KR20220159313A - Semiconductor devices and data storage systems including the same - Google Patents

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KR20220159313A
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김지원
김도형
김지영
성석강
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삼성전자주식회사
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Abstract

A semiconductor device according to an embodiment of the present invention comprises: a first substrate structure including a substrate, circuit elements disposed on the substrate, and first bonding metal layers disposed on the circuit elements; and a second substrate structure connected to the first substrate structure on the first substrate structure and having a first region and a second region. The second substrate structure comprises: a plate layer; gate electrodes stacked under the plate layer to be spaced apart from each other in a first direction vertical to the lower surface of the plate layer and extended to different lengths in a second direction on the second region to form pad regions of different levels; channel structures, on the first region, penetrating the gate electrodes, extended in the first direction, and including channel layers; vertical structures, on the second region, penetrating the pad regions of the gate electrodes and extended in the first direction; input/output pad structures at least partially disposed on the plate layer; and second bonding metal layers disposed under the gate electrodes and connected to the first bonding metal layers. The vertical structures include: gate contact plugs connected to the gate electrodes on the pad regions; input/output contact plugs connected to the input/output pad structures; and dummy vertical structures each including an insulation layer, The pad regions include a first pad region. At least one of the gate contact plugs and at least one of the input/output contact plugs are disposed to penetrate the first pad region. The degree of integration can be enhanced.

Description

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

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

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

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

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

예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는, 기판, 상기 기판 상에 배치되는 회로 소자들, 및 상기 회로 소자들 상에 배치되는 제1 본딩 금속층들을 포함하는 제1 기판 구조물, 및 상기 제1 기판 구조물 상에서 상기 제1 기판 구조물과 연결되며, 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 제2 기판 구조물을 포함하고, 상기 제2 기판 구조물은, 플레이트층, 상기 플레이트층의 아래에서 상기 플레이트층의 하면에 수직한 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되며, 상기 제2 영역에서 제2 방향을 따라 서로 다른 길이로 연장되어 서로 다른 레벨의 패드 영역들을 이루는 게이트 전극들, 상기 제1 영역에서, 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들, 상기 제2 영역에서, 상기 게이트 전극들의 패드 영역들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되는 수직 구조물들, 상기 플레이트층 상에 적어도 일부가 배치되는 입출력 패드 구조물들, 및 상기 게이트 전극들의 아래에 배치되며 상기 제1 본딩 금속층들과 연결되는 제2 본딩 금속층들을 포함하고, 상기 수직 구조물들은, 상기 패드 영역들에서 상기 게이트 전극들과 연결되는 게이트 콘택 플러그들, 상기 입출력 패드 구조물들과 연결되는 입출력 콘택 플러그들, 및 절연층을 각각 포함하는 더미 수직 구조물들을 포함하고, 상기 패드 영역들은 제1 패드 영역을 포함하고, 상기 게이트 콘택 플러그들 중 적어도 하나 및 상기 입출력 콘택 플러그들 중 적어도 하나는 상기 제1 패드 영역을 관통하도록 배치될 수 있다.A semiconductor device according to example embodiments includes a first substrate structure including a substrate, circuit elements disposed on the substrate, and first bonding metal layers disposed on the circuit elements, and the first substrate structure. connected to the first substrate structure on the top and including a second substrate structure having a first region and a second region, the second substrate structure comprising: a plate layer, perpendicular to a lower surface of the plate layer below the plate layer; gate electrodes spaced apart from each other along a first direction and extending to different lengths along a second direction in the second region to form pad regions of different levels; in the first region, the gate electrodes Channel structures penetrating and extending along the first direction and each including a channel layer, vertical structures penetrating pad areas of the gate electrodes in the second region and extending along the first direction, the plate layer input/output pad structures having at least a portion disposed thereon, and second bonding metal layers disposed below the gate electrodes and connected to the first bonding metal layers, the vertical structures comprising the gate electrodes in the pad regions. dummy vertical structures each including gate contact plugs connected to electrodes, input/output contact plugs connected to the input/output pad structures, and an insulating layer, wherein the pad areas include a first pad area; At least one of the gate contact plugs and at least one of the input/output contact plugs may be disposed to pass through the first pad region.

예시적인 실시예들에 따른 데이터 저장 시스템은, 회로 소자들 및 제1 본딩 금속층들을 포함하는 제1 기판 구조물과, 게이트 전극들, 상기 제1 본딩 금속층들과 연결되는 제2 본딩 금속층들, 및 상기 회로 소자들과 전기적으로 연결되는 입출력 패드를 포함하며, 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 제2 기판 구조물을 포함하는 반도체 저장 장치, 및 상기 입출력 패드를 통하여 상기 반도체 저장 장치와 전기적으로 연결되며, 상기 반도체 저장 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 제2 기판 구조물은, 플레이트층, 상기 플레이트층의 아래에서 상기 플레이트층의 하면에 수직한 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되며, 상기 제2 영역에서 제2 방향을 따라 서로 다른 길이로 연장되어 패드 영역들을 이루는 게이트 전극들, 상기 제1 영역에서, 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들, 상기 제2 영역에서, 상기 패드 영역들에서 상기 게이트 전극들과 연결되며 상기 제1 방향을 따라 연장되는 게이트 콘택 플러그들, 상기 제2 영역에서, 상기 패드 영역들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되는 입출력 콘택 플러그들, 상기 제2 영역에서, 상기 패드 영역들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고, 절연층을 각각 포함하는 더미 수직 구조물들, 및 상기 게이트 전극들의 아래에 배치되며 상기 제1 본딩 금속층들과 연결되는 제2 본딩 금속층들을 포함하고, 상기 게이트 콘택 플러그들, 상기 입출력 콘택 플러그들, 및 상기 더미 수직 구조물들의 상단들은 상기 플레이트층의 하면 상에 위치할 수 있다.A data storage system according to example embodiments includes a first substrate structure including circuit elements and first bonding metal layers, gate electrodes, second bonding metal layers connected to the first bonding metal layers, and the A semiconductor storage device including an input/output pad electrically connected to circuit elements and including a second substrate structure having a first region and a second region, and electrically connected to the semiconductor storage device through the input/output pad, and a controller for controlling the semiconductor storage device, wherein the second substrate structure is spaced apart from each other and stacked along a first direction perpendicular to a lower surface of the plate layer below the plate layer, and the second substrate structure gate electrodes extending from a region to different lengths along a second direction to form pad regions; a channel structure in the first region, penetrating the gate electrodes and extending along the first direction, each including a channel layer; gate contact plugs, in the second region, connected to the gate electrodes in the pad regions and extending along the first direction, penetrating the pad regions in the second region and extending in the first direction; input/output contact plugs extending along, in the second region, dummy vertical structures penetrating the pad regions and extending along the first direction, each including an insulating layer, and disposed below the gate electrodes and Second bonding metal layers may be connected to the first bonding metal layers, and upper ends of the gate contact plugs, the input/output contact plugs, and the dummy vertical structures may be positioned on a lower surface of the plate layer.

두 개 이상의 기판 구조물이 접합된 구조에서, 게이트 패드들을 관통하도록 게이트 콘택 플러그들, 입출력 콘택 플러그들, 및 더미 수직 구조물들을 배치함으로써, 집적도가 향상된 반도체 장치 및 이를 포함하는 데이터 저장 시스템이 제공될 수 있다.In a structure in which two or more substrate structures are bonded, gate contact plugs, input/output contact plugs, and dummy vertical structures are arranged to pass through gate pads, thereby providing a semiconductor device with improved integration and a data storage system including the same. have.

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

도 1a 및 도 1b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도 및 부분 확대도이다.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도 및 부분 확대도이다.
도 3a 내지 도 3c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 부분 확대도들이다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 부분 확대도들이다.
도 5a 내지 도 5j는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
1A and 1B are schematic plan views and partially enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments.
2A and 2B are schematic cross-sectional and partially enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments.
3A to 3C are schematic partial enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments.
4A and 4B are schematic partial enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments.
5A to 5J are schematic cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.
6 is a diagram schematically illustrating a data storage system including a semiconductor device according to example embodiments.
7 is a perspective view schematically illustrating a data storage system including a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
8 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor package according to an exemplary embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다. 이하에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면부호로 표기되어 별도로 지칭되는 경우를 제외하고, 도면을 기준으로 지칭하는 것으로 이해될 수 있다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described as follows. Hereinafter, terms such as 'upper', 'top', 'top', 'bottom', 'bottom', 'bottom', and 'side' are indicated by reference numerals and are based on drawings, except where otherwise indicated. It can be understood as referring to.

도 1a 및 도 1b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도 및 부분 확대도이다. 도 1b는 도 1a의 'A' 영역을 확대하여 도시한다.1A and 1B are schematic plan views and partially enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments. FIG. 1B is an enlarged view of area 'A' of FIG. 1A.

도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도 및 부분 확대도이다. 도 2b는 도 2a의 'B' 영역을 확대하여 도시한다.2A and 2B are schematic cross-sectional and partially enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments. FIG. 2B is an enlarged view of area 'B' of FIG. 2A.

도 1a 내지 도 2b를 참조하면, 반도체 장치(100)는 상하로 적층된 제1 및 제2 기판 구조물들(S1, S2)을 포함한다. 제1 기판 구조물(S1)은 주변 회로 영역을 포함할 수 있다. 제2 기판 구조물(S2)은 메모리 셀 영역을 포함할 수 있다. 도 1a 및 도 1b에서는, 제1 및 제2 기판 구조물들(S1, S2)의 계면으로부터 제2 기판 구조물(S2)을 바라본 방향에서의 평면을 도시하며, 셀 콘택 플러그들(170) 및 셀 배선 라인들(180)을 포함하는 일부 구성들을 제외하고 도시한다.Referring to FIGS. 1A to 2B , the semiconductor device 100 includes first and second substrate structures S1 and S2 stacked vertically. The first substrate structure S1 may include a peripheral circuit area. The second substrate structure S2 may include a memory cell area. 1A and 1B show a plane viewed from the interface of the first and second substrate structures S1 and S2 toward the second substrate structure S2, and the cell contact plugs 170 and the cell wiring. It is shown except for some configurations including lines 180 .

제1 기판 구조물(S1)은, 기판(201), 기판(201) 내의 소스/드레인 영역들(205) 및 소자 분리층들(207), 기판(201) 상에 배치된 회로 소자들(220), 회로 콘택 플러그들(270), 회로 배선 라인들(280), 주변 영역 절연층(290), 제1 본딩 비아들(295), 제1 본딩 금속층들(298), 및 제1 본딩 절연층(299)을 포함할 수 있다.The first substrate structure S1 includes a substrate 201, source/drain regions 205 and device isolation layers 207 in the substrate 201, and circuit elements 220 disposed on the substrate 201. , circuit contact plugs 270, circuit wiring lines 280, peripheral region insulating layer 290, first bonding vias 295, first bonding metal layers 298, and first bonding insulating layer ( 299) may be included.

기판(201)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 기판(201)에는 소자 분리층들(207)이 형성되어 활성 영역이 정의될 수 있다. 상기 활성 영역의 일부에는 불순물을 포함하는 소스/드레인 영역들(205)이 배치될 수 있다. 기판(201)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(201)은 단결정의 벌크 웨이퍼로 제공될 수 있다.The substrate 201 may have an upper surface extending in the x and y directions. Device isolation layers 207 may be formed on the substrate 201 to define an active region. Source/drain regions 205 containing impurities may be disposed in a portion of the active region. The substrate 201 may include a semiconductor material, such as a Group IV semiconductor, a Group III-V compound semiconductor, or a Group II-VI compound semiconductor. For example, the substrate 201 may be provided as a single crystal bulk wafer.

회로 소자들(220)은 수평(planar) 트랜지스터를 포함할 수 있다. 각각의 회로 소자들(220)은 회로 게이트 유전층(222), 스페이서층들(224) 및 회로 게이트 전극(225)을 포함할 수 있다. 회로 게이트 전극(225)의 양 측에서 기판(201) 내에는 소스/드레인 영역들(205)이 배치될 수 있다.The circuit elements 220 may include planar transistors. Each of the circuit elements 220 may include a circuit gate dielectric layer 222 , spacer layers 224 , and a circuit gate electrode 225 . Source/drain regions 205 may be disposed in the substrate 201 at both sides of the circuit gate electrode 225 .

주변 영역 절연층(290)이 기판(201) 상에서 회로 소자(220) 상에 배치될 수 있다. 회로 콘택 플러그들(270) 및 회로 배선 라인들(280)은 제1 기판 구조물(S1)의 제1 배선 구조물을 구성할 수 있다. 회로 콘택 플러그들(270)은 원기둥 형상을 가지며, 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, 라인 형태를 갖고, 복수의 층으로 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 회로 콘택 플러그들(270) 및 회로 배선 라인들(280)의 층 수는 다양하게 변경될 수 있다.A peripheral region insulating layer 290 may be disposed on the circuit element 220 on the substrate 201 . The circuit contact plugs 270 and the circuit wiring lines 280 may constitute a first wiring structure of the first substrate structure S1. The circuit contact plugs 270 may have a cylindrical shape and may be connected to the source/drain regions 205 by penetrating the peripheral insulating layer 290 . Electrical signals may be applied to the circuit element 220 through the circuit contact plugs 270 . In an area not shown, circuit contact plugs 270 may also be connected to the circuit gate electrode 225 . The circuit wiring lines 280 may be connected to the circuit contact plugs 270, have a line shape, and may be arranged in a plurality of layers. In example embodiments, the number of layers of the circuit contact plugs 270 and the circuit wiring lines 280 may be variously changed.

