KR20230081555A - Nonvolatile memory device - Google Patents

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KR20230081555A
KR20230081555A KR1020220014358A KR20220014358A KR20230081555A KR 20230081555 A KR20230081555 A KR 20230081555A KR 1020220014358 A KR1020220014358 A KR 1020220014358A KR 20220014358 A KR20220014358 A KR 20220014358A KR 20230081555 A KR20230081555 A KR 20230081555A
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semiconductor
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김민호
최현묵
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삼성전자주식회사
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Abstract

A nonvolatile memory device, according to an embodiment of the present invention, may comprise: a first semiconductor structure which comprises a memory cell area, containing a first semiconductor substrate and a plurality of memory cells placed on a top surface of the first semiconductor substrate, and a first metal pad placed on an upper part of the memory cell area; a second semiconductor structure which comprises a second semiconductor substrate, a page buffer placed on a top surface of the second semiconductor substrate, and a second metal pad bonded with the first metal pad; and a third semiconductor structure which comprises a third semiconductor substrate, a buffer memory and peripheral circuits formed on a top surface of the third semiconductor substrate, and a third metal pad connected to the peripheral circuits through a connection via penetrating the third semiconductor substrate, and is connected to the second semiconductor structure by a connection structure penetrating the second semiconductor substrate. The page buffer may comprise a plurality of vertical transistors defined by a source area, a channel area, and a drain area which are sequentially stacked in the vertical direction. Accordingly, the page buffer is placed by utilizing a space as much as possible in the nonvolatile memory device, according to one embodiment of the present invention, such that an issue of increasing the size of the page buffer caused by the increase in a storage capacity can be solved.

Description

비휘발성 메모리 장치{NONVOLATILE MEMORY DEVICE}Non-volatile memory device {NONVOLATILE MEMORY DEVICE}

본 발명은 비휘발성 메모리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a non-volatile memory device.

최근의 비휘발성 메모리 장치는 더 많은 데이터를 짧은 시간 안에 처리하기 위해 높은 수준의 집적도와 함께 높은 속도를 요구하고 있다. 비휘발성 메모리 장치의 집적도를 향상시키고 저장 용량을 증가시키기 위해, 비휘발성 메모리 장치에 포함된 복수의 메모리 블록들 각각에 포함된 채널 구조물들의 개수를 증가시킬 수 있다. 다만, 메모리 셀들을 포함하는 채널 구조물들의 개수가 증가함에 따라, 메모리 셀들에 저장된 값을 센싱하는 페이지 버퍼들의 개수도 증가할 수 있다. 페이지 버퍼들의 개수가 증가하면 비휘발성 메모리 장치의 주변 회로 영역의 크기가 필요 이상으로 커지는 문제가 발생할 수 있다. Recent non-volatile memory devices require a high degree of integration and high speed in order to process more data in a shorter time. In order to improve integration and increase storage capacity of the nonvolatile memory device, the number of channel structures included in each of a plurality of memory blocks included in the nonvolatile memory device may be increased. However, as the number of channel structures including memory cells increases, the number of page buffers that sense values stored in memory cells may also increase. When the number of page buffers increases, a size of a peripheral circuit area of the nonvolatile memory device may increase more than necessary.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 페이지 버퍼마다 연결되는 메모리 셀 스트링의 개수를 감소시킴으로써, 페이지 버퍼에서 병렬적으로 동시에 데이터를 읽고 쓸 수 있는 메모리 셀의 개수를 증가시키고, 나아가 복수의 메모리 셀들의 리드 동작 및 쓰기 동작 시간을 단축할 수 있는 비휘발성 메모리 장치를 제공하고자 하는 데에 있다.One of the problems to be achieved by the technical idea of the present invention is to increase the number of memory cells capable of simultaneously reading and writing data in parallel in a page buffer by reducing the number of memory cell strings connected to each page buffer, and furthermore, It is an object of the present invention to provide a non-volatile memory device capable of reducing read and write operation times of memory cells.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 제1 반도체 기판, 상기 제1 반도체 기판 상에 배치되는 복수의 메모리 셀들을 포함하는 메모리 셀 영역, 및 상기 메모리 셀 영역의 상부에 배치되는 제1 메탈 패드를 포함하고, 상기 복수의 메모리 셀들은 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들 및 상기 게이트 전극들을 관통하고 상기 제1 반도체 기판에 연결되는 채널 구조물들에 의해 정의되는 제1 반도체 구조물, 제2 반도체 기판, 상기 제2 반도체 기판 상에 배치되는 페이지 버퍼, 및 상기 제1 메탈 패드와 접합하는 제2 메탈 패드를 포함하는 제2 반도체 구조물, 및 제3 반도체 기판, 상기 제3 반도체 기판 상에 형성되는 버퍼 메모리 및 주변 회로들, 및 상기 제3 반도체 기판을 관통하는 연결 비아를 통해 상기 주변 회로들과 연결되는 제3 메탈 패드를 포함하는 제3 반도체 구조물을 포함하고, 상기 제2 반도체 구조물 및 상기 제3 반도체 구조물은 상기 제2 반도체 기판을 관통하는 연결 구조물에 의해 서로 연결되며, 상기 페이지 버퍼는 상기 제1 반도체 구조물, 상기 제2 반도체 구조물, 및 상기 제3 반도체 구조물이 연결되는 제1 방향에서 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 복수의 수직 트랜지스터들을 포함한다.A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention includes a first semiconductor substrate, a memory cell region including a plurality of memory cells disposed on the first semiconductor substrate, and a first memory cell region disposed above the memory cell region. A first semiconductor structure including a first metal pad, wherein the plurality of memory cells are defined by stacked gate electrodes spaced apart from each other and channel structures penetrating the gate electrodes and connected to the first semiconductor substrate; A second semiconductor structure including a semiconductor substrate, a page buffer disposed on the second semiconductor substrate, and a second metal pad bonded to the first metal pad, and a third semiconductor substrate formed on the third semiconductor substrate A third semiconductor structure including a buffer memory and peripheral circuits, and a third metal pad connected to the peripheral circuits through a connection via penetrating the third semiconductor substrate, wherein the second semiconductor structure and the The third semiconductor structures are connected to each other by a connection structure penetrating the second semiconductor substrate, and the page buffer is configured in a first direction in which the first semiconductor structure, the second semiconductor structure, and the third semiconductor structure are connected. It includes a plurality of vertical transistors defined by sequentially stacked source regions, channel regions, and drain regions.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 제1 반도체 기판, 상기 제1 반도체 기판 상에 배치되는 복수의 메모리 셀들을 포함하는 메모리 셀 영역, 및 상기 메모리 셀 영역의 상부에 배치되는 제1 메탈 패드를 포함하고, 상기 복수의 메모리 셀들은 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들 및 상기 게이트 전극들을 관통하고 상기 제1 반도체 기판에 연결되는 채널 구조물들에 의해 정의되는 제1 반도체 구조물, 제2 반도체 기판, 상기 제2 반도체 기판 상에 배치되는 페이지 버퍼, 및 상기 제1 메탈 패드와 접합하는 제2 메탈 패드를 포함하는 제2 반도체 구조물, 및 제3 반도체 기판, 상기 제3 반도체 기판 상에 형성되는 버퍼 메모리, 상기 버퍼 메모리의 상부에 배치되는 주변 회로들, 및 상기 제3 반도체 기판을 관통하는 연결 비아를 통해 상기 주변 회로들과 연결되는 제3 메탈 패드를 포함하고, 상기 제2 반도체 기판을 관통하는 연결 구조물에 의해 상기 제2 반도체 구조물과 연결되는 제3 반도체 구조물을 포함하고, 상기 주변 회로들은 상기 페이지 버퍼와 연결되는 로우 디코더, 및 상기 복수의 메모리 셀들을 제어하는 기타 주변 회로들을 포함하며, 상기 제3 반도체 구조물은 상기 제1 반도체 구조물, 상기 제2 반도체 구조물, 및 상기 제3 반도체 구조물이 연결되는 제1 방향에서 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 복수의 수직 트랜지스터들을 포함한다.A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention includes a first semiconductor substrate, a memory cell region including a plurality of memory cells disposed on the first semiconductor substrate, and a first memory cell region disposed above the memory cell region. A first semiconductor structure including a first metal pad, wherein the plurality of memory cells are defined by stacked gate electrodes spaced apart from each other and channel structures penetrating the gate electrodes and connected to the first semiconductor substrate; A second semiconductor structure including a semiconductor substrate, a page buffer disposed on the second semiconductor substrate, and a second metal pad bonded to the first metal pad, and a third semiconductor substrate formed on the third semiconductor substrate a buffer memory, peripheral circuits disposed above the buffer memory, and a third metal pad connected to the peripheral circuits through a connection via penetrating the third semiconductor substrate; A third semiconductor structure connected to the second semiconductor structure by a connection structure therethrough, wherein the peripheral circuits include a row decoder connected to the page buffer and other peripheral circuits for controlling the plurality of memory cells; , The third semiconductor structure is a plurality defined by a source region, a channel region, and a drain region sequentially stacked in a first direction to which the first semiconductor structure, the second semiconductor structure, and the third semiconductor structure are connected. of vertical transistors.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 제1 반도체 기판, 상기 제1 반도체 기판 상에 배치되는 복수의 메모리 셀들을 포함하는 메모리 셀 영역, 및 상기 메모리 셀 영역의 상부에 배치되는 제1 메탈 패드를 포함하고, 상기 복수의 메모리 셀들은 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들 및 상기 게이트 전극들을 관통하고 상기 제1 반도체 기판에 연결되는 채널 구조물들에 의해 정의되는 제1 반도체 구조물, 제2 반도체 기판, 상기 제2 반도체 기판 상에 배치되는 페이지 버퍼, 및 상기 제1 메탈 패드와 접합하는 제2 메탈 패드를 포함하는 제2 반도체 구조물, 및 제3 반도체 기판, 상기 제3 반도체 기판 상에 형성되는 버퍼 메모리, 로우 디코더, 및 기타 주변 회로들, 및 상기 제3 반도체 기판을 관통하는 연결 비아를 통해 상기 주변 회로들과 연결되는 제3 메탈 패드를 포함하는 제3 반도체 구조물을 포함하고, 상기 로우 디코더는 상기 페이지 버퍼에 의해 둘러싸이도록 상기 제2 반도체 기판의 중앙에 배치되며, 상기 복수의 메모리 셀들은 상기 페이지 버퍼, 상기 로우 디코더, 및 상기 기타 주변 회로들의 순서로 연결된다.A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention includes a first semiconductor substrate, a memory cell region including a plurality of memory cells disposed on the first semiconductor substrate, and a first memory cell region disposed above the memory cell region. A first semiconductor structure including a first metal pad, wherein the plurality of memory cells are defined by stacked gate electrodes spaced apart from each other and channel structures penetrating the gate electrodes and connected to the first semiconductor substrate; A second semiconductor structure including a semiconductor substrate, a page buffer disposed on the second semiconductor substrate, and a second metal pad bonded to the first metal pad, and a third semiconductor substrate formed on the third semiconductor substrate a third semiconductor structure including a buffer memory, a row decoder, and other peripheral circuits, and a third metal pad connected to the peripheral circuits through a connection via penetrating the third semiconductor substrate; A decoder is disposed in the center of the second semiconductor substrate to be surrounded by the page buffer, and the plurality of memory cells are sequentially connected to the page buffer, the row decoder, and the other peripheral circuits.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 메모리 셀 영역을 포함하는 제1 반도체 구조물, 페이지 버퍼를 포함하는 제2 반도체 구조물, 및 버퍼 메모리 및 주변 회로들을 포함하는 제3 반도체 구조물의 적층 구조로 구현됨으로써 페이지 버퍼의 배치에 필요한 공간을 확보할 수 있다.A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention includes a stack of a first semiconductor structure including a memory cell region, a second semiconductor structure including a page buffer, and a third semiconductor structure including a buffer memory and peripheral circuits. By being implemented as a structure, it is possible to secure the space necessary for arranging the page buffer.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 수직 트랜지스터들을 이용하여 페이지 버퍼를 구현함으로써 공간을 최대한으로 활용할 수 있다.A nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention can maximize space by implementing a page buffer using vertical transistors.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 수직 트랜지스터들을 이용하여 버퍼 메모리 및/또는 주변 회로들을 구현함으로써 공간을 최대한으로 활용할 수 있다.A nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention may maximize space utilization by implementing a buffer memory and/or peripheral circuits using vertical transistors.

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

도 1은 비휘발성 메모리 장치의 구조를 간단히 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치에 포함된 수직 트랜지스터를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치에서, 페이지 버퍼에 포함된 수직 트랜지스터들을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 메모리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치에 포함된 메모리 블록의 등가 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치에서 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다.
도 19a 내지 도 19e는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
1 is a perspective view simply showing the structure of a non-volatile memory device.
2 and 3 are schematic diagrams illustrating a non-volatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
4A and 4B are diagrams for explaining a vertical transistor included in a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
4C is a diagram for explaining vertical transistors included in a page buffer in a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a block diagram illustrating a memory system including a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 is a block diagram simply illustrating a non-volatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
7 is an equivalent circuit diagram of a memory block included in a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram for explaining a wafer bonding method in a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
9 to 12 are views simply illustrating a non-volatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
13 and 14 are diagrams simply illustrating a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
15 and 16 are diagrams simply illustrating a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
17 and 18 are schematic diagrams illustrating a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
19A to 19E are diagrams for explaining a process of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.

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

도 1은 비휘발성 메모리 장치의 구조를 간단히 도시한 사시도이다.1 is a perspective view simply showing the structure of a non-volatile memory device.

도 1을 참조하면, 비휘발성 메모리 장치는 COP(Cell On Peri) 구조를 가질 수 있다. 일례로, COP 구조를 갖는 비휘발성 메모리 장치는 3D 구조로 형성되는 복수의 메모리 셀들을 포함하는 메모리 셀 영역(CELL)과 수평(planar) 트랜지스터들로 구현되는 주변 회로들을 포함하는 주변 회로 영역(PERI)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a nonvolatile memory device may have a cell on periphery (COP) structure. For example, a nonvolatile memory device having a COP structure includes a memory cell area (CELL) including a plurality of memory cells formed in a 3D structure and a peripheral circuit area (PERI) including peripheral circuits implemented with planar transistors. ) may be included.

주변 회로 영역(PERI)에는 페이지 버퍼(PB), 로우 디코더(XDEC), 및 기타 주변 회로들(OC)이 포함될 수 있다. 로우 디코더(XDEC)는 워드라인을 선택하기 위해 단차가 형성된 계단 구조의 하부에 배치될 수 있고, 로우 디코더(XDEC)의 사이에는 페이지 버퍼(PB) 및 기타 주변 회로들(OC)이 배치될 수 있다.The peripheral circuit area PERI may include a page buffer PB, a row decoder XDEC, and other peripheral circuits OC. The row decoder (XDEC) may be disposed below a stepped structure in which a step is formed to select a word line, and a page buffer (PB) and other peripheral circuits (OC) may be disposed between the row decoder (XDEC). there is.

