation structure MS may vertically penetrate the entire stacked gate electrodes 130 and contact the upper substrate 101 . The separation structure MS may have a shape in which a width decreases as it approaches the upper substrate 101 due to a high aspect ratio. The isolation structure MS may include a conductive layer 105 and an isolation insulating layer 106 covering side surfaces of the conductive layer 105 . The conductive layer 105 may be formed of a conductive material, and the isolation insulating layer 106 may be formed of an insulating material. The conductive layer 105 may extend along the X direction and contact the upper substrate 101 . The conductive layer 105 may form a common source line together with the impurity region of the upper substrate 101 .

상부 분리 구조물(SS)은 분리 구조물들(MS)의 사이에서 X 방향으로 연장될 수 있다. 상부 분리 구조물(SS)은 게이트 전극들(130) 중 최상위 게이트 전극들(130U)을 포함하는 상부 게이트 전극들(130)을 Y 방향에서 서로 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 상부 분리 구조물(SS)은 최상위 게이트 전극(130U)과 그 아래에 배치되는 차상위 게이트 전극(130)을 관통할 수 있다. 상부 분리 구조물(SS)에 의해 분리되는 게이트 전극들(130)의 개수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 상부 분리 구조물(SS)에 의해 분리된 상부 게이트 전극들(130)은 반도체 장치(100)에서 서로 다른 스트링 선택 라인을 이룰 수 있다. 상부 분리 구조물(SS)은 절연 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.The upper separation structures SS may extend in the X direction between the separation structures MS. The upper isolation structure SS may separate the upper gate electrodes 130 including the uppermost gate electrodes 130U among the gate electrodes 130 in the Y direction. For example, the upper isolation structure SS may pass through the uppermost gate electrode 130U and the second upper gate electrode 130 disposed thereunder. The number of gate electrodes 130 separated by the upper isolation structure SS may be variously changed in embodiments. The upper gate electrodes 130 separated by the upper isolation structure SS may form different string selection lines in the semiconductor device 100 . The upper isolation structure SS may include an insulating material, for example, silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride.

상부 캡핑층(160)은 적층 구조물(ST) 상에 배치되어, 채널 구조물들(CH), 더미 구조물(DS), 분리 구조물(MS), 및 상부 분리 구조물(SS) 각각의 측면들 일부를 덮도록 배치될 수 있다. 상부 캡핑층(160)의 상면은 채널 구조물(CH)의 상면 및 채널 구조물(DS)의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다. 상부 캡핑층(160)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 실리콘 산탄화물과 같은 물질로 이루어질 수 있다.The upper capping layer 160 is disposed on the stack structure ST to cover a portion of side surfaces of the channel structures CH, the dummy structure DS, the isolation structure MS, and the upper isolation structure SS, respectively. It can be arranged to The upper surface of the upper capping layer 160 may be substantially coplanar with the upper surface of the channel structure CH and the upper surface of the channel structure DS. The upper capping layer 160 may be made of a material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or silicon oxycarbide.

제1 상부 콘택들(172c, 172g)은 적층 구조물(ST) 상에 배치될 수 있다. 제1 상부 콘택들(172c, 172g)은 제1 채널 콘택들(172c) 및 제1 게이트 콘택들(172g)을 포함할 수 있다. 제1 채널 콘택들(172c)은 채널 구조물들(CH)과 연결될 수 있다. 제1 게이트 콘택들(172g)은 계단 영역(CA)에서 게이트 전극들(130)의 패드 영역들(130_P)과 연결될 수 있다.The first upper contacts 172c and 172g may be disposed on the stack structure ST. The first upper contacts 172c and 172g may include first channel contacts 172c and first gate contacts 172g. The first channel contacts 172c may be connected to the channel structures CH. The first gate contacts 172g may be connected to the pad areas 130_P of the gate electrodes 130 in the step area CA.

제2 상부 콘택들(174c, 174g)은 제1 배선들(182c, 184g) 상에 배치될 수 있다. 제2 채널 콘택들(174c) 및 제2 게이트 콘택들(174g)을 포함할 수 있다. 제2 채널 콘택들(174c)은 제1 채널 배선들(182c)과 연결될 수 있다. 제2 게이트 콘택들(174g)은 제1 게이트 배선들(184g)과 연결될 수 있다.The second upper contacts 174c and 174g may be disposed on the first interconnections 182c and 184g. It may include second channel contacts 174c and second gate contacts 174g. The second channel contacts 174c may be connected to the first channel wires 182c. The second gate contacts 174g may be connected to the first gate lines 184g.

제1 배선들(182)은 제1 상부 콘택들(172c, 172g) 상에 배치될 수 있다. 제1 배선들(182c, 184g)은 제1 채널 배선들(182c) 및 제1 게이트 배선들(182g)을 포함할 수 있다. 제1 채널 배선들(182c)은 제1 채널 콘택들(172c)과 연결될 수 있다. 제1 게이트 배선들(182g)은 제1 게이트 콘택들(172g)과 연결될 수 있다.The first wirings 182 may be disposed on the first upper contacts 172c and 172g. The first wirings 182c and 184g may include first channel wirings 182c and first gate wirings 182g. The first channel wires 182c may be connected to the first channel contacts 172c. The first gate lines 182g may be connected to the first gate contacts 172g.

제2 배선들(184)은 제2 상부 콘택들(174c, 174g) 상에 배치될 수 있다. 제2 배선들(184c, 184g)은 제2 채널 배선들(184c) 및 제2 게이트 배선들(184g)을 포함할 수 있다. 제2 채널 배선들(184c)은 제2 채널 콘택들(174c)과 연결될 수 있다. 제2 게이트 배선들(184g)은 제2 게이트 콘택들(174g)과 연결될 수 있다.The second wirings 184 may be disposed on the second upper contacts 174c and 174g. The second wirings 184c and 184g may include second channel wirings 184c and second gate wirings 184g. The second channel wires 184c may be connected to the second channel contacts 174c. The second gate lines 184g may be connected to the second gate contacts 174g.