제1 본딩 비아들(295), 제1 본딩 금속층들(298), 및 제1 본딩 절연층(299)은, 제1 본딩 구조물을 구성하며, 최상부의 회로 배선 라인들(280)의 일부 상에 배치될 수 있다. 제1 본딩 비아들(295)은 원기둥 형상을 갖고, 제1 본딩 금속층들(298)은 라인 형태를 가질 수 있다. 제1 본딩 금속층들(298)의 상면들 및 제1 본딩 절연층(299)의 상면은 제1 기판 구조물(S1)의 상면으로 노출될 수 있다. 제1 본딩 비아들(295), 제1 본딩 금속층들(298), 및 제1 본딩 절연층(299)은 제1 기판 구조물(S1)과 제2 기판 구조물(S2)의 본딩 구조물 또는 본딩층으로 기능할 수 있다. 또한, 제1 본딩 비아들(295) 및 제1 본딩 금속층들(298)은 제2 기판 구조물(S2)과의 전기적 연결 경로를 제공할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 본딩 금속층들(298) 중 일부는 하부의 회로 배선 라인들(280)과 연결되지 않고 본딩을 위해서만 배치될 수도 있다. 제1 본딩 비아들(295) 및 제1 본딩 금속층들(298)은 도전성 물질, 예를 들어, 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 제1 본딩 절연층(299)은 제1 본딩 금속층들(298)의 둘레에 배치될 수 있다. 제1 본딩 절연층(299)은 제1 본딩 금속층들(298)의 확산 방지층으로도 기능할 수 있으며, 예를 들어, SiO, SiN, SiCN, SiOC, SiON, 및 SiOCN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The first bonding vias 295, the first bonding metal layers 298, and the first bonding insulating layer 299 constitute a first bonding structure, and are formed on a part of the uppermost circuit wiring lines 280. can be placed. The first bonding vias 295 may have a cylindrical shape, and the first bonding metal layers 298 may have a line shape. Top surfaces of the first bonding metal layers 298 and top surfaces of the first bonding insulating layer 299 may be exposed as a top surface of the first substrate structure S1 . The first bonding vias 295, the first bonding metal layers 298, and the first bonding insulating layer 299 are bonding structures or bonding layers of the first substrate structure S1 and the second substrate structure S2. can function Also, the first bonding vias 295 and the first bonding metal layers 298 may provide an electrical connection path with the second substrate structure S2. In example embodiments, some of the first bonding metal layers 298 may be disposed only for bonding without being connected to the lower circuit wiring lines 280 . The first bonding vias 295 and the first bonding metal layers 298 may include a conductive material, such as copper (Cu). The first bonding insulating layer 299 may be disposed around the first bonding metal layers 298 . The first bonding insulating layer 299 may also function as a diffusion barrier layer of the first bonding metal layers 298, and may include, for example, at least one of SiO, SiN, SiCN, SiOC, SiON, and SiOCN. have.

제2 기판 구조물(S2)은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)을 가질 수 있으며, 플레이트층(101), 플레이트층(101)의 하면 상에 적층된 게이트 전극들(130), 게이트 전극들(130)과 교대로 적층되는 층간 절연층들(120), 게이트 전극들(130)을 관통하여 일 방향으로 연장되는 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b), 제1 영역(R1)에서 게이트 전극들(130)을 관통하도록 배치되는 채널 구조물들(CH), 및 제2 영역(R2)에서 플레이트층(101)과 게이트 전극들(130)을 관통하도록 배치되는 수직 구조물들(150), 및 입출력 패드 구조물들(210)을 포함할 수 있다. 제2 기판 구조물(S2)은, 제2 배선 구조물로서, 제2 영역(R2)에서 게이트 전극들(130)과 연결되는 셀 콘택 플러그들(170) 및 셀 배선 라인들(180)을 더 포함하고, 제2 본딩 구조물로서, 제2 본딩 비아들(195), 제2 본딩 금속층들(198), 및 제2 본딩 절연층(199)을 더 포함할 수 있다. 제2 기판 구조물(S2)은 제1 콘택 절연층들(160), 상부 콘택 절연층들(161), 제2 콘택 절연층들(162), 셀 영역 절연층(190), 상부 층간 절연층(202), 및 패시베이션층(204)을 더 포함할 수 있다. The second substrate structure S2 may have a first region R1 and a second region R2, a plate layer 101, gate electrodes 130 stacked on a lower surface of the plate layer 101, interlayer insulating layers 120 alternately stacked with the gate electrodes 130, first and second separation regions MS1, MS2a, and MS2b extending in one direction through the gate electrodes 130; Channel structures CH disposed to penetrate the gate electrodes 130 in the first region R1, and vertical channels disposed to pass through the plate layer 101 and the gate electrodes 130 in the second region R2. structures 150 and input/output pad structures 210 . The second substrate structure S2 is a second wiring structure, and further includes cell contact plugs 170 and cell wiring lines 180 connected to the gate electrodes 130 in the second region R2. , as the second bonding structure, second bonding vias 195 , second bonding metal layers 198 , and a second bonding insulating layer 199 may be further included. The second substrate structure S2 includes first contact insulating layers 160, upper contact insulating layers 161, second contact insulating layers 162, a cell region insulating layer 190, an upper interlayer insulating layer ( 202), and a passivation layer 204 may be further included.

제1 영역(R1)은 게이트 전극들(130)이 수직하게 적층되며 채널 구조물들(CH)이 배치되는 영역으로 메모리 셀들이 배치되는 영역일 수 있다. 제2 영역(R2)은 게이트 전극들(130)이 서로 다른 길이로 연장되어 서로 다른 레벨의 패드 영역들(PAD)을 이루는 영역으로 상기 메모리 셀들을 제1 기판 구조물(S1)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 위치할 수 있다. The first region R1 is a region in which the gate electrodes 130 are vertically stacked and the channel structures CH are disposed, and may be a region in which memory cells are disposed. The second region R2 is a region in which the gate electrodes 130 extend to different lengths to form pad regions PAD at different levels, and electrically connects the memory cells to the first substrate structure S1. It may correspond to the area for The second region R2 may be positioned at at least one end of the first region R1 in at least one direction, for example, the x direction.

플레이트층(101)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 플레이트층(101)은 반도체 장치(100)의 공통 소스 라인으로 기능할 수 있다. 플레이트층(101)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 플레이트층(101)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. 플레이트층(101)은 불순물들을 더 포함할 수 있다. 플레이트층(101)은 다결정 실리콘층과 같은 다결정 반도체층 또는 에피택셜층으로 제공될 수 있다.The plate layer 101 may have upper surfaces extending in the x and y directions. The plate layer 101 may function as a common source line of the semiconductor device 100 . The plate layer 101 may include a conductive material. For example, the plate layer 101 may include a semiconductor material, such as a Group IV semiconductor, a Group III-V compound semiconductor, or a Group II-VI compound semiconductor. For example, the group IV semiconductor may include silicon, germanium, or silicon-germanium. The plate layer 101 may further include impurities. The plate layer 101 may be provided with a polycrystalline semiconductor layer such as a polycrystalline silicon layer or an epitaxial layer.

게이트 전극들(130)은 플레이트층(101)의 하면 상에 수직으로 이격되어 적층되어 층간 절연층들(120)과 함께 적층 구조물을 이룰 수 있다. 상기 적층 구조물은 수직하게 적층되며 각각 제1 및 제2 채널 구조물들(CH1, CH2)을 둘러싸는 하부 및 상부 적층 구조물들을 포함할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 상기 적층 구조물은 단일 적층 구조물로 이루어질 수도 있을 것이다.The gate electrodes 130 may be vertically spaced apart and stacked on the lower surface of the plate layer 101 to form a stacked structure together with the interlayer insulating layers 120 . The stacked structure may include lower and upper stacked structures that are vertically stacked and surround the first and second channel structures CH1 and CH2, respectively. However, according to embodiments, the laminated structure may be formed of a single laminated structure.

게이트 전극들(130)은 접지 선택 트랜지스터의 게이트를 이루는 적어도 하나의 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. 여기에서, 상기 하부 및 상부 적층 구조물들, 하부 게이트 전극(130L), 및 상부 게이트 전극들(130U)은 제조 공정 시를 방향을 기준으로 "하부" 및 "상부"로 지칭된 것일 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 아래 및/또는 하부 게이트 전극(130L) 상에 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.The gate electrodes 130 include at least one lower gate electrode 130L forming a gate of a ground select transistor, memory gate electrodes 130M forming a plurality of memory cells, and upper gate electrodes forming gates of string select transistors. (130U). Here, the lower and upper stacked structures, the lower gate electrode 130L, and the upper gate electrodes 130U may be referred to as "lower" and "upper" based on a direction during a manufacturing process. The number of memory gate electrodes 130M constituting memory cells may be determined according to the capacity of the semiconductor device 100 . According to exemplary embodiments, the number of upper and lower gate electrodes 130U and 130L may be 1 to 4 or more, and may have the same structure as or a different structure from the memory gate electrodes 130M. In example embodiments, the gate electrodes 130 are disposed under the upper gate electrodes 130U and/or on the lower gate electrode 130L to prevent a gate induced drain leakage (GIDL) phenomenon. A gate electrode 130 constituting an erase transistor used for an erase operation may be further included. Also, some of the gate electrodes 130 , eg, memory gate electrodes 130M adjacent to the upper or lower gate electrodes 130U and 130L may be dummy gate electrodes.

도 1a에 도시된 것과 같이, 게이트 전극들(130)은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)에서 연속적으로 연장되는 제1 분리 영역들(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 각각 하나의 층을 이룰 수 있다.As shown in FIG. 1A , the gate electrodes 130 are separated from each other in the y direction by first separation regions MS1 continuously extending from the first region R1 and the second region R2. can be placed. The gate electrodes 130 between the pair of first separation regions MS1 may form one memory block, but the range of the memory block is not limited thereto. Some of the gate electrodes 130, eg, the memory gate electrodes 130M, may each form one layer within one memory block.

게이트 전극들(130)은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2) 상에 수직하게 서로 이격되어 적층되며, 제1 영역(R1)으로부터 제2 영역(R2)으로 서로 다른 길이로 연장되어 제2 영역(R2)의 일부에서 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. 게이트 전극들(130)은 y 방향에서도 서로 단차 구조를 가지도록 배치될 수 있다. 상기 단차 구조에 의해, 게이트 전극들(130)은 상부의 게이트 전극(130)이 하부의 게이트 전극(130)보다 길게 연장되어, 층간 절연층들(120) 및 다른 게이트 전극들(130)로부터 아래로 하면들이 노출되는 영역들을 각각 가질 수 있으며, 상기 영역들은 패드 영역들(PAD)로 지칭될 수 있다. 각각의 게이트 전극(130)에서, 패드 영역(PAD)은 x 방향을 따른 게이트 전극(130)의 단부를 포함하는 영역일 수 있다. 패드 영역(PAD)은, 제2 영역(R2)에서 상기 적층 구조물을 이루는 게이트 전극들(130) 중, 각 영역에서 최하부에 위치하는 게이트 전극(130)의 일 영역에 해당할 수 있다. 게이트 전극들(130)은 패드 영역들(PAD)에서 수직 구조물들(150) 중 게이트 콘택 플러그들(152)과 각각 물리적 및 전기적으로 연결될 수 있다. 게이트 전극들(130)은 패드 영역들(PAD)에서 증가된 두께를 가질 수 있다.The gate electrodes 130 are vertically spaced apart from each other and stacked on the first region R1 and the second region R2, and extend with different lengths from the first region R1 to the second region R2. In a part of the second region R2, a stepped structure may be formed. The gate electrodes 130 may be arranged to have a stepped structure in the y-direction as well. Due to the stepped structure, in the gate electrodes 130, the upper gate electrode 130 extends longer than the lower gate electrode 130, so that the interlayer insulating layers 120 and the other gate electrodes 130 are below the gate electrodes 130. Each of the lower surfaces may have areas exposed, and the areas may be referred to as pad areas PAD. In each gate electrode 130 , the pad area PAD may be an area including an end of the gate electrode 130 along the x direction. The pad region PAD may correspond to one region of the gate electrode 130 positioned at the lowermost part of each region among the gate electrodes 130 constituting the stacked structure in the second region R2 . The gate electrodes 130 may be physically and electrically connected to the gate contact plugs 152 of the vertical structures 150 in the pad regions PAD, respectively. The gate electrodes 130 may have an increased thickness in the pad areas PAD.

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.The gate electrodes 130 may include a metal material, such as tungsten (W). Depending on the embodiment, the gate electrodes 130 may include polycrystalline silicon or a metal silicide material. In example embodiments, the gate electrodes 130 may further include a diffusion barrier. For example, the diffusion barrier may include tungsten nitride (WN), tantalum nitride (TaN), or titanium nitride (TiN). , or a combination thereof.

층간 절연층들(120)은 게이트 전극들(130)의 사이에 배치될 수 있다. 층간 절연층들(120)도 게이트 전극들(130)과 마찬가지로 플레이트층(101)의 하면에 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 interlayer insulating layers 120 may be disposed between the gate electrodes 130 . Like the gate electrodes 130 , the interlayer insulating layers 120 may be spaced apart from each other in a direction perpendicular to the lower surface of the plate layer 101 and may be disposed to extend in the x direction. The interlayer insulating layers 120 may include an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride.

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 플레이트층(101) 상에 적층된 게이트 전극들(130) 전체를 관통하고, 플레이트층(101)과 연결될 수 있다. 제1 분리 영역들(MS1)은 x 방향을 따라 하나로 연장되고, 제2 분리 영역들(MS2a, MS2b)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 절연 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.The first and second isolation regions MS1 , MS2a , and MS2b may pass through the gate electrodes 130 and extend along the x direction. The first and second separation regions MS1 , MS2a , and MS2b may be disposed parallel to each other. The first and second separation regions MS1 , MS2a , and MS2b may pass through the entirety of the gate electrodes 130 stacked on the plate layer 101 and be connected to the plate layer 101 . The first separation regions MS1 extends as one along the x direction, and the second separation regions MS2a and MS2b intermittently extend between the pair of first separation regions MS1 or only in a partial region. can be placed. For example, the second central separation regions MS2a may extend as one in the first region R1 and intermittently extend in the x direction in the second region R2. The second auxiliary separation regions MS2b may be disposed only in the second region R2 and intermittently extend along the x direction. However, in embodiments, the arrangement order and number of the first and second separation regions MS1 , MS2a , and MS2b are not limited to those shown in FIG. 1A . The first and second separation regions MS1 , MS2a , and MS2b may include an insulating material, for example, silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride.

