KR20220019522A - 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템 - Google Patents

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천상훈
김지환
강신환
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상의 회로 소자들, 상기 회로 소자들의 상부에 배치되는 제2 기판, 상기 제2 기판 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들, 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들, 상기 게이트 전극들을 관통하며 제2 방향으로 연장되는 분리 영역들, 상기 제2 기판을 관통하여 상기 제1 방향으로 연장되며, 상기 게이트 전극들과 상기 회로 소자들을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그, 및 상기 관통 콘택 플러그로부터 이격되어 상기 관통 콘택 플러그를 둘러싸도록 배치되며, 제1 폭을 갖는 제1 영역들 및 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 제2 영역들을 갖는 배리어 구조물을 포함한다.

Description

반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템{SEMICONDUCTOR DEVICES AND DATA STORAGE SYSTEMS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템에 관한 것이다.
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.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 신뢰성이 향상된 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 신뢰성이 향상된 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 제공하는 것이다.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 제1 기판 및 상기 제1 기판 상의 회로 소자들을 포함하는 주변 회로 구조물; 및 상기 주변 회로 구조물 상에 배치되며 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 제2 기판, 상기 제1 영역 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되고 상기 제2 영역 상에서 제2 방향을 따라 계단 형태를 이루며 연장되는 게이트 전극들, 상기 게이트 전극들과 교대로 적층되는 층간 절연층들, 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들, 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제2 방향으로 연장되며 제3 방향에서 서로 이격되는 분리 영역들을 포함하는 메모리 셀 구조물을 포함하고, 상기 제2 영역에서 상기 게이트 전극들과 나란하게 배치되며 상기 층간 절연층들과 교대로 적층되는 희생 절연층들 및 상기 게이트 전극들과 상기 회로 소자들을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그를 포함하는 관통 배선 영역을 가지며, 상기 관통 배선 영역을 둘러싸도록 배치되며, 돌출부들을 갖는 내측면을 갖는 배리어 구조물을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 제1 기판; 상기 제1 기판 상의 회로 소자들; 상기 회로 소자들의 상부에 배치되는 제2 기판; 상기 제2 기판 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들; 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 상기 게이트 전극들을 관통하며 제2 방향으로 연장되는 분리 영역들; 상기 제2 기판을 관통하여 상기 제1 방향으로 연장되며, 상기 게이트 전극들과 상기 회로 소자들을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그; 및 상기 관통 콘택 플러그로부터 이격되어 상기 관통 콘택 플러그를 둘러싸도록 배치되며, 제1 폭을 갖는 제1 영역들 및 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 제2 영역들을 갖는 배리어 구조물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 데이터 저장 시스템은, 제1 기판; 상기 제1 기판 상의 회로 소자들; 상기 회로 소자들의 상부에 배치되는 제2 기판; 상기 제2 기판 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들; 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 상기 게이트 전극들을 관통하며 제2 방향으로 연장되는 분리 영역들; 상기 제2 기판을 관통하여 상기 제1 방향으로 연장되며, 상기 게이트 전극들과 상기 회로 소자들을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그; 상기 관통 콘택 플러그로부터 이격되어 상기 관통 콘택 플러그를 둘러싸도록 배치되며, 제1 폭을 갖는 제1 영역들 및 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 제2 영역들을 갖는 배리어 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 포함할 수 있다.
폭이 다른 영역들을 포함하는 배리어 구조물을 포함함으로써, 신뢰성이 향상된 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도들이다.
도 2a 내지 도 2c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 배리어 구조물을 확대하여 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 평면도들이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 평면도이다. 도 5는 도 1a의 'A' 영역을 확대하여 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 평면도들이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 단면도이다.
도 8a 내지 도 13c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 평면도 및 단면도들이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도들이다. 도 1b는 도 1a의 'A' 영역을 확대하여 도시하고, 도 1c는 도 1a의 'B' 영역을 확대하여 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다. 도 2a는 도 1a 및 도 1b의 절단선 Ⅰ-Ⅰ'를 따른 단면을 도시하고, 도 2b는 도 1a 및 도 1c의 절단선 Ⅱ-Ⅱ'를 따른 단면을 도시하고, 도 2c는 도 1a의 절단선 Ⅲ-Ⅲ'를 따른 단면을 도시한다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 배리어 구조물을 확대하여 도시한다.
도 1a 내지 도 2c를 참조하면, 반도체 장치(100)는 제1 기판(201)을 포함하는 주변 회로 구조물(PERI) 및 제2 기판(201)을 포함하는 메모리 셀 구조물(CELL)을 포함하고, 주변 회로 구조물(PERI)과 메모리 셀 구조물(CELL)을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그(170)를 각각 포함하는 제1 및 제2 관통 배선 영역들(TR1, TR2)을 포함할 수 있다. 메모리 셀 구조물(CELL)은 주변 회로 구조물(PERI)의 상부에 배치될 수 있으며, 관통 배선 영역(TR)은 메모리 셀 구조물(CELL)을 관통하여 메모리 셀 구조물(CELL)과 주변 회로 구조물(PERI)을 연결하도록 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이와 반대로 메모리 셀 구조물(CELL)이 주변 회로 구조물(PERI)의 하부에 배치될 수도 있다. 또한, 예시적인 실시예들에서, 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.
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 콘택 플러그들(270), 회로 배선 라인들(280), 및 주변 영역 절연층(290)을 포함할 수 있다.
제1 기판(201)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 제1 기판(201)에는 소자 분리층들(210)에 의해 활성 영역이 정의될 수 있다. 상기 활성 영역의 일부에는 불순물을 포함하는 소스/드레인 영역들(205)이 배치될 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 에피택셜층으로 제공될 수도 있다.
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. 회로 게이트 전극(225)의 양 측에서 제1 기판(201) 내에는 소스/드레인 영역들(205)이 배치될 수 있다.
주변 영역 절연층(290)이 제1 기판(201) 상에서 회로 소자(220) 상에 배치될 수 있다. 회로 콘택 플러그들(270)은 주변 영역 절연층(290)을 관통하여 소스/드레인 영역들(205)에 연결될 수 있다. 회로 콘택 플러그들(270)에 의해 회로 소자(220)에 전기적 신호가 인가될 수 있다. 도시되지 않은 영역에서, 회로 게이트 전극(225)에도 회로 콘택 플러그들(270)이 연결될 수 있다. 회로 배선 라인들(280)은 회로 콘택 플러그들(270)과 연결될 수 있으며, 복수의 층으로 배치될 수 있다.
메모리 셀 구조물(CELL)은, 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 갖는 제2 기판(201), 제2 기판(201)의 제1 영역(R1) 상의 제1 수평 도전층(102), 제2 기판(201)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) 상에 적층된 게이트 전극들(130), 게이트 전극들(130)의 적층 구조물(GS)을 관통하며 연장되는 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b), 제2 영역(R2)에서 관통 배선 영역(TR)을 둘러싸도록 배치되는 배리어 구조물(160), 적층 구조물(GS)의 일부를 관통하는 상부 분리 영역들(SS), 및 적층 구조물(GS)을 관통하도록 배치되는 채널 구조물들(CH)을 포함할 수 있다. 메모리 셀 구조물(CELL)은 제2 기판(201) 상에 게이트 전극들(130)과 교대로 적층되는 층간 절연층들(120), 배선 라인들(180), 및 셀 영역 절연층(190)을 더 포함할 수 있다.
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.
