WO2014065524A1 - 3d semiconductor device having cache memory array in which chapter data can be saved and method for operating same - Google Patents

3d semiconductor device having cache memory array in which chapter data can be saved and method for operating same Download PDF

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WO2014065524A1
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cache
memory array
cells
data
cache memory
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PCT/KR2013/009022
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김성동
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Kim Sungdong
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    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0688Integrated circuits having a three-dimensional layout
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B63/00Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
    • H10B63/80Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional semiconductor device having a two-dimensional cache memory array provided between a three-dimensional main memory array and a one-dimensional page buffer.
  • the 3D memory devices may include a plurality of horizontal electrodes (eg, word lines of a 3D vertical channel NAND flash device) sequentially stacked on a substrate.
  • a plurality of the horizontal electrodes located at the same height are electrically connected to each other.
  • three-dimensional memory devices are vulnerable to program and read disturb problems.
  • Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices capable of suppressing write and / or read disturb and methods of operation thereof.
  • Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices and methods of operating the same that can speed up write and / or read operations.
  • Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices and methods of operating the same that can reduce energy consumption.
  • Three-dimensional semiconductor devices include a cache memory array configured to store more than one page of data (eg, two-dimensional chapter data).
  • the cache memory array is provided between a main memory array including three-dimensionally arranged memory cells and a peripheral circuit area (eg, a bitline decoder or page buffer).
  • the use of the cache memory array is a technical challenge in data exchange (e.g., write / read disturbance or unnecessary energy consumption) caused by the dimensional difference between the three-dimensional main memory array and the one-dimensional page buffer. Makes it possible to solve the problem.
  • the cache memory array is implemented using memory elements having a faster operating speed than the main memory array, read and write operations to the main memory array are compared to when the cache memory array is not used. It can dramatically improve the speed of.
  • the use of the cache memory array can effectively reduce write and / or read disturb and energy consumption in three-dimensional memory devices, as well as speed up write and / or read operations.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a typical three-dimensional memory device.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating two other structures of the main memory array.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view illustrating an example of three-dimensional memory devices according to example embodiments.
  • FIG. 4 is a table exemplarily illustrating layout structures of three-dimensional memory devices according to example embodiments.
  • 5 through 7 are perspective views illustrating other examples of three-dimensional memory devices according to example embodiments.
  • FIG 8 to 12 are perspective views schematically showing one side of main and cache memory arrays according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram exemplarily illustrating a hierarchical structure of a main memory array.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an aspect of a data transmission process performed through bit lines.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating some of operations performed in a 3D memory device according to example embodiments.
  • 16 and 17 are diagrams exemplarily illustrating a method of performing operations of a 3D memory device according to example embodiments.
  • FIGS. 18 and 19 are diagrams illustrating an example of a read operation of a 3D memory device according to example embodiments.
  • 20 and 21 are diagrams illustrating an example of a write operation of a 3D memory device according to example embodiments.
  • 22 and 23 are diagrams illustrating other operations of a 3D memory device according to exemplary embodiments of the present invention, respectively.
  • 24 to 29 are diagrams exemplarily illustrating data processing methods performed through modified operating methods or a combination thereof.
  • 30 to 32 are tables for exemplarily describing some of technical features of operating steps of a 3D memory device according to example embodiments.
  • 33 is a circuit diagram exemplarily illustrating a cache cell array including unit cache memories.
  • 36 is a diagram illustrating memory elements that may be used as cache cells by way of example.
  • 37 is a diagram illustrating some of the possible structures of the main memory array.
  • 38 is a table for describing an aspect of an operation of a 3D memory device according to example embodiments.
  • 39 to 43 are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments.
  • 44 to 46 are views for explaining modified embodiments of the present invention.
  • 47 to 53 are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments of the present inventive concepts.
  • 54 to 57 are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to other modified embodiments of the inventive concept.
  • 58 is a diagram illustrating an example of CM-CM copying.
  • 59 and 60 are perspective views illustrating a semiconductor device in accordance with some embodiments of the present invention.
  • 61 to 65 are diagrams illustrating semiconductor devices according to example embodiments of the inventive concepts.
  • 66 is a diagram illustrating a semiconductor device and a part of an operation thereof according to some example embodiments of the inventive concepts.
  • FIG. 67 is a diagram schematically illustrating paths of a 3D memory device and an operating current according to still other embodiments of the inventive concept.
  • FIG. 68 is a schematic perspective view illustrating a semiconductor memory device in accordance with some embodiments of the present invention.
  • 73 and 74 are schematic plan views illustrating semiconductor chips in accordance with some embodiments of the present invention.
  • 75 and 76 are block diagrams and perspective views illustratively showing embodiments of the present invention that include distributed partial cache memory arrays, respectively.
  • 77 is a graph comparing embodiments of the present invention and operating methods according to the related art in terms of the number of disturbances.
  • 78 and 79 are graphs comparing time required between read and write operations according to the embodiments of the present invention and the prior art.
  • 80 is a schematic diagram illustrating an electronic product including a memory device according to the present invention.
  • a film (or layer) when it is mentioned that a film (or layer) is on another film (or layer) or substrate, it may be formed directly on another film (or layer) or substrate or a third film between them. (Or layers) may be interposed.
  • the size and thickness of the components of the drawings may be exaggerated for clarity.
  • terms such as first, second, and third may be used to describe various regions, films (or layers), and the like, but these regions and films may be used by such terms. It should not be limited. These terms may only be used to distinguish any given region or film (or layer) from other regions or films (or layers).
  • the film quality referred to as the first film quality in one embodiment may be referred to as the second film quality in other embodiments.
  • Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment.
  • the expression 'and / or' is used herein to include at least one of the components listed before and after. Portions denoted by like reference numerals denote like elements throughout the specification.
  • a bit line is a signal transmission line used to transmit information (ie, an electrical signal) stored in a memory cell to a peripheral circuit (for example, a sensing circuit, a decoder, or a page buffer) or to transmit external data to a memory cell. it means.
  • the word line refers to a line configured to transmit a signal used to select some of a plurality of memory cells connected to one bit line.
  • the memory cell may refer to an area including a material or a thin film structure capable of charge storage and a material or a thin film structure (eg, PCM, MTJ, resistive memory element) exhibiting variable resistance characteristics.
  • a material or a thin film structure capable of charge storage and a material or a thin film structure (eg, PCM, MTJ, resistive memory element) exhibiting variable resistance characteristics.
  • PCM a material or a thin film structure
  • MTJ resistive memory element
  • Adjacent memory cells may be provided in the form of localized patterns spatially separated from each other or as a structure including at least a portion connected to each other.
  • the wiring or the wire may refer to a conductive pattern formed of a material having a low specific resistance.
  • they may be metals or high concentrations of semiconductor materials (but not limited to these), but organics, carbon nanostructures (such as nanotubes or graphene), or molybdenum sulfides may lead to the wiring or wires. It may be used to implement.
  • the data exchange with the peripheral circuit may be in the form of an optical signal.
  • the wiring or the bit line may be provided in the form of an optical waveguide, and the peripheral circuit may include a multiplexer such as a star coupler.
  • 'F' is used to indicate that the element is in an electrically floating state, this is merely a notation for brevity of description and can prevent the element from generating a current path through it. That voltage may be applied.
  • a typical three-dimensional memory device includes a main memory array MMA and a bit line structure BLS provided on a substrate SUB.
  • the main memory array MMA may include three-dimensionally arranged memory cells and internal lines connecting the memory cells.
  • the main memory array MMA may be provided in an A-type or B-type structure.
  • the main memory array MMA is (1) vertical lines VL arranged on the substrate SUB (i.e. two-dimensionally) forming a multi-line and multi-row structure, ( 2) a plurality of horizontal lines HL crossing the vertical lines VL while forming a multi-layer and multi-row structure, and (3) a three-dimensional arrangement of the vertical and horizontal lines VL and HL.
  • It may include main memory cells (hereinafter, referred to as memory cells) MC provided at intersections.
  • the main memory array MMA includes (1) first horizontal lines HLx forming a multilayer and multi-row structure, and (2) second horizontal lines forming a multi-layer and multi-line structure ( HLy), and (3) the memory cells MC provided at their intersections.
  • the vertical lines VL or the horizontal lines HL, HLx, and HLy may be electrically connected to a peripheral circuit via the bit line structure BLS.
  • a three-dimensional memory device is provided between the main memory array (MMA) and the bit lines (BL) as shown in Figure 3 and two-dimensionally arranged cache memory cells (hereinafter referred to as It may further include a cache memory array (CMA) including a cache cell (CC).
  • the cache memory array CMA may be provided as part of a cell array region.
  • the cache memory array CMA is provided between, for example, the main memory array MMA and a circuit (for example, a bit line decoder and a sensing circuit) constituting a peripheral area.
  • the cache memory array CMA is disposed in a peripheral circuit area and is separated from a storage space (for example, a one-dimensional page buffer) that stores data transferred from or to the bit lines. Means.
  • FIG. 3 is a table showing some examples of these various modifications
  • FIGS. 5-7 are schematic perspective views illustratively showing these various modifications.
  • the cache memory array CMA includes the main memory array MMA and the bit line structure BLS. It can be placed in between.
  • the main memory array MMA may be disposed between the cache memory array CMA and the bitline structure BLS.
  • the bitline structure BLS may be disposed between the main memory array MMA and the cache memory array CMA.
  • the cache memory array CMA and the main memory array MMA are disposed adjacent to and parallel to each other on a substrate, and the bitline structure ( BLS) may be provided on top of them.
  • the first basic structure is variously modified by the presence of additional structures, such as selection structure (SLS) or environmental structure (EVS) (described in more detail below), as shown as type AS and type AE of FIG. 6. Can be.
  • additional structures such as selection structure (SLS) or environmental structure (EVS) (described in more detail below)
  • SLS selection structure
  • EVS environmental structure
  • the first basic structure may be modified to one of the first to fourth modified structures of FIG. 4.
  • the first basic structure may include the cache memory array CMA and the main memory array MMA on the bit line structure BLS in turn. It may be deformed to have a stacked structure (ie, an inverted structure of the first to fourth modified structures).
  • the selection structure SLS may be, for example, (1) selecting one or some of internal lines (eg, VL, HL, HLx, or HLy) constituting the main memory array MMA (2); ) May be configured to enable selection of one or some of the conductive lines constituting the cache memory array (CMA).
  • the selection structure SLS may be interpreted as part of the cache memory array CMA.
  • the first basic structure may be modified in a similar manner as in the variants provided with the selection structure SLS.
  • the environment structure EVS may be configured to enhance the effectiveness of the pairing, which will be described in more detail later with reference to FIG. 38.
  • each of the second to fourth basic structures may also be variously modified, such as modified structures for the first basic structure.
  • Each of the main and cache memory arrays may be composed of a plurality of parts, operating separately or independently from each other, as shown in type AF and AP of FIG. 6 and type DF and DP of FIG. 7. Can be.
  • Each portion of the cache memory array CMA is formed to have a fully corresponding structure, as in the corresponding respective portion of the main memory array MMA, type AF of FIG. 6 and type DF of FIG. AP and may be formed to have a partial correspondence structure, as in type DF of FIG. 7.
  • the full or partial corresponding structures will be described in more detail below.
  • the bit line structure BLS is a memory cell of the cache memory array CMA connected to or connected to the internal lines (eg, VL or HL) of the main memory array MMA, as shown in FIG. 3.
  • the plurality of bit lines BL may be configured to be electrically connected to the plurality of bit lines BL.
  • the bit line structure BLS may be configured to intersect or be commonly connected to portions of the main and cache memory arrays MMA and CMA.
  • the bitline structure BLS is provided on top of portions of the main memory array MMA, as shown in type AF and AP in FIG. 6 and type DF and DP in FIG. It may be provided under the main memory array (MMA) as shown in the type DI.
  • the first to fourth basic structures are classified by the above-described arrangement or arrangement order between the main memory array MMA, the cache memory array CMA, and the bit line structure BLS, and the substrate
  • the relative arrangement with respect to (SUB) can vary or be freely modified.
  • the first basic structure may be embodied as inverted forms, as shown in the first and fifth modified structures of FIG. 4, or as 90 degrees rotated clockwise or counterclockwise, although not shown. May be
  • the second to third basic structures and variations thereof may also be implemented with the above-mentioned variety or freedom in relative arrangement with respect to the substrate SUB.
  • FIGS. 8 to 12 are schematic perspective views exemplarily showing positions of the main and cache memory arrays MMA and CMA and directions of inner lines thereof.
  • each of the structures of FIGS. 8 and 9 may be implemented to implement embodiments in which the main memory array (MMA) is provided in the form of vertical-channel and vertical-gate NAND flash memories. Can be used.
