KR20220013949A - Semiconductor devices and data storage systems including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device and a data storage system including the same.
데이터 저장을 필요로 하는 데이터 저장 시스템에서 고용량의 데이터를 저장할 수 있는 반도체 장치가 요구되고 있다. 이에 따라, 반도체 장치의 데이터 저장 용량을 증가시킬 수 있는 방안이 연구되고 있다. 예를 들어, 반도체 장치의 데이터 저장 용량을 증가시키기 위한 방법 중 하나로써, 2차원적으로 배열되는 메모리 셀들 대신에 3차원적으로 배열되는 메모리 셀들을 포함하는 반도체 장치가 제안되고 있다.In a data storage system requiring data storage, a semiconductor device capable of storing high-capacity data is required. Accordingly, a method for increasing the data storage capacity of a semiconductor device is being studied. For example, as a method for increasing the data storage capacity of a semiconductor device, a semiconductor device including memory cells arranged three-dimensionally instead of two-dimensionally arranged memory cells has been proposed.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 생산 수율이 향상된 반도체 장치 및 데이터 저장 시스템을 제공하는 것이다.One of the technical problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a semiconductor device and a data storage system with improved production yield.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 기판, 상기 기판 상의 회로 소자, 상기 기판 상에서 상기 회로 소자와 전기적으로 연결되고 서로 다른 높이 레벨에 배치되는 연결 패턴들을 포함하는 회로 배선 구조물, 및 상기 기판 상에서 상기 회로 소자 및 상기 회로 배선 구조물을 덮는 주변 영역 절연 구조물을 포함하는 주변 회로 구조물, 상기 주변 회로 구조물 상에 배치되고, 상기 기판과 수직한 제1 방향으로 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들, 상기 게이트 전극들을 관통하는 채널 구조물, 및 상기 채널 구조물 상에서 상기 채널 구조물과 전기적으로 연결되는 상부 배선을 포함하는 메모리 셀 구조물, 및 상기 게이트 전극들 및 상기 상부 배선 중 적어도 하나를 상기 연결 패턴들 중 적어도 하나와 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그를 포함하되, 상기 연결 패턴들은 상기 관통 콘택 플러그와 접촉하는 상부 연결 패턴을 포함하고, 상기 주변 영역 절연 구조물은 상기 회로 소자를 덮는 제1 하부 절연층, 상기 제1 하부 절연층 상의 제2 하부 절연층, 및 상기 제1 및 제2 하부 절연층들 사이의 버퍼 절연 구조물을 포함하고, 상기 버퍼 절연 구조물은 상기 상부 연결 패턴 상의 절연 패턴, 상기 제1 하부 절연층 상에 배치되며 상기 절연 패턴의 측면을 덮는 제1 버퍼층, 및 상기 제1 버퍼층 및 상기 절연 패턴 상의 제2 버퍼층을 포함할 수 있다.A semiconductor device according to example embodiments may include a substrate, a circuit element on the substrate, a circuit wiring structure including connection patterns electrically connected to the circuit element on the substrate and disposed at different height levels, and on the substrate A peripheral circuit structure including a peripheral region insulating structure covering the circuit element and the circuit wiring structure, gate electrodes disposed on the peripheral circuit structure and spaced apart from each other and stacked in a first direction perpendicular to the substrate, the gate A memory cell structure including a channel structure passing through electrodes, an upper wiring electrically connected to the channel structure on the channel structure, and connecting at least one of the gate electrodes and the upper wiring to at least one of the connection patterns through contact plugs electrically connecting the through contact plugs, wherein the connection patterns include upper connection patterns in contact with the through contact plugs, and the peripheral region insulating structure includes a first lower insulating layer covering the circuit element, and the first lower portion a second lower insulating layer on the insulating layer, and a buffer insulating structure between the first and second lower insulating layers, wherein the buffer insulating structure is formed on the insulating pattern on the upper connection pattern and the first lower insulating layer and a first buffer layer disposed on the insulating pattern and covering a side surface of the insulating pattern, and a second buffer layer on the first buffer layer and the insulating pattern.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 기판, 상기 기판 상의 회로 소자, 상기 기판 상에서 상기 회로 소자와 전기적으로 연결되고 서로 다른 높이 레벨에 배치되는 연결 패턴들을 포함하는 회로 배선 구조물, 및 상기 기판 상에서 상기 회로 소자 및 상기 회로 배선 구조물을 덮는 주변 영역 절연 구조물을 포함하는 하부 구조물, 상기 하부 구조물 상에 배치되고 상부 배선을 포함하는 상부 구조물, 및 상기 상부 배선 및 상기 연결 패턴들을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그를 포함하되, 상기 연결 패턴들은 상기 관통 콘택 플러그와 접촉하는 상부 연결 패턴을 포함하고, 상기 주변 영역 절연 구조물은 상기 회로 소자를 덮는 제1 하부 절연층, 상기 제1 하부 절연층 상의 제2 하부 절연층, 및 상기 제1 및 제2 하부 절연층들 사이의 버퍼 절연 구조물을 포함하고, 상기 버퍼 절연 구조물은 상기 상부 연결 패턴 상의 절연 패턴, 상기 제1 하부 절연층 상에 배치되며 상기 절연 패턴의 측면을 덮는 제1 버퍼층, 및 상기 제1 버퍼층 및 상기 절연 패턴 상의 제2 버퍼층을 포함하며, 상기 절연 패턴은 실리콘 산화물을 포함하고, 상기 제1 및 제2 버퍼층들은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.A semiconductor device according to example embodiments may include a substrate, a circuit element on the substrate, a circuit wiring structure including connection patterns electrically connected to the circuit element on the substrate and disposed at different height levels, and on the substrate A lower structure including a peripheral region insulating structure covering the circuit element and the circuit wiring structure, an upper structure disposed on the lower structure and including an upper wiring, and a through contact electrically connecting the upper wiring and the connection patterns a plug, wherein the connection patterns include upper connection patterns contacting the through contact plug, and the peripheral region insulating structure includes a first lower insulating layer covering the circuit element, and a second lower portion on the first lower insulating layer an insulating layer and a buffer insulating structure between the first and second lower insulating layers, wherein the buffer insulating structure is disposed on the insulating pattern on the upper connection pattern and the first lower insulating layer, A first buffer layer covering a side surface, and a second buffer layer on the first buffer layer and the insulating pattern, the insulating pattern may include silicon oxide, and the first and second buffer layers may include silicon nitride.
예시적인 실시예들에 따른 데이터 저장 시스템은, 기판, 상기 기판 상의 회로 소자, 상기 기판 상에서 상기 회로 소자와 전기적으로 연결되고 서로 다른 높이 레벨에 배치되는 연결 패턴들을 포함하는 회로 배선 구조물, 및 상기 기판 상에서 상기 회로 소자 및 상기 회로 배선 구조물을 덮는 주변 영역 절연 구조물을 포함하는 주변 회로 구조물, 상기 주변 회로 구조물 상에 배치되고, 상기 기판과 수직한 제1 방향으로 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들, 상기 게이트 전극들을 관통하는 채널 구조물, 및 상기 채널 구조물 상에서 상기 채널 구조물과 전기적으로 연결되는 상부 배선을 포함하는 메모리 셀 구조물, 상기 게이트 전극들 및 상기 상부 배선 중 적어도 하나를 상기 연결 패턴들 중 적어도 하나와 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그, 및 상기 회로 소자와 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 포함하되, 상기 연결 패턴들은 상기 관통 콘택 플러그와 접촉하는 상부 연결 패턴을 포함하고, 상기 주변 영역 절연 구조물은 상기 회로 소자를 덮는 제1 하부 절연층, 상기 제1 하부 절연층 상의 제2 하부 절연층, 및 상기 제1 및 제2 하부 절연층들 사이의 버퍼 절연 구조물을 포함하고, 상기 버퍼 절연 구조물은 상기 상부 연결 패턴 상의 절연 패턴, 상기 제1 하부 절연층 상에 배치되며 상기 절연 패턴의 측면을 덮는 제1 버퍼층, 및 상기 제1 버퍼층 및 상기 절연 패턴 상의 제2 버퍼층을 포함할 수 있다.A data storage system according to example embodiments includes a substrate, a circuit element on the substrate, a circuit wiring structure including connection patterns electrically connected to the circuit element on the substrate and arranged at different height levels, and the substrate; a peripheral circuit structure including a peripheral region insulating structure covering the circuit element and the circuit wiring structure on the upper surface, gate electrodes disposed on the peripheral circuit structure and spaced apart from each other and stacked in a first direction perpendicular to the substrate; A memory cell structure including a channel structure passing through gate electrodes, an upper wiring electrically connected to the channel structure on the channel structure, and at least one of the gate electrodes and the upper wiring connected to at least one of the connection patterns A semiconductor storage device comprising a through contact plug electrically connected to the circuit element, an input/output pad electrically connected to the circuit element, and a controller electrically connected to the semiconductor storage device through the input/output pad and controlling the semiconductor storage device. wherein the connection patterns include an upper connection pattern in contact with the through contact plug, and the peripheral region insulating structure includes a first lower insulating layer covering the circuit element and a second lower insulating layer on the first lower insulating layer , and a buffer insulating structure between the first and second lower insulating layers, wherein the buffer insulating structure is disposed on the insulating pattern on the upper connection pattern and the first lower insulating layer, the side surface of the insulating pattern It may include a first buffer layer to cover, and a second buffer layer on the first buffer layer and the insulating pattern.
상부 연결 패턴을 덮는 버퍼층들 및 상기 상부 연결 패턴 상에만 배치되어 상기 버퍼층들과 상기 상부 연결 패턴을 이격시키는 절연 패턴을 포함함으로써, 브릿지 불량 및 몰드 뜯김 등의 문제가 개선된 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템이 제공될 수 있다.A semiconductor device in which problems such as bridging defects and mold tearing are improved by including buffer layers covering the upper connection pattern and an insulating pattern disposed only on the upper connection pattern to space the buffer layers and the upper connection pattern apart, and a semiconductor device comprising the same A data storage system 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 1a 및 도 1b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다.
도 2 및 도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 부분 확대도들이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 부분 확대도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 부분 확대도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 부분 확대도이다.
도 7 내지 도 11은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들 및 부분 확대도들이다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 1A and 1B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments.
2 and 3 are schematic partial enlarged views of semiconductor devices according to example embodiments.