제2 기판(201)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 제2 기판(201)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅳ족 반도체는 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 제2 기판(101)은 불순물들을 더 포함할 수 있다. 제2 기판(101)은 다결정 실리콘층과 같은 다결정 반도체층 또는 에피택셜층으로 제공될 수 있다.
제1 및 제2 수평 도전층들(102, 104)은 제2 기판(201)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.
제1 수평 도전층(102)은 반도체 장치(100)의 공통 소스 라인의 일부로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 제2 기판(201)과 함께 공통 소스 라인으로 기능할 수 있다. 도 2b의 확대도에 도시된 것과 같이, 제1 수평 도전층(102)은 채널층(140)의 둘레에서, 채널층(140)과 직접 연결될 수 있다.
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.
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. 이 경우, 적어도 제1 수평 도전층(102)은 도핑된 층일 수 있으며, 제2 수평 도전층(104)은 도핑된 층이거나 제1 수평 도전층(102)으로부터 확산된 불순물을 포함하는 층일 수 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 제2 수평 도전층(104)은 절연층으로 대체될 수 있다.
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, 도 2a의 확대도에 도시된 것과 같이, 제2 기판(101)의 제2 영역(R2) 상에 순차적으로 적층된 제1 내지 제3 수평 절연층들(111, 112, 113)을 포함할 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.
수평 절연층(110)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 제1 및 제3 수평 절연층들(111, 113)과 제2 수평 절연층(112)은 서로 다른 절연 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제3 수평 절연층들(111, 113)은 서로 동일한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제3 수평 절연층들(111, 113)은 층간 절연층들(120)과 동일한 물질로 이루어지고, 제2 수평 절연층(112)은 희생 절연층들(118)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
게이트 전극들(130)은 제2 기판(201) 상에 수직으로 이격되어 적층되어 적층 구조물(GS)을 이룰 수 있다. 게이트 전극들(130)은 접지 선택 트랜지스터의 게이트를 이루는 하부 게이트 전극(130L), 복수의 메모리 셀들을 이루는 메모리 게이트 전극들(130M), 및 스트링 선택 트랜지스터들의 게이트들을 이루는 상부 게이트 전극들(130U)을 포함할 수 있다. 반도체 장치(100)의 용량에 따라서 메모리 셀들을 이루는 메모리 게이트 전극들(130M)의 개수가 결정될 수 있다. 실시예에 따라, 상부 및 하부 게이트 전극들(130U, 130L)은 각각 1개 내지 4개 또는 그 이상일 수 있으며, 메모리 게이트 전극들(130M)과 동일하거나 상이한 구조를 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 전극들(130)은 상부 게이트 전극들(130U)의 상부 및/또는 하부 게이트 전극(130L)의 하부에 배치되며 게이트 유도 누설 전류(Gate Induced Drain Leakage, GIDL) 현상을 이용한 소거 동작에 이용되는 소거 트랜지스터를 이루는 게이트 전극(130)을 더 포함할 수 있다. 또한, 일부 게이트 전극들(130), 예를 들어, 상부 또는 하부 게이트 전극(130U, 130L)에 인접한 메모리 게이트 전극들(130M)은 더미 게이트 전극들일 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 2c에 도시된 것과 같이, x 방향을 따라 게이트 전극들(130) 사이에 단차 구조를 형성할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 전극들(130) 중 적어도 일부는, 일정 개수, 예를 들어 두 개 내지 여섯 개의 게이트 전극들(130)이 하나의 게이트 그룹을 이루어, x 방향을 따라 상기 게이트 그룹들 사이에 단차 구조를 형성할 수 있다. 이 경우, 하나의 상기 게이트 그룹을 이루는 게이트 전극들(130)은 y 방향에서도 서로 단차 구조를 가지도록 배치될 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. 예시적인 실시예들에서, 상기 단부들에서, 게이트 전극들(130)은 상향된 두께를 가질 수 있다.
도 1a에 도시된 것과 같이, 게이트 전극들(130)은 x 방향으로 연장되는 제1 분리 영역(MS1)에 의하여 y 방향에서 서로 분리되어 배치될 수 있다. 한 쌍의 제1 분리 영역들(MS1) 사이의 게이트 전극들(130)은 하나의 메모리 블록을 이룰 수 있으나, 메모리 블록의 범위는 이에 한정되지는 않는다. 게이트 전극들(130) 중 일부, 예를 들어, 메모리 게이트 전극들(130M)은 하나의 메모리 블록 내에서 하나의 층을 이룰 수 있다.
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 실시예들에서, 게이트 전극들(130)은 확산 방지막(diffusion barrier)을 더 포함할 수 있으며, 예컨대, 상기 확산 방지막은 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
층간 절연층들(120)은 게이트 전극들(130)의 사이에 배치될 수 있다. 층간 절연층들(120)도 게이트 전극들(130)과 마찬가지로 제2 기판(201)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.
제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)은 게이트 전극들(130)을 관통하여 x 방향을 따라 연장되도록 배치될 수 있다. 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제1 및 제2 분리 영역(MS1, MS2a, MS2b)은 제2 기판(201) 상에 적층된 게이트 전극들(130) 전체를 관통하여 제2 기판(201)과 연결될 수 있다. 제1 분리 영역들(MS1)은 x 방향을 따라 하나로 연장되고, 제2 분리 영역들(MS2)은 한 쌍의 제1 분리 영역들(MS1)의 사이에서 단속적으로 연장되거나, 일부 영역에만 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 중앙 분리 영역들(MS2a)은 제1 영역(R1)에서 하나로 연장되며, 제2 영역(R2)에서 x 방향을 따라 단속적으로 연장될 수 있다. 제2 보조 분리 영역들(MS2b)은 제2 영역(R2)에만 배치될 수 있으며, x 방향을 따라 단속적으로 연장될 수 있다. 다만, 실시예들에서, 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)의 배치 순서, 개수 등은 도 1a에 도시된 것에 한정되지는 않는다. 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)은 관통 배선 영역(TR)과는 중첩되어 배치되지 않으며, 관통 배선 영역(TR)으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이, 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)에는 분리 절연층(105)이 배치될 수 있다. 분리 절연층(105)은 높은 종횡비로 인하여 제2 기판(201)을 향하면서 폭이 감소되는 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 제2 기판(201)의 상면에 수직한 측면을 가질 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)에는 분리 절연층(105) 내에 도전층이 더 배치될 수도 있다. 이 경우, 상기 도전층은 반도체 장치(100)의 공통 소스 라인 또는 공통 소스 라인과 연결되는 콘택 플러그로 기능할 수 있다.
상부 분리 영역들(SS)은, 도 1a에 도시된 것과 같이, 제1 영역(R1)에서, 제1 분리 영역들(MS1)과 제2 중앙 분리 영역(MS2a)의 사이 및 제2 중앙 분리 영역들(MS2a)의 사이에서 x 방향으로 연장될 수 있다. 상부 분리 영역들(SS)은 게이트 전극들(130) 중 최상부의 상부 게이트 전극(130U)을 포함한 게이트 전극들(130)의 일부를 관통하도록 배치될 수 있다. 상부 분리 영역들(SS)은, 도 2b에 도시된 것과 같이, 예를 들어, 상부 게이트 전극들(130U)을 포함하여 총 네 개의 게이트 전극들(130)을 y 방향에서 서로 분리시킬 수 있다. 다만, 상부 분리 영역들(SS)에 의해 분리되는 게이트 전극들(130)의 개수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 상부 분리 영역들(SS)에 의해 분리된 상부 게이트 전극들(130U)은 서로 다른 스트링 선택 라인을 이룰 수 있다. 상부 분리 영역들(SS)은 절연 물질을 포함할 수 있다. 상기 절연 물질은 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.