  • each of the structures of FIGS. 8-12 may be used to implement embodiments in which the main memory array (MMA) is provided in the form of a three-dimensional crosspoint resistive memory.
  • each of the word lines WL is illustrated in the form of a flat plate, but may be provided in a one-dimensional structure including a plurality of lines, such as a multi-layer or multi-column structure.
  • a flat form two-dimensionally arranged ones of the memory cells MC may be commonly connected to each of the word lines WL. This may cause read / write disturbances to be described later. Even when each of the word lines WL includes a plurality of lines that are spatially separated but electrically connected, the disturbance problem may occur in the same manner.
  • a plurality of cache lines CWL connecting the cache cells CC may be provided.
  • the cache lines CWL may be electrically separated from each other, and disposed to cross the bit lines BL.
  • FIG. 13 is a diagram exemplarily illustrating a hierarchy structure of the main memory array MMA of the 3D memory device to which the present invention can be applied.
  • the main memory array MMA may include at least one block, and the block may include one or a plurality of (eg, r) chapters. Each may include a plurality of (eg q) pages, and each of the pages may include a plurality of (eg p) cells.
  • the concepts of chapters, pages, and cells described herein are equally applicable to describing the hierarchical structure of the cache memory array (CMA).
  • the block may be a unit of cells or data size (eg, maximum) in which an operation may be performed independently.
  • a block can be used as a unit of data that can be erased at one time.
  • the concept of the block need not be limited to the definition based on this method of operation.
  • the block may be a collection of three-dimensionally arranged memory cells, and such memory cells may be provided in a localized area or in a distributed form in several areas.
  • the chapter may refer to data or cells included in one plane of the main memory array (MMA) or the block.
  • the chapter is composed of data or cells arranged two-dimensionally on a predetermined plane.
  • the plane may mean a plane in at least one of the data-layer structural side or the side of the physical arrangement of the cells, the direction of the plane of the bit lines (BL) and the word lines (WL) Selection may be made based on the arrangement and method of operation performed using them.
  • the vertical-channel NAND flash memory of FIG. 8 where coplanar wordlines are electrically connected and used as a common gate electrode of two-dimensionally arranged memory cells
  • one chapter the common The two-dimensionally arranged memory cells (controlled by a gate electrode) or data stored therein.
  • the page refers to a data size or a maximum size that can be read at one time through the bit line structure BLS.
  • each bit line is electrically connected to a plurality of internal lines constituting the main memory array MMA, two-dimensional data constituting the chapter or three-dimensional data constituting the block It may be difficult to input or output at one time through the bit line structure BLS. Accordingly, as shown in FIG. 14, two-dimensional data constituting one chapter or three-dimensional data constituting one block is divided into groups of one-dimensional data, and then the bit lines ( Are sequentially input or output through BL). The page may correspond to each of the one-dimensional data groups.
  • the memory cells are each of intersection points between the vertical lines VL and the horizontal lines HL or between the first and second horizontal lines HLx and HLy. Means the information storage space provided in.
  • the cell may be configured to store single or multi bits.
  • the memory cells constituting the block may be provided in a distributed form in various areas.
  • memory cells constituting one chapter or one page may also be provided in a distributed form in various areas.
  • each block, chapter, and / or page may be divided into a plurality of sections configured to operate independently, based on a method of pair / hole division or left / right division.
  • the description of possible embodiments of the present invention that can be applied to such separate sections will be minimized, but the method of section separation can be variously modified in view of the efficiency of read or write operations. have.
  • known techniques based on such section separation eg, applied to two-dimensional memory semiconductors
  • FIG. 15 is a diagram illustrating some of operations performed in a 3D memory device according to example embodiments.
  • operations of a 3D memory device according to some embodiments of the present invention may include MM-CM copy (S [RM]), CM-MM copy (S [WM]), and CM write (S [WC]. ]), And CM read (S [RC]).
  • the steps of the MM-CM copy (S [RM]) and the CM-MM copy (S [WM]) are performed between the main memory array MMA and the cache memory array CMA as shown in FIG.
  • the steps of the CM write (S [WC]) and the CM read (S [RC]) are data performed between the cache memory array CMA and the peripheral area as shown in FIG. Transmission processes.
  • the MM-CM copy (S [RM]) and CM-MM copy (S [WM]) are performed in chapter units, and the CM write (S [WC]) and CM read (S) are performed. Steps of [RC]) may be performed sequentially or randomly in units of pages.
  • steps of [RC]) may be performed sequentially or randomly in units of pages.
  • embodiments of the present invention are not limited thereto, and as described with reference to FIGS. 25 to 30, each of these steps may be variously modified in units and methods of data processing.
  • Steps may be performed in combination as appropriate.
  • these steps may include (1) a read operation for reading information stored in the main memory array (MMA) into a peripheral circuit (eg, a page buffer or sensing circuit) and (2) an external device provided through the peripheral circuit. And a write operation for storing data in the main memory array MMA.
  • a read operation for reading information stored in the main memory array (MMA) into a peripheral circuit (eg, a page buffer or sensing circuit) and (2) an external device provided through the peripheral circuit.
  • a write operation for storing data in the main memory array MMA.
  • the read operation may include the MM-CM copy (S [RM]) and the CM read (S [RC]) steps as illustrated in FIGS. 18 and 19, wherein the write operation is performed.
  • 20 and 21 may include the steps of the CM write (S [WC]) and the CM-MM copy (S [WM]).
  • the MM-CM copy S [RM] refers to a process of copying data stored in the main memory array MMA to the cache memory array CMA.
  • the MM-CM copy S [RM] may be performed to copy chapter-based data into the cache memory array CMA at a time, as shown in the left side of FIG. 19.
  • the MM-CM copy S [RM] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to copy data of two pages or more (eg, 24, 26, or 28).
  • the CM read S [RC] uses the bit line structure BLS to transmit data of the cache memory array CMA to peripheral circuits (eg, sensing circuits or the like). Page buffer).
  • the CM read S [RC] may include a plurality of cache page read steps, each of which may be implemented to transmit data in units of pages to the peripheral circuit.
  • the CM read S [RC] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to transmit data of a size smaller than a page. For example, each of the substeps of the CM read S [RC] may be implemented to process one or more cell data.
  • the CM write S [WC] refers to a process of writing external data into the cache memory array CMA using the bit line structure BLS.
  • the CM write S [WC] may comprise a plurality of cache page write steps, each of which is implemented to write page-by-page data to the cache memory array CMA, as shown on the left side of FIG. 21. Can be.
  • the CM write S [WC] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to transmit data of a size smaller than a page.
  • each of the substeps of the CM write S [WC] may be implemented to process bit, byte, or more cell data.
  • the CM-MM copy S [WM] refers to a process of copying data stored in the cache memory array CMA to the main memory array MMA.
  • the CM-MM copy S [WM] is configured to copy chapter-based data stored in the cache memory array CMA to predetermined chapters of the main memory array MMA at one time, as shown in the right side of FIG. 21.
  • the CM-MM copy S [WM] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to copy data in units of two pages or more (eg, , See FIG. 24).
  • data is read from the cache memory array (CMA) or read from the cache memory array (CMA) in a random access manner or based on one of cache algorithms applied to L1, L2, or L3 cache memory. Can be recorded.
  • the CM read (S [RC]) and the CM write (S [WC]) may be implemented to process data in bit, byte, word, or page units.
  • the cache memory array CMA may be used as any one of L1, L2 or L3 caches and may be configured to implement the functionality of a DRAM or SRAM currently used.
  • the peripheral circuit may be configured to implement the random access scheme or a cache algorithm for the L1, L2, or L3 cache.
  • the peripheral circuit may further include a driving or decoding circuit used in DRAM, SRAM or NOR flash memory devices.
  • the step of CM-CM copy S [CC] is a data transfer process performed between two different portions P1 and P2 of the cache memory array CMA.
  • the CM-CM copy (S [CC]) may be combined with at least one of the other steps illustrated in FIG. 15 to implement the random access or cache algorithm described above.
  • Two different portions of the cache memory array CMA may be configured to share the bitline structure BLS, and the step of CM-CM copy S [CC] may comprise the shared bitline structure BLS. It can be performed using.
  • data is directly copied from one of the two parts P1 and P2 to another without copying or migrating data to the peripheral area. Or to migrate.
  • the CM-CM copy S [CC] may be sequentially performed using the peripheral area (eg, page buffer).
  • the CM-CM copy S [CC] is performed in the two parts P1 and P2 respectively and sequentially, the CM read S [RC] and the It can be implemented through a combination of CM writes (S [WC]).
  • each of the write and read operations may include an MM direct write (S [WMd]) that does not use the cache memory array CMA, and It can be implemented in a manner including the step of MM direct read (S [RMd]).
  • S [WMd] MM direct write
  • S [RMd] MM direct read
  • the MM direct write refers to a process of directly writing external data provided through the peripheral circuit to the main memory array MMA.
  • the MM direct write S [WMd] may be a data transfer process performed without an interruption step of storing data in the cache memory array CMA.
  • the MM direct write (S [WMd]) as shown in FIG. 23, is implemented to write the data in page units directly to a predetermined chapter of the main memory array MMA, as shown in FIG. 23.
  • a plurality of lower direct write steps may be included.
  • each of the lower direct write steps may be implemented to process one or more cell data.
  • the MM direct write (S [WMd]) may be implemented to process chapter or more data, as in the erasing step of the flash memory.
  • the MM direct read S [RMd] refers to a process of transferring data of the main memory array MMA to the peripheral circuit without an interruption step of storing data in the cache memory array CMA.
  • the MM direct read (S [RMd]) may include a plurality of lower direct read steps, each of which is implemented to transmit page-by-page data to the peripheral circuit, as shown in FIG. Each of the direct read steps may be implemented to process one or more cell data.
  • an operation of the 3D memory device may initialize (eg, initialize) all or part of the cache memory array CMA or the cache cells CC.
  • CM initialization (S [IN]) step may be further included. If the cache cell CC is non-volatile (eg, as in a magnetic tunnel junction), its data change may be due to external factors (eg, external or electrical transmitted from the main memory array MMA). Signals as well as dependencies on internal factors (e.g., the data state of the cache cell CC itself). In this case, it may be necessary to eliminate the nonuniformity in the cache memory array CMA related to the internal factor through the CM initialization (S [IN]) step.
  • the cache cells CC when the cache cells CC are not initialized, some of the data stored in the cache cells CC may not be changed. In this case, for example, the CM write (S [ WC]) and during the MM-CM copy S [RM]) only some of the data from the external or the main memory array MMA may be written to the cache cells CC. That is, an error may occur.
  • the CM initialization (S [IN]) step may be omitted. More specifically, this omission is determined by the data storage principle of the cache cells CC or the type of electrical signal including the information stored in the memory cells MC, the determination of which is illustrated in the examples below. Based on the knowledge level of one skilled in the art. For example, when the cache cell CC is implemented through a memory element having a short retention characteristic (ie, volatile), the CM initialization (S [IN]) step may be omitted. The CM initialization S [IN] may be performed in units of chapters or smaller data (pages).
  • each of the above-described steps may be changed in various ways, and each of the read and write operations may be performed in various combinations.
  • the MM-CM copy (S [RM]), the CM-MM copy (S [WM]), the CM write (S [WC]), and the The CM read (S [RC]) may be performed by transmitting data in units smaller than chapters.
  • chapter data stored in the cache memory array CMA may be different from data transmitted from the main memory array MMA through the MM-CM copy S [RM]. It may be the sum of data transmitted from the peripheral area through the CM write (S [WC]).
  • the MM-CM copy (S [RM]) may be performed in units of data or chapters of chapters or less as shown in FIGS. 26 and 27, and the CM write (S [WC]) is performed in FIG. 27. It may be performed in an overwrite manner as shown in FIG.
  • the chapter data stored in the cache memory array CMA is different from that of the main memory array MMA obtained through the steps of the MM-CM copy S [RM]. It can be the sum of two chapter data.
  • various modifications in the data processing method have been described, but embodiments of the present invention are not limited thereto, and may be variously modified based on the additional technical descriptions and known techniques provided below.
  • 30 and 31 are tables for exemplarily describing some of technical features of operating steps of a 3D memory device according to example embodiments.
  • the CM write (S [WC]) and the CM read (S [RC]) take a current path through the bit line BL, the cache cell CC, and the select line SL. It may be performed in units of pages. In this case, since it is not necessary to form a current path connected to the memory cells MC, the problem of disturbance to the main memory array MMA can be prevented.
  • the MM-CM copy (S [RM]) and the CM-MM copy (S [WM]) share a current path through the bit line BL, the cache cell CC, and the memory cell MC. It can be performed in units of chapters. In this case, a disturbance phenomenon may appear, but since each of them is one chapter data transmission process, the problem of repetitive disturbance can be prevented.