4 is a schematic partially enlarged view of a semiconductor device according to example embodiments.
5 is a schematic partially enlarged view of a semiconductor device according to example embodiments.
6 is a schematic partially enlarged view of a semiconductor device according to example embodiments.
7 to 11 are schematic cross-sectional views and partially enlarged views for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.
12 is a diagram schematically illustrating a data storage system including a semiconductor device according to example embodiments.
13 is a schematic perspective view of a data storage system including a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
14 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.
이하에서, "상부", "중간" 및 "하부" 등과 같은 용어는 다른 용어, 예를 들어 "제1", "제2" 및 "제3" 등의 용어로 대체되어 명세서의 구성요소들을 설명하기 위하여 사용될 수도 있다. "제1", "제2" 및 “제3”등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, "제1 구성요소"는 "제2 구성요소"로 명명될 수 있다.Hereinafter, terms such as "upper", "middle" and "lower" are replaced with other terms, for example, "first", "second" and "third" to describe the elements of the specification. may be used to Terms such as “first”, “second” and “third” may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and “first component” means “ may be referred to as "second component".
도 1a 및 도 1b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치(100)의 개략적인 단면도들이다.1A and 1B are schematic cross-sectional views of a
도 2 및 도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치(100)의 개략적인 부분 확대도들이다. 도 2는 도 1a의 'A' 영역을 확대하여 도시하고 도 3은 도 1a의 'B' 영역을 확대하여 도시한다.2 and 3 are schematic partial enlarged views of a
도 1a 내지 도 3을 참조하면, 반도체 장치(100)는 제1 기판(201)을 포함하는 주변 회로 구조물(PERI) 및 제2 기판(101)을 포함하는 메모리 셀 구조물(CELL)을 포함할 수 있다. 메모리 셀 구조물(CELL)은 주변 회로(PERI)의 상부에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이와 반대로 메모리 셀 구조물(CELL)이 주변 회로 구조물(PERI)의 하부에 배치될 수도 있다. 또한, 실시예들에 따라, 메모리 셀 구조물(CELL) 및 주변 회로 구조물(PERI)은, 예를 들어 구리(Cu)-구리(Cu) 본딩(copper-to-copper bonding)에 의해 접합될 수도 있다.1A to 3 , the
예시적인 실시예에서, 반도체 장치(100)는 메모리 셀 구조물(CELL)을 관통하여 메모리 셀 구조물(CELL)과 주변 회로 구조물(PERI)을 연결하도록 배치되는 관통 배선 영역(TA1, TA2)을 더 포함할 수 있다. 관통 배선 영역(TA1, TA2)은 관통 배선 영역(TA1, TA2) 내에 배치되어 주변 회로 구조물(PERI)과 메모리 셀 구조물(CELL)을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그들(174a, 174b)을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the
주변 회로 구조물(PERI)은, 제1 기판(201), 제1 기판(201) 내의 소스/드레인 영역들(205) 및 소자 분리층들(210), 제1 기판(201) 상에 배치된 회로 소자들(220), 회로 소자들(220)과 전기적으로 연결되는 회로 배선 구조물(INT), 및 제1 기판(201) 상에서 회로 소자들(220) 및 회로 배선 구조물(INT)을 덮는 주변 영역 절연 구조물(230)을 포함할 수 있다.The peripheral circuit structure PERI includes a
제1 기판(201)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 제1 기판(201)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 제1 기판(201)은 벌크 웨이퍼 또는 에피택셜 층으로 제공될 수도 있다.The
제1 기판(201)에는 소자 분리층들(210)에 의해 활성 영역이 정의될 수 있다. 소자 분리층들(210)은 얕은 소자분리막(shallow trench isolation)으로 형성될 수 있다. 소스/드레인 영역들(205)은 상기 활성 영역의 일부에서 불순물을 포함하는 영역일 수 있다. 소스/드레인 영역들(205)은 상기 활성 영역 내에서 서로 이격되어 배치될 수 있다.An active region may be defined in the
회로 소자들(220)은 수평(planar) 트랜지스터를 포함할 수 있다. 각각의 회로 소자들(220)은 회로 게이트 유전층(222), 스페이서층(224) 및 회로 게이트 전극(225)을 포함할 수 있다. 소스/드레인 영역들(205)은 회로 게이트 전극(225)의 양 측에서 제1 기판(201) 내에 배치될 수 있다.The
예시적인 실시예에서, 각각의 회로 소자들(220)은 회로 게이트 전극(225) 상의 회로 게이트 캡핑층(226)을 더 포함할 수 있다. 회로 게이트 캡핑층(226)은 실리콘 질화물 등과 같은 물질을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, each of the
예시적인 실시예에서, 주변 회로 구조물(PERI)은 회로 소자들(220)을 덮는 절연성 라이너(217)를 더 포함할 수 있다. 절연성 라이너(217)는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the peripheral circuit structure PERI may further include an
회로 배선 구조물(INT)은 회로 소자들(220)에 전기적 신호를 인가할 수 있다. 회로 배선 구조물(INT)은 소스/드레인 영역들(205)과 전기적으로 연결될 수 있으나, 실시예들에 따라 회로 게이트 전극(225)에 연결될 수도 있다.The circuit wiring structure INT may apply an electrical signal to the
회로 배선 구조물(INT)은 서로 다른 높이 레벨에 배치되는 복수의 연결 패턴들(INT1, INT2, INT3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 연결 패턴들(INT1, INT2, INT3)은 회로 소자들(220)과 전기적으로 연결되는 하부 연결 패턴들(INT1), 하부 연결 패턴들(INT1)과 전기적으로 연결되며 하부 연결 패턴들(INT1) 보다 높은 레벨에 배치되는 중간 연결 패턴들(INT2), 및 중간 연결 패턴들(INT2)과 전기적으로 연결되며 중간 연결 패턴들(INT2) 보다 높은 레벨에 배치되는 상부 연결 패턴들(INT3)을 포함할 수 있다. 복수의 연결 패턴들(INT1, INT2, INT3)은 3개의 레벨로 도시되어 있으나, 복수의 연결 패턴들(INT1, INT2, INT3)의 층 수는 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.The circuit wiring structure INT may include a plurality of connection patterns INT1 , INT2 , and INT3 disposed at different height levels. For example, the plurality of connection patterns INT1 , INT2 , and INT3 may be electrically connected to lower connection patterns INT1 and lower connection patterns INT1 electrically connected to the
복수의 연결 패턴들(INT1, INT2, INT3)의 각각은 배선 부분(INT_I) 및 배선 부분(INT_I)의 일부로부터 아래로 연장되는 비아 부분(INT_V)을 포함할 수 있다. Each of the plurality of connection patterns INT1 , INT2 , and INT3 may include a wiring portion INT_I and a via portion INT_V extending downward from a portion of the wiring portion INT_I.
예시적인 실시예에서, 복수의 연결 패턴들(INT1, INT2, INT3) 중 적어도 하나는 배선 부분(INT_I) 및 비아 부분(INT_V)을 동시에 형성하는 듀얼 다마신 공정으로 형성하는 듀얼 다마신 구조일 수 있다. 여기서, 다마신 공정은 절연층을 형성하고, 절연층 내에 개구부를 형성하고, 상기 개구부 내에 연결 패턴을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 복수의 연결 패턴들(INT1, INT2, INT3) 중 적어도 하나는 비아 부분(INT_V)을 싱글 다마신 공정으로 형성하는 싱글 다마신 구조와 배선 부분(INT_I)을 싱글 다마신 공정으로 형성하는 싱글 다마신 구조를 포함할 수 있다. 또한, 실시예들에 따라, 복수의 연결 패턴들(INT1, INT2, INT3) 중 서로 다른 레벨에 배치되는 연결 패턴들은 싱글 다마신 구조와 듀얼 다마신 구조가 조합된 형태로 형성될 수도 있다.In an exemplary embodiment, at least one of the plurality of connection patterns INT1 , INT2 , and INT3 may have a dual damascene structure formed by a dual damascene process of simultaneously forming the interconnection portion INT_I and the via portion INT_V have. Here, the damascene process may include forming an insulating layer, forming an opening in the insulating layer, and forming a connection pattern in the opening. In some embodiments, at least one of the plurality of connection patterns INT1 , INT2 , and INT3 may have a single damascene structure for forming the via portion INT_V by a single damascene process and a single damascene process for the interconnection portion INT_I by a single damascene process It may include a single damascene structure formed by Also, according to embodiments, the connection patterns disposed at different levels among the plurality of connection patterns INT1 , INT2 , and INT3 may be formed in a form in which a single damascene structure and a dual damascene structure are combined.
도 2에 도시된 것과 같이, 각각의 복수의 연결 패턴들(INT1, INT2, INT3)은 금속 물질 패턴(PL) 및 금속 물질 패턴(PL)의 측면 및 바닥면을 덮는 도전성 배리어층(BM)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 금속 물질 패턴(PL)은 텅스텐(W) 등과 같은 금속 물질을 포함할 수 있고, 도전성 배리어층(BM)은 타이타늄 질화물(TiN) 등과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. As shown in FIG. 2 , each of the plurality of connection patterns INT1 , INT2 , and INT3 includes a metal material pattern PL and a conductive barrier layer BM covering side surfaces and bottom surfaces of the metal material pattern PL. may include In an exemplary embodiment, the metal material pattern PL may include a metal material such as tungsten (W), and the conductive barrier layer BM may include a metal nitride such as titanium nitride (TiN).