상부 콘택들(172c, 172g, 174c, 174g) 및 상부 배선들(182c, 182g, 184c, 184g)은 상부 배선 구조물을 이룰 수 있다. 상기 상부 배선 구조물을 이루는 각 구성요소들은, 도전층 및 상기 도전층의 하면 및 측면들을 덮는 배리어층을 포함할 수 있다. 상기 배리어층은 예를 들어, 티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 및 텅스텐 탄소 질화물(WCN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 도전층은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The upper contacts 172c, 172g, 174c, and 174g and the upper interconnections 182c, 182g, 184c, and 184g may form an upper interconnection structure. Each component constituting the upper wiring structure may include a conductive layer and a barrier layer covering the lower surface and side surfaces of the conductive layer. The barrier layer may include, for example, at least one of titanium (Ti), titanium nitride (TiN), tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), tungsten nitride (WN), and tungsten carbon nitride (WCN). have. The conductive layer may include a conductive material, for example, at least one of tungsten (W), copper (Cu), and aluminum (Al).

상부 절연층들(191, 192, 193, 194, 195)은 상부 캡핑층(160) 상에 배치되며, 차례로 적층되는 제1 상부 절연층(191), 제2 상부 절연층(192), 제3 상부 절연층(193), 제4 상부 절연층(194), 및 제5 상부 절연층(195)을 포함할 수 있다. 상부 절연층들(191, 192, 193, 194, 195)의 각각은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 실리콘 산탄화물과 같은 물질로 이루어질 수 있다.The upper insulating layers 191 , 192 , 193 , 194 , and 195 are disposed on the upper capping layer 160 , and the first upper insulating layer 191 , the second upper insulating layer 192 , and the third are sequentially stacked. It may include an upper insulating layer 193 , a fourth upper insulating layer 194 , and a fifth upper insulating layer 195 . Each of the upper insulating layers 191 , 192 , 193 , 194 , and 195 may be made of a material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or silicon oxycarbide.

도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 일부 영역을 확대하여 도시하는 부분 확대 평면도이다. 도 3은 도 1의 반도체 장치(100)의 계단 영역(CA)의 일부 영역을 확대하여 도시하며, 설명의 편의를 위해, 더미 구조물(DS), 게이트 전극들(130)의 단부들(EP), 및 게이트 콘택들(172g)은 생략하여 도시하였다.3 is a partially enlarged plan view illustrating a partial region of a semiconductor device according to example embodiments. 3 is an enlarged view of a partial area of the step area CA of the semiconductor device 100 of FIG. 1 , and for convenience of explanation, the dummy structure DS and the ends EP of the gate electrodes 130 . , and the gate contacts 172g are omitted.

도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다. 도 4a 및 도 4b는 도 3의 절단선 Ⅲ-Ⅲ' 및 Ⅳ-Ⅳ' 를 따른 단면들을 각각 도시한다.4A and 4B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments. 4A and 4B show cross-sections taken along cutting lines III-III' and IV-IV' of FIG. 3, respectively.

도 3 및 도 4를 참조하면, 반도체 장치(100)의 제2 구조물(2)은 제1 배선들(182)과 동일한 레벨에 배치되며, 분리 구조물들(MS)과 교차하여 연장되고, 전기적으로 고립된(electrically isolated) 더미 배선들(182D)을 더 포함할 수 있다. 더미 배선들(182D)은 분리 구조물들(MS)에 크랙(crack)이 발생하는 것을 방지하거나, 분리 구조물들(MS)로부터 크랙이 전파되는 것을 방지할 수 있다.3 and 4 , the second structure 2 of the semiconductor device 100 is disposed at the same level as the first wirings 182 , extends to cross the isolation structures MS, and is electrically It may further include electrically isolated dummy wires 182D. The dummy interconnections 182D may prevent cracks from occurring in the isolation structures MS or may prevent cracks from propagating from the isolation structures MS.

더미 배선들(182D)은 적층 구조물(ST)의 계단 영역(CA) 상에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 계단 영역(CA)에서 X 방향으로 연장되는 분리 구조물들(MS) 상에 배치될 수 있다. 더미 배선들(182D)은 분리 구조물들(MS) 적층 구조물(ST) 상에서, 분리 구조물들(MS) 중 적어도 하나 및 적층 구조물(ST)과 수직하게 중첩할 수 있다. 더미 배선들(182D)은 전기적 플로팅(floating) 상태이며, 예를 들어, 게이트 전극들(130) 및 분리 구조물들(MS)의 도전층들(105)과 전기적으로 절연될 수 있다. 예를 들어, 분리 구조물들(MS)과 더미 배선들(182D)이 서로 교차하는 영역들에서, 분리 구조물들(MS)과 더미 배선들(182D) 사이에는 상부 콘택들(172c, 172g)이 배치되지 않을 수 있다. 이와 달리, 제1 배선들(182)은 채널 구조물들(CH) 및 게이트 전극들(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이, 제1 배선들(182) 중 일부(182g)는 제1 게이트 콘택들(172g)을 통해 게이트 전극들(130)과 전기적으로 연결될 수 있고, 제1 배선들(182) 중 일부(182c)는 제1 채널 콘택들(172c)을 통해 채널 구조물들(CH)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 배선들(182)은 제2 상부 콘택들(174)을 통해 제2 배선들(184)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제1 배선들(182) 중 일부는 메모리 셀 어레이 영역(MCA)에서 분리 구조물(MS)의 도전층(105)과 전기적으로 연결될 수 있다. 배선들 중에서, 전기적으로 고립된 더미 배선들(182D)인지 전기적 신호가 인가되는 제1 배선들(182)인지 여부는, 해당 구성요소가 그 상부 또는 하부에 배치되는 도전층과 전기적으로 연결되어 있는지 아닌지를 판별하여 확인할 수 있다.The dummy wirings 182D may be disposed on the step area CA of the stack structure ST, for example, on the separation structures MS extending in the X direction from the step area CA. can The dummy interconnections 182D may vertically overlap with at least one of the separation structures MS and the stacked structure ST on the stacked structure ST of the separation structures MS. The dummy wirings 182D are in an electrically floating state, and for example, may be electrically insulated from the gate electrodes 130 and the conductive layers 105 of the isolation structures MS. For example, in regions where the isolation structures MS and the dummy lines 182D intersect each other, upper contacts 172c and 172g are disposed between the isolation structures MS and the dummy lines 182D. it may not be Alternatively, the first wirings 182 may be electrically connected to the channel structures CH and the gate electrodes 130 . For example, as shown in FIG. 1 , some 182g of the first wirings 182 may be electrically connected to the gate electrodes 130 through the first gate contacts 172g, and the first Some 182c of the wirings 182 may be electrically connected to the channel structures CH through the first channel contacts 172c. The first wirings 182 may be electrically connected to the second wirings 184 through the second upper contacts 174 . Although not shown, some of the first wirings 182 may be electrically connected to the conductive layer 105 of the isolation structure MS in the memory cell array area MCA. Among the wirings, whether the components are electrically isolated dummy wirings 182D or the first wirings 182 to which an electrical signal is applied is determined whether the corresponding component is electrically connected to a conductive layer disposed above or below the component. You can check whether it is or not.