  • the cache memory array CMA may include the bit line BL as the select line SL and the internal wiring of the main memory array MMA as illustrated in FIG. 31.
  • VL or HL may include a selector or switch that can be selectively connected to any one.
  • the selector may be provided as part of the selection structure SLS described with reference to FIG. 6.
  • CM write S [WC] is a process of writing data transmitted from the peripheral area to the cache cell CC
  • data is transferred from the bit line BL to the cache cell CC. Is transmitted in a direction towards.
  • the signal direction in the CM write S [WC] can be antiparallel to (On the other hand, the direction of the signal mentioned herein may vary depending on the structure and operating principle of the memory or cache cells, and may differ from the direction of the current.)
  • the selector may be configured to implement such a change in signal direction.
  • 32 shows an example of a direction of a write current according to the type of the cache cell CC and a possible type of the selector for implementing the same.
  • FIG. 33 is a circuit diagram exemplarily illustrating a cache cell array (CMA) including unit cache memories, and FIGS. 34 and 35 schematically and exemplarily illustrate some of the possible structures of the unit cache memory.
  • CMA cache cell array
  • the cache memory array CMA may include unit cache memories CMU arranged in two dimensions.
  • Each of the internal wires (eg, VL or HL) of the main memory array MMA is connected to a corresponding one or second of the first lines L1 through a corresponding one of the unit cache memories CMU. May be connected to the corresponding one of the lines L2.
  • the first lines L1 are arranged to cross the second lines L2, and the internal lines VL or HL cross both the first and second lines L1 and L2. It may have a long axis to shout.
  • the first and second lines L1 and L2 and the internal lines VL or HL may be substantially perpendicular to each other.
  • Each of the unit cache memories CMU may include at least one cache cell CC for data storage and at least one selector ST for changing the aforementioned signal transmission path or current path.
  • the operation of the cache cell CC and the selector ST may be controlled by the cache line CWL, which may be one of the first or second lines L1 and L2.
  • 33-35 illustrate embodiments in which the cache line CWL is implemented using the second line L2, the cache line CWL is similarly similar. It may be implemented using the first line L1.
  • the first line L1 is used as the bit line structure BLS or the bit lines BL, and the second line L2 is described with reference to FIGS. 30 and 31. It can be used as a wiring for implementing a change of the current path.
  • these functions of the first and second lines L1 and L2 may be interchanged.
  • the structure of the cache line CWL may be varied according to the structure and / or principle of operation of the cache cell CC and the selector ST, as shown in FIG. 34.
  • the cache line CWL may include one or more lines SL, GL, and CL used to control the selector ST and / or the cache cell CC.
  • the selector ST is a two-terminal switching element (for example, provided between the selection source line SL and the cache cell CC, as in types A and B of FIGS. 34 and 35, for example). Diodes), but as in types C and D of FIGS. 34 and 35, a three-terminal switching element (e.g., further comprising a control line or a gate line GL in addition to the selection source line SL) , Transistors).
  • the cache cell CC as in types A and C of FIGS.
  • the cache line CWL may include the selection source line SL, the gate line GL, and the like according to the type, structure, and / or operating principle of the cache cell CC and the selector ST. It may be configured to include at least one of the cache control line (CL).
  • the unit cache memory CMU or the cache cell CC may be implemented using one of the memory elements illustrated in FIG. 36.
  • the unit cache memory (CMU) is DRAM, SRAM, FRAM, NAND FLASH, MRAM, STT-MRAM, PCRAM, NRAM, RRAM, CBRAM, SEM, T-RAM, Z-RAM, Polymer, Molecular, Racetrack It may include one selected from the group consisting of memory elements known as, Holographic, Probe and the like.
  • the unit cache memory (CMU) is at least one of the known memory elements (e.g., at least one of the memory elements, disclosed in the documents constituting the International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) and its reference list). ) May be included.
  • the cache cells CC may be memory cells based on a data storage principle different from that of the memory cells MC.
  • the main memory array (MMA) may be implemented in the form of a three-dimensional NAND flash memory, PCRAM, CBRAM, or ReRAM
  • the cache memory array (CMA) is SRAM, PCRAM, STT-MRAM, CBRAM
  • the T-RAM, the ReRAM, or the Z-RAM may be implemented using other than the memory cells MC.
  • the cache and memory cells CC and MC may be memory cells of the same kind or memory cells based on the same or similar operating principle.
  • each of the cache cells CC may be configured to have a faster write and / or read speed than each of the memory cells MC.
  • the cache cells CC may include memory elements (eg, PCMs) having variable resistance characteristics shown in FIG. 36. , MTJ, Z-RAM, CBRAM, ReRAM materials, etc.).
  • the main memory array MMA is comprised of nonvolatile memory elements
  • the cache memory array CMA is a volatile or nonvolatile memory having a faster operating speed than the memory cell MC. It may consist of elements.
  • the cache cells CC may be implemented in the form of SRAM, T-RAM, or Z-RAM.
  • a type of memory element for the cache memory array CMA may include a principle of operation of the memory cells MC and characteristics of an electrical signal for operation (for example, unidirectional or bidirectional, voltage application or current application). , Amount of current, speed, etc.) or various technical requirements for the cache memory array (CMA) itself (eg, operability as RAM or buffer memory).
  • the MM-CM is configured such that the characteristic of the read signal of the cache cell CC corresponds to the characteristic of the write signal of the memory cell MC.
  • the cache cell CC and the memory cell C are arranged such that the characteristics of the read signal of the memory cell MC correspond to the characteristics of the write signal of the cache cell CC. It may be necessary to design MC).
  • the cache and memory cells CC and MC may be combined to maximize the technical effects of the disturbance reduction and the read / write time reduction described below with reference to FIGS. 77 to 79.
  • the main memory array MMA may be configured to include one of the array structures illustrated in FIG. 37.
  • the main memory array MMA uses the internal line VL / HL as a channel region (eg, as in a cell string of NAND flash memory). ) May be provided in a structure including a plurality of memory cells MC connected in series.
  • the main memory array MMA may be provided in a structure including a plurality of memory cells MC connected in parallel to the internal line VL / HL. have.
  • each of the memory cells MC may be configured to include a rectifying element (eg, a diode) as in type D.
  • the internal line VL / HL may be a semiconductor material whose potential is controlled by a conductive line, and the electrical connection between the memory cells MC and the cache cell CC may be Can be controlled by conductive lines.
  • the conductive line and the inner line VL / HL may form a structure of a MOS capacitor or a vertical path control structure VPCS.
  • the MM-CM copy S [RM] may be a process of writing data read from the memory cells MC to the cache cell CC.
  • a read operation of the memory cell MC is performed in pairs with a write operation of the cache cell CC.
  • the CM-MM copy S [WM] may be a process of writing data read from the cache cell CC to the memory cell MC.
  • a write operation of the memory cell MC may be performed in pairs with a read operation of the cache cell CC.
  • the paired operations are characterized by electrical or operational characteristics (e.g., For example, it is necessary to harmonize with each other in the amount of current and operating time).
  • the semiconductor device may further include an environmental structure (EVS) configured to enhance the effectiveness of this pairing.
  • EVS environmental structure
  • the environmental structure EVS may be configured to adjust an electrical resistance of a path connecting the memory cell MC and the cache cell CC.
  • the environmental structure EVS is further configured to mitigate inconsistencies in electrical characteristics therebetween, which may occur during a data exchange or copy operation between the memory cell MC and the cache cell CC.
  • the data exchange or copy operation may include a data transfer process configured to directly or indirectly pass through the additional memory element provided in the environment structure EVS.
  • the environmental structure EVS may be configured to bring about a change in an operating environment (eg, temperature) of the cache cell CC.
  • the environmental structure EVS may be configured to operate locally or selectively, for which it may comprise a plurality of environmental control elements and conductive lines for electrically controlling them.
  • the environmental structure EVS may include photoelectric conversion elements for converting an electrical signal into an optical signal or vice versa.
  • FIGS. 4 to 7 illustrates an example in which the environmental structure EVS is interposed between the main memory array MMA and the wiring structure UWS, but embodiments of the present invention are limited thereto. no.
  • the location of the environmental structure EVS may be variously modified as described with reference to FIGS. 4 to 7.
  • the main memory array (MMA) is configured to have a structure of vertical channel three-dimensional NAND flash (e.g., BiCS or TCAT) as in type A of FIG. 37
  • the cache memory array (CMA) May be configured to include cache cells CC that are two-dimensionally arranged on the main memory array MMA.
  • the cache cells CC are high speed resistive memory elements (eg, STT-MTJ) operating using bidirectional current will be described by way of example.
  • the cache cells CC may be interposed between the bit line BL and the main memory array MMA, and the vertical line VL may be a semiconductor pattern perpendicular to an upper surface of the substrate SUB. And a charge storage layer (eg, ONO), which functions as the memory cells MC, may be interposed between the vertical line VL and the horizontal line HL.
  • the semiconductor pattern of the vertical line VL may include, for example, n-type impurity regions used as source and drain electrodes, and a vertical or intrinsic vertical channel region interposed therebetween.
  • the n-type impurity regions may be replaced with a metal-containing film that may form a rectifying device together with the vertical channel region.
  • the horizontal lines HL or the word lines WL may include metal or doped silicon.
  • a plurality of gate lines GL may cross the bit lines BL between the cache cells CC and the main memory array MMA.
  • Each of the gate lines GL may be used as a gate electrode of a transistor (ie, the selector T) using the semiconductor pattern of the vertical line VL as a channel region, and the selection source line SL And an electrical path between the cache cell and the cache cell CC.
  • the vertical channel region is electrically connected for the CM write (S [WC]) and the CM read (S [RC]), as shown in FIGS. 39, 40, and 43. It is not used as a path. Accordingly, the problem of read and write disturbances that may be applied to the main memory array MMA can be reduced.
  • CM write S [WC] As shown in FIGS. 39 and 40, either one of the cache lines CWL or the selection source lines SL and the plurality of bit lines BL.
  • Operating voltages can be applied.
  • input data may be transferred to the cache cells CC through the bit lines BL (eg, from a page buffer of a peripheral circuit).
  • a voltage for example, V1 or Vlow
  • a voltage applied to a part of the bit lines BL may be different from a voltage (eg, V2 or Vhigh) applied to another part. .
  • the write current for the cache cell CC is connected to it. And may be selectively formed by a potential difference between the bit line BL and the selection source line SL.
  • a question mark (?” Indicates that a current path via it may be selectively formed by the data stored in the memory element it points to, or an associated data write operation may optionally be performed. That means you can.
  • a bit line voltage V_BL is applied to the bit lines BL, and any of the word lines WL is applied.
  • the program voltage Vpgm is applied to one (hereinafter, selected word line).
  • the current path from the bit line BL to the cell string may be selectively generated depending on data stored in each of the cache cells CC. For example, when the cache cell CC is in an on state, the corresponding channel region may have a potential substantially equal to that of the bit line (ie, V_BL) (eg, 0V). In this case, when the voltage (ie, Vpgm) applied to the selected word line is high, a program through F-N tunneling occurs.
  • the cache cell CC when the cache cell CC is in an off state, the corresponding channel region is electrically isolated, and thus has a potential increased by voltages applied to the word lines WL. As a result, the potential difference with the program voltage can be reduced. That is, program prevention through self-boosting technology may be enabled.
  • a plurality of bit lines BL and one of the word lines WL may be used. Operating voltages are applied.
  • a current path through each of the cache cells CC may be selectively generated depending on each of the data stored in the two-dimensional memory cells MC controlled by the selection word line. have.
  • the data of the corresponding cache cell CC may be changed (for example, in a high resistance state or an off state).
  • the CM initialization S [IN] may be performed to turn on the cache cells CC.
  • CM read S [RC] As shown in FIGS. 39 and 43, different operating voltages V1 and V2 are applied to any one of the cache lines CWL or the selected source lines SL. One and one may be applied to the bit lines BL, respectively. In this case, according to the applied voltage condition, a current in the direction shown in FIG. 39 or the opposite direction may be selectively generated depending on the data stored in the cache cell CC.
  • the sense amplifiers in the peripheral region may be configured to detect variations in the electrical state (eg, potential) of the bit lines caused by the generation of such current paths. As illustrated in FIG. 43, the CM read S [RC] may be performed in page units (or less).
  • the read and write operations described above may be performed selectively and / or randomly on a portion (eg, page or less) of the cache memory array (CMA). Further, such selective read and write operations to the cache memory array CMA may be performed independently without access to the main memory array MMA.
  • the cache memory array CMA can be used as L1, L2, or L3 cache.
  • Access to the main memory array (MMA) may be performed at a time when it is determined that long-term storage of data stored in the cache memory array (CMA) is necessary. That is, the main memory array MMA may be used as storage, for example.