주변 영역 절연 구조물(230)은 제1 기판(201) 상에서 회로 소자들(220)을 덮을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 주변 영역 절연 구조물(230)은 절연성 라이너(217) 상에 배치될 수 있다. 회로 배선 구조물(INT)은 주변 영역 절연 구조물(230)을 관통하여 소스/드레인 영역들(205) 또는 회로 소자들(220)에 연결될 수 있다. The peripheral
주변 영역 절연 구조물(230)은 제1 기판(201) 상에 차례로 적층된 제1 내지 제4 절연층들(231, 232, 233, 236)을 포함할 수 있다. 제1 절연층(231)은 하부 연결 패턴들(INT1)의 측면들을 둘러쌀 수 있다. 제2 절연층(232)은 중간 연결 패턴들(INT2)의 측면들을 둘러쌀 수 있다. 제3 절연층(233)은 상부 연결 패턴들(INT3)의 측면들을 둘러쌀 수 있다. 제4 절연층(236)은 제3 절연층(233) 상에 배치될 수 있다. The peripheral
도 2를 참조할 때, 주변 영역 절연 구조물(230)은 제3 절연층(233) 및 제4 절연층(236) 사이에 배치되는 버퍼 절연 구조물(234, 235, 239)을 더 포함할 수 있다. 버퍼 절연 구조물(234, 235, 239)은 제1 버퍼층(234), 제1 버퍼층(234) 상의 제2 버퍼층(235), 및 상부 연결 패턴들(INT3)과 제2 버퍼층(235) 사이의 절연 패턴(239)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2 , the peripheral
제1 버퍼층(234)은 제3 절연층(233) 상에 배치될 수 있다. 제1 버퍼층(234)은 제3 절연층(233) 보다 높은 상면을 갖는 상부 연결 패턴들(INT3)의 노출된 측면의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 제1 버퍼층(234)의 상면은 상부 연결 패턴들(INT3)의 상면보다 높은 레벨에 위치하고, 제1 버퍼층(234)의 하면은 상부 연결 패턴들(INT3)의 상면보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다.The
절연 패턴(239)은 상부 연결 패턴들(INT3) 상에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 절연 패턴(239)은 상부 연결 패턴들(INT3)의 상면 상에만 배치되고 제1 버퍼층(234) 상에는 배치되지 않을 수 있다. 절연 패턴(239) 및 상부 연결 패턴들(INT3)은 z 방향에서 완전히 중첩할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 절연 패턴(239)은 상부 연결 패턴들(INT3)보다 넓은 폭을 갖고 제1 버퍼층(234)과 접촉하는 하면을 포함할 수도 있다. 이 경우, 절연 패턴(239)의 일부가 상부 연결 패턴들(INT3)과 z 방향에서 중첩하지 않을 수도 있다.The insulating
절연 패턴(239)의 상면은 제1 버퍼층(234)의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다. 즉, 절연 패턴(239)의 상면은 제1 버퍼층(234)의 상면과 실질적으로 동일한 레벨에 위치할 수 있다. 제1 버퍼층(234)은 상부 연결 패턴들(INT3)과 함께 절연 패턴(239)의 측면을 덮을 수 있다.The upper surface of the insulating
예시적인 실시예에서, 절연 패턴(239)은 서로 이격되어 배치되는 복수의 상부 연결 패턴들(INT3) 각각의 상면과 접촉하는 복수의 절연막들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 절연막들은 제1 버퍼층(234)에 의해 서로 이격될 수 있다.In an exemplary embodiment, the insulating
제2 버퍼층(235)은 제1 버퍼층(234) 및 절연 패턴(239)을 덮을 수 있다. 제2 버퍼층(235)의 하면은 제1 버퍼층(234)의 상면 및 절연 패턴(239)의 상면과 접촉할 수 있다. 상부 연결 패턴들(INT3)은 절연 패턴(239)에 의해 제2 버퍼층(235)과 이격될 수 있다.The
제1 버퍼층(234)은 제3 절연층(233)의 상면과 접촉하며 제3 절연층(233)의 두께보다 얇은 제1 두께(t1)를 가질 수 있다. 제1 두께(t1)는 약 300Å 내지 약 600Å의 범위일 수 있다. 제2 버퍼층(235)은 제4 절연층(236)의 하면과 접촉하며 제4 절연층(236)의 두께보다 얇은 제2 두께(t2)를 가질 수 있다. 제2 두께(t2)는 약 200Å 내지 약 400Å의 범위일 수 있다. 절연 패턴(239)의 제3 두께(t3)는 제1 버퍼층(234)의 제1 두께(t1)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제3 두께(t3)는 약 100Å 내지 약 300Å의 범위일 수 있다.The
제1 및 제2 버퍼층들(234, 235)은 절연 물질, 예를 들어 실리콘 질화물, 또는 질화물 계열의 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 및 제2 버퍼층들(234, 235)은 동일한 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 서로 다른 물질을 포함할 수도 있다. 또한, 제1 및 제2 버퍼층들(234, 235)은 동일한 물질을 포함하더라도 경계가 구분될 수 있다. 절연 패턴(239)은 제1 및 제2 버퍼층들(234, 235)과 다른 절연 물질을 포함할 수 있다. 절연 패턴(239)은 예를 들어 실리콘 산화물, 또는 산화물 계열의 물질을 포함할 수 있다.The first and second buffer layers 234 and 235 may include an insulating material, for example, silicon nitride or a nitride-based material. In an exemplary embodiment, the first and second buffer layers 234 and 235 may include the same material, but are not limited thereto and may include different materials. In addition, even if the first and second buffer layers 234 and 235 include the same material, boundaries may be distinguished. The insulating
상부 연결 패턴들(INT3) 상에 배치되는 절연 패턴(239)을 포함함에 따라 브릿지 불량, 몰드 뜯김 현상 등이 개선된 반도체 장치(100)가 제공될 수 있다. 절연 패턴(239)은 상부 연결 패턴들(INT3)과 제2 버퍼층(235)을 분리시킬 수 있다. 이에 따라, 제2 버퍼층(235) 형성을 위한 증착 공정에서 상부 연결 패턴들(INT3) 내의 도전성 물질 또는 잔류 물질들이 확산되어 발생하는 브릿지 불량 등을 방지할 수 있다. 또한, 절연 패턴(239)은 상부 연결 패턴들(INT3) 상에만 선택적으로 배치됨에 따라, 상부 연결 패턴(INT3)을 노출시키는 콘택 홀 형성 후 수행되는 세정 공정에서 실리콘 산화물층이 함께 제거됨에 따라 발생하는 몰드 뜯김 현상 등을 방지할 수 있다.As the insulating
메모리 셀 구조물(CELL)은, 주변 영역 절연 구조물(230) 상에 배치되고 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 갖는 제2 기판(101), 제2 기판(101)의 제1 영역(R1) 상의 제1 수평 도전층(102), 제2 기판(101)의 제2 영역(R2) 상에서 제1 수평 도전층(102)과 나란하게 배치되는 수평 절연층(110), 제1 수평 도전층(102) 및 수평 절연층(110) 상의 제2 수평 도전층(104), 제2 수평 도전층(104) 상에서 서로 교대로 적층된 게이트 전극들(130a, 130b) 및 층간 절연층들(120a, 120b)을 포함하는 적층 구조물(GS), 적층 구조물(GS)을 덮는 캡핑 절연층(181a, 181b), 적층 구조물(GS)을 관통하며 연장되는 분리 구조물들(MS), 적층 구조물(GS)의 일부를 관통하는 상부 분리 구조물들(SS), 및 적층 구조물(GS)을 관통하도록 배치되며 채널층(140)을 포함하는 채널 구조물들(CH)을 포함할 수 있다. The memory cell structure CELL includes a
예시적인 실시예에서, 메모리 셀 구조물(CELL)은 상부 절연층들(182, 183, 184), 게이트 콘택 플러그(161), 배선 라인들(192), 및 배선 비아(193)를 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the memory cell structure CELL may further include upper insulating
제2 기판(101)의 제1 영역(R1)은 게이트 전극들(130)이 수직하게 적층되며 채널 구조물들(CH)이 배치되는 영역으로 메모리 셀들이 배치되는 영역일 수 있으며, 제2 영역(R2)은 게이트 전극들(130)이 서로 다른 길이로 연장되는 영역으로 상기 메모리 셀들을 주변 회로 구조물(PERI)과 전기적으로 연결하기 위한 영역에 해당할 수 있다. 제2 영역(R2)은 적어도 일 방향, 예를 들어 x 방향에서 제1 영역(R1)의 적어도 일 단에 배치될 수 있다.The first region R1 of the
제2 기판(101)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 제2 기판(101)은 반도체 물질, 예컨대 다결정 실리콘 층과 같은 다결정 반도체 층 또는 에피택셜 층으로 제공될 수 있다.The
제1 및 제2 수평 도전층들(102, 104)은 제2 기판(101)의 제1 영역(R1)의 상면 상에 순차적으로 적층되어 배치될 수 있다. 제1 수평 도전층(102)은 제2 기판(101)의 제2 영역(R2)으로 연장되지 않고, 제2 수평 도전층(104)은 제2 영역(R2)으로 연장될 수 있다. The first and second horizontal
제1 수평 도전층(102)은 반도체 장치(100)의 공통 소스 라인의 일부로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 제2 기판(101)과 함께 공통 소스 라인으로 기능할 수 있다. 도 3의 확대도에 도시된 것과 같이, 제1 수평 도전층(102)은 채널층(140)의 둘레에서, 채널층(140)과 직접 연결될 수 있다. The first horizontal
제2 수평 도전층(104)은, 제1 수평 도전층(102) 및 수평 절연층(110)이 배치되지 않는 일부 영역들에서 제2 기판(101)과 접촉할 수 있다. 제2 수평 도전층(104)은 상기 영역들에서 제1 수평 도전층(102) 또는 수평 절연층(110)의 단부를 덮으며 절곡되어 제2 기판(101) 상으로 연장될 수 있다. 즉, 제2 수평 도전층(104)은 제1 수평 도전층(102) 및 수평 절연층(110) 간의 이격된 공간 사이를 채울 수 있다.The second horizontal
제1 및 제2 수평 도전층들(102, 104)은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 제1 및 제2 수평 도전층들(102, 104)은 모두 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. The first and second horizontal
수평 절연층(110)은 제2 영역(R2)의 적어도 일부에서 제1 수평 도전층(102)과 나란하게 제2 기판(101) 상에 배치될 수 있다. 수평 절연층(110)은 반도체 장치(100)의 제조 공정에서 일부가 제1 수평 도전층(102)으로 교체(replancement)된 후 잔존하는 층들일 수 있다. The horizontal insulating layer 110 may be disposed on the
수평 절연층(110)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 수평 절연층(110)은 차례로 적층된 제1 내지 제3 수평 절연층들을 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제3 수평 절연층들은 실리콘 산화물층이고 상기 제2 수평 절연층은 실리콘 질화물층일 수 있다.The horizontal insulating layer 110 may include silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, or silicon oxynitride. In an exemplary embodiment, the horizontal insulating layer 110 may include first to third horizontal insulating layers sequentially stacked, wherein the first and third horizontal insulating layers are silicon oxide layers and the second horizontal insulating layer may be a silicon nitride layer.