채널 구조물들(CH)은 각각 하나의 메모리 셀 스트링을 이루며, 제1 영역(R1)에서 플레이트층(101)의 하면 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 플레이트층(101)에 가까울수록 폭이 좁아지도록 경사진 측면을 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 채널 구조물들(CH) 중 일부는 실질적으로 메모리 셀 스트링을 이루지 않는 더미 채널일 수 있으며, 예를 들어, 제2 영역(R2)과 인접하게 배치되는 일부는 더미 채널일 수 있다. The channel structures CH form one memory cell string, and may be spaced apart from each other while forming rows and columns on the lower surface of the plate layer 101 in the first region R1 . The channel structures CH may be arranged to form a lattice pattern or may be arranged in a zigzag shape in one direction. The channel structures CH may have a columnar shape and may have inclined side surfaces such that the width becomes narrower closer to the plate layer 101 according to an aspect ratio. In example embodiments, some of the channel structures CH may be dummy channels that do not substantially form memory cell strings. For example, some of the channel structures CH disposed adjacent to the second region R2 may be dummy channels. can

채널 구조물들(CH) 각각은 게이트 전극들(130)의 상기 하부 및 상부 적층 구조물들을 각각 관통하는 제1 및 제2 채널 구조물들(CH1, CH2)이 연결된 형태를 가질 수 있으며, 연결 영역에서 폭의 차이 또는 변경에 의한 절곡부를 가질 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, z 방향을 따라 적층되는 채널 구조물들의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.Each of the channel structures CH may have a shape in which first and second channel structures CH1 and CH2 penetrating the lower and upper stacked structures of the gate electrodes 130 are connected, and have a width in the connection region. may have a bent part due to a difference or change of However, according to embodiments, the number of channel structures stacked along the z-direction may be variously changed.

채널 구조물들(CH) 각각은 채널 홀 내에 배치된 채널층(140), 게이트 유전층(145), 채널 매립 절연층(147), 및 채널 패드(149)를 포함할 수 있다. 채널층(140)은 내부의 채널 매립 절연층(147)을 둘러싸는 환형(annular)으로 형성될 수 있으나, 실시예에 따라 채널 매립 절연층(147)이 없이 원기둥 또는 각기둥과 같은 기둥 형상을 가질 수도 있다. 채널층(140)은 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 채널층(140)은 상단을 통해 노출되어 플레이트층(101)과 연결될 수 있다.Each of the channel structures CH may include a channel layer 140 , a gate dielectric layer 145 , a channel filling insulating layer 147 , and a channel pad 149 disposed in a channel hole. The channel layer 140 may be formed in an annular shape surrounding the inner channel filling insulating layer 147, but may have a columnar shape such as a cylinder or a prism without the channel filling insulating layer 147 according to an embodiment. may be The channel layer 140 may include a semiconductor material such as polycrystalline silicon or single crystal silicon. The channel layer 140 may be exposed through the top and connected to the plate layer 101 .

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.The gate dielectric layer 145 may be disposed between the gate electrodes 130 and the channel layer 140 . Although not specifically illustrated, the gate dielectric layer 145 may include a tunneling layer, a charge storage layer, and a blocking layer sequentially stacked from the channel layer 140 . The tunneling layer may tunnel charges into the charge storage layer, and may include, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), or a combination thereof. have. The charge storage layer may be a charge trap layer or a floating gate conductive layer. The blocking layer may include silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxynitride (SiON), a high-k dielectric material, or a combination thereof. In example embodiments, at least a portion of the gate dielectric layer 145 may extend in a horizontal direction along the gate electrodes 130 .

채널 패드(149)는 하부의 제2 채널 구조물(CH2)의 하단에만 배치될 수 있다. 채널 패드(149)는 예컨대, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. The channel pad 149 may be disposed only on the lower end of the lower second channel structure CH2 . The channel pad 149 may include, for example, doped polycrystalline silicon.

제1 채널 구조물(CH1)과 제2 채널 구조물(CH2)의 사이에서 채널층(140), 게이트 유전층(145), 및 채널 매립 절연층(147)이 서로 연결된 상태일 수 있다. 제1 채널 구조물(CH1)과 제2 채널 구조물(CH2)의 사이에는 상대적으로 두께가 두꺼운 층간 절연층(120)이 배치될 수 있다. 다만, 층간 절연층들(120)의 두께 및 형태는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. The channel layer 140 , the gate dielectric layer 145 , and the channel filling insulating layer 147 may be connected to each other between the first channel structure CH1 and the second channel structure CH2 . An interlayer insulating layer 120 having a relatively thick thickness may be disposed between the first channel structure CH1 and the second channel structure CH2. However, the thickness and shape of the interlayer insulating layers 120 may be variously changed in the embodiments.

수직 구조물들(150)은 제2 영역(R2)에서 게이트 전극들(130)의 패드 영역들(PAD)을 관통할 수 있다. 도 1a에 도시된 것과 같이, 수직 구조물들(150)은 제2 영역(R2) 전체 또는 적어도 일부 영역에서 규칙적으로 배열될 수 있으며, 규칙적인 패턴으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 수직 구조물들(150)은 최소 크기를 갖는 하나의 패드 영역(PAD)에서, 네 개의 코너 영역들 및 중앙 영역에 각각 배치될 수 있으며, 총 다섯 개가 배치될 수 있다. 수직 구조물들(150)은 제2 영역(R2)에서, 하부로부터 패드 영역들(PAD)을 통해 게이트 전극들(130)이 계단 구조를 이루는 영역을 관통하여 플레이트층(101)으로 연장되도록 배치될 수 있다. 수직 구조물들(150)은 플레이트층(101)에 가까울수록 폭이 좁아지도록 경사진 측면을 가질 수 있다. The vertical structures 150 may pass through the pad regions PAD of the gate electrodes 130 in the second region R2 . As shown in FIG. 1A , the vertical structures 150 may be regularly arranged in the whole or at least a part of the second region R2 and may be arranged in a regular pattern. For example, in one pad area PAD having a minimum size, the vertical structures 150 may be respectively disposed in four corner areas and a central area, and a total of five may be disposed. The vertical structures 150 may be arranged to extend from the bottom through the pad areas PAD to the plate layer 101 through the area where the gate electrodes 130 form a stepped structure in the second area R2. can The vertical structures 150 may have inclined side surfaces such that their width narrows as they are closer to the plate layer 101 .

수직 구조물들(150)은 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)을 포함할 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152)은 게이트 전극들(130)을 제1 기판 구조물(S1) 내의 회로 배선 라인들(280)과 전기적으로 연결할 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152)은 게이트 전극들(130)과 각각의 패드 영역(PAD)에서 물리적 및 전기적으로 연결되어, 게이트 전극들(130)에 전기적 신호를 인가할 수 있다. 입출력 콘택 플러그들(154)은 제1 기판 구조물(S1)의 회로 소자들(220)과 입출력 패드 구조물들(210)을 전기적으로 연결할 수 있다. 더미 수직 구조물들(156)은, 게이트 콘택 플러그들(152) 및 입출력 콘택 플러그들(154)과 함께 제2 영역(R2)에 배치되어, 반도체 장치(100)의 제조 공정 중에 층간 절연층들(120)을 포함하는 몰드 구조물을 지지할 수 있다.The vertical structures 150 may include gate contact plugs 152 , input/output contact plugs 154 , and dummy vertical structures 156 . The gate contact plugs 152 may electrically connect the gate electrodes 130 to circuit wiring lines 280 in the first substrate structure S1 . The gate contact plugs 152 may be physically and electrically connected to the gate electrodes 130 and each pad area PAD, and may apply electrical signals to the gate electrodes 130 . The input/output contact plugs 154 may electrically connect the circuit elements 220 of the first substrate structure S1 and the input/output pad structures 210 . The dummy vertical structures 156 are disposed in the second region R2 together with the gate contact plugs 152 and the input/output contact plugs 154 to form interlayer insulating layers ( 120) may support the mold structure.

게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)은 서로 동일하거나 유사한 레벨에 배치될 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)의 하단들은 실질적으로 동일한 레벨에 위치할 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)의 상단들은 플레이트층(101)의 하면 상, 예컨대, 상기 하면에 위치하거나 플레이트층(101) 내에 위치할 수 있다.The gate contact plugs 152 , the input/output contact plugs 154 , and the dummy vertical structures 156 may be disposed on the same or similar levels. Lower ends of the gate contact plugs 152 , the input/output contact plugs 154 , and the dummy vertical structures 156 may be located on substantially the same level. Upper ends of the gate contact plugs 152, input/output contact plugs 154, and dummy vertical structures 156 are located on the lower surface of the plate layer 101, for example, on the lower surface or within the plate layer 101. can do.

도 1b에는, y 방향을 따라 서로 인접한 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)의 사이의 연속적으로 위치하는 세 개의 패드 영역들(PADn+1, PADn, PADn-1)에서의 수직 구조물들(150)의 배열 형태가 구체적으로 도시된다. 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156) 각각은, 각 패드 영역(PADn+1, PADn, PADn-1)에서 중앙 영역 또는 코너 영역에 배치될 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)이 배치된 관통 홀들은 평면도 상에서 동일하거나 유사한 크기를 가질 수 있다.In FIG. 1B , three pad regions PAD n+1 , PAD n , and PAD n−1 successively positioned between the first and second separation regions MS1 , MS2a , and MS2b adjacent to each other along the y direction are shown in FIG. The arrangement form of the vertical structures 150 in ) is shown in detail. Each of the gate contact plugs 152, the input/output contact plugs 154, and the dummy vertical structures 156 is a central area or a corner area in each pad area (PAD n+1 , PAD n , PAD n−1 ). can be placed in Through-holes in which the gate contact plugs 152 , the input/output contact plugs 154 , and the dummy vertical structures 156 are disposed may have the same or similar sizes in a plan view.

게이트 콘택 플러그(152)는 각 패드 영역(PADn+1, PADn, PADn-1)에 예컨대 하나씩 배치될 수 있다. 입출력 콘택 플러그(154)는 패드 영역들(PADn+1, PADn, PADn-1) 중 일부에 배치될 수 있다. 더미 수직 구조물들(156)은 각 패드 영역(PADn+1, PADn, PADn-1)에 복수개가 배치될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 일부 패드 영역들(PADn, PADn-1)에서와 같이, 하나의 패드 영역에, 게이트 콘택 플러그(152) 및 입출력 콘택 플러그(154)가 함께 배치될 수 있고, 더미 수직 구조물(156)이 더 배치될 수 있다. 다만, 실시예들에서, 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)의 구체적인 배치 형태는 다양하게 변경될 수 있다.For example, one gate contact plug 152 may be disposed in each of the pad regions PAD n+1 , PAD n , and PAD n−1 . The input/output contact plug 154 may be disposed in some of the pad regions PAD n+1 , PAD n , and PAD n−1 . A plurality of dummy vertical structures 156 may be disposed in each of the pad areas PAD n+1 , PAD n , and PAD n−1 , but are not limited thereto. For example, as in some pad regions PAD n and PAD n−1 , the gate contact plug 152 and the input/output contact plug 154 may be disposed together in one pad region, and the dummy vertical structure (156) may be further arranged. However, in embodiments, specific arrangements of the gate contact plugs 152 , the input/output contact plugs 154 , and the dummy vertical structures 156 may be variously changed.

본 실시예에서, 입출력 콘택 플러그들(154)은 게이트 콘택 플러그들(152)과 함께 패드 영역들(PAD)을 관통하도록 패드 영역들(PAD)에 배치될 수 있다. 따라서, 입출력 콘택 플러그들(154)이 게이트 전극들(130)이 배치되지 않는 영역, 예컨대 게이트 전극들(130)의 외측에 배치되는 경우에 비하여, 반도체 장치(100)의 집적도를 향상시킬 수 있다. 또한, 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)이 배치되는 관통 홀들이 함께 형성되므로, 제조 공정이 단순화될 수 있다.In this embodiment, the input/output contact plugs 154 may be disposed in the pad areas PAD to pass through the pad areas PAD together with the gate contact plugs 152 . Therefore, the degree of integration of the semiconductor device 100 can be improved compared to the case where the input/output contact plugs 154 are disposed outside the gate electrodes 130, for example, in an area where the gate electrodes 130 are not disposed. . In addition, since through-holes in which the gate contact plugs 152, the input/output contact plugs 154, and the dummy vertical structures 156 are disposed are formed together, the manufacturing process can be simplified.

게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)은 서로 다른 내부 구조를 가질 수 있다. 도 2b에 도시된 것과 같이, 게이트 콘택 플러그들(152)은, 패드 영역들(PAD)에서 수평으로 확장된 형태를 가질 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152)은 제1 콘택 절연층들(160)에 의해 패드 영역들(PAD) 상의 게이트 전극들(130)과 이격될 수 있다. 제1 콘택 절연층들(160)은 z 방향을 따라 서로 분리되어 배치될 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152)의 상단들 상에는 상부 콘택 절연층들(161)이 배치될 수 있고, 이에 의해 플레이트층(101)과 전기적으로 분리될 수 있다. The gate contact plugs 152, the input/output contact plugs 154, and the dummy vertical structures 156 may have different internal structures. As shown in FIG. 2B , the gate contact plugs 152 may have a shape extending horizontally from the pad areas PAD. The gate contact plugs 152 may be spaced apart from the gate electrodes 130 on the pad regions PAD by the first contact insulating layers 160 . The first contact insulating layers 160 may be disposed to be separated from each other along the z direction. Upper contact insulating layers 161 may be disposed on upper ends of the gate contact plugs 152 , thereby electrically separating them from the plate layer 101 .

