KR20240042592A - Semiconductor devices and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
예시적인 실시예의 반도체 장치는, 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 플레이트층; 상기 제1 영역 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되고, 상기 제2 영역 상에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 서로 다른 길이로 연장되며, 상기 제2 영역에서 상면이 상부로 노출되는 패드 영역 및 상기 패드 영역 외의 적층 영역을 각각 포함하는 게이트 전극들; 상기 게이트 전극들과 교대로 적층되는 층간 절연층들; 상기 제1 영역 상에서 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 및 상기 게이트 전극들 중 하나인 제1 게이트 전극의 상기 패드 영역을 관통하면서 상기 제1 게이트 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 게이트 전극의 아래에 배치된 제2 게이트 전극의 상기 적층 영역을 관통하고 상기 제2 게이트 전극과 이격되는 콘택 플러그를 포함하며, 상기 패드 영역은 상기 적층 영역으로부터 연장되어 제1 두께를 가지는 베이스 부분 및 상기 베이스 부분 위에 상기 제1 방향으로 돌출되어, 상기 패드 영역을 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께로 확장시키는 돌출 부분을 포함하며, 상기 돌출 부분은 상기 패드 영역을 관통하는 상기 콘택 플러그를 향해 오목하게 함몰되는 측면을 포함할 수 있다. A semiconductor device of an exemplary embodiment includes a plate layer having a first region and a second region; They are stacked and spaced apart from each other along a first direction on the first area, extend to different lengths along a second direction perpendicular to the first direction on the second area, and have a top surface exposed upwardly in the second area. gate electrodes each including a pad area and a stacked area other than the pad area; interlayer insulating layers alternately stacked with the gate electrodes; Channel structures extending along the first direction and penetrating the gate electrodes on the first region and each including a channel layer; and electrically connected to the first gate electrode while penetrating the pad area of a first gate electrode, which is one of the gate electrodes, and penetrating the stacked area of a second gate electrode disposed below the first gate electrode. and a contact plug spaced apart from the second gate electrode, wherein the pad area extends from the stacked area and has a first thickness, and protrudes in the first direction over the base part, forming the pad area into the first direction. It may include a protruding portion extending to a second thickness greater than the first thickness, and the protruding portion may include a side surface that is concavely recessed toward the contact plug penetrating the pad area.
Description
본 발명은 반도체 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to semiconductor devices and methods for manufacturing the same.
데이터 저장을 필요로 하는 데이터 저장 시스템에서 고용량의 데이터를 저장할 수 있는 반도체 장치가 요구되고 있다. 이에 따라, 반도체 장치의 데이터 저장 용량을 증가시킬 수 있는 방안이 연구되고 있다. 예를 들어, 반도체 장치의 데이터 저장 용량을 증가시키기 위한 방법 중 하나로써, 2차원적으로 배열되는 메모리 셀들 대신에 3차원적으로 배열되는 메모리 셀들을 포함하는 반도체 장치가 제안되고 있다.In data storage systems that require data storage, semiconductor devices capable of storing high-capacity data are required. Accordingly, ways to increase the data storage capacity of semiconductor devices are being studied. For example, as one of the methods for increasing the data storage capacity of a semiconductor device, a semiconductor device including memory cells arranged three-dimensionally instead of memory cells arranged two-dimensionally has been proposed.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 제조 공정이 용이하고 전기적 특성 및 신뢰성이 향상된 반도체 장치를 제공하는 것이다.One of the technical tasks to be achieved by the present invention is to provide a semiconductor device that is easy to manufacture and has improved electrical characteristics and reliability.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치는 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 플레이트층; 상기 제1 영역 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되고, 상기 제2 영역 상에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 서로 다른 길이로 연장되며, 상기 제2 영역에서 상면이 상부로 노출되는 패드 영역 및 상기 패드 영역 외의 적층 영역을 각각 포함하는 게이트 전극들; 상기 게이트 전극들과 교대로 적층되는 층간 절연층들; 상기 제1 영역 상에서 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 및 상기 게이트 전극들 중 하나인 제1 게이트 전극의 상기 패드 영역을 관통하면서 상기 제1 게이트 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 게이트 전극의 아래에 배치된 제2 게이트 전극의 상기 적층 영역을 관통하고 상기 제2 게이트 전극과 이격되는 콘택 플러그를 포함하며, 상기 패드 영역은 상기 적층 영역으로부터 연장되어 제1 두께를 가지는 베이스 부분 및 상기 베이스 부분 위에 상기 제1 방향으로 돌출되어, 상기 패드 영역을 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께로 확장시키는 돌출 부분을 포함하며, 상기 돌출 부분은 상기 패드 영역을 관통하는 상기 콘택 플러그를 향해 오목하게 함몰되는 측면을 포함할 수 있다. A semiconductor device according to example embodiments includes a plate layer having a first region and a second region; They are stacked and spaced apart from each other along a first direction on the first area, extend to different lengths along a second direction perpendicular to the first direction on the second area, and have a top surface exposed upwardly in the second area. gate electrodes each including a pad area and a stacked area other than the pad area; interlayer insulating layers alternately stacked with the gate electrodes; Channel structures extending along the first direction and penetrating the gate electrodes on the first region and each including a channel layer; and electrically connected to the first gate electrode while penetrating the pad area of a first gate electrode, which is one of the gate electrodes, and penetrating the stacked area of a second gate electrode disposed below the first gate electrode. and a contact plug spaced apart from the second gate electrode, wherein the pad area extends from the stacked area and has a first thickness, and protrudes in the first direction over the base part, forming the pad area into the first direction. It may include a protruding portion extending to a second thickness greater than the first thickness, and the protruding portion may include a side surface that is concavely recessed toward the contact plug penetrating the pad area.
예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법은 플레이트층 상에 복수의 층간 절연층들과 복수의 희생 절연층들을 교대로 포함하는 몰드 구조물을 형성하는 단계; 상기 몰드 구조물을 순차적으로 식각하여 상기 복수의 희생 절연층들에 계단 형태를 가지는 복수의 단차 구조를 형성하는 단계; 상기 몰드 구조물의 상기 복수의 단차 구조 상에 제1 예비 희생층 및 제2 예비 희생층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 단차 구조의 측면의 상기 제1 예비 희생층 및 상기 제2 예비 희생층을 식각하고, 상기 복수의 희생 절연층들의 상면에만 잔류시켜, 상기 제1 희생층 및 제2 희생층을 포함하는 예비 패드 영역을 형성하는 단계; 및 상기 예비 패드 영역 및 상기 복수의 희생 절연층들을 제거하고 상기 제거된 공간 내에 도전층을 채워 패드 영역을 포함하는 복수의 게이트 전극들을 형성하는 단계; 를 포함하며, 상기 예비 패드 영역을 형성하는 단계는, 상기 제1 희생층의 상면이 상기 제2 희생층의 상면보다 작은 면적을 갖도록 식각할 수 있다.A method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments includes forming a mold structure alternately including a plurality of interlayer insulating layers and a plurality of sacrificial insulating layers on a plate layer; sequentially etching the mold structure to form a plurality of stepped structures in the plurality of sacrificial insulating layers; sequentially forming a first preliminary sacrificial layer and a second preliminary sacrificial layer on the plurality of step structures of the mold structure; The first preliminary sacrificial layer and the second preliminary sacrificial layer on the side surfaces of the stepped structure are etched, and only the upper surfaces of the plurality of sacrificial insulating layers are left to remain, so that the preliminary pad including the first sacrificial layer and the second sacrificial layer forming a region; and removing the preliminary pad area and the plurality of sacrificial insulating layers and filling the removed space with a conductive layer to form a plurality of gate electrodes including a pad area. The step of forming the preliminary pad area may include etching the upper surface of the first sacrificial layer to have a smaller area than the upper surface of the second sacrificial layer.
본 발명에 따르면, 게이트 전극들의 패드 영역을 형성하는 희생층을 다층으로 형성할 때, 실리콘 질화물 위에 최외부 희생층으로 실리콘 붕질화물을 포함함으로써, 패드 영역 형성 시에 식각액에 대한 표면 손상을 방지하여 신뢰성이 향상된 반도체 장치가 제공될 수 있다.According to the present invention, when forming the sacrificial layer forming the pad area of the gate electrodes in multiple layers, silicon boronitride is included as the outermost sacrificial layer on the silicon nitride to prevent surface damage from the etchant when forming the pad area. A semiconductor device with improved reliability can be provided.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.The various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above-described content, and may be more easily understood through description of specific embodiments of the present invention.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도이다.
도 2a 내지 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2a의 일 부분의 확대 단면도이다.
도 4 및 도 5는 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치의 단면도이다.
도 6a 내지 도 6k는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 1 is a schematic plan view of a semiconductor device according to example embodiments.
2A to 2B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments.
Figure 3 is an enlarged cross-sectional view of a portion of Figure 2A.
4 and 5 are cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments.
6A to 6K are schematic cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments.
FIG. 7 is a diagram schematically showing a data storage system including a semiconductor device according to example embodiments.
8 is a perspective view schematically showing a data storage system including a semiconductor device according to an example embodiment.
9 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor package according to an exemplary embodiment.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다. 이하에서, '상', '상부', '상면', '위' '하', '하부', '하면', '아래', '측면' 등의 용어는 도면부호로 표기되어 별도로 지칭되는 경우를 제외하고, 도면을 기준으로 지칭하는 것으로 이해될 수 있다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. Hereinafter, terms such as 'upper', 'top', 'upper surface', 'top', 'lower', 'lower', 'lower surface', 'bottom', 'side', etc. are indicated with reference numerals and are referred to separately. Except, it may be understood that the reference is made based on the drawings.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 평면도이다.1 is a schematic plan view of a semiconductor device according to example embodiments.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 개략적인 단면도들이다. 도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 절단선 Ⅰ-Ⅰ' 및 Ⅱ-Ⅱ'를 따른 단면을 도시한다.2A and 2B are schematic cross-sectional views of semiconductor devices according to example embodiments. Figures 2a and 2b show cross-sections along section lines I-I' and II-II' of Figure 1, respectively.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 일부 영역들을 확대하여 도시하는 부분 확대도이다. 도 3은 도 2a의 'A' 영역을 확대하여 도시한다.FIG. 3 is a partially enlarged view illustrating some areas of a semiconductor device according to example embodiments. FIG. 3 shows an enlarged view of area 'A' in FIG. 2A.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 반도체 장치(100)는 기판(201)을 포함하는 제1 반도체 구조물인 주변 회로 영역(PERI) 및 플레이트층(101)을 포함하는 제2 반도체 구조물인 셀 영역(CELL)을 포함할 수 있다. 메모리 셀 영역(CELL)은 주변 회로 영역(PERI) 상에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이와 반대로 셀 영역(CELL)이 주변 회로 영역(PERI)의 아래에 배치될 수도 있다. 1 to 3, the
주변 회로 영역(PERI)은, 기판(201), 기판(201) 내의 불순물 영역들(205) 및 소자 분리층들(210), 기판(201) 상에 배치된 회로 소자들(220), 주변 영역 절연층(290), 하부 보호층(298), 하부 콘택 플러그들(270), 하부 배선 라인들(280)을 포함할 수 있다.The peripheral circuit region (PERI) includes the
기판(201)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 기판(201)에는 소자 분리층들(210)에 의해 활성 영역이 정의될 수 있다. 상기 활성 영역의 일부에는 불순물을 포함하는 불순물 영역들(205)이 배치될 수 있다. 기판(201)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 기판(201)은 벌크 웨이퍼 또는 에피택셜층으로 제공될 수도 있다. The
회로 소자들(220)은 수평(planar) 트랜지스터를 포함할 수 있다. 각각의 회로 소자들(220)은 회로 게이트 유전층(222), 스페이서층(224) 및 회로 게이트 전극(225)을 포함할 수 있다. 회로 게이트 전극(225)의 양 측에서 기판(201) 내에는 소스/드레인 영역으로서 불순물 영역들(205)이 배치될 수 있다.