최근 비휘발성 메모리 장치에 포함된 메모리 셀들의 단수가 높아지고 메모리 셀 당 저장하는 비트 수가 증가하면서 비휘발성 메모리 장치의 저장 용량이 증가하고 있다. 이에 따라, 기존의 페이지 버퍼(PB)를 이용하는 경우 읽기/쓰기 동작에 소요되는 시간이 증가할 수 있고, 비휘발성 메모리 장치의 동작 성능을 보장하기 위해 페이지 버퍼(PB)의 크기를 증가시켜야 할 필요가 있을 수 있다.Recently, as the number of memory cells included in the nonvolatile memory device increases and the number of bits stored per memory cell increases, the storage capacity of the nonvolatile memory device is increasing. Accordingly, when using the existing page buffer (PB), the time required for read/write operations may increase, and it is necessary to increase the size of the page buffer (PB) to ensure the operational performance of the non-volatile memory device. there may be

또한, 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 스토리지 장치의 크기는 집적화로 인해 작아지는 추세이다. 따라서, 주변 회로 영역(PERI)의 공간을 충분히 확보해야 할 필요가 있을 수 있다. In addition, the size of a storage device including a non-volatile memory device tends to decrease due to integration. Therefore, it may be necessary to secure a sufficient space in the peripheral circuit area PERI.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는, 페이지 버퍼(PB)를 별도의 반도체 구조물에 형성하고 이를 포함하는 3개의 반도체 구조물들이 적층된 3-stack 구조를 가짐으로써 페이지 버퍼가 배치되는 공간을 충분히 확보할 수 있다. 또한, 페이지 버퍼(PB)에 포함된 래치 구조를 수직 트랜지스터(Vertical Transistor)를 이용하여 구현함으로써 주변 회로 영역(PERI)의 공간을 최대한 활용할 수 있고, 기존의 공간 부족 문제를 해결할 수 있다.A non-volatile memory device according to an embodiment of the present invention has a 3-stack structure in which a page buffer (PB) is formed in a separate semiconductor structure and three semiconductor structures including the page buffer PB are stacked. can secure enough. In addition, since the latch structure included in the page buffer PB is implemented using vertical transistors, the space of the peripheral circuit area PERI can be maximally utilized and the existing space shortage problem can be solved.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다.2 and 3 are schematic diagrams illustrating a non-volatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는 제1 방향(예컨대, Z 방향)으로 적층된 구조를 갖는 제1 반도체 구조물(110), 제2 반도체 구조물(120), 및 제3 반도체 구조물(130)을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 2 and 3 , a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention includes a first semiconductor structure 110 having a stacked structure in a first direction (eg, Z direction), and a second semiconductor structure ( 120), and a third semiconductor structure 130.

제1 반도체 구조물(110)은 제1 반도체 기판(111) 및 제1 반도체 기판 상부 영역을 포함할 수 있다. 제1 반도체 기판 상부 영역은 복수의 메모리 셀들이 배치되는 메모리 셀 영역(112) 및 메모리 셀 영역(112)의 상부에 배치되는 제1 메탈 패드(119)를 포함할 수 있다.The first semiconductor structure 110 may include a first semiconductor substrate 111 and an upper region of the first semiconductor substrate. The upper region of the first semiconductor substrate may include a memory cell region 112 in which a plurality of memory cells are disposed and a first metal pad 119 disposed above the memory cell region 112 .

제1 반도체 기판(111)은 제2 방향(예컨대, X 방향) 및 제3 방향(예컨대, Y 방향)으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 제1 반도체 기판(111)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체 기판(111)은 실리콘(Si), 실리콘 게르마늄(SiGe), 갈륨 비소(GaAs), 게르마늄(Ge), 절연체 상의 실리콘(SOI) 또는 다른 적절한 재료를 포함할 수 있다. 또는, 제1 반도체 기판(111)은 다결정 실리콘층과 같은 다결정 반도체층 또는 에피택셜층으로 제공될 수 있다. 비휘발성 메모리 장치(100)에 포함된 반도체 구조물들(110, 120, 130)에 포함된 반도체 기판들(111, 121, 131)은 동일한 재료를 포함할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다.The first semiconductor substrate 111 may have a top surface extending in a second direction (eg, an X direction) and a third direction (eg, a Y direction). The first semiconductor substrate 111 may include a semiconductor material, for example, a group IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, or a group II-VI compound semiconductor. For example, the first semiconductor substrate 111 may include silicon (Si), silicon germanium (SiGe), gallium arsenide (GaAs), germanium (Ge), silicon on insulator (SOI), or another suitable material. Alternatively, the first semiconductor substrate 111 may be provided with a polycrystalline semiconductor layer such as a polycrystalline silicon layer or an epitaxial layer. The semiconductor substrates 111 , 121 , and 131 included in the semiconductor structures 110 , 120 , and 130 included in the nonvolatile memory device 100 may include the same material. However, this is merely an example and may not be limited.

메모리 셀 영역(112)에 포함된 복수의 메모리 셀들은 제1 반도체 기판(111) 상에 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들 및 게이트 전극들을 관통하고 제1 반도체 기판(111)에 연결되는 채널 구조물들(CH)에 의해 구현될 수 있다. 즉, 복수의 메모리 셀들은 수직형 낸드 플래시 메모리(Vertical NAND, VNAND)를 구성하는 메모리 셀들일 수 있다. The plurality of memory cells included in the memory cell region 112 include gate electrodes spaced apart from each other and stacked on the first semiconductor substrate 111 , and channel structures passing through the gate electrodes and connected to the first semiconductor substrate 111 . (CH). That is, the plurality of memory cells may be memory cells constituting a vertical NAND flash memory (VNAND).

게이트 전극들은 제1 반도체 기판(111) 상으로부터 순차적으로 접지 선택 트랜지스터, 복수의 메모리 셀들, 및 스트링 선택 트랜지스터를 이루는 전극들을 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리 장치(100)의 용량에 따라서 복수의 메모리 셀들을 이루는 게이트 전극들의 개수가 결정될 수 있다. 이 때, 게이트 전극들은 서로 다른 길이로 연장되어 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있고, 게이트 전극들은 노출된 단부를 통해 게이트 컨택들과 연결될 수 있다. 메모리 셀 영역(112)에서 게이트 전극들 및 게이트 컨택들은 절연성 물질로 이루어지는 절연층에 의해 덮일 수 있다.The gate electrodes may include electrodes sequentially forming a ground select transistor, a plurality of memory cells, and a string select transistor from the first semiconductor substrate 111 . The number of gate electrodes constituting a plurality of memory cells may be determined according to the capacity of the nonvolatile memory device 100 . In this case, the gate electrodes may extend to different lengths to form a stepped structure, and the gate electrodes may be connected to the gate contacts through exposed ends. Gate electrodes and gate contacts in the memory cell region 112 may be covered by an insulating layer made of an insulating material.

게이트 전극들은 금속 물질, 예컨대 텅스텐(W)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 게이트 전극들은 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드 물질을 포함할 수 있다. 일례로, 게이트 전극들은 확산 방지층을 더 포함할 수 있으며, 예컨대, 상기 확산 방지층은 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 한편, 게이트 전극들의 사이에 배치되는 층간 절연층들은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다.The gate electrodes may include a metal material, such as tungsten (W). Depending on the embodiment, the gate electrodes may include polycrystalline silicon or a metal silicide material. For example, the gate electrodes may further include an anti-diffusion layer, and for example, the anti-diffusion layer may include tungsten nitride (WN), tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), or a combination thereof. Meanwhile, interlayer insulating layers disposed between the gate electrodes may include an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride.

채널 구조물들(CH)은 각각 하나의 메모리 셀 스트링을 구성하며, 행과 열을 이루면서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH)은, X-Y 평면에서, 격자 무늬를 형성하도록 배치되거나 일 방향에서 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 채널 구조물들(CH)은 기둥 형상을 가지며, 종횡비에 따라 제1 반도체 기판(111)에 가까울수록 좁아지는 경사진 측면을 가질 수 있다.Each of the channel structures CH constitutes one memory cell string and may be spaced apart from each other while forming rows and columns. The channel structures CH may be arranged to form a lattice pattern in an X-Y plane or may be arranged in a zigzag shape in one direction. The channel structures CH may have a pillar shape and may have inclined side surfaces that become narrower closer to the first semiconductor substrate 111 according to an aspect ratio.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)는 전하 저장층이 전도성 부유 게이트로 구성된 플래시 메모리 장치는 물론, 전하 저장층이 절연막으로 구성된 차지 트랩형 플래시(Charge Trap Flash; CTF)에도 모두 적용될 수 있다. Meanwhile, the non-volatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention includes a charge storage layer composed of a conductive floating gate as well as a charge storage layer composed of an insulating film (Charge Trap Flash; CTF). ) can also be applied.

제2 반도체 구조물(120)은 제2 반도체 기판(121) 및 제2 반도체 기판 상부 영역을 포함할 수 있다. 제2 반도체 기판 상부 영역은 비휘발성 메모리 장치(100)의 페이지 버퍼(122), 로우 디코더(123), 및 제2 메탈 패드(129)를 포함할 수 있다. The second semiconductor structure 120 may include the second semiconductor substrate 121 and an upper region of the second semiconductor substrate. The upper region of the second semiconductor substrate may include the page buffer 122 , the row decoder 123 , and the second metal pad 129 of the nonvolatile memory device 100 .

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)는 페이지 버퍼(122)를 제2 반도체 구조물(120)에 별도로 배치함으로써 비휘발성 메모리 장치(100)의 저장 용량 증가에 따라 페이지 버퍼(122)의 크기를 증가시킬 때 공간적 제약을 최소화할 수 있다. 이에 따라, 비휘발성 메모리 장치(100)는 복수의 메모리 셀들의 리드 동작 및 쓰기 동작을 단축시킬 수 있다.In the nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention, the page buffer 122 is separately disposed in the second semiconductor structure 120 to increase the storage capacity of the nonvolatile memory device 100. ), it is possible to minimize the spatial constraints when increasing the size of . Accordingly, the nonvolatile memory device 100 may shorten read operations and write operations of a plurality of memory cells.

도 2를 참조하면, 로우 디코더(123)는 양쪽에 배치된 페이지 버퍼(122)를 로딩하기 위해 페이지 버퍼(122)에 의해 둘러싸이도록 제2 반도체 기판(121)의 중앙에 배치될 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다.Referring to FIG. 2 , a row decoder 123 may be disposed in the center of the second semiconductor substrate 121 to be surrounded by the page buffer 122 to load the page buffer 122 disposed on both sides. However, this is merely an example and may not be limited.

제2 메탈 패드(129)는 제1 방향에서 제1 메탈 패드(119)와 접합될 수 있다. 제1 메탈 패드(119) 및 제2 메탈 패드(129)는 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 방식으로 제1 반도체 구조물(110)과 제2 반도체 구조물(120)을 연결할 수 있다. The second metal pad 129 may be bonded to the first metal pad 119 in the first direction. The first metal pad 119 and the second metal pad 129 may connect the first semiconductor structure 110 and the second semiconductor structure 120 by a wafer bonding method.

웨이퍼 본딩 방식은 제1 반도체 구조물(110)과 제2 반도체 구조물(120) 사이에 짧은 연결 길이를 갖는 직접적인 접속 통로를 형성할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼 본딩 방식은 칩 인터페이스에 의한 지연을 제거하고 전력 소비를 줄이면서 데이터 및 제어 신호의 입출력 속도를 개선할 수 있다.The wafer bonding method may form a direct connection path having a short connection length between the first semiconductor structure 110 and the second semiconductor structure 120 . Accordingly, the wafer bonding method can improve the input/output speed of data and control signals while removing the delay caused by the chip interface and reducing power consumption.

한편, 제1 메탈 패드(119)와 제2 메탈 패드(129)는 텅스텐(W), 코발트(Co), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 실리사이드 등을 포함할 수 있다. 제1 메탈 패드(119)와 제2 메탈 패드(129) 각각은 제2 방향(예컨대, X 방향) 및/또는 제3 방향(예컨대, Y 방향)에서 인접한 레이어에 의해 전기적으로 분리될 수 있다. 일례로, 상기 레이어는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, low-k 유전체 등을 포함할 수 있다.Meanwhile, the first metal pad 119 and the second metal pad 129 may include tungsten (W), cobalt (Co), copper (Cu), aluminum (Al), silicide, or the like. Each of the first metal pad 119 and the second metal pad 129 may be electrically separated by adjacent layers in a second direction (eg, X direction) and/or a third direction (eg, Y direction). As an example, the layer may include silicon oxide, silicon nitride, low-k dielectric, and the like.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)는 제2 반도체 기판(121)의 하면에 배치되는 패드 아웃 레이어를 더 포함할 수 있다. 일례로, 패드 아웃 레이어는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, low-k 유전체 등의 유전체 재료를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the nonvolatile memory device 100 according to an exemplary embodiment may further include a pad out layer disposed on a lower surface of the second semiconductor substrate 121 . As an example, the pad out layer may include a dielectric material such as silicon oxide, silicon nitride, or a low-k dielectric.

패드 아웃 레이어는 메모리 셀 영역(112) 및/또는 페이지 버퍼(122)를 외부 회로와 전기적으로 연결하기 위한 하나 이상의 컨택 패드(128)를 포함할 수 있다. 제1 반도체 구조물(110)과 제2 반도체 구조물(120)은 웨이퍼 본딩 방식으로 서로 전기적으로 연결되어 있으므로, 컨택 패드(128)로 인가되는 외부 회로의 전기 신호는 제1 반도체 구조물(110)에 포함된 메모리 셀 영역(112)에 전달될 수 있다. 즉, 컨택 패드(128)는 패드-아웃을 위해 비휘발성 메모리 장치(100)와 외부 회로 사이에서 전기 신호를 전달할 수 있다.The pad-out layer may include one or more contact pads 128 to electrically connect the memory cell region 112 and/or the page buffer 122 to an external circuit. Since the first semiconductor structure 110 and the second semiconductor structure 120 are electrically connected to each other by wafer bonding, the electrical signal of the external circuit applied to the contact pad 128 is included in the first semiconductor structure 110. may be transferred to the memory cell region 112. That is, the contact pad 128 may transmit an electrical signal between the nonvolatile memory device 100 and an external circuit for pad-out.

다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다. 일례로, 패드 아웃 레이어는 제1 반도체 기판(111)의 하면에 배치될 수도 있다. 이 때, 패드 아웃 레이어에 포함된 컨택 패드(128)로 인가되는 외부 회로의 전기 신호는 웨이퍼 본딩 방식으로 연결된 제1 메탈 패드(119) 및 제2 메탈 패드(129)를 통해 제2 반도체 구조물(120)에 전달될 수 있다.However, this is merely an example and may not be limited. For example, the pad-out layer may be disposed on the lower surface of the first semiconductor substrate 111 . At this time, the electrical signal of the external circuit applied to the contact pad 128 included in the pad-out layer passes through the first metal pad 119 and the second metal pad 129 connected by a wafer bonding method to the second semiconductor structure ( 120) can be passed on.

제3 반도체 구조물(130)은 제3 반도체 기판(131) 및 제3 반도체 기판 상부 영역을 포함할 수 있다. 제3 반도체 기판 상부 영역은 버퍼 메모리(132) 및 기타 주변 회로들(134)을 포함할 수 있고, 제3 반도체 구조물(130)은 제3 반도체 기판(131)을 관통하는 연결 비아(138)를 통해 주변 회로들과 연결되는 제3 메탈 패드(139)를 포함할 수 있다. The third semiconductor structure 130 may include the third semiconductor substrate 131 and an upper region of the third semiconductor substrate. An upper region of the third semiconductor substrate may include a buffer memory 132 and other peripheral circuits 134 , and the third semiconductor structure 130 may include connection vias 138 penetrating the third semiconductor substrate 131 . It may include a third metal pad 139 connected to peripheral circuits through.

한편, 제2 반도체 기판(121)과 제3 반도체 기판(131)은 제2 반도체 기판(121)을 관통하는 연결 구조물(140)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 도 3을 참조하면, 연결 구조물(140)은 제2 반도체 기판(121) 및 패드 아웃 레이어를 완전히 관통하고, 제2 반도체 구조물(120)의 배선층으로부터 연장된 컨택과 제3 반도체 구조물(130)의 배선층 사이에서 연결될 수 있다.Meanwhile, the second semiconductor substrate 121 and the third semiconductor substrate 131 may be electrically connected by a connection structure 140 penetrating the second semiconductor substrate 121 . Referring to FIG. 3 , the connection structure 140 completely penetrates the second semiconductor substrate 121 and the pad-out layer, and connects a contact extending from the wiring layer of the second semiconductor structure 120 to the third semiconductor structure 130 . It can be connected between wiring layers.