예시적인 실시예에서, 메모리 셀 구조물(CELL)은 주변 영역 절연 구조물(230) 상의 제2 기판(101), 제1 수평 도전층(102), 제2 수평 도전층(104), 및 수평 절연층(110)을 관통하는 내측 절연층들(109a, 109b) 및 제2 기판(101)의 외측에 배치되는 외측 절연층(109c)을 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the memory cell structure CELL includes a
게이트 전극들(130)은 제2 기판(101) 상에 수직으로 이격되어 적층되어 적층 구조물(GS)을 이룰 수 있다. 게이트 전극들(130)은 제1 영역(R1) 상에 수직하게 서로 이격되어 적층되며, 제1 영역(R1)으로부터 제2 영역(R2)으로 서로 다른 길이로 연장되어 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. 게이트 전극들(130)은, 도 1a에 도시된 것과 같이, x 방향을 따라 게이트 전극들(130) 사이에 단차 구조를 형성할 수 있다. 상기 단차 구조에 의해, 게이트 전극들(130)은 하부의 게이트 전극(130)이 상부의 게이트 전극(130)보다 길게 연장되는 계단 형태를 이루며 층간 절연층들(120)로부터 상부로 노출되는 단부들을 제공할 수 있다. 상기 단부들은 게이트 전극들(130)과 게이트 콘택 플러그(161)가 접촉하는 게이트 패드들(GP)일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 패드들(GP)은 게이트 전극들(130)의 나머지 영역과 비교하여 상대적으로 상향된 두께를 가질 수 있다.The
도 1b에 도시된 것과 같이, 게이트 전극들(130)은 x 방향으로 연장되는 분리 구조물들(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. As shown in FIG. 1B , the
게이트 전극들(130)은 금속 물질, 예컨대 텅스텐(W)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 게이트 전극들(130)은 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 게이트 전극들(130)은 게이트 전극층(131) 및 게이트 전극층의 측면, 상부면, 및 하부면을 덮는 게이트 유전층(132)을 더 포함할 수 있다. 게이트 유전층(132)은 상기 층간 절연층들(120) 및 채널 구조물들(CH)과 게이트 전극층(131) 사이에 배치될 수 있다. 게이트 유전층(132)은 예를 들어, 알루미늄 산화물(AlO)을 포함할 수 있다.The
층간 절연층들(120)은 제2 기판(101) 상에 게이트 전극들(130)과 교대로 적층되어 적층 구조물(GS)을 이룰 수 있다. 층간 절연층들(120)은 게이트 전극들(130)의 사이에 배치될 수 있다. 층간 절연층들(120)도 게이트 전극들(130)과 마찬가지로 제2 기판(101)의 상면에 수직한 방향에서 서로 이격되고 x 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 층간 절연층들(120)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다.The
예시적인 실시예에서, 적층 구조물(GS)은 하부 적층 구조물(GS1) 및 상부 적층 구조물(GS2)을 포함할 수 있다. 하부 적층 구조물(GS1)은 교대로 적층되는 제1 게이트 전극들(130a) 및 제1 층간 절연층들(120a)을 포함할 수 있다. 상부 적층 구조물(GS2)은 교대로 적층되는 제2 게이트 전극들(130b) 및 제2 층간 절연층들(120b)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 게이트 전극들(130a)의 개수가 제2 게이트 전극들(130b)의 개수보다 많을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 제1 및 제2 게이트 전극들(130a, 130b)의 개수는 다양하게 변경될 수 있다. 하부 적층 구조물(GS1)은 상부 적층 구조물(GS2)과 접촉하는 중간 절연층(125)을 더 포함할 수 있다. 중간 절연층(125)은 상부 적층 구조물(GS2) 아래에 배치될 수 있다.In an exemplary embodiment, the stacked structure GS may include a lower stacked structure GS1 and an upper stacked structure GS2 . The lower stacked structure GS1 may include
캡핑 절연층(181a, 181b)은 제2 기판(101) 상에서 적층 구조물(GS)을 덮을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 캡핑 절연층(181a, 181b)은 층간 절연층들(120a, 120b)과 동일한 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 캡핑 절연층(181a, 181b)은 하부 적층 구조물(GS1)의 측면을 덮는 하부 캡핑 절연층(181a) 및 하부 캡핑 절연층(181a) 상에서 상부 적층 구조물(GS2)의 측면을 덮는 상부 캡핑 절연층(181b)을 포함할 수 있다.The
상부 절연층들(182, 183, 184)은 캡핑 절연층(181a, 181b) 상에 배치되고, 실리콘 산화물 등의 절연성 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상부 절연층들(182, 183, 184)은 캡핑 절연층(181a, 181b)의 상면 상에 차례로 적층되는 제1 상부 절연층(182), 제2 상부 절연층(183), 및 제3 상부 절연층(184)을 포함할 수 있다.The upper insulating
분리 구조물들(MS)은 도 1b에 도시된 것과 같이, 게이트 전극들(130)을 관통하여 x 방향을 따라 연장되도록 배치될 수 있다. 분리 구조물들(MS)은 제2 기판(101) 상에 적층된 게이트 전극들(130) 전체를 관통하여 제2 기판(101)과 연결될 수 있다. 분리 구조물들(MS)은 제1 영역(R1) 상에서 제1 수평 도전층(102)을 관통하고 제2 영역(R2) 상에서 수평 절연층(110)을 관통할 수 있다. 분리 구조물들(MS)은 서로 y 방향으로 이격되어 평행하게 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 분리 구조물들(MS)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 실시예들에 따라 도전성 패턴 및 상기 도전성 패턴의 측면을 덮는 절연성 물질층을 포함할 수도 있다.The isolation structures MS may be disposed to extend in the x-direction through the
상부 분리 구조물들(SS)은 제1 영역(R1)에서 분리 구조물들(MS) 사이에서 x 방향으로 연장될 수 있다. 상부 분리 구조물들(SS)은 게이트 전극들(130) 중 최상부의 게이트 전극을 포함한 게이트 전극들(130)의 일부를 관통하도록 배치될 수 있다. 상부 분리 구조물들(SS)은 적어도 하나의 게이트 전극들(130)을 y 방향에서 서로 분리시킬 수 있다. 다만, 상부 분리 구조물들(SS)에 의해 분리되는 게이트 전극들(130)의 개수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 상부 분리 구조물들(SS)에 의해 분리된 게이트 전극들(130)은 서로 다른 스트링 선택 라인을 이룰 수 있다. 상부 분리 구조물들(SS)은 절연 물질, 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 in the first region R1 . The upper isolation structures SS may be disposed to penetrate a portion of the
채널 구조물들(CH)은 제1 영역(R1) 상에서 게이트 전극들(130), 제2 수평 도전층(104), 및 제1 수평 도전층(102)을 관통하여 제2 기판(101)과 접촉할 수 있다. 채널 구조물들(CH)은 제2 기판(101) 내로 연장하여 제2 기판(101)과 접촉할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 채널 구조물들(CH)은 기둥 형상을 가지며, 종횡비에 따라 제2 기판(101)에 가까울수록 좁아지는 경사진 측면을 가질 수 있다. 채널 구조물들(CH)은, 각각 하나의 메모리 셀 스트링을 이루며, 제1 영역(R1) 상에 행과 열을 이루면서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH)은 격자 무늬를 형성하도록 배치되거나 일 방향에서 지그재그 형태로 배치될 수 있다. The channel structures CH penetrate the
도 3을 참조하면, 채널 구조물들(CH) 내에는 채널층(140)이 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH) 내에서 채널층(140)은 내부의 채널 매립 절연층(144)을 둘러싸는 환형(annular)으로 형성될 수 있으나, 실시예에 따라 채널 매립 절연층(144)이 없이 원기둥 또는 각기둥과 같은 기둥 형상을 가질 수도 있다. 채널 매립 절연층(144)은 실리콘 산화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 채널층(140)은 하부에서 제1 수평 도전층(102)과 연결될 수 있다. 채널층(140)은 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the
예시적인 실시예에서, 채널 구조물들(CH)의 각각은, 유전층(142) 및 도전성 패드(145)를 더 포함할 수 있다. 유전층(142)은 게이트 전극들(130)과 채널층(140)의 사이에 배치될 수 있다. 유전층(142)은 채널층(140)의 외측면의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 도 3의 확대도에 도시된 것과 같이, 유전층(142)은 채널층(140)으로부터 순차적으로 적층된 터널링층(142a), 전하 저장층(142b) 및 블록킹층(142c)을 포함할 수 있다. 터널링층(142a)은 전하를 전하 저장층(142b)으로 터널링시킬 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전하 저장층(142b)은 전하 트랩층 또는 플로팅 게이트 도전층일 수 있다. 블록킹층(142c)은 전하 저장층(142b)에 트랩된 전하가 게이트 전극들(130)로 이동하는 것을 블록킹할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 고유전율(high-k) 유전 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. In an exemplary embodiment, each of the channel structures CH may further include a
도 3의 확대도에 도시된 것과 같이, 제1 수평 도전층(102)은 유전층(142)을 관통하여 채널층(140)과 접촉하는 부분을 포함할 수 있다. 상기 접촉하는 부분은 제2 수평 도전층(104)의 측면의 적어도 일부 및 제2 기판(101)의 측면의 적어도 일부를 덮을 수 있다.As illustrated in the enlarged view of FIG. 3 , the first horizontal
도전성 패드(145)는 채널층(140)과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도전성 패드(145)는 채널 매립 절연층(144)의 상면 상에서 채널 매립 절연층(144)의 상면을 덮고, 채널층(140)은 도전성 패드(145)의 측면을 둘러쌀 수 있으나, 이와 달리 도전성 패드(145)는 채널층(140)의 상부에 배치될 수도 있다. 도전성 패드(145)는 예를 들어, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. The
예시적인 실시예에서, 채널 구조물들(CH)의 각각은 하부 적층 구조물(GS1)을 관통하는 제1 채널 구조물 및 상부 적층 구조물(GS2)을 관통하는 제2 채널 구조물을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 채널 구조물들은 서로 연결되어 일체로 연장될 수 있으며, 각각의 채널 구조물들(CH)은 상기 제1 및 제2 채널 구조물들이 접촉하는 영역에서 채널 절곡부(CH_V)를 포함할 수 있다. In an exemplary embodiment, each of the channel structures CH may include a first channel structure penetrating the lower stacked structure GS1 and a second channel structure penetrating the upper stacked structure GS2 . The first and second channel structures may be connected to each other to extend integrally, and each of the channel structures CH may include a channel bending portion CH_V in a region where the first and second channel structures contact each other. can
게이트 콘택 플러그(161)는 도 1a에 도시된 것과 같이, 제2 영역(R2)에서 제1 상부 절연층(182), 제2 상부 절연층(183), 및 캡핑 절연층(181a, 181b)을 관통하여 게이트 패드들(GP)과 연결될 수 있다. As shown in FIG. 1A , the
예시적인 실시예에서, 메모리 셀 구조물(CELL)은 게이트 전극들(130a, 130b)과 이격되고 제2 기판(101)과 접촉하는 소스 콘택 플러그(162)를 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the memory cell structure CELL may further include a
관통 콘택 플러그들(174)은 캡핑 절연층(181a, 181b), 제1 상부 절연층(182), 및 제2 상부 절연층(183)을 관통하고 상부 연결 패턴들(INT3)과 연결될 수 있다. The through contact plugs 174 may pass through the
도 2에서 도시된 것과 같이 관통 콘택 플러그들(174)은 제4 절연층(236), 제2 버퍼층(235), 및 절연 패턴(239)을 관통하여 상부 연결 패턴들(INT3)과 접촉할 수 있다. 관통 콘택 플러그들(174)은 상부 연결 패턴들(INT3) 내부로 소정 깊이만큼 연장되어 상부 연결 패턴들(INT3)과의 접촉 면적을 증가시킴으로써 콘택 저항 특성을 개선할 수 있다.As shown in FIG. 2 , the through contact plugs 174 may penetrate the fourth insulating
관통 콘택 플러그들(174)은 제2 버퍼층(235)에 의해 둘러싸이는 제1 부분(P1) 및 절연 패턴(239)에 의해 둘러싸이는 제2 부분(P2)을 포함할 수 있다. 제2 부분(P2)은 절연 패턴(239)에 의해 제1 버퍼층(234)으로부터 이격될 수 있다.The through contact plugs 174 may include a first portion P1 surrounded by the
관통 콘택 플러그들(174)은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각각의 관통 콘택 플러그들(174)은 금속 물질을 갖는 플러그층(174-1) 및 금속 플러그층(174-1)의 측면 및 바닥면을 덮고 금속 질화물을 포함하는 배리어층(174-2)을 포함할 수 있다.The through contact plugs 174 may include a conductive material, for example, tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), or the like. In an exemplary embodiment, each of the through contact plugs 174 covers the plug layer 174 - 1 having a metal material and side and bottom surfaces of the metal plug layer 174 - 1 , and includes a barrier layer including a metal nitride. (174-2).