더미 배선들(182D)은 X 방향과 수직한 Y 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 더미 배선들(182D)은 Y 방향에서 길이가 X 방향에서 길이보다 길 수 있다. 더미 배선들(182D)은 분리 구조물들(MS) 상에서 X 방향을 따라 나란히 배열될 수 있다. 더미 배선들(182D) 중 일부는 제1 배선들(182) 사이에 배치될 수 있으며, 더미 배선들(182) 중 일부는 제1 배선들(182)과 X 방향에서 교대로 배열될 수도 있다. 인접하는 더미 배선들(182D)은 서로 균일한 피치 또는 간격으로 배열될 수 있으나, 하기 다른 실시예들에서와 같이 다른 피치 또는 간격으로 배열될 수 있다. 더미 배선들(182D)은 제1 배선들(182)과 이격되며, 제1 배선들(182)이 배치되지 않는 공간에 적절히 배열될 수 있다.The dummy interconnections 182D may extend in a Y direction perpendicular to the X direction. For example, the length of the dummy wires 182D in the Y direction may be longer than the length in the X direction. The dummy wirings 182D may be arranged side by side along the X direction on the isolation structures MS. Some of the dummy wires 182D may be disposed between the first wires 182 , and some of the dummy wires 182 may be alternately arranged with the first wires 182 in the X direction. The adjacent dummy wirings 182D may be arranged at a uniform pitch or spacing from each other, but may be arranged at a different pitch or spacing as in other embodiments below. The dummy wires 182D may be spaced apart from the first wires 182 and may be appropriately arranged in a space where the first wires 182 are not disposed.

도 5a 내지 도 5f는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 일부 영역을 확대하여 도시하는 부분 확대 평면도이다. 도 5a 내지 도 5f는 더미 배선들의 배치를 예시적으로 도시하는 도면들이다.5A to 5F are partially enlarged plan views illustrating a partial region of a semiconductor device according to example embodiments. 5A to 5F are diagrams exemplarily illustrating the arrangement of dummy wirings.

도 5a를 참조하면, 반도체 장치(100A)의 더미 배선들(182Da)은 상부 기판(101)의 상면에 평행한 방향으로 연장되되, X 방향 및 Y 방향과 비스듬한 방향으로 연장될 수 있다. 더미 배선들(182Da)은 분리 구조물(MS) 상에 배치되고, 분리 구조물(MS)의 연장 방향과 비스듬하게 연장될 수 있다.Referring to FIG. 5A , the dummy wires 182Da of the semiconductor device 100A extend in a direction parallel to the top surface of the upper substrate 101 , and may extend in directions oblique to the X and Y directions. The dummy interconnections 182Da may be disposed on the separation structure MS and may extend at an angle to the extending direction of the separation structure MS.

도 5b를 참조하면, 반도체 장치(100B)의 더미 배선들(182Db)은 제1 폭(W1)을 갖는 제1 패턴(PA1) 및 제1 폭(W1)보다 큰 제2 폭(W2)을 갖는 제2 패턴(PA2)을 포함할 수 있다. 제1 패턴(PA1)과 제2 패턴(PA2)은 서로 교대로 배열될 수 있다. 다만, 제1 패턴(PA1) 및 제2 패턴(PA2)의 배열은 도시된 것에 한정되지 않고, 실시예들에 따라 다양하게 변경될 수 있다. Referring to FIG. 5B , the dummy wires 182Db of the semiconductor device 100B have a first pattern PA1 having a first width W1 and a second width W2 greater than the first width W1 . The second pattern PA2 may be included. The first pattern PA1 and the second pattern PA2 may be alternately arranged. However, the arrangement of the first pattern PA1 and the second pattern PA2 is not limited to the illustrated one, and may be variously changed according to embodiments.

도 5c를 참조하면, 반도체 장치(100C)의 더미 배선들(182Dc)은 제1 간격(D1)으로 배치되는 제1 패턴들(PB1) 및 제1 간격(D1)보다 큰 제2 간격(D2)으로 배치되는 제2 패턴들(PB2)을 포함할 수 있다. 제1 패턴들(PB1)의 배치 밀도는 제2 패턴들(PB2)의 배치 밀도와 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 패턴들(PB1)의 배치 밀도가 제2 패턴들(PB2)의 배치 밀도보다 작을 수 있다. Referring to FIG. 5C , the dummy wirings 182Dc of the semiconductor device 100C have first patterns PB1 disposed at a first interval D1 and a second interval D2 greater than the first interval D1 . It may include second patterns PB2 disposed as . An arrangement density of the first patterns PB1 may be different from an arrangement density of the second patterns PB2 . For example, the arrangement density of the first patterns PB1 may be less than the arrangement density of the second patterns PB2 .

도 5d를 참조하면, 반도체 장치(100D)의 더미 배선들(182Dd)은 평면에서 사각링 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 더미 배선들(182Dd)의 각각은, 분리 구조물들(MS)과 교차하는 한 쌍의 제1 부분들 및 분리 구조물들(MS)과 나란한 방향으로 연장되는 한 쌍의 제2 부분들을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5D , the dummy wires 182Dd of the semiconductor device 100D may have a rectangular ring shape in plan view. For example, each of the dummy interconnections 182Dd includes a pair of first portions intersecting the isolation structures MS and a pair of second portions extending in a direction parallel to the isolation structures MS. may include

도 5e를 참조하면, 반도체 장치(100E)의 더미 배선들(182De)의 각각은 평면에서 분리 구조물들(MS)과 교차하는 제1 부분들 및 상기 제1 부분들을 서로 연결하며 분리 구조물(MS)과 나란한 방향으로 연장되는 제2 부분들을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5E , each of the dummy wirings 182De of the semiconductor device 100E includes first portions intersecting the isolation structures MS in a plan view, and the isolation structure MS connecting the first portions to each other. It may include second portions extending in a direction parallel to the .