주변 영역 절연층(290)은 기판(201) 상에서 회로 소자(220) 상에 배치될 수 있다. 주변 영역 절연층(290)은 제1 및 제2 주변 영역 절연층들(292, 294)을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 주변 영역 절연층들(292, 294)도 각각 복수의 절연층들을 포함할 수 있다. 주변 영역 절연층(290)은 절연성 물질로 이루어질 수 있다.The peripheral
하부 보호층(298)은 제1 및 제2 주변 영역 절연층들(292, 294)의 사이에서, 최상부의 제3 하부 배선 라인들(286)의 상면 상에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 하부 보호층(298)은 제1 및 제2 하부 배선 라인들(282, 284)의 상면 상에 더 배치될 수 있다. 하부 보호층(298)은 하부에 배치된 하부 배선 라인들(280)의 금속 물질로 인한 오염을 방지하기 위한 층일 수 있다. 하부 보호층(298)은 주변 영역 절연층(290)과 다른 절연성 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.The lower protective layer 298 may be disposed on the upper surface of the uppermost third
하부 콘택 플러그들(270) 및 하부 배선 라인들(280)은, 회로 소자들(220) 및 불순물 영역들(205)과 전기적으로 연결되는 하부 배선 구조물을 이룰 수 있다. 하부 콘택 플러그들(270)은 원기둥 형상을 갖고, 하부 배선 라인들(280)은 라인 형태를 가질 수 있다. 하부 콘택 플러그들(270)은 제1 내지 제3 하부 콘택 플러그들(272, 274, 276)을 포함할 수 있다. 제1 하부 콘택 플러그들(272)은 회로 소자들(220) 및 불순물 영역들(205) 상에 배치되고, 제2 하부 콘택 플러그들(274)은 제1 하부 배선 라인들(282) 상에 배치되며, 제3 하부 콘택 플러그들(276)은 제2 하부 배선 라인들(284) 상에 배치될 수 있다. 하부 배선 라인들(280)은 제1 내지 제3 하부 배선 라인들(282, 284, 286)을 포함할 수 있다. 제1 하부 배선 라인들(282)은 제1 하부 콘택 플러그들(272) 상에 배치되고, 제2 하부 배선 라인들(284)은 제2 하부 콘택 플러그들(274) 상에 배치되고, 제3 하부 배선 라인들(286)은 제3 하부 콘택 플러그들(276) 상에 배치될 수 있다. 하부 콘택 플러그들(270) 및 하부 배선 라인들(280)은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있으며, 각각의 구성들은 확산 방지층(diffusion barrier)을 더 포함할 수도 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 하부 콘택 플러그들(270) 및 하부 배선 라인들(280)의 층 수 및 배치 형태는 다양하게 변경될 수 있다.The
메모리 셀 영역(CELL)은 제1 내지 제3 영역들(R1, R2, R3)을 가지며, 소스 구조물(SS), 소스 구조물(SS) 상에 적층된 게이트 전극들(130), 게이트 전극들(130)과 교대로 적층되는 층간 절연층들(120), 제1 영역(R1)에서 게이트 전극들(130)의 적층 구조물을 관통하도록 배치되는 채널 구조물들(CH), 게이트 전극들(130)의 상기 적층 구조물을 관통하며 연장되는 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b), 제2 영역(R2)에서 게이트 전극들(130)의 패드 영역들(130P)과 연결되며 수직하게 연장되는 콘택 플러그들(170)을 포함할 수 있다. The memory cell region CELL has first to third regions R1, R2, and R3, and includes a source structure SS,
메모리 셀 영역(CELL)은, 소스 구조물(SS) 외측에 배치되는 외측 절연층(150E), 기판 절연층(121), 제1 영역(R1)에서 게이트 전극들(130)의 아래에 배치되는 제1 및 제2 수평 도전층들(102, 104), 제2 영역(R2)에서 제2 수평 도전층(104)과 함께 게이트 전극들(130)의 아래에 배치되는 수평 절연층(110), 게이트 전극들(130)의 일부를 관통하는 상부 분리 영역들(US), 제2 영역(R2)에서 게이트 전극들(130)의 상기 적층 구조물을 관통하도록 배치되는 서포트 구조물들(DCH), 메모리 셀 영역(CELL)으로부터 주변 회로 영역(PERI)으로 연장되는 관통 비아들(175), 채널 구조물들(CH) 및 콘택 플러그들(170) 상의 상부 콘택 플러그들(180), 및 게이트 전극들(130)을 덮는 셀 영역 절연층(190)을 더 포함할 수 있다.The memory cell region CELL includes the outer insulating layer 150E disposed outside the source structure SS, the
메모리 셀 영역(CELL)에서, 제1 영역(R1)은 게이트 전극들(130)이 수직하게 적층되며 채널 구조물들(CH)이 배치되는 영역으로 메모리 셀들이 배치되는 영역일 수 있다. 제2 영역(R2)은 게이트 전극들(130)이 서로 다른 길이로 연장되는 영역으로, 제3 영역(R3)과 함께 상기 메모리 셀들을 주변 회로 영역(PERI)과 전기적으로 연결하기 위한 영역에 해당할 수 있다. 제2 영역(R2)은 적어도 일 방향, 예를 들어 x 방향에서 제1 영역(R1)의 적어도 일 단에 배치될 수 있다. 제3 영역(R3)은 제2 영역(R2)의 외측에 위치하며 소스 구조물(SS)이 배치되지 않는 영역일 수 있다. In the memory cell region CELL, the first region R1 is an area where the
소스 구조물(SS)은 제1 영역(R1)에서 순차적으로 적층된 플레이트층(101), 제1 수평 도전층(102), 및 제2 수평 도전층(104)을 포함할 수 있다. 소스 구조물(SS)은 제2 영역(R2)에서 플레이트층(101) 및 제2 수평 도전층(104)으로 이루어질 수 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서, 소스 구조물(SS)을 이루는 도전층들의 개수는 다양하게 변경될 수 있다. The source structure SS may include a
플레이트층(101)은 플레이트의 형태를 가지며, 반도체 장치(100)의 공통 소스 라인의 적어도 일부로 기능할 수 있다. 플레이트층(101)은 x 방향과 y 방향으로 연장되는 상면을 가질 수 있다. 플레이트층(101)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 플레이트층(101)은 반도체 물질, 예컨대 Ⅳ족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅳ족 반도체는 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 플레이트층(101)은 불순물들을 더 포함할 수 있다. 플레이트층(101)은 다결정 실리콘층과 같은 다결정 반도체층 또는 에피택셜층으로 제공될 수 있다.The
제1 및 제2 수평 도전층들(102, 104)은 제1 영역(R1)에서 플레이트층(101)의 상면 상에 순차적으로 적층되어 배치될 수 있다. 제1 수평 도전층(102)은 제2 영역(R2)으로 연장되지 않고, 제2 수평 도전층(104)은 제2 영역(R2)으로 연장될 수 있다. 제1 수평 도전층(102)은 반도체 장치(100)의 공통 소스 라인의 일부로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 플레이트층(101)과 함께 공통 소스 라인으로 기능할 수 있다. 도 2b 내의 확대도에 도시된 것과 같이, 제1 수평 도전층(102)은 채널층(140)의 둘레에서, 채널층(140)과 직접 연결될 수 있다. 제2 수평 도전층(104)은, 제1 수평 도전층(102) 및 수평 절연층(110)이 배치되지 않는 제2 영역(R2)의 일부 영역들에서 플레이트층(101)과 접촉할 수 있다. The first and second horizontal
제1 및 제2 수평 도전층들(102, 104)은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 적어도 제1 수평 도전층(102)은 플레이트층(101)과 동일한 도전형의 불순물들로 도핑된 층일 수 있으며, 제2 수평 도전층(104)은 도핑된 층이거나 제1 수평 도전층(102)으로부터 확산된 불순물을 포함하는 층일 수 있다. 다만, 제2 수평 도전층(104)의 물질은 반도체 물질에 한정되지는 않으며, 절연층으로 대체되는 것도 가능하다. The first and second horizontal
수평 절연층(110)은 제2 영역(R2)의 적어도 일부에서 제1 수평 도전층(102)과 동일 레벨로 플레이트층(101) 상에 배치될 수 있다. 수평 절연층(110)은, 플레이트층(101)의 제2 영역(R2) 상에 교대로 적층된 제1 및 제2 수평 절연층들(111, 112)을 포함할 수 있다. 수평 절연층(110)은 반도체 장치(100)의 제조 공정에서 일부가 제1 수평 도전층(102)으로 교체(replacement)된 후 잔존하는 층들일 수 있다. The horizontal insulating
수평 절연층(110)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. 제1 수평 절연층들(111)과 제2 수평 절연층(112)은 서로 다른 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 수평 절연층들(111)은 층간 절연층들(120)과 동일한 물질로 이루어지고, 제2 수평 절연층(112)은 층간 절연층들(120)과 다른 물질로 이루어질 수 있다. The horizontal insulating
기판 절연층(121)은, 제3 영역(R3)에서, 플레이트층(101), 수평 절연층(110), 및 제2 수평 도전층(104)을 관통하도록 배치될 수 있으며, 외측 절연층(150E) 상에 배치될 수 있다. 기판 절연층(121)은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)에도 더 배치될 수 있으며, 예를 들어, 관통 비아들(175)이 추가로 배치되는 영역에 배치될 수 있다. 기판 절연층(121)의 상면은 소스 구조물(SS)의 상면과 공면(coplanar)을 이룰 수 있다. 기판 절연층(121)은 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다. The
게이트 전극들(130)은 플레이트층(101) 상에 수직으로 이격되어 적층되어 층간 절연층들(120)과 함께 적층 구조물을 이룰 수 있다. 상기 적층 구조물은 수직하게 적층된 하부 및 상부 적층 구조물들을 포함할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 상기 적층 구조물은 단일 적층 구조물로 이루어질 수도 있을 것이다.The
게이트 전극들(130)은, 게이트 전극들(130)은 접지 선택 트랜지스터의 게이트를 이루는 하부 게이트 전극들(130L), 복수의 메모리 셀들을 이루는 메모리 게이트 전극들(130M), 및 스트링 선택 트랜지스터들의 게이트들을 이루는 상부 게이트 전극들(130U)을 포함할 수 있다. 반도체 장치(100)의 용량에 따라서 메모리 셀들을 이루는 메모리 게이트 전극들(130M)의 개수가 결정될 수 있다. 실시예에 따라, 상부 및 하부 게이트 전극들(130U, 130L)은 각각 1개 내지 4개 또는 그 이상일 수 있으며, 메모리 게이트 전극들(130M)과 동일하거나 상이한 구조를 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 전극들(130)은 상부 게이트 전극들(130U)의 상부 및/또는 하부 게이트 전극들(130L)의 하부에 배치되며 게이트 유도 누설 전류(Gate Induced Drain Leakage, GIDL) 현상을 이용한 소거 동작에 이용되는 소거 트랜지스터를 이루는 게이트 전극(130)을 더 포함할 수 있다. 또한, 일부 게이트 전극들(130), 예를 들어, 상부 또는 하부 게이트 전극들(130U, 130L)에 인접한 메모리 게이트 전극들(130M)은 더미 게이트 전극들일 수 있다. The
도 1에 도시된 것과 같이, 게이트 전극들(130)은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)에서 연속적으로 연장되는 제1 분리 영역들(MS1)에 의하여, y 방향에서 서로 분리되어 배치될 수 있다. 한 쌍의 제1 분리 영역들(MS1) 사이의 게이트 전극들(130)은 하나의 메모리 블록을 이룰 수 있으나, 메모리 블록의 범위는 이에 한정되지는 않는다. 게이트 전극들(130) 중 일부, 예를 들어, 메모리 게이트 전극들(130M)은 하나의 메모리 블록 내에서 각각 하나의 층을 이룰 수 있다.As shown in FIG. 1, the
게이트 전극들(130)은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2) 상에 수직하게 서로 이격되어 적층되어 적층 영역을 이루며, 제1 영역(R1)으로부터 제2 영역(R2)으로 서로 다른 길이로 연장되어 제2 영역(R2)의 일부에서 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. 게이트 전극들(130)은 y 방향에서도 서로 단차 구조를 가지도록 배치될 수 있다. 상기 단차 구조에 의해, 게이트 전극들(130)은 하부의 게이트 전극(130)이 상부의 게이트 전극(130)보다 길게 연장되어, 층간 절연층들(120) 및 다른 게이트 전극들(130)로부터 상부로 상면들이 노출되는 영역들을 각각 가질 수 있으며, 상기 영역들은 패드 영역들(130P)로 지칭될 수 있다. 각각의 게이트 전극(130)에서, 패드 영역(130P)은 x 방향을 따른 게이트 전극(130)의 단부를 포함하는 영역일 수 있다. 게이트 전극들(130)은 패드 영역들(130P)에서 콘택 플러그들(170)과 각각 연결될 수 있다. 게이트 전극들(130)은 패드 영역들(130P)에서 증가된 두께를 가질 수 있다. The
구체적으로, 도 3을 참고하면, 게이트 전극(130)은 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)의 적층 영역에서는 제1 두께(t1)를 가지며, 패드 영역(130P)에서 제1 두께(t1)보다 더 큰 제2 두께(t2)를 가질 수 있다. 이를 위해, 패드 영역(130P)이 게이트 전극(130)의 적층 영역과 연장되며, 동일한 제1 두께(t1)를 가지는 베이스 부분(130B)과 베이스 부분(130B)으로부터 z 방향으로 돌출되는 돌출 부분(130PP)을 포함하는 것으로 정의할 수 있다. 패드 영역(130P)의 제2 두께(t2)는 제1 두께(t1)를 가지는 베이스 부분(130B)의 상면인 기준면(ls)으로부터 z 방향으로 위로 확장되어 이루어질 수 있다. 따라서, 기준면(ls)으로부터 제3 길이(t3)만큼 패드 영역(130P)이 돌출되어 돌출 부분(130PP)을 이룰 수 있다. Specifically, referring to FIG. 3, the
제3 길이(t3)는 제1 두께(t1)의 1/2 내지 4/5을 충족할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 게이트 전극(130)의 제1 두께(t1)가 150Å 일 때, 제3 길이(t3)는 75Å 내지 120Å 정도를 충족할 수 있다. 따라서, 패드 영역(130P)의 총 두께인 제2 두께(t2)는 225Å 내지 270Å를 충족할 수 있다. The third length t3 may satisfy 1/2 to 4/5 of the first thickness t1, but is not limited thereto. For example, when the first thickness t1 of the
상부 게이트 전극(130)의 측면, 즉 단차 구조의 측벽과 현재 게이트 전극(130)의 패드 영역(130P) 사이에 게이트 그루브(gg)가 형성되어 있을 수 있으며, 게이트 그루브(gg)는 게이트 전극들(130)의 계단 형태의 단차 구조를 형성하는 에칭 공정 이후 패드 영역(130P)을 형성하기 위한 희생층들을 형성한 후, 측면 식각을 진행하면서 형성될 수 있다. 게이트 그루브(gg)는 현재 게이트 전극(130)의 베이스 부분(130B)의 상면, 즉, 기준면(ls)으로부터 일부 함몰되도록 형성될 수 있으나, 이와 달리 제3 길이(t3)의 깊이를 충족하도록 형성될 수도 있다.A gate groove gg may be formed between the side wall of the
패드 영역(130P)은 기준면(ls)으로부터 제3 길이(t3)만큼 z 방향으로 위로 돌출되어 있으며, 게이트 그루브(gg)로부터 패드 영역(130P)의 상단(n2)까지 연결되는 내부 측면(S1)과 단차 구조의 측벽에 노출되는 외부 측면(S2)를 포함할 수 있다. 내부 측면(S1)과 외부 측면(S2)은 각각 곡면을 포함할 수 있다.The
내부 측면(S1)의 곡면은 기준면(ls)으로부터 패드 영역(130P)의 상단(n2)까지 내부 측면(S1) 전체에 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 기준면(ls)으로부터 소정 레벨까지는 직경이 감소하는 경사면을 가질 수 있으며, 소정 레벨에서 변곡점(n3)을 가지며, 상기 경사면으로부터 절곡되어 상단(n2)까지 직경이 커지는 곡면을 이룰 수 있다. 소정 레벨, 즉 변곡점(n3)은 기준면(ls)과 패드 영역(130P)의 상면 사이에서 상면에 더 근접할 수 있다. 내부 측면(S1)의 상단(n2)은 변곡점(n3)보다 더 상부 게이트 전극(130)과 근접하도록 배치될 수 있다. 따라서, 내부 측면(S1)은 내부를 관통하는 콘택 플러그(170)를 향해 오목하게 함몰되어 있는 곡면을 포함할 수 있다. The curved surface of the inner side S1 may be disposed throughout the inner side S1 from the reference surface ls to the top n2 of the