예시적인 실시예에서, 관통 콘택 플러그들(174)은 내측 절연층들(109a, 109b)을 관통하는 제1 및 제2 관통 콘택 플러그들(174a, 174b), 및 외측 절연층(109c)을 관통하는 제3 관통 콘택 플러그(174c)를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the through contact plugs 174 penetrate the first and second through contact plugs 174a and 174b penetrating the inner insulating
배선 라인들(192) 및 배선 비아(193)는 메모리 셀 구조물(CELL) 내의 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 상부 배선 구조물을 구성할 수 있다. 배선 라인들(192)은 예를 들어, 관통 콘택 플러그들(174), 게이트 전극들(130), 및 채널 구조물들(CH)과 전기적으로 연결될 수 있다. 배선 비아(193)는 제3 상부 절연층(184)을 관통하고, 배선 라인들(192)과 게이트 콘택 플러그(161), 채널 구조물들(CH), 및/또는 관통 콘택 플러그들(174)을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 배선 구조물을 구성하는 콘택 플러그들 및 배선 라인들의 개수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 배선 라인들(192) 및 배선 비아(193)는 금속을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있다.The wiring lines 192 and the wiring via 193 may constitute an upper wiring structure electrically connected to memory cells in the memory cell structure CELL. The wiring lines 192 may be electrically connected to, for example, through contact plugs 174 , the
관통 배선 영역(TA1, TA2)은 메모리 셀 구조물(CELL) 및 주변 회로 구조물(PERI)을 서로 전기적으로 연결하기 위한 배선 구조물을 포함하는 영역일 수 있다. 관통 배선 영역(TA1, TA2)에는 게이트 전극들(130)이 배치되지 않을 수 있다. 관통 배선 영역(TA1, TA2)에는 게이트 전극들(130)과 나란하게 배치되는 희생 절연층들(118a, 118b)을 포함할 수 있다. 희생 절연층들(118a, 118b)은 게이트 전극 형성 공정 상에서 게이트 전극들로 치환되지 않고 잔존하는 절연층일 수 있다. 희생 절연층들(118a, 118b)은 층간 절연층들(120)과 다른 절연성 물질, 예를 들어 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.The through wiring areas TA1 and TA2 may be areas including wiring structures for electrically connecting the memory cell structure CELL and the peripheral circuit structure PERI to each other. The
관통 배선 영역(TA1, TA2)은 제2 영역(R2) 상의 희생 절연층들(118a), 제1 내측 절연층(109a), 및 희생 절연층들(118a) 및 제1 내측 절연층(109a)을 관통하는 제1 관통 콘택 플러그(174a)를 포함하는 제1 관통 배선 영역(TA1) 및 제1 영역(R1) 상의 희생 절연층들(118a, 118b), 제2 내측 절연층(109b), 및 희생 절연층들(118a, 118b) 및 제2 내측 절연층(109b)을 관통하는 제2 관통 콘택 플러그(174b)를 포함하는 제2 관통 배선 영역(TA2)을 포함할 수 있다. The through wiring areas TA1 and TA2 include the sacrificial insulating
예시적인 실시예에서, 관통 배선 영역(TA1, TA2)은 제2 기판(101) 상에서 관통 배선 영역(TA1, TA2)을 둘러싸도록 배치되는 배리어 구조물을 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the through wiring areas TA1 and TA2 may further include a barrier structure disposed on the
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치(100a)의 개략적인 부분 확대도이다. 도 4는 도 1a의 'A' 영역에 대응되는 부분 확대도이다.4 is a schematic partially enlarged view of a
도 4를 참조하면, 반도체 장치(100a)는 도 2의 반도체 장치(100)와 다른 버퍼 절연 구조물(234, 235, 239) 및 상부 연결 패턴들(INT3)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the
절연 패턴(239)의 상면은 제1 버퍼층(234)의 상면과 실질적으로 동일한 레벨에 위치하되, 절연 패턴(239)의 하면은 제1 버퍼층(234)의 하면보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 즉, 절연 패턴(239)의 제3 두께(t3)는 제1 버퍼층(234)의 제1 두께(t1)보다 클 수 있다. 이는, 절연 패턴(239)을 형성하기 위한 리세스부(RP, 도 9 참조) 형성 공정에서 상대적으로 더 깊게 식각하여 리세스부(RP)를 형성함에 따라 발생한 구조일 수 있다. 이에 따라, 상부 연결 패턴들(INT3)의 상면은 제1 버퍼층(234)의 상면보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다.The upper surface of the insulating
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치(100b)의 개략적인 부분 확대도이다. 도 5는 도 1a의 'A' 영역에 대응되는 부분 확대도이다.5 is a schematic partially enlarged view of a
도 5를 참조하면, 반도체 장치(100b)는 도 2의 반도체 장치(100)와 다른 관통 콘택 플러그들(174)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the
관통 콘택 플러그들(174)은 버퍼 절연 구조물(234, 235, 239)과 접촉하는 측면에서 볼록하게 돌출되는 돌출부(174p)를 포함할 수 있다. The through contact plugs 174 may include a
예시적인 실시예에서, 관통 콘택 플러그들(174)은 제2 버퍼층(235)에 의해 둘러싸이는 제1 부분(P1) 및 절연 패턴(239)에 의해 둘러싸이는 제2 부분(P2)을 포함할 수 있다. 돌출부(174p)는 제2 부분(P2)에서 절연 패턴(239)을 향하는 방향으로 볼록하게 돌출된 측면의 일부일 수 있다. 즉, 제2 부분(P2)은 인접한 관통 콘택 플러그(174) 영역보다 넓은 평면적을 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the through contact plugs 174 may include a first portion P1 surrounded by the
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치(100c)의 개략적인 부분 확대도이다. 도 6은 도 1a의 'A' 영역에 대응되는 부분 확대도이다.6 is a schematic partially enlarged view of a
도 6을 참조하면, 반도체 장치(100c)는 도 2의 반도체 장치(100)와 다른 관통 콘택 플러그들(174)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6 , the
관통 콘택 플러그들(174)은 반도체 장치의 제조 공정에서 미스 얼라인(miss align)이 발생하여 관통 콘택 플러그들(174)의 측면 일부가 제1 버퍼층(134)과 접촉할 수 있다. 즉, 절연 패턴(239)이 위치하는 레벨에서, 관통 콘택 플러그들(174)의 측면의 일부는 절연 패턴(239)에 의해 둘러싸이고, 상기 측면의 나머지 일부는 제1 버퍼층(234)에 의해 둘러싸일 수 있다.The through contact plugs 174 may be misaligned during a manufacturing process of a semiconductor device, so that side surfaces of the through contact plugs 174 may contact the first buffer layer 134 . That is, at a level at which the insulating
관통 콘택 플러그들(174)은 버퍼 절연 구조물(234, 235, 239)과 접촉하는 측면에서 볼록하게 돌출되는 돌출부(174p)를 포함할 수 있다. 다만, 도 5의 돌출부(174p)와 달리, 절연 패턴(239)에 의해 둘러싸이는 상기 측면의 일부에만 돌출부(174p)가 형성되고 상기 측면의 나머지 일부에는 돌출부(174p)가 형성되지 않을 수 있다. 이는, 절연 패턴(239)과 제1 버퍼층(234)이 특정 식각 조건에서 식각 속도가 다름에 따라 발생하는 구조일 수 있다.The through contact plugs 174 may include a
도 7 내지 도 11은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치(100)의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들 및 부분 확대도들이다. 도 8b 내지 도 11은 도 8a의 'C' 영역에 대응되는 영역을 확대하여 도시한다. 7 to 11 are schematic cross-sectional views and partially enlarged views for explaining a method of manufacturing the
도 7을 참조하면, 제1 기판(201) 상에 회로 소자들(220)을 형성하고, 회로 소자들(220)을 덮는 제1 내지 제3 절연층들(231, 232, 233) 및 제1 버퍼층(234)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7 ,
먼저, 제1 기판(201) 내에 활성 영역을 정의하는 소자 분리층들(210)을 형성하고, 제1 기판(201) 상에 회로 게이트 유전층(222), 회로 게이트 전극(225), 및 회로 게이트 캡핑층(226)을 순차적으로 형성하여 회로 소자들(220)을 형성할 수 있다. 소자 분리층들(210)은 예를 들어, 쉘로우 트랜치 소자 분리(shallow trench isolation, STI) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 회로 게이트 유전층(222), 회로 게이트 전극(225), 및 회로 게이트 캡핑층(226)은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 또는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 형성될 수 있다. 회로 게이트 유전층(222)은 실리콘 산화물로 형성되고, 회로 게이트 전극(225)은 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드층 중 적어도 하나로 형성되고 회로 게이트 캡핑층(226)은 실리콘 질화물로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 다음으로, 회로 게이트 유전층(222)과 회로 게이트 전극(225)의 양 측벽에 스페이서층(224) 및 소스/드레인 영역들(205)을 형성할 수 있다. 실시예들에 따라, 스페이서층(224)은 복수의 층들로 이루어질 수도 있다. 다음으로, 이온 주입 공정을 수행하여 소스/드레인 영역들(205)을 형성할 수 있다.First, device isolation layers 210 defining an active region are formed in a