도 5f를 참조하면, 반도체 장치(100F)의 분리 구조물들(MS) 중 일부(MS')는 계단 영역(CA)에서 단속적으로 연장되고, 더미 배선들(182D) 중 일부(182D')는 상기 분리 구조물(MS')이 서로 분리된 영역과 중첩하여 배치될 수 있다.Referring to FIG. 5F , some MS′ of the isolation structures MS of the semiconductor device 100F intermittently extend in the step area CA, and some 182D′ of the dummy wirings 182D are formed in the step area CA. Separation structures MS' may be disposed to overlap with regions separated from each other.

도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 6 is a diagram schematically illustrating a data storage system including a semiconductor device according to example embodiments.

도 6을 참조하면, 데이터 저장 시스템(1000)은 반도체 장치(1100) 및 반도체 장치(1100)와 전기적으로 연결되는 컨트롤러(1200)를 포함할 수 있다. 데이터 저장 시스템(1000)은 하나 또는 복수의 반도체 장치(1100)를 포함하는 스토리지 장치(storage device) 또는 스토리지 장치를 포함하는 전자 장치(electronic device)일 수 있다. 예를 들어, 데이터 저장 시스템(1000)은 하나 또는 복수의 반도체 장치(1100)를 포함하는 SSD 장치(solid state drive device), USB(Universal Serial Bus), 컴퓨팅 시스템, 의료 장치 또는 통신 장치일 수 있다. Referring to FIG. 6 , the data storage system 1000 may include a semiconductor device 1100 and a controller 1200 electrically connected to the semiconductor device 1100 . The data storage system 1000 may be a storage device including one or a plurality of semiconductor devices 1100 or an electronic device including a storage device. For example, the data storage system 1000 may be a solid state drive device (SSD) including one or a plurality of semiconductor devices 1100, a universal serial bus (USB), a computing system, a medical device, or a communication device. .

반도체 장치(1100)는 비휘발성 메모리 장치일 수 있으며, 예를 들어, 도 1 내지 도 11을 참조하여 상술한 NAND 플래쉬 메모리 장치일 수 있다. 반도체 장치(1100)는 제1 구조물(1100F) 및 제1 구조물(1100F) 상의 제2 구조물(1100S)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 구조물(1100F)은 제2 구조물(1100S)의 옆에 배치될 수도 있다. 제1 구조물(1100F)은 디코더 회로(1110), 페이지 버퍼(1120), 및 로직 회로(1130)를 포함하는 주변 회로 구조물일 수 있다. 제2 구조물(1100S)은 비트 라인(BL), 공통 소스 라인(CSL), 워드라인들(WL), 제1 및 제2 게이트 상부 라인들(UL1, UL2), 제1 및 제2 게이트 하부 라인들(LL1, LL2), 및 비트 라인(BL)과 공통 소스 라인(CSL) 사이의 메모리 셀 스트링들(CSTR)을 포함하는 메모리 셀 구조물일 수 있다.The semiconductor device 1100 may be a nonvolatile memory device, for example, the NAND flash memory device described above with reference to FIGS. 1 to 11 . The semiconductor device 1100 may include a first structure 1100F and a second structure 1100S on the first structure 1100F. In example embodiments, the first structure 1100F may be disposed next to the second structure 1100S. The first structure 1100F may be a peripheral circuit structure including a decoder circuit 1110 , a page buffer 1120 , and a logic circuit 1130 . The second structure 1100S includes a bit line BL, a common source line CSL, word lines WL, first and second gate upper lines UL1 and UL2, and first and second gate lower lines. It may be a memory cell structure including memory cell strings CSTR between the bits LL1 and LL2 and the bit line BL and the common source line CSL.

제2 구조물(1100S)에서, 각각의 메모리 셀 스트링들(CSTR)은 공통 소스 라인(CSL)에 인접하는 하부 트랜지스터들(LT1, LT2), 비트 라인(BL)에 인접하는 상부 트랜지스터들(UT1, UT2), 및 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)과 상부 트랜지스터들(UT1, UT2) 사이에 배치되는 복수의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)을 포함할 수 있다. 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)의 개수와 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)의 개수는 실시예들에 따라 다양하게 변형될 수 있다. In the second structure 1100S, each of the memory cell strings CSTR includes lower transistors LT1 and LT2 adjacent to the common source line CSL and upper transistors UT1 adjacent to the bit line BL. UT2) and a plurality of memory cell transistors MCT disposed between the lower transistors LT1 and LT2 and the upper transistors UT1 and UT2. The number of the lower transistors LT1 and LT2 and the number of the upper transistors UT1 and UT2 may be variously modified according to embodiments.

예시적인 실시예들에서, 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)은 스트링 선택 트랜지스터를 포함할 수 있고, 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)은 접지 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. 게이트 하부 라인들(LL1, LL2)은 각각 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)의 게이트 전극일 수 있다. 워드라인들(WL)은 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)의 게이트 전극들일 수 있고, 게이트 상부 라인들(UL1, UL2)은 각각 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)의 게이트 전극일 수 있다. In example embodiments, the upper transistors UT1 and UT2 may include a string select transistor, and the lower transistors LT1 and LT2 may include a ground select transistor. The gate lower lines LL1 and LL2 may be gate electrodes of the lower transistors LT1 and LT2, respectively. The word lines WL may be gate electrodes of the memory cell transistors MCT, and the gate upper lines UL1 and UL2 may be gate electrodes of the upper transistors UT1 and UT2, respectively.

예시적인 실시예들에서, 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)은 직렬 연결된 하부 소거 제어 트랜지스터(LT1) 및 접지 선택 트랜지스터(LT2)를 포함할 수 있다. 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)은 직렬 연결된 스트링 선택 트랜지스터(UT1) 및 상부 소거 제어 트랜지스터(UT2)를 포함할 수 있다. 하부 소거 제어 트랜지스터(LT1) 및 상부 소거 제어 트랜지스터(UT1) 중 적어도 하나는 GIDL 현상을 이용하여 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)에 저장된 데이터를 삭제하는 소거 동작에 이용될 수 있다.In example embodiments, the lower transistors LT1 and LT2 may include a lower erase control transistor LT1 and a ground select transistor LT2 connected in series. The upper transistors UT1 and UT2 may include a string select transistor UT1 and an upper erase control transistor UT2 connected in series. At least one of the lower erase control transistor LT1 and the upper erase control transistor UT1 may be used for an erase operation of erasing data stored in the memory cell transistors MCT using the GIDL phenomenon.