하부의 층간 절연층(120)에 대하여 패드 영역(130P)의 베이스 부분(130B)은 z 방향으로 중첩되도록 하부의 층간 절연층(120)과 동일한 면적을 가지며, 베이스 부분(130B)의 외부 측면(S2)과 하부의 층간 절연층(120)의 측면이 일직선 상에 배치될 수 있다. 돌출 부분(130PP)에서는 외부 측면(S2)이 베이스 부분(130B)의 외부 측면(S2)보다 내부를 관통하는 콘택 플러그(170)에 근접하도록 배치될 수 있다. 따라서, 패드 영역(130P)의 돌출 부분(130PP)이 베이스 부분(130B)보다 더 짧은 길이를 갖도록 외부 측면(S2)이 절곡부를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 패드 영역(130P)의 외부 측면(S2) 역시 곡면을 포함할 수 있다. 돌출 부분(130PP)의 외부 측면(S2)은 기준면(ls)으로부터 소정 레벨까지는 직경이 감소하는 경사면을 가질 수 있으며, 소정 레벨에서 변곡점(n3)을 가지며, 상기 경사면으로부터 절곡되어 상단(n1)까지 직경이 커지는 곡면을 이룰 수 있다. 외부 측면(S2)의 상단(n1)은 하부의 베이스 부분(130B)의 측면과 z 방향으로 중첩되거나, 그 외부로 돌출되지 않을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. With respect to the lower
이와 같이, 패드 영역(130P)의 내부 측면(S1)의 상단(n2) 및 외부 측면(S2)의 상단(n1)은 첨단을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 수직한 부분을 포함할 수 있다. 이는, 공정 중 희생층들의 식각 속도에 따라 형성되는 것으로서, 최외부에 식각액에 대한 강한 저항성을 가지는 실리콘 붕질화물의 잔류 두께에 따라 변경될 수 있다. As such, the top n2 of the inner side S1 and the top n1 of the outer side S2 of the
이와 같은 패드 영역(130P)의 돌출 부분(130PP)이 양측면(S1, S2)의 상단(n1, n2), 즉 상면에서 z 방향으로 갈수록 직경이 감소하다가 변곡점(n3)을 지나면서 기준면(ls)까지 직경이 증가할 수 있으나, 돌출 부분(130PP)의 상면이 패드 영역(130P)과 수직하게 중첩되면서, 돌출 부분(130PP)의 상면의 면적이 패드 영역(130P)의 면적을 내를 충족할 수 있다. 따라서, 패드 영역(130P)은 내부로 오목한 곡면의 측면들을 포함함으로써, 이웃한 게이트 전극들(130)과의 쇼트를 방지할 수 있다. 또한, 패드 영역(130P)의 두께 확장을 위한 희생층들의 적층 시에, 최외부에 실리콘 붕질화물(SiBN)을 배치함으로써, 게이트 그루브(gg) 형성을 위한 식각 시에 밀도가 큰 실리콘 붕질화물의 결합력에 의해 표면의 피트(pit)에 의한 불량을 획기적으로 줄일 수 있다. The diameter of the protruding portion 130PP of the
게이트 전극들(130)은 금속 물질, 예컨대 텅스텐(W)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 게이트 전극들(130)은 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 전극들(130)은 확산 방지막(diffusion barrier)을 더 포함할 수 있으며, 예컨대, 상기 확산 방지막은 텅스텐 질화물(WN), 탄탈륨 질화물(TaN), 티타늄 질화물(TiN), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The
층간 절연층들(120)은 게이트 전극들(130)의 사이에 배치될 수 있다. 층간 절연층들(120)도 게이트 전극들(130)과 마찬가지로 플레이트층(101)의 상면에 수직한 방향에서 서로 이격되고 x 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 층간 절연층들(120)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다.
채널 구조물들(CH)은 각각 하나의 메모리 셀 스트링을 이루며, 제1 영역(R1)에서 플레이트층(101) 상에 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 플레이트층(101)에 가까울수록 좁아지는 경사진 측면을 가질 수 있다. 실시예들에 따라, 제1 영역(R1)의 단부에 배치된 채널 구조물들(CH)은 적어도 일부가 더미 채널들일 수 있다. The channel structures CH each form one memory cell string, and may be arranged to be spaced apart from each other in rows and columns on the
채널 구조물들(CH)은 수직하게 적층된 제1 및 제2 채널 구조물들(CH1, CH2)을 포함할 수 있다. 채널 구조물들(CH)은 하부의 제1 채널 구조물들(CH1)과 상부의 제2 채널 구조물들(CH2)이 연결된 형태를 가질 수 있으며, 연결 영역에서 폭의 차이에 의한 절곡부를 가질 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, z 방향을 따라 적층되는 채널 구조물들의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.The channel structures CH may include first and second channel structures CH1 and CH2 that are vertically stacked. The channel structures CH may have a shape in which the lower first channel structures CH1 and the upper second channel structures CH2 are connected, and may have a bent portion due to a difference in width in the connection area. However, depending on embodiments, the number of channel structures stacked along the z-direction may vary.
채널 구조물들(CH) 각각은 채널 홀 내에 배치된 채널층(140), 게이트 유전층(145), 채널 매립 절연층(147), 및 채널 패드(149)를 포함할 수 있다. 도 2b 내의 확대도에 도시된 것과 같이, 채널층(140)은 내부의 채널 매립 절연층(147)을 둘러싸는 환형(annular)으로 형성될 수 있으나, 실시예에 따라 채널 매립 절연층(147)이 없이 원기둥 또는 각기둥과 같은 기둥 형상을 가질 수도 있다. 채널층(140)은 하부에서 제1 수평 도전층(102)과 연결될 수 있다. 채널층(140)은 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다. Each of the channel structures CH may include a
게이트 유전층(145)은 게이트 전극들(130)과 채널층(140)의 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로 도시하지는 않았으나, 게이트 유전층(145)은 채널층(140)으로부터 순차적으로 적층된 터널링층, 전하 저장층 및 블록킹층을 포함할 수 있다. 상기 터널링층은 전하를 상기 전하 저장층으로 터널링시킬 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 전하 저장층은 전하 트랩층 또는 플로팅 게이트 도전층일 수 있다. 상기 블록킹층은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산질화물(SiON), 고유전율(high-k) 유전 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 게이트 유전층(145)의 적어도 일부는 게이트 전극들(130)을 따라 수평 방향으로 연장될 수 있다.The
채널 패드(149)는 상부의 제2 채널 구조물(CH2)의 상단에만 배치될 수 있다. 채널 패드(149)는 예컨대, 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다. The
제1 채널 구조물(CH1)과 제2 채널 구조물(CH2)의 사이에서 채널층(140), 게이트 유전층(145), 및 채널 매립 절연층(147)이 서로 연결된 상태일 수 있다. 제1 채널 구조물(CH1)과 제2 채널 구조물(CH2)의 사이에는 상대적으로 두께가 두꺼운 상부 층간 절연층(125)이 배치될 수 있다. 다만, 층간 절연층들(120) 및 상부 층간 절연층(125)의 두께 및 형태는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. The
서포트 구조물들(DCH)은 제2 영역(R2)에서 플레이트층(101) 상에 행과 열을 이루면서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같이, 서포트 구조물들(DCH)은 각각의 콘택 플러그들(170)을 네 방향에서 둘러싸도록 배치될 수 있다. 다만, 실시예들에서 서포트 구조물들(DCH)의 배열 형태는 다양하게 변경될 수 있다. 서포트 구조물들(DCH)은 기둥 형상을 가지며, 종횡비에 따라 플레이트층(101)에 가까울수록 좁아지는 경사진 측면을 가질 수 있다. The support structures DCH may be arranged to be spaced apart from each other in rows and columns on the
서포트 구조물들(DCH)은 x-y 평면에서 원형, 타원형, 또는 이와 유사한 형상을 가질 수 있다. 서포트 구조물들(DCH)의 직경 또는 최대 폭은 채널 구조물들(CH)보다 클 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 서포트 구조물들(DCH)은 채널 구조물들(CH)과 동일하거나 다른 내부 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 서포트 구조물들(DCH)은 도전층을 포함하지 않을 수 있으며, 절연 물질, 예컨대, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.The support structures (DCH) may have a circular, oval, or similar shape in the x-y plane. The diameter or maximum width of the support structures (DCH) may be larger than that of the channel structures (CH), but is not limited thereto. The support structures (DCH) may have the same or different internal structure as the channel structures (CH). For example, the support structures DCH may not include a conductive layer and may include an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride.
제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)은 게이트 전극들(130)을 관통하여 x 방향을 따라 연장되도록 배치될 수 있다. 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 제1 및 제2 분리 영역(MS1, MS2a, MS2b)은 플레이트층(101) 상에 적층된 게이트 전극들(130) 전체를 관통하고, 아래의 제1 및 제2 수평 도전층들(102, 104) 및 수평 절연층(110)을 더 관통하여, 플레이트층(101)과 연결될 수 있다. 제1 분리 영역들(MS1)은 x 방향을 따라 하나로 연장되고, 제2 분리 영역들(MS2a, MS2b)은 한 쌍의 제1 분리 영역들(MS1)의 사이에서 단속적으로 연장되거나, 일부 영역에만 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 중앙 분리 영역들(MS2a)은 제1 영역(R1)에서 하나로 연장되며, 제2 영역(R2)에서 x 방향을 따라 단속적으로 연장될 수 있다. 제2 보조 분리 영역들(MS2b)은 제2 영역(R2)에만 배치될 수 있으며, x 방향을 따라 단속적으로 연장될 수 있다. 다만, 실시예들에서, 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)의 배치 순서, 개수 등은 도 1에 도시된 것에 한정되지는 않는다. The first and second separation regions MS1, MS2a, and MS2b may be arranged to extend along the x-direction through the
제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)에는 분리 절연층(105)이 배치될 수 있다. 분리 절연층(105)은 높은 종횡비로 인하여 플레이트층(101)을 향하면서 폭이 감소되는 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 플레이트층(101)의 상면에 수직한 측면을 가질 수도 있다. 분리 절연층(105)은 절연 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.A
상부 분리 영역들(US)은, 도 1에 도시된 것과 같이, 제1 영역(R1)에서, 제1 분리 영역들(MS1)과 제2 중앙 분리 영역(MS2a)의 사이 및 제2 중앙 분리 영역들(MS2a)의 사이에서 x 방향으로 연장될 수 있다. 상부 분리 영역들(US)은 게이트 전극들(130) 중 최상부 상부 게이트 전극(130U)을 포함한 일부의 게이트 전극들(130)을 관통하도록, 제2 영역(R2)의 일부 및 제1 영역(R1)에 배치될 수 있다. 상부 분리 영역들(US)은, 도 2b에 도시된 것과 같이, 예를 들어, 총 세 개의 게이트 전극들(130)을 y 방향에서 서로 분리시킬 수 있다. 다만, 상부 분리 영역들(US)에 의해 분리되는 게이트 전극들(130)의 개수는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 상부 분리 영역들(US)은 상부 분리 절연층(103)을 포함할 수 있다. 상부 분리 절연층(103)은 절연 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the upper separation areas US are between the first separation areas MS1 and the second central separation area MS2a and the second central separation area in the first area R1. It may extend in the x direction between the fields MS2a. The upper separation regions US are formed through a portion of the second region R2 and the first region R1 so as to penetrate some of the
콘택 플러그들(170)은 제2 영역(R2)에서 최상부의 게이트 전극들(130)의 패드 영역들(130P)과 연결될 수 있다. 콘택 플러그들(170)은 셀 영역 절연층(190)의 적어도 일부를 관통하고, 상부로 노출된 게이트 전극들(130)의 패드 영역들(130P) 각각과 연결될 수 있다. 콘택 플러그들(170)은 패드 영역들(130P)의 아래에서 게이트 전극들(130)을 관통하고, 수평 절연층(110), 제2 수평 도전층(104), 및 플레이트층(101)을 관통하여, 주변 회로 영역(PERI) 내의 하부 배선 라인들(280)과 연결될 수 있다. 콘택 플러그들(170)은, 콘택 절연층들(160)에 의해 패드 영역들(130P) 아래의 게이트 전극들(130)과 이격될 수 있다. 콘택 플러그들(170)은, 기판 절연층(121)에 의해 플레이트층(101), 수평 절연층(110), 및 제2 수평 도전층(104)과 이격될 수 있다.The contact plugs 170 may be connected to the
도 2a에 도시된 것과 같이, 콘택 플러그들(170) 각각은 z 방향을 따라 연장되는 수직 연장부(170V) 및 수직 연장부(170V)로부터 수평하게 연장되어 패드 영역들(130P)과 접하는 수평 연장부(170H)를 포함할 수 있다. 수평 연장부(170H)는 수직 연장부(170V)의 둘레를 따라 배치되며, 수직 연장부(170V)의 측면으로부터 타 단부까지의 길이는 하부의 콘택 절연층들(160)의 길이보다 짧을 수 있다. 게이트 전극(130)은 제1 영역(R1)으로부터 제2 영역(R2)을 향하여 제1 두께(t1)로 연장되며, 도 3에 도시된 기준면(ls)으로부터 패드 영역들(130P)에서 제1 두께(t1)보다 큰 제2 두께(t2)를 갖도록 z 방향으로 돌출 부분(130PP)을 가질 수 있다. 수평 연장부(170H)는 게이트 전극(130)이 제2 두께(t2)를 갖는 패드 영역(130P)과 접촉할 수 있다.As shown in FIG. 2A, each of the contact plugs 170 has a
콘택 플러그들(170)은 도전성 물질, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 및 이의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 콘택 플러그들(170)은 측면 및 바닥면을 따라 연장되는 배리어층을 포함하거나, 내부에 에어 갭을 가질 수도 있다. The contact plugs 170 may include a conductive material, for example, at least one of tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), and an alloy thereof. In some embodiments, the contact plugs 170 may include a barrier layer extending along the side and bottom surfaces, or may have an air gap therein.