입출력 콘택 플러그들(154)의 측면 상에는 입출력 콘택 플러그들(154)을 둘러싸는 제2 콘택 절연층들(162)을 포함할 수 있다. 제2 콘택 절연층(162)은 입출력 콘택 플러그(154)가 배치되는 콘택 홀의 측벽을 덮도록 배치될 수 있다. 제2 콘택 절연층(162)은 입출력 콘택 플러그(154)와 게이트 전극들(130)의 사이에서 z 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 제2 콘택 절연층들(162)은 입출력 콘택 플러그들(154)의 상단들도 덮도록 연장될 수 있다.Second contact insulating layers 162 surrounding the input/output contact plugs 154 may be included on side surfaces of the input/output contact plugs 154 . The second contact insulating layer 162 may be disposed to cover sidewalls of contact holes where the input/output contact plugs 154 are disposed. The second contact insulating layer 162 may be disposed to extend in the z direction between the input/output contact plug 154 and the gate electrodes 130 . The second contact insulating layers 162 may also extend to cover upper ends of the input/output contact plugs 154 .

더미 수직 구조물들(156)은 하부의 제2 배선 구조물과 연결되지 않거나, 더미 배선 구조물과 연결될 수 있다. 더미 수직 구조물들(156)은 절연 물질로 이루어질 수 있다. 더미 수직 구조물들(156)은 반도체 장치(100) 내에서 전기적인 기능을 수행하지 않을 수 있다. The dummy vertical structures 156 may not be connected to the lower second wiring structure or may be connected to the dummy wiring structure. The dummy vertical structures 156 may be made of an insulating material. The dummy vertical structures 156 may not perform electrical functions within the semiconductor device 100 .

제1 콘택 절연층들(160), 상부 콘택 절연층들(161), 제2 콘택 절연층들(162), 및 더미 수직 구조물들(156)은 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152) 및 입출력 콘택 플러그들(154)은 도전성 물질, 예를 들어, 도핑된 실리콘(Si), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The first contact insulating layers 160, the upper contact insulating layers 161, the second contact insulating layers 162, and the dummy vertical structures 156 are made of an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride. , or silicon oxynitride. The gate contact plugs 152 and the input/output contact plugs 154 are made of a conductive material, for example, doped silicon (Si), tungsten (W), aluminum (Al), copper (Cu), or tungsten nitride (WN). , tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), or combinations thereof.

입출력 패드 구조물들(210)은 제2 영역(R2)에서 입출력 콘택 플러그들(154) 상에 배치될 수 있다. 입출력 패드 구조물들(210)은 제2 영역(R2)에서 복수개가 서로 이격되어 배치될 수 있다. 다만, 입출력 패드 구조물들(210)의 배열 형태, 제2 영역(R2) 상에서의 구체적인 배치 위치, 크기 등은 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다.The input/output pad structures 210 may be disposed on the input/output contact plugs 154 in the second region R2 . A plurality of input/output pad structures 210 may be spaced apart from each other in the second region R2 . However, the arrangement form of the input/output pad structures 210, the specific arrangement position and size on the second region R2 may be variously changed in the embodiments.

입출력 패드 구조물들(210)은 입출력 콘택 플러그들(154) 상의 입출력 비아들(212) 및 입출력 비아들(212) 상의 입출력 패드들(214)을 포함할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 입출력 비아들(212)의 깊이는 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 입출력 비아들(212)의 하단들은 플레이트층(101) 내에 위치할 수 있고, 이 경우, 입출력 콘택 플러그들(154)의 상단들도 플레이트층(101) 내에 위치할 수 있다. 일부 실시예들에서 입출력 비아들(212)은 생략될 수도 있다. 이 경우, 입출력 콘택 플러그들(154)은 입출력 패드들(214)에 직접 연결될 수 있다. 입출력 패드들(214)은 상면을 통해 반도체 장치(100)가 실장되는 패키지와 같은 장치의 신호 전달 매체와 같은 전기적 연결 구조물과 연결될 수 있다. The input/output pad structures 210 may include input/output vias 212 on the input/output contact plugs 154 and input/output pads 214 on the input/output vias 212 . However, according to embodiments, the depth of the input/output vias 212 may be variously changed. For example, lower ends of the input/output vias 212 may be positioned within the plate layer 101 , and in this case, upper ends of the input/output contact plugs 154 may also be positioned within the plate layer 101 . In some embodiments, input/output vias 212 may be omitted. In this case, the input/output contact plugs 154 may be directly connected to the input/output pads 214 . The input/output pads 214 may be connected to an electrical connection structure, such as a signal transmission medium of a device such as a package in which the semiconductor device 100 is mounted, through a top surface.

입출력 비아들(212)은 플레이트층(101)을 향하면서 폭이 좁아지도록 경사진 측면을 가질 수 있다. 입출력 패드들(214)은 플레이트층(101)을 향하면서 폭이 넓어지도록 경사진 측면을 가질 수 있다. 입출력 패드 구조물들(210)은 금속 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The input/output vias 212 may have side surfaces that are inclined toward the plate layer 101 and narrow in width. The input/output pads 214 may have side surfaces inclined toward the plate layer 101 to widen. The input/output pad structures 210 may include a metal material, for example, tungsten (W), aluminum (Al), copper (Cu), tungsten nitride (WN), tantalum nitride (TaN), titanium nitride ( TiN), or a combination thereof.

셀 영역 절연층(190)은 플레이트층(101)의 하면 및 플레이트층(101)의 하면 상의 게이트 전극들(130)을 덮도록 배치될 수 있다. 상부 층간 절연층(202)은 플레이트층(101)의 상면 상에 배치될 수 있으며, 입출력 패드 구조물들(210)의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 패시베이션층(204)은 입출력 패드들(214)의 상면 상에 배치될 수 있다. 패시베이션층(204)은 반도체 장치(100)를 보호하는 층으로 기능할 수 있다. 패시베이션층(204)은 입출력 패드들(214)의 적어도 일부를 노출시키는 개구부들을 가질 수 있다. The cell region insulating layer 190 may be disposed to cover the lower surface of the plate layer 101 and the gate electrodes 130 on the lower surface of the plate layer 101 . The upper interlayer insulating layer 202 may be disposed on the upper surface of the plate layer 101 and may surround at least a portion of the input/output pad structures 210 . The passivation layer 204 may be disposed on top surfaces of the input/output pads 214 . The passivation layer 204 may function as a layer protecting the semiconductor device 100 . The passivation layer 204 may have openings exposing at least a portion of the input/output pads 214 .

셀 영역 절연층(190), 상부 층간 절연층(202), 및 패시베이션층(204)은 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및 실리콘 탄화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 절연층들로 이루어질 수도 있다.The cell region insulating layer 190, the upper interlayer insulating layer 202, and the passivation layer 204 may include at least one of an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, and silicon carbide. It may be made of a plurality of insulating layers according to the.

상기 제2 배선 구조물은, 셀 콘택 플러그들(170) 및 셀 배선 라인들(180)을 포함하며, 제2 기판 구조물(S2)이 제1 기판 구조물(S1)과 전기적으로 연결되도록 할 수 있다.The second wiring structure includes cell contact plugs 170 and cell wiring lines 180 and may electrically connect the second substrate structure S2 to the first substrate structure S1.

셀 콘택 플러그들(170)은 제1 내지 제3 셀 콘택 플러그들(172, 174, 176)을 포함하고, 셀 배선 라인들(180)은 제1 및 제2 셀 배선 라인들(182, 184)을 포함할 수 있다. 채널 패드들(149), 게이트 콘택 플러그들(152), 및 입출력 콘택 플러그들(154)은 하단에서 제1 셀 콘택 플러그들(172)과 연결될 수 있다. 제1 셀 콘택 플러그들(172)은 하단에서 제2 셀 콘택 플러그들(174)과 연결되고, 제2 셀 콘택 플러그들(174)은 하단에서 제1 셀 배선 라인들(182)과 연결될 수 있다. 제3 셀 콘택 플러그들(176)은 제1 및 제2 셀 배선 라인들(182, 184)을 상하로 연결할 수 있다. 셀 콘택 플러그들(170)은 원통형의 형상을 가질 수 있다. 셀 콘택 플러그들(170)은 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 셀 콘택 플러그들(172)은 상대적으로 긴 길이를 가질 수 있다. 실시예들에서, 셀 콘택 플러그들(170)은 종횡비에 따라, 플레이트층(101)에 가까울수록 폭이 좁아지고 제1 기판 구조물(S1)을 향하면서 폭이 증가하도록 경사진 측면을 가질 수 있다. The cell contact plugs 170 include first to third cell contact plugs 172, 174, and 176, and the cell wiring lines 180 include first and second cell wiring lines 182 and 184. can include The channel pads 149 , the gate contact plugs 152 , and the input/output contact plugs 154 may be connected to the first cell contact plugs 172 at the bottom. The first cell contact plugs 172 may be connected to the second cell contact plugs 174 at the bottom, and the second cell contact plugs 174 may be connected to the first cell wiring lines 182 at the bottom. . The third cell contact plugs 176 may vertically connect the first and second cell wiring lines 182 and 184 . The cell contact plugs 170 may have a cylindrical shape. The cell contact plugs 170 may have different lengths. For example, the first cell contact plugs 172 may have a relatively long length. In embodiments, the cell contact plugs 170 may have inclined side surfaces such that the width decreases as they are closer to the plate layer 101 and increases toward the first substrate structure S1 according to the aspect ratio. .

제1 셀 배선 라인들(182)은 채널 구조물들(CH)과 연결되는 제1 영역(R1)의 비트 라인들 및 상기 비트 라인들과 동일한 높이 레벨에 배치되는 제2 영역(R2)의 배선 라인들을 포함할 수 있다. 제2 셀 배선 라인들(184)은 제1 셀 배선 라인들(182)보다 아래에 배치되는 배선 라인들일 수 있다. 셀 배선 라인들(180)은 적어도 일 방향으로 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2 셀 배선 라인들(184)은 제1 셀 배선 라인들(182)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 셀 배선 라인들(180)은 플레이트층(101)을 향하여 폭이 좁아지도록 경사진 측면을 가질 수도 있다.The first cell wiring lines 182 include bit lines of the first region R1 connected to the channel structures CH and wiring lines of the second region R2 disposed at the same height level as the bit lines. may include The second cell wiring lines 184 may be wiring lines disposed below the first cell wiring lines 182 . The cell wiring lines 180 may have a line shape extending in at least one direction. In example embodiments, the second cell wiring lines 184 may have a greater thickness than the first cell wiring lines 182 . The cell wiring lines 180 may have side surfaces that are inclined toward the plate layer 101 to become narrower.

셀 콘택 플러그들(170) 및 셀 배선 라인들(180)은, 예를 들어, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The cell contact plugs 170 and the cell wiring lines 180 may be formed of, for example, tungsten (W), aluminum (Al), copper (Cu), tungsten nitride (WN), tantalum nitride (TaN), or titanium nitride. (TiN), or a combination thereof.

상기 제2 본딩 구조물의 제2 본딩 비아들(195)은 제2 셀 배선 라인들(184)의 하부에 배치되어 제2 셀 배선 라인들(184)과 연결되고, 상기 제2 본딩 구조물의 제2 본딩 금속층들(198)은 제2 본딩 비아들(195)과 연결될 수 있다. 제2 본딩 금속층들(198) 및 제2 본딩 절연층(199)은 하면들이 제2 기판 구조물(S2)의 하면으로 노출될 수 있다. 제2 본딩 금속층들(198)은 제1 기판 구조물(S1)의 제1 본딩 금속층들(298)과 본딩되어 연결될 수 있고, 제2 본딩 절연층(199)은 제1 기판 구조물(S1)의 제1 본딩 절연층(299)과 본딩되어 연결될 수 있다. 제2 본딩 비아들(195) 및 제2 본딩 금속층들(198)은 도전성 물질, 예를 들어, 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 제2 본딩 절연층(199)은 예를 들어, SiO, SiN, SiCN, SiOC, SiON, 및 SiOCN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The second bonding vias 195 of the second bonding structure are disposed below the second cell wiring lines 184 and connected to the second cell wiring lines 184, and the second bonding vias 195 of the second bonding structure The bonding metal layers 198 may be connected to the second bonding vias 195 . Lower surfaces of the second bonding metal layers 198 and the second bonding insulating layer 199 may be exposed to the lower surface of the second substrate structure S2 . The second bonding metal layers 198 may be bonded and connected to the first bonding metal layers 298 of the first substrate structure S1, and the second bonding insulating layer 199 may be connected to the first bonding metal layers 298 of the first substrate structure S1. 1 may be bonded and connected to the bonding insulating layer 299 . The second bonding vias 195 and the second bonding metal layers 198 may include a conductive material, such as copper (Cu). The second bonding insulating layer 199 may include, for example, at least one of SiO, SiN, SiCN, SiOC, SiON, and SiOCN.

제1 및 제2 기판 구조물들(S1, S2)은, 제1 본딩 금속층들(298)과 제2 본딩 금속층들(198)의 접합 및 제1 본딩 절연층(299)과 제2 본딩 절연층(199)의 접합에 의해 본딩될 수 있다. 제1 본딩 금속층들(298)과 제2 본딩 금속층들(198)의 접합은, 예를 들어 구리(Cu)-구리(Cu) 본딩일 수 있으며, 제1 본딩 절연층(299)과 제2 본딩 절연층(199)의 접합은, 예를 들어 SiCN-SiCN 본딩과 같은 유전체-유전체 본딩일 수 있다. 제1 및 제2 기판 구조물들(S1, S2)은 구리(Cu)-구리(Cu) 본딩 및 유전체-유전체 본딩을 포함하는 하이브리드 본딩에 의해 접합될 수 있다. The first and second substrate structures S1 and S2 include the bonding of the first bonding metal layers 298 and the second bonding metal layers 198 and the first bonding insulating layer 299 and the second bonding insulating layer ( 199) may be bonded. The bonding between the first bonding metal layers 298 and the second bonding metal layers 198 may be, for example, copper (Cu)-copper (Cu) bonding, and the first bonding insulating layer 299 and the second bonding. The bonding of insulating layer 199 may be dielectric-dielectric bonding, such as SiCN-SiCN bonding, for example. The first and second substrate structures S1 and S2 may be bonded by hybrid bonding including copper (Cu)-copper (Cu) bonding and dielectric-dielectric bonding.