채널 구조물들(CH)은, 도 1c에 도시된 것과 같이, 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. 채널 구조물들(CH)은 기둥 형상을 가지며, 종횡비에 따라 제2 기판(201)에 가까울수록 좁아지는 경사진 측면을 가질 수 있다.
도 2b의 확대도에 도시된 것과 같이, 채널 구조물들(CH) 내에는 채널층(140)이 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH) 내에서 채널층(140)은 내부의 채널 매립 절연층(150)을 둘러싸는 환형(annular)으로 형성될 수 있으나, 실시예에 따라 채널 매립 절연층(150)이 없이 원기둥 또는 각기둥과 같은 기둥 형상을 가질 수도 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.
채널 구조물들(CH)에서 채널층(140)의 상부에는 채널 패드들(155)이 배치될 수 있다. 채널 패드들(155)은 채널 매립 절연층(150)의 상면을 덮고 채널층(140)과 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다. 채널 패드들(155)은 예컨대, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.
게이트 유전층(145)은 게이트 전극들(130)과 채널층(140)의 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로 도시하지는 않았으나, 게이트 유전층(145)은 채널층(140)으로부터 순차적으로 적층된 터널링층, 전하 저장층 및 블록킹층을 포함할 수 있다. 상기 터널링층은 전하를 상기 전하 저장층으로 터널링시킬 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 전하 저장층은 전하 트랩층 또는 플로팅 게이트 도전층일 수 있다. 상기 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.
더미 채널 구조물들(DCH)은 채널 구조물들(CH)과 동일하거나 유사한 구조를 가지며, 제1 영역(R1)의 일부 및 제2 영역(R2)에서 행과 열을 이루면서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 더미 채널 구조물들(DCH)은 상부의 배선 구조물들과 전기적으로 연결되지 않거나, 반도체 장치(100) 내에서 채널 구조물들(CH)과 달리 메모리 셀 스트링을 이루지 않을 수 있다. 제1 영역(R1)에서, 더미 채널 구조물들(DCH)은 제2 영역(R2)에 인접한 영역에 배치될 수 있다.
도 2a에 도시된 것과 같이, 제2 영역(R2)에서 더미 채널 구조물들(DCH)은 z 방향을 따라 수평 절연층(110)을 관통하도록 배치될 수 있다. 더미 채널 구조물들(DCH)은 하부가 제2 수평 도전층(104) 및 수평 절연층(110)으로 둘러싸일 수 있으며, 제1 수평 도전층(102)과는 이격될 수 있다. 구체적으로, 더미 채널 구조물들(DCH)은, 층간 절연층들(120) 및 게이트 전극들(130)을 관통하고 하단에서 제2 수평 도전층(104) 및 수평 절연층(110)을 관통할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 더미 채널 구조물들(DCH)은, 관통 배선 영역(TR) 내에서, 층간 절연층들(120) 및 희생 절연층들(118)을 관통하고 하단에서 제2 수평 도전층(104) 및 수평 절연층(110)을 관통하도록 배치될 수 있다.
관통 배선 영역(TR)은, 메모리 셀 구조물(CELL) 및 주변 회로 구조물(PERI)을 서로 전기적으로 연결하기 위한 배선 구조물을 포함하는 영역일 수 있다. 특히, 관통 배선 영역(TR)은 제2 영역(R2)을 관통하도록 배치될 수 있다. 관통 배선 영역(TR)은, 제2 기판(201)을 관통하여 z 방향으로 연장되는 관통 콘택 플러그들(170) 및 관통 콘택 플러그들(170)을 둘러싸는 절연 영역(IR)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서는, 배리어 구조물(160) 내의 영역을 관통 배선 영역(TR)으로 지칭한다. 관통 배선 영역(TR)은 예를 들어, 하나의 메모리 블록 당 하나씩 배치될 수 있으며, 제1 영역(R1)에도 더 배치될 수 있다. 다만, 관통 배선 영역(TR)의 개수, 크기, 배치 형태, 및 형상 등은 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 관통 배선 영역(TR)은 복수의 메모리 블록 당 하나씩 배치될 수도 있다.
관통 배선 영역(TR)은, 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같이, 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)로부터 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 관통 배선 영역(TR)은 y 방향을 따라 서로 인접하는 제1 분리 영역들(MS1)로부터 이격되어 한 쌍의 제1 분리 영역들(MS1)의 중앙에 배치될 수 있다. 이와 같은 배치에 의해, 관통 배선 영역(TR)에는 희생 절연층들(118)이 잔존할 수 있다.
절연 영역(IR)은 메모리 셀 구조물(CELL)을 관통하여 기판(101) 및 게이트 전극들(130)과 나란하게 배치될 수 있다. 절연 영역(IR)은 게이트 전극(130)이 연장되거나 배치되지 않으며, 절연 물질로 이루어진 절연성 적층 구조물을 포함할 수 있다. 절연 영역(IR)은 제2 기판(201)과 나란하게 제2 기판(201)과 동일 높이 레벨로 배치되는 제1 절연층인 기판 절연층(109), 제2 기판(201)의 상면에 교대로 적층되는 제2 및 제3 절연층인 층간 절연층들(120) 및 희생 절연층들(118)을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층인 기판 절연층(109)은 제2 기판(101), 수평 절연층(110), 및 제2 수평 도전층(104)의 일부를 제거한 영역에 배치되어, 제2 기판(101), 수평 절연층(110), 및 제2 수평 도전층(104)으로 둘러싸이도록 배치될 수 있다. 기판 절연층(109)의 하면은 제2 기판(101)의 하면과 공면이거나 제2 기판(101)의 하면보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 기판 절연층(109)은 복수의 절연층을 포함할 수도 있다. 상기 제2 절연층은, 층간 절연층들(120)이 연장되어 이루어지므로, 층간 절연층들(120)과 실질적으로 동일한 높이 레벨에 위치할 수 있다. 상기 제3 절연층은, 희생 절연층들(118)을 포함하며, 게이트 전극들(130)과 실질적으로 동일한 높이 레벨에 위치할 수 있다.
절연 영역(IR)을 이루는 기판 절연층(109), 층간 절연층들(120), 및 희생 절연층들(118)은 절연 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기판 절연층(109), 층간 절연층들(120), 및 희생 절연층들(118)은 각각 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 기판 절연층(109) 및 희생 절연층들(118)은 다른 폭을 가지거나, 실시예들에 따라 서로 동일한 폭을 가질 수 있다.
관통 콘택 플러그들(170)은 절연 영역(IR) 전체를 상하로 관통하여 제2 기판(201)의 상면에 수직하게 연장되며, 메모리 셀 구조물(CELL)과 주변 회로 구조물(PERI)의 회로 소자들(220)을 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 관통 콘택 플러그들(170)은 메모리 셀 구조물(CELL)의 게이트 전극들(130) 및/또는 채널 구조물들(CH)을, 주변 회로 구조물(PERI)의 회로 소자들(220)과 전기적으로 연결할 수 있다. 관통 콘택 플러그들(170)은 상부에서 상부 배선 구조물인 상부 플러그들(178) 및 배선 라인들(180)과 연결될 수 있다. 관통 콘택 플러그들(170)은 하부에서 하부 배선 구조물인 회로 배선 라인들(280)과 연결될 수 있다.