  • the need for string select lines SSL which is required in the prior art, may be reduced.
  • the CM-MM copy S [WM] may be effectively performed even when the string select lines SSL are not present. Nevertheless, this does not necessarily require the removal of the string select lines SSL.
  • the string select line SSL may be used as the gate line GL of the selector ST.
  • the semiconductor pattern constituting the vertical line VL is used as an active pattern of the selector ST, and a current path between the bit line BL and the cache cell CC is connected to the gate line. GL) or the string select line SSL.
  • the bit line BL may be formed using a process of patterning the string select line SSL, and may be formed of a conductive material capable of forming the semiconductor pattern and the rectifying device. .
  • a conductive thin film eg, n + polysilicon
  • the bit line BL may be formed to cross the gate line GL.
  • the main memory array MMA may be programmed (for example, in page units) through the MM direct write operation S [WMd]. For example, if the cache cells CC do not have a sufficiently high resistance even when in the off state, it may be difficult to implement the above-described self-boosting technique. In this case, the MM direct write (S [WMd]) step may be performed.
  • the erase operation on the main memory array MMA may be equally performed based on known conventional techniques.
  • the CM initialization S [IN] may be implemented using one of three methods as shown in FIG.
  • the CM initialization S [IN] may be performed using a current path through the selector ST without access (ie, disturbing) to the main memory array MMA, or the common source line. It may be implemented using a current path through the CSL and the main memory array MMA.
  • the CM initialization S [IN] may be performed in units of chapters. In this case, a large current may be discharged through the selection source line SL or the bit line BL.
  • the select source line SL or the bit line BL may be formed to a sufficiently thick thickness to enable such a large current discharge.
  • the selection source line SL when the selection source line SL is provided on the selector ST, the selection source line SL has a thick thickness (e.g., 100 nm-5 um). 46, the CM write (S [WC]) and the CM-MM copy (S [WM) even when the selection source line SL is provided on top of the selector ST. ]), The MM-CM copy (S [RM]), and the CM read (S [RC]) may be effectively performed.
  • the bit line BL may be formed to cross the gate line GL.
  • the structure of the selector ST or the illustrated voltage conditions may be changed in various ways according to the type and operation method of the cache cells CC.
  • the main memory array MMA is configured to include variable resistance memory elements connected in parallel to the internal line VL as in type D of FIG. 37, wherein the cache memory array CMA is It may be configured to include cache cells (CC) two-dimensionally arranged above or below the main memory array (MMA).
  • the cache cells CC are memory elements having bidirectional current characteristics will be described as an example.
  • the cache cells CC may be provided in the form of FBM or Z-RAM described with reference to FIG. 36.
  • the cache memory array CMA may be implemented in an easier or simplified structure than the bidirectional current.
  • the unidirectional current characteristic can be implemented through a two-terminal switching element (eg a diode), compared to the case where a three-terminal switching element (eg a transistor) is used to realize the bidirectional current characteristic. It can have a simplified structure. Therefore, the description of the embodiments in which the cache cells CC have a unidirectional current characteristic will be omitted.
  • a two-terminal switching element eg a diode
  • a three-terminal switching element eg a transistor
  • the internal line VL may be connected to a connection node positioned between the cache cell CC and the selector ST constituting the unit cache memory CMU.
  • the inner line may be any one of the horizontal lines HL, HLx, and HLy, but for the sake of brevity, the description of these embodiments will be omitted.
  • Each of the bit lines BL may be It may be connected to the internal line VL via the cache cell CC, and the operation of the cache cell CC may be controlled by the cache control line CL crossing the bit lines BL. .
  • the selection source line SL may be connected to the internal line VL via the selector ST, and the operation of the selector ST may be performed through the gate line GL across the bit lines BL. Can be controlled by
  • Embodiments of the present invention are not limited to the voltage condition, circuit structure, or wiring structure shown in FIGS. 47 to 52.
  • FIG. 53 shows that the gate lines GL are connected to each other and may be used as a common gate electrode of adjacent ones of the cache cells CC.
  • the current direction is not limited to that illustrated in FIG. 47, and may be variously modified according to a developer's needs.
  • the structure and connection of the cache cells CC implements the operations described with reference to FIGS. 15 to 29 based on one of the conventional cell array structures used in DRAM, FRAM, NOR flash, and the like. It can be modified to.
  • each of the bit lines BL may be connected to the internal line VL via the selector ST, and the operation of the selector ST may be performed by the bit line. It may be controlled by the gate line GL across the field BL.
  • the selection source line SL may be connected to the internal line VL via the cache cell CC, and the operation of the cache cell CC may be a cache control line crossing the bit lines BL. Can be controlled by (CL).
  • CL Can be controlled by
  • the main memory array MMA may be configured to have a type D structure of FIG. 37
  • the cache memory array CMA may be configured to have a type C structure of FIGS. 34 and 35. have. That is, the cache memory array CMA uses a two-terminal memory element (for example, a variable resistance memory element) provided between the bit line BL and the internal line VL as the cache cell CC. It can be configured to.
  • the selection source line SL may be connected to the internal line VL through the selector ST.
  • FIG. 55 shows that the operations described with reference to FIGS. 15 to 29 can be effectively implemented even when the cache cell CC is provided in the form of a two-terminal memory element.
  • the main memory array MMA may be configured to have a type A structure of FIG. 37
  • the cache memory array CMA may be configured to have a type D structure of FIGS. 34 and 35. have.
  • the internal structure of the cache memory array CMA may be configured substantially the same as that of FIG. 54. That is, the cache memory array CMA may include a three-terminal memory element (eg, FBM or Z-RAM) provided between the selection source line SL and the internal line VL. It can be configured to use as.
  • the internal structure of the cache memory array CMA may be modified to be substantially the same as that of FIG. 55.
  • FIGS. 15 through 29 illustrates that the operations described with reference to FIGS. 15 through 29 are effective even when the cache cell CC is provided in the form of a two-terminal memory element and the main memory array MMA is provided as a structure of a NAND string. It can be implemented.
  • the main memory array MMA may be configured to have a type D structure of FIG. 37
  • the cache memory array CMA may be configured to have a type B structure of FIGS. 34 and 35. have. That is, the cache memory array CMA may include a three-terminal memory element (eg, FBM or Z-RAM) provided between the selection source line SL and the internal line VL. And a two-terminal switching element (for example, a diode) provided between the bit line BL and the internal line VL as the selector ST. Even when using the two-terminal switching element as the selector ST, FIG. 57 shows that the operations described with reference to FIGS. 15 to 29 can be effectively implemented.
  • a three-terminal memory element eg, FBM or Z-RAM
  • a two-terminal switching element for example, a diode
  • CM-CM copy S [CC] is a diagram illustrating an example of an implementation of the CM-CM copy (S [CC]) step.
  • the CM-CM copy S [CC] may be effectively performed in embodiments in which the unit cache memory CMU is provided in the structure of type D of FIG. 34.
  • a predetermined potential difference eg, Vcc-GND
  • Different operating voltages Vread and Vwrite may be applied to the signals CL.
  • 59 and 60 are perspective views illustrating a semiconductor device in accordance with some embodiments of the present invention.
  • the main memory array MMA is configured to have a structure of vertical channel three-dimensional NAND flash (eg, BiCS or TCAT) as in type A of FIG. 37, and the cache memory array (
  • the CMA may be configured to include cache cells CC that are two-dimensionally arranged on the main memory array MMA.
  • the cache cells CC may be high speed resistive memory elements (eg, STT-MTJ) that operate using bidirectional current.
  • the bit lines BL may be provided on the cache cells CC as shown in FIG. 59 or between the cache cells CC and the main memory array MMA as shown in FIG. 60. . In other words, FIG.
  • the selection source line SL may be formed in a thick plate shape and a low resistivity material. This enables the above-mentioned large current discharge.
  • the cache memory array CMA is configured to include cache cells CC arranged two-dimensionally below the main memory array MMA, and the cache cells CC are illustrated in FIG. 36. It may be configured to include the Z-RAM or FBM described with reference.
  • the apparatus shown in FIG. 61 may be one of examples implementing the embodiment described with reference to FIG. 47, and FIGS. 62 to 65 may be examples implementing the embodiments described with reference to FIGS. 54 and 56. have.
  • the selector ST or the cache cells CC may be implemented in the form of a planar transistor using an SOI substrate including an buried oxide film BOX as shown in FIG. 61 or a vertical channel surround gate transistor as shown in FIG. It can be implemented in the form of or by a combination of these two transistor structures as shown in FIG.
  • the type and arrangement of the selector ST is not limited to the MOS transistor as shown, and may be variously modified to have a structure corresponding to electrical characteristics required for the cache cells CC.
  • the selector ST may itself be configured to function as the cache cell CC, in which case the technical features in the embodiments to be described with reference to FIG. 72 are described. Can be implemented.
  • each of the vertical lines may constitute a vertical path control structure (VPCS).
  • VPCS vertical path control structure
  • Technical features related to the vertical path control structure (VPCS) are disclosed in PCT Publication No. WO 2010/018888 (2010.02.18) and US Application No. 13 / 059,059, the contents of which are fully incorporated as part of the present invention.
  • the use of the vertical path control structure VPCS is parasitic between three-dimensionally arranged memory cells MC, even when no rectifying element (eg, diode) is placed in each of the memory cells MC. It is possible to cut off the current path.
  • one of the cache cells CC may be uniquely selected, but the vertical line VL may be metallic.
  • the vertical path control structure VPCS is connected to each of the cache cells CC and is disposed to face the semiconductor pattern used as the vertical line VL and the semiconductor pattern to control the potential of the semiconductor pattern. It can be configured to include a control electrode. In this case, generation of the above-described hidden parasitic current path may be blocked.
  • the vertical path control structure VPCS when used to connect with the cache memory array CMA, a parasitic current path therein without using a rectifying element in the main memory array MMA. You can block the creation of sneak paths. Since the rectifying element is omitted, a structure of the main memory array MMA and a method of manufacturing the same may be simplified, and a description of a matching or combination between the cache cells CC and the memory cells MC may be provided. Requirements can be relaxed.
  • FIG. 67 is a diagram schematically illustrating paths of a 3D memory device and an operating current according to some embodiments of the present disclosure.
  • the memory cells MC may be configured to have a unidirectional current characteristic by including a rectifying element.
  • the currents used for the CM-MM copy (S [WM]), the MM-CM copy (S [RM]), and the CM read (S [RC]) are as shown in FIG. It may have the same direction.
  • the cache cells CC may be configured to have bidirectional current characteristics. In this case, the current path through the memory cells MC is difficult to use for initialization of the cache cells CC.
  • the separate current path DL may be implemented using one of the word lines WL.
  • the cache cells CC do not have a bidirectional current characteristic or (ie, volatile) memory element having a short retention characteristic, it may not be necessary to form the separate current path.
  • a separate current path may be adaptively implemented based on the types of the cache cells CC and the memory cells MC and their combined characteristics, as shown in FIG. 67. It is not limited to.
  • gate electrodes of the switching transistors connected to the separate current path DL and the bit line BL may be independently controlled, unlike illustrated.
  • FIG. 68 is a schematic perspective view illustrating a semiconductor memory device in accordance with some embodiments of the present invention.
  • the apparatus of FIG. 68 may include a plurality of blocks as shown, each of which may be provided in the form of the first basic structure of FIG.
  • the blocks are connected in parallel to the bitline structure BLS connected to a bitline decoder and / or a sense amplifier BLD / SA, each main memory array MMA being an independent wordline decoder WLD. ) Can be connected.
  • the main memory array MMA may be configured to include two-dimensionally arranged memory cells MC.
  • the cache memory array CMA may be provided between the main memory array MMA and a peripheral circuit in order to reduce disturbance and increase speed of the main memory array MMA.
  • the cache lines CWL may be substantially parallel to the second horizontal lines HLy, and the bit lines BL may cross the cache lines CWL.
  • the bit lines BL may be substantially parallel to the second horizontal lines HLy, and the cache lines CWL may cross the bit lines BL. Large dotted lines represent each chapter, and small dotted lines represent each page.
  • the cache cells CC may be provided in a multi-layer or multi-column structure.
  • the cache cells CC may be three-dimensionally arranged, and at least two cache cells CC may be connected in series to each of the first horizontal lines HLx.
  • the cache memory array CMA may include at least two chapters, and the cache memory array CMA may have a three-dimensional block structure.
  • at least two cache cells CC may be connected to each of the first horizontal lines HLx in parallel. This means that the cache memory array CMA has a two-dimensional block structure, but the cache memory array CMA may be configured to store at least two chapters.