도 3a 내지 도 3c는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 부분 확대도들이다. 도 3a 내지 도 3c는 도 1b에 대응하는 영역을 도시한다.3A to 3C are schematic partial enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments. 3A to 3C show areas corresponding to FIG. 1B.

도 3a를 참조하면, 반도체 장치(100a)에서, 게이트 콘택 플러그들(152)은 각각의 패드 영역(PADn+1, PADn, PADn-1)의 중앙 영역에 배치될 수 있다. 입출력 콘택 플러그들(154)은 패드 영역들(PADn+1, PADn, PADn-1) 중 일부의 코너 영역에 배치될 수 있다. 더미 수직 구조물들(156)은 패드 영역들(PADn+1, PADn, PADn-1)의 코너 영역들에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 3A , in the semiconductor device 100a , gate contact plugs 152 may be disposed in central regions of respective pad regions PADn+1 , PADn , and PADn−1 . The input/output contact plugs 154 may be disposed in corner regions of some of the pad regions PADn+1, PADn, and PADn−1. The dummy vertical structures 156 may be disposed in corner regions of the pad regions PADn+1, PADn, and PADn−1.

도 3b를 참조하면, 반도체 장치(100b)에서, 입출력 콘택 플러그들(154) 중 적어도 하나는, 패드 영역들(PADn+1, PADn, PADn-1) 중 적어도 하나의 중앙 영역에 배치될 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152) 및 더미 수직 구조물들(156)은 각각의 패드 영역(PADn+1, PADn, PADn-1)의 중앙 영역 또는 코너 영역에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 3B , in the semiconductor device 100b, at least one of the input/output contact plugs 154 may be disposed in a central region of at least one of the pad regions PADn+1, PADn, and PADn−1. . The gate contact plugs 152 and the dummy vertical structures 156 may be disposed in a central region or a corner region of each of the pad regions PADn+1, PADn, and PADn−1.

도 3a 및 도 3b와 같이, 실시예들에서, 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)의 구체적인 배열 형태는 다양하게 변경될 수 있다.As shown in FIGS. 3A and 3B , in embodiments, specific arrangements of the gate contact plugs 152 , the input/output contact plugs 154 , and the dummy vertical structures 156 may be variously changed.

도 3c를 참조하면, 반도체 장치(100c)에서, 수직 구조물들(150) 중 일부는 게이트 전극들(130)의 x 방향을 따른 단부들을 관통하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 각 패드 영역(PADn+1, PADn, PADn-1)에는 실(net) 개수로 세 개의 수직 구조물들(150)이 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 게이트 콘택 플러그들(152)은 각각의 패드 영역(PADn+1, PADn, PADn-1)의 중앙 영역에 배치될 수 있다. 입출력 콘택 플러그들(154)은 패드 영역들(PADn+1, PADn, PADn-1) 중 일부의 단부 영역에 배치될 수 있다. 더미 수직 구조물들(156)은 패드 영역들(PADn+1, PADn, PADn-1) 중 적어도 일부의 단부 영역에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 3C , in the semiconductor device 100c, some of the vertical structures 150 may be disposed to penetrate end portions of the gate electrodes 130 in the x direction. Accordingly, three vertical structures 150 may be disposed in a net number in each of the pad areas PADn+1, PADn, and PADn−1. In this embodiment, the gate contact plugs 152 may be disposed in the central region of each of the pad regions PADn+1, PADn, and PADn−1. The input/output contact plugs 154 may be disposed on end regions of some of the pad regions PADn+1, PADn, and PADn−1. The dummy vertical structures 156 may be disposed in end regions of at least some of the pad regions PADn+1 , PADn , and PADn−1 .

도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 부분 확대도들이다. 도 4a 및 도 4b는 도 1b에 대응하는 영역을 도시한다.4A and 4B are schematic partial enlarged views of a semiconductor device according to example embodiments. 4a and 4b show the area corresponding to FIG. 1b.

도 4a를 참조하면, 반도체 장치(100d)에서, 수직 구조물들(150) 중 적어도 일부는 평면도 상에서 다른 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 게이트 콘택 플러그들(152)이 배치된 관통 홀들의 크기(D1)는, 입출력 콘택 플러그들(154) 및 더미 수직 구조물들(156)이 배치된 관통 홀들의 크기(D2)보다 클 수 있다.Referring to FIG. 4A , in the semiconductor device 100d, at least some of the vertical structures 150 may have different sizes in a plan view. For example, the size D1 of the through holes in which the gate contact plugs 152 are disposed is larger than the size D2 of the through holes in which the input/output contact plugs 154 and the dummy vertical structures 156 are disposed. can

도 4b를 참조하면, 반도체 장치(100e)에서, 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)은, 평면도 상에서, 배치되는 영역에 따라 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 수직 구조물들(150)은, 패드 영역들(PADn+1, PADn, PADn-1)의 중앙 영역들에서는 원형의 형상을 갖고, 코너 영역들에서는 타원형 또는 이와 유사한 형상을 가질 수 있다. 수직 구조물들(150)의 중앙 영역에서의 직경 또는 최대 폭(D3)은 코너 영역들에서의 직경 또는 최대 폭(D4)보다 작을 수 있다. Referring to FIG. 4B , in the semiconductor device 100e, the gate contact plugs 152, the input/output contact plugs 154, and the dummy vertical structures 156, in a plan view, have different shapes according to an area in which they are disposed. can have For example, the vertical structures 150 may have a circular shape in central regions of the pad regions PADn+1, PADn, and PADn−1, and may have an elliptical shape or a similar shape in corner regions. . The diameter or maximum width D3 of the vertical structures 150 in the central region may be smaller than the diameter or maximum width D4 of the corner regions.

도 5a 내지 도 5j는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다. 5A to 5J are schematic cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.

도 5a를 참조하면, 기판(201) 상에, 회로 소자들(220), 제1 배선 구조물들, 및 제1 본딩 구조물을 포함하는 제1 기판 구조물(S1)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5A , a first substrate structure S1 including circuit elements 220 , first wiring structures, and a first bonding structure may be formed on a substrate 201 .

먼저, 기판(201) 내에 소자 분리층들(207)을 형성하고, 기판(201) 상에 회로 게이트 유전층(222) 및 회로 게이트 전극(225)을 순차적으로 형성할 수 있다. 소자 분리층들(207)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.First, device isolation layers 207 may be formed in the substrate 201 , and then a circuit gate dielectric layer 222 and a circuit gate electrode 225 may be sequentially formed on the substrate 201 . The device isolation layers 207 may be formed by, for example, a shallow trench isolation (STI) process. The circuit gate dielectric layer 222 and the circuit gate electrode 225 may be formed using atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (CVD). The circuit gate dielectric layer 222 may be formed of silicon oxide, and the circuit gate electrode 225 may be formed of at least one of polycrystalline silicon or a metal silicide layer, but is not limited thereto. Next, a spacer layer 224 and source/drain regions 205 may be formed on both sidewalls of the circuit gate dielectric layer 222 and the circuit gate electrode 225 . According to embodiments, the spacer layer 224 may include a plurality of layers. Next, the source/drain regions 205 may be formed by performing an ion implantation process.

상기 제1 배선 구조물의 회로 콘택 플러그들(270) 및 상기 제1 본딩 구조물의 제1 본딩 비아들(295)은 주변 영역 절연층(290)을 일부 형성한 후, 일부를 식각하여 제거하고 도전성 물질을 매립함으로써 형성할 수 있다. 상기 제1 배선 구조물의 회로 배선 라인들(280) 및 상기 제1 본딩 구조물의 제1 본딩 금속층들(298)은, 예를 들어, 도전성 물질을 증착한 후 이를 패터닝함으로써 형성할 수 있다. 제1 본딩 금속층들(298) 및 제1 본딩 절연층(299)은 상면이 노출되도록 형성될 수 있다.In the circuit contact plugs 270 of the first wiring structure and the first bonding vias 295 of the first bonding structure, a peripheral insulating layer 290 is partially formed, and then partially removed by etching, and a conductive material is formed. It can be formed by burying. The circuit wiring lines 280 of the first wiring structure and the first bonding metal layers 298 of the first bonding structure may be formed by, for example, depositing a conductive material and then patterning it. The first bonding metal layers 298 and the first bonding insulating layer 299 may be formed such that upper surfaces are exposed.

주변 영역 절연층(290)은 복수 개의 절연층들로 이루어질 수 있다. 주변 영역 절연층(290)은 상기 제1 배선 구조물 및 상기 제1 본딩 구조물을 형성하는 각 단계들에서 일부가 형성될 수 있다. 주변 영역 절연층(290) 상에는 제1 본딩 절연층(299)이 형성될 수 있다. 본 단계에 의해, 제1 기판 구조물(S1)이 준비될 수 있다.The peripheral region insulating layer 290 may include a plurality of insulating layers. A portion of the peripheral region insulating layer 290 may be formed in each step of forming the first wiring structure and the first bonding structure. A first bonding insulating layer 299 may be formed on the peripheral region insulating layer 290 . Through this step, the first substrate structure S1 may be prepared.

도 5b를 참조하면, 제2 기판 구조물(S2)의 제조 공정이 시작될 수 있다. 먼저, 베이스 기판(SUB) 상에 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)을 교대로 적층한 후 채널 희생층들(129)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5B , a manufacturing process of the second substrate structure S2 may be started. First, after the sacrificial insulating layers 118 and the interlayer insulating layers 120 are alternately stacked on the base substrate SUB, the channel sacrificial layers 129 may be formed.

베이스 기판(SUB)은 후속 공정을 통해 제거되는 층으로, 실리콘(Si)과 같은 반도체 기판일 수 있다. The base substrate SUB is a layer removed through a subsequent process and may be a semiconductor substrate such as silicon (Si).

먼저 하부 적층 구조물을 형성하기 위해, 제1 채널 구조물들(CH1)(도 2a 참조)이 배치되는 영역에서 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)이 교대로 적층될 수 있다. 희생 절연층들(118)은 후속 공정을 통해 게이트 전극들(130))(도 2a 참조)로 교체되는 층일 수 있다. 희생 절연층들(118)은 층간 절연층들(120)에 대해 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 선택된 층간 절연층(120)과 다른 물질로 이루어질 수 있다. 실시예들에서, 층간 절연층들(120)의 두께 및 구성하는 막들의 개수는 도시된 것으로부터 다양하게 변경될 수 있다.First, in order to form a lower stacked structure, sacrificial insulating layers 118 and interlayer insulating layers 120 may be alternately stacked in an area where the first channel structures CH1 (see FIG. 2A ) are disposed. The sacrificial insulating layers 118 may be replaced with the gate electrodes 130 (see FIG. 2A ) through a subsequent process. The sacrificial insulating layers 118 may be formed of a material that can be etched with etch selectivity with respect to the interlayer insulating layers 120 . For example, the interlayer insulating layer 120 may be formed of at least one of silicon oxide and silicon nitride, and the sacrificial insulating layers 118 may include an interlayer insulating layer 120 selected from silicon, silicon oxide, silicon carbide, and silicon nitride. and may be made of other materials. In embodiments, the thickness of the interlayer insulating layers 120 and the number of films constituting them may be variously changed from those shown.

다음으로, 제2 영역(R2)에서 상부의 희생 절연층들(118)이 하부의 희생 절연층들(118)보다 짧게 연장되도록, 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)에 대한 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 반복하여 수행할 수 있다. 이에 의해, 희생 절연층들(118)은 계단 형상을 이룰 수 있다. 희생 절연층들(118)은 단부에서 상대적으로 두꺼운 두께를 갖도록 형성될 수 있으며, 이를 위한 공정이 더 수행될 수도 있다. 다음으로, 희생 절연층들(118)과 층간 절연층들(120)의 하부 적층 구조물을 덮는 셀 영역 절연층(190)의 일부를 형성할 수 있다. Next, the sacrificial insulating layers 118 and the interlayer insulating layers 120 are applied so that the upper sacrificial insulating layers 118 extend shorter than the lower sacrificial insulating layers 118 in the second region R2. A photolithography process and an etching process may be repeatedly performed. Accordingly, the sacrificial insulating layers 118 may form a stepped shape. The sacrificial insulating layers 118 may be formed to have a relatively thick thickness at the ends, and a process for this may be further performed. Next, a portion of the cell region insulating layer 190 covering the lower stacked structure of the sacrificial insulating layers 118 and the interlayer insulating layers 120 may be formed.

채널 희생층들(129)은, 제1 채널 구조물들(CH1)에 대응되는 영역에서, 상기 하부 적층 구조물을 관통하도록 하부 채널홀들을 형성한 후, 상기 하부 채널홀들에 채널 희생층들(129) 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다. 채널 희생층들(129)은 예를 들어, 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.After the channel sacrificial layers 129 form lower channel holes to pass through the lower stacked structure in an area corresponding to the first channel structures CH1 , the channel sacrificial layers 129 are formed in the lower channel holes. ) can be formed by depositing a material. The channel sacrificial layers 129 may include, for example, polycrystalline silicon.

상부 적층 구조물은, 상기 하부 적층 구조물과 동일한 방식으로 상기 하부 적층 구조물 상에 형성될 수 있다. 다음으로, 제2 채널 구조물들(CH2)(도 2a 참조)에 대응되는 영역에, 상기 상부 적층 구조물을 관통하도록 상부 채널홀들을 형성하고, 채널 희생층들을 더 형성할 수 있다.An upper stacked structure may be formed on the lower stacked structure in the same manner as the lower stacked structure. Next, upper channel holes may be formed in regions corresponding to the second channel structures CH2 (see FIG. 2A ) to pass through the upper stacked structure, and channel sacrificial layers may be further formed.

도 5c를 참조하면, 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)의 적층 구조물을 관통하는 채널 구조물들(CH)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 5C , channel structures CH penetrating the stacked structure of the sacrificial insulating layers 118 and the interlayer insulating layers 120 may be formed.