웨이퍼 본딩 방식과 유사하게, 연결 구조물(140)은 제2 반도체 구조물(120)과 제3 반도체 구조물(130) 사이에 짧은 연결 길이를 갖는 직접적인 접속 통로를 형성할 수 있다. 이에 따라, 연결 구조물(140)은 칩 인터페이스에 의한 지연을 제거하고 전력 소비를 줄이면서 데이터 및 제어 신호의 입출력 속도를 개선할 수 있다.Similar to the wafer bonding method, the connection structure 140 may form a direct connection path having a short connection length between the second semiconductor structure 120 and the third semiconductor structure 130 . Accordingly, the connection structure 140 can improve the input/output speed of data and control signals while removing delay caused by the chip interface and reducing power consumption.

일례로, 도 2를 참조하면, 기타 주변 회로들(134)은 감지 증폭기(133), 멀티플렉서(135) 등의 회로를 제외한 나머지 주변 회로들, 예컨대, 쓰기 드라이버, 전하 펌프 등을 의미할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 도 3에 도시된 바와 같이 기타 주변 회로들(134)은 감지 증폭기, 멀티플렉서 등의 회로를 포함한 주변 회로들을 의미할 수도 있다. 기타 주변 회로들(134)은 제3 반도체 기판(131) 상에 배치되는 복수의 트랜지스터들을 포함하는 임의의 소자들(예컨대, 다이오드, 저항, 또는 커패시터) 및 배선들에 의해 구현될 수 있다.As an example, referring to FIG. 2 , other peripheral circuits 134 may refer to peripheral circuits other than circuits such as the sense amplifier 133 and the multiplexer 135, such as a write driver and a charge pump. , but is not limited thereto, and as shown in FIG. 3 , other peripheral circuits 134 may mean peripheral circuits including circuits such as sense amplifiers and multiplexers. Other peripheral circuits 134 may be implemented by arbitrary elements (eg, diodes, resistors, or capacitors) including a plurality of transistors disposed on the third semiconductor substrate 131 and wirings.

버퍼 메모리(132)는 메모리 셀 영역(112)에 포함된 복수의 메모리 셀들과 다른 메모리 셀들을 포함할 수 있다. 버퍼 메모리(132)는 메모리 셀 영역(112)에 저장되거나 메모리 셀 영역(112)으로부터 리드된 데이터를 임시 저장함으로써 비휘발성 메모리 장치와 외부 장치(10) 사이에서의 신호 및 데이터 전달 속도를 조절할 수 있다. The buffer memory 132 may include a plurality of memory cells included in the memory cell area 112 and other memory cells. The buffer memory 132 temporarily stores data stored in or read from the memory cell area 112 to adjust signal and data transmission speeds between the non-volatile memory device and the external device 10 . there is.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)에서 버퍼 메모리(132)는 동적 램(Dynamic Random Access Memory, DRAM)을 포함할 수 있다. 따라서, 버퍼 메모리(132)에 포함된 메모리 셀들 각각은 선택 트랜지스터 및 커패시터에 의해 구현될 수 있다. Referring to FIG. 3 , in the nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention, the buffer memory 132 may include dynamic random access memory (DRAM). Accordingly, each of the memory cells included in the buffer memory 132 may be implemented by a selection transistor and a capacitor.

다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 버퍼 메모리(132)는 DRAM 외에 정적 램(Static Random Access Memory, SRAM), 자기저항 램(Magnetoresistive Random Access Memory; MRAM), 상변화 램(Phase-change Random Access Memory, PRAM) 등의 다른 원리로 동작하는 메모리 장치를 포함할 수 있다. 이에 따라, 버퍼 메모리(132)에 포함된 소자들 및 그 구조는 달라질 수 있다.However, this is only one embodiment and is not limited, and the buffer memory 132 may include static random access memory (SRAM), magnetoresistive random access memory (MRAM), and phase-change RAM in addition to DRAM. It may include a memory device operating on a different principle, such as change random access memory (PRAM). Accordingly, elements included in the buffer memory 132 and their structures may vary.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)는 제3 메탈 패드(139)를 통해 외부 장치(10)와 커맨드(CMD), 어드레스(ADDR), 제어(CTRL) 신호들을 주고받을 수 있고, 연결 구조물(140)을 통해 복수의 메모리 셀들과 주변 회로들 사이에서 상기 신호들을 주고받을 수 있다. 외부 장치(10)는 비휘발성 메모리 장치(100)와 주고받는 신호들에 기초하여 비휘발성 메모리 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.The nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention may exchange command (CMD), address (ADDR), and control (CTRL) signals with the external device 10 through the third metal pad 139. In addition, the signals may be exchanged between the plurality of memory cells and peripheral circuits through the connection structure 140 . The external device 10 may control overall operations of the nonvolatile memory device 100 based on signals exchanged with the nonvolatile memory device 100 .

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)에서, 복수의 메모리 셀들은 페이지 버퍼(122), 로우 디코더(123), 및 기타 주변 회로들(134)의 순서로 연결될 수 있다. 이 때, 로우 디코더(123)의 양 측에는 페이지 버퍼(122)가 배치될 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다.In the nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention, a plurality of memory cells may be sequentially connected to a page buffer 122 , a row decoder 123 , and other peripheral circuits 134 . At this time, the page buffer 122 may be disposed on both sides of the row decoder 123. However, this is merely an example and may not be limited.

한편, 비휘발성 메모리 장치(100)에 포함된 회로들 중 적어도 일부는 제1 방향(예컨대, Z 방향)에서 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 복수의 수직 트랜지스터들(Vertical Transistor)을 포함할 수 있다. Meanwhile, at least some of the circuits included in the nonvolatile memory device 100 include a plurality of vertical transistors defined by sequentially stacked source regions, channel regions, and drain regions in a first direction (eg, Z direction). (Vertical Transistor) may be included.

일례로, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)에 포함된 페이지 버퍼(122) 및/또는 로우 디코더(123)는 복수의 수직 트랜지스터들로 구현될 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)는 페이지 버퍼(122)가 구현되는 공간을 최대한으로 활용할 수 있다.For example, the page buffer 122 and/or the row decoder 123 included in the nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention may be implemented with a plurality of vertical transistors. Through this, the nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention can maximize the space where the page buffer 122 is implemented.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치에 포함된 수직 트랜지스터를 설명하기 위한 도면들이다. 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치에서, 페이지 버퍼에 포함된 수직 트랜지스터들을 설명하기 위한 도면이다.4A and 4B are diagrams for explaining a vertical transistor included in a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. 4C is a diagram for explaining vertical transistors included in a page buffer in a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)의 제2 반도체 구조물(120)에 포함된 회로들 중 적어도 일부는 수직 트랜지스터에 의해 구현될 수 있다. 일례로, 페이지 버퍼(122)는 복수의 메모리 셀들에 대응하는 복수의 페이지 버퍼들을 포함할 수 있고, 복수의 페이지 버퍼들 각각은 4개의 수직 트랜지스터들로 구현되는 래치 구조를 포함할 수 있다. 일례로, 복수의 페이지 버퍼들은 복수의 메모리 셀들과 1:1로 대응할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다.Referring to FIG. 2 together, at least some of the circuits included in the second semiconductor structure 120 of the nonvolatile memory device 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may be implemented by vertical transistors. For example, the page buffer 122 may include a plurality of page buffers corresponding to a plurality of memory cells, and each of the plurality of page buffers may include a latch structure implemented with four vertical transistors. For example, a plurality of page buffers may correspond 1:1 to a plurality of memory cells. However, this is merely an example and may not be limited.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 수직 트랜지스터 중 NMOS 트랜지스터는 도 4a에 도시된 바와 같이 구현될 수 있고, PMOS 트랜지스터는 도 4b에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다. Referring to FIGS. 4A and 4B , among the vertical transistors, an NMOS transistor may be implemented as shown in FIG. 4A and a PMOS transistor may be implemented as shown in FIG. 4B.

수직 트랜지스터는 수직 방향으로 적층된 제1 소스/드레인 영역(SD1), 제1 게이트 전극(G1), 제2 게이트 전극(G2), 및 제3 소스/드레인 영역(SD3)에 의해 구현될 수 있다. 한편, 도 4b를 참조하면, 수직 트랜지스터는 제2 소스/드레인 영역(SD2)에 메탈 구조물이 연결되는 구조를 갖도록 구현될 수도 있다. 수직 트랜지스터에서 제1 게이트 전극(G1), 및/또는 제2 게이트 전극(G2)에 의해 둘러싸인 채널 영역은 나노 와이어로 구성될 수 있다.The vertical transistor may be implemented by a first source/drain region SD1, a first gate electrode G1, a second gate electrode G2, and a third source/drain region SD3 stacked in the vertical direction. . Meanwhile, referring to FIG. 4B , the vertical transistor may be implemented to have a structure in which a metal structure is connected to the second source/drain region SD2 . In the vertical transistor, a channel region surrounded by the first gate electrode G1 and/or the second gate electrode G2 may be formed of a nanowire.

도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)에 포함된 제2 반도체 구조물(120)은 높이가 다른 복수의 층으로 형성된 배선 구조물들(M0, M1, M2, M3, M4)을 포함할 수 있다. 반도체 구조물들(120, 130)에 포함된 회로들은 배선 구조물들(M0, M1, M2, M3, M4)과 다른 소자들을 연결함으로써 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4C , the second semiconductor structure 120 included in the nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention includes wiring structures M0, M1, M2, M3, M4) may be included. Circuits included in the semiconductor structures 120 and 130 may be formed by connecting the wiring structures M0 , M1 , M2 , M3 , and M4 and other devices.

일례로, 제2 반도체 구조물(120)에 포함된 페이지 버퍼(122)에 포함된 래치 구조는 4개의 수직 트랜지스터들로 구현될 수 있다. 수직 트랜지스터들은 수직 방향에서 2개씩 배치될 수 있다. 일례로, 제1 트랜지스터(TR1) 및 제2 트랜지스터(TR2)는 도 4a에 도시된 NMOS 트랜지스터들일 수 있고, 제3 트랜지스터(TR3) 및 제4 트랜지스터(TR4)는 도 4b에 도시된 PMOS 트랜지스터들일 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다.For example, a latch structure included in the page buffer 122 included in the second semiconductor structure 120 may be implemented with four vertical transistors. The vertical transistors may be disposed two by two in the vertical direction. For example, the first transistor TR1 and the second transistor TR2 may be NMOS transistors shown in FIG. 4A, and the third transistor TR3 and TR4 may be PMOS transistors shown in FIG. 4B. can However, this is merely an example and may not be limited.

한편, 수직 트랜지스터를 이용하여 인버터, 버퍼 등의 구조를 구현할 수 있으므로, 페이지 버퍼(122) 외에 로우 디코더(123) 및 제3 반도체 구조물(130)에 포함된 기타 주변 회로들 역시 마찬가지로 수직 트랜지스터들로 형성될 수 있다. Meanwhile, since structures such as an inverter and a buffer can be implemented using vertical transistors, other peripheral circuits included in the row decoder 123 and the third semiconductor structure 130 in addition to the page buffer 122 are also vertical transistors. can be formed

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 메모리 시스템을 나타내는 블록도이다.5 is a block diagram illustrating a memory system including a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 메모리 시스템(1)은 메모리 장치(MEM) 및 메모리 컨트롤러(CTRL)를 포함할 수 있다. 메모리 시스템(1)은 복수의 채널들(CH1~CHm)을 지원할 수 있고, 메모리 장치(MEM)와 메모리 컨트롤러(CTRL)는 복수의 채널들(CH1~CHm)을 통해 연결될 수 있다. 예를 들어, 메모리 시스템(1)은 SSD(Solid State Drive)와 같은 스토리지 장치로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 5 , the memory system 1 may include a memory device MEM and a memory controller CTRL. The memory system 1 may support a plurality of channels CH1 to CHm, and the memory device MEM and the memory controller CTRL may be connected through the plurality of channels CH1 to CHm. For example, the memory system 1 may be implemented as a storage device such as a solid state drive (SSD).

메모리 장치(MEM)는 복수의 비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVMmn)을 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVMmn) 각각은 대응하는 웨이(way)를 통해 복수의 채널들(CH1~CHm) 중 하나에 연결될 수 있다. 예를 들어, 비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVM1n)은 웨이들(W11~W1n)을 통해 제1 채널(CH1)에 연결되고, 비휘발성 메모리 장치들(NVM21~NVM2n)은 웨이들(W21~W2n)을 통해 제2 채널(CH2)에 연결될 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVMmn) 각각은 메모리 컨트롤러(CTRL)로부터의 개별적인 명령에 따라 동작할 수 있는 임의의 메모리 단위로 구현될 수 있다. 예를 들어, 비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVMmn) 각각은 칩(chip) 또는 다이(die)로 구현될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.The memory device MEM may include a plurality of nonvolatile memory devices NVM11 to NVMmn. Each of the nonvolatile memory devices NVM11 to NVMmn may be connected to one of the plurality of channels CH1 to CHm through a corresponding way. For example, the nonvolatile memory devices NVM11 to NVM1n are connected to the first channel CH1 through ways W11 to W1n, and the nonvolatile memory devices NVM21 to NVM2n are connected to ways W21 to W1n. W2n) may be connected to the second channel CH2. In an exemplary embodiment, each of the nonvolatile memory devices NVM11 to NVMmn may be implemented as an arbitrary memory unit capable of operating according to individual commands from the memory controller CTRL. For example, each of the nonvolatile memory devices NVM11 to NVMmn may be implemented as a chip or die, but the present invention is not limited thereto.

메모리 컨트롤러(CTRL)는 복수의 채널들(CH1~CHm)을 통해 메모리 장치(MEM)와 신호들을 송수신할 수 있다. 예를 들어, 메모리 컨트롤러(CTRL)는 채널들(CH1~CHm)을 통해 메모리 장치(MEM)로 커맨드들(CMDa~CMDm), 어드레스들(ADDRa~ADDRm), 및 데이터(DATAa~DATAm)를 메모리 장치(MEM)로 전송하거나, 메모리 장치(MEM)로부터 데이터(DATAa~DATAm)를 수신할 수 있다.The memory controller CTRL may transmit and receive signals to and from the memory device MEM through a plurality of channels CH1 to CHm. For example, the memory controller CTRL transmits commands CMDa to CMDm, addresses ADDRa to ADDRm, and data DATAa to DATAm to the memory device MEM through channels CH1 to CHm. Data DATAa to DATAm may be transmitted to the device MEM or may be received from the memory device MEM.

메모리 컨트롤러(CTRL)는 각각의 채널을 통해 해당 채널에 연결된 비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVMmn) 중 하나를 선택하고, 선택된 비휘발성 메모리 장치와 신호들을 송수신할 수 있다. 예를 들어, 메모리 컨트롤러(CTRL)는 제1 채널(CH1)에 연결된 비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVM1n) 중 비휘발성 메모리 장치(NVM11)를 선택할 수 있다. 메모리 컨트롤러(CTRL)는 선택된 비휘발성 메모리 장치(NVM11)로 제1 채널(CH1)을 통해 커맨드(CMDa), 어드레스(ADDRa), 및 데이터(DATAa)를 전송하거나, 선택된 비휘발성 메모리 장치(NVM11)로부터 데이터(DATAa)를 수신할 수 있다.The memory controller CTRL may select one of the nonvolatile memory devices NVM11 to NVMmn connected to the corresponding channel through each channel and transmit/receive signals to and from the selected nonvolatile memory device. For example, the memory controller CTRL may select the nonvolatile memory device NVM11 among the nonvolatile memory devices NVM11 to NVM1n connected to the first channel CH1. The memory controller CTRL transmits the command CMDa, address ADDRa, and data DATAa to the selected nonvolatile memory device NVM11 through the first channel CH1, or transmits the selected nonvolatile memory device NVM11. Data DATAa may be received from

메모리 컨트롤러(CTRL)는 서로 다른 채널들을 통해 메모리 장치(MEM)와 신호들을 병렬적으로 송수신할 수 있다. 예를 들어, 메모리 컨트롤러(CTRL)는 제1 채널(CH1)을 통해 메모리 장치(MEM)로 커맨드(CMDa)를 전송하는 동안 제2 채널(CH2)을 통해 메모리 장치(MEM)로 커맨드(CMDb)를 전송할 수 있다. 예를 들어, 메모리 컨트롤러(CTRL)는 제1 채널(CH1)을 통해 메모리 장치(10)로부터 데이터(DATAa)를 수신하는 동안 제2 채널(CH2)을 통해 메모리 장치(10)로부터 데이터(DATAb)를 수신할 수 있다.The memory controller CTRL may transmit and receive signals to and from the memory device MEM in parallel through different channels. For example, while the memory controller CTRL transmits the command CMDa to the memory device MEM through the first channel CH1, the command CMDb is sent to the memory device MEM through the second channel CH2. can transmit. For example, the memory controller CTRL receives data DATAb from the memory device 10 through a second channel CH2 while receiving data DATAa from the memory device 10 through a first channel CH1. can receive

메모리 컨트롤러(CTRL)는 메모리 장치(MEM)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 메모리 컨트롤러(CTRL)는 채널들(CH1~CHm)로 신호를 전송하여 채널들(CH1~CHm)에 연결된 비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVMmn) 각각을 제어할 수 있다. 예를 들어, 메모리 컨트롤러(CTRL)는 제1 채널(CH1)로 커맨드(CMDa) 및 어드레스(ADDRa)를 전송하여 비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVM1n) 중 선택된 하나를 제어할 수 있다.The memory controller CTRL may control overall operations of the memory device MEM. The memory controller CTRL may control each of the nonvolatile memory devices NVM11 to NVMmn connected to the channels CH1 to CHm by transmitting a signal to the channels CH1 to CHm. For example, the memory controller CTRL may control a selected one of the nonvolatile memory devices NVM11 to NVM1n by transmitting the command CMDa and the address ADDRa through the first channel CH1.