관통 콘택 플러그들(170)은 절연 영역(IR)의 층간 절연층들(120) 및 희생 절연층들(118)을 관통하고, 하부에서 기판 절연층(109)을 관통할 수 있다. 하나의 관통 배선 영역(TR) 내의 관통 콘택 플러그들(170)의 개수, 형태, 및 형상은 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 실시예들에 따라, 관통 콘택 플러그들(170)은 복수의 층들이 연결된 형태를 가질 수도 있다. 또한, 실시예들에 따라, 절연 영역(IR) 내에는 관통 콘택 플러그들(170) 외에, 배선 라인 형태의 배선 구조물들이 더 배치될 수도 있다. 관통 콘택 플러그들(170)은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있다.
배리어 구조물(160)은 제2 영역(R2)에서 관통 배선 영역(TR)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 배리어 구조물(160)은 평면도 상에서, x 방향으로 연장되는 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)과 일직선 상에 배치되는 수평 영역들 및 y 방향으로 연장되는 수직 영역들을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 수평 영역들 및 상기 수직 영역들은 단일폐곡선을 이룰 수 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 배리어 구조물(160)은, 연장 방향을 따라 서로 폭이 다른 제1 및 제2 배리어 영역들을 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 배리어 영역들은 적어도 일부 영역에서 교대로 배치될 수 있다. 배리어 구조물(160)은, 실질적으로 일정한 제1 폭(W1)으로 x 방향 또는 y 방향으로 연장되는 링 또는 사각링 형상의 연장부(162) 및 내측면(160IS)에서 연장부(162)로부터 돌출된 돌출부들(164)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 배리어 영역은 상기 돌출부들(164)이 배치된 영역일 수 있다.
돌출부들(164)은 연장부(162)의 연장 방향에 수직한 방향으로 돌출될 수 있다. 구체적으로, 돌출부들(164)은 상기 수평 영역들로부터 y 방향으로 돌출되고, 상기 수직 영역들로부터 x 방향으로 돌출될 수 있다. 돌출부들(164)은 반원 또는 이와 유사한 형상을 가질 수 있다. 배리어 구조물(160)의 내측면(IS)은 돌출부들(164)에 따른 굴곡을 갖고, 배리어 구조물(160)의 외측면(160OS)은 실질적으로 평탄할 수 있다. 외측면(160OS)을 평탄하게 함으로써, 배리어 구조물(160) 외측에 더미 채널 구조물들(DCH)이 배치되는 공간을 확보할 수 있다.
돌출부들(164)은 연장부(162)에 일정 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 연장부(162)의 연장 방향을 따른 돌출부들(164)의 길이(L1) 및 돌출부들(164) 사이의 간격(L2)은 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 상기 길이(L1) 대 상기 간격(L2)의 비율(L1/L2)은, 약 0.3 내지 약 2.0의 범위일 수 있다. 상기 비율(L1/L2)이 상기 범위보다 작거나 크면, 돌출부들(164)에 의한 후술하는 효과가 미미할 수 있다. 연장부(162)는 연장 방향에 수직한 방향에서 제1 폭(W1)을 갖고, 돌출부들(164)은 최대 폭인 제2 폭(W2)을 가지며, 이에 의해 배리어 구조물(160)은 최대 폭인 제3 폭(W3)을 가질 수 있다. 제1 폭(W1)은 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)의 폭(W4)과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제3 폭(W3)은 제1 폭(W1)의 약 1.3 배 내지 약 2.5 배의 범위일 수 있다. 제3 폭(W3)이 상기 범위보다 크면, 즉, 제2 폭(W2)이 상대적으로 크면, 공정 난이도가 증가할 수 있으며, 상기 범위보다 작으면 돌출부들(164)에 의한 효과가 미미할 수 있다. 특히, 제3 폭(W3)은 제1 폭(W1)의 약 1.3 배 내지 약 2 배의 범위일 수 있으며, 예를 들어, 제2 폭(W2)은 제1 폭(W1)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 제3 폭(W3)은 약 180 nm 내지 약 300 nm의 범위일 수 있다.
배리어 구조물(160)은 내부에 형성된 심(seam)들(SP)을 가질 수 있다. 심들(SP)은 돌출부들(164)에 인접하는 연장부(162) 내에 위치할 수 있으며, 돌출부들(164) 각각에 대응되도록 서로 이격되어 위치할 수 있다. 심들(SP)은 연장부(162)의 y 방향을 따른 중심에서 돌출부들(164)을 향하여 쉬프트된 위치에 형성될 수 있다. 심들(SP)은 돌출부들(164)을 향하여 폭이 감소하는 형태를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 심들(SP)의 최대 길이(L3)는 돌출부들(164)의 길이(L1)보다 작을 수 있으며, 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다.
도 2a 및 도 2c에 도시된 것과 같이, 배리어 구조물(160)은 게이트 전극들(130)과 희생 절연층들(118)의 경계에 위치할 수 있다. 배리어 구조물(160)의 외측면은 게이트 전극들(130)과 접하고, 배리어 구조물(160)의 내측면은 희생 절연층들(118)과 접할 수 있다. 배리어 구조물(160)은 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)과 실질적으로 동일한 높이 레벨에 위치할 수 있다. 이는 배리어 구조물(160)이 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)과 동일한 공정 단계에서 형성된 트랜치 내에 형성되기 때문이다. 또한, 배리어 구조물(160)은, 제2 영역(R2)에서의 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)의 배치와 유사하게, 제2 수평 도전층(104)이 제2 기판(101)과 직접 접촉하는 영역에 배치될 수 있다. 이에 의해, 배리어 구조물(160)은 하단에서 제2 수평 도전층(104)을 관통하며 수평 도전층(104)과 접하고, 제1 수평 도전층(102) 및 수평 절연층(110)과는 이격될 수 있다.
도 2a의 확대도에 도시된 것과 같이, 배리어 구조물(160)은 측면들 및 바닥면을 따라 순차적으로 적층되는 제1 내지 제3 배리어층들(160L, 160M, 160H)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 배리어층들(160L, 160M, 160H)은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 심들(SP)은 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 제3 배리어층(160H) 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 배리어층들(160L, 160M)은 각각 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및 실리콘 산질화물 중 어느 하나를 포함하고, 제3 배리어층(160H)은 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 다만, 실시예들에서 배리어 구조물(160)의 내부 구조는 다양하게 변경될 수 있다.
반도체 장치(100)는 배리어 구조물(160)을 포함함으로써, 제조 공정 중에, 게이트 전극들(130)을 이루는 물질이 관통 배선 영역(TR) 내에 유입되지 않게 하며, 게이트 전극들(130)이 연장되는 영역을 제어할 수 있다. 다만, 배리어 구조물(160)은 외측면과 내측면이 접하는 적층 구조물의 물질이 다르므로, 이로 인하여 외측면과 내측면 상의 응력(stress)이 상이하여 물리적으로 취약한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 배리어 구조물(160)의 연장 방향을 따라 심(seam)이 발생하는 경우, 이로부터 배리어 구조물(160)에 크랙(crack)이 발생하는 등 불량이 유발될 수 있다. 하지만, 배리어 구조물(160)은 돌출부들(164)을 포함함으로써, 상대적으로 큰 폭(W3)을 갖는 영역에서 계속적으로 증착이 이루어져, 심들(SP)이 국부적으로 형성되고 서로 연결되지 않고 이격되어 위치하므로, 물리적 취약성이 개선될 수 있다. 또한, 돌출부들(164)의 형상 및 크기 등을 조절함으로써, 심들(SP)의 크기 및 위치를 제어할 수 있다.