  • the cache cells CC when a plurality of the cache cells CC are connected in series or in parallel to each of the first horizontal lines HLx, they may implement different functions or higher operating speeds. Can be used for For example, one of them may be used to perform the CM-MM copy or the MM-CM copy, and the other may temporarily change chapter data to be written to that chapter or another chapter during the CM-MM copy or the MM-CM copy. Can be used for storage. That is, the cache memory array CMA may be configured to hold a plurality of chapter data.
  • the memory cells MC are memory elements capable of implementing a multilevel cell MLC
  • the plurality of cache cells CC connected to each of the first horizontal lines HLx may be the memory cells MC. Can be used to implement this multilevel characteristic.
  • each of the cache cells CC may be a memory element capable of implementing a multilevel characteristic, in which case the technical features described with reference to FIG. 71 or 72 (eg, , Various functions or improved operating speeds) may be implemented using such multi-level cache cells CC.
  • FIGS. 71 and 72 may be implemented in physical terms by forming the cache memory array CMA as a single layer or a multi-layer structure.
  • each of the structures shown in FIG. 4 may also be configured to implement the technical features or technical effects described with reference to FIGS. 71 and 72.
  • the cache memory array CMA of FIGS. 71 and 72 is shown to be parallel to the yz plane, but may be configured to be parallel to the xz or xy plane.
  • FIG. 73 illustrates an example of a memory semiconductor chip including the main memory array MMA and the cache memory array CMA.
  • FIG. 74 illustrates the main memory array MMA and the cache memory array CMA.
  • An example of a processor eg, CPU or AP
  • the semiconductor device according to example embodiments of the inventive concept may be configured to have structural features illustrated in FIGS. 73 and 74.
  • the main and cache memory arrays MMA and CMA may be portions of one chip formed in a monolithic manner, each of which is L1 and L2. It can be used as caches or as L2 and L3 caches.
  • 73 and 74 further comprise circuits (eg, a controller) configured to adaptively perform a cache algorithm or each of the steps of FIGS. 15-29 with respect to the cache memory array (CMA). can do.
  • the chapter is composed of data or cells arranged two-dimensionally on a predetermined plane.
  • the plane may mean a plane in terms of data-hierarchical structure.
  • one chapter of the cache memory array CMA is not a concept limited to a particular one of the blocks.
  • the cache memory array CMA may be configured as partial cache memory arrays PCMA distributed in each of a plurality of blocks.
  • the number of cache cells CC constituting each of the partial cache memory arrays PCMA is determined by the main memory array MMA (eg, connected thereto).
  • the number of memory cells MC (hereinafter, referred to as a storage density) constituting any one chapter of any one block may be substantially the same.
  • the cache density may be greater than the reservoir density.
  • the cache density may be twice the reservoir density.
  • the cache density may be less than the reservoir density.
  • each of the partial cache memory arrays PCMA may be configured to store page data. For example, as shown in FIG.
  • the semiconductor device may include a plurality of main memory blocks having a VG-NAND structure and a plurality of partial cache memory arrays PCMA connected to each of the main memory blocks. have.
  • the partial cache memory arrays PCMA may be controlled by the cache lines CWL across the bit lines BL, and the respective data storage size may be, for example, a page.
  • each of the cache cells CC may be implemented using a memory element having a unit area larger than that of each of the memory cells MC.
  • the cache cells CC may be memory elements having a large area (such as SRAM or racetrack memory, etc.), and the memory cells MC may occupy a small amount (such as crosspoint memory or flash memory, etc.). May be memory elements having an area.
  • the main memory array MMA and the cache memory array CMA are each implemented on different chips and then electrically connected to each other (eg, through silicon through vias). Can be.
  • the difference between the cache density and the storage density is large, as in the example of FIG. 76, since the size of the cache cells CC can be increased as described above, the difficulty in such an electrical connection is Can be mitigated.
  • the cache memory array CMA may be disposed on the substrate SUB or above or below the main memory array MMA (eg, in a single integrated manner). ) May be an internal structure of the integrated chip.
  • the cache memory array CMA may be distinguished from an external memory chip connected by using silicon-through vias or bonding wires having a size of several to several tens of micrometers.
  • the internal lines VL or HL connected to the cache cells CC may have a width of several nm to several tens of nm.
  • the above-described relationship between the cache density and the reservoir density is difficult to obtain from the silicon-through vias or bonding wires.
  • the cache cells CC may include connection lines (for example, vertical lines VL) constituting the main memory array MMA in a cell array region. Can be electrically connected to the In other words, the cache cells CC may be electrically connected to the memory cells MC without passing through a peripheral circuit (such as a page buffer, a bit line decoder, or a sensing circuit).
  • a peripheral circuit such as a page buffer, a bit line decoder, or a sensing circuit.
  • the cache memory array CMA is internal to the peripheral circuit in that the cache memory array CMA is longer than the peripheral circuit.
  • the internal lines VL or HL may be lines provided inside the semiconductor chip.
  • the silicon-via vias or bonding wires are used as interconnects connecting the I / O terminals of the stacked chips, which corresponds to the outer structure for the peripheral circuit of each of the stacked chips.
  • the inner lines VL or HL are formed so as not to completely penetrate the substrate SUB, and the length of the inner lines VL or HL may not be completely penetrated. May be smaller than the overall thickness of the substrate SUB or a chip including the same.
  • semiconductor chips according to embodiments of the present invention should not be implemented without the application of silicon-through vias or wafer bonding techniques.
  • semiconductor chips including the cache memory array (CMA) according to embodiments of the present invention may be provided as part of a multi-chip package using the silicon-through vias.
  • the CM read (S [RC]), the CM write (S [WC]) and the CM initialization (S [IN]) are electrically connected to the main memory array (MMA). Can be performed without access. Accordingly, data stored in the memory cells MC are not disturbed by these steps.
  • the CM-MM copy (S [WM]) and the MM-CM copy (S [RM]) access chapter-by-chapter once, without repetitive page-by-page access to the main memory array (MMA). It can be performed through. Accordingly, unnecessary access (ie, data disturbance) to the main memory array MMA may be reduced.
  • the number of disturbance operations occurring during normal read and write operations for one block of the main memory array MMA is substantially equal to the number r of chapters constituting each block, as shown in FIG. May be the same.
  • energy consumption in access to the main memory array MMA can be reduced.
  • the main memory array (at least as many as the number of pages constituting the chapter) is processed. Iterative approach to MMA) is required.
  • the number of disturbance operations may be substantially equal to the product of the number r of chapters constituting each block and the number q of pages constituting each chapter, as shown in FIG. 77. Can be.
  • these numbers are provided for a better understanding of the present invention, and in practice can be varied by additional operations (e.g., verify operations) to improve data reliability.
  • each of the cache cells CC has a faster writing and / or reading speed than each of the memory cells MC, a time required to read or write the entire chapter data (hereinafter, chapter reading time and chapter writing time). ) Can be reduced compared to the prior art which does not use the cache memory array (CMA).
  • the chapter read time may include a time T0 for reading page data from the memory cells MC once and the number of pages of each chapter ( q) ( ⁇ qx T0).
  • the chapter reading time may include: a) a time T0 ′ for reading chapter data once from the memory cells MC and b) page data for the cache cells ( CC) is equal to the sum of the time T1 spent reading from the product of the number of pages q of each chapter (ie, T0 '+ qx T1).
  • T0 'and T0 may be approximately equal, and thus, the chapter read time may be approximately T0 + q x T1.
  • the writing method of FIGS. 20 and 21 may have the same mathematical logic as that of the chapter read time, although there is a difference in operation order. Accordingly, the chapter writing time may be given as approximately T2 + qx T3 for the writing method of FIGS. 20 and 21, and qx T2 for the prior art (where T2 represents chapter data for the memory cells MC). Is a time required to write once, and T3 is a time required to write page data to the cache cells CC once).
  • the chapter reads Time and chapter writing time can be significantly reduced compared to the prior art.
  • Table 1 below shows an RRAM in which the memory cells MC have a read and write speed of approximately 25us and 200us, and the cache cells CC have a read and write speed of approximately 10ns and 10ns. Or, in case of STT-MRAM, it shows the time required for read and write operation for one chapter including 16 pages.
  • the read and write times (25.16us and 200.16us) for one chapter are calculated as one read and write times (T0 (25.00) for the memory cell. us), little difference from T2 (200.00us)). Accordingly, when including the cache memory array (CMA), the read and write time for the chapter data can be as fast as the number of pages constituting one chapter (approximately 16 times in the case of Table 1) compared to the other case. have.
  • an electronic product 1000 may include a memory device 1001 and an electronic component 1002 that operates independently or independently of the memory device 1001. Can be.
  • the electronics 1000 may include electronic components (such as memory modules, SSDs, processors, controllers, or memory cards), personal electronic products (such as mobile devices, wearable devices, image recording / storage devices, laptops, or computers), And complex systems (such as data centers, server systems, clouding systems, medical devices, military devices, automobiles, ships, or broadcast equipment, etc.).
  • the memory device 1001 may be provided in a form including at least one of the semiconductor devices according to the embodiments of the present invention described above.
  • the electronic component 1002 may be provided in the form of a capacitor, a resistor, a coil, a semiconductor chip (eg, a controller), and / or a wiring board.
  • the electronic component 1002 may include an antenna, a display, a control device, user information input means (for example, a touch panel) and / or a power source, and, in the case of a system, The electronic component 1002 may include an input / output means, a housing and / or a power supply unit.
  • Embodiments of the present invention can be used to implement a semiconductor device having a three-dimensional memory cell array.

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Abstract

Provided are 3D semiconductor devices having a cache memory array. The cache memory array can be configured to save at least page-unit data. Writing and/or reading actions using the cache memory array can be performed to effectively reduce data disturbance of a main memory array while enabling increased speed of action.

Description

챕터 데이터가 저장될 수 있는 캐쉬 메모리 어레이를 구비하는 3차원 반도체 장치 및 그 동작 방법Three-dimensional semiconductor device having a cache memory array that can store chapter data and its operation method
본 발명은 3차원 메인 메모리 어레이와 1차원 페이지 버퍼 사이에 제공된 2차원 캐쉬 메모리 어레이를 구비하는 3차원 반도체 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a three-dimensional semiconductor device having a two-dimensional cache memory array provided between a three-dimensional main memory array and a one-dimensional page buffer.
3차원적으로 배열되면서 재기록이 가능한 메모리 셀들을 포함하는, 다양한 3차원 메모리 장치들이 제안되어 왔다. 예를 들면, 3차원 플래쉬 메모리 장치들 및 3차원 크로스-포인트 메모리 장치들이 2차원 메모리 장치들에서의 기술적 한계를 극복하기 위해 연구되고 있다. 3차원 메모리 장치들은 기판 상에 차례로 적층된 복수의 수평 전극들(예를 들면, 3D 수직 채널 낸드 플래시 장치의 워드라인들)을 포함할 수 있다. 연결 구조에서의 복잡성을 피하기 위해, 상기 수평 전극들 중에서 동일한 높이에 위치하는 복수의 것들은 전기적으로 서로 연결된다. 이러한 연결 구조의 결과로서, 3차원 메모리 장치들은 프로그램 및 읽기 교란 문제에 취약하다. Various three-dimensional memory devices have been proposed, including memory cells that are three-dimensionally arranged and rewritable. For example, three-dimensional flash memory devices and three-dimensional cross-point memory devices have been studied to overcome technical limitations in two-dimensional memory devices. The 3D memory devices may include a plurality of horizontal electrodes (eg, word lines of a 3D vertical channel NAND flash device) sequentially stacked on a substrate. In order to avoid complexity in the connection structure, a plurality of the horizontal electrodes located at the same height are electrically connected to each other. As a result of this connection structure, three-dimensional memory devices are vulnerable to program and read disturb problems.
본 발명의 일부 실시예들은 쓰기 및/또는 읽기 교란을 억제할 수 있는 3차원 메모리 장치들 및 그 동작 방법들을 제공한다. Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices capable of suppressing write and / or read disturb and methods of operation thereof.
본 발명의 일부 실시예들은 쓰기 및/또는 읽기 동작의 속도를 향상시킬 수 있는 3차원 메모리 장치들 및 그 동작 방법들을 제공한다. Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices and methods of operating the same that can speed up write and / or read operations.
본 발명의 일부 실시예들은 에너지 소모를 줄일 수 있는 3차원 메모리 장치들 및 그 동작 방법들을 제공한다. Some embodiments of the present invention provide three-dimensional memory devices and methods of operating the same that can reduce energy consumption.