비휘발성 메모리 장치들(NVM11~NVMmn) 각각은 메모리 컨트롤러(CTRL)의 제어에 따라 동작할 수 있다. 예를 들어, 비휘발성 메모리 장치(NVM11)는 제1 채널(CH1)로 제공되는 커맨드(CMDa), 어드레스(ADDRa)에 따라, 데이터(DATAa)를 프로그램할 수 있다. 예를 들어, 비휘발성 메모리 장치(NVM21)는 제2 채널(CH2)로 제공되는 커맨드(CMDb) 및 어드레스(ADDRb)에 따라 데이터(DATAb)를 독출하고, 독출된 데이터(DATAb)를 메모리 컨트롤러(CTRL)로 전송할 수 있다.Each of the nonvolatile memory devices NVM11 to NVMmn may operate under the control of the memory controller CTRL. For example, the nonvolatile memory device NVM11 may program the data DATAa according to the command CMDa and the address ADDRa provided through the first channel CH1. For example, the nonvolatile memory device NVM21 reads data DATAb according to the command CMDb and address ADDRb provided through the second channel CH2, and transfers the read data DATAb to a memory controller ( CTRL).

도 5에는 메모리 장치(MEM)가 m개의 채널을 통해 메모리 컨트롤러(CTRL)와 통신하고, 메모리 장치(MEM)가 각각의 채널에 대응하여 n개의 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 것으로 도시되나, 채널들의 개수와 하나의 채널에 연결된 비휘발성 메모리 장치의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.5 shows that the memory device MEM communicates with the memory controller CTRL through m channels and includes n nonvolatile memory devices corresponding to each channel; The number and number of nonvolatile memory devices connected to one channel may be variously changed.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 블록도이다.6 is a block diagram simply illustrating a non-volatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)는 메모리 셀 어레이(112)를 포함하는 메모리 셀 영역, 및 주변 회로들(150)을 포함하는 주변 회로 영역을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6 , a nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention includes a memory cell area including a memory cell array 112 and a peripheral circuit area including peripheral circuits 150. can do.

비휘발성 메모리 장치(100)의 주변 회로 영역에 배치되는 주변 회로들(150)은 로우 디코더(123), 페이지 버퍼(122), 입출력 버퍼(151), 전압 생성기(152), 및 제어 로직 회로(153)를 포함할 수 있다. 도 6에는 도시되지 않았으나, 비휘발성 메모리 장치(100)는 컬럼 로직, 프리-디코더, 온도 센서 등을 더 포함할 수 있다.The peripheral circuits 150 disposed in the peripheral circuit area of the nonvolatile memory device 100 include a row decoder 123, a page buffer 122, an input/output buffer 151, a voltage generator 152, and a control logic circuit ( 153) may be included. Although not shown in FIG. 6 , the nonvolatile memory device 100 may further include a column logic, a pre-decoder, and a temperature sensor.

제어 로직 회로(153)는 비휘발성 메모리 장치 내의 각종 동작을 전반적으로 제어할 수 있다. 제어 로직 회로(153)는 메모리 컨트롤러로부터 입력된 커맨드(CMD) 및/또는 어드레스(ADDR)에 응답하여 각종 제어 신호들을 출력할 수 있다. 일례로, 제어 로직 회로(153)는 전압 제어 신호(CTRL_VOL), 로우 어드레스(X-ADDR), 및 컬럼 어드레스(Y-ADDR)를 출력할 수 있다.The control logic circuit 153 may overall control various operations within the non-volatile memory device. The control logic circuit 153 may output various control signals in response to the command CMD and/or the address ADDR input from the memory controller. For example, the control logic circuit 153 may output a voltage control signal CTRL_VOL, a row address X-ADDR, and a column address Y-ADDR.

메모리 셀 어레이(112)는 복수의 메모리 블록들을 포함할 수 있고, 복수의 메모리 블록들 각각은 복수의 메모리 셀들을 포함할 수 있다. 메모리 셀 어레이(112)는 비트 라인들(BL)을 통해 페이지 버퍼(122)에 연결될 수 있고, 워드 라인들(WL), 스트링 선택 라인들(SSL), 및 그라운드 선택 라인들(GSL)을 통해 로우 디코더(123)에 연결될 수 있다.The memory cell array 112 may include a plurality of memory blocks, and each of the plurality of memory blocks may include a plurality of memory cells. The memory cell array 112 may be connected to the page buffer 122 through bit lines BL, and may be connected to the page buffer 122 through word lines WL, string select lines SSL, and ground select lines GSL. It can be connected to the row decoder 123.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(100)에서, 메모리 셀 어레이(112)는 3차원 메모리 셀 어레이를 포함할 수 있고, 3차원 메모리 셀 어레이는 복수의 낸드 스트링들을 포함할 수 있다. 각 낸드 스트링은 기판 위에 수직으로 적층된 워드 라인들(WL)에 각각 연결된 복수의 메모리 셀들을 포함할 수 있다. 미국 특허공개공보 제7,679,133호, 미국 특허공개공보 제8,553,466호, 미국 특허공개공보 제8,654,587호, 미국 특허공개공보 제8,559,235호, 및 미국 특허출원공개공보 제2011/0233648호는 본 명세서에 인용 형식으로 결합된다. 일례로, 메모리 셀 어레이(112)는 2차원 메모리 셀 어레이를 포함할 수 있고, 2차원 메모리 셀 어레이는 행 및 열 방향을 따라 배치된 복수의 낸드 스트링들을 포함할 수 있다.In the nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention, the memory cell array 112 may include a 3D memory cell array, and the 3D memory cell array may include a plurality of NAND strings. . Each NAND string may include a plurality of memory cells respectively connected to word lines WL vertically stacked on a substrate. U.S. Patent Publication No. 7,679,133, U.S. Patent Publication No. 8,553,466, U.S. Patent Publication No. 8,654,587, U.S. Patent Publication No. 8,559,235, and U.S. Patent Application Publication No. 2011/0233648 are incorporated herein by reference. are combined For example, the memory cell array 112 may include a 2D memory cell array, and the 2D memory cell array may include a plurality of NAND strings disposed along row and column directions.

페이지 버퍼(122)는 복수의 페이지 버퍼들을 포함할 수 있고, 복수의 페이지 버퍼들은 복수의 비트 라인들(BL)을 통해 복수의 메모리 셀들과 각각 연결될 수 있다. 페이지 버퍼(122)는 컬럼 어드레스(Y-ADDR)에 응답하여 비트 라인들(BL) 중 적어도 하나의 비트 라인을 선택할 수 있다. 페이지 버퍼(122)는 동작 모드에 따라 쓰기 드라이버 또는 감지 증폭기로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 쓰기 동작 시, 페이지 버퍼(122)는 선택된 비트 라인으로 기록될 데이터에 대응하는 비트 라인 전압을 인가할 수 있다. 리드 동작 시, 페이지 버퍼(122)는 선택된 비트 라인의 전류 또는 전압을 감지하여 복수의 메모리 셀들에 저장된 데이터를 감지할 수 있다. The page buffer 122 may include a plurality of page buffers, and the plurality of page buffers may be respectively connected to a plurality of memory cells through a plurality of bit lines BL. The page buffer 122 may select at least one bit line from among the bit lines BL in response to the column address Y-ADDR. The page buffer 122 may operate as a write driver or a sense amplifier according to an operation mode. For example, during a write operation, the page buffer 122 may apply a bit line voltage corresponding to data to be written to a selected bit line. During a read operation, the page buffer 122 may sense data stored in a plurality of memory cells by sensing a current or voltage of a selected bit line.

전압 생성기(152)는 전압 제어 신호(CTRL_VOL)를 기반으로 쓰기, 리드, 쓰기 검증, 및 소거 동작들을 수행하기 위한 다양한 종류의 전압들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전압 생성기(152)는 워드 라인 전압(VWL)으로서 쓰기 전압, 리드 전압, 쓰기 검증 전압, 소거 전압 등을 생성할 수 있다.The voltage generator 152 may generate various types of voltages for performing write, read, write verify, and erase operations based on the voltage control signal CTRL_VOL. For example, the voltage generator 152 may generate a write voltage, a read voltage, a write verify voltage, an erase voltage, and the like as the word line voltage VWL.

로우 디코더(123)는 로우 어드레스(X-ADDR)에 응답하여 복수의 워드 라인들(WL) 중 하나를 선택할 수 있고, 복수의 스트링 선택 라인들(SSL) 중 하나를 선택할 수 있다. 예를 들어, 쓰기 동작 시, 로우 디코더(123)는 선택된 워드 라인으로 쓰기 전압 및 쓰기 검증 전압을 인가하고, 리드 동작 시, 선택된 워드 라인으로 리드 전압을 인가할 수 있다.The row decoder 123 may select one of the plurality of word lines WL and select one of the plurality of string select lines SSL in response to the row address X-ADDR. For example, during a write operation, the row decoder 123 may apply a write voltage and a write verify voltage to the selected word line, and during a read operation, may apply a read voltage to the selected word line.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치에 포함된 메모리 블록의 등가 회로도이다.7 is an equivalent circuit diagram of a memory block included in a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.

도 7에 도시된 메모리 블록(BLKi)은 반도체 기판 상에 3차원 구조로 형성되는 3차원 메모리 블록을 나타낸다. 예를 들어, 메모리 블록(BLKi)에 포함되는 복수의 메모리 낸드 스트링들은 상기 반도체 기판과 수직한 방향으로 형성될 수 있다.The memory block BLKi shown in FIG. 7 represents a 3D memory block formed in a 3D structure on a semiconductor substrate. For example, a plurality of memory NAND strings included in the memory block BLKi may be formed in a direction perpendicular to the semiconductor substrate.

도 7을 참조하면, 메모리 블록(BLKi)은 비트 라인들(BL1, BL2, BL3)과 공통 소스 라인(CSL) 사이에 연결되는 복수의 메모리 낸드 스트링들(NS11~NS33)을 포함할 수 있다. 복수의 메모리 낸드 스트링들(NS11~NS33) 각각은 스트링 선택 트랜지스터(SST), 복수의 메모리 셀들(MC1, MC2, ..., MC8) 및 접지 선택 트랜지스터(GST)를 포함할 수 있다. 도 4에는 복수의 메모리 낸드 스트링들(NS11~NS33) 각각이 8개의 메모리 셀들(MC1, MC2, ..., MC8)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 7 , the memory block BLKi may include a plurality of memory NAND strings NS11 to NS33 connected between the bit lines BL1 , BL2 , and BL3 and the common source line CSL. Each of the plurality of memory NAND strings NS11 to NS33 may include a string select transistor SST, a plurality of memory cells MC1, MC2, ..., MC8, and a ground select transistor GST. 4 illustrates that each of the plurality of memory NAND strings NS11 to NS33 includes eight memory cells MC1, MC2, ..., MC8, but is not necessarily limited thereto.

스트링 선택 트랜지스터(SST)는 상응하는 스트링 선택 라인(SSL1, SSL2, SSL3)에 연결될 수 있다. 복수의 메모리 셀들(MC1, MC2, ..., MC8)은 각각 상응하는 게이트 라인(GTL1, GTL2, ..., GTL8)에 연결될 수 있다. 게이트 라인(GTL1, GTL2, ..., GTL8)은 워드 라인들에 해당할 수 있으며, 게이트 라인(GTL1, GTL2, ..., GTL8)의 일부는 더미 워드 라인에 해당할 수 있다. 접지 선택 트랜지스터(GST)는 상응하는 접지 선택 라인(GSL1, GSL2, GSL3)에 연결될 수 있다. 스트링 선택 트랜지스터(SST)는 상응하는 비트 라인들(BL1, BL2, BL3)에 연결되고, 접지 선택 트랜지스터(GST)는 공통 소스 라인(CSL)에 연결될 수 있다. The string select transistor SST may be connected to corresponding string select lines SSL1 , SSL2 , and SSL3 . The plurality of memory cells MC1 , MC2 , ..., MC8 may be connected to corresponding gate lines GTL1 , GTL2 , ... , and GTL8 , respectively. The gate lines GTL1 , GTL2 , ..., GTL8 may correspond to word lines, and some of the gate lines GTL1 , GTL2 , ... , GTL8 may correspond to dummy word lines. The ground select transistor GST may be connected to corresponding ground select lines GSL1 , GSL2 , and GSL3 . The string select transistor SST may be connected to corresponding bit lines BL1 , BL2 , and BL3 , and the ground select transistor GST may be connected to the common source line CSL.

동일 높이의 워드 라인(예를 들면, WL1)은 공통으로 연결되고, 접지 선택 라인(GSL1, GSL2, GSL3) 및 스트링 선택 라인(SSL1, SSL2, SSL3)은 각각 분리될 수 있다. 도 7에는 메모리 블록(BLK)이 여덟 개의 게이트 라인(GTL1, GTL2, ..., GTL8) 및 세 개의 비트 라인들(BL1, BL2, BL3)에 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Word lines (eg, WL1) having the same height may be commonly connected, and ground select lines GSL1, GSL2, and GSL3 and string select lines SSL1, SSL2, and SSL3 may be separated from each other. 7 shows that the memory block BLK is connected to eight gate lines GTL1, GTL2, ..., GTL8 and three bit lines BL1, BL2, BL3, but is not necessarily limited thereto. no.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치에서 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 방식을 설명하기 위한 도면이다.8 is a diagram for explaining a wafer bonding method in a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 비휘발성 메모리 장치(1000)는 C2C(chip to chip) 구조일 수 있다. C2C 구조는 제1 웨이퍼 상에 셀 영역(CELL)을 포함하는 상부 칩을 제작하고, 제1 웨이퍼와 다른 제2 웨이퍼 상에 주변 회로 영역(PERI)을 포함하는 하부 칩을 제작한 후, 상기 상부 칩과 상기 하부 칩을 본딩(bonding) 방식에 의해 서로 연결하는 것을 의미할 수 있다. 일례로, 상기 본딩 방식은 상부 칩의 최상부 메탈층에 형성된 본딩 메탈과 하부 칩의 최상부 메탈층에 형성된 본딩 메탈을 서로 전기적으로 연결하는 방식을 의미할 수 있다. 예컨대, 상기 본딩 메탈이 구리(Cu)로 형성된 경우, 상기 본딩 방식은 Cu-to-Cu 본딩 방식일 수 있으며, 상기 본딩 메탈은 알루미늄(Al) 혹은 텅스텐(W)으로도 형성될 수 있다.Referring to FIG. 8 , the nonvolatile memory device 1000 may have a chip to chip (C2C) structure. In the C2C structure, an upper chip including a cell region (CELL) is fabricated on a first wafer, a lower chip including a peripheral circuit area (PERI) is fabricated on a second wafer different from the first wafer, and then the upper chip is fabricated. This may mean connecting a chip and the lower chip to each other by a bonding method. For example, the bonding method may refer to a method of electrically connecting the bonding metal formed on the uppermost metal layer of the upper chip and the bonding metal formed on the uppermost metal layer of the lower chip to each other. For example, when the bonding metal is formed of copper (Cu), the bonding method may be a Cu-to-Cu bonding method, and the bonding metal may also be formed of aluminum (Al) or tungsten (W).