공통 소스 라인(CSL), 제1 및 제2 게이트 하부 라인들(LL1, LL2), 워드라인들(WL), 및 제1 및 제2 게이트 상부 라인들(UL1, UL2)은, 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 제1 연결 배선들(1115)을 통해 디코더 회로(1110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 비트 라인들(BL)은 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 제2 연결 배선들(1125)을 통해 페이지 버퍼(1120)와 전기적으로 연결될 수 있다.The common source line CSL, the first and second gate lower lines LL1 and LL2, the word lines WL, and the first and second gate upper lines UL1 and UL2 are connected to the first structure ( It may be electrically connected to the decoder circuit 1110 through first connection wires 1115 extending from the inside 1100F to the second structure 1100S. The bit lines BL may be electrically connected to the page buffer 1120 through second connection lines 1125 extending from the first structure 1100F to the second structure 1100S.

제1 구조물(1100F)에서, 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 복수의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 중 적어도 하나의 선택 메모리 셀 트랜지스터에 대한 제어 동작을 실행할 수 있다. 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 로직 회로(1130)에 의해 제어될 수 있다. 반도체 장치(1000)는 로직 회로(1130)와 전기적으로 연결되는 입출력 패드(1101)를 통해, 컨트롤러(1200)와 통신할 수 있다. 입출력 패드(1101)는 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 입출력 연결 배선(1135)을 통해 로직 회로(1130)와 전기적으로 연결될 수 있다.In the first structure 1100F, the decoder circuit 1110 and the page buffer 1120 may perform a control operation on at least one selected memory cell transistor among the plurality of memory cell transistors MCT. The decoder circuit 1110 and the page buffer 1120 may be controlled by the logic circuit 1130 . The semiconductor device 1000 may communicate with the controller 1200 through the input/output pad 1101 electrically connected to the logic circuit 1130 . The input/output pad 1101 may be electrically connected to the logic circuit 1130 through an input/output connection line 1135 extending from the first structure 1100F to the second structure 1100S.

컨트롤러(1200)는 프로세서(1210), NAND 컨트롤러(1220), 및 호스트 인터페이스(1230)를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 데이터 저장 시스템(1000)은 복수의 반도체 장치들(1100)을 포함할 수 있으며, 이 경우, 컨트롤러(1200)는 복수의 반도체 장치들(1000)을 제어할 수 있다.The controller 1200 may include a processor 1210 , a NAND controller 1220 , and a host interface 1230 . In some embodiments, the data storage system 1000 may include a plurality of semiconductor devices 1100 , and in this case, the controller 1200 may control the plurality of semiconductor devices 1000 .

프로세서(1210)는 컨트롤러(1200)를 포함한 데이터 저장 시스템(1000) 전반의 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(1210)는 소정의 펌웨어에 따라 동작할 수 있으며, NAND 컨트롤러(1220)를 제어하여 반도체 장치(1100)에 억세스할 수 있다. NAND 컨트롤러(1220)는 반도체 장치(1100)와의 통신을 처리하는 NAND 인터페이스(1221)를 포함할 수 있다. NAND 인터페이스(1221)를 통해, 반도체 장치(1100)를 제어하기 위한 제어 명령, 반도체 장치(1100)의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)에 기록하고자 하는 데이터, 반도체 장치(1100)의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)로부터 읽어오고자 하는 데이터 등이 전송될 수 있다. 호스트 인터페이스(1230)는 데이터 저장 시스템(1000)과 외부 호스트 사이의 통신 기능을 제공할 수 있다. 호스트 인터페이스(1230)를 통해 외부 호스트로부터 제어 명령을 수신하면, 프로세서(1210)는 제어 명령에 응답하여 반도체 장치(1100)를 제어할 수 있다. The processor 1210 may control the overall operation of the data storage system 1000 including the controller 1200 . The processor 1210 may operate according to a predetermined firmware, and may access the semiconductor device 1100 by controlling the NAND controller 1220 . The NAND controller 1220 may include a NAND interface 1221 that handles communication with the semiconductor device 1100 . Through the NAND interface 1221 , a control command for controlling the semiconductor device 1100 , data to be written to the memory cell transistors MCT of the semiconductor device 1100 , and memory cell transistors ( Data to be read from the MCT) may be transmitted. The host interface 1230 may provide a communication function between the data storage system 1000 and an external host. When receiving a control command from an external host through the host interface 1230 , the processor 1210 may control the semiconductor device 1100 in response to the control command.

도 7은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.7 is a schematic perspective view of a data storage system including a semiconductor device according to an exemplary embodiment.

도 7을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 데이터 저장 시스템(2000)은 메인 기판(2001)과, 메인 기판(2001)에 실장되는 컨트롤러(2002), 하나 이상의 반도체 패키지(2003), 및 DRAM(2004)을 포함할 수 있다. 반도체 패키지(2003) 및 DRAM(2004)은 메인 기판(2001)에 형성되는 배선 패턴들(2005)에 의해 컨트롤러(2002)와 서로 연결될 수 있다. Referring to FIG. 7 , a data storage system 2000 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a main board 2001 , a controller 2002 mounted on the main board 2001 , one or more semiconductor packages 2003 , and DRAM 2004 . The semiconductor package 2003 and the DRAM 2004 may be connected to the controller 2002 by wiring patterns 2005 formed on the main board 2001 .

메인 기판(2001)은 외부 호스트와 결합되는 복수의 핀들을 포함하는 커넥터(2006)를 포함할 수 있다. 커넥터(2006)에서 상기 복수의 핀들의 개수와 배치는, 데이터 저장 시스템(2000)과 상기 외부 호스트 사이의 통신 인터페이스에 따라 달라질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 데이터 저장 시스템(2000)은 USB(Universal Serial Bus), PCI-Express(Peripheral Component Interconnect Express), SATA(Serial Advanced Technology Attachment), UFS(Universal Flash Storage)용 M-Phy 등의 인터페이스들 중 어느 하나에 따라 외부 호스트와 통신할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 데이터 저장 시스템(2000)은 커넥터(2006)를 통해 외부 호스트로부터 공급받는 전원에 의해 동작할 수 있다. 데이터 저장 시스템(2000)은 상기 외부 호스트로부터 공급받는 전원을 컨트롤러(2002) 및 반도체 패키지(2003)에 분배하는 PMIC(Power Management Integrated Circuit)를 더 포함할 수도 있다. The main board 2001 may include a connector 2006 including a plurality of pins coupled to an external host. The number and arrangement of the plurality of pins in the connector 2006 may vary depending on a communication interface between the data storage system 2000 and the external host. In example embodiments, the data storage system 2000 includes an M-Phy for Universal Serial Bus (USB), Peripheral Component Interconnect Express (PCI-Express), Serial Advanced Technology Attachment (SATA), Universal Flash Storage (UFS), etc. can communicate with an external host according to any one of the interfaces of In example embodiments, the data storage system 2000 may operate by power supplied from an external host through the connector 2006 . The data storage system 2000 may further include a power management integrated circuit (PMIC) for distributing power supplied from the external host to the controller 2002 and the semiconductor package 2003 .