다음으로, 제1 기판(201) 상에서 회로 소자들(220)을 덮는 절연성 라이너(217)를 형성할 수 있다. 절연성 라이너(217)는 실질적으로 균일한 두께를 갖고 컨포멀하게 형성될 수 있다.Next, an insulating
다음으로, 절연성 라이너(217) 상에 제1 절연층(231) 및 제1 절연층(231) 내에 매립되고 제1 절연층(231)의 상면과 공면을 이루는 상면을 갖는 하부 연결 패턴들(INT1)을 형성할 수 있다. 하부 연결 패턴들(INT1)은 회로 소자들(220)과 전기적으로 연결될 수 있다.Next, the first insulating
다음으로, 제1 절연층(231) 및 하부 연결 패턴들(INT1) 상에 제2 절연층(232) 및 제2 절연층(232) 내에 매립되고 제2 절연층(232)의 상면과 공면을 이루는 상면을 갖는 중간 연결 패턴들(INT2)을 형성할 수 있다. 중간 연결 패턴들(INT2)은 하부 연결 패턴들(INT1)과 전기적으로 연결될 수 있다.Next, the second insulating
다음으로, 제2 절연층(232) 및 중간 연결 패턴들(INT2) 상에 제3 절연층(233)을 형성하고, 제3 절연층(233) 상에 제1 버퍼층(234)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제3 절연층(233)은 실리콘 산화물층이고, 제1 버퍼층(234)은 제3 절연층(233)의 두께보다 얇은 두께를 가지는 실리콘 질화물층일 수 있다.Next, the third insulating
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제1 버퍼층(234)을 관통하는 상부 연결 패턴들(INT3)을 형성할 수 있다.8A and 8B , upper connection patterns INT3 penetrating the
제1 버퍼층(234)을 관통하여 제3 절연층(233) 내부로 연장되는 개구부를 형성하고, 상기 개구부 내에 도전성 배리어층(BM) 및 금속 물질 패턴(PL)을 순차적으로 형성할 수 있다. 도전성 배리어층(BM) 및 금속 물질 패턴(PL)은 배리어 물질 및 금속 물질을 원자층 증착(ALD) 또는 화학 기상 증착(CVD) 공정을 이용하여 상기 개구부 내부 및 제1 버퍼층(234) 상에 형성한뒤 화학적 기계적 연마(CMP, Chemical Mechanical Polishing) 공정을 수행하여 제1 버퍼층(234) 상에 형성된 상기 배리어 물질 및 상기 금속 물질을 제거함으로써 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 버퍼층(234)의 상면과 상부 연결 패턴들(INT3)의 상면은 실질적으로 동일한 레벨에 위치할 수 있다.An opening extending into the third insulating
상부 연결 패턴들(INT3)은 배선 부분(INT_I) 및 배선 부분(INT_I)의 일부로부터 아래로 연장되는 비아 부분(INT_V)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 배선 부분(INT_I) 및 비아 부분(INT_V)에 대응되는 영역을 동시에 식각하여 개구부를 형성하고 상기 배리어 물질 및 상기 금속 물질을 증착함으로써 상부 연결 패턴들(INT3)을 형성할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 비아 부분(INT_V)에 대응되는 영역을 식각하여 개구부를 형성하고 상기 배리어 물질 및 상기 금속 물질을 증착하고 난 뒤, 배선 부분(INT_I)에 대응되는 영역을 식각하여 개구부를 형성하고 상기 배리어 물질 및 상기 금속 물질을 증착하여 상부 연결 패턴들(INT3)을 형성할 수도 있다.The upper connection patterns INT3 may include a wiring portion INT_I and a via portion INT_V extending downward from a portion of the wiring portion INT_I. In an exemplary embodiment, the upper connection patterns INT3 may be formed by simultaneously etching regions corresponding to the wiring portion INT_I and the via portion INT_V to form an opening and depositing the barrier material and the metal material. have. However, in some embodiments, an opening is formed by etching a region corresponding to the via portion INT_V, the barrier material and the metal material are deposited, and then the region corresponding to the wiring portion INT_I is etched to form an opening. , and depositing the barrier material and the metal material to form upper connection patterns INT3 .
도 9를 참조하면, 상부 연결 패턴들(INT3)의 일부를 선택적으로 제거하여 리세스부(RP)를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 9 , a portion of the upper connection patterns INT3 may be selectively removed to form the recess portion RP.
제1 버퍼층(234)에 대하여 상부 연결 패턴들(INT3)만 선택적으로 제거하여 일정 깊이만큼 리세스된 리세스부(RP)를 형성할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 리세스부(RP)는 별도의 식각 공정을 통해 상부 연결 패턴들(INT3)을 식각함으로써 형성될 수 있으나, 실시예들에 따라 도 8a 및 도 8b에서의 상기 배리어 물질 및 상기 금속 물질을 제거하기 위한 화학적 기계적 연마 공정을 추가적으로 수행하여 형성될 수도 있다.With respect to the
리세스부(RP)는 상부 연결 패턴들(INT3) 상에서 상부 연결 패턴들(INT3)과 완전히 중첩될 수 있으나, 실시예들에 따라, 제1 버퍼층(234)의 일부가 함께 식각되어 상부 연결 패턴들(INT3)과 중첩되지 않는 부분을 포함할 수도 있다. 이 경우, 리세스부(RP)는 상부 연결 패턴들(INT3)의 x 방향으로의 폭보다 큰 폭을 가질 수도 있다.The recess portion RP may completely overlap the upper connection patterns INT3 on the upper connection patterns INT3 , but in some embodiments, a portion of the
본 단계에서, 리세스부(RP)를 상대적으로 더 깊게 형성하여 제1 버퍼층(234)의 하면 레벨보다 낮게 형성하는 경우, 도 4의 반도체 장치(100a)가 제공될 수 있다.In this step, when the recess portion RP is formed to be relatively deeper than the lower surface level of the
도 10을 참조하면, 리세스부(RP)를 채우는 절연 패턴(239)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 10 , an insulating
리세스부(RP) 및 제1 버퍼층(234)을 컨포멀하게 덮는 절연 물질, 예를 들어 실리콘 산화물층을 증착한 뒤, 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 수행하여 제1 버퍼층(234) 상의 상기 절연 물질들을 제거함으로써 절연 패턴(239)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 절연 패턴(239)의 상면은 제1 버퍼층(234)의 상면과 실질적으로 동일한 레벨에 위치하고, 절연 패턴(239)의 측면은 제1 버퍼층(234)에 의해 덮일 수 있다. After depositing an insulating material, for example, a silicon oxide layer conformally covering the recess portion RP and the
도 11을 참조하면, 절연 패턴(239) 및 제1 버퍼층(234) 상에 제2 버퍼층(235)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 11 , a
제2 버퍼층(235)은 증착 공정, 예를 들어 원자층 증착 또는 화학 기상 증착 공정을 수행하여 절연 패턴(239) 및 제1 버퍼층(234)을 컨포멀하게 덮을 수 있다.The
상기 증착 공정에서, 상부 연결 패턴들(INT3)의 도전 물질 또는 공정상 잔류하는 물질 등이 확산되어 브릿지 불량이 발생할 수 있다. 다만, 상기 증착 공정에서, 상부 연결 패턴들(INT3) 상에 절연 패턴(239)이 형성되어 상부 연결 패턴들(INT3)을 보호함에 따라 상기 브릿지 불량 문제가 개선될 수 있다.In the deposition process, a conductive material of the upper connection patterns INT3 or a material remaining in the process may be diffused, thereby causing a bridging defect. However, in the deposition process, the insulating
다음으로, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제2 버퍼층(235) 상에 제4 절연층(236)을 형성하여 주변 회로 구조물(PERI)을 형성하고, 도 1a 내지 도 3을 참조하여 설명한 것과 같은 메모리 셀 구조물(CELL) 및 관통 콘택 플러그들(174)을 형성할 수 있다.Next, referring to FIGS. 1A and 1B , the fourth insulating
관통 콘택 플러그들(174)은 식각 공정을 수행하여 제2 버퍼층(235) 및 절연 패턴(239)을 관통하는 콘택 홀을 형성한 뒤, 상기 식각 공정에 의한 잔류물 등을 제거하기 위한 세정 공정을 수행하고, 도전성 물질을 채움으로써 형성될 수 있다. 상기 세정 공정에서, 절연 패턴(239)의 일부가 함께 제거될 수 있다. 다만, 절연 패턴(239)은 상부 연결 패턴들(INT3) 상에만 선택적으로 형성됨에 따라 몰드 뜯김 현상 문제가 개선된 반도체 장치를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 세정 공정에서 절연 패턴(239)의 전체가 제거되더라도 절연 패턴(239)과 다른 질화물 계열의 제1 버퍼층(234)에 의해 몰드 뜯김 현상이 방지될 수 있다.The through contact plugs 174 perform an etching process to form contact holes penetrating the
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 12 is a diagram schematically illustrating a data storage system including a semiconductor device according to example embodiments.