시뮬레이션 결과에 따르면, 예시적인 실시예들의 배리어 구조물(160)에서는 심들(SP)을 국소화함으로써, 배리어 구조물(160)을 기준으로 양 측의 적층 구조물들에서 변형량이 균형있게 나타나고, 크랙이 개선되는 것을 확인하였다.
게이트 콘택 플러그들(175)은 도 2c에 도시된 것과 같이, 제2 영역(R2)에서 게이트 전극들(130) 중 상부로 상면이 노출된 게이트 전극들(130)과 연결될 수 있다.
배선 라인들(180)은 메모리 셀 구조물(CELL) 내의 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 상부 배선 구조물을 구성할 수 있다. 배선 라인들(180)은 예를 들어, 관통 콘택 플러그들(170), 게이트 전극들(130), 및 채널 구조물들(CH)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 배선 구조물을 구성하는 콘택 플러그들 및 배선 라인들의 개수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 배선 라인들(180)은 금속을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있다.
셀 영역 절연층(190)은 제2 기판(201), 제2 기판(201) 상의 게이트 전극들(130) 및 주변 영역 절연층(290)을 덮도록 배치될 수 있다. 셀 영역 절연층(190)은 절연성 물질로 이루어질 수 있으며, 복수의 절연층들로 이루어질 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 평면도들이다. 도 4a 및 도 4b는 도 1a의 'A' 영역을 확대하여 도시한다.
도 4a를 참조하면, 반도체 장치(100a)에서, 배리어 구조물(160a)의 돌출부들(164a)은 사각형 또는 이와 유사한 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 돌출부들(164a)은 연장부(162)의 연장 방향에 수직한 방향을 따른 폭이 일정한 영역을 가질 수 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 공정적인 요인으로 인하여, 돌출부들(164a)의 코너는 라운딩된 형태를 가질 수도 있을 것이다.
심들(SPa)은 돌출부들(164a)에 대응하도록 연장부(162) 내에 이격되어 형성되며, 돌출부들(164a)에 대응하는 형상 또는 도 4a에 도시된 것보다 상기 연장 방향에 수직한 방향으로 신장된(elongated) 형상을 가질 수 있다.
도 4b를 참조하면, 반도체 장치(100b)에서, 배리어 구조물(160b)의 돌출부들(164b)은 삼각형 또는 이와 유사한 형상을 가질 수 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 공정적인 용인으로 인하여, 돌출부들(164b)의 코너는 라운딩된 형태를 가질 수도 있을 것이다.
심들(SPb)은 돌출부들(164b)에 대응하도록 연장부(162) 내에 이격되어 형성되며, 돌출부들(164b)에 대응하는 형상 또는 그보다 굴곡진 형상을 가질 수 있다.
이와 같이, 예시적인 실시예들에서 돌출부들(164a, 164b)의 구체적인 형상은 다양하게 변경될 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 평면도이다. 도 5는 도 1a의 'A' 영역을 확대하여 도시한다.
도 5를 참조하면, 반도체 장치(100c)에서, 배리어 구조물(160c)의 돌출부들(164c)은 배리어 구조물(160c)의 내측면뿐 아니라 외측면에도 배치될 수 있다. 돌출부들(164c)은, 상기 내측면 및 상기 외측면 상에서, 서로 반대 방향으로 돌출되며 지그재그 형태로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 돌출부들(164c)은, 상기 내측면 및 상기 외측면 상에서, 연장부(162)의 연장 방향에 수직한 방향을 따라 일직선 상에 배치될 수도 있을 것이다.
심들(SPc)은 돌출부들(164c)에 대응하도록 연장부(162) 내에 이격되어 형성되며, 돌출부들(164c)을 향하여 폭이 감소하는 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 6a 내지 도 6c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 평면도들이다. 도 6a 내지 도 6c에서는 도 1a의 'A' 영역을 확대하여 도시한다.
도 6a를 참조하면, 반도체 장치(100d)에서, 배리어 구조물(160d)은 수평 영역들(160F)과 수직 영역들(160S)이 서로 이격된 형태를 가질 수 있다. 수평 영역들(160F)은 x 방향을 따라 인접하는 제2 보조 분리 영역들(MS2b)과 나란하게 일직선 상에 배치될 수 있다. 수직 영역들(160S)은 y 방향을 따라 연장되도록 수평 영역들(160F)의 사이에 배치될 수 있다. 실시예들에 따라, 수평 영역들(160F)과 수직 영역들(160S) 사이의 이격 거리는 다양하게 변경될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 반도체 장치(100e)에서, 배리어 구조물(160e)은 y 방향을 따라 인접하는 한 쌍의 제1 분리 영역들(MS1)을 가로지르도록 배치될 수 있다. 즉, 배리어 구조물(160e)은 y 방향으로 확장된 형태를 갖도록 배치될 수 있다. 다만, 이 경우, 도 1a에서와 같이 y 방향을 따라 인접하는 제2 영역(R2)에서는 배리어 구조물(160e) 및 관통 배선 영역(TR)이 배치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 관통 배선 영역(TR)이 복수의 메모리 블록 당 하나씩 배치되는 경우, 배리어 구조물(160e)의 배치가 이와 같이 변경될 수 있을 것이다.
도 6c를 참조하면, 반도체 장치(100f)에서, 배리어 구조물(160f)은, 도 1a의 실시예서와 달리, y 방향을 따라 감소된 길이를 갖도록 배치될 수 있다. 배리어 구조물(160f)의 수평 영역들 중 하나는 제2 중앙 분리 영역(MS2a)과 나란하게 배치되고 다른 하나는 제2 보조 분리 영역(MS2b)과 나란하게 배치될 수 있다. 이에 따라, y 방향을 따른 배리어 구조물(160f)의 일 측에서 배리어 구조물(160f)과 제1 분리 영역(MS1)의 사이에 제2 보조 분리 영역(MS2b)이 더 배치될 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 반도체 장치(100g)에서는, 게이트 전극들(130)의 적층 구조물이 수직하게 적층된 하부 및 상부 적층 구조물들로 이루어지고, 채널 구조물들(CHg)이 수직하게 적층된 제1 및 제2 채널 구조물들(CH1, CH2)을 포함할 수 있다. 더미 채널 구조물들(DCH)(도 2a 참조)도 채널 구조물들(CHg)과 동일한 형태로 배치될 수 있을 것이다. 이와 같은 채널 구조물들(CHg)의 구조는, 상대적으로 적층된 게이트 전극들(130)의 개수가 많은 경우에 채널 구조물들(CHg)을 안정적으로 형성하기 위하여 도입될 수 있다.
채널 구조물들(CHg)은 하부의 제1 채널 구조물들(CH1)과 상부의 제2 채널 구조물들(CH2)이 연결된 형태를 가질 수 있으며, 연결 영역에서 폭의 차이에 의한 절곡부를 가질 수 있다. 제1 채널 구조물(CH1)과 제2 채널 구조물(CH2)의 사이에서 채널층(140), 게이트 유전층(145), 및 채널 매립 절연층(150)이 서로 연결된 상태일 수 있다. 채널 패드(155)는 상부의 제2 채널 구조물(CH2)의 상단에만 배치될 수 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 제1 채널 구조물(CH1) 및 제2 채널 구조물(CH2)은 각각 채널 패드(155)를 포함할 수도 있으며, 이 경우, 제1 채널 구조물(CH1)의 채널 패드(155)는 제2 채널 구조물(CH2)의 채널층(140)과 연결될 수 있다. 상기 하부 적층 구조물의 최상부에는 상대적으로 두께가 두꺼운 상부 층간 절연층(125)이 배치될 수 있다. 다만, 층간 절연층들(120) 및 상부 층간 절연층(125)의 형태는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, z 방향을 따라 적층되는 적층 구조물의 개수 및 채널 구조물들의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.