본 발명의 실시예들에 따른 3차원 반도체 장치들은 페이지 이상의 데이터(예를 들면, 2차원적 챕터 데이터)를 저장하도록 구성된 캐쉬 메모리 어레이를 구비한다. 상기 캐쉬 메모리 어레이는 3차원적으로 배열된 메모리 셀들을 포함하는 메인 메모리 어레이와 주변 회로 영역(예를 들면, 비트라인 디코더 또는 페이지 버퍼) 사이에 제공된다. 상기 캐쉬 메모리 어레이의 사용은, 3차원의 메인 메모리 어레이와 1차원의 페이지 버퍼 사이의 차원 차이에 의해 초래되는, 데이터 교환에서의 기술적 어려움들(예를 들면, 쓰기/읽기 교란 또는 불필요한 에너지 소모)을 해결하는 것을 가능하게 한다. 이에 더하여, 상기 캐쉬 메모리 어레이가 상기 메인 메모리 어레이에 비해 빠른 동작 속도를 갖는 메모리 요소들을 사용하여 구현될 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이를 사용하지 않는 경우에 비해, 상기 메인 메모리 어레이에 대한 읽기 및 쓰기 동작의 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있다. Three-dimensional semiconductor devices according to embodiments of the present invention include a cache memory array configured to store more than one page of data (eg, two-dimensional chapter data). The cache memory array is provided between a main memory array including three-dimensionally arranged memory cells and a peripheral circuit area (eg, a bitline decoder or page buffer). The use of the cache memory array is a technical challenge in data exchange (e.g., write / read disturbance or unnecessary energy consumption) caused by the dimensional difference between the three-dimensional main memory array and the one-dimensional page buffer. Makes it possible to solve the problem. In addition, when the cache memory array is implemented using memory elements having a faster operating speed than the main memory array, read and write operations to the main memory array are compared to when the cache memory array is not used. It can dramatically improve the speed of.
상기 캐쉬 메모리 어레이의 사용에 의해, 3차원 메모리 장치들에서의 쓰기 및/또는 읽기 교란 그리고 에너지 소모를 효과적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 쓰기 및/또는 읽기 동작의 속도를 향상시킬 수 있다. The use of the cache memory array can effectively reduce write and / or read disturb and energy consumption in three-dimensional memory devices, as well as speed up write and / or read operations.
도 1는 일반적인 3차원 메모리 장치를 도시하는 개략적인 사시도이다. 1 is a schematic perspective view showing a typical three-dimensional memory device.
도 2는 메인 메모리 어레이의 다른 두 구조들을 도시하는 도면이다. 2 is a diagram illustrating two other structures of the main memory array.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치들의 일 예를 도시하는 개략적인 사시도이다.3 is a schematic perspective view illustrating an example of three-dimensional memory devices according to example embodiments.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치들의 배치 구조들을 예시적으로 도시하는 표이다. 4 is a table exemplarily illustrating layout structures of three-dimensional memory devices according to example embodiments.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치들의 다른 예들을 도시하는 사시도들이다.5 through 7 are perspective views illustrating other examples of three-dimensional memory devices according to example embodiments.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들의 일 측면을 개략적으로 보여주는 사시도들이다. 8 to 12 are perspective views schematically showing one side of main and cache memory arrays according to embodiments of the present invention.
도 13은 메인 메모리 어레이의 계층 구조를 예시적으로 도시하는 도면이다.FIG. 13 is a diagram exemplarily illustrating a hierarchical structure of a main memory array.
도 14는 비트라인들을 통해 수행되는 데이터 전송 과정의 일 측면을 보여주는 도면이다. 14 is a diagram illustrating an aspect of a data transmission process performed through bit lines.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치에서 수행되는 동작들의 일부를 도시하는 도면이다. FIG. 15 is a diagram illustrating some of operations performed in a 3D memory device according to example embodiments.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작들이 수행되는 방법을 예시적으로 보여주는 도면들이다. 16 and 17 are diagrams exemplarily illustrating a method of performing operations of a 3D memory device according to example embodiments.
도 18 및 도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 읽기 동작의 한 예를 보여주는 도면들이다. 18 and 19 are diagrams illustrating an example of a read operation of a 3D memory device according to example embodiments.
도 20 및 도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 쓰기 동작의 한 예를 보여주는 도면들이다. 20 and 21 are diagrams illustrating an example of a write operation of a 3D memory device according to example embodiments.
도 22 및 도 23은 각각 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 다른 동작들을 예시적으로 보여주는 도면들이다. 22 and 23 are diagrams illustrating other operations of a 3D memory device according to exemplary embodiments of the present invention, respectively.
도 24 내지 도 29는 변형된 동작 방법들 또는 이들의 조합을 통해 수행되는 데이터 처리 방법들을 예시적으로 보여주는 도면들이다. 24 to 29 are diagrams exemplarily illustrating data processing methods performed through modified operating methods or a combination thereof.
도 30 내지 도 32는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작 단계들의 기술적 특징들의 일부를 예시적으로 설명하기 위한 표들이다. 30 to 32 are tables for exemplarily describing some of technical features of operating steps of a 3D memory device according to example embodiments.
도 33은 단위 캐쉬 메모리들을 포함하는 캐쉬 셀 어레이를 예시적으로 도시하는 회로도이다. 33 is a circuit diagram exemplarily illustrating a cache cell array including unit cache memories.
도 34 및 도 35는 단위 캐쉬 메모리의 가능한 구조들의 일부를 개략적으로 그리고 예시적으로 보여주는 도면들이다.34 and 35 schematically and exemplarily illustrate some of the possible structures of the unit cache memory.
도 36은 캐쉬 셀들로 사용될 수 있는 메모리 요소들을 예시적으로 보여주는 도면이다. 36 is a diagram illustrating memory elements that may be used as cache cells by way of example.
도 37은 메인 메모리 어레이의 가능한 구조들의 일부를 예시적으로 보여주는 도면이다. 37 is a diagram illustrating some of the possible structures of the main memory array.
도 38은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작에서의 일 측면을 설명하기 위한 표이다. 38 is a table for describing an aspect of an operation of a 3D memory device according to example embodiments.
도 39 내지 도 43은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 39 to 43 are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments.
도 44 내지 도 46은 본 발명의 변형된 실시예들을 설명하기 위한 도면들이다. 44 to 46 are views for explaining modified embodiments of the present invention.
도 47 내지 도 53은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 47 to 53 are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments of the present inventive concepts.
도 54 내지 도 57은 본 발명의 다른 변형된 실시예들에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 54 to 57 are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to other modified embodiments of the inventive concept.
도 58은 CM-CM 복사의 한 예를 도시하는 도면이다.58 is a diagram illustrating an example of CM-CM copying.
도 59 및 도 60은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 사시도들이다. 59 and 60 are perspective views illustrating a semiconductor device in accordance with some embodiments of the present invention.
도 61 내지 도 65는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 도면들이다. 61 to 65 are diagrams illustrating semiconductor devices according to example embodiments of the inventive concepts.
도 66은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 반도체 장치 및 그 동작의 일부를 예시적으로 도시하는 도면이다. 66 is a diagram illustrating a semiconductor device and a part of an operation thereof according to some example embodiments of the inventive concepts.
도 67은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치 및 동작 전류의 경로들을 개략적으로 도시하는 도면이다. FIG. 67 is a diagram schematically illustrating paths of a 3D memory device and an operating current according to still other embodiments of the inventive concept.
도 68은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치를 도시하는 개략 사시도이다. 68 is a schematic perspective view illustrating a semiconductor memory device in accordance with some embodiments of the present invention.
도 69 내지 도 72는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 반도체 메모리 장치들의 일부 예들을 도시하는 회로도들이다. 69 through 72 are circuit diagrams illustrating some examples of three-dimensional semiconductor memory devices in accordance with some embodiments of the inventive concept.
도 73 및 도 74는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 칩들을 예시적으로 도시하는 개략적인 평면도들이다. 73 and 74 are schematic plan views illustrating semiconductor chips in accordance with some embodiments of the present invention.
도 75 및 도 76은, 각각, 분산된 부분 캐쉬 메모리 어레이들을 포함하는 본 발명의 실시예들을 예시적으로 도시하는 블록도 및 사시도이다. 75 and 76 are block diagrams and perspective views illustratively showing embodiments of the present invention that include distributed partial cache memory arrays, respectively.
도 77은 본 발명의 실시예들과 종래 기술에 따른 동작 방법들을 교란 횟수의 측면에서 비교한 그래프이다. 77 is a graph comparing embodiments of the present invention and operating methods according to the related art in terms of the number of disturbances.
도 78 및 도 79은 본 발명의 실시예들과 종래 기술에 따른 읽기 및 쓰기 동작들 사이의 소요 시간들을 비교한 그래프들이다. 78 and 79 are graphs comparing time required between read and write operations according to the embodiments of the present invention and the prior art.
도 80은 본 발명에 따른 메모리 장치를 포함하는 전자 제품을 도시하는 개략도이다. 80 is a schematic diagram illustrating an electronic product including a memory device according to the present invention.
본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The objects, other objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following embodiments related to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다. 또한, 도면의 구성 요소들의 크기 및 두께 등은 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용될 수 있지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제 2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 본 명세서에서 '및/또는' 이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In the present specification, when it is mentioned that a film (or layer) is on another film (or layer) or substrate, it may be formed directly on another film (or layer) or substrate or a third film between them. (Or layers) may be interposed. In addition, the size and thickness of the components of the drawings may be exaggerated for clarity. In addition, in various embodiments of the present disclosure, terms such as first, second, and third may be used to describe various regions, films (or layers), and the like, but these regions and films may be used by such terms. It should not be limited. These terms may only be used to distinguish any given region or film (or layer) from other regions or films (or layers). Therefore, the film quality referred to as the first film quality in one embodiment may be referred to as the second film quality in other embodiments. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. The expression 'and / or' is used herein to include at least one of the components listed before and after. Portions denoted by like reference numerals denote like elements throughout the specification.
한국 특허 번호 10-2012-0129303, 10-2012-0123938, 및 10-2012-0119179에 개시된 내용들은 이 출원의 일부로서 포함된다. The contents disclosed in Korean Patent Nos. 10-2012-0129303, 10-2012-0123938, and 10-2012-0119179 are included as part of this application.
여기에서 언급되는 기술 용어들은 아래의 의미로서 사용될 수 있다. 비트라인은 메모리 셀에 저장된 정보(즉, 전기적 신호)를 주변회로(예를 들면, 센싱 회로, 디코더 또는 페이지 버퍼 등)으로 전송하는데 이용되거나 외부 데이터를 메모리 셀로 전송하는 데 이용되는 신호 전송 라인을 의미한다. 워드라인은 하나의 비트라인에 접속하는 복수의 메모리 셀들 중의 일부를 선택하는데 이용되는 신호를 전송하도록 구성된 라인을 의미한다. The technical terms referred to herein may be used as the following meanings. A bit line is a signal transmission line used to transmit information (ie, an electrical signal) stored in a memory cell to a peripheral circuit (for example, a sensing circuit, a decoder, or a page buffer) or to transmit external data to a memory cell. it means. The word line refers to a line configured to transmit a signal used to select some of a plurality of memory cells connected to one bit line.
메모리 셀은 전하 저장이 가능한 물질 또는 박막 구조, 가변 저항 특성을 나타내는 물질 또는 박막 구조(예를 들면, PCM, MTJ, 저항성 메모리 요소)를 포함하는 영역을 의미할 수 있다. 하지만, 본 발명은 특정한 유형의 메모리 셀에 한정되는 것은 아니며, 사용되는 메모리 셀의 특성에 기초하여, 본 발명의 실시예들은 더욱 세분화되고 또한 다양화될 수 있다. The memory cell may refer to an area including a material or a thin film structure capable of charge storage and a material or a thin film structure (eg, PCM, MTJ, resistive memory element) exhibiting variable resistance characteristics. However, the present invention is not limited to a specific type of memory cell, and based on the characteristics of the memory cell used, embodiments of the present invention can be further subdivided and diversified.
인접하는 메모리 셀들은 공간적으로 서로 분리된 국소화된 패턴들의 형태로서 또는 서로 연결된 적어도 일부분을 포함하는 구조로서 제공될 수 있다. Adjacent memory cells may be provided in the form of localized patterns spatially separated from each other or as a structure including at least a portion connected to each other.
배선 또는 와이어는 낮은 비저항을 갖는 물질로 형성되는 도전 패턴을 의미할 수 있다. 예를 들면, 이들은 (이에 한정되는 것은 아니지만) 금속 또는 고농도의 반도체 물질일 수 있지만, 유기물, (나노 튜브 또는 그래핀 등과 같은) 탄소 나노 구조체, 또는 몰리브덴 황화물(molybdenum sulfide)가 상기 배선 또는 와이어를 구현하기 위해 사용될 수도 있다. The wiring or the wire may refer to a conductive pattern formed of a material having a low specific resistance. For example, they may be metals or high concentrations of semiconductor materials (but not limited to these), but organics, carbon nanostructures (such as nanotubes or graphene), or molybdenum sulfides may lead to the wiring or wires. It may be used to implement.