관통 비아(175)는 소스 구조물(SS), 예컨대 플레이트층(101)의 외측에 배치되며, 메모리 셀 영역(CELL)을 관통하여 주변 회로 영역(PERI)으로 연장될 수 있다. 관통 비아(175)는 메모리 셀 영역(CELL)의 상부 콘택 플러그들(180)과 주변 회로 영역(PERI)의 하부 배선 라인들(280)을 연결하도록 배치될 수 있다. 관통 비아(175)는 셀 영역 절연층(190), 기판 절연층(121) 및 제2 주변 영역 절연층(294)을 관통할 수 있다. 다만, 일부 실시예들에서, 관통 비아(175)는 게이트 전극들(130)로 교체되지 않은 희생 절연층들(118)이 잔존하는 영역에서, 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)의 적층 구조물을 관통하도록 배치될 수도 있다. 관통 비아(175)는 콘택 플러그들(170)과 실질적으로 동일한 레벨에 배치될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 일부 실시예들에서, 관통 비아(175)는 상기 하부 영역 없이 상기 상부 영역이 제3 하부 배선 라인(286)까지 연장되도록 배치될 수도 있다.The through via 175 is disposed outside the source structure SS, for example, the
관통 비아(175)는 콘택 플러그들(170)과 동일한 공정에서 증착되어 콘택 플러그들(170)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 관통 비아(175)는 도전성 물질, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 및 이의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The through via 175 may be deposited in the same process as the contact plugs 170 and may include the same material as the contact plugs 170 . The through via 175 may include a conductive material, for example, at least one of tungsten (W), copper (Cu), aluminum (Al), and alloys thereof.
상부 콘택 플러그들(180)은 메모리 셀 영역(CELL) 내의 메모리 셀들과 전기적으로 연결되는 셀 배선 구조물을 구성할 수 있다. 상부 콘택 플러그들(180)은 채널 구조물들(CH), 콘택 플러그들(170), 및 관통 비아(175)와 연결되며, 채널 구조물들(CH) 및 게이트 전극들(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상부 콘택 플러그들(180)은 플러그 형태로 도시되었으나, 이에 한정되지는 않으며, 라인 형태를 가질 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 셀 배선 구조물을 구성하는 플러그들 및 배선 라인들의 개수는 다양하게 변경될 수 있다. 상부 콘택 플러그들(180)은 금속을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 텅스텐(W), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있다.The upper contact plugs 180 may form a cell wiring structure electrically connected to memory cells in the memory cell area CELL. The upper contact plugs 180 are connected to the channel structures (CH), contact plugs 170, and through
셀 영역 절연층(190)은 게이트 전극들(130)의 적층 구조물, 콘택 플러그들(170), 및 기판 절연층(121) 등을 덮도록 배치될 수 있다. 셀 영역 절연층(190)은 절연성 물질로 이루어질 수 있으며, 복수의 절연층들로 이루어질 수도 있다.The cell
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치(100a)의 개략적인 단면도이다. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a
도 4의 반도체 장치는 제3 영역(R3)에 제1 더미 구조물(DS1) 및 제2 더미 구조물(DS2)이 더 형성되어 있는 것을 제외하고는 도 1 내지 도 3의 반도체 장치(100)와 동일하다. The semiconductor device of FIG. 4 is the same as the
더미 구조물들(DS1, DS2)은 플레이트층(101) 상에서 중간 절연층(125) 하부에 배치되며, 하부의 적층 구조물(GS)과 이격되어 배치되는 제1 더미 구조물(DS1) 및 플레이트층(101) 상에서 중간 절연층(125) 상부에 배치되며, 상부의 적층 구조물(GS)과 이격되어 배치되는 제2 더미 구조물(DS2)을 포함할 수 있다. 제1 더미 구조물(DS1)은 '제1 절연성 구조물'로, 제2 더미 구조물(DS2)은 '제2 절연성 구조물'로 지칭될 수 있다.The dummy structures DS1 and DS2 are disposed below the intermediate insulating
제1 더미 구조물(DS1)은 플레이트층(101) 상에 교대로 적층된 제1 절연층들(120) 및 제2 절연층들(118)을 포함할 수 있다. 제1 더미 구조물(DS1)은 계단 형태의 단차들을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 절연층들(118)은 서로 다른 길이로 연장되어 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. 제2 절연층들(118)은 상기 단차 구조에 의해 하부의 제2 절연층들(118)이 상부의 제2 절연층들(118)보다 길게 연장되는 계단 형태를 이룰 수 있다. 제1 절연층들(120)은 제2 절연층들(118)과 마찬가지로 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. 제1 더미 구조물(DS1)은 상기 계단 형태로 인해 상부의 폭이 하부의 폭보다 작은 형상을 가질 수 있다.The first dummy structure DS1 may include first insulating
제1 더미 구조물(DS1)은 하부의 적층 구조물(GS)과 함께 셀 영역 절연층(190)에 의해 덮일 수 있다. 제1 더미 구조물(DS1)은 플레이트층(101) 상에서 하나 또는 복수개로 배치될 수 있다.The first dummy structure DS1 may be covered by the cell
제2 더미 구조물(DS2)은 제1 더미 구조물(DS1) 상에서 교대로 적층된 제1 절연층들(120) 및 제2 절연층들(118)을 포함할 수 있다. 제2 더미 구조물(DS2)은 계단 형태의 단차들을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 절연층들(118)은 서로 다른 길이로 연장되어 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. 제2 절연층들(118)은 상기 단차 구조에 의해 하부의 제2 절연층들(118)이 상부의 제2 절연층들(118)보다 길게 연장되는 계단 형태를 이룰 수 있다. 제1 절연층들(120)은 제2 절연층들(118)과 마찬가지로 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. 제2 더미 구조물(DS2)은 상기 계단 형태로 인해 상부의 폭이 하부의 폭보다 작은 형상을 가질 수 있다.The second dummy structure DS2 may include first insulating
제2 더미 구조물(DS2)은 상부의 적층 구조물(GS2) 및 하부의 적층 구조물(GS1)과 이격되며, 제1 더미 구조물(DS1)과 이격되어 배치될 수 있다. 제2 더미 구조물(DS2)은 제1 더미 구조물(DS1) 상에서 하나 또는 복수개로 배치될 수 있다.The second dummy structure DS2 is spaced apart from the upper stacked structure GS2 and the lower stacked structure GS1, and may be arranged spaced apart from the first dummy structure DS1. The second dummy structure DS2 may be arranged one or multiple times on the first dummy structure DS1.
제1 절연층들(120)은 제1 층간 절연층들(120)과 대응되는 높이 레벨에 위치하며, 제1 층간 절연층들(120)과 실질적으로 동일한 두께 및 동일한 물질로 동시에 형성될 수 있다.The first insulating
제2 절연층들(118)은 게이트 전극들(130)과 대응되는 높이 레벨에 위치할 수 있다. 제2 절연층들(118)은 게이트 전극들(130)과 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있다. 제2 절연층들(118)은 게이트 전극들(130)과 다른 물질로 형성될 수 있으며, 게이트 전극들(130)을 형성하기 위한 공정 중, 게이트 전극들(130)로 치환되는 희생 절연층(118)과 동일한 물질일 수 있다. The second insulating
제1 더미 구조물(DS1) 및 제2 더미 구조물(DS2)의 단차 구조에는 도 3의 게이트 전극(130)의 패드 영역(130P)과 같이, 제2 절연층(118) 상의 돌출 부분을 포함할 수 있다. The step structure of the first dummy structure DS1 and the second dummy structure DS2 may include a protruding portion on the second insulating
단차 구조에서 노출된 제2 절연층(118) 위에 제1 희생층(131) 및 제2 희생층(132)을 포함하는 돌출 부분이 배치될 수 있다.A protruding portion including the first
제1 희생층(131) 및 제2 희생층(132)은 제2 절연층들(118)이 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물을 포함할 때, 제1 희생층(131)은 희생 절연층들(118)과 동일한 물질을 포함하여, 희생 절연층들(118)과 식각선택비를 갖지 않을 수 있다. 반면, 제2 희생층(132)은 실리콘 붕질화물, 실리콘 탄질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제2 희생층(132)은 실리콘 붕질화물을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 절연층들(118) 및 제1 희생층(131)은 실리콘 질화물을 포함하고, 제1 희생층(131)도 실리콘 질화물을 포함하고, 제2 희생층(132)은 실리콘 붕질화물을 포함할 수 있다. When the second insulating
제1 희생층(131)의 밀도는 제2 희생층(132)의 밀도보다 작을 수 있고, 이에 따라, 제1 희생층(131)의 불산(HF)에 대한 식각율(etch rate)의 범위는 제2 희생층(132)의 불산(HF)에 대한 식각율(etch rate)의 범위보다 클 수 있다. 따라서, 최외면에 노출되어 있는 제2 희생층(132)의 식각율이 더 작아 하부의 제1 희생층(131)이 잔류하면서 식각되어 패드 영역(130P)의 형태를 가질 수 있다. 즉, 각 돌출 부분은 제1 희생층(131)이 제2 절연층(118) 상에서 양 측면이 내측으로 오목하게 함몰되도록 식각될 수 있으며, 제1 희생층(131) 상에 잔류하는 제2 희생층(132)의 상면의 면적이 제1 희생층(131)의 상면의 면적보다 클 수 있다.The density of the first
패드 영역(130P)의 측면에서는 제1 희생층(131) 및 제2 희생층(132)이 배치되지 않고, 이웃한 패드 영역(130P)과 제1 및 제2 희생층(131, 132)이 절단되어, 한 패드 영역(130P)과 이웃한 제1 절연층(120) 사이에 게이트 그루브(gg)가 형성될 수 있다. 게이트 그루브(gg)는 노출된 제2 절연층(118)의 상면을 일부 함몰하면서 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이 제2 절연층(118)의 단부에 제1 희생층(131)이 배치되고, 그 위에 제2 희생층(132)이 배치될 수 있다. 제2 희생층(132)은 제1 희생층(131)의 10 내지 20%의 두께를 충족할 수 있다. On the side of the
제1 더미 구조물(DS1)은 제2 더미 구조물(DS2)과 수직 방향(예를 들어, z 방향)에서 중첩하지 않을 수 있다. 제2 더미 구조물(DS2)은 제1 더미 구조물(DS1)과 상기 수직 방향에서 중첩하지 않을 수 있다.The first dummy structure DS1 may not overlap the second dummy structure DS2 in the vertical direction (eg, z-direction). The second dummy structure DS2 may not overlap the first dummy structure DS1 in the vertical direction.