도 12를 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. 12 , the
반도체 장치(1100)는 비휘발성 메모리 장치일 수 있으며, 예를 들어, 도 1 내지 도 6을 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 비트라인(BL), 공통 소스 라인(CSL), 워드라인들(WL), 제1 및 제2 게이트 상부 라인들(UL1, UL2), 제1 및 제2 게이트 하부 라인들(LL1, LL2), 및 비트라인(BL)과 공통 소스 라인(CSL) 사이의 메모리 셀 스트링들(CSTR)을 포함하는 메모리 셀 구조물일 수 있다.The
제2 구조물(1100S)에서, 각각의 메모리 셀 스트링들(CSTR)은 공통 소스 라인(CSL)에 인접하는 하부 트랜지스터들(LT1, LT2), 비트라인(BL)에 인접하는 상부 트랜지스터들(UT1, UT2), 및 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)과 상부 트랜지스터들(UT1, UT2) 사이에 배치되는 복수의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)을 포함할 수 있다. 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)의 개수와 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)의 개수는 실시예들에 따라 다양하게 변형될 수 있다. In the
예시적인 실시예들에서, 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)은 스트링 선택 트랜지스터를 포함할 수 있고, 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)은 접지 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. 게이트 하부 라인들(LL1, LL2)은 각각 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)의 게이트 전극일 수 있다. 워드라인들(WL)은 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)의 게이트 전극들일 수 있고, 게이트 상부 라인들(UL1, UL2)은 각각 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)의 게이트 전극일 수 있다. In example embodiments, the upper transistors UT1 and UT2 may include a string select transistor, and the lower transistors LT1 and LT2 may include a ground select transistor. The gate lower lines LL1 and LL2 may be gate electrodes of the lower transistors LT1 and LT2, respectively. The word lines WL may be gate electrodes of the memory cell transistors MCT, and the gate upper lines UL1 and UL2 may be gate electrodes of the upper transistors UT1 and UT2, respectively.
예시적인 실시예들에서, 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)은 직렬 연결된 하부 소거 제어 트랜지스터(LT1) 및 접지 선택 트랜지스터(LT2)를 포함할 수 있다. 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)은 직렬 연결된 스트링 선택 트랜지스터(UT1) 및 상부 소거 제어 트랜지스터(UT2)를 포함할 수 있다. 하부 소거 제어 트랜지스터(LT1) 및 상부 소거 제어 트랜지스터(UT1) 중 적어도 하나는 GIDL 현상을 이용하여 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)에 저장된 데이터를 삭제하는 소거 동작에 이용될 수 있다.In example embodiments, the lower transistors LT1 and LT2 may include a lower erase control transistor LT1 and a ground select transistor LT2 connected in series. The upper transistors UT1 and UT2 may include a string select transistor UT1 and an upper erase control transistor UT2 connected in series. At least one of the lower erase control transistor LT1 and the upper erase control transistor UT1 may be used for an erase operation of erasing data stored in the memory cell transistors MCT using the GIDL phenomenon.
공통 소스 라인(CSL), 제1 및 제2 게이트 하부 라인들(LL1, LL2), 워드라인들(WL), 및 제1 및 제2 게이트 상부 라인들(UL1, UL2)은, 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 제1 연결 배선들(1115)을 통해 디코더 회로(1110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 비트라인들(BL)은 제1 구조물(110F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 제2 연결 배선들(1125)을 통해 페이지 버퍼(1120)와 전기적으로 연결될 수 있다.The common source line CSL, the first and second gate lower lines LL1 and LL2, the word lines WL, and the first and second gate upper lines UL1 and UL2 are connected to the first structure ( It may be electrically connected to the
제1 구조물(1100F)에서, 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 복수의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 중 적어도 하나의 선택 메모리 셀 트랜지스터에 대한 제어 동작을 실행할 수 있다. 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 로직 회로(1130)에 의해 제어될 수 있다. 반도체 장치(1000)는 로직 회로(1130)와 전기적으로 연결되는 입출력 패드(1101)를 통해, 컨트롤러(1200)와 통신할 수 있다. 입출력 패드(1101)는 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 입출력 연결 배선(1135)을 통해 로직 회로(1130)와 전기적으로 연결될 수 있다.In the
컨트롤러(1200)는 프로세서(1210), NAND 컨트롤러(1220), 및 호스트 인터페이스(1230)를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 데이터 저장 시스템(1000)은 복수의 반도체 장치들(1100)을 포함할 수 있으며, 이 경우, 컨트롤러(1200)는 복수의 반도체 장치들(1000)을 제어할 수 있다.The
프로세서(1210)는 컨트롤러(1200)를 포함한 데이터 저장 시스템(1000) 전반의 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(1210)는 소정의 펌웨어에 따라 동작할 수 있으며, NAND 컨트롤러(1220)를 제어하여 반도체 장치(1100)에 억세스할 수 있다. NAND 컨트롤러(1220)는 반도체 장치(1100)와의 통신을 처리하는 NAND 인터페이스(1221)를 포함할 수 있다. NAND 인터페이스(1221)를 통해, 반도체 장치(1100)를 제어하기 위한 제어 명령, 반도체 장치(1100)의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)에 기록하고자 하는 데이터, 반도체 장치(1100)의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)로부터 읽어오고자 하는 데이터 등이 전송될 수 있다. 호스트 인터페이스(1230)는 데이터 저장 시스템(1000)과 외부 호스트 사이의 통신 기능을 제공할 수 있다. 호스트 인터페이스(1230)를 통해 외부 호스트로부터 제어 명령을 수신하면, 프로세서(1210)는 제어 명령에 응답하여 반도체 장치(1100)를 제어할 수 있다. The
도 13은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.13 is a schematic perspective view of a data storage system including a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
도 13을 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. 13, a
메인 기판(2001)은 외부 호스트와 결합되는 복수의 핀들을 포함하는 커넥터(2006)를 포함할 수 있다. 커넥터(2006)에서 상기 복수의 핀들의 개수와 배치는, 데이터 저장 시스템(2000)과 상기 외부 호스트 사이의 통신 인터페이스에 따라 달라질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 데이터 저장 시스템(2000)은 USB(Universal Serial Bus), PCI-Express(Peripheral Component Interconnect Express), SATA(Serial Advanced Technology Attachment), UFS(Universal Flash Storage)용 M-Phy 등의 인터페이스들 중 어느 하나에 따라 외부 호스트와 통신할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 데이터 저장 시스템(2000)은 커넥터(2006)를 통해 외부 호스트로부터 공급받는 전원에 의해 동작할 수 있다. 데이터 저장 시스템(2000)은 상기 외부 호스트로부터 공급받는 전원을 컨트롤러(2002) 및 반도체 패키지(2003)에 분배하는 PMIC(Power Management Integrated Circuit)를 더 포함할 수도 있다. The
컨트롤러(2002)는 반도체 패키지(2003)에 데이터를 기록하거나, 반도체 패키지(2003)로부터 데이터를 읽어올 수 있으며, 데이터 저장 시스템(2000)의 동작 속도를 개선할 수 있다.The
DRAM(2004)은 데이터 저장 공간인 반도체 패키지(2003)와 외부 호스트의 속도 차이를 완화하기 위한 버퍼 메모리일 수 있다. 데이터 저장 시스템(2000)에 포함되는 DRAM(2004)은 일종의 캐시 메모리로도 동작할 수 있으며, 반도체 패키지(2003)에 대한 제어 동작에서 임시로 데이터를 저장하기 위한 공간을 제공할 수도 있다. 데이터 저장 시스템(2000)에 DRAM(2004)이 포함되는 경우, 컨트롤러(2002)는 반도체 패키지(2003)를 제어하기 위한 NAND 컨트롤러 외에 DRAM(2004)을 제어하기 위한 DRAM 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.The
반도체 패키지(2003)는 서로 이격된 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)은 각각 복수의 반도체 칩들(2200)을 포함하는 반도체 패키지일 수 있다. 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b) 각각은, 패키지 기판(2100), 패키지 기판(2100) 상의 반도체 칩들(2200), 반도체 칩들(2200) 각각의 하부면에 배치되는 접착층들(2300), 반도체 칩들(2200)과 패키지 기판(2100)을 전기적으로 연결하는 연결 구조물(2400), 및 패키지 기판(2100) 상에서 반도체 칩들(2200) 및 연결 구조물(2400)을 덮는 몰딩층(2500)을 포함할 수 있다. The
패키지 기판(2100)은 패키지 상부 패드들(2130)을 포함하는 인쇄회로 기판일 수 있다. 각각의 반도체 칩(2200)은 입출력 패드(2210)를 포함할 수 있다. 입출력 패드(2210)는 도 12의 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 6를 참조하여 상술한 반도체 장치를 포함할 수 있다.The
예시적인 실시예들에서, 연결 구조물(2400)은 입출력 패드(2210)와 패키지 상부 패드들(2130)을 전기적으로 연결하는 본딩 와이어일 수 있다. 따라서, 각각의 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)에서, 반도체 칩들(2200)은 본딩 와이어 방식으로 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 패키지 기판(2100)의 패키지 상부 패드들(2130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예들에 따라, 각각의 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)에서, 반도체 칩들(2200)은 본딩 와이어 방식의 연결 구조물(2400) 대신에, 관통 전극(Through Silicon Via, TSV)을 포함하는 연결 구조물에 의하여 서로 전기적으로 연결될 수도 있다. In example embodiments, the
예시적인 실시예들에서, 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)은 하나의 패키지에 포함될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 메인 기판(2001)과 다른 별도의 인터포저 기판에 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)이 실장되고, 상기 인터포저 기판에 형성되는 배선에 의해 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)이 서로 연결될 수도 있다. In example embodiments, the
도 14는 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 14는 도 13의 반도체 패키지(2003)의 예시적인 실시예를 설명하며, 도 13의 반도체 패키지(2003)를 절단선 I-I'를 따라 절단한 영역을 개념적으로 나타낸다.14 is a cross-sectional view schematically illustrating a semiconductor package according to an exemplary embodiment. 14 illustrates an exemplary embodiment of the
도 14를 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 13 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 13와 같이 데이터 저장 시스템(2000)의 메인 기판(2010)의 배선 패턴들(2005)에 연결될 수 있다.Referring to FIG. 14 , in the
반도체 칩들(2200) 각각은 반도체 기판(3010) 및 반도체 기판(3010) 상에 차례로 적층되는 제1 구조물(3100) 및 제2 구조물(3200)을 포함할 수 있다. 제1 구조물(3100)은 주변 배선들(3110)을 포함하는 주변 회로 영역을 포함할 수 있다. 제2 구조물(3200)은 공통 소스 라인(3205), 공통 소스 라인(3205) 상의 게이트 적층 구조물(3210), 게이트 적층 구조물(3210)을 관통하는 채널 구조물들(3220)과 분리 영역들, 메모리 채널 구조물들(3220)과 전기적으로 연결되는 비트 라인들(3240), 및 게이트 적층 구조물(3210)의 워드라인들(WL, 도 12 참조)과 전기적으로 연결되는 게이트 콘택 플러그들(3235)을 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 6을 참조하여 상술한 것과 같이, 반도체 칩들(2200) 각각에서 분리 절연 구조물(234, 235, 239)은 상부 연결 패턴들(INT3)과 제4 절연층(236)을 이격시킬 수 있으며, 제1 버퍼층(234)은 절연 패턴(239)의 측면을 덮을 수 있다.Each of the