도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 비휘발성 메모리 장치(1000)의 제1 반도체 기판(1810) 상에 포함된 셀 영역(CELL)은 메모리 셀 영역(112)에 대응할 수 있고, 제1 반도체 구조물(110)에 포함될 수 있다. 한편, 제2 반도체 기판(1710) 상에 포함된 주변 회로 영역(PERI)은 주변 회로들에 대응할 수 있고, 제2 반도체 구조물(120) 및 제3 반도체 구조물(130)에 대응할 수 있다. 또한, 본딩 메탈은 제1 메탈 패드(119) 및 제2 메탈 패드(129)에 대응할 수 있다.Referring to FIGS. 2 and 3 together, the cell region CELL included on the first semiconductor substrate 1810 of the nonvolatile memory device 1000 may correspond to the memory cell region 112 and the first semiconductor structure (110) may be included. Meanwhile, the peripheral circuit region PERI included on the second semiconductor substrate 1710 may correspond to peripheral circuits and may correspond to the second semiconductor structure 120 and the third semiconductor structure 130 . Also, the bonding metal may correspond to the first metal pad 119 and the second metal pad 129 .

비휘발성 메모리 장치(1000)의 주변 회로 영역(PERI)과 셀 영역(CELL) 각각은 외부 패드 본딩 영역(PA), 워드라인 본딩 영역(WLBA), 및 비트라인 본딩 영역(BLBA)을 포함할 수 있다.Each of the peripheral circuit area PERI and the cell area CELL of the nonvolatile memory device 1000 may include an external pad bonding area PA, a word line bonding area WLBA, and a bit line bonding area BLBA. there is.

주변 회로 영역(PERI)은 제2 반도체 기판(1710), 층간 절연층(1715), 제2 반도체 기판(1710)에 형성되는 복수의 회로 소자들(1720a, 1720b, 1720c), 복수의 회로 소자들(1720a, 1720b, 1720c) 각각과 연결되는 제1 메탈층(1730a, 1730b, 1730c), 제1 메탈층(1730a, 1730b, 1730c) 상에 형성되는 제2 메탈층(1740a, 1740b, 1740c)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 메탈층(1730a, 1730b, 1730c)은 상대적으로 전기적 비저항이 높은 텅스텐으로 형성될 수 있고, 제2 메탈층(1740a, 1740b, 1740c)은 상대적으로 전기적 비저항이 낮은 구리로 형성될 수 있다.The peripheral circuit region PERI includes a second semiconductor substrate 1710, an interlayer insulating layer 1715, a plurality of circuit elements 1720a, 1720b, and 1720c formed on the second semiconductor substrate 1710, and a plurality of circuit elements. (1720a, 1720b, 1720c) the first metal layers 1730a, 1730b, 1730c connected to each other, and the second metal layers 1740a, 1740b, 1740c formed on the first metal layers 1730a, 1730b, 1730c can include In one embodiment, the first metal layers 1730a, 1730b, and 1730c may be formed of tungsten having a relatively high electrical resistivity, and the second metal layers 1740a, 1740b, and 1740c may be made of copper having a relatively low electrical resistivity. can be formed

본 명세서에서는 제1 메탈층(1730a, 1730b, 1730c)과 제2 메탈층(1740a, 1740b, 1740c)만 도시되고 설명되나, 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 메탈층(1740a, 1740b, 1740c) 상에 적어도 하나 이상의 메탈층이 더 형성될 수도 있다. 제2 메탈층(1740a, 1740b, 1740c)의 상부에 형성되는 하나 이상의 메탈층 중 적어도 일부는, 제2 메탈층(1740a, 1740b, 1740c)을 형성하는 구리보다 더 낮은 전기적 비저항을 갖는 알루미늄 등으로 형성될 수 있다. In this specification, only the first metal layers 1730a, 1730b, and 1730c and the second metal layers 1740a, 1740b, and 1740c are shown and described, but are not limited thereto, and the second metal layers 1740a, 1740b, and 1740c At least one or more metal layers may be further formed. At least some of the one or more metal layers formed on the second metal layers 1740a, 1740b, and 1740c are made of aluminum having a lower electrical resistivity than copper forming the second metal layers 1740a, 1740b, and 1740c. can be formed

층간 절연층(1715)은 복수의 회로 소자들(1720a, 1720b, 1720c), 제1 메탈층(1730a, 1730b, 1730c), 및 제2 메탈층(1740a, 1740b, 1740c)을 커버하도록 제2 반도체 기판(1710) 상에 배치되며, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등과 같은 절연 물질을 포함할 수 있다.The interlayer insulating layer 1715 covers the plurality of circuit elements 1720a, 1720b, and 1720c, the first metal layers 1730a, 1730b, and 1730c, and the second metal layers 1740a, 1740b, and 1740c to cover the second semiconductor. It is disposed on the substrate 1710 and may include an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride.

워드라인 본딩 영역(WLBA)의 제2 메탈층(1740b) 상에 하부 본딩 메탈(1771b, 1772b)이 형성될 수 있다. 워드라인 본딩 영역(WLBA)에서, 주변 회로 영역(PERI)의 하부 본딩 메탈(1771b, 1772b)은 셀 영역(CELL)의 상부 본딩 메탈(1871b, 1872b)과 본딩 방식에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 하부 본딩 메탈(1771b, 1772b)과 상부 본딩 메탈(1871b, 1872b)은 알루미늄, 구리, 혹은 텅스텐 등으로 형성될 수 있다. Lower bonding metals 1771b and 1772b may be formed on the second metal layer 1740b of the word line bonding area WLBA. In the word line bonding area WLBA, the lower bonding metals 1771b and 1772b of the peripheral circuit area PERI may be electrically connected to the upper bonding metals 1871b and 1872b of the cell area CELL by a bonding method. , The lower bonding metals 1771b and 1772b and the upper bonding metals 1871b and 1872b may be formed of aluminum, copper, or tungsten.

셀 영역(CELL)은 적어도 하나의 메모리 블록을 제공할 수 있다. 셀 영역(CELL)은 제1 반도체 기판(1810)과 공통 소스 라인(1820)을 포함할 수 있다. 제1 반도체 기판(1810) 상에는, 제1 반도체 기판(1810)의 상면에 수직하는 방향(Z축 방향)을 따라 복수의 워드라인들(1831-1838; 1830)이 적층될 수 있다. 워드라인들(1830)의 상부 및 하부 각각에는 스트링 선택 라인들과 접지 선택 라인이 배치될 수 있으며, 스트링 선택 라인들과 접지 선택 라인 사이에 복수의 워드라인들(1830)이 배치될 수 있다.The cell area CELL may provide at least one memory block. The cell region CELL may include a first semiconductor substrate 1810 and a common source line 1820 . A plurality of word lines 1831 to 1838 (1830) may be stacked on the first semiconductor substrate 1810 along a direction perpendicular to the upper surface of the first semiconductor substrate 1810 (Z-axis direction). String select lines and a ground select line may be disposed on upper and lower portions of the word lines 1830 , and a plurality of word lines 1830 may be disposed between the string select lines and the ground select line.

비트라인 본딩 영역(BLBA)에서, 채널 구조물(CH)은 제1 반도체 기판(1810)의 상면에 수직하는 방향(Z축 방향)으로 연장되어 워드라인들(1830), 스트링 선택 라인들, 및 접지 선택 라인을 관통할 수 있다. 채널 구조물(CH)은 데이터 저장층, 채널층, 및 매립 절연층 등을 포함할 수 있으며, 채널층은 제1 메탈층(1850c) 및 제2 메탈층(1860c)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 메탈층(1850c)은 비트라인 컨택일 수 있고, 제2 메탈층(1860c)은 비트라인일 수 있다. 일 실시예에서, 비트라인(1860c)은 제1 반도체 기판(1810)의 상면에 평행한 제3 방향(예컨대, Y 방향)을 따라 연장될 수 있다. In the bit line bonding area BLBA, the channel structure CH extends in a direction (Z-axis direction) perpendicular to the top surface of the first semiconductor substrate 1810 to form word lines 1830, string select lines, and ground. Can pass through selection lines. The channel structure CH may include a data storage layer, a channel layer, and a buried insulating layer, and the channel layer may be electrically connected to the first metal layer 1850c and the second metal layer 1860c. For example, the first metal layer 1850c may be a bit line contact, and the second metal layer 1860c may be a bit line. In one embodiment, the bit line 1860c may extend along a third direction (eg, Y direction) parallel to the top surface of the first semiconductor substrate 1810 .

도 8에 도시한 일 실시예에서, 채널 구조물(CH)과 비트라인(1860c) 등이 배치되는 영역이 비트라인 본딩 영역(BLBA)으로 정의될 수 있다. 비트라인(1860c)은 비트라인 본딩 영역(BLBA)에서 주변 회로 영역(PERI)에서 페이지 버퍼(1893)를 제공하는 회로 소자들(1720c)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로, 비트라인(1860c)은 주변 회로 영역(PERI)에서 상부 본딩 메탈(1871c, 1872c)과 연결되며, 상부 본딩 메탈(1871c, 1872c)은 페이지 버퍼(1893)의 회로 소자들(1720c)에 연결되는 하부 본딩 메탈(1771c, 1772c)과 연결될 수 있다.In the embodiment shown in FIG. 8 , an area where the channel structure CH and the bit line 1860c are disposed may be defined as a bit line bonding area BLBA. The bit line 1860c may be electrically connected to the circuit elements 1720c providing the page buffer 1893 in the peripheral circuit area PERI in the bit line bonding area BLBA. For example, the bit line 1860c is connected to upper bonding metals 1871c and 1872c in the peripheral circuit area PERI, and the upper bonding metals 1871c and 1872c are connected to circuit elements 1720c of the page buffer 1893. It may be connected to the connected lower bonding metals 1771c and 1772c.

워드라인 본딩 영역(WLBA)에서, 워드라인들(1830)은 제3 방향에 수직하면서 제1 반도체 기판(1810)의 상면에 평행한 제2 방향(예컨대, X 방향)을 따라 연장될 수 있으며, 복수의 셀 컨택 플러그들(1841-1847; 1840)와 연결될 수 있다. 워드라인들(1830)과 셀 컨택 플러그들(1840)은, 제2 방향을 따라 워드라인들(1830) 중 적어도 일부가 서로 다른 길이로 연장되어 제공하는 패드들에서 서로 연결될 수 있다. 워드라인들(1830)에 연결되는 셀 컨택 플러그들(1840)의 상부에는 제1 메탈층(1850b)과 제2 메탈층(1860b)이 차례로 연결될 수 있다. 셀 컨택 플러그들(1840)은 워드라인 본딩 영역(WLBA)에서 셀 영역(CELL)의 상부 본딩 메탈(1871b, 1872b)과 주변 회로 영역(PERI)의 하부 본딩 메탈(1771b, 1772b)을 통해 주변 회로 영역(PERI)과 연결될 수 있다. In the word line bonding area WLBA, the word lines 1830 may extend along a second direction (eg, an X direction) parallel to the upper surface of the first semiconductor substrate 1810 while being perpendicular to the third direction. It may be connected to the plurality of cell contact plugs 1841 to 1847 (1840). The word lines 1830 and the cell contact plugs 1840 may be connected to each other through pads provided by extending different lengths from at least some of the word lines 1830 along the second direction. A first metal layer 1850b and a second metal layer 1860b may be sequentially connected to upper portions of the cell contact plugs 1840 connected to the word lines 1830 . The cell contact plugs 1840 are connected to peripheral circuits in the word line bonding area WLBA through the upper bonding metals 1871b and 1872b of the cell area CELL and the lower bonding metals 1771b and 1772b of the peripheral circuit area PERI. It may be connected to the area PERI.

셀 컨택 플러그들(1840)은 주변 회로 영역(PERI)에서 로우 디코더(1894)를 형성하는 회로 소자들(1720b)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 로우 디코더(1894)를 형성하는 회로 소자들(1720b)의 동작 전압은, 페이지 버퍼(1893)를 형성하는 회로 소자들(1720c)의 동작 전압과 다를 수 있다. 일례로, 페이지 버퍼(1893)를 형성하는 회로 소자들(1720c)의 동작 전압이 로우 디코더(1894)를 형성하는 회로 소자들(1720b)의 동작 전압보다 클 수 있다.The cell contact plugs 1840 may be electrically connected to circuit elements 1720b forming the row decoder 1894 in the peripheral circuit area PERI. In one embodiment, the operating voltage of the circuit elements 1720b forming the row decoder 1894 may be different from the operating voltage of the circuit elements 1720c forming the page buffer 1893. For example, the operating voltage of the circuit elements 1720c forming the page buffer 1893 may be higher than the operating voltage of the circuit elements 1720b forming the row decoder 1894 .

외부 패드 본딩 영역(PA)에는 공통 소스 라인 컨택 플러그(1880)가 배치될 수 있다. 공통 소스 라인 컨택 플러그(1880)는 금속, 금속 화합물, 또는 폴리실리콘 등의 도전성 물질로 형성되며, 공통 소스 라인(1820)과 전기적으로 연결될 수 있다. 공통 소스 라인 컨택 플러그(1880) 상부에는 제1 메탈층(1850a)과 제2 메탈층(1860a)이 차례로 적층될 수 있다. 일례로, 공통 소스 라인 컨택 플러그(1880), 제1 메탈층(1850a), 및 제2 메탈층(1860a)이 배치되는 영역은 외부 패드 본딩 영역(PA)으로 정의될 수 있다.A common source line contact plug 1880 may be disposed in the external pad bonding area PA. The common source line contact plug 1880 is formed of a conductive material such as metal, metal compound, or polysilicon, and may be electrically connected to the common source line 1820 . A first metal layer 1850a and a second metal layer 1860a may be sequentially stacked on the common source line contact plug 1880 . For example, an area where the common source line contact plug 1880, the first metal layer 1850a, and the second metal layer 1860a are disposed may be defined as an external pad bonding area PA.

한편 외부 패드 본딩 영역(PA)에는 입출력 패드들(1705, 1805)이 배치될 수 있다. 도 8을 참조하면, 제2 반도체 기판(1710)의 하부에는 제2 반도체 기판(1710)의 하면을 덮는 하부 절연막(1701) 이 형성될 수 있으며, 하부 절연막(1701) 상에 제2 입출력 패드(1705)가 형성될 수 있다. 제2 입출력 패드(1705)는 제2 입출력 컨택 플러그(1703)를 통해 주변 회로 영역(PERI)에 배치되는 복수의 회로 소자들(1720a, 1720b, 1720c) 중 적어도 하나와 연결되며, 하부 절연막(1701)에 의해 제2 반도체 기판(1710)과 분리될 수 있다. 또한, 제2 입출력 컨택 플러그(1703)와 제2 반도체 기판(1710) 사이에는 측면 절연막이 배치되어 제2 입출력 컨택 플러그(1703)와 제2 반도체 기판(1710)을 전기적으로 분리할 수 있다.Meanwhile, input/output pads 1705 and 1805 may be disposed in the external pad bonding area PA. Referring to FIG. 8 , a lower insulating film 1701 covering a lower surface of the second semiconductor substrate 1710 may be formed under the second semiconductor substrate 1710, and second input/output pads ( 1705) may be formed. The second input/output pad 1705 is connected to at least one of the plurality of circuit elements 1720a, 1720b, and 1720c arranged in the peripheral circuit area PERI through the second input/output contact plug 1703, and the lower insulating layer 1701 ) may be separated from the second semiconductor substrate 1710. In addition, a side insulating layer may be disposed between the second input/output contact plug 1703 and the second semiconductor substrate 1710 to electrically separate the second input/output contact plug 1703 from the second semiconductor substrate 1710 .