제1 및 제2 더미 구조물들(DS1, DS2)을 배치함으로써, 제1 및 제2 적층 구조물들(GS1, GS2)의 x 방향을 따른 양 측에서 계단 구조의 공정 산포를 최소화할 수 있다. 셀 영역 절연층(190)의 평탄화 공정시 셀 영역 절연층(190)의 상부가 플레이트층(101)을 향하여 아래로 국부적으로 함몰되는 디싱(dishing) 현상을 최소화할 수 있다.By arranging the first and second dummy structures DS1 and DS2, process dispersion of the staircase structure can be minimized on both sides of the first and second stacked structures GS1 and GS2 along the x-direction. During the planarization process of the cell
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치(100b)의 개략적인 단면도이다. 도 5는 도 2a에 대응되는 단면을 도시한다.FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a
도 5를 참조하면, 반도체 장치(100b)는 웨이퍼 본딩 방식으로 접합된 제1 반도체 구조물(S1) 및 제2 반도체 구조물(S2)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the
제1 반도체 구조물(S1)에 대해서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 상술한 주변 회로 영역(PERI)에 대한 설명이 적용될 수 있다. 다만, 제1 반도체 구조물(S1)은, 본딩 구조물인, 제1 본딩 비아들(298), 제1 본딩 금속층들(299)을 더 포함할 수 있다. 제1 본딩 비아들(298)은 최상부의 회로 배선 라인들(280)의 상부에 배치되어, 회로 배선 라인들(280)과 연결될 수 있다. 제1 본딩 금속층들(299)은 적어도 일부가 제1 본딩 비아들(298) 상에서 제1 본딩 비아들(298)과 연결될 수 있다. 제1 본딩 금속층들(299)은 제2 반도체 구조물(S2)의 제2 본딩 금속층들(199)과 연결될 수 있다. 본딩 금속층들(299)은 제2 본딩 금속층들(199)과 함께 제1 반도체 구조물(S1)과 제2 반도체 구조물(S2)의 접합에 따른 전기적 연결 경로를 제공할 수 있다. 제1 본딩 금속층들(299) 중 일부는 하부의 회로 배선 라인들(280)과 연결되지 않고 본딩을 위해서만 배치될 수 있다. 제1 본딩 비아들(298) 및 제1 본딩 금속층들(299)은 도전성 물질, 예를 들어, 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 제1 본딩 절연층은 제1 본딩 금속층들(299)의 둘레에 배치될 수 있다. 제1 본딩 절연층은 제1 본딩 금속층들(299)의 확산 방지층으로도 기능할 수 있으며, 예를 들어, SiN, SiON, SiCN, SiOC, SiOCN, 및 SiO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The description of the peripheral circuit area PERI described above with reference to FIGS. 1 to 3 may be applied to the first semiconductor structure S1. However, the first semiconductor structure S1 may further include first bonding vias 298 and first
제2 반도체 구조물(S2)에 대해서는, 다른 설명이 없는 경우, 도 1 내지 도 3을 참조하여 상술한 메모리 셀 영역(CELL)에 대한 설명이 적용될 수 있다. 제2 반도체 구조물(S2)은 셀 배선 구조물인, 배선 라인들을 포함할 수 있으며, 본딩 구조물인 제2 본딩 비아들(198), 제2 본딩 금속층들(199)을 더 포함할 수 있다. 제2 반도체 구조물(S2)은 제2 기판(103) 및 기판 절연층(123)의 상면을 덮는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다. For the second semiconductor structure S2, unless otherwise specified, the description of the memory cell area CELL described above with reference to FIGS. 1 to 3 may be applied. The second semiconductor structure S2 may include wiring lines, which are cell wiring structures, and may further include
제2 본딩 비아들(198) 및 제2 본딩 금속층들(199)은 플러그들(180)과 연결될 수 있으며, 다층의 셀 배선 구조물(도시하지 않음)에 의해 연결될 수 있다. 제2 본딩 비아들(198)은 셀 배선 라인들과 제2 본딩 금속층들(199)을 연결하고, 제2 본딩 금속층들(199)은 제1 반도체 구조물(S1)의 제1 본딩 금속층들(299)과 접합될 수 있다. 제2 본딩 절연층은 제1 반도체 구조물(S1)의 제1 본딩 절연층과 본딩되어 연결될 수 있다. 제2 본딩 비아들(198) 및 제2 본딩 금속층들(199)은 도전성 물질, 예를 들어, 구리(Cu)를 포함할 수 있다. 제2 본딩 절연층은 예를 들어, SiO, SiN, SiCN, SiOC, SiON, 및 SiOCN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The
제1 및 제2 반도체 구조물들(S1, S2)은, 제1 본딩 금속층들(299)과 제2 본딩 금속층들(199)의 접합 및 제1 본딩 절연층과 제2 본딩 절연층의 접합에 의해 본딩될 수 있다. 제1 본딩 금속층들(299)과 제2 본딩 금속층들(199)의 접합은, 예를 들어 구리(Cu)-구리(Cu) 본딩일 수 있으며, 제1 본딩 절연층과 제2 본딩 절연층의 접합은, 예를 들어 SiCN-SiCN 본딩과 같은 유전체-유전체 본딩일 수 있다. 제1 및 제2 반도체 구조물들(S1, S2)은 구리(Cu)-구리(Cu) 본딩 및 유전체-유전체 본딩을 포함하는 하이브리드 본딩에 의해 접합될 수 있다. The first and second semiconductor structures S1 and S2 are formed by bonding the first
패시베이션층은 제2 기판(103)의 상면 상에 배치될 수 있으며 반도체 장치(100b)를 보호할 수 있다. 패시베이션층은 절연 물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및 실리콘 탄화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기판 절연층(123)은 콘택 플러그들(170)의 상단을 덮도록 제2 영역(R2) 및 제3 영역(R3)에 넓게 배치될 수 있다. 다만, 예시적인 실시예들에서 기판 절연층(122)은, 콘택 플러그들(170)을 제2 기판(103)과 전기적으로 분리하는 범위 내에서, 배치 형태가 다양하게 변경될 수 있다. The passivation layer may be disposed on the upper surface of the
본 실시예에서, 제2 반도체 구조물(S2)은 제1 및 제2 수평 도전층들(102, 104)(도 2b 참조)을 포함하지 않을 수 있다. 채널 구조물들(CH)은 상단을 통해 채널층들(140)이 노출된 상태로 제2 기판(103)과 직접 연결될 수 있다. 다만, 채널 구조물들(CH)과 공통 소스 라인의 전기적 연결 형태는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있으며, 채널 구조물들 및 소스 구조물이 도 2b의 실시예와 같은 구조를 갖는 것도 가능할 것이다.In this embodiment, the second semiconductor structure S2 may not include the first and second horizontal
도 6a 내지 도 6k은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다. 도 6a 내지 도 6k는 도 2a에 대응되는 단면을 도시한 것이다.6A to 6K are schematic cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to example embodiments. FIGS. 6A to 6K show cross sections corresponding to FIG. 2A.
도 6a를 참조하면, 기판(201) 상에 주변 회로 영역(PERI)을 이루는 회로 소자들(220), 하부 배선 구조물, 및 주변 영역 절연층(290)을 형성하고, 제2 주변 영역 절연층(294)에 개구부들을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 6A,
먼저, 기판(201) 내에 소자 분리층들(210)을 형성하고, 기판(201) 상에 회로 게이트 유전층(222) 및 회로 게이트 전극(225)을 순차적으로 형성할 수 있다. 소자 분리층들(210)은 예를 들어, 쉘로우 트랜치 소자 분리(shallow trench isolation, STI) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 회로 게이트 유전층(222)과 회로 게이트 전극(225)은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 또는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 형성될 수 있다. 회로 게이트 유전층(222)은 실리콘 산화물로 형성되고, 회로 게이트 전극(225)은 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드층 중 적어도 하나로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 다음으로, 회로 게이트 유전층(222)과 회로 게이트 전극(225)의 양 측벽에 스페이서층(224), 및 불순물 영역들(205)을 형성할 수 있다. 실시예들에 따라, 스페이서층(224)은 복수의 층들로 이루어질 수도 있다. 불순물 영역들(205)은 이온 주입 공정을 수행하여 형성할 수 있다. First, device isolation layers 210 may be formed within the
상기 하부 배선 구조물 중 하부 콘택 플러그들(270)은 제1 주변 영역 절연층(292)을 일부 형성한 후, 일부를 식각하여 제거하고 도전성 물질을 매립함으로써 형성할 수 있다. 하부 배선 라인들(280)은, 예를 들어, 도전성 물질을 증착한 후 이를 패터닝함으로써 형성할 수 있다. The lower contact plugs 270 of the lower wiring structure can be formed by forming a portion of the first peripheral
제1 주변 영역 절연층(292)은 복수 개의 절연층들로 이루어질 수 있다. 제1 주변 영역 절연층(292)은 상기 하부 배선 구조물을 형성하는 각 단계들에서 일부가 될 수 있다. 제1 주변 영역 절연층(292) 상에는 제3 하부 배선 라인(286)의 상면을 덮는 하부 보호층(298)이 형성될 수 있다. 하부 보호층(298) 상에는 제2 주변 영역 절연층(294)이 형성될 수 있다. 이에 의해, 주변 회로 영역(PERI)이 모두 형성될 수 있다. 다음으로, 제2 주변 영역 절연층(294)을 일부 제거하여 개구부들을 형성할 수 있다. 개구부들은 도 2a의 콘택 플러그들(170), 및 관통 비아(175)가 형성될 영역에 형성될 수 있다. The first peripheral
도 6b를 참조하면, 플레이트층(101)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6B, the
개구부들을 플레이트층(101)을 이루는 물질로 채우고 상부에 플레이트층(101)을 형성할 수 있다. 이에 의해, 패드들(CP)이 형성될 수 있다. 패드들(CP)은 후속 공정을 통해, 도 2a의 콘택 플러그들(170) 및 관통 비아(175)의 하부 영역으로 교체되는 층일 수 있다. 플레이트층(101)은 예를 들어, 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있으며, CVD 공정에 의해 형성할 수 있다.The openings may be filled with a material forming the
플레이트층(101) 상에 수평 절연층(110) 및 제2 수평 도전층(104)을 형성하고, 플레이트층(101), 수평 절연층(110), 및 제2 수평 도전층(104)을 관통하는 개구부들을 형성할 수 있다.A horizontal insulating
수평 절연층(110)을 이루는 제1 및 제2 수평 절연층들(111, 112)은 교대로 플레이트층(101) 상에 적층될 수 있다. 수평 절연층(110)은 후속 공정을 통해 일부가 제1 수평 도전층(102)(도 2a 참조)으로 교체되는 층일 수 있다. 제1 수평 절연층들(111)은 제2 수평 절연층(112)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 수평 절연층들(111)은 층간 절연층들(120)과 동일한 물질로 이루어지고, 제2 수평 절연층(112)은 후속의 희생 절연층들(118)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 수평 절연층(110)은 일부 영역들, 예를 들어 제2 영역(R2)에서 일부가 패터닝 공정에 의해 제거될 수 있다. The first and second horizontal insulating
제2 수평 도전층(104)은 수평 절연층(110) 상에 형성되며, 수평 절연층(110)이 제거된 영역에서 플레이트층(101)과 접촉될 수 있다. 이에 따라, 제2 수평 도전층(104)은 수평 절연층(110)의 단부들을 따라 절곡되며, 상기 단부들을 덮고 플레이트층(101) 상으로 연장될 수 있다. 개구부들은 제2 영역(R2)에서 패드들이 노출되도록, 플레이트층(101), 수평 절연층(110), 및 제2 수평 도전층(104)을 일부 제거하여 형성할 수 있다. The second horizontal
개구부들 내에 기판 절연층(121)을 형성할 수 있다. 기판 절연층(121)은 개구부들 및 제3 영역(R3)의 플레이트층(101), 수평 절연층(110), 및 제2 수평 도전층(104)이 제거된 영역을 채우는 절연 물질을 증착한 후, 물리적 화학적 연마(Chemical Mechanical Planarization, CMP)와 같은 평탄화 공정을 수행하여 형성할 수 있다.A
도 6c를 참조하면, 제2 수평 도전층(104) 상에 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)을 교대로 적층하여 하부 몰드 구조물을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6C, the lower mold structure may be formed by alternately stacking sacrificial insulating
희생 절연층들(118)은 후속 공정을 통해 적어도 일부가 게이트 전극들(130)(도 2a 참조)로 교체되는 층일 수 있다. 희생 절연층들(118)은 층간 절연층들(120)과 다른 물질로 이루어질 수 있으며, 층간 절연층들(120)에 대해 특정 식각 조건에서 식각 선택성을 가지고 식각될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 층간 절연층(120)은 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 한가지로 이루어질 수 있고, 희생 절연층들(118)은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드 및 실리콘 질화물 중에서 선택되는 층간 절연층(120)과 다른 물질로 이루어질 수 있다. 실시예들에서, 층간 절연층들(120)의 두께는 모두 동일하지 않을 수 있다. 다음으로, 제2 영역(R2)에서 상부의 희생 절연층들(118)이 하부의 희생 절연층들(118)보다 짧게 연장되도록, 마스크층을 이용하여 희생 절연층들(118)에 대한 포토 리소그래피 공정 및 식각 공정을 반복하여 수행할 수 있다. 이에 의해, 희생 절연층들(118)은 소정 단위로 계단 형태의 단차 구조를 이룰 수 있다. The sacrificial insulating