일부 실시예들에 따르면, 상기 주변 회로와의 데이터 교환은 광학적 신호의 형태로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 배선 또는 상기 비트라인은 광 도파로의 형태로 제공되고, 상기 주변회로는 스타커플러 등과 같은 다중화기(multiplexer)를 포함할 수 있다. According to some embodiments, the data exchange with the peripheral circuit may be in the form of an optical signal. In this case, the wiring or the bit line may be provided in the form of an optical waveguide, and the peripheral circuit may include a multiplexer such as a star coupler.
비록, 도면에서, 'F'는 해당 요소가 전기적으로 플로팅 상태에 있음을 나타내기 위해 사용되었지만, 이는 설명의 간결함을 위한 표기법일 뿐, 해당 요소에는 이를 경유하는 전류 경로가 생성되는 것을 방지할 수 있는 전압이 인가될 수도 있다. Although, in the figures, 'F' is used to indicate that the element is in an electrically floating state, this is merely a notation for brevity of description and can prevent the element from generating a current path through it. That voltage may be applied.
도 1는 일반적인 3차원 메모리 장치를 도시하는 개략적인 사시도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 3차원 메모리 장치는, 기판(SUB) 상에 제공된 메인 메모리 어레이(MMA) 및 비트라인 구조체(BLS)를 포함한다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 3차원적으로 배열된 메모리 셀들 및 상기 메모리 셀들을 연결하는 내부 라인들을 포함할 수 있다. 1 is a schematic perspective view showing a typical three-dimensional memory device. Referring to FIG. 1, a typical three-dimensional memory device includes a main memory array MMA and a bit line structure BLS provided on a substrate SUB. The main memory array MMA may include three-dimensionally arranged memory cells and internal lines connecting the memory cells.
예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 A-유형 또는 B-유형의 구조로 제공될 수 있다. 상기 A-유형의 경우, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 (1) 다행 및 다열 구조를 형성하면서 (즉, 2차원적으로) 상기 기판(SUB) 상에 배열되는 수직 라인들(VL), (2) 다층 및 다열 구조를 형성하면서 상기 수직 라인들(VL)을 가로지르는 복수의 수평 라인들(HL), 및 (3) 상기 수직 및 수평 라인들(VL, HL)의, 3차원적으로 배열된, 교차점들에 제공되는 메인 메모리 셀들(이하, 메모리 셀들)(MC)을 포함할 수 있다. 상기 B-유형의 경우, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 (1) 다층 및 다열 구조를 형성하는 제 1 수평 라인들(HLx), (2) 다층 및 다행 구조를 형성하는 제 2 수평 라인들(HLy), 및 (3) 이들의 교차점들에 제공되는 상기 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있다. 상기 수직 라인들(VL) 또는 상기 수평 라인들(HL, HLx, HLy)은 상기 비트라인 구조체(BLS)를 경유하여, 주변 회로에 전기적으로 연결될 수 있다. For example, as shown in FIG. 2, the main memory array MMA may be provided in an A-type or B-type structure. In the case of the A-type, the main memory array MMA is (1) vertical lines VL arranged on the substrate SUB (i.e. two-dimensionally) forming a multi-line and multi-row structure, ( 2) a plurality of horizontal lines HL crossing the vertical lines VL while forming a multi-layer and multi-row structure, and (3) a three-dimensional arrangement of the vertical and horizontal lines VL and HL. It may include main memory cells (hereinafter, referred to as memory cells) MC provided at intersections. In the case of the B-type, the main memory array MMA includes (1) first horizontal lines HLx forming a multilayer and multi-row structure, and (2) second horizontal lines forming a multi-layer and multi-line structure ( HLy), and (3) the memory cells MC provided at their intersections. The vertical lines VL or the horizontal lines HL, HLx, and HLy may be electrically connected to a peripheral circuit via the bit line structure BLS.
본 발명의 실시예들에 따르면, 3차원 메모리 장치는 도 3에 도시된 것처럼 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 비트라인들(BL) 사이에 제공되며 2차원적으로 배열된 캐쉬 메모리 셀들(이하, 캐쉬 셀들)(CC)을 포함하는 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 더 포함할 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 셀 어레이 영역의 일부로서 제공될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가, 예를 들면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 주변 영역을 구성하는 회로(예를 들면, 비트라인 디코더 및 센싱 회로) 사이에 제공됨을 의미한다. 또한, 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 주변 회로 영역에 배치되며 상기 비트라인들로부터 전송되는 또는 이들로 전송할 데이터를 보관하는 저장 공간(예를 들면, 1차원의 페이지 버퍼)과 구별되는 저장 공간임을 의미한다.According to embodiments of the present invention, a three-dimensional memory device is provided between the main memory array (MMA) and the bit lines (BL) as shown in Figure 3 and two-dimensionally arranged cache memory cells (hereinafter referred to as It may further include a cache memory array (CMA) including a cache cell (CC). The cache memory array CMA may be provided as part of a cell array region. This means that the cache memory array CMA is provided between, for example, the main memory array MMA and a circuit (for example, a bit line decoder and a sensing circuit) constituting a peripheral area. In addition, this means that the cache memory array CMA is disposed in a peripheral circuit area and is separated from a storage space (for example, a one-dimensional page buffer) that stores data transferred from or to the bit lines. Means.
상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA), 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 및 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이의 상대적 배치는 도 3에 도시된 것으로부터 다양하게 변형될 수 있다. 도 4는 이러한 다양한 변형들의 일부 예들을 도시하는 표이고, 도 5 내지 도 7은 이러한 다양한 변형들을 예시적으로 도시하는 개략적인 사시도들이다. The relative arrangement between the cache memory array CMA, the main memory array MMA, and the bit line structure BLS may be variously modified from those shown in FIG. 3. 4 is a table showing some examples of these various modifications, and FIGS. 5-7 are schematic perspective views illustratively showing these various modifications.
도 4를 참조하면, 제 1 기본 구조에 따르면, 도 5에서 유형 A로서 또는 도 3에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 기본 구조에 따르면, 도 5에서 유형 B로서 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이에 배치될 수 있다. 제 3 기본 구조에 따르면, 도 5에서 유형 C로서 도시된 것처럼, 상기 비트라인 구조체(BLS)가 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 사이에 배치될 수 있다. 제 4 기본 구조체 따르면, 도 5에서 유형 D로서 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 기판 상에 서로 인접하게 그리고 병렬적으로 배치되고, 상기 비트라인 구조체(BLS)는 이들의 상부에 제공될 수 있다. Referring to FIG. 4, according to the first basic structure, as shown in FIG. 5 or as type A in FIG. 3, the cache memory array CMA includes the main memory array MMA and the bit line structure BLS. It can be placed in between. According to a second basic structure, as shown as type B in FIG. 5, the main memory array MMA may be disposed between the cache memory array CMA and the bitline structure BLS. According to a third basic structure, as shown as type C in FIG. 5, the bitline structure BLS may be disposed between the main memory array MMA and the cache memory array CMA. According to a fourth basic structure, as shown as type D in FIG. 5, the cache memory array CMA and the main memory array MMA are disposed adjacent to and parallel to each other on a substrate, and the bitline structure ( BLS) may be provided on top of them.
상기 제 1 기본 구조는 도 6의 유형 A-S 및 유형 A-E로서 도시된 것처럼, (아래에서 보다 상세하게 설명될) 선택 구조체(SLS) 또는 환경 구조체(EVS)와 같은 추가적인 구조물의 존재에 의해 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 3차원 메모리 장치가 상기 선택 구조체(SLS)를 더 포함할 경우, 상기 제 1 기본 구조는 도 4의 제 1 내지 제 4 변형 구조들 중의 하나로 변형될 수 있다. 이에 더하여, 도 4의 제 5 내지 제 8 변형 구조들에서와 같이, 상기 제 1 기본 구조는 상기 비트라인 구조체(BLS) 상에 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 및 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 차례로 적층되는 구조(즉, 제 1 내지 제 4 변형 구조들의 뒤집어진 구조)를 갖도록 변형될 수 있다. The first basic structure is variously modified by the presence of additional structures, such as selection structure (SLS) or environmental structure (EVS) (described in more detail below), as shown as type AS and type AE of FIG. 6. Can be. For example, when the 3D memory device further includes the selection structure SLS, the first basic structure may be modified to one of the first to fourth modified structures of FIG. 4. In addition, as in the fifth to eighth modified structures of FIG. 4, the first basic structure may include the cache memory array CMA and the main memory array MMA on the bit line structure BLS in turn. It may be deformed to have a stacked structure (ie, an inverted structure of the first to fourth modified structures).
상기 선택 구조체(SLS)는, 예를 들면, (1) 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 내부 라인들(예를 들면, VL, HL, HLx 또는 HLy) 중의 하나 또는 일부를 선택하거나 (2) 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구성하는 도전 라인들 중의 하나 또는 일부를 선택하는 것을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 선택 구조체(SLS)는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 일부로서 해석될 수도 있다. 상기 선택 구조체(SLS)와 관련된 기술적 특징들은 이후 도 30 내지 도 35 그리고 도 39 내지 도 67을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. The selection structure SLS may be, for example, (1) selecting one or some of internal lines (eg, VL, HL, HLx, or HLy) constituting the main memory array MMA (2); ) May be configured to enable selection of one or some of the conductive lines constituting the cache memory array (CMA). In some embodiments, the selection structure SLS may be interpreted as part of the cache memory array CMA. Technical features related to the selection structure SLS will be described in more detail later with reference to FIGS. 30 to 35 and 39 to 67.
3차원 메모리 장치가 상기 환경 구조체(EVS)를 더 포함하는 경우에도, 상기 제 1 기본 구조는 상기 선택 구조체(SLS)가 제공된 변형들에서와 유사한 방식으로 변형될 수 있다. 상기 환경 구조체(EVS)는 이후 도 38을 참조하여 보다 상세하게 설명될 짝 맞춤의 유효성을 강화시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 상기 제 2 내지 제 4 기본 구조들 각각 역시, 상기 제 1 기본 구조에 대한 변형 구조들과 같이, 다양하게 변형될 수 있다. Even if a three-dimensional memory device further comprises the environmental structure EVS, the first basic structure may be modified in a similar manner as in the variants provided with the selection structure SLS. The environment structure EVS may be configured to enhance the effectiveness of the pairing, which will be described in more detail later with reference to FIG. 38. Similarly, each of the second to fourth basic structures may also be variously modified, such as modified structures for the first basic structure.
상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들(MMA, CMA) 각각은, 도 6의 유형 A-F 및 A-P 그리고 도 7의 유형 D-F 및 D-P에 도시된 것처럼, 서로 분리되거나 독립적으로 동작하는, 복수의 부분들로 구성될 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 각 부분은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 상응하는 각 부분과, 도 6의 유형 A-F 그리고 도 7의 유형 D-F에서와 같이, 완전 대응 구조를 갖도록 형성되거나 도 6의 유형 A-P 그리고 도 7의 유형 D-F에서와 같이, 부분 대응 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 완전 또는 부분 대응 구조들은 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다. Each of the main and cache memory arrays (MMA, CMA) may be composed of a plurality of parts, operating separately or independently from each other, as shown in type AF and AP of FIG. 6 and type DF and DP of FIG. 7. Can be. Each portion of the cache memory array CMA is formed to have a fully corresponding structure, as in the corresponding respective portion of the main memory array MMA, type AF of FIG. 6 and type DF of FIG. AP and may be formed to have a partial correspondence structure, as in type DF of FIG. 7. The full or partial corresponding structures will be described in more detail below.
상기 비트라인 구조체(BLS)는, 도 3에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 상기 내부 라인들(e.g., VL or HL)에 또는 이들에 연결된 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 메모리 셀들에 전기적으로 접속하는 복수의 비트라인들(BL)로 구성될 수 있다. 상기 비트라인 구조체(BLS)는 상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들(MMA, CMA)의 부분들을 가로지르도록 또는 이들에 공통으로 연결되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 비트라인 구조체(BLS)는, 도 6의 유형 A-F 및 A-P 그리고 도 7의 유형 D-F 및 D-P에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 부분들의 상부에 제공되거나, 도 7의 유형 D-I에 도시된 것처럼 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 아래에 제공될 수 있다. The bit line structure BLS is a memory cell of the cache memory array CMA connected to or connected to the internal lines (eg, VL or HL) of the main memory array MMA, as shown in FIG. 3. The plurality of bit lines BL may be configured to be electrically connected to the plurality of bit lines BL. The bit line structure BLS may be configured to intersect or be commonly connected to portions of the main and cache memory arrays MMA and CMA. For example, the bitline structure BLS is provided on top of portions of the main memory array MMA, as shown in type AF and AP in FIG. 6 and type DF and DP in FIG. It may be provided under the main memory array (MMA) as shown in the type DI.