컨트롤러(2002)는 반도체 패키지(2003)에 데이터를 기록하거나, 반도체 패키지(2003)로부터 데이터를 읽어올 수 있으며, 데이터 저장 시스템(2000)의 동작 속도를 개선할 수 있다.The controller 2002 may write data to or read data from the semiconductor package 2003 , and may improve the operating speed of the data storage system 2000 .

DRAM(2004)은 데이터 저장 공간인 반도체 패키지(2003)와 외부 호스트의 속도 차이를 완화하기 위한 버퍼 메모리일 수 있다. 데이터 저장 시스템(2000)에 포함되는 DRAM(2004)은 일종의 캐시 메모리로도 동작할 수 있으며, 반도체 패키지(2003)에 대한 제어 동작에서 임시로 데이터를 저장하기 위한 공간을 제공할 수도 있다. 데이터 저장 시스템(2000)에 DRAM(2004)이 포함되는 경우, 컨트롤러(2002)는 반도체 패키지(2003)를 제어하기 위한 NAND 컨트롤러 외에 DRAM(2004)을 제어하기 위한 DRAM 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.The DRAM 2004 may be a buffer memory for mitigating a speed difference between the semiconductor package 2003 as a data storage space and an external host. The DRAM 2004 included in the data storage system 2000 may operate as a kind of cache memory, and may provide a space for temporarily storing data in a control operation for the semiconductor package 2003 . When the data storage system 2000 includes the DRAM 2004 , the controller 2002 may further include a DRAM controller for controlling the DRAM 2004 in addition to the NAND controller for controlling the semiconductor package 2003 .

반도체 패키지(2003)는 서로 이격된 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)은 각각 복수의 반도체 칩들(2200)을 포함하는 반도체 패키지일 수 있다. 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b) 각각은, 패키지 기판(2100), 패키지 기판(2100) 상의 반도체 칩들(2200), 반도체 칩들(2200) 각각의 하부면에 배치되는 접착층들(2300), 반도체 칩들(2200)과 패키지 기판(2100)을 전기적으로 연결하는 연결 구조물(2400), 및 패키지 기판(2100) 상에서 반도체 칩들(2200) 및 연결 구조물(2400)을 덮는 몰딩층(2500)을 포함할 수 있다. The semiconductor package 2003 may include first and second semiconductor packages 2003a and 2003b spaced apart from each other. Each of the first and second semiconductor packages 2003a and 2003b may be a semiconductor package including a plurality of semiconductor chips 2200 . Each of the first and second semiconductor packages 2003a and 2003b includes the package substrate 2100 , the semiconductor chips 2200 on the package substrate 2100 , and adhesive layers 2300 disposed on lower surfaces of the semiconductor chips 2200 , respectively. ), a connection structure 2400 electrically connecting the semiconductor chips 2200 and the package substrate 2100, and a molding layer 2500 covering the semiconductor chips 2200 and the connection structure 2400 on the package substrate 2100. may include

패키지 기판(2100)은 패키지 상부 패드들(2130)을 포함하는 인쇄회로 기판일 수 있다. 각각의 반도체 칩(2200)은 입출력 패드(2210)를 포함할 수 있다. 입출력 패드(2210)는 도 6의 입출력 패드(1101)에 해당할 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은 게이트 적층 구조물들(3210) 및 채널 구조물들(3220)을 포함할 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은 도 1 내지 도 5d를 참조하여 상술한 반도체 장치를 포함할 수 있다.The package substrate 2100 may be a printed circuit board including package upper pads 2130 . Each semiconductor chip 2200 may include an input/output pad 2210 . The input/output pad 2210 may correspond to the input/output pad 1101 of FIG. 6 . Each of the semiconductor chips 2200 may include gate stack structures 3210 and channel structures 3220 . Each of the semiconductor chips 2200 may include the semiconductor device described above with reference to FIGS. 1 to 5D .

예시적인 실시예들에서, 연결 구조물(2400)은 입출력 패드(2210)와 패키지 상부 패드들(2130)을 전기적으로 연결하는 본딩 와이어일 수 있다. 따라서, 각각의 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)에서, 반도체 칩들(2200)은 본딩 와이어 방식으로 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 패키지 기판(2100)의 패키지 상부 패드들(2130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예들에 따라, 각각의 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)에서, 반도체 칩들(2200)은 본딩 와이어 방식의 연결 구조물(2400) 대신에, 관통 전극(Through Silicon Via, TSV)을 포함하는 연결 구조물에 의하여 서로 전기적으로 연결될 수도 있다. In example embodiments, the connection structure 2400 may be a bonding wire electrically connecting the input/output pad 2210 and the package upper pads 2130 . Accordingly, in each of the first and second semiconductor packages 2003a and 2003b, the semiconductor chips 2200 may be electrically connected to each other by a bonding wire method, and may be electrically connected to the package upper pads 2130 of the package substrate 2100 and may be electrically connected. According to embodiments, in each of the first and second semiconductor packages 2003a and 2003b , the semiconductor chips 2200 may include a through-electrode (through silicon via, TSV) instead of the bonding wire-type connection structure 2400 . It may be electrically connected to each other by a connection structure comprising a.

예시적인 실시예들에서, 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)은 하나의 패키지에 포함될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 메인 기판(2001)과 다른 별도의 인터포저 기판에 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)이 실장되고, 상기 인터포저 기판에 형성되는 배선에 의해 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)이 서로 연결될 수도 있다. In example embodiments, the controller 2002 and the semiconductor chips 2200 may be included in one package. In an exemplary embodiment, the controller 2002 and the semiconductor chips 2200 are mounted on a separate interposer substrate different from the main substrate 2001, and the controller 2002 and the semiconductor chips are formed by wiring formed on the interposer substrate. 2200 may be connected to each other.