도 8을 참조하면, 제1 반도체 기판(1810)의 상부에는 제1 반도체 기판(1810)의 상면을 덮는 상부 절연막(1801)이 형성될 수 있으며, 상부 절연막(1801) 상에 제1 입출력 패드(1805)가 배치될 수 있다. 제1 입출력 패드(1805)는 제1 입출력 컨택 플러그(1803)를 통해 주변 회로 영역(PERI)에 배치되는 복수의 회로 소자들(1720a, 1720b, 1720c) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 입출력 패드(1805)는 회로 소자(1720a)와 전기적으로 연결될 수 있다.Referring to FIG. 8 , an upper insulating layer 1801 covering the upper surface of the first semiconductor substrate 1810 may be formed on an upper portion of the first semiconductor substrate 1810, and a first input/output pad ( 1805) may be placed. The first input/output pad 1805 may be connected to at least one of the plurality of circuit elements 1720a, 1720b, and 1720c arranged in the peripheral circuit area PERI through the first input/output contact plug 1803. In one embodiment, the first input/output pad 1805 may be electrically connected to the circuit element 1720a.

실시예들에 따라, 제1 입출력 컨택 플러그(1803)가 배치되는 영역에는 제1 반도체 기판(1810) 및 공통 소스 라인(1820) 등이 배치되지 않을 수 있다. 또한, 제1 입출력 패드(1805)는 제1 방향(예컨대, Z 방향)에서 워드라인들(1880)과 오버랩되지 않을 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1 입출력 컨택 플러그(1803)는 제1 반도체 기판(1810)의 상면에 평행한 방향에서 제1 반도체 기판(1810)과 분리되며, 셀 영역(CELL)의 층간 절연층(1815)을 관통하여 제1 입출력 패드(1805)에 연결될 수 있다. According to example embodiments, the first semiconductor substrate 1810 and the common source line 1820 may not be disposed in an area where the first input/output contact plug 1803 is disposed. Also, the first input/output pad 1805 may not overlap the word lines 1880 in the first direction (eg, Z direction). Referring to FIG. 5 , the first input/output contact plug 1803 is separated from the first semiconductor substrate 1810 in a direction parallel to the upper surface of the first semiconductor substrate 1810, and the interlayer insulating layer of the cell region CELL ( 1815 and connected to the first input/output pad 1805.

실시예들에 따라, 제2 입출력 패드(1705)와 제1 입출력 패드(1805)는 선택적으로 형성될 수 있다. 일례로, 비휘발성 메모리 장치(1000)는 하부 절연막(1701)의 상부에 배치되는 제2 입출력 패드(1705)만을 포함하거나, 또는 상부 절연막(1801)의 상부에 배치되는 제1 입출력 패드(1805)만을 포함할 수 있다. 또는, 비휘발성 메모리 장치(1000)가 제2 입출력 패드(1705)와 제1 입출력 패드(1805)를 모두 포함할 수도 있다.According to embodiments, the second input/output pad 1705 and the first input/output pad 1805 may be selectively formed. For example, the non-volatile memory device 1000 includes only the second input/output pad 1705 disposed on the lower insulating film 1701, or the first input/output pad 1805 disposed on the upper insulating film 1801. may contain only Alternatively, the nonvolatile memory device 1000 may include both the second input/output pad 1705 and the first input/output pad 1805 .

셀 영역(CELL)과 주변 회로 영역(PERI) 각각에 포함되는 외부 패드 본딩 영역(PA)과 비트라인 본딩 영역(BLBA) 각각에는 최상부 메탈층의 메탈 패턴이 더미 패턴(dummy pattern)으로 존재하거나, 최상부 메탈층이 비어있을 수 있다.In each of the external pad bonding area PA and the bit line bonding area BLBA included in the cell area CELL and the peripheral circuit area PERI, the metal pattern of the uppermost metal layer exists in a dummy pattern, or The top metal layer may be empty.

비휘발성 메모리 장치(1000)는 외부 패드 본딩 영역(PA)에서, 셀 영역(CELL)의 최상부 메탈층에 형성된 상부 메탈 패턴(1872a)에 대응하여 주변 회로 영역(PERI)의 최상부 메탈층에 셀 영역(CELL)의 상부 메탈 패턴(1872a)과 동일한 형태의 하부 메탈 패턴(1773a)을 형성할 수 있다. 주변 회로 영역(PERI)의 최상부 메탈층에 형성된 하부 메탈 패턴(1773a)은 주변 회로 영역(PERI)에서 별도의 컨택과 연결되지 않을 수 있다. 이와 유사하게, 외부 패드 본딩 영역(PA)에서 주변 회로 영역(PERI)의 최상부 메탈층에 형성된 하부 메탈 패턴(1773a)에 대응하여 셀 영역(CELL)의 상부 메탈층에 주변 회로 영역(PERI)의 하부 메탈 패턴(1773a)과 동일한 형태의 상부 메탈 패턴(1872a)을 형성할 수도 있다. In the nonvolatile memory device 1000 , in the external pad bonding area PA, the cell area is formed on the uppermost metal layer of the peripheral circuit area PERI corresponding to the upper metal pattern 1872a formed on the uppermost metal layer of the cell area CELL. A lower metal pattern 1773a having the same shape as the upper metal pattern 1872a of the cell may be formed. The lower metal pattern 1773a formed on the uppermost metal layer of the peripheral circuit area PERI may not be connected to a separate contact in the peripheral circuit area PERI. Similarly, in the external pad bonding area PA, the upper metal layer of the cell area CELL corresponds to the lower metal pattern 1773a formed on the uppermost metal layer of the peripheral circuit area PERI. An upper metal pattern 1872a having the same shape as the lower metal pattern 1773a may be formed.

워드라인 본딩 영역(WLBA)의 제2 메탈층(1740b) 상에는 하부 본딩 메탈(1771b, 1772b)이 형성될 수 있다. 워드라인 본딩 영역(WLBA)에서, 주변 회로 영역(PERI)의 하부 본딩 메탈(1771b, 1772b)은 셀 영역(CELL)의 상부 본딩 메탈(1871b, 1872b)과 본딩 방식에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. Lower bonding metals 1771b and 1772b may be formed on the second metal layer 1740b of the word line bonding area WLBA. In the word line bonding area WLBA, the lower bonding metals 1771b and 1772b of the peripheral circuit area PERI may be electrically connected to the upper bonding metals 1871b and 1872b of the cell area CELL by a bonding method. .

또한, 비트라인 본딩 영역(BLBA)에서, 주변 회로 영역(PERI)의 최상부 메탈층에 형성된 하부 메탈 패턴(1752)에 대응하여 셀 영역(CELL)의 최상부 메탈층에 주변 회로 영역(PERI)의 하부 메탈 패턴(1752)과 동일한 형태의 상부 메탈 패턴(1892)을 형성할 수 있다. 셀 영역(CELL)의 최상부 메탈층에 형성된 상부 메탈 패턴(1892) 상에는 컨택을 형성하지 않을 수 있다.In addition, in the bit line bonding area BLBA, the uppermost metal layer of the cell area CELL corresponds to the lower metal pattern 1752 formed on the uppermost metal layer of the peripheral circuit area PERI. An upper metal pattern 1892 having the same shape as the metal pattern 1752 may be formed. A contact may not be formed on the upper metal pattern 1892 formed on the uppermost metal layer of the cell region CELL.

다만, 도 8에 도시된 비휘발성 메모리 장치(1000)는 웨이퍼 본딩 방식을 설명하기 위한 예시일 뿐 웨이퍼 본딩 방식에 따른 비휘발성 메모리 장치(1000)의 구조는 도 8에 도시된 바로 한정되지 않을 수 있다.However, the nonvolatile memory device 1000 shown in FIG. 8 is only an example for explaining the wafer bonding method, and the structure of the nonvolatile memory device 1000 according to the wafer bonding method may not be limited to that shown in FIG. 8 . there is.

도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다. 9 to 12 are views simply illustrating a non-volatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 9 내지 도 12에 도시된 본 발명의 일 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 장치들(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800) 각각은 도 2에 도시된 비휘발성 메모리 장치(100)에 대응할 수 있다. Each of the nonvolatile memory devices 200, 300, 400, 500, 600, 700, and 800 according to embodiments of the present invention shown in FIGS. 9 to 12 is the nonvolatile memory device 100 shown in FIG. ) can respond.

각 실시예들에서 페이지 버퍼는 제1 방향(예컨대, Z 방향)으로 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 복수의 수직 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 메모리 셀 스트링과 1:1로 연결되도록 페이지 버퍼를 배치함으로써, 페이지 버퍼로부터 데이터를 출력하는 속도가 페이지 버퍼로 데이터를 인가하는 속도보다 느리더라도 비어있는 페이지 버퍼에 지속적으로 데이터를 저장할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않으며, 페이지 버퍼 및/또는 주변 회로들의 구조 및 배치는 실시예에 따라 달라질 수 있다.In each embodiment, the page buffer may include a plurality of vertical transistors defined by a source region, a channel region, and a drain region sequentially stacked in a first direction (eg, Z direction). Accordingly, by arranging the page buffer to be connected 1:1 to the memory cell string, even if the speed of outputting data from the page buffer is slower than the speed of applying data to the page buffer, data can be continuously stored in the empty page buffer. there is. However, this is only one embodiment and is not limited, and the structure and arrangement of the page buffer and/or peripheral circuits may vary depending on the embodiment.

도 9를 참조하면, 비휘발성 메모리 장치(200)는 제1 반도체 기판(211) 및 메모리 셀 영역(212)을 포함하는 제1 반도체 구조물(210), 제2 반도체 기판(221) 및 페이지 버퍼(222)를 포함하는 제2 반도체 구조물(220), 및 제3 반도체 기판(231), 버퍼 메모리(232), 및 주변 회로들, 예컨대 로우 디코더(223), 감지 증폭기(233), 멀티플렉서(235), 및 기타 주변 회로들(234)을 포함하는 제3 반도체 구조물(230)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the nonvolatile memory device 200 includes a first semiconductor structure 210 including a first semiconductor substrate 211 and a memory cell region 212 , a second semiconductor substrate 221 and a page buffer ( 222), and a third semiconductor substrate 231, a buffer memory 232, and peripheral circuits such as a row decoder 223, a sense amplifier 233, and a multiplexer 235 , and a third semiconductor structure 230 including other peripheral circuits 234 .

한편, 페이지 버퍼(222)는 메모리 셀의 값을 센싱하기 위해 메모리 셀(CELL)의 연결 부위와 가장 먼저 연결될 수 있다. 즉, 페이지 버퍼(222)와 복수의 메모리 셀들 사이의 연결 거리는 다른 주변 회로들과 복수의 메모리 셀들 사이의 연결 거리보다 가까울 수 있다.Meanwhile, the page buffer 222 may first be connected to a connection portion of the memory cell CELL in order to sense the value of the memory cell. That is, a connection distance between the page buffer 222 and the plurality of memory cells may be shorter than a connection distance between other peripheral circuits and the plurality of memory cells.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(200)에서, 페이지 버퍼(222)는 복수의 메모리 셀들과 직접 연결되는 센싱 페이지 버퍼(222a), 및 센싱 페이지 버퍼(222a)와 직렬로 연결되는 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼(222b)를 포함할 수 있다. In the non-volatile memory device 200 according to an embodiment of the present invention, the page buffer 222 includes a sensing page buffer 222a directly connected to a plurality of memory cells and a serially connected sensing page buffer 222a. At least one general page buffer 222b may be included.

복수의 메모리 셀들 각각에 대응하는 센싱 페이지 버퍼(222a) 및 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼(222b)는 제1 방향(예컨대, Z 방향)으로 나란히 배치될 수 있다. 이 때, 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼(222b) 중 센싱 페이지 버퍼(222a)와 가장 멀리 연결된 일반 페이지 버퍼(222b)는 비트 라인(BL)에 연결될 수 있다. The sensing page buffer 222a and at least one normal page buffer 222b corresponding to each of the plurality of memory cells may be disposed side by side in a first direction (eg, a Z direction). In this case, among the at least one normal page buffer 222b, the normal page buffer 222b most distantly connected to the sensing page buffer 222a may be connected to the bit line BL.

입출력 인터페이스를 통해 외부 장치(10)로부터 입력된 데이터는 버퍼 메모리(232)에 저장된 후 페이지 버퍼(222)를 거쳐 복수의 메모리 셀들에 프로그램될 수 있다. 다만, 멀티플렉서(235)는 입력되는 데이터의 특성에 기초하여 버퍼 메모리(232)를 경유할 것인지 여부를 결정할 수 있다. Data input from the external device 10 through the input/output interface may be stored in the buffer memory 232 and then programmed into a plurality of memory cells via the page buffer 222 . However, the multiplexer 235 may determine whether or not to pass through the buffer memory 232 based on characteristics of input data.

일례로, 버퍼 메모리(232)에 포함된 모든 메모리 셀들에 데이터가 저장된 상태인 경우, 멀티플렉서(235)는 버퍼 메모리(232)를 경유하지 않고 복수의 메모리 셀들에 외부 장치(10)로부터 입력된 데이터를 저장하도록 동작할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 멀티플렉서(235)의 동작은 데이터의 용량, 액세스 주기 등의 특성에 따라 달라질 수 있다. 또한, 멀티플렉서(235)는 리드 동작에서도 유사한 방식으로 데이터의 처리 경로를 설정하는 디멀티플렉서를 포함할 수 있다.For example, when data is stored in all memory cells included in the buffer memory 232, the multiplexer 235 does not pass through the buffer memory 232, but inputs data from the external device 10 to a plurality of memory cells. It can operate to store. However, this is only one embodiment and is not limited, and the operation of the multiplexer 235 may vary depending on characteristics such as data capacity and access period. Also, the multiplexer 235 may include a demultiplexer that sets a data processing path in a similar manner in a read operation.

도 10 및 도 11을 참조하면, 비휘발성 메모리 장치(300, 400)는 제1 반도체 기판(311, 411) 및 메모리 셀 영역(312, 412)을 포함하는 제1 반도체 구조물(310, 410), 제2 반도체 기판(321, 421) 및 페이지 버퍼(322, 422)를 포함하는 제2 반도체 구조물(320, 420), 및 제3 반도체 기판(331, 431), 버퍼 메모리(332, 432), 및 주변 회로들, 예컨대 로우 디코더(323, 423), 감지 증폭기(333, 433), 멀티플렉서(335, 435), 및 기타 주변 회로들(334, 434)을 포함하는 제3 반도체 구조물(330, 430)을 포함할 수 있다.10 and 11 , nonvolatile memory devices 300 and 400 include first semiconductor structures 310 and 410 including first semiconductor substrates 311 and 411 and memory cell regions 312 and 412; Second semiconductor structures 320 and 420 including second semiconductor substrates 321 and 421 and page buffers 322 and 422, and third semiconductor substrates 331 and 431, buffer memories 332 and 432, and Third semiconductor structures 330, 430 including peripheral circuits, such as row decoders 323, 423, sense amplifiers 333, 433, multiplexers 335, 435, and other peripheral circuits 334, 434 can include

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(300, 400)에서, 페이지 버퍼(322, 422)는 복수의 메모리 셀들(CELL) 및 비트 라인(BL) 사이에 연결되는 센싱 페이지 버퍼(322a, 422a)를 포함할 수 있다. 한편, 페이지 버퍼(322, 422)는 센싱 페이지 버퍼(322a, 422a)와 연결되는 일반 페이지 버퍼(322b, 422b)를 더 포함할 수 있다.In the nonvolatile memory devices 300 and 400 according to an exemplary embodiment, the page buffers 322 and 422 include a sensing page buffer 322a connected between a plurality of memory cells CELL and a bit line BL; 422a). Meanwhile, the page buffers 322 and 422 may further include normal page buffers 322b and 422b connected to the sensing page buffers 322a and 422a.