도 8a 내지 도 13c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 평면도 및 단면도들이다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 제1 기판(201) 상에 회로 소자들(220) 및 하부 배선 구조물들을 포함하는 주변 회로 구조물(PERI)을 형성하고, 주변 회로 구조물(PERI)의 상부에 메모리 셀 구조물(CELL)이 제공되는 제2 기판(101), 수평 절연층(110), 제2 수평 도전층(104), 및 기판 절연층(109)을 형성한 후, 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)을 교대로 적층할 수 있다.
먼저, 제1 기판(201) 내에 소자 분리층들(210)을 형성하고, 제1 기판(201) 상에 회로 게이트 유전층(222) 및 회로 게이트 전극(225)을 순차적으로 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)과 회로 게이트 전극(225)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 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.
상기 하부 배선 구조물들 중 회로 콘택 플러그들(270)은 주변 영역 절연층(290)을 일부 형성한 후, 일부를 식각하여 제거하고 도전성 물질을 매립함으로써 형성할 수 있다. 회로 배선 라인들(280)은, 예를 들어, 도전성 물질을 증착한 후 이를 패터닝함으로써 형성할 수 있다.
주변 영역 절연층(290)은 복수 개의 절연층들로 이루어질 수 있다. 주변 영역 절연층(290)은 상기 하부 배선 구조물들을 형성하는 각 단계들에서 일부가 형성되고 최상부의 회로 배선 라인(280)의 상부에 일부를 형성함으로써, 최종적으로 회로 소자들(220) 및 상기 하부 배선 구조물들을 덮도록 형성될 수 있다.
다음으로, 제2 기판(201)은 주변 영역 절연층(290) 상에 형성될 수 있다. 제2 기판(201)은 예를 들어, 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있으며, CVD 공정에 의해 형성할 수 있다. 제2 기판(201)을 이루는 다결정 실리콘은 불순물을 포함할 수 있다.
수평 절연층(110)을 이루는 제1 내지 제3 수평 절연층들(111, 112, 113)은 순차적으로 제2 기판(201) 상에 적층될 수 있다. 수평 절연층(110)은 후속 공정을 통해 일부가 도 2b의 제1 수평 도전층(102)으로 교체되는 층들일 수 있다. 제1 및 제3 수평 절연층들(111, 113)은 제2 수평 절연층(112)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제3 수평 절연층들(111, 113)은 층간 절연층들(120)과 동일한 물질로 이루어지고, 제2 수평 절연층(112)은 희생 절연층들(118)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 수평 절연층(110)은 일부 영역들에서 패터닝 공정에 의해 제거될 수 있다.
제2 수평 도전층(104)은 수평 절연층(110) 상에 형성되며, 수평 절연층(110)이 제거된 영역에서 제2 기판(101)과 접촉될 수 있다. 이에 따라, 제2 수평 도전층(104)은 수평 절연층(110)의 단부들을 따라 절곡되며, 상기 단부들을 덮고 제2 기판(101) 상으로 연장될 수 있다.
기판 절연층(109)은 관통 배선 영역(TR)(도 2a 참조)에 해당하는 영역에서 제2 기판(201), 수평 절연층(110), 및 제2 수평 도전층(104)의 일부를 제거한 후, 절연 물질을 매립함으로써 형성할 수 있다. 기판 절연층(109)은 관통 배선 영역(TR)의 전체 영역에 걸쳐 형성되거나, 그보다 작게 형성될 수 있다. 상기 절연 물질의 매립 후, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정을 이용하여 평탄화 공정을 더 수행할 수 있다. 이에 의해 기판 절연층(109)의 상면은 제2 수평 도전층(104)의 상면과 실질적으로 공면을 이룰 수 있다.
다음으로, 희생 절연층들(118)은 후속 공정을 통해 일부가 게이트 전극들(130)(도 2a 참조)로 교체되는 층일 수 있다. 희생 절연층들(118)은 층간 절연층들(120)과 다른 물질로 이루어질 수 있으며, 층간 절연층들(120)에 대해 특정 식각 조건에서 식각 선택성을 가지고 식각될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 층간 절연층(120)은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 한가지로 이루어질 수 있고, 희생 절연층들(118)은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드 및 실리콘 질화물 중에서 선택되는 층간 절연층(120)과 다른 물질로 이루어질 수 있다. 실시예들에서, 층간 절연층들(120)의 두께는 모두 동일하지 않을 수 있다. 층간 절연층들(120) 및 희생 절연층들(118)의 두께 및 구성하는 막들의 개수는 도시된 것으로부터 다양하게 변경될 수 있다.
다음으로, 희생 절연층들(118)과 층간 절연층들(120)의 적층 구조물 상부를 덮는 셀 영역 절연층(190)을 형성할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)의 적층 구조물을 관통하는 채널 구조물들(CH)(도 2b 참조) 및 더미 채널 구조물들(DCH)을 형성하고, 상기 적층 구조물을 관통하는 개구부들(OP1, OP2)을 형성할 수 있다.
먼저, 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)의 일부를 제거하여 상부 분리 영역(SS)을 형성할 수 있다. 상부 분리 영역(SS)은, 별도의 마스크층을 이용하여 상부 분리 영역(SS)이 형성될 영역을 노출시키고, 최상부로부터 소정 개수의 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)을 제거하거 한 후, 절연 물질을 증착함으로써 형성할 수 있다. 상부 분리 영역(SS)은 도 2b의 상부 게이트 전극들(130U)이 형성되는 영역보다 z 방향을 따라 하부로 연장될 수 있다.
다음으로, 채널 구조물들(CH) 및 더미 채널 구조물들(DCH)은 희생 절연층들(118), 층간 절연층들(120), 및 수평 절연층(110)을 이방성 식각하여 형성할 수 있으며, 홀 형태의 채널 홀들을 형성한 후 이를 매립함으로써 형성될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 더미 채널 구조물들(DCH)은 채널 구조물들(CH)보다 큰 사이즈로 형성될 수 있다. 상기 적층 구조물의 높이로 인하여, 상기 채널 홀들의 측벽은 제2 기판(201)의 상면에 수직하지 않을 수 있다. 상기 채널 홀들은 제2 기판(201)의 일부를 리세스하도록 형성될 수 있다.
다음으로, 개구부들(OP1, OP2) 중 제1 개구부들(OP1)은 도 1a의 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)의 위치에 형성되고, 제2 개구부(OP2)는 도 1a의 배리어 구조물(160)의 위치에 형성될 수 있다. 개구부들(OP1, OP2)의 형성 전에, 채널 구조물들(CH) 및 더미 채널 구조물들(DCH) 상에 셀 영역 절연층(190)을 더 형성할 수 있다. 개구부들(OP1, OP2)은 포토 리소그래피 공정을 이용하여 마스크층을 형성하고, 상기 적층 구조물을 이방성 식각함으로써 형성될 수 있다. 제1 개구부들(OP1)은 x 방향으로 연장되는 트렌치 형태로 형성되고, 제2 개구부(OP2)는 사각링 또는 이와 유사한 형태로 형성될 수 있다. 제2 개구부(OP2)는 평면도 상에서 내측면에 돌출부들에 의한 굴곡을 가질 수 있다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 개구부들(OP1, OP2) 내에 제1 내지 제3 배리어층들(160L, 160M, 160H)을 적층하여 예비 배리어 구조물(160P)을 형성할 수 있다.