채널 구조물들(CH)을 형성하기 위하여, 채널 희생층들(129)을 제거하여 채널 홀들을 형성할 수 있다. 각각의 상기 채널 홀 내에 게이트 유전층(145), 채널층(140), 채널 매립 절연층(147), 및 채널 패드(149)를 순차적으로 형성하여 제1 및 제2 채널 구조물들(CH1, CH2)을 포함하는 채널 구조물들(CH)을 형성할 수 있다. 채널층(140)은 채널 구조물들(CH) 내에서 게이트 유전층(145) 상에 형성될 수 있다. 채널 매립 절연층(147)은 채널 구조물들(CH)을 충전하도록 형성되며, 절연 물질일 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 채널 매립 절연층(147)이 아닌 도전성 물질로 채널층(140) 사이의 공간을 매립할 수도 있다. 채널 패드들(149)은 도전성 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.In order to form the channel structures CH, channel holes may be formed by removing the channel sacrificial layers 129 . A gate dielectric layer 145, a channel layer 140, a channel filling insulating layer 147, and a channel pad 149 are sequentially formed in each of the channel holes to form first and second channel structures CH1 and CH2. It is possible to form channel structures (CH) including. The channel layer 140 may be formed on the gate dielectric layer 145 within the channel structures CH. The channel filling insulating layer 147 is formed to fill the channel structures CH and may be an insulating material. However, according to embodiments, the space between the channel layers 140 may be filled with a conductive material instead of the channel filling insulating layer 147 . The channel pads 149 may be made of a conductive material, for example polycrystalline silicon.

도 5d를 참조하면, 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)의 적층 구조물을 관통하여 베이스 기판(SUB)으로 연장되는 관통 홀들(OP)을 형성하고 수직 희생층들(119)을 채울 수 있다. Referring to FIG. 5D , through-holes OP extending to the base substrate SUB are formed through the laminated structure of the sacrificial insulating layers 118 and the interlayer insulating layers 120, and the vertical sacrificial layers 119 can fill

마스크층을 이용하여 도 2a의 수직 구조물들(150)에 대응되는 위치에 관통 홀들(OP)을 형성할 수 있다. 관통 홀들(OP)은 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)의 적층 구조물을 완전히 관통하도록 형성될 수 있다. 관통 홀들(OP)의 하단들은 베이스 기판(SUB) 내에 위치할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. Through-holes OP may be formed at positions corresponding to the vertical structures 150 of FIG. 2A by using a mask layer. The through holes OP may be formed to completely penetrate the stacked structure of the sacrificial insulating layers 118 and the interlayer insulating layers 120 . Lower ends of the through holes OP may be located in the base substrate SUB, but are not limited thereto.

수직 희생층들(119)은 관통 홀들(OP)을 채우도록 형성될 수 있다. 수직 희생층들(119)은 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)과 다른 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 다결정 실리콘, 텅스텐(W)과 같은 금속 물질, 및 탄소계 물질 중 하나를 포함할 수 있다.The vertical sacrificial layers 119 may be formed to fill the through holes OP. The vertical sacrificial layers 119 may include materials different from those of the sacrificial insulating layers 118 and the interlayer insulating layers 120, and may include, for example, polycrystalline silicon, metal materials such as tungsten (W), and carbon. It may contain one of the group materials.

도 5e를 참조하면, 관통 홀들(OP) 중 일부에 더미 수직 구조물들(156)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5E , dummy vertical structures 156 may be formed in some of the through holes OP.

마스크층을 이용하여, 더미 수직 구조물들(156)이 형성되는 영역들에서 관통 홀들(OP)을 노출시킨 후, 관통 홀들(OP) 내의 수직 희생층들(119)을 선택적으로 제거할 수 있다. 수직 희생층들(119)이 제거된 관통 홀들(OP) 내에 절연 물질을 증착하여 더미 수직 구조물들(156)을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수직 희생층들(119)이 절연 물질을 포함하는 경우, 본 단계는 생략되고, 수직 희생층들(119) 중 일부가 더미 수직 구조물들(156)을 이룰 수 있다.After the through holes OP are exposed in regions where the dummy vertical structures 156 are formed by using a mask layer, the vertical sacrificial layers 119 in the through holes OP may be selectively removed. Dummy vertical structures 156 may be formed by depositing an insulating material in the through holes OP from which the vertical sacrificial layers 119 are removed. In some embodiments, when the vertical sacrificial layers 119 include an insulating material, this step may be omitted, and some of the vertical sacrificial layers 119 may form the dummy vertical structures 156 .

도 5f를 참조하면, 관통 홀들(OP) 중 일부에 예비 제1 콘택 절연층들(160P) 및 수직 희생층들(119')을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5F , preliminary first contact insulating layers 160P and vertical sacrificial layers 119' may be formed in some of the through holes OP.

먼저, 마스크층을 이용하여, 게이트 콘택 플러그들(152)(도 2a 참조)이 형성되는 영역들에서 관통 홀들(OP)을 노출시킨 후, 관통 홀들(OP) 내의 수직 희생층들(119)을 선택적으로 제거할 수 있다. First, by using a mask layer, through-holes OP are exposed in regions where gate contact plugs 152 (see FIG. 2A ) are formed, and then vertical sacrificial layers 119 are formed in the through-holes OP. Can be selectively removed.

다음으로, 관통 홀들(OP)을 통해 노출된 희생 절연층들(118)을 일부 제거할 수 있다. 희생 절연층들(118)을 관통 홀들(OP)의 둘레에서 소정 길이로 제거하여 터널부들을 형성할 수 있다. 상기 터널부들은 최상부의 희생 절연층들(118)에서는 상대적으로 짧은 길이로 형성되고, 그 하부의 희생 절연층들(118)에서는 상대적으로 긴 길이로 형성될 수 있다. Next, some of the sacrificial insulating layers 118 exposed through the through holes OP may be removed. The sacrificial insulating layers 118 may be removed to a predetermined length around the through holes OP to form tunnel portions. The tunnel portions may be formed to have a relatively short length in the uppermost sacrificial insulating layers 118 and to have a relatively long length in the lower sacrificial insulating layers 118 .

관통 홀들(OP) 및 상기 터널부들 내에 절연 물질을 증착하여, 예비 제1 콘택 절연층들(160P)을 형성할 수 있다. 예비 제1 콘택 절연층들(160P)은 관통 홀들(OP)의 측벽 상에 형성되고, 상기 터널부들을 채울 수 있다. 최상부의 희생 절연층들(118)에서, 예비 제1 콘택 절연층들(160P)은 상기 터널부들을 완전히 채우지 않을 수 있다. An insulating material may be deposited in the through holes OP and the tunnel portions to form preliminary first contact insulating layers 160P. The preliminary first contact insulating layers 160P may be formed on sidewalls of the through holes OP and fill the tunnel portions. In the uppermost sacrificial insulating layers 118 , the preliminary first contact insulating layers 160P may not completely fill the tunnel portions.

수직 희생층들(119')은 예비 제1 콘택 절연층들(160P) 상에 형성되어 관통 홀들(OP)을 채우고, 최상부의 상기 터널부들을 채울 수 있다. 수직 희생층들(119')은 예비 제1 콘택 절연층들(160P)과 다른 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.Vertical sacrificial layers 119 ′ may be formed on the preliminary first contact insulating layers 160P to fill the through holes OP and the uppermost tunnel portions. The vertical sacrificial layers 119 ′ may include a material different from that of the preliminary first contact insulating layers 160P, and may include, for example, polycrystalline silicon.

도 5g를 참조하면, 관통 홀들(OP) 중 일부에 입출력 콘택 플러그들(154) 및 제2 콘택 절연층들(162)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5G , input/output contact plugs 154 and second contact insulating layers 162 may be formed in some of the through holes OP.

마스크층을 이용하여, 입출력 콘택 플러그들(154)이 형성되는 영역들에서 관통 홀들(OP)을 노출시킨 후, 관통 홀들(OP) 내의 수직 희생층들(119)을 선택적으로 제거할 수 있다. 수직 희생층들(119)이 제거된 관통 홀들(OP) 내에 절연 물질을 증착하여 제2 콘택 절연층들(162)을 형성한 후, 도전 물질을 증착하여 입출력 콘택 플러그들(154)을 형성할 수 있다.After exposing the through holes OP in regions where the input/output contact plugs 154 are formed by using the mask layer, the vertical sacrificial layers 119 in the through holes OP may be selectively removed. After the second contact insulating layers 162 are formed by depositing an insulating material in the through holes OP from which the vertical sacrificial layers 119 are removed, a conductive material is deposited to form the input/output contact plugs 154. can

도 5h를 참조하면, 별도의 개구부들을 형성한 후 상기 개구부들을 통해 희생 절연층들(118)을 제거하고, 희생 절연층들(118)이 제거된 영역에 게이트 전극들(130)을 형성한 후, 게이트 콘택 플러그들(152)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5H, after forming separate openings, the sacrificial insulating layers 118 are removed through the openings, and gate electrodes 130 are formed in regions where the sacrificial insulating layers 118 are removed. , gate contact plugs 152 may be formed.

상기 개구부들은 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)(도 1a 참조)에 대응되는 영역에 형성될 수 있으며, x 방향으로 연장되는 트렌치 형태로 형성될 수 있다. 희생 절연층들(118)은 예를 들어, 습식 식각을 이용하여, 층간 절연층들(120)에 대하여 선택적으로 제거될 수 있다. 이에 따라 층간 절연층들(120) 사이에 터널부들이 형성될 수 있다. The openings may be formed in regions corresponding to the first and second isolation regions MS1 , MS2a , and MS2b (see FIG. 1A ) and may be formed in a trench shape extending in the x direction. The sacrificial insulating layers 118 may be selectively removed with respect to the interlayer insulating layers 120 using, for example, wet etching. Accordingly, tunnel portions may be formed between the interlayer insulating layers 120 .

게이트 전극들(130)의 형성 전에, 게이트 유전층들(145)이 수평하게 연장되는 영역을 포함하는 경우 이를 먼저 형성할 수 있다. 게이트 전극들(130)은 상기 터널부들에 도전성 물질을 매립하여 형성할 수 있다. 게이트 전극들(130)은 금속, 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드 물질을 포함할 수 있다. 다음으로, 상기 개구부들 내에 절연 물질을 채워 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)을 형성할 수 있다.Before forming the gate electrodes 130 , if the gate dielectric layers 145 include a horizontally extending region, they may be formed first. The gate electrodes 130 may be formed by filling the tunnel portions with a conductive material. The gate electrodes 130 may include metal, polysilicon or metal silicide materials. Next, first and second separation regions MS1 , MS2a , and MS2b may be formed by filling the openings with an insulating material.

다음으로, 관통 홀들(OP) 내의 수직 희생층들(119')을 제거할 수 있다. 수직 희생층들(119')은 층간 절연층들(120) 및 게이트 전극들(130)에 대하여 선택적으로 제거할 수 있다. 수직 희생층들(119')이 제거된 후 노출된 예비 콘택 절연층들(160P)도 일부 제거할 수 있다. 이 때, 패드 영역들(PAD)에서는 예비 콘택 절연층들(160P)이 모두 제거될 수 있으며, 그 아래에서는 잔존하여 제1 콘택 절연층들(160)을 이룰 수 있다. 패드 영역들(PAD)에서는, 예비 콘택 절연층들(160P)이 제거된 후 게이트 유전층(145)이 노출되는 경우 게이트 유전층(145)도 제거하여, 게이트 전극들(130)의 측면을 노출시킬 수 있다.Next, the vertical sacrificial layers 119' in the through holes OP may be removed. The vertical sacrificial layers 119 ′ may be selectively removed with respect to the interlayer insulating layers 120 and the gate electrodes 130 . After the vertical sacrificial layers 119' are removed, some of the exposed preliminary contact insulating layers 160P may also be removed. In this case, all of the preliminary contact insulating layers 160P may be removed from the pad regions PAD, and the first contact insulating layers 160 may be formed by remaining below them. In the pad regions PAD, when the gate dielectric layer 145 is exposed after the preliminary contact insulating layers 160P are removed, the gate dielectric layer 145 may also be removed to expose the side surfaces of the gate electrodes 130 . have.

관통 홀들(OP) 내에 도전성 물질을 증착하여 게이트 콘택 플러그들(152)을 형성할 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152)은 패드 영역들(PAD)에서 수평하게 연장되는 영역을 가질 수 있으며, 이에 의해 게이트 전극들(130)과 물리적 및 전기적으로 연결될 수 있다. 게이트 콘택 플러그들(152)을 형성함으로써, 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)을 포함하는 수직 구조물들(150)이 형성될 수 있다.The gate contact plugs 152 may be formed by depositing a conductive material in the through holes OP. The gate contact plugs 152 may have regions extending horizontally from the pad regions PAD, and thereby may be physically and electrically connected to the gate electrodes 130 . By forming the gate contact plugs 152 , vertical structures 150 including the gate contact plugs 152 , the input/output contact plugs 154 , and the dummy vertical structures 156 may be formed.

일부 실시예들에서, 수직 구조물들(150)을 이루는 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)의 형성 순서는 다양하게 변경될 수 있으며, 게이트 전극들(130)의 형성 단계와의 순서도 변경될 수 있다. 다만, 게이트 콘택 플러그들(152)은 게이트 전극들(130)을 형성한 후 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 도 5e 및 도 5f를 참조하여 상술한 더미 수직 구조물들(156) 및 예비 제1 콘택 절연층들(160P)의 형성 공정이 수행된 후, 본 단계에서 게이트 전극들(130) 및 게이트 콘택 플러그들(152)의 형성 공정이 수행되고, 이후에 도 5g를 참조하여 상술한 입출력 콘택 플러그들(154)의 형성 공정이 수행될 수 있다.In some embodiments, the formation order of the gate contact plugs 152, the input/output contact plugs 154, and the dummy vertical structures 156 constituting the vertical structures 150 may be variously changed, and the gate The order of forming the electrodes 130 may also be changed. However, the gate contact plugs 152 may be formed after forming the gate electrodes 130 . For example, in some embodiments, after the process of forming the dummy vertical structures 156 and the preliminary first contact insulating layers 160P described above with reference to FIGS. 5E and 5F is performed, a gate gate in this step is performed. The process of forming the electrodes 130 and the gate contact plugs 152 may be performed, and then the process of forming the input/output contact plugs 154 described above with reference to FIG. 5G may be performed.