도 6d를 참고하면, 연장 영역(R2) 내에서 희생 절연층들(118)의 계단 형태의 단차 구조 상에 제1 예비 희생층(131P)과 제2 예비 희생층(132P)이 순차적으로 형성될 수 있다. 단차 구조에서 노출된 희생 절연층들(118) 상에 제1 예비 희생층(131P)과 제2 예비 희생층(132P)이 순차적으로 적층될 수 있다.Referring to FIG. 6D, a first preliminary
예시적인 실시예들에서, 제1 예비 희생층(131P) 또는 제2 예비 희생층(132P)은 희생 절연층들(118)과 동일한 절연 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 예비 희생층(131P) 또는 제2 예비 희생층(132P)은 희생 절연층들(118)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 희생 절연층들(118)이 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물을 포함할 때, 제1 희생층(131)은 희생 절연층들(118)과 동일한 물질을 포함하여, 희생 절연층들(118)과 식각선택비를 갖지 않을 수 있다. 반면, 제2 예비 희생층(132P)은 실리콘 붕질화물(SiBN), 실리콘 탄질화물(SiCN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제2 예비 희생층(132P)는 실리콘 붕질화물을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 희생 절연층들(118)은 실리콘 질화물을 포함하고, 제1 예비 희생층(131P)도 실리콘 질화물을 포함하고, 제2 예비 희생층(132P)은 실리콘 붕질화물을 포함할 수 있다. In example embodiments, the first preliminary
제1 예비 희생층(131P)의 밀도는 제2 예비 희생층(132P)의 밀도보다 작을 수 있고, 이에 따라, 제1 예비 희생층(131P)의 불산(HF)에 대한 식각율(etch rate)의 범위는 제2 예비 희생층(132P)의 불산(HF)에 대한 식각율(etch rate)의 범위보다 클 수 있다. The density of the first preliminary
이때, 제1 예비 희생층(131P) 및 제2 예비 희생층(132P)은 계단 형태의 단차 구조에서 증착 방향에 의해 수평 희생층(118)의 상면에 배치되는 영역과 측면에 배치되는 영역의 두께가 서로 상이하게 적층될 수 있다.At this time, the first preliminary
구체적으로, 제1 예비 희생층(131P)은 희생 절연층들(118)의 상면 위에 제4 두께(t4)를 가지며, 희생 절연층들(118)의 측면에서는 제4 두께(t4)보다 작은 제5 두께(t5)를 갖도록 증착될 수 있다. 제4 두께(t4)는 희생 절연층들(118)의 두께인 제1 두께(t1)보다 작을 수 있으며, 제1 두께(t1)에 대하여 1/2 이상 2/3 이하의 두께를 충족할 수 있다. 또한, 제5 두께(t5)는 제4 두께(t4)의 40 내지 60%를 충족할 수 있으며, 바람직하게는 1/2 정도를 충족할 수 있다. 일 예로, 희생 절연층들(118)의 제1 두께(t1)가 약 150Å인 경우, 제4 두께(t4)는 약 100Å일 수 있으며, 제5 두께(t5)는 약 50Å일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제2 예비 희생층(132P)은 제1 예비 희생층(131P)의 상면 위에 제6 두께(t6)를 가지며, 제1 예비 희생층(131P)의 측면에서는 제6 두께(t6)보다 작은 제7 두께(t7)를 갖도록 증착될 수 있다. 제6 두께(t6)는 제4 두께(t4)와 실질적으로 동일할 수 있고, 희생 절연층들(118)의 두께인 제1 두께(t1)보다 작을 수 있으며, 제1 두께(t1)에 대하여 1/2 이상 4/5 이하의 두께를 충족할 수 있다. 또한, 제7 두께(t7)는 실질적으로 제5 두께(t5)와 동일할 수 있고, 제6 두께(t6)의 40 내지 60%를 충족할 수 있으며, 바람직하게는 1/2 정도를 충족할 수 있다. 따라서, 제6 두께(t6)는 약 100Å일 수 있으며, 제7 두께(t7)는 약 50Å일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 희생 절연층들(118)의 상면에는 약 200Å 정도의 예비 희생층들(131P, 132P)이 적층될 수 있고, 측면에는 100Å 정도의 예비 희생층들(131P, 132P)이 적층될 수 있다. Specifically, the first preliminary
도 6e를 참고하면, 예비 희생층들(131P, 132P)이 적층된 상태로 식각을 진행하여, 계단 형태의 단차 구조의 측면에 배치되어 있는 예비 희생층들(131P, 132P)을 제거하여 게이트 그루브(gg)를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6E, etching is performed with the preliminary
구체적으로, 특정한 식각액, 일 예로, 불산(HF) 액에 대하여, 전체적으로 식각을 진행하면, 비교적 얇은 두께를 가지는 측면의 예비 희생층들(131P, 132P)이 먼저 식각될 수 있다.Specifically, when overall etching is performed with a specific etchant, for example, hydrofluoric acid (HF) solution, the preliminary
이때, 희생 절연층(118)의 상면에는 측면보다 2배 이상의 두께를 가지는 예비 희생층들(131P, 132P)이 배치되어 있으며, 외면에 배치되는 제2 예비 희생층(132P)이 제1 예비 희생층(131P)보다 불산에 대한 식각율이 더 낮으므로, 측면의 제2 예비 희생층(132P)이 모두 제거될 동안 상면의 제2 예비 희생층(132P)이 측면에서 식각된 두께만큼 제거되더라도 일부가 잔류하게 된다. 또한, 측면에서는 노출된 제1 예비 희생층(131P)이 모두 제거될 동안 상면에 잔류하는 제2 예비 희생층(132P)의 일부가 식각될 수 있다. 따라서, 측면에서 제1 및 제2 예비 희생층(131P, 132P)이 모두 제거될 동안, 상면에서는 제2 예비 희생층(132P)이 전부 제거되지 않고 일부 잔류할 수 있다. 이 때, 잔류하는 제2 예비 희생층(132P)의 제8 두께(t8)는 제6 두께(t6)에 대하여 10 내지 20%를 충족할 수 있다. 따라서, 계단 형태의 단차 구조에서 노출된 희생 절연층(118)의 끝단에 패드 영역(130P)의 돌출 부분(130PP)과 동일한 형상을 가지는 이루는 예비 패드 영역이 형성될 수 있다. 예비 패드 영역은 도 3에 설명한 바와 같이, 제1 예비 희생층(131P)이 희생 절연층(118)의 측면으로부터 내측으로 함몰되도록 식각되어 제1 희생층(131)을 형성하고, 제1 희생층(131) 상에 잔류하는 제2 희생층(132)의 상단(n1, n2)이 외부로 돌출되는 첨단을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 제2 예비 희생층(132P)보다 제1 예비 희생층(131P)의 식각율이 더 높으므로, 제2 희생층(132)의 하부에서 제1 희생층(131)이 더 식각되어 외측으로부터 오목하게 함몰되는 곡면을 갖는 측면이 형성될 수 있다.At this time, preliminary
이와 같은 식각에 의해 계단 형태의 단차 구조의 측벽에서 제2 예비 희생층(132P)과 제1 예비 희생층(131P)이 모두 제거되며, 이웃한 패드 영역(130P)과 제1 및 제2 희생층(131, 132)이 절단되어, 한 패드 영역(130P)의 내부 측면(S1)과 이웃한 단차 구조의 측벽 사이에 게이트 그루브(gg)가 형성될 수 있다. 게이트 그루브(gg)는 노출된 희생 절연층(118)의 상면을 일부 함몰하면서 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예비 패드 영역이 모두 형성되면, 제1 영역(R1)의 채널 구조물(CH)이 배치되는 영역에 채널 희생층(116)을 형성할 수 있다. 채널 희생층(116)은 실리콘 등과 같은 물질로 형성할 수 있다. 하부 몰드 구조물을 덮도록 하부의 셀 영역 절연층(190)이 형성될 수 있다.By this etching, both the second preliminary
도 6f를 참고하면, 하부 몰드 구조물 위에 동일한 공정으로 상부 몰드 구조물을 형성하고, 채널 구조물(CH)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 6F, the upper mold structure can be formed on the lower mold structure through the same process, and the channel structure (CH) can be formed.
도 6b 내지 도 6e의 공정을 반복하여 상부 몰드 구조물의 계단 형태의 단차 구조에 제1 희생층(131) 및 제2 희생층(132)으로 다른 희생 절연층들(118)보다 더 큰 두께를 가지는 예비 패드 영역을 각각 형성할 수 있다.The process of FIGS. 6B to 6E is repeated to form a first
이와 같이, 제1 및 제2 희생층(131, 132)을 밀도가 상이하고, 동일한 식각액에 대한 식각율이 상이한 물질을 적용함으로써, 패드 영역(130P)의 형상이 특정되며, 별도의 플라즈마 처리 없이 측면만의 선택적 제거가 가능할 수 있다. 다만, 제2 희생층(132)의 증착 두께를 더 얇게 형성하는 경우, 플라즈마 처리에 의해 상면을 선택적으로 구조 변경하여 식각 선택성을 더욱 강화할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In this way, by applying materials with different densities and different etch rates for the same etchant to the first and second
다음으로, 상부 몰드 구조물을 덮는 상부의 셀 영역 절연층(190)을 형성하고, 상부 분리 영역들(US)(도 2b 참조)을 형성할 수 있다. 상부 분리 영역들(US)은, 최상부로부터 소정 개수의 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)을 제거하거 한 후, 절연 물질을 증착하여 상부 분리 절연층(103)(도 2b 참조)을 형성함으로써 형성할 수 있다.Next, an upper cell
채널 구조물들(CH)은 마스크층을 이용하여 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)을 이방성 식각하여 형성할 수 있으며, 홀 형태의 채널홀들을 형성한 후 이를 매립함으로써 형성될 수 있다. 상기 채널홀들은 플레이트층(101)의 일부를 리세스하도록 형성될 수 있다. 상기 채널홀들 내에 게이트 유전층(145)의 적어도 일부, 채널층(140), 채널 매립 절연층(147) 및 채널 패드(149)를 순차적으로 형성하여 채널 구조물들(CH)을 형성할 수 있다. 게이트 유전층(145)은 ALD 또는 CVD 공정을 이용하여 균일한 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 본 단계에서 게이트 유전층(145)은 전부 또는 일부가 형성될 수 있으며, 채널 구조물들(CH)을 따라 플레이트층(101)에 수직하게 연장되는 부분이 본 단계에서 형성될 수 있다. 채널층(140)은 상기 채널홀들 내에서 게이트 유전층(145) 상에 형성될 수 있다. 채널 매립 절연층(147)은 상기 채널홀들을 충전하도록 형성되며, 절연 물질일 수 있다. 채널 패드(149)는 도전성 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.The channel structures (CH) can be formed by anisotropically etching the sacrificial insulating
채널 구조물들(CH)을 형성한 후, 서포트 구조물들(DCH)(도 1 참조)도, 유사한 방식으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 서포트 구조물들(DCH)은, 상기 적층 구조물을 관통하는 서포트 홀들을 형성한 후, 상기 서포트 홀들을 절연 물질로 매립함으로써 형성될 수 있다. After forming the channel structures (CH), the support structures (DCH) (see FIG. 1) can also be formed in a similar manner. For example, the support structures DCH may be formed by forming support holes penetrating the laminated structure and then filling the support holes with an insulating material.
도 6g를 참조하면, 제1 콘택홀들(OH1)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 6g, first contact holes OH1 may be formed.
제1 콘택홀들(OH1)은 도 2a의 콘택 플러그들(170) 및 관통 비아(175)에 대응되는 영역들에 형성될 수 있다. 제1 콘택홀들(OH1)은, 콘택 플러그들(170)에 대응하는 영역들에서, 셀 영역 절연층(190), 희생 절연층들(118), 및 층간 절연층들(120)을 관통하고, 하부에서 기판 절연층(121)을 관통하도록 형성될 수 있다. 제1 콘택홀들(OH1)은, 관통 비아(175)에 대응하는 영역에서, 셀 영역 절연층(190), 기판 절연층(121)을 관통할 수 있다. 제1 콘택홀들(OH1)의 바닥면들을 통해 패드들(CP)이 노출될 수 있다. The first contact holes OH1 may be formed in areas corresponding to the contact plugs 170 and through
도 6h를 참조하면, 제1 콘택홀들(OH1)에 예비 콘택 절연층들(160p)을 형성하고, 수직 희생층들(119)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6H , preliminary contact insulating layers 160p may be formed in the first contact holes OH1 and vertical
제1 콘택홀들(OH1)을 통해 노출된 희생 절연층들(118)을 일부 제거할 수 있다. 희생 절연층들(118)을 제1 콘택홀들(OH1)의 둘레에서 소정 길이로 제거하여 터널부들을 형성할 수 있다. 상기 터널부들은 최상부의 희생 절연층들(118)에서는 상대적으로 짧은 길이로 형성되고, 그 하부의 희생 절연층들(118)에서는 상대적으로 긴 길이로 형성될 수 있다. Some of the sacrificial insulating
구체적으로, 처음에는, 반대로 터널부들이 최상부의 희생 절연층들(118)에서 상대적으로 길게 형성될 수 있다. 이는 최상부의 희생 절연층들(118)이 아래의 희생 절연층들(118)보다 상대적으로 식각 속도가 빠른 영역을 포함하는 데에 따른 것일 수 있다. 다음으로, 별도의 희생층을 제1 콘택홀들(OH1) 및 상기 터널부들 내에 형성할 수 있다. 상기 희생층은 식각 속도가 희생 절연층들(118)보다 느린 물질로 이루어질 수 있다. 다음으로, 상기 희생층 및 희생 절연층들(118)의 일부를 제거할 수 있으며, 이 때, 최상부에서는 상기 희생층이 잔존하고, 하부에서는 상기 희생층이 제거된 후 희생 절연층들(118)이 일부 제거될 수 있다. 이에 의해, 최종적으로 상기 터널부들은 최상부의 희생 절연층들(118)에서 상대적으로 짧은 길이로 형성될 수 있다.Specifically, initially, the tunnel portions may be formed to be relatively long in the uppermost sacrificial insulating
제1 콘택홀들(OH1) 및 상기 터널부들 내에 절연 물질을 증착하여, 예비 콘택 절연층들(160p)을 형성할 수 있다. 예비 콘택 절연층들(160p)은 제1 콘택홀들(OH1)의 측벽 상에 형성되고, 상기 터널부들을 채울 수 있다. 최상부의 희생 절연층들(118)에서, 제1 콘택홀들(OH1)은 상기 터널부들을 완전히 채우지 않을 수 있다. An insulating material may be deposited in the first contact holes OH1 and the tunnel portions to form preliminary contact insulating layers 160p. The preliminary contact insulating layers 160p may be formed on the sidewalls of the first contact holes OH1 and fill the tunnel portions. In the uppermost sacrificial insulating