제1 내지 제3 배리어층들(160L, 160M, 160H)은 개구부들(OP1, OP2)의 내측면들 및 바닥면을 따라 순차적으로 적층될 수 있다. 제1 및 제2 배리어층들(160L, 160M)은 제3 배리어층(160H)에 비하여 상대적으로 얇게 형성될 수 있다. 제1 내지 제3 배리어층들(160L, 160M, 160H)은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 배리어층(160L)은 희생 절연층들(118)과 식각 선택성을 갖도록 희생 절연층들(118)과 다른 물질을 포함할 수 있다.
예비 배리어 구조물(160P) 내에는 중심을 포함하는 영역에 심들(SP)이 형성될 수 있다. 제2 개구부(OP2)는 돌출부들에 의해 폭이 상대적으로 큰 영역들을 포함하며, 상기 영역들에서 증착 물질을 지속적으로 공급받을 수 있다. 이에 따라, 상대적으로 폭이 작은 연장부(162P)에서 연속적으로 연장되는 심이 생기지 않고, 돌출부들(164P)에 대응하는 영역에서 연장부(162P) 내에만 심들(SP)이 국소적으로 형성될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 제1 개구부들(OP1)로부터 예비 배리어 구조물(160P)을 제거할 수 있다.
별도의 마스크층을 이용하여 제2 개구부(OP2)의 상부 영역을 덮고, 제1 개구부들(OP1)에서만 예비 배리어 구조물(160P)을 제거하여 제1 개구부들(OP1)을 다시 형성할 수 있다. 제2 개구부(OP2)에는 예비 배리어 구조물(160P)이 잔존하여 배리어 구조물(160)을 이룰 수 있다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 제1 수평 도전층(102)을 형성한 후, 제1 개구부들(OP1)을 통해 희생 절연층들(118)의 일부를 제거하여 터널부들(TL)을 형성할 수 있다.
먼저, 제1 개구부들(OP1) 내에 별도의 희생 스페이서층들을 형성하면서 에치-백(etch-back) 공정을 수행하여, 도 2b와 같은 제1 영역(R1)에서, 제2 수평 절연층(112)을 노출시킬 수 있다. 노출된 영역으로부터 제2 수평 절연층(112)을 선택적으로 제거하고, 그 후에 상하의 제1 및 제3 수평 절연층들(111, 113)을 제거할 수 있다.
제1 내지 제3 수평 절연층들(111, 112, 113)은 예를 들어, 습식 식각 공정에 의해 제거될 수 있다. 제1 및 제3 수평 절연층들(111, 113)의 제거 공정 시에, 제2 수평 절연층(112)이 제거된 영역에서 노출된 게이트 유전층(145)의 일부도 함께 제거될 수 있다. 제1 내지 제3 수평 절연층들(111, 112, 113)이 제거된 영역에 도전성 물질을 증착하여 제1 수평 도전층(102)을 형성한 후, 상기 개구부들 내에서 상기 희생 스페이서층들을 제거할 수 있다. 본 공정에 의해, 제1 영역(A)에는 제1 수평 도전층(102)이 형성될 수 있다.
다음으로, 희생 절연층들(118)은 관통 배선 영역(TR)(도 2a 참조)의 외측에서 제거될 수 있다. 관통 배선 영역(TR)에서는 희생 절연층들(118)이 잔존하여 층간 절연층들(120) 및 기판 절연층(109)과 함께 관통 배선 영역(TR)의 절연 영역(IR)을 이룰 수 있다. 희생 절연층들(118)은 예를 들어, 습식 식각을 이용하여, 층간 절연층들(120), 제2 수평 도전층(104), 및 기판 절연층(109)에 대하여 선택적으로 제거될 수 있다. 그에 따라 층간 절연층들(120) 사이에 복수의 터널부들(TL)이 형성될 수 있다.
관통 배선 영역(TR)이 형성되는 영역은 제1 개구부들(OP1)로부터 이격되어, 식각제가 도달하지 못함으로써 희생 절연층들(118)이 잔존할 수 있다. 따라서, 관통 배선 영역(TR)은 인접하는 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)의 사이에서 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)의 중앙에 형성될 수 있다. 또한, 배리어 구조물(160)에 의해 식각제의 유입이 차단되므로, 희생 절연층들(118)이 제거되는 영역이 더욱 정확하게 제어될 수 있다. 희생 절연층들(118)이 잔존하는 영역은 기판 절연층(109)이 배치되는 영역과 일치하지 않을 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 터널부들(TL)에 도전성 물질을 매립하여 게이트 전극들(130)을 형성하고, 제1 개구부들(OP1) 내에 분리 절연층(105)을 형성하고, 관통 배선 영역(TR)에 관통 콘택 플러그들(170)(도 2a 참조)을 형성하기 위한 비아 홀들(VH)을 형성할 수 있다.
게이트 전극들(130)을 이루는 상기 도전성 물질은 터널부들(TL)을 채울 수 있다. 상기 도전성 물질은 금속, 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드 물질을 포함할 수 있다. 게이트 전극들(130)의 측면은 배리어 구조물(160)의 측면과 접할 수 있다. 배리어 구조물(160)은 게이트 전극들(130)의 형성 시, 상기 도전성 물질이 관통 배선 영역(TR)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 게이트 전극들(130)을 형성한 후, 제1 개구부들(OP1) 내에 증착된 상기 도전성 물질을 추가적인 공정을 통하여 제거할 수도 있다. 분리 절연층(105)은 제1 개구부들(OP1)을 채우도록 형성할 수 있다.
비아 홀들(VH)의 형성 전에, 분리 절연층(105)을 덮도록 셀 영역 절연층(190)을 더 형성할 수 있다. 다음으로, 셀 영역 절연층(190) 및 절연 영역(IR)을 관통하는 비아 홀들(VH)을 형성할 수 있다. 비아 홀들(VH)의 하단에서는 주변 회로 구조물(PERI)의 회로 배선 라인(280)이 노출될 수 있다. 본 단계에서, 게이트 전극들(130)과 연결되는 게이트 콘택 플러그들(175)(도 2c 참조)을 형성하기 위한 홀들(PH)도 함께 형성될 수 있다.
다음으로, 도 1a 내지 도 2c를 함께 참조하면, 비아 홀들(VH)에 도전성 물질을 매립하여 관통 콘택 플러그들(170)을 형성함으로써 관통 배선 영역(TR)을 형성하고, 관통 콘택 플러그들(170)의 상단과 연결되는 배선 라인들(180)을 형성하여 반도체 장치(100)가 제조될 수 있다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14를 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.
반도체 장치(1100)는 비휘발성 메모리 장치일 수 있으며, 예를 들어, 도 1 내지 도 7을 참조하여 상술한 NAND 플래쉬 메모리 장치일 수 있다. 반도체 장치(1100)는 제1 구조물(110F) 및 제1 구조물(110F) 상의 제2 구조물(1100S)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 구조물(110F)은 제2 구조물(1100S)의 옆에 배치될 수도 있다. 제1 구조물(110F)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.
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.
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.
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.
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(110F) 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.