반도체 칩들(2200) 각각은, 제1 구조물(3100)의 주변 배선들(3110)과 전기적으로 연결되며 제2 구조물(3200) 내로 연장되는 관통 배선(3245)을 포함할 수 있다. 관통 배선(3245)은 게이트 적층 구조물(3210)의 외측에 배치될 수 있으며, 게이트 적층 구조물(3210)을 관통하도록 더 배치될 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은, 제1 구조물(3100)의 주변 배선들(3110)과 전기적으로 연결되는 입출력 패드(2210)(도 13 참조)를 더 포함할 수 있다.Each of the
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경과 실시예들의 조합이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Accordingly, various types of substitutions, modifications and changes and combinations of embodiments will be possible by those of ordinary skill in the art within the scope without departing from the spirit of the present invention described in the claims, and this is also the present invention will be said to be within the scope of
CELL: 메모리 셀 구조물
PERI: 주변 회로 구조물
INT: 회로 배선 구조물
INT3: 상부 연결 패턴들
CH: 채널 구조물
GS: 적층 구조물
GS1: 하부 적층 구조물
GS2: 상부 적층 구조물
MS: 분리 구조물들
SS: 상부 분리 구조물들
101: 제2 기판
102, 104: 수평 도전층
110: 수평 절연층
118a, 118b: 희생 절연층들
120a, 120b: 층간 절연층들
130a, 130b: 게이트 전극들
140: 채널층
174: 관통 콘택 플러그
201: 제1 기판
220: 회로 소자들
230: 주변 영역 구조물
234: 제1 버퍼층
235: 제2 버퍼층
239: 절연 패턴CELL: memory cell structure PERI: peripheral circuit structure
INT: circuit wiring structure INT3: upper connection patterns
CH: channel structure GS: laminate structure
GS1: lower stacked structure GS2: upper stacked structure
MS: separation structures SS: upper separation structures
101:
110: horizontal insulating
120a, 120b:
140: channel layer 174: through contact plug
201: first substrate 220: circuit elements
230: peripheral region structure 234: first buffer layer
235: second buffer layer 239: insulating pattern
Claims (10)
상기 주변 회로 구조물 상에 배치되고, 상기 기판과 수직한 제1 방향으로 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들, 상기 게이트 전극들을 관통하는 채널 구조물, 및 상기 채널 구조물 상에서 상기 채널 구조물과 전기적으로 연결되는 상부 배선을 포함하는 메모리 셀 구조물; 및
상기 게이트 전극들 및 상기 상부 배선 중 적어도 하나를, 상기 연결 패턴들 중 적어도 하나와 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그를 포함하되,
상기 연결 패턴들은 상기 관통 콘택 플러그와 접촉하는 상부 연결 패턴을 포함하고,
상기 주변 영역 절연 구조물은 상기 회로 소자를 덮는 제1 하부 절연층, 상기 제1 하부 절연층 상의 제2 하부 절연층, 및 상기 제1 및 제2 하부 절연층들 사이의 버퍼 절연 구조물을 포함하고,
상기 버퍼 절연 구조물은 상기 상부 연결 패턴 상의 절연 패턴, 상기 제1 하부 절연층 상에 배치되며 상기 절연 패턴의 측면을 덮는 제1 버퍼층, 및 상기 제1 버퍼층 및 상기 절연 패턴 상의 제2 버퍼층을 포함하는 반도체 장치.
A circuit wiring structure including a substrate, a circuit element on the substrate, connection patterns electrically connected to the circuit element on the substrate and arranged at different height levels, and a periphery covering the circuit element and the circuit wiring structure on the substrate a peripheral circuit structure comprising a region insulating structure;
Gate electrodes disposed on the peripheral circuit structure and stacked apart from each other in a first direction perpendicular to the substrate, a channel structure penetrating the gate electrodes, and an upper portion electrically connected to the channel structure on the channel structure a memory cell structure including wiring; and
a through contact plug electrically connecting at least one of the gate electrodes and the upper wiring to at least one of the connection patterns;
the connection patterns include upper connection patterns in contact with the through contact plug;
The peripheral region insulating structure includes a first lower insulating layer covering the circuit element, a second lower insulating layer on the first lower insulating layer, and a buffer insulating structure between the first and second lower insulating layers,
The buffer insulating structure includes an insulating pattern on the upper connection pattern, a first buffer layer disposed on the first lower insulating layer and covering a side surface of the insulating pattern, and a second buffer layer on the first buffer layer and the insulating pattern semiconductor device.
상기 제1 버퍼층의 상면은 상기 상부 연결 패턴의 상면보다 높은 레벨에 위치하고,
상기 제1 버퍼층은 상기 상부 연결 패턴의 측면 일부 및 상기 절연 패턴의 측면을 덮는 반도체 장치.
According to claim 1,
The upper surface of the first buffer layer is located at a level higher than the upper surface of the upper connection pattern,
The first buffer layer covers a portion of a side surface of the upper connection pattern and a side surface of the insulating pattern.
상기 절연 패턴의 상면은 상기 제1 버퍼층의 상면과 동일한 레벨에 위치하는 반도체 장치.
According to claim 1,
A top surface of the insulating pattern is positioned at the same level as a top surface of the first buffer layer.
상기 상부 연결 패턴은 상기 절연 패턴에 의해 상기 제2 버퍼층과 이격되는 반도체 장치.
According to claim 1,
The upper connection pattern is spaced apart from the second buffer layer by the insulating pattern.
상부 연결 패턴은 서로 이격되어 배치되는 복수의 상부 연결 패턴들을 포함하고,
상기 절연 패턴은 복수의 상부 연결 패턴들의 각각의 상면과 접촉하는 복수의 절연막을 포함하며,
상기 복수의 절연막은 상기 제1 버퍼층에 의해 서로 이격되는 반도체 장치.
According to claim 1,
The upper connection pattern includes a plurality of upper connection patterns spaced apart from each other,
The insulating pattern includes a plurality of insulating layers in contact with the upper surfaces of each of the plurality of upper connection patterns,
The plurality of insulating layers are spaced apart from each other by the first buffer layer.
상기 관통 콘택 플러그는,
상기 제2 버퍼층에 의해 둘러싸이는 제1 부분 및
상기 절연 패턴에 의해 둘러싸이고 상기 제1 버퍼층으로부터 이격된 제2 부분을 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The through contact plug,
a first portion surrounded by the second buffer layer; and
and a second portion surrounded by the insulating pattern and spaced apart from the first buffer layer.
상기 관통 콘택 플러그의 상기 제2 부분은 상기 절연 패턴을 향하는 방향으로 볼록하게 돌출된 측면을 갖는 반도체 장치.
7. The method of claim 6,
The second portion of the through contact plug has a side convexly protruding in a direction toward the insulating pattern.
상기 절연 패턴은 상기 제1 및 제2 버퍼층들과 다른 물질을 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The insulating pattern may include a material different from that of the first and second buffer layers.
상기 제1 및 제2 버퍼층들은 실리콘 질화물 또는 질화물 계열의 물질을 포함하고,
상기 절연 패턴은 실리콘 산화물을 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The first and second buffer layers include silicon nitride or a nitride-based material,
The insulating pattern is a semiconductor device including silicon oxide.
상기 하부 구조물 상에 배치되고 상부 배선을 포함하는 상부 구조물; 및
상기 상부 배선 및 상기 연결 패턴들을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그를 포함하되,
상기 연결 패턴들은 상기 관통 콘택 플러그와 접촉하는 상부 연결 패턴을 포함하고,
상기 주변 영역 절연 구조물은 상기 회로 소자를 덮는 제1 하부 절연층, 상기 제1 하부 절연층 상의 제2 하부 절연층, 및 상기 제1 및 제2 하부 절연층들 사이의 버퍼 절연 구조물을 포함하고,
상기 버퍼 절연 구조물은 상기 상부 연결 패턴 상의 절연 패턴, 상기 제1 하부 절연층 상에 배치되며 상기 절연 패턴의 측면을 덮는 제1 버퍼층, 및 상기 제1 버퍼층 및 상기 절연 패턴 상의 제2 버퍼층을 포함하며,
상기 절연 패턴은 실리콘 산화물을 포함하고,
상기 제1 및 제2 버퍼층들은 실리콘 질화물을 포함하는 반도체 장치.
A circuit wiring structure including a substrate, a circuit element on the substrate, connection patterns electrically connected to the circuit element on the substrate and arranged at different height levels, and a periphery covering the circuit element and the circuit wiring structure on the substrate a substructure comprising a region insulating structure;
an upper structure disposed on the lower structure and including an upper wiring; and
a through contact plug electrically connecting the upper wiring and the connection patterns;
the connection patterns include upper connection patterns in contact with the through contact plug;
The peripheral region insulating structure includes a first lower insulating layer covering the circuit element, a second lower insulating layer on the first lower insulating layer, and a buffer insulating structure between the first and second lower insulating layers,
The buffer insulating structure includes an insulating pattern on the upper connection pattern, a first buffer layer disposed on the first lower insulating layer and covering a side surface of the insulating pattern, and a second buffer layer on the first buffer layer and the insulating pattern, ,
The insulating pattern includes silicon oxide,
The first and second buffer layers include silicon nitride.
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