도 10을 참조하면, 비휘발성 메모리 센서(300)의 일반 페이지 버퍼(322b)는 제2 반도체 구조물(320)에 포함될 수 있다. 이 때, 복수의 메모리 셀들과 버퍼 메모리(332)의 입출력 인터페이스는 공유될 수 있다.Referring to FIG. 10 , the general page buffer 322b of the nonvolatile memory sensor 300 may be included in the second semiconductor structure 320 . In this case, an input/output interface between the plurality of memory cells and the buffer memory 332 may be shared.

도 11을 참조하면, 비휘발성 메모리 센서(400)의 일반 페이지 버퍼(422b)는 제3 반도체 구조물(430)에 포함될 수 있다. 이 때, 복수의 메모리 셀들과 버퍼 메모리(432)의 입출력 인터페이스는 개별적으로 배치될 수 있다.Referring to FIG. 11 , the general page buffer 422b of the nonvolatile memory sensor 400 may be included in the third semiconductor structure 430 . In this case, the plurality of memory cells and the input/output interface of the buffer memory 432 may be individually arranged.

도 12를 참조하면, 비휘발성 메모리 장치(500)는 제1 반도체 기판(511) 및 메모리 셀 영역(512)을 포함하는 제1 반도체 구조물(510), 제2 반도체 기판(521) 및 페이지 버퍼(522)를 포함하는 제2 반도체 구조물(520), 및 제3 반도체 기판(531), 버퍼 메모리(532), 및 주변 회로들, 예컨대 로우 디코더(523), 감지 증폭기(533), 멀티플렉서(535), 및 기타 주변 회로들(534)을 포함하는 제3 반도체 구조물(530)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 12 , the nonvolatile memory device 500 includes a first semiconductor structure 510 including a first semiconductor substrate 511 and a memory cell region 512 , a second semiconductor substrate 521 and a page buffer ( 522), and a third semiconductor substrate 531, a buffer memory 532, and peripheral circuits such as a row decoder 523, a sense amplifier 533, and a multiplexer 535 , and a third semiconductor structure 530 including other peripheral circuits 534 .

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(500)에서, 페이지 버퍼(522)는 복수의 메모리 셀들과 직접 연결되는 센싱 페이지 버퍼(522a), 및 센싱 페이지 버퍼(522a)와 제1 방향(예컨대, Z 방향)으로 직렬 연결되는 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼(522b)를 포함할 수 있다. In the non-volatile memory device 500 according to an embodiment of the present invention, the page buffer 522 includes a sensing page buffer 522a directly connected to a plurality of memory cells, and a sensing page buffer 522a in a first direction ( For example, at least one general page buffer 522b serially connected in the Z direction) may be included.

한편, 비휘발성 메모리 장치(500)의 페이지 버퍼(522)는 버퍼 메모리(532)의 메모리 셀과 연결되어 데이터를 주고받을 수 있다. 데이터 전송은 페이지 버퍼(522)가 형성된 제2 반도체 기판(521)의 주변 회로들에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼(522b) 중 센싱 페이지 버퍼(522a)와 가장 멀리 연결된 일반 페이지 버퍼(522b)는 데이터 전송을 제어하기 위한 제어 라인(CL)에 연결될 수 있다. 이 때, 제어 라인(CL)과 비트 라인(BL) 사이에는 버퍼 메모리(532)가 연결될 수 있다. Meanwhile, the page buffer 522 of the nonvolatile memory device 500 may be connected to a memory cell of the buffer memory 532 to exchange data. Data transmission may be controlled by peripheral circuits of the second semiconductor substrate 521 on which the page buffer 522 is formed. Accordingly, the normal page buffer 522b furthest from the sensing page buffer 522a among the at least one normal page buffer 522b may be connected to the control line CL for controlling data transmission. In this case, a buffer memory 532 may be connected between the control line CL and the bit line BL.

일례로, 버퍼 메모리(532)와 로우 디코더(523), 기타 주변 회로들을 포함하는 로직 회로는 제1 방향에서 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 복수의 수직 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다.For example, a logic circuit including a buffer memory 532, a row decoder 523, and other peripheral circuits includes a plurality of vertical transistors defined by a source region, a channel region, and a drain region sequentially stacked in a first direction. can include However, this is merely an example and may not be limited.

도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다. 도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다. 도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 간단히 도시한 도면들이다.13 and 14 are diagrams simply illustrating a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. 15 and 16 are diagrams simply illustrating a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention. 17 and 18 are schematic diagrams illustrating a nonvolatile memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 13 내지 도 18를 참조하면, 일 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 장치들(600, 700, 800) 각각은 도 9에 도시된 비휘발성 메모리 장치(200)에 대응할 수 있다. Referring to FIGS. 13 to 18 , each of the nonvolatile memory devices 600 , 700 , and 800 according to example embodiments may correspond to the nonvolatile memory device 200 shown in FIG. 9 .

한편, 제1 반도체 기판(611, 711, 811) 및 메모리 셀 영역(612, 712, 812)을 포함하는 제1 반도체 구조물(610, 710, 810)의 구조, 및 제1 반도체 구조물(610, 710, 810), 제2 반도체 구조물(620, 720, 820), 및 제3 반도체 구조물(630, 730, 830) 사이의 연결 관계는 도 3에 도시된 비휘발성 메모리 장치(100)에 대응할 수 있다.Meanwhile, the structure of the first semiconductor structure 610 , 710 , 810 including the first semiconductor substrate 611 , 711 , 811 and the memory cell region 612 , 712 , 812 , and the first semiconductor structure 610 , 710 , 810), the connection relationship between the second semiconductor structures 620, 720, and 820, and the third semiconductor structures 630, 730, and 830 may correspond to the nonvolatile memory device 100 shown in FIG.

도 13 및 도 14에 도시된 비휘발성 메모리 장치(600), 도 15 및 도 16에 도시된 비휘발성 메모리 장치(700), 및 도 17 및 도 18에 도시된 비휘발성 메모리 장치(800) 각각에 포함된 제3 반도체 구조물(630, 730, 830)은 제1 방향(예컨대, Z 방향)에서 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 복수의 수직 트랜지스터들을 포함할 수 있다.The nonvolatile memory device 600 shown in FIGS. 13 and 14, the nonvolatile memory device 700 shown in FIGS. 15 and 16, and the nonvolatile memory device 800 shown in FIGS. 17 and 18, respectively. The included third semiconductor structures 630, 730, and 830 may include a plurality of vertical transistors defined by sequentially stacked source regions, channel regions, and drain regions in a first direction (eg, Z direction). .

도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(600)에서, 페이지 버퍼(622)가 배치되는 제2 반도체 기판(621)의 하부에는 로우 디코더(623) 및 기타 주변 회로들(634)이 배치될 수 있다. 이 때, 로우 디코더(623) 및 기타 주변 회로들(634)은 페이지 버퍼(622)와 마찬가지로 제1 방향에서 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 수직 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 기타 주변 회로들(634)은 커맨드(CMD), 어드레스(ADDR), 컨트롤(CTRL) 신호를 전달받으며 외부 호스트와 데이터를 주고받을 수 있다.13 and 14 , in the nonvolatile memory device 600 according to an exemplary embodiment of the present invention, a row decoder 623 and a row decoder 623 are disposed under a second semiconductor substrate 621 where a page buffer 622 is disposed Other peripheral circuits 634 may be disposed. In this case, the row decoder 623 and other peripheral circuits 634 may include vertical transistors defined by sequentially stacked source regions, channel regions, and drain regions in the first direction, like the page buffer 622. can Other peripheral circuits 634 may exchange data with an external host while receiving command (CMD), address (ADDR), and control (CTRL) signals.

페이지 버퍼(622)의 크기는 비휘발성 메모리 장치(600)의 저장 용량 증가에 의해 가장 많은 영향을 받으므로 가장 넓은 영역에 배열될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(600)에서, 페이지 버퍼(622)를 제2 반도체 기판(621)의 넓은 영역에 형성하고, 제2 반도체 기판(621) 하부에 로우 디코더(623) 및 기타 주변 회로들(634)을 배치하여 페이지 버퍼(622)의 공간 활용을 극대화할 수 있다.Since the size of the page buffer 622 is most affected by the increase in the storage capacity of the nonvolatile memory device 600, it may be arranged in the widest area. Accordingly, in the nonvolatile memory device 600 according to an embodiment of the present invention, the page buffer 622 is formed in a wide area of the second semiconductor substrate 621, and rows are formed under the second semiconductor substrate 621. Space utilization of the page buffer 622 may be maximized by arranging the decoder 623 and other peripheral circuits 634 .

한편, 로우 디코더(623)와 기타 주변 회로들(634)은 동일한 레이어에 형성함으로써 비휘발성 메모리 장치(600)의 제1 방향 길이 증가를 최소화할 수 있다. Meanwhile, by forming the row decoder 623 and the other peripheral circuits 634 on the same layer, an increase in the length of the nonvolatile memory device 600 in the first direction can be minimized.

도 15 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(700)에서, 페이지 버퍼(722)가 배치되는 제2 반도체 기판(721)의 하부에는 로우 디코더(723) 및 기타 주변 회로들(734)이 배치될 수 있고, 그 하부에는 추가 회로들(736)이 배치될 수 있다. 즉, 제3 반도체 구조물(730)은 주변 회로들과 버퍼 메모리(732) 사이에 배치되는 추가 회로들(736)을 더 포함할 수 있다.15 and 16, in a nonvolatile memory device 700 according to an embodiment of the present invention, a row decoder 723 and a row decoder 723 are disposed under a second semiconductor substrate 721 on which a page buffer 722 is disposed. Other peripheral circuits 734 may be disposed, and additional circuits 736 may be disposed below them. That is, the third semiconductor structure 730 may further include additional circuits 736 disposed between the peripheral circuits and the buffer memory 732 .

이 때, 로우 디코더(723), 기타 주변 회로들(734), 및 추가 회로들(736)은 페이지 버퍼(722)와 마찬가지로 제1 방향에서 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 수직 트랜지스터들을 포함할 수 있다.At this time, the row decoder 723, other peripheral circuits 734, and additional circuits 736 are sequentially stacked in the first direction, like the page buffer 722, in the source region, channel region, and drain region. It may include vertical transistors defined by

일례로, 추가 회로들(736)은 페이지 버퍼(722)에 저장된 값에 대한 MAC(Multiply and Accumulate) 연산을 수행하는 인공지능(AI) 기능 회로 및/또는 페이지 버퍼(722)에 저장된 값에 대한 오류 정정 코드(ECC)의 연산을 수행하는 오류 정정 코드(ECC) 기능 회로 등을 포함할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 추가 회로들(736)은 다양한 기능을 수행하도록 설계될 수 있다.In one example, additional circuits 736 may include artificial intelligence (AI) function circuits that perform multiply and accelerate (MAC) operations on values stored in page buffer 722 and/or values stored in page buffer 722. An error correcting code (ECC) functional circuit that performs an error correction code (ECC) operation may be included. However, this is only one embodiment and is not limited, and the additional circuits 736 may be designed to perform various functions.

본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(700)는 다른 회로들과 별도의 레이어에 수직 트랜지스터를 포함하는 추가 회로들(736)을 배치함으로써, 면적에 제한되지 않고 새로운 기능을 자유롭게 추가할 수 있다. 특히, 메모리 컨트롤러에 의해 수행되던 기능을 비휘발성 메모리 장치(700)에서 수행하는 경우, 비휘발성 메모리 장치(700) 자체의 성능을 향상시킬 수 있다.In the non-volatile memory device 700 according to an embodiment of the present invention, new functions can be freely added without being limited in area by arranging additional circuits 736 including vertical transistors on a separate layer from other circuits. can In particular, when the function performed by the memory controller is performed by the nonvolatile memory device 700, the performance of the nonvolatile memory device 700 itself can be improved.

일례로, 추가 회로(736)가 오류 정정 코드(ECC) 기능 회로인 경우, 추가 회로(736)는 리드 데이터에 대한 오류 검출 및 정정 기능을 수행하기 위해 페이지 버퍼(722)보다 입출력 인터페이스에 가깝게 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 추가 회로(736)는 비휘발성 메모리 장치(700)에 기입될 기입 데이터에 대하여 패리티 비트(parity bit)들을 생성할 수 있으며, 이와 같이 생성된 패리티 비트들은 기입 데이터와 함께 저장될 수 있다. 비휘발성 메모리 장치(700)에서의 데이터 리드 동작 시, 추가 회로(736)는 리드 데이터와 함께 리드되는 패리티 비트들을 이용하여 리드 데이터의 에러를 정정하고, 에러가 정정된 리드 데이터를 출력할 수 있다.As an example, if additional circuitry 736 is an error correcting code (ECC) functional circuit, additional circuitry 736 is placed closer to the input/output interface than page buffer 722 to perform error detection and correction functions for read data. It can be. More specifically, the additional circuit 736 may generate parity bits for write data to be written in the nonvolatile memory device 700, and the generated parity bits may be stored together with the write data. there is. During a data read operation in the nonvolatile memory device 700, the additional circuit 736 may correct an error in the read data using parity bits read together with the read data, and output the read data with the error corrected. .

일례로, 추가 회로(736)가 인공지능(AI) 기능 회로인 경우, 추가 회로(736)는 페이지 버퍼(722)에서 출력된 값을 바로 계산하므로 페이지 버퍼(722)에 가깝게 배치될 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다.For example, when the additional circuit 736 is an artificial intelligence (AI) function circuit, the additional circuit 736 may be disposed close to the page buffer 722 because it immediately calculates a value output from the page buffer 722 . However, this is merely an example and may not be limited.

도 17 및 도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치(800)에서, 페이지 버퍼(822)가 배치되는 제2 반도체 기판(821)의 하부에는 로우 디코더(823)가 배치될 수 있고, 그 하부에는 기타 주변 회로들(834)이 배치될 수 있다. 즉, 로우 디코더(823)는 기타 주변 회로들(834)의 상부에서 별도의 레이어에 배치될 수도 있다.17 and 18, in a nonvolatile memory device 800 according to an exemplary embodiment of the present invention, a row decoder 823 is provided under a second semiconductor substrate 821 on which a page buffer 822 is disposed. may be disposed, and other peripheral circuits 834 may be disposed below it. That is, the row decoder 823 may be disposed on a separate layer above the other peripheral circuits 834 .

도 19a 내지 도 19e는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면들이다.19A to 19E are diagrams for explaining a process of manufacturing a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.

도 19a 내지 도 19e는 도 2 및 도 3에 도시된 비휘발성 메모리 장치(100)의 제조 과정을 간단히 나타낸 도면들일 수 있다. 도 19a 내지 도 19e의 제조 과정은 다른 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 장치들(200, 300, 400, 500, 600, 700, 800)에도 유사하게 적용될 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다. 일례로, 비휘발성 메모리 장치(100)에 포함된 제1 반도체 구조물(110), 제2 반도체 구조물(120), 및 제3 반도체 구조물(130)은 순서에 상관없이 독립적으로 제조될 수 있다.19A to 19E may be views simply illustrating a manufacturing process of the nonvolatile memory device 100 shown in FIGS. 2 and 3 . The fabrication process of FIGS. 19A to 19E may be similarly applied to the nonvolatile memory devices 200, 300, 400, 500, 600, 700, and 800 according to other embodiments. However, this is merely an example and may not be limited. For example, the first semiconductor structure 110 , the second semiconductor structure 120 , and the third semiconductor structure 130 included in the nonvolatile memory device 100 may be independently manufactured regardless of order.