도 5i를 참조하면, 게이트 전극들(130) 상에 제2 배선 구조물 및 제2 본딩 구조물을 형성하고, 제1 기판 구조물(S1)과 제2 기판 구조물(S2)을 본딩할 수 있다.Referring to FIG. 5I , a second wiring structure and a second bonding structure may be formed on the gate electrodes 130 and the first substrate structure S1 and the second substrate structure S2 may be bonded.

상기 제2 배선 구조물에서, 셀 콘택 플러그들(170)은 채널 패드들(149) 및 수직 구조물들(150) 상에 셀 영역 절연층(190)을 식각하고 도전성 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 셀 배선 라인들(180)은 도전성 물질의 증착 및 패터닝 공정을 통해 형성하거나, 셀 영역 절연층(190)을 이루는 절연층을 일부 형성한 후, 이를 패터닝하고 도전성 물질을 증착함으로써 형성할 수 있다. In the second wiring structure, the cell contact plugs 170 may be formed by etching the cell region insulating layer 190 and depositing a conductive material on the channel pads 149 and the vertical structures 150 . The cell wiring lines 180 may be formed through a process of depositing and patterning a conductive material, or may be formed by partially forming an insulating layer constituting the cell region insulating layer 190, patterning the insulating layer, and depositing a conductive material.

상기 제2 본딩 구조물을 이루는 제2 본딩 비아들(195) 및 제2 본딩 금속층들(198)은, 셀 배선 라인들(180) 상에 셀 영역 절연층(190) 및 제2 본딩 절연층(199)을 더 형성한 후 이를 일부 제거하여 형성할 수 있다. 제2 본딩 금속층들(198)의 상면들 및 제2 본딩 절연층(199)의 상면은 셀 영역 절연층(190)으로부터 노출될 수 있다.The second bonding vias 195 and the second bonding metal layers 198 constituting the second bonding structure include a cell region insulating layer 190 and a second bonding insulating layer 199 on the cell wiring lines 180. ) may be further formed and then partially removed. Top surfaces of the second bonding metal layers 198 and top surfaces of the second bonding insulating layer 199 may be exposed from the cell region insulating layer 190 .

다음으로, 제1 기판 구조물(S1)과 제2 기판 구조물(S2)은, 제1 본딩 금속들(298)과 제2 본딩 금속층들(198)을 어닐링(annealing) 및/또는 가압에 의해 본딩함으로써 연결할 수 있다. 동시에, 제1 본딩 절연층(299) 및 제2 본딩 절연층(199)도 본딩될 수 있다. 제1 기판 구조물(S1) 상에 제2 기판 구조물(S2)은 뒤집어서, 제2 본딩 금속층들(198)이 하부를 향하도록 한 후, 본딩이 수행될 수 있다. 도면에서는 이해를 돕기 위하여, 제2 기판 구조물(S2)이 도 5h에서 도시된 구조의 미러 이미지인 형태로 접합되는 것으로 도시하였다. Next, the first substrate structure S1 and the second substrate structure S2 are bonded by bonding the first bonding metals 298 and the second bonding metal layers 198 by annealing and/or pressing. can connect At the same time, the first bonding insulating layer 299 and the second bonding insulating layer 199 may also be bonded. After turning the second substrate structure S2 over the first substrate structure S1 so that the second bonding metal layers 198 face downward, bonding may be performed. In the drawings, for ease of understanding, it is shown that the second substrate structure S2 is bonded in the form of a mirror image of the structure shown in FIG. 5H.

제1 기판 구조물(S1)과 제2 기판 구조물(S2)은 별도의 접착층과 같은 접착제의 개재없이 직접 접합(direct bonding)될 수 있다. 실시예들에 따라, 본딩 전에, 접합력을 강화하기 위하여, 제1 기판 구조물(S1)의 상면 및 제2 기판 구조물(S2)의 하면에 대하여 수소 플라즈마 처리와 같은 표면 처리 공정이 더 수행될 수 있다.The first substrate structure S1 and the second substrate structure S2 may be directly bonded without an adhesive such as a separate adhesive layer. According to embodiments, before bonding, a surface treatment process such as hydrogen plasma treatment may be further performed on the upper surface of the first substrate structure S1 and the lower surface of the second substrate structure S2 in order to enhance bonding strength. .

도 5j를 참조하면, 베이스 기판(SUB)을 제거하고 플레이트층(101)을 형성한 후, 입출력 패드 구조물들(210)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5J , after the base substrate SUB is removed and the plate layer 101 is formed, the input/output pad structures 210 may be formed.

베이스 기판(SUB)은 상면으로부터 일부는 그라인딩(grinding) 공정과 같은 연마 공정에 의해 제거하고, 나머지 일부는 습식 식각과 같은 식각 공정에 의해 제거할 수 있다. 제2 기판 구조물(S2)의 베이스 기판(SUB)을 제거함으로써, 반도체 장치의 총 두께가 최소화될 수 있다. 베이스 기판(SUB)의 제거함에 따라, 채널 구조물들(CH) 및 수직 구조물들(150)의 상단들이 노출될 수 있다.A portion of the base substrate SUB may be removed from the upper surface by a polishing process such as a grinding process, and the remaining portion may be removed by an etching process such as a wet etching process. By removing the base substrate SUB of the second substrate structure S2 , the total thickness of the semiconductor device may be minimized. As the base substrate SUB is removed, upper ends of the channel structures CH and the vertical structures 150 may be exposed.

노출된 채널 구조물들(CH)의 상단들로부터 채널 유전층들(145)을 제거할 수 있다. 이에 의해 채널층들(140)은 플레이트층(101)과 연결될 수 있다. 수직 구조물들(150) 중 게이트 콘택 플러그들(152)의 상단들 상에는 상부 콘택 절연층들(161)을 형성할 수 있다.The channel dielectric layers 145 may be removed from upper ends of the exposed channel structures CH. Accordingly, the channel layers 140 may be connected to the plate layer 101 . Upper contact insulating layers 161 may be formed on upper ends of the gate contact plugs 152 of the vertical structures 150 .

다만, 일부 실시예들에서, 베이스 기판(SUB)은 전부 제거되지 않고 적어도 일부가 플레이트층(101)을 이룰 수 있다. 이 경우, 채널층들(140)은 플레이트층(101)의 하면 상에 배치된 별도의 도전층을 통해 플레이트층(101)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 이 경우, 상부 콘택 절연층들(161)은 이전의 공정 단계에서 게이트 콘택 플러그들(152)의 형성 전에 먼저 형성될 수 있다.However, in some embodiments, at least a portion of the base substrate SUB may form the plate layer 101 without being entirely removed. In this case, the channel layers 140 may be electrically connected to the plate layer 101 through a separate conductive layer disposed on the lower surface of the plate layer 101 . Also, in this case, the upper contact insulating layers 161 may be first formed before forming the gate contact plugs 152 in a previous process step.

입출력 패드 구조물들(210)은 플레이트층(101)의 상부로부터 형성될 수 있다. 먼저 상부 층간 절연층(202)을 일부 형성하고, 비아 홀들을 형성한 후, 상기 비아 홀들에 도전성 물질을 채워서 입출력 비아들(212)을 형성할 수 있다. 입출력 비아들(212) 상에 도전성 물질을 증착하고 패터닝하여 입출력 패드들(214)을 형성할 수 있다.The input/output pad structures 210 may be formed from an upper portion of the plate layer 101 . First, a portion of the upper interlayer insulating layer 202 may be formed, via holes may be formed, and then input/output vias 212 may be formed by filling the via holes with a conductive material. The input/output pads 214 may be formed by depositing and patterning a conductive material on the input/output vias 212 .

다음으로, 도 2a를 함께 참조하면, 입출력 패드들(214) 및 상부 층간 절연층(202)의 상면 상에 패시베이션층(204)을 형성하여, 최종적으로 도 2a의 반도체 장치(100)가 제조될 수 있다.Next, with reference to FIG. 2A , a passivation layer 204 is formed on the top surfaces of the input/output pads 214 and the upper interlayer insulating layer 202, so that the semiconductor device 100 of FIG. 2A is finally manufactured. can

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

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

반도체 장치(1100)는 비휘발성 메모리 장치일 수 있으며, 예를 들어, 도 1a 내지 도 4b를 참조하여 상술한 NAND 플래쉬 메모리 장치일 수 있다. 반도체 장치(1100)는 제1 구조물(1100F) 및 제1 구조물(1100F) 상의 제2 구조물(1100S)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 구조물(1100F)은 제2 구조물(1100S)의 옆에 배치될 수도 있다. 제1 구조물(1100F)은 디코더 회로(1110), 페이지 버퍼(1120), 및 로직 회로(1130)를 포함하는 주변 회로 구조물일 수 있다. 제2 구조물(1100S)은 비트 라인(BL), 공통 소스 라인(CSL), 워드라인들(WL), 제1 및 제2 게이트 상부 라인들(UL1, UL2), 제1 및 제2 게이트 하부 라인들(LL1, LL2), 및 비트 라인(BL)과 공통 소스 라인(CSL) 사이의 메모리 셀 스트링들(CSTR)을 포함하는 메모리 셀 구조물일 수 있다.The semiconductor device 1100 may be a non-volatile memory device, and may be, for example, the NAND flash memory device described above with reference to FIGS. 1A to 4B . The semiconductor device 1100 may include a first structure 1100F and a second structure 1100S on the first structure 1100F. In example embodiments, the first structure 1100F may be disposed next to the second structure 1100S. The first structure 1100F may be a peripheral circuit structure including a decoder circuit 1110 , a page buffer 1120 , and a logic circuit 1130 . The second structure 1100S includes a bit line BL, a common source line CSL, word lines WL, first and second gate upper lines UL1 and UL2, and first and second gate lower lines. LL1 and LL2, and memory cell strings CSTR between the bit line BL and the common source line CSL.

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

예시적인 실시예들에서, 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)은 스트링 선택 트랜지스터를 포함할 수 있고, 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)은 접지 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. 게이트 하부 라인들(LL1, LL2)은 각각 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)의 게이트 전극일 수 있다. 워드라인들(WL)은 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)의 게이트 전극들일 수 있고, 게이트 상부 라인들(UL1, UL2)은 각각 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)의 게이트 전극일 수 있다. In example embodiments, the upper transistors UT1 and UT2 may include string select transistors, and the lower transistors LT1 and LT2 may include ground select transistors. 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(UT2) 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 UT2 may be used for an erase operation of erasing data stored in the memory cell transistors MCT by using the GIDL phenomenon.

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

제1 구조물(1100F)에서, 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 복수의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 중 적어도 하나의 선택 메모리 셀 트랜지스터에 대한 제어 동작을 실행할 수 있다. 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 로직 회로(1130)에 의해 제어될 수 있다. 반도체 장치(1100)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. 예시적인 실시예들에서, 입출력 연결 배선(1135)은 도 2a의 입출력 콘택 플러그들(154)을 포함할 수 있다.In the first structure 1100F, the decoder circuit 1110 and the page buffer 1120 may execute a control operation on at least one selected memory cell transistor among the plurality of memory cell transistors MCT. The decoder circuit 1110 and the page buffer 1120 may be controlled by the logic circuit 1130 . The semiconductor device 1100 may communicate with the controller 1200 through the input/output pad 1101 electrically connected to the logic circuit 1130 . The input/output pad 1101 may be electrically connected to the logic circuit 1130 through an input/output connection wire 1135 extending from the first structure 1100F to the second structure 1100S. In example embodiments, the input/output connection wire 1135 may include the input/output contact plugs 154 of FIG. 2A .

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(1100)을 제어할 수 있다.The controller 1200 may include a processor 1210 , a NAND controller 1220 , and a host interface 1230 . According to example embodiments, the data storage system 1000 may include a plurality of semiconductor devices 1100 , and in this case, the controller 1200 may control the plurality of semiconductor devices 1100 .

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

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

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

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

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

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

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

패키지 기판(2100)은 패키지 상부 패드들(2130)을 포함하는 인쇄회로 기판일 수 있다. 각각의 반도체 칩(2200)은 입출력 패드(2210)를 포함할 수 있다. 입출력 패드(2210)는 도 6의 입출력 패드(1101)에 해당할 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은 게이트 적층 구조물들(3210) 및 채널 구조물들(3220)을 포함할 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은 도 1a 내지 도 4b을 참조하여 상술한 반도체 장치를 포함할 수 있다.The package substrate 2100 may be a printed circuit board including package upper pads 2130 . Each semiconductor chip 2200 may include an input/output pad 2210 . The input/output pad 2210 may correspond to the input/output pad 1101 of FIG. 6 . Each of the semiconductor chips 2200 may include gate stack structures 3210 and channel structures 3220 . Each of the semiconductor chips 2200 may include the semiconductor device described above with reference to FIGS. 1A to 4B .

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

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

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

도 8을 참조하면, 반도체 패키지(2003A)에서, 반도체 칩들(2200b) 각각은 반도체 기판(4010), 반도체 기판(4010) 상의 제1 구조물(4100), 및 제1 구조물(4100) 상에서 웨이퍼 본딩 방식으로 제1 구조물(4100)과 접합된 제2 구조물(4200)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 8 , in a semiconductor package 2003A, each of the semiconductor chips 2200b is bonded to a semiconductor substrate 4010, a first structure 4100 on the semiconductor substrate 4010, and a wafer bonding method on the first structure 4100. This may include a second structure 4200 bonded to the first structure 4100.