수직 희생층들(119)은 제1 콘택홀들(OH1)을 채우고, 최상부의 상기 터널부들을 채울 수 있다. 수직 희생층들(119)은 예비 콘택 절연층들(160p)과 다른 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.The vertical
도 6i를 참조하면, 제1 수평 도전층(102)을 형성하고, 희생 절연층들(118)을 제거한 후, 게이트 전극들(130)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6I, after forming the first horizontal
먼저, 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)(도 1 참조)의 위치에 희생 절연층들(118) 및 층간 절연층들(120)을 관통하여 플레이트층(101)으로 연장되는 개구부들을 형성할 수 있다. 다음으로, 상기 개구부들 내에 별도의 희생 스페이서층들을 형성하면서 에치-백 공정을 수행하여, 제1 영역(R1)에서, 수평 절연층(110)을 선택적으로 제거하고, 노출된 게이트 유전층(145)의 일부도 함께 제거할 수 있다. 수평 절연층(110)이 제거된 영역에 도전성 물질을 증착하여 제1 수평 도전층(102)을 형성한 후, 상기 개구부들 내에서 상기 희생 스페이서층들을 제거할 수 있다. 본 공정에 의해, 제1 영역(R1)에는 제1 수평 도전층(102)이 형성될 수 있다.First, it extends to the
다음으로, 희생 절연층들(118), 제1 희생층(131) 및 제2 희생층(132)은 예를 들어, 습식 식각을 이용하여, 층간 절연층들(120), 제2 수평 도전층(104), 및 예비 콘택 절연층들(160p)에 대하여 선택적으로 제거될 수 있다. 게이트 전극들(130)은 희생 절연층들(118)이 제거된 영역들에 도전성 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 상기 도전성 물질은 금속, 다결정 실리콘 또는 금속 실리사이드 물질을 포함할 수 있다. Next, the sacrificial insulating
따라서, 제1 및 제2 희생층들(131, 132)의 형상을 따라 도전성 물질로 이루어진 패드 영역(130P)이 형성될 수 있으며, 패드 영역(130P)에서 도전성 물질이 내부의 콘택 플러그(170)를 향해 오목하게 함몰되는 곡면을 가지는 측면을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 게이트 전극들(130)의 형성 전에 게이트 유전층(145)의 일부를 먼저 형성할 수도 있다. 게이트 전극들(130)을 형성한 후, 제1 및 제2 분리 영역들(MS1, MS2a, MS2b)의 영역들에 형성된 상기 개구부들 내에 분리 절연층들(105)을 형성할 수 있다. Accordingly, a
도 6j를 참조하면, 수직 희생층들(119)을 제거하고, 노출된 패드들(CP)을 제거하여 제2 콘택홀들(OH2)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6J , the vertical
제1 콘택홀들(OH1) 내의 수직 희생층들(119)은 층간 절연층들(120) 및 게이트 전극들(130)에 대하여 선택적으로 제거할 수 있다. 수직 희생층들(119)이 제거된 후 노출된 예비 콘택 절연층들(160p)도 일부 제거할 수 있다. 이 때, 패드 영역들(130P)에서는 예비 콘택 절연층들(160p)이 모두 제거될 수 있으며, 그 아래에서는 잔존하여 콘택 절연층들(160)을 이룰 수 있다. 패드 영역들(130P)에서는, 예비 콘택 절연층들(160p)이 제거된 후 게이트 유전층(145)이 노출되는 경우 게이트 유전층(145)도 제거하여, 게이트 전극들(130)의 측면을 노출시킬 수 있다.The vertical
수직 희생층들(119)을 제거함으로써 아래의 패드들(CP)이 노출될 수 있다. 패드들(CP)은 플레이트층(101), 기판 절연층(121), 및 주변 영역 절연층(290) 등에 대하여 선택적으로 제거될 수 있다. 패드들(CP)은, 예를 들어, 습식 식각에 의해 제거될 수 있다. 이에 의해, 제1 콘택홀들(OH1)로부터 아래로 연장된 형태의 제2 콘택홀들(OH2)이 형성될 수 있다. By removing the vertical
도 6k를 참조하면, 제2 콘택홀들(OH2) 내에 도전성 물질을 증착하여, 콘택 플러그들(170) 및 관통 비아(175)를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 6K, contact plugs 170 and through
콘택 플러그들(170) 및 관통 비아(175)는 동일한 공정 단계에서 함께 형성되므로, 동일한 구조를 가질 수 있다. 콘택 플러그들(170)은 패드 영역들(130P)에서 수평 연장부(170H)(도 3 참조)를 갖도록 형성될 수 있으며, 패드 영역들(130P)의 곡면 내에서 수직한 형상으로 형성될 수 있으며, 확장된 두께의 패드 영역들(130P) 내에 도전성 물질이 매립되어 게이트 전극(130)과 물리적 전기적으로 연결될 수 있다.Since the contact plugs 170 and the through via 175 are formed together in the same process step, they may have the same structure. The contact plugs 170 may be formed to have a
다음으로, 도 2a를 함께 참조하면, 채널 구조물들(CH), 콘택 플러그들(170), 및 관통 비아(175)의 상단과 연결되는 상부 콘택 플러그들(180)을 형성하여 반도체 장치(100)가 제조될 수 있다.Next, referring to FIG. 2A together, the
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. FIG. 7 is a diagram schematically showing a data storage system including a semiconductor device according to example embodiments.
도 7을 참조하면, 데이터 저장 시스템(1000)은 반도체 장치(1100) 및 반도체 장치(1100)와 전기적으로 연결되는 컨트롤러(1200)를 포함할 수 있다. 데이터 저장 시스템(1000)은 하나 또는 복수의 반도체 장치(1100)를 포함하는 스토리지 장치(storage device) 또는 스토리지 장치를 포함하는 전자 장치(electronic device)일 수 있다. 예를 들어, 데이터 저장 시스템(1000)은 하나 또는 복수의 반도체 장치(1100)를 포함하는 SSD 장치(solid state drive device), USB(Universal Serial Bus), 컴퓨팅 시스템, 의료 장치 또는 통신 장치일 수 있다. Referring to FIG. 7 , the
반도체 장치(1100)는 비휘발성 메모리 장치일 수 있으며, 예를 들어, 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술한 NAND 플래쉬 메모리 장치일 수 있다. 반도체 장치(1100)는 제1 구조물(1100F) 및 제1 구조물(1100F) 상의 제2 구조물(1100S)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 구조물(1100F)은 제2 구조물(1100S)의 옆에 배치될 수도 있다. 제1 구조물(1100F)은 디코더 회로(1110), 페이지 버퍼(1120), 및 로직 회로(1130)를 포함하는 주변 회로 구조물일 수 있다. 제2 구조물(1100S)은 비트라인(BL), 공통 소스 라인(CSL), 워드라인들(WL), 제1 및 제2 게이트 상부 라인들(UL1, UL2), 제1 및 제2 게이트 하부 라인들(LL1, LL2), 및 비트라인(BL)과 공통 소스 라인(CSL) 사이의 메모리 셀 스트링들(CSTR)을 포함하는 메모리 셀 구조물일 수 있다.The
제2 구조물(1100S)에서, 각각의 메모리 셀 스트링들(CSTR)은 공통 소스 라인(CSL)에 인접하는 하부 트랜지스터들(LT1, LT2), 비트라인(BL)에 인접하는 상부 트랜지스터들(UT1, UT2), 및 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)과 상부 트랜지스터들(UT1, UT2) 사이에 배치되는 복수의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)을 포함할 수 있다. 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)의 개수와 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)의 개수는 실시예들에 따라 다양하게 변형될 수 있다. In the
예시적인 실시예들에서, 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)은 스트링 선택 트랜지스터를 포함할 수 있고, 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)은 접지 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. 게이트 하부 라인들(LL1, LL2)은 각각 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)의 게이트 전극일 수 있다. 워드라인들(WL)은 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)의 게이트 전극들일 수 있고, 게이트 상부 라인들(UL1, UL2)은 각각 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)의 게이트 전극일 수 있다. In example embodiments, the upper transistors UT1 and UT2 may include a string select transistor, and the lower transistors LT1 and LT2 may include a ground select transistor. The gate lower lines LL1 and LL2 may be gate electrodes of the lower transistors LT1 and LT2, respectively. The word lines WL may be gate electrodes of the memory cell transistors MCT, and the upper gate lines UL1 and UL2 may be gate electrodes of the upper transistors UT1 and UT2, respectively.
예시적인 실시예들에서, 하부 트랜지스터들(LT1, LT2)은 직렬 연결된 하부 소거 제어 트랜지스터(LT1) 및 접지 선택 트랜지스터(LT2)를 포함할 수 있다. 상부 트랜지스터들(UT1, UT2)은 직렬 연결된 스트링 선택 트랜지스터(UT1) 및 상부 소거 제어 트랜지스터(UT2)를 포함할 수 있다. 하부 소거 제어 트랜지스터(LT1) 및 상부 소거 제어 트랜지스터(UT2) 중 적어도 하나는 GIDL 현상을 이용하여 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)에 저장된 데이터를 삭제하는 소거 동작에 이용될 수 있다.In example embodiments, the lower transistors LT1 and LT2 may include a lower erase control transistor LT1 and a ground selection transistor LT2 connected in series. The upper transistors UT1 and UT2 may include a string select transistor UT1 and an upper erase control transistor UT2 connected in series. At least one of the lower erase control transistor LT1 and the upper erase control transistor UT2 may be used in an erase operation to erase data stored in the memory cell transistors MCT using the GIDL phenomenon.
공통 소스 라인(CSL), 제1 및 제2 게이트 하부 라인들(LL1, LL2), 워드라인들(WL), 및 제1 및 제2 게이트 상부 라인들(UL1, UL2)은, 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 제1 연결 배선들(1115)을 통해 디코더 회로(1110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 비트라인들(BL)은 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 제2 연결 배선들(1125)을 통해 페이지 버퍼(1120)와 전기적으로 연결될 수 있다.The common source line (CSL), the first and second gate lower lines (LL1, LL2), the word lines (WL), and the first and second gate upper lines (UL1, UL2) are connected to the first structure ( It may be electrically connected to the
제1 구조물(1100F)에서, 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 복수의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT) 중 적어도 하나의 선택 메모리 셀 트랜지스터에 대한 제어 동작을 실행할 수 있다. 디코더 회로(1110) 및 페이지 버퍼(1120)는 로직 회로(1130)에 의해 제어될 수 있다. 반도체 장치(1100)는 로직 회로(1130)와 전기적으로 연결되는 입출력 패드(1101)를 통해, 컨트롤러(1200)와 통신할 수 있다. 입출력 패드(1101)는 제1 구조물(1100F) 내에서 제2 구조물(1100S)까지 연장되는 입출력 연결 배선(1135)을 통해 로직 회로(1130)와 전기적으로 연결될 수 있다.In the
컨트롤러(1200)는 프로세서(1210), NAND 컨트롤러(1220), 및 호스트 인터페이스(1230)를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 데이터 저장 시스템(1000)은 복수의 반도체 장치들(1100)을 포함할 수 있으며, 이 경우, 컨트롤러(1200)는 복수의 반도체 장치들(1100)을 제어할 수 있다.The
프로세서(1210)는 컨트롤러(1200)를 포함한 데이터 저장 시스템(1000) 전반의 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(1210)는 소정의 펌웨어에 따라 동작할 수 있으며, NAND 컨트롤러(1220)를 제어하여 반도체 장치(1100)에 억세스할 수 있다. NAND 컨트롤러(1220)는 반도체 장치(1100)와의 통신을 처리하는 컨트롤러 인터페이스(1221)를 포함할 수 있다. 컨트롤러 인터페이스(1221)를 통해, 반도체 장치(1100)를 제어하기 위한 제어 명령, 반도체 장치(1100)의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)에 기록하고자 하는 데이터, 반도체 장치(1100)의 메모리 셀 트랜지스터들(MCT)로부터 읽어오고자 하는 데이터 등이 전송될 수 있다. 호스트 인터페이스(1230)는 데이터 저장 시스템(1000)과 외부 호스트 사이의 통신 기능을 제공할 수 있다. 호스트 인터페이스(1230)를 통해 외부 호스트로부터 제어 명령을 수신하면, 프로세서(1210)는 제어 명령에 응답하여 반도체 장치(1100)를 제어할 수 있다. The
도 8은 예시적인 실시예에 따른 반도체 장치를 포함하는 데이터 저장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도이다.8 is a perspective view schematically showing a data storage system including a semiconductor device according to an example embodiment.