제1 구조물(110F)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(110F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 입출력 연결 배선(1135)을 통해 로직 회로(1130)와 전기적으로 연결될 수 있다.
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.
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.
도 15는 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 15를 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.
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.
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.
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.
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.
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 14의 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 7을 참조하여 상술한 반도체 장치를 포함할 수 있다.
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.
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.
도 16은 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 16은 도 15의 반도체 패키지(2003)의 예시적인 실시예를 설명하며, 도 15의 반도체 패키지(2003)를 절단선 Ⅳ-Ⅳ'를 따라 절단한 영역을 개념적으로 나타낸다.
도 16을 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 15 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 12와 같이 데이터 저장 시스템(2000)의 메인 기판(2010)의 배선 패턴들(2005)에 연결될 수 있다.
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 11 참조)과 전기적으로 연결되는 게이트 콘택 플러그들(3235)을 포함할 수 있다. 도 1a 내지 도 3을 참조하여 상술한 것과 같이, 반도체 칩들(2200) 각각에서 관통 배선 영역(TR)을 둘러싸는 배리어 구조물(160)은 돌출부를 갖는 내측면을 가질 수 있다.
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 15 참조)를 더 포함할 수 있다.
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.
CH: 채널 구조물 DCH: 더미 채널 구조물
GS: 적층 구조물 IR: 절연 영역
MS1, MS2a, MS2b: 분리 영역 SS: 상부 분리 영역
TR: 관통 배선 영역 101: 제2 기판
102, 104: 수평 도전층 105: 분리 절연층
109: 기판 절연층 110: 수평 절연층
118: 희생 절연층 120: 층간 절연층
130: 게이트 전극 140: 채널층
145: 게이트 유전층 150: 채널 매립 절연층
155: 채널 패드 160: 배리어 구조물
170: 관통 콘택 플러그 175: 게이트 콘택 플러그
178: 상부 플러그 180: 배선 라인
190: 셀 영역 절연층

Claims (20)

  1. 제1 기판 및 상기 제1 기판 상의 회로 소자들을 포함하는 주변 회로 구조물; 및
    상기 주변 회로 구조물 상에 배치되며 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 제2 기판, 상기 제1 영역 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되고 상기 제2 영역 상에서 제2 방향을 따라 계단 형태를 이루며 연장되는 게이트 전극들, 상기 게이트 전극들과 교대로 적층되는 층간 절연층들, 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들, 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제2 방향으로 연장되며 제3 방향에서 서로 이격되는 분리 영역들을 포함하는 메모리 셀 구조물을 포함하고,
    상기 제2 영역에서 상기 게이트 전극들과 나란하게 배치되며 상기 층간 절연층들과 교대로 적층되는 희생 절연층들 및 상기 게이트 전극들과 상기 회로 소자들을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그를 포함하는 관통 배선 영역을 가지며,
    상기 관통 배선 영역을 둘러싸도록 배치되며, 돌출부들을 갖는 내측면을 갖는 배리어 구조물을 더 포함하는 반도체 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 구조물의 외측면은 상기 게이트 전극들과 접하고, 상기 내측면은 상기 희생 절연층들과 접하는 반도체 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 구조물은, 제1 폭으로 연장되며, 상기 돌출부들에서 상기 제1 폭보다 큰 최대 폭인 제2 폭을 갖는 반도체 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 폭은 상기 제1 폭의 1.3 배 내지 2.5 배의 범위인 반도체 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 폭은 180 nm 내지 300 nm의 범위인 반도체 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 구조물은 상기 제2 방향으로 연장되는 수평 영역들 및 상기 제3 방향으로 연장되는 수직 영역들을 갖고, 상기 수평 영역들 및 상기 수직 영역들은 단일폐곡선을 이루는 반도체 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 수평 영역들에서, 상기 돌출부들은 각각 상기 제2 방향으로 돌출되고, 상기 수직 영역들에서, 상기 돌출부들은 각각 상기 제3 방향으로 돌출되는 반도체 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 수평 영역들은 인접하는 상기 분리 영역들과 일직선 상에 배치되는 반도체 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 돌출부들은 반원, 사각형, 삼각형, 또는 이와 유사한 형상을 갖는 반도체 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 구조물의 외측면은 평탄한 반도체 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 구조물은 상기 돌출부들 각각에 인접한 영역에 형성되며 서로 분리되어 위치하는 심(seam)들을 갖는 반도체 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 구조물의 외측면은, 상기 내측면의 상기 돌출부들과 반대 방향으로 돌출된 외측 돌출부들을 갖는 반도체 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 배리어 구조물은 측면들 및 바닥면을 따라 순차적으로 적층되며 서로 다른 물질을 포함하는 제1 배리어층, 제2 배리어층, 및 제3 배리어층을 포함하고,
    상기 제1 배리어층은 상기 희생 절연층들과 다른 물질을 포함하는 반도체 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 메모리 셀 구조물은, 상기 제2 기판 상에서 상기 게이트 전극들의 하부에 수평하게 배치되며 상기 채널 구조물들 각각의 상기 채널층과 직접 접촉하는 제1 수평 도전층 및 상기 제1 수평 도전층 상의 제2 수평 도전층을 더 포함하고,
    상기 배리어 구조물은 상기 제2 수평 도전층과 접하고 상기 제1 수평 도전층과 이격되는 반도체 장치.
  15. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상의 회로 소자들;
    상기 회로 소자들의 상부에 배치되는 제2 기판;
    상기 제2 기판 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들;
    상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들;
    상기 게이트 전극들을 관통하며 제2 방향으로 연장되는 분리 영역들;
    상기 제2 기판을 관통하여 상기 제1 방향으로 연장되며, 상기 게이트 전극들과 상기 회로 소자들을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그; 및
    상기 관통 콘택 플러그로부터 이격되어 상기 관통 콘택 플러그를 둘러싸도록 배치되며, 제1 폭을 갖는 제1 영역들 및 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 제2 영역들을 갖는 배리어 구조물을 포함하는 반도체 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 배리어 구조물은, 연장 방향에 수직한 방향을 따라 상기 제1 폭을 갖는 연장부 및 상기 연장부로부터 상기 제1 폭보다 작은 제3 폭을 갖도록 돌출된 돌출부들을 포함하는 반도체 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 돌출부들은, 상기 배리어 구조물에서, 상기 관통 콘택 플러그를 향하는 내측면 상에 서로 이격되어 배치되는 반도체 장치.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 배리어 구조물은, 상기 돌출부들과 인접하여 상기 연장부에 형성된 심(seam)들을 갖는 반도체 장치.
  19. 제1 기판; 상기 제1 기판 상의 회로 소자들; 상기 회로 소자들의 상부에 배치되는 제2 기판; 상기 제2 기판 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들; 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 상기 게이트 전극들을 관통하며 제2 방향으로 연장되는 분리 영역들; 상기 제2 기판을 관통하여 상기 제1 방향으로 연장되며, 상기 게이트 전극들과 상기 회로 소자들을 전기적으로 연결하는 관통 콘택 플러그; 상기 관통 콘택 플러그로부터 이격되어 상기 관통 콘택 플러그를 둘러싸도록 배치되며, 제1 폭을 갖는 제1 영역들 및 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 제2 영역들을 갖는 배리어 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 포함하는 데이터 저장 시스템.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 반도체 저장 장치에서, 상기 배리어 구조물의 상기 제2 영역들 각각은, 상기 배리어 구조물의 내측면으로 돌출된 돌출부를 갖는 데이터 저장 시스템.
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