도 8은 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 8은 도 7의 반도체 패키지(2003)의 예시적인 실시예를 설명하며, 도 7의 반도체 패키지(2003)를 절단선 Ⅴ-Ⅴ'를 따라 절단한 영역을 개념적으로 나타낸다.8 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor package according to an exemplary embodiment. 8 illustrates an exemplary embodiment of the semiconductor package 2003 of FIG. 7 , and conceptually shows a region cut along the cutting line V-V' of the semiconductor package 2003 of FIG. 7 .

도 8을 참조하면, 반도체 패키지(2003)에서, 패키지 기판(2100)은 인쇄회로 기판일 수 있다. 패키지 기판(2100)은 패키지 기판 바디부(2120), 패키지 기판 바디부(2120)의 상면에 배치되는 패키지 상부 패드들(2130)(도 7 참조), 패키지 기판 바디부(2120)의 하면에 배치되거나 하면을 통해 노출되는 하부 패드들(2125), 및 패키지 기판 바디부(2120) 내부에서 상부 패드들(2130)과 하부 패드들(2125)을 전기적으로 연결하는 내부 배선들(2135)을 포함할 수 있다. 상부 패드들(2130)은 연결 구조물들(2400)과 전기적으로 연결될 수 있다. 하부 패드들(2125)은 도전성 연결부들(2800)을 통해 도 7과 같이 데이터 저장 시스템(2000)의 메인 기판(2010)의 배선 패턴들(2005)에 연결될 수 있다.Referring to FIG. 8 , in the semiconductor package 2003 , the package substrate 2100 may be a printed circuit board. The package substrate 2100 is disposed on the package substrate body 2120 , the package upper pads 2130 (refer to FIG. 7 ) disposed on the upper surface of the package substrate body 2120 , and on the lower surface of the package substrate body 2120 . lower pads 2125 exposed through the lower surface or through the lower surface, and internal wirings 2135 electrically connecting the upper pads 2130 and the lower pads 2125 in the package substrate body 2120. can The upper pads 2130 may be electrically connected to the connection structures 2400 . The lower pads 2125 may be connected to the wiring patterns 2005 of the main board 2010 of the data storage system 2000 as shown in FIG. 7 through conductive connectors 2800 .

반도체 칩들(2200) 각각은 반도체 기판(3010) 및 반도체 기판(3010) 상에 차례로 적층되는 제1 구조물(3100) 및 제2 구조물(3200)을 포함할 수 있다. 제1 구조물(3100)은 주변 배선들(3110)을 포함하는 주변 회로 영역을 포함할 수 있다. 제2 구조물(3200)은 공통 소스 라인(3205), 공통 소스 라인(3205) 상의 게이트 적층 구조물(3210), 게이트 적층 구조물(3210)을 관통하는 채널 구조물들(3220)과 분리 영역들(3230), 메모리 채널 구조물들(3220)과 전기적으로 연결되는 비트 라인들(3240), 및 게이트 적층 구조물(3210)의 워드라인들(WL)(도 6 참조)과 전기적으로 연결되는 게이트 콘택 플러그들을 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 5f를 참조하여 상술한 것과 같이, 반도체 칩들(2200) 각각은 기판(6), 상부 기판(101), 분리 패턴(MS), 제1 배선들(182), 및 더미 배선들(182D)을 포함할 수 있다. Each of the semiconductor chips 2200 may include a semiconductor substrate 3010 and a first structure 3100 and a second structure 3200 that are sequentially stacked on the semiconductor substrate 3010 . The first structure 3100 may include a peripheral circuit region including peripheral wirings 3110 . The second structure 3200 includes a common source line 3205 , a gate stacked structure 3210 on the common source line 3205 , channel structures 3220 passing through the gate stacked structure 3210 and isolation regions 3230 . , bit lines 3240 electrically connected to the memory channel structures 3220 , and gate contact plugs electrically connected to the word lines WL (refer to FIG. 6 ) of the gate stack structure 3210 . can As described above with reference to FIGS. 1 to 5F , each of the semiconductor chips 2200 includes a substrate 6 , an upper substrate 101 , an isolation pattern MS, first wirings 182 , and dummy wirings ( 182D).

반도체 칩들(2200) 각각은, 제1 구조물(3100)의 주변 배선들(3110)과 전기적으로 연결되며 제2 구조물(3200) 내로 연장되는 관통 배선(3245)을 포함할 수 있다. 관통 배선(3245)은 게이트 적층 구조물(3210)의 외측에 배치될 수 있으며, 게이트 적층 구조물(3210)을 관통하도록 더 배치될 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은, 제1 구조물(3100)의 주변 배선들(3110)과 전기적으로 연결되는 입출력 패드(2210)(도 7 참조)를 더 포함할 수 있다.Each of the semiconductor chips 2200 may include a through wiring 3245 electrically connected to the peripheral wirings 3110 of the first structure 3100 and extending into the second structure 3200 . The through wiring 3245 may be disposed outside the gate stacked structure 3210 , and may be further disposed to pass through the gate stacked structure 3210 . Each of the semiconductor chips 2200 may further include an input/output pad 2210 (refer to FIG. 7 ) electrically connected to the peripheral wirings 3110 of the first structure 3100 .

본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경과 실시예들의 조합이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Accordingly, various types of substitutions, modifications and changes and combinations of embodiments will be possible by those of ordinary skill in the art within the scope without departing from the spirit of the present invention described in the claims, and this is also the present invention will be said to be within the scope of

CA: 계단 영역 CH: 채널 구조물
DS: 더미 구조물 MCA: 메모리 셀 영역
MS: 분리 구조물 ST: 적층 구조물
6: 기판 20: 회로 소자
30: 하부 배선 구조물 40: 하부 캡핑층
101: 상부 기판 105: 도전층
106: 분리 절연층 120: 층간 절연층
130: 게이트 전극 140: 채널층
145: 게이트 유전층 147: 코어 절연층
149: 채널 패드 160: 상부 캡핑층
182: 제1 배선들 182D: 더미 배선들
184: 제2 배선들 192, 192, 193, 194, 195: 상부 절연층
CA: stair area CH: channel structure
DS: dummy structure MCA: memory cell area
MS: Separation Structure ST: Laminate Structure
6: substrate 20: circuit element
30: lower wiring structure 40: lower capping layer
101: upper substrate 105: conductive layer
106: isolation insulating layer 120: interlayer insulating layer
130: gate electrode 140: channel layer
145: gate dielectric layer 147: core insulating layer
149: channel pad 160: upper capping layer
182: first wirings 182D: dummy wirings
184: second wirings 192, 192, 193, 194, 195: upper insulating layer