도 19a를 참조하면, 제1 반도체 구조물(110)에서, 제1 반도체 기판(111) 상에는 게이트 전극들 및 채널 구조물들(CH)을 포함하는 메모리 셀 영역(112)이 형성될 수 있다. 이 때, 메모리 셀 영역(112)의 상부에는 제1 반도체 구조물(110)을 다른 구조물과 접합하기 위한 제1 메탈 패드(119)가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 19A , in the first semiconductor structure 110 , a memory cell region 112 including gate electrodes and channel structures CH may be formed on the first semiconductor substrate 111 . In this case, a first metal pad 119 for bonding the first semiconductor structure 110 to another structure may be formed on the top of the memory cell region 112 .

도 19b를 참조하면, 제2 반도체 구조물(120)에서, 제2 반도체 기판(121) 상에는 페이지 버퍼(122) 및 로우 디코더(123)를 포함하는 주변 회로 영역이 형성될 수 있다. 이 때, 주변 회로 영역의 상부에는 제2 반도체 구조물(120)을 제1 반도체 구조물(110)과 접합하기 위한 제2 메탈 패드(129)가 형성될 수 있다. 일례로, 제2 메탈 패드(129)의 위치는 제1 메탈 패드(119)의 위치에 대응할 수 있다. Referring to FIG. 19B , in the second semiconductor structure 120 , a peripheral circuit region including a page buffer 122 and a row decoder 123 may be formed on the second semiconductor substrate 121 . In this case, a second metal pad 129 for bonding the second semiconductor structure 120 to the first semiconductor structure 110 may be formed above the peripheral circuit region. For example, the position of the second metal pad 129 may correspond to the position of the first metal pad 119 .

전술한 바와 같이, 제2 반도체 기판(121)의 하부에는 페이지 버퍼(122) 및/또는 로우 디코더(123)를 외부 회로와 전기적으로 연결하기 위한 컨택 패드(128)가 배치될 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 컨택 패드(128)는 제1 반도체 기판(111)의 하면에 배치될 수도 있다.As described above, contact pads 128 may be disposed below the second semiconductor substrate 121 to electrically connect the page buffer 122 and/or the row decoder 123 to an external circuit. However, this is only an example and is not limited, and the contact pad 128 may be disposed on the lower surface of the first semiconductor substrate 111 .

도 19c를 참조하면, 제2 반도체 구조물(120)에는 제2 반도체 기판(121)을 관통하는 연결 구조물(140a)이 형성될 수 있다. 일례로, 연결 구조물(140a)은 제2 반도체 구조물(120)의 로우 디코더(123)와 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 연결 구조물(140a)은 제2 반도체 구조물(120)의 페이지 버퍼(122)와 연결될 수도 있다.Referring to FIG. 19C , a connection structure 140a passing through the second semiconductor substrate 121 may be formed in the second semiconductor structure 120 . For example, the connection structure 140a may be electrically connected to the row decoder 123 of the second semiconductor structure 120 . However, this is only an example and is not limited thereto, and the connection structure 140a may be connected to the page buffer 122 of the second semiconductor structure 120 .

도 19d를 참조하면, 제3 반도체 구조물(130)에서, 제3 반도체 기판(131) 상에는 제3 반도체 기판(131)을 관통하는 연결 비아(138)를 통해 제3 메탈 패드(139)와 연결되는 기타 주변 회로들(134)이 형성될 수 있다. 이 때, 기타 주변 회로들(134)의 일 측에는 버퍼 메모리(132)가 배치될 수 있다. 제3 반도체 구조물(130)의 상부에는 제3 반도체 구조물(130)을 제2 반도체 구조물(120)과 접합하기 위한 연결 구조물(140b)이 형성될 수 있다. 일례로, 제3 반도체 구조물(130)에 포함된 연결 구조물(140b)의 위치는 제2 반도체 구조물(120)에 포함된 연결 구조물(140a)의 위치에 대응할 수 있다.Referring to FIG. 19D, in the third semiconductor structure 130, on the third semiconductor substrate 131, a third metal pad 139 is connected through a connection via 138 penetrating the third semiconductor substrate 131. Other peripheral circuits 134 may be formed. At this time, the buffer memory 132 may be disposed on one side of the other peripheral circuits 134 . A connection structure 140b for bonding the third semiconductor structure 130 to the second semiconductor structure 120 may be formed above the third semiconductor structure 130 . For example, a position of the connection structure 140b included in the third semiconductor structure 130 may correspond to a position of the connection structure 140a included in the second semiconductor structure 120 .

도 19e를 참조하면, 도 19a 내지 도 19d를 거쳐 제조된 제1 반도체 구조물(110), 제2 반도체 구조물(120), 및 제3 반도체 구조물(130)은 제1 방향(예컨대, Z 방향)에서 적층되도록 접합될 수 있다. 일례로, 제1 반도체 구조물(110)은 제1 메탈 패드(119) 및 제2 메탈 패드(129)의 접합을 통해 제2 반도체 구조물(120)과 접합될 수 있다. 또한, 제2 반도체 구조물(120)은 연결 구조물들(140a, 140b)의 접합을 통해 제3 반도체 구조물(130)과 접합될 수 있다.Referring to FIG. 19E, the first semiconductor structure 110, the second semiconductor structure 120, and the third semiconductor structure 130 fabricated through FIGS. 19A to 19D are in a first direction (eg, Z direction). It can be bonded so that it is stacked. For example, the first semiconductor structure 110 may be bonded to the second semiconductor structure 120 through bonding of the first metal pad 119 and the second metal pad 129 . Also, the second semiconductor structure 120 may be bonded to the third semiconductor structure 130 through bonding of the connection structures 140a and 140b.

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 기술 분야의 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.

100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800: 비휘발성 메모리 장치
110: 제1 반도체 구조물 111: 제1 반도체 기판
112: 메모리 셀 영역 119: 제1 메탈 패드
120: 제2 반도체 구조물 121: 제2 반도체 기판
122: 페이지 버퍼 222a: 센싱 페이지 버퍼
222b: 일반 페이지 버퍼 123: 로우 디코더
128: 컨택 패드 129: 제2 메탈 패드
130: 제3 반도체 구조물 131: 제3 반도체 기판
132: 버퍼 메모리 133: 감지 증폭기
134: 기타 주변 회로들 135: 멀티플렉서
736: 추가 회로들 138: 연결 비아
139: 제3 메탈 패드 140: 연결 구조물
150: 주변 회로 영역 151: 입출력 버퍼
152: 전압 발생기 153: 제어 로직 회로
10: 외부 장치
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800: non-volatile memory device
110: first semiconductor structure 111: first semiconductor substrate
112: memory cell area 119: first metal pad
120: second semiconductor structure 121: second semiconductor substrate
122: page buffer 222a: sensing page buffer
222b: general page buffer 123: raw decoder
128: contact pad 129: second metal pad
130: third semiconductor structure 131: third semiconductor substrate
132 buffer memory 133 sense amplifier
134: other peripheral circuits 135: multiplexer
736 additional circuits 138 connecting vias
139: third metal pad 140: connection structure
150: peripheral circuit area 151: input/output buffer
152 voltage generator 153 control logic circuit
10: external device

Claims (10)

제1 반도체 기판, 상기 제1 반도체 기판 상에 배치되는 복수의 메모리 셀들을 포함하는 메모리 셀 영역, 및 상기 메모리 셀 영역의 상부에 배치되는 제1 메탈 패드를 포함하고, 상기 복수의 메모리 셀들은 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들 및 상기 게이트 전극들을 관통하고 상기 제1 반도체 기판에 연결되는 채널 구조물들에 의해 정의되는 제1 반도체 구조물;
제2 반도체 기판, 상기 제2 반도체 기판 상에 배치되는 페이지 버퍼, 및 상기 제1 메탈 패드와 접합하는 제2 메탈 패드를 포함하는 제2 반도체 구조물; 및
제3 반도체 기판, 상기 제3 반도체 기판 상에 형성되는 버퍼 메모리 및 주변 회로들, 및 상기 제3 반도체 기판을 관통하는 연결 비아를 통해 상기 주변 회로들과 연결되는 제3 메탈 패드를 포함하는 제3 반도체 구조물; 을 포함하고,
상기 제2 반도체 구조물 및 상기 제3 반도체 구조물은 상기 제2 반도체 기판을 관통하는 연결 구조물에 의해 서로 연결되며, 상기 페이지 버퍼는 상기 제1 반도체 구조물, 상기 제2 반도체 구조물, 및 상기 제3 반도체 구조물이 연결되는 제1 방향에서 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 복수의 수직 트랜지스터들을 포함하는 비휘발성 메모리 장치.
a first semiconductor substrate, a memory cell region including a plurality of memory cells disposed on the first semiconductor substrate, and a first metal pad disposed on the memory cell region, wherein the plurality of memory cells are connected to each other a first semiconductor structure defined by spaced apart stacked gate electrodes and channel structures penetrating the gate electrodes and connected to the first semiconductor substrate;
a second semiconductor structure including a second semiconductor substrate, a page buffer disposed on the second semiconductor substrate, and a second metal pad bonded to the first metal pad; and
a third semiconductor substrate, a buffer memory and peripheral circuits formed on the third semiconductor substrate, and a third metal pad connected to the peripheral circuits through connection vias penetrating the third semiconductor substrate; semiconductor structures; including,
The second semiconductor structure and the third semiconductor structure are connected to each other by a connection structure penetrating the second semiconductor substrate, and the page buffer includes the first semiconductor structure, the second semiconductor structure, and the third semiconductor structure. A nonvolatile memory device including a plurality of vertical transistors defined by a source region, a channel region, and a drain region sequentially stacked in a first direction connected thereto.
제1항에 있어서,
상기 제2 반도체 구조물은 양측에 상기 페이지 버퍼가 배치되는 로우 디코더를 더 포함하는 비휘발성 메모리 장치.
According to claim 1,
The second semiconductor structure further comprises a row decoder on both sides of which the page buffer is disposed.
제1항에 있어서,
상기 페이지 버퍼는 상기 복수의 메모리 셀들과 직접 연결되는 센싱 페이지 버퍼, 및 상기 센싱 페이지 버퍼와 직렬로 연결되는 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼를 포함하고,
상기 복수의 메모리 셀들 각각에 대응하는 상기 센싱 페이지 버퍼 및 상기 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼는 상기 제1 방향으로 나란히 배치되는 비휘발성 메모리 장치.
According to claim 1,
The page buffer includes a sensing page buffer directly connected to the plurality of memory cells and at least one general page buffer connected in series with the sensing page buffer;
The sensing page buffer and the at least one normal page buffer corresponding to each of the plurality of memory cells are arranged side by side in the first direction.
제3항에 있어서,
상기 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼 중 상기 센싱 페이지 버퍼와 가장 멀리 연결된 일반 페이지 버퍼는 비트 라인에 연결되는 비휘발성 메모리 장치.
According to claim 3,
A general page buffer furthest from the sensing page buffer among the at least one general page buffer is connected to a bit line.
제3항에 있어서,
상기 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼 중 상기 센싱 페이지 버퍼와 가장 멀리 연결된 일반 페이지 버퍼는 데이터 전송을 제어하기 위한 제어 라인에 연결되고, 상기 제3 반도체 구조물에 포함된 상기 버퍼 메모리는 상기 제어 라인과 비트 라인 사이에 연결되는 비휘발성 메모리 장치.
According to claim 3,
Among the at least one general page buffer, a normal page buffer that is furthest away from the sensing page buffer is connected to a control line for controlling data transfer, and the buffer memory included in the third semiconductor structure includes the control line and the bit line. A non-volatile memory device connected between
제1항에 있어서,
상기 페이지 버퍼는 상기 복수의 메모리 셀들 및 비트 라인 사이에 연결되는 센싱 페이지 버퍼를 포함하는 비휘발성 메모리 장치.
According to claim 1,
The page buffer includes a sensing page buffer connected between the plurality of memory cells and a bit line.
제6항에 있어서,
상기 제3 반도체 구조물은 상기 센싱 페이지 버퍼와 연결되는 적어도 하나의 일반 페이지 버퍼를 더 포함하는 비휘발성 메모리 장치.
According to claim 6,
The third semiconductor structure further comprises at least one general page buffer connected to the sensing page buffer.
제1 반도체 기판, 상기 제1 반도체 기판 상에 배치되는 복수의 메모리 셀들을 포함하는 메모리 셀 영역, 및 상기 메모리 셀 영역의 상부에 배치되는 제1 메탈 패드를 포함하고, 상기 복수의 메모리 셀들은 서로 이격되어 적층되는 게이트 전극들 및 상기 게이트 전극들을 관통하고 상기 제1 반도체 기판에 연결되는 채널 구조물들에 의해 정의되는 제1 반도체 구조물;
제2 반도체 기판, 상기 제2 반도체 기판 상에 배치되는 페이지 버퍼, 및 상기 제1 메탈 패드와 접합하는 제2 메탈 패드를 포함하는 제2 반도체 구조물; 및
제3 반도체 기판, 상기 제3 반도체 기판 상에 형성되는 버퍼 메모리, 상기 버퍼 메모리의 상부에 배치되는 주변 회로들, 및 상기 제3 반도체 기판을 관통하는 연결 비아를 통해 상기 주변 회로들과 연결되는 제3 메탈 패드를 포함하고, 상기 제2 반도체 기판을 관통하는 연결 구조물에 의해 상기 제2 반도체 구조물과 연결되는 제3 반도체 구조물; 을 포함하고,
상기 주변 회로들은 상기 페이지 버퍼와 연결되는 로우 디코더, 및 상기 복수의 메모리 셀들을 제어하는 기타 주변 회로들을 포함하며, 상기 제3 반도체 구조물은 상기 제1 반도체 구조물, 상기 제2 반도체 구조물, 및 상기 제3 반도체 구조물이 연결되는 제1 방향에서 순차적으로 적층된 소오스 영역, 채널 영역, 및 드레인 영역에 의해 정의되는 복수의 수직 트랜지스터들을 포함하는 비휘발성 메모리 장치.
a first semiconductor substrate, a memory cell region including a plurality of memory cells disposed on the first semiconductor substrate, and a first metal pad disposed on the memory cell region, wherein the plurality of memory cells are connected to each other a first semiconductor structure defined by spaced apart stacked gate electrodes and channel structures penetrating the gate electrodes and connected to the first semiconductor substrate;
a second semiconductor structure including a second semiconductor substrate, a page buffer disposed on the second semiconductor substrate, and a second metal pad bonded to the first metal pad; and
A third semiconductor substrate, a buffer memory formed on the third semiconductor substrate, peripheral circuits disposed on the buffer memory, and a third connected to the peripheral circuits through connection vias penetrating the third semiconductor substrate. a third semiconductor structure including three metal pads and connected to the second semiconductor structure by a connection structure penetrating the second semiconductor substrate; including,
The peripheral circuits include a row decoder connected to the page buffer and other peripheral circuits for controlling the plurality of memory cells, and the third semiconductor structure includes the first semiconductor structure, the second semiconductor structure, and the first semiconductor structure. A non-volatile memory device including a plurality of vertical transistors defined by a source region, a channel region, and a drain region sequentially stacked in a first direction in which three semiconductor structures are connected.
제8항에 있어서,
상기 제3 반도체 구조물은 상기 주변 회로들과 상기 버퍼 메모리 사이에 배치되는 추가 회로들을 포함하고,
상기 추가 회로들은, 상기 페이지 버퍼에 저장된 값에 대한 오류 정정 코드(Error Correction Code, ECC)의 연산을 수행하는 회로 및 상기 페이지 버퍼에 저장된 값에 대한 MAC(Multiply and Accumulate) 연산을 수행하는 회로 중 적어도 하나를 포함하는 비휘발성 메모리 장치.
According to claim 8,
The third semiconductor structure includes additional circuits disposed between the peripheral circuits and the buffer memory,
The additional circuits are selected from among a circuit that performs an Error Correction Code (ECC) operation on the values stored in the page buffer and a multiply and accumulate (MAC) operation on the values stored in the page buffer. A non-volatile memory device comprising at least one.
제8항에 있어서,
상기 로우 디코더는 상기 주변 회로들의 상부에 배치되는 비휘발성 메모리 장치.
According to claim 8,
The row decoder is disposed above the peripheral circuits.
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