제1 구조물(4100)은 주변 배선(4110) 및 제1 접합 구조물들(4150)을 포함하는 주변 회로 영역을 포함할 수 있다. 제2 구조물(4200)은 공통 소스 라인(4205), 공통 소스 라인(4205)과 제1 구조물(4100) 사이의 게이트 적층 구조물(4210), 게이트 적층 구조물(4210)을 관통하는 채널 구조물들(4220)과 분리 영역(4230), 및 메모리 채널 구조물들(4220) 및 게이트 적층 구조물(4210)의 워드라인들(도 6의 WL)과 각각 전기적으로 연결되는 제2 접합 구조물들(4250)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 접합 구조물들(4250)은, 메모리 채널 구조물들(4220)과 전기적으로 연결되는 비트 라인들(4240) 및 워드라인들(과 전기적으로 연결되는 게이트 콘택 플러그들(152)(도 2a 참조)을 통하여, 각각 메모리 채널 구조물들(4220) 및 워드라인들과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 구조물(4100)의 제1 접합 구조물들(4150) 및 제2 구조물(4200)의 제2 접합 구조물들(4250)은 서로 접촉하면서 접합될 수 있다. 제1 접합 구조물들(4150) 및 제2 접합 구조물들(4250)의 접합되는 부분들은 예를 들어, 구리(Cu)로 형성될 수 있다. The first structure 4100 may include a peripheral circuit area including the peripheral wiring 4110 and the first junction structures 4150 . The second structure 4200 includes a common source line 4205, a gate stack structure 4210 between the common source line 4205 and the first structure 4100, and channel structures 4220 penetrating the gate stack structure 4210. ), an isolation region 4230, and second junction structures 4250 electrically connected to word lines (WL in FIG. 6) of the memory channel structures 4220 and the gate stack structure 4210, respectively. can For example, the second junction structures 4250 may include bit lines 4240 electrically connected to the memory channel structures 4220 and gate contact plugs 152 electrically connected to word lines (and gate contact plugs 152 ( 2A), it may be electrically connected to the memory channel structures 4220 and the word lines, respectively. The two junction structures 4250 may be bonded while contacting each other.The junctions of the first junction structures 4150 and the second junction structures 4250 may be formed of, for example, copper (Cu). have.

제2 구조물(4200)은 확대도에 도시된 것과 같이, 게이트 콘택 플러그들(152), 입출력 콘택 플러그들(154), 및 더미 수직 구조물들(156)을 포함하는 수직 구조물들(150)은 게이트 전극들(130)의 패드 영역들(PAD)을 관통하도록 배치될 수 있다.As shown in the enlarged view, the second structure 4200 includes the gate contact plugs 152, the input/output contact plugs 154, and the vertical structures 150 including the dummy vertical structures 156. It may be disposed to pass through the pad areas PAD of the electrodes 130 .

반도체 칩들(2200b)은 본딩 와이어 형태의 연결 구조물들(2400)(도 10 참조)에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 반도체 칩들(2200b)과 같은 하나의 반도체 패키지 내에서의 반도체 칩들은 관통 전극(TSV)을 포함하는 연결 구조물에 의하여 서로 전기적으로 연결될 수도 있다.The semiconductor chips 2200b may be electrically connected to each other by connection structures 2400 in the form of bonding wires (see FIG. 10 ). However, in example embodiments, semiconductor chips in one semiconductor package, such as the semiconductor chips 2200b, may be electrically connected to each other by a connection structure including a through electrode (TSV).

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 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiments and accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. Therefore, various forms of substitution, modification, and change will be possible by those skilled in the art within the scope of the technical spirit of the present invention described in the claims, which also falls within the scope of the present invention. something to do.

201: 기판 202: 상부 층간 절연층
204: 패시베이션층 205: 소스/드레인 영역들
207: 소자분리층 210: 입출력 패드 구조물
212: 입출력 비아 214: 입출력 패드
220: 회로 소자 222: 회로 게이트 유전층
224: 스페이서층 225: 회로 게이트 전극
270: 회로 콘택 플러그 280: 회로 배선 라인
290: 주변 영역 절연층 295: 제1 본딩 비아
298: 제1 본딩 금속층 299: 제1 본딩 절연층
101: 플레이트층 120: 층간 절연층
130: 게이트 전극 140: 채널층
145: 게이트 유전층 147: 채널 매립 절연층
149: 채널 패드 150: 수직 구조물
152: 게이트 콘택 플러그 154: 입출력 콘택 플러그
156: 더미 수직 구조물 160: 제1 콘택 절연층
161: 상부 콘택 절연층 162: 제2 콘택 절연층
170: 셀 콘택 플러그 180: 셀 배선 라인
190: 셀 영역 절연층 195: 제2 본딩 비아
198: 제2 본딩 금속층 199: 제2 본딩 절연층
201: substrate 202: upper interlayer insulating layer
204: passivation layer 205: source/drain regions
207: device isolation layer 210: input/output pad structure
212: I/O vias 214: I/O pads
220 circuit element 222 circuit gate dielectric layer
224 spacer layer 225 circuit gate electrode
270 circuit contact plug 280 circuit wiring line
290: peripheral area insulating layer 295: first bonding via
298: first bonding metal layer 299: first bonding insulating layer
101: plate layer 120: interlayer insulating layer
130: gate electrode 140: channel layer
145: gate dielectric layer 147: channel buried insulating layer
149: channel pad 150: vertical structure
152: gate contact plug 154: input/output contact plug
156: dummy vertical structure 160: first contact insulating layer
161: upper contact insulating layer 162: second contact insulating layer
170 cell contact plug 180 cell wiring line
190: cell region insulating layer 195: second bonding via
198: second bonding metal layer 199: second bonding insulating layer

Claims (10)

기판, 상기 기판 상에 배치되는 회로 소자들, 및 상기 회로 소자들 상에 배치되는 제1 본딩 금속층들을 포함하는 제1 기판 구조물; 및
상기 제1 기판 구조물 상에서 상기 제1 기판 구조물과 연결되며, 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 제2 기판 구조물을 포함하고,
상기 제2 기판 구조물은,
플레이트층;
상기 플레이트층의 아래에서 상기 플레이트층의 하면에 수직한 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되며, 상기 제2 영역에서 제2 방향을 따라 서로 다른 길이로 연장되어 서로 다른 레벨의 패드 영역들을 이루는 게이트 전극들;
상기 제1 영역에서, 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들;
상기 제2 영역에서, 상기 게이트 전극들의 패드 영역들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되는 수직 구조물들;
상기 플레이트층 상에 적어도 일부가 배치되는 입출력 패드 구조물들; 및
상기 게이트 전극들의 아래에 배치되며 상기 제1 본딩 금속층들과 연결되는 제2 본딩 금속층들을 포함하고,
상기 수직 구조물들은, 상기 패드 영역들에서 상기 게이트 전극들과 연결되는 게이트 콘택 플러그들, 상기 입출력 패드 구조물들과 연결되는 입출력 콘택 플러그들, 및 절연층을 각각 포함하는 더미 수직 구조물들을 포함하고,
상기 패드 영역들은 제1 패드 영역을 포함하고,
상기 게이트 콘택 플러그들 중 적어도 하나 및 상기 입출력 콘택 플러그들 중 적어도 하나는 상기 제1 패드 영역을 관통하도록 배치되는 반도체 장치.
a first substrate structure including a substrate, circuit elements disposed on the substrate, and first bonding metal layers disposed on the circuit elements; and
A second substrate structure connected to the first substrate structure on the first substrate structure and having a first region and a second region,
The second substrate structure,
plate layer;
Gates are spaced apart from each other and stacked under the plate layer in a first direction perpendicular to the lower surface of the plate layer, and extend from the second region to different lengths along the second direction to form pad regions of different levels. electrodes;
channel structures in the first region, penetrating the gate electrodes and extending along the first direction, each including a channel layer;
vertical structures extending along the first direction and penetrating the pad regions of the gate electrodes in the second region;
input/output pad structures, at least partially disposed on the plate layer; and
Second bonding metal layers disposed under the gate electrodes and connected to the first bonding metal layers,
The vertical structures include gate contact plugs connected to the gate electrodes in the pad regions, input/output contact plugs connected to the input/output pad structures, and dummy vertical structures each including an insulating layer,
The pad regions include a first pad region,
At least one of the gate contact plugs and at least one of the input/output contact plugs are disposed to pass through the first pad region.
제1 항에 있어서,
상기 더미 수직 구조물들 중 적어도 하나는 상기 제1 패드 영역을 관통하도록 배치되는 반도체 장치.
According to claim 1,
At least one of the dummy vertical structures is disposed to pass through the first pad region.
제1 항에 있어서,
상기 패드 영역들에서 상기 수직 구조물들은 규칙적인 패턴으로 배열되는 반도체 장치.
According to claim 1,
The semiconductor device of claim 1 , wherein the vertical structures are arranged in a regular pattern in the pad regions.
제3 항에 있어서,
상기 수직 구조물들은, 상기 패드 영역들 각각의 네 개의 코너 영역들 및 중앙 영역에 배치되는 반도체 장치.
According to claim 3,
The vertical structures are disposed in four corner regions and a central region of each of the pad regions.
제1 항에 있어서,
상기 게이트 콘택 플러그들과 상기 입출력 콘택 플러그들은 서로 다른 내부 구조를 갖는 반도체 장치.
According to claim 1,
The semiconductor device of claim 1 , wherein the gate contact plugs and the input/output contact plugs have different internal structures.
제1 항에 있어서,
상기 제2 기판 구조물은,
상기 패드 영역들 상에서 상기 게이트 콘택 플러그들 각각을 둘러싸는 제1 콘택 절연층들; 및
상기 입출력 콘택 플러그들 각각의 측면을 둘러싸는 제2 콘택 절연층을 더 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The second substrate structure,
first contact insulating layers surrounding each of the gate contact plugs on the pad regions; and
The semiconductor device further includes a second contact insulating layer surrounding side surfaces of each of the input/output contact plugs.
제1 항에 있어서,
상기 입출력 패드 구조물들 각각은,
상기 플레이트층을 관통하며 상기 입출력 콘택 플러그들 상에 배치되는 입출력 비아; 및
상기 입출력 비아 상의 입출력 패드를 포함하는 반도체 장치.
According to claim 1,
Each of the input/output pad structures,
input/output vias penetrating the plate layer and disposed on the input/output contact plugs; and
A semiconductor device comprising an input/output pad on the input/output via.
제1 항에 있어서,
상기 게이트 콘택 플러그들, 상기 입출력 콘택 플러그들, 및 상기 더미 수직 구조물들의 하단들은 동일한 레벨에 위치하는 반도체 장치.
According to claim 1,
The gate contact plugs, the input/output contact plugs, and lower ends of the dummy vertical structures are positioned on the same level as the semiconductor device.
회로 소자들 및 제1 본딩 금속층들을 포함하는 제1 기판 구조물과, 게이트 전극들, 상기 제1 본딩 금속층들과 연결되는 제2 본딩 금속층들, 및 상기 회로 소자들과 전기적으로 연결되는 입출력 패드를 포함하며, 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 제2 기판 구조물을 포함하는 반도체 저장 장치; 및
상기 입출력 패드를 통하여 상기 반도체 저장 장치와 전기적으로 연결되며, 상기 반도체 저장 장치를 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 제2 기판 구조물은,
플레이트층;
상기 플레이트층의 아래에서 상기 플레이트층의 하면에 수직한 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되며, 상기 제2 영역에서 제2 방향을 따라 서로 다른 길이로 연장되어 패드 영역들을 이루는 게이트 전극들;
상기 제1 영역에서, 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고, 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들;
상기 제2 영역에서, 상기 패드 영역들에서 상기 게이트 전극들과 연결되며 상기 제1 방향을 따라 연장되는 게이트 콘택 플러그들;
상기 제2 영역에서, 상기 패드 영역들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되는 입출력 콘택 플러그들;
상기 제2 영역에서, 상기 패드 영역들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고, 절연층을 각각 포함하는 더미 수직 구조물들; 및
상기 게이트 전극들의 아래에 배치되며 상기 제1 본딩 금속층들과 연결되는 제2 본딩 금속층들을 포함하고,
상기 게이트 콘택 플러그들, 상기 입출력 콘택 플러그들, 및 상기 더미 수직 구조물들의 상단들은 상기 플레이트층의 하면 상에 위치하는 데이터 저장 시스템.
A first substrate structure including circuit elements and first bonding metal layers, gate electrodes, second bonding metal layers connected to the first bonding metal layers, and input/output pads electrically connected to the circuit elements a semiconductor storage device including a second substrate structure having a first region and a second region; and
a controller electrically connected to the semiconductor storage device through the input/output pad and controlling the semiconductor storage device;
The second substrate structure,
plate layer;
gate electrodes spaced apart from each other and stacked under the plate layer along a first direction perpendicular to a lower surface of the plate layer, and extending from the second region to different lengths along a second direction to form pad regions;
channel structures in the first region, penetrating the gate electrodes and extending along the first direction, each including a channel layer;
gate contact plugs connected to the gate electrodes in the pad regions in the second region and extending along the first direction;
input/output contact plugs extending along the first direction and penetrating the pad regions in the second region;
dummy vertical structures in the second area, penetrating the pad areas and extending along the first direction, each including an insulating layer; and
Second bonding metal layers disposed under the gate electrodes and connected to the first bonding metal layers,
Upper ends of the gate contact plugs, the input/output contact plugs, and the dummy vertical structures are positioned on the lower surface of the plate layer.
제9 항에 있어서,
상기 게이트 콘택 플러그들 중 하나의 게이트 콘택 플러그, 상기 입출력 콘택 플러그들 중 하나의 입출력 콘택 플러그, 및 상기 더미 수직 구조물들 중 적어도 하나의 더미 수직 구조물은, 상기 패드 영역들 중 적어도 하나의 패드 영역을 관통하도록 배치되는 데이터 저장 시스템.
According to claim 9,
One gate contact plug of the gate contact plugs, one of the input/output contact plugs, and at least one dummy vertical structure of the dummy vertical structures form at least one pad area of the pad areas. A data storage system arranged to pass through.
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