Claims (10)

기판;
상기 기판 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들 및 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물;
상기 적층 구조물을 상기 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 관통하고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들;
상기 적층 구조물을 상기 제1 방향으로 관통하고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 분리 구조물들;
상기 적층 구조물 상에 배치되고, 상기 게이트 전극들과 전기적으로 연결되는 배선들; 및
상기 분리 구조물들 및 상기 적층 구조물 상에서, 상기 분리 구조물들 중 적어도 하나 및 상기 적층 구조물과 수직하게 중첩하고, 상기 제2 방향과 교차하는 제3 방향으로 연장되고, 전기적으로 고립된(electrically isolated) 더미 배선들을 포함하는 반도체 장치.
Board;
a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes that are alternately stacked on the substrate;
channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the substrate and each including a channel layer;
separation structures passing through the multilayer structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction;
wirings disposed on the stack structure and electrically connected to the gate electrodes; and
an electrically isolated dummy, vertically overlapping with at least one of the separation structures and the multilayer structure, extending in a third direction intersecting the second direction, and electrically isolated on the separation structures and the stacked structure A semiconductor device comprising wires.
제1 항에 있어서,
상기 적층 구조물은 상기 채널 구조물들이 배열되는 메모리 셀 영역 및 상기 게이트 전극들이 계단 구조를 이루는 계단 영역을 포함하고,
상기 더미 배선들은 상기 계단 영역 상에 배치되는 반도체 장치.
According to claim 1,
The multilayer structure includes a memory cell region in which the channel structures are arranged and a step region in which the gate electrodes form a step structure,
The dummy wirings are disposed on the step area.
제1 항에 있어서,
상기 분리 구조물들의 각각은, 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 기판과 접촉하는 도전층 및 상기 도전층의 측면들을 덮는 분리 절연층을 포함하고,
상기 더미 배선들은 상기 게이트 전극들 및 상기 도전층과 전기적으로 절연된 반도체 장치.
According to claim 1,
Each of the separation structures includes a conductive layer extending in the second direction and in contact with the substrate and a separation insulating layer covering side surfaces of the conductive layer,
The dummy wirings are electrically insulated from the gate electrodes and the conductive layer.
제1 항에 있어서,
상기 분리 구조물들과 상기 더미 배선들이 서로 교차하는 영역들에서, 상기 분리 구조물들과 상기 더미 배선들 사이에는 콘택들이 배치되지 않는 반도체 장치.
According to claim 1,
In regions where the isolation structures and the dummy lines cross each other, contacts are not disposed between the isolation structures and the dummy lines.
제1 항에 있어서,
상기 제3 방향은 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과 수직한 반도체 장치.
According to claim 1,
The third direction is perpendicular to the first direction and the second direction.
제1 항에 있어서,
상기 제3 방향은 상기 제2 방향에 대해 비스듬한 방향인 반도체 장치.
According to claim 1,
The third direction is a direction oblique to the second direction.
제1 항에 있어서,
상기 더미 배선들은 제1 폭을 갖는 제1 패턴들 및 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 제2 패턴들을 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The dummy wirings include first patterns having a first width and second patterns having a second width greater than the first width.
제1 항에 있어서,
상기 더미 배선들은 제1 간격으로 배치되는 제1 패턴들 및 상기 제1 간격보다 큰 제2 간격으로 배치되는 제2 패턴들을 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The dummy wirings may include first patterns disposed at a first interval and second patterns disposed at a second interval greater than the first interval.
하부 기판 및 상기 기판 상의 회로 소자들을 포함하는 하부 구조물; 상기 하부 구조물 상의 상부 구조물; 및 상기 회로 소자들과 전기적으로 연결되는 입출력 패드를 포함하는 반도체 저장 장치; 및
상기 입출력 패드를 통하여 상기 반도체 저장 장치와 전기적으로 연결되며, 상기 반도체 저장 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 상부 구조물은,
상부 기판;
상기 상부 기판 상에 교대로 적층되는 층간 절연층들 및 게이트 전극들을 포함하는 적층 구조물;
상기 적층 구조물을 상기 상부 기판의 상면에 수직한 제1 방향으로 관통하고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들;
상기 적층 구조물을 상기 제1 방향으로 관통하고, 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 연장되는 분리 구조물들, 상기 분리 구조물들의 각각은 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 기판과 접촉하는 도전층 및 상기 도전층의 측면들을 덮는 절연 스페이서를 포함하고;
상기 적층 구조물 상에 배치되고, 상기 게이트 전극들과 전기적으로 연결되는 배선들; 및
상기 분리 구조물들 상에 배치되고, 상기 분리 구조물들과 교차하여 연장되고, 상기 게이트 전극들 및 상기 도전층과 전기적으로 절연된 더미 배선들을 포함하는 데이터 저장 시스템.
a lower structure including a lower substrate and circuit elements on the substrate; an upper structure on the lower structure; and an input/output pad electrically connected to the circuit elements; and
a controller electrically connected to the semiconductor storage device through the input/output pad and controlling the semiconductor storage device;
The upper structure is
upper substrate;
a stacked structure including interlayer insulating layers and gate electrodes that are alternately stacked on the upper substrate;
channel structures penetrating the stack structure in a first direction perpendicular to an upper surface of the upper substrate and each including a channel layer;
separation structures penetrating the stack structure in the first direction and extending in a second direction perpendicular to the first direction, each of the separation structures extending in the second direction and contacting the substrate; an insulating spacer covering side surfaces of the conductive layer;
wirings disposed on the stack structure and electrically connected to the gate electrodes; and
and dummy wirings disposed on the isolation structures, extending to cross the isolation structures, and electrically insulated from the gate electrodes and the conductive layer.
제9 항에 있어서,
상기 적층 구조물은 상기 채널 구조물들이 배열되는 메모리 셀 영역 및 상기 게이트 전극들이 계단 구조를 이루는 계단 영역을 포함하고,
상기 더미 배선들은 상기 계단 영역 상에 배치되는 데이터 저장 시스템.
10. The method of claim 9,
The multilayer structure includes a memory cell region in which the channel structures are arranged and a step region in which the gate electrodes form a step structure,
and the dummy wires are disposed on the step area.
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