도 8을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 데이터 저장 시스템(2000)은 메인 기판(2001)과, 메인 기판(2001)에 실장되는 컨트롤러(2002), 하나 이상의 반도체 패키지(2003), 및 DRAM(2004)을 포함할 수 있다. 반도체 패키지(2003) 및 DRAM(2004)은 메인 기판(2001)에 형성되는 배선 패턴들(2005)에 의해 컨트롤러(2002)와 서로 연결될 수 있다. Referring to FIG. 8, a
메인 기판(2001)은 외부 호스트와 결합되는 복수의 핀들을 포함하는 커넥터(2006)를 포함할 수 있다. 커넥터(2006)에서 복수의 상기 핀들의 개수와 배치는, 데이터 저장 시스템(2000)과 상기 외부 호스트 사이의 통신 인터페이스에 따라 달라질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 데이터 저장 시스템(2000)은 USB(Universal Serial Bus), PCI-Express(Peripheral Component Interconnect Express), SATA(Serial Advanced Technology Attachment), UFS(Universal Flash Storage)용 M-Phy 등의 인터페이스들 중 어느 하나에 따라 외부 호스트와 통신할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 데이터 저장 시스템(2000)은 커넥터(2006)를 통해 외부 호스트로부터 공급받는 전원에 의해 동작할 수 있다. 데이터 저장 시스템(2000)은 상기 외부 호스트로부터 공급받는 전원을 컨트롤러(2002) 및 반도체 패키지(2003)에 분배하는 PMIC(Power Management Integrated Circuit)를 더 포함할 수도 있다. The
컨트롤러(2002)는 반도체 패키지(2003)에 데이터를 기록하거나, 반도체 패키지(2003)로부터 데이터를 읽어올 수 있으며, 데이터 저장 시스템(2000)의 동작 속도를 개선할 수 있다.The
DRAM(2004)은 데이터 저장 공간인 반도체 패키지(2003)와 외부 호스트의 속도 차이를 완화하기 위한 버퍼 메모리일 수 있다. 데이터 저장 시스템(2000)에 포함되는 DRAM(2004)은 일종의 캐시 메모리로도 동작할 수 있으며, 반도체 패키지(2003)에 대한 제어 동작에서 임시로 데이터를 저장하기 위한 공간을 제공할 수도 있다. 데이터 저장 시스템(2000)에 DRAM(2004)이 포함되는 경우, 컨트롤러(2002)는 반도체 패키지(2003)를 제어하기 위한 NAND 컨트롤러 외에 DRAM(2004)을 제어하기 위한 DRAM 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.DRAM (2004) may be a buffer memory to alleviate the speed difference between the semiconductor package (2003), which is a data storage space, and an external host. The
반도체 패키지(2003)는 서로 이격된 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)은 각각 복수의 반도체 칩들(2200)을 포함하는 반도체 패키지일 수 있다. 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b) 각각은, 패키지 기판(2100), 패키지 기판(2100) 상의 반도체 칩들(2200), 반도체 칩들(2200) 각각의 하부면에 배치되는 접착층들(2300), 반도체 칩들(2200)과 패키지 기판(2100)을 전기적으로 연결하는 연결 구조물(2400), 및 패키지 기판(2100) 상에서 반도체 칩들(2200) 및 연결 구조물(2400)을 덮는 몰딩층(2500)을 포함할 수 있다. The
패키지 기판(2100)은 패키지 상부 패드들(2130)을 포함하는 인쇄회로 기판일 수 있다. 각각의 반도체 칩(2200)은 입출력 패드(2210)를 포함할 수 있다. 입출력 패드(2210)는 도 7의 입출력 패드(1101)에 해당할 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은 게이트 적층 구조물들(3210) 및 채널 구조물들(3220)을 포함할 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술한 반도체 장치를 포함할 수 있다.The
예시적인 실시예들에서, 연결 구조물(2400)은 입출력 패드(2210)와 패키지 상부 패드들(2130)을 전기적으로 연결하는 본딩 와이어일 수 있다. 따라서, 각각의 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)에서, 반도체 칩들(2200)은 본딩 와이어 방식으로 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 패키지 기판(2100)의 패키지 상부 패드들(2130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예들에 따라, 각각의 제1 및 제2 반도체 패키지들(2003a, 2003b)에서, 반도체 칩들(2200)은 본딩 와이어 방식의 연결 구조물(2400) 대신에, 관통 전극(Through Silicon Via, TSV)을 포함하는 연결 구조물에 의하여 서로 전기적으로 연결될 수도 있다. In example embodiments, the
예시적인 실시예들에서, 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)은 하나의 패키지에 포함될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 메인 기판(2001)과 다른 별도의 인터포저 기판에 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)이 실장되고, 상기 인터포저 기판에 형성되는 배선에 의해 컨트롤러(2002)와 반도체 칩들(2200)이 서로 연결될 수도 있다. In example embodiments, the
도 9는 예시적인 실시예에 따른 반도체 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 9는 도 8의 반도체 패키지(2003)의 예시적인 실시예를 설명하며, 도 8의 반도체 패키지(2003)를 절단선 Ⅲ-Ⅲ'를 따라 절단한 영역을 개념적으로 나타낸다.9 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor package according to an exemplary embodiment. FIG. 9 illustrates an exemplary embodiment of the
도 9를 참조하면, 반도체 패키지(2003)에서, 패키지 기판(2100)은 인쇄회로 기판일 수 있다. 패키지 기판(2100)은 패키지 기판 바디부(2120), 패키지 기판 바디부(2120)의 상면에 배치되는 패키지 상부 패드들(2130)(도 8 참조), 패키지 기판 바디부(2120)의 하면에 배치되거나 하면을 통해 노출되는 하부 패드들(2125), 및 패키지 기판 바디부(2120) 내부에서 상부 패드들(2130)과 하부 패드들(2125)을 전기적으로 연결하는 내부 배선들(2135)을 포함할 수 있다. 하부 패드들(2125)은 도전성 연결부들(2800)을 통해 도 8과 같이 데이터 저장 시스템(2000)의 메인 기판(2001)의 배선 패턴들(2005)에 연결될 수 있다.Referring to FIG. 9, in the
반도체 칩들(2200) 각각은 반도체 기판(3010) 및 반도체 기판(3010) 상에 차례로 적층되는 제1 구조물(3100) 및 제2 구조물(3200)을 포함할 수 있다. 제1 구조물(3100)은 주변 배선들(3110)을 포함하는 주변 회로 영역을 포함할 수 있다. 제2 구조물(3200)은 공통 소스 라인(3205), 공통 소스 라인(3205) 상의 게이트 적층 구조물(3210), 게이트 적층 구조물(3210)을 관통하는 채널 구조물들(3220), 채널 구조물들(3220)과 전기적으로 연결되는 비트 라인들(3240), 및 게이트 적층 구조물(3210)의 워드라인들(WL)(도 7 참조)과 전기적으로 연결되는 콘택 플러그들(3235)을 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 5를 참조하여 상술한 것과 같이, 반도체 칩들(2200) 각각에서 게이트 전극들(130) 중 복수개는 하나의 콘택 플러그(170)와 공통으로 연결될 수 있다.Each of the
반도체 칩들(2200) 각각은, 제1 구조물(3100)의 주변 배선들(3110)과 전기적으로 연결되며 제2 구조물(3200) 내로 연장되는 관통 배선(3245)을 포함할 수 있다. 관통 배선(3245)은 게이트 적층 구조물(3210)의 외측에 배치될 수 있으며, 게이트 적층 구조물(3210)을 관통하도록 더 배치될 수 있다. 반도체 칩들(2200) 각각은, 제1 구조물(3100)의 주변 배선들(3110)과 전기적으로 연결되는 입출력 패드(2210)(도 7 참조)를 더 포함할 수 있다.Each of the
CH: 채널 구조물 MS: 분리 영역
DSH: 서포트 구조물 170: 콘택 플러그
R1: 제1 영역 R2: 제2 영역
R3: 제3 영역 101: 플레이트층
120: 층간 절연층 130: 게이트 전극
130P: 패드 영역 140: 채널층
145: 게이트 유전층 150: 매립 절연층
147: 채널 패드 118: 층간 희생층
131: 제1 희생층 132: 제2 희생층CH: channel structure MS: separation zone
DSH: Support structure 170: Contact plug
R1: first area R2: second area
R3: Third region 101: Plate layer
120: interlayer insulating layer 130: gate electrode
130P: Pad area 140: Channel layer
145: Gate dielectric layer 150: Buried insulating layer
147: Channel pad 118: Interlayer sacrificial layer
131: first sacrificial layer 132: second sacrificial layer
Claims (10)
상기 제1 영역 상에서 제1 방향을 따라 서로 이격되어 적층되고, 상기 제2 영역 상에서 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 서로 다른 길이로 연장되며, 상기 제2 영역에서 상면이 상부로 노출되는 패드 영역 및 상기 패드 영역 외의 적층 영역을 각각 포함하는 게이트 전극들;
상기 게이트 전극들과 교대로 적층되는 층간 절연층들;
상기 제1 영역 상에서 상기 게이트 전극들을 관통하며 상기 제1 방향을 따라 연장되고 채널층을 각각 포함하는 채널 구조물들; 및
상기 게이트 전극들 중 하나인 제1 게이트 전극의 상기 패드 영역을 관통하면서 상기 제1 게이트 전극과 전기적으로 연결되며, 상기 제1 게이트 전극의 아래에 배치된 제2 게이트 전극의 상기 적층 영역을 관통하고 상기 제2 게이트 전극과 이격되는 콘택 플러그
를 포함하며,
상기 패드 영역은 상기 적층 영역으로부터 연장되어 제1 두께를 가지는 베이스 부분 및 상기 베이스 부분 위에 상기 제1 방향으로 돌출되어, 상기 패드 영역을 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께로 확장시키는 돌출 부분을 포함하며,
상기 돌출 부분은 상기 패드 영역을 관통하는 상기 콘택 플러그를 향해 오목하게 함몰되는 측면을 포함하는
반도체 장치.
a plate layer having a first region and a second region;
They are stacked and spaced apart from each other along a first direction on the first area, extend to different lengths along a second direction perpendicular to the first direction on the second area, and have a top surface exposed upwardly in the second area. Gate electrodes each including a pad area and a stacked area other than the pad area;
interlayer insulating layers alternately stacked with the gate electrodes;
Channel structures extending along the first direction and penetrating the gate electrodes on the first region and each including a channel layer; and
It penetrates the pad area of a first gate electrode, which is one of the gate electrodes, and is electrically connected to the first gate electrode, and penetrates the stacked area of a second gate electrode disposed below the first gate electrode. Contact plug spaced apart from the second gate electrode
Includes,
The pad region includes a base portion extending from the stacked region and having a first thickness, and a protruding portion that protrudes above the base portion in the first direction to expand the pad region to a second thickness greater than the first thickness. And
The protruding portion includes a side that is concavely recessed toward the contact plug penetrating the pad area.
semiconductor device.
상기 돌출 부분의 두께는 상기 베이스 부분의 상기 제1 두께보다 작은 반도체 장치.
According to paragraph 1,
A semiconductor device wherein the thickness of the protruding portion is smaller than the first thickness of the base portion.
상기 제1 방향으로, 상기 돌출 부분의 상면은 상기 베이스 부분의 상면 내에 배치되는 반도체 장치.
According to paragraph 1,
A semiconductor device wherein, in the first direction, an upper surface of the protruding portion is disposed within an upper surface of the base portion.
상기 돌출 부분의 측면은 상기 콘택 플러그와 최단 거리에 위치하는 변곡점을 포함하며, 상기 변곡점은 상기 돌출 부분의 상면과 상기 베이스 부분의 상면 사이에서 상기 돌출 부분의 상면에 더 근접하여 위치하는 반도체 장치.
According to paragraph 1,
A side surface of the protruding portion includes an inflection point located at the shortest distance from the contact plug, and the inflection point is located closer to the upper surface of the protruding portion between the upper surface of the protruding portion and the upper surface of the base portion.
상기 몰드 구조물을 순차적으로 식각하여 상기 복수의 희생 절연층들에 계단 형태를 가지는 복수의 단차 구조를 형성하는 단계;
상기 몰드 구조물의 상기 복수의 단차 구조 상에 제1 예비 희생층 및 제2 예비 희생층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 단차 구조의 측면의 상기 제1 예비 희생층 및 상기 제2 예비 희생층을 식각하고, 상기 복수의 희생 절연층들의 상면에만 잔류시켜, 제1 희생층 및 제2 희생층을 포함하는 예비 패드 영역을 형성하는 단계; 및
상기 예비 패드 영역 및 상기 복수의 희생 절연층들을 제거하고 상기 제거된 공간 내에 도전층을 채워 패드 영역을 포함하는 복수의 게이트 전극들을 형성하는 단계; 를 포함하며,
상기 예비 패드 영역을 형성하는 단계는,
상기 제1 희생층의 상면이 상기 제2 희생층의 상면보다 작은 면적을 갖도록 식각하는 반도체 장치의 제조 방법.
forming a mold structure alternately including a plurality of interlayer insulating layers and a plurality of sacrificial insulating layers on a plate layer;
sequentially etching the mold structure to form a plurality of stepped structures in the plurality of sacrificial insulating layers;
sequentially forming a first preliminary sacrificial layer and a second preliminary sacrificial layer on the plurality of step structures of the mold structure;
The first preliminary sacrificial layer and the second preliminary sacrificial layer on the side surfaces of the step structure are etched, and only the upper surfaces of the plurality of sacrificial insulating layers are left to remain, so that the preliminary pad area includes the first sacrificial layer and the second sacrificial layer. forming a; and
forming a plurality of gate electrodes including a pad region by removing the preliminary pad region and the plurality of sacrificial insulating layers and filling the removed space with a conductive layer; Includes,
The step of forming the preliminary pad area is,
A method of manufacturing a semiconductor device in which the upper surface of the first sacrificial layer is etched to have a smaller area than the upper surface of the second sacrificial layer.
상기 제2 예비 희생층은 상기 제1 예비 희생층보다 밀도가 높고, 상기 예비 패드 영역을 형성하는 단계에서, 상기 제1 예비 희생층보다 식각율이 낮은 물질을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
According to clause 5,
The second preliminary sacrificial layer has a higher density than the first preliminary sacrificial layer and, in forming the preliminary pad region, includes a material having a lower etch rate than the first preliminary sacrificial layer.
상기 제2 예비 희생층은 상기 제1 예비 희생층과 동일한 두께로 적층하는 반도체 장치의 제조 방법.
According to clause 5,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second preliminary sacrificial layer is laminated to the same thickness as the first preliminary sacrificial layer.
상기 제2 예비 희생층은 실리콘 붕질화물을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
According to clause 5,
A method of manufacturing a semiconductor device wherein the second preliminary sacrificial layer includes silicon bonitride.
상기 제1 예비 희생층과 상기 희생 절연층은 동일한 물질을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
According to clause 8,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first preliminary sacrificial layer and the sacrificial insulating layer include the same material.
상기 예비 패드 영역을 형성하는 단계는,
상기 제2 예비 희생층이 상기 제1 예비 희생층보다 얇은 두께를 갖도록 표면으로부터 식각하되,
상기 단차 구조의 측면과 상기 예비 패드 영역 사이에 게이트 그루브를 형성하는 반도체 장치의 제조 방법.According to clause 5,
The step of forming the preliminary pad area is,
Etching from the surface so that the second preliminary sacrificial layer has a thinner thickness than the first preliminary sacrificial layer,
A method of manufacturing a semiconductor device wherein a gate groove is formed between a side of the step structure and the preliminary pad area.
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