한편, 상기 제 1 내지 제 4 기본 구조들은 상기 메인 메모리 어레이(MMA), 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 및 상기 비트라인 구조체(BLS) 사이의 상술한 배치 또는 배열 순서에 의해 분류된 것이며, 상기 기판(SUB)에 대한 상대적 배치는 다양하게 또는 자유롭게 변형될 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 기본 구조는, 도 4의 제 1 및 제 5 변형 구조들에서와 같이, 서로 뒤집어진 형태들로서 구현되거나, 도시하지 않았지만 시계 또는 반시계 방향으로 90도 회전된 형태로서 구현될 수도 있다. 상기 제 2 내지 제 3 기본 구조들 및 이들의 변형들 역시 상기 기판(SUB)에 대한 상대적 배치에서의 상술한 다양함 또는 자유를 가지고 구현될 수 있다. Meanwhile, the first to fourth basic structures are classified by the above-described arrangement or arrangement order between the main memory array MMA, the cache memory array CMA, and the bit line structure BLS, and the substrate The relative arrangement with respect to (SUB) can vary or be freely modified. For example, the first basic structure may be embodied as inverted forms, as shown in the first and fifth modified structures of FIG. 4, or as 90 degrees rotated clockwise or counterclockwise, although not shown. May be The second to third basic structures and variations thereof may also be implemented with the above-mentioned variety or freedom in relative arrangement with respect to the substrate SUB.
도 8 내지 도 12는 상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이들(MMA, CMA)의 위치들 및 그 내부 라인들의 방향들을 예시적으로 보여주는 개략적인 사시도들이다. 예를 들면, 도 8 및 도 9의 구조들 각각은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 수직-채널 및 수직-게이트 낸드 플래시 메모리의 형태로 제공되는 실시예들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 이에 한정되는 것은 아니지만, 도 8 내지 도 12의 구조들 각각은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 3차원 크로스포인트 저항성 메모리의 형태로 제공되는 실시예들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 8 to 12 are schematic perspective views exemplarily showing positions of the main and cache memory arrays MMA and CMA and directions of inner lines thereof. For example, each of the structures of FIGS. 8 and 9 may be implemented to implement embodiments in which the main memory array (MMA) is provided in the form of vertical-channel and vertical-gate NAND flash memories. Can be used. Similarly, but not limited to, each of the structures of FIGS. 8-12 may be used to implement embodiments in which the main memory array (MMA) is provided in the form of a three-dimensional crosspoint resistive memory.
도면에서의 복잡성을 피하기 위해, 도 8 내지 도 12에서, 워드라인들(WL) 각각은 평판 형태로 도시되었지만, 다층 또는 다열 구조 등과 같이 복수의 라인들을 포함하는 1차원 구조로 제공될 수도 있다. 상기 워드라인들(WL) 각각이 평판 형태로 제공될 경우, 상기 메모리 셀들(MC) 중에서 2차원적으로 배열된 것들이 상기 워드라인들(WL) 각각에 공통으로 연결될 수 있다. 이는 후술할 읽기/쓰기 교란의 원인이 될 수 있다. 상기 워드라인들(WL) 각각이 공간적으로 분리되지만 전기적으로 연결된 복수의 라인들을 포함하는 경우에도, 상기 교란 문제는 동일하게 발생할 수 있다. 8 to 12, each of the word lines WL is illustrated in the form of a flat plate, but may be provided in a one-dimensional structure including a plurality of lines, such as a multi-layer or multi-column structure. When each of the word lines WL is provided in a flat form, two-dimensionally arranged ones of the memory cells MC may be commonly connected to each of the word lines WL. This may cause read / write disturbances to be described later. Even when each of the word lines WL includes a plurality of lines that are spatially separated but electrically connected, the disturbance problem may occur in the same manner.
상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)내에는, 상기 캐쉬 셀들(CC)을 연결하는 복수의 캐쉬 라인들(CWL)이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 라인들(CWL)은 전기적으로 서로 분리되며, 상기 비트라인들(BL)을 가로지르도록 배치될 수 있다. In the cache memory array CMA, a plurality of cache lines CWL connecting the cache cells CC may be provided. In some embodiments, the cache lines CWL may be electrically separated from each other, and disposed to cross the bit lines BL.
도 13은 본 발명이 적용될 수 있는 3차원 메모리 장치의 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 계층 구조(hierarchy structure)를 예시적으로 도시하는 도면이다. 도 13을 참조하면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 적어도 하나의 블록을 포함할 수 있으며, 상기 블록은 하나 또는 복수의 (예를 들면, r개)의 챕터들을 포함할 수 있으며, 상기 챕터들 각각은 복수의 (예를 들면, q개)의 페이지들을 포함할 수 있으며, 상기 페이지들 각각은 복수의 (예를 들면, p개)의 셀들을 포함할 수 있다. 여기에서 설명되는 챕터, 페이지 및 셀의 개념들은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 계층 구조를 기술하는데 동일하게 적용될 수 있다. FIG. 13 is a diagram exemplarily illustrating a hierarchy structure of the main memory array MMA of the 3D memory device to which the present invention can be applied. Referring to FIG. 13, the main memory array MMA may include at least one block, and the block may include one or a plurality of (eg, r) chapters. Each may include a plurality of (eg q) pages, and each of the pages may include a plurality of (eg p) cells. The concepts of chapters, pages, and cells described herein are equally applicable to describing the hierarchical structure of the cache memory array (CMA).
상기 블록은 어떤 동작이 독립적으로 수행될 수 있는 (예를 들면, 최대의) 데이터 크기 또는 셀들의 단위일 수 있다. 예를 들면, 낸드 플래시 메모리에 적용가능한 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 블록은 한번에 소거될 수 있는 데이터의 단위로서 사용될 수 있다. 하지만, 상기 블록의 개념이 이러한 동작 방법에 기초한 정의에 한정될 필요는 없다. 예를 들면, 상기 블록은 3차원적으로 배열된 메모리 셀들의 집합일 수 있으며, 그러한 메모리 셀들은 국소화된 영역 또는 여러 영역들에 분산된 형태로 제공될 수 있다. The block may be a unit of cells or data size (eg, maximum) in which an operation may be performed independently. For example, according to some embodiments of the invention applicable to NAND flash memory, a block can be used as a unit of data that can be erased at one time. However, the concept of the block need not be limited to the definition based on this method of operation. For example, the block may be a collection of three-dimensionally arranged memory cells, and such memory cells may be provided in a localized area or in a distributed form in several areas.
상기 챕터는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 또는 상기 블록을 구성하는 한 평면에 포함되는 데이터 또는 셀들을 의미할 수 있다. 다시 말해, 상기 챕터는 소정의 평면 상에 2차원적으로 배열된 데이터 또는 셀들로 구성된다. 여기서, 평면은 데이터-계층 구조적인 측면 또는 셀들의 물리적 배치의 측면 중의 적어도 하나에서의 평면을 의미할 수 있으며, 그 평면의 방향은 상기 비트라인들(BL) 및 상기 워드라인들(WL)의 배치 및 이들을 사용하여 수행되는 동작 방법에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, (공면을 이루는 워드라인들이 전기적으로 연결되어 2차원적으로 배열된 메모리 셀들의 공통 게이트 전극으로 사용되는) 도 8의 수직-채널 낸드 플래시 메모리의 경우, 하나의 챕터는 (상기 공통 게이트 전극에 의해 제어되는) 상기 2차원적으로 배열된 메모리 셀들 또는 거기에 저장된 데이터로 구성될 수 있다. The chapter may refer to data or cells included in one plane of the main memory array (MMA) or the block. In other words, the chapter is composed of data or cells arranged two-dimensionally on a predetermined plane. Here, the plane may mean a plane in at least one of the data-layer structural side or the side of the physical arrangement of the cells, the direction of the plane of the bit lines (BL) and the word lines (WL) Selection may be made based on the arrangement and method of operation performed using them. For example, in the case of the vertical-channel NAND flash memory of FIG. 8 (where coplanar wordlines are electrically connected and used as a common gate electrode of two-dimensionally arranged memory cells), one chapter (the common The two-dimensionally arranged memory cells (controlled by a gate electrode) or data stored therein.
상기 페이지는 상기 비트라인 구조체(BLS)를 통해 한번에 독출될 수 있는 데이터 크기 또는 그 최대 크기를 의미한다. 상술한 것처럼, 각 비트라인이 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 내부 라인들 중의 복수의 것들에 전기적으로 연결되기 때문에, 상기 챕터를 구성하는 2차원 데이터 또는 상기 블록을 구성하는 3차원 데이터를 상기 비트라인 구조체(BLS)를 통해 한번에 입력 또는 출력시키는 것은 어려울 수 있다. 이에 따라, 통상의 경우, 도 14에 도시된 것처럼, 하나의 챕터를 구성하는 2차원 데이터 또는 하나의 블록을 구성하는 3차원 데이터는 1차원 데이터의 그룹들로 분할된 후, 상기 비트라인들(BL)의 통해 순차적으로 입력 또는 출력된다. 상기 페이지는 상기 1차원 데이터 그룹들 각각에 해당할 수 있다. The page refers to a data size or a maximum size that can be read at one time through the bit line structure BLS. As described above, since each bit line is electrically connected to a plurality of internal lines constituting the main memory array MMA, two-dimensional data constituting the chapter or three-dimensional data constituting the block It may be difficult to input or output at one time through the bit line structure BLS. Accordingly, as shown in FIG. 14, two-dimensional data constituting one chapter or three-dimensional data constituting one block is divided into groups of one-dimensional data, and then the bit lines ( Are sequentially input or output through BL). The page may correspond to each of the one-dimensional data groups.
상기 챕터 및 페이지 개념에 대한 보다 나은 이해를 제공하기 위해, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 한 챕터 및 이를 구성하는 페이지들이 도 8 내지 도 12에 예시적으로 도시되었다. In order to provide a better understanding of the chapter and page concepts, one chapter of the main memory array (MMA) and the pages constituting it are exemplarily illustrated in FIGS. 8 to 12.
상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 있어서, 상기 메모리 셀들은 상기 수직 라인들(VL) 및 상기 수평 라인들(HL) 사이 또는 상기 제 1 및 제 2 수평 라인들(HLx 및 HLy) 사이의 교차점들 각각에 제공되는 정보 저장 공간을 의미한다. 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 셀은 싱글 또는 멀티 비트를 저장하도록 구성될 수 있다. In the main memory array MMA, the memory cells are each of intersection points between the vertical lines VL and the horizontal lines HL or between the first and second horizontal lines HLx and HLy. Means the information storage space provided in. In embodiments of the present invention, the cell may be configured to store single or multi bits.
상술한 것처럼, 상기 블록을 구성하는 메모리 셀들은 여러 영역들에 분산된 형태로 제공될 수 있다. 유사하게, 하나의 챕터 또는 하나의 페이지를 구성하는 메모리 셀들 역시 여러 영역들에 분산된 형태로 제공될 수 있다. 예를 들면, 블록, 챕터, 및/또는 페이지 각각은, 짝/홀 분할 또는 좌/우 분할의 방법에 기초하여, 독립적으로 동작하도록 구성된 복수의 섹션들로 분할될 수 있다. 설명의 간결함을 위해, 이러한 분리된 섹션에 적용될 수 있는 본 발명의 가능한 실시예들에 대한 설명은 최소화될 것이지만, 상기 섹션 분리의 방법은 읽기 또는 쓰기 동작의 효율성 등을 고려하여 다양하게 변형될 수 있다. 따라서, 이러한 섹션 분리에 기초한 (예를 들면, 2차원 메모리 반도체들에 적용되는) 알려진 기술들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해 사용 또는 응용될 수 있으며, 그러한 사용 또는 응용은 본 발명의 실시예들의 일부로서 포함된다. As described above, the memory cells constituting the block may be provided in a distributed form in various areas. Similarly, memory cells constituting one chapter or one page may also be provided in a distributed form in various areas. For example, each block, chapter, and / or page may be divided into a plurality of sections configured to operate independently, based on a method of pair / hole division or left / right division. For brevity of description, the description of possible embodiments of the present invention that can be applied to such separate sections will be minimized, but the method of section separation can be variously modified in view of the efficiency of read or write operations. have. Thus, known techniques based on such section separation (eg, applied to two-dimensional memory semiconductors) can be used or applied to implement the technical idea of the present invention, and such use or application is an embodiment of the present invention. Included as part of the
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치에서 수행되는 동작들의 일부를 도시하는 도면이다. 도 15를 참조하면, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작은 MM-CM 복사(S[RM]), CM-MM 복사(S[WM]), CM 쓰기(S[WC]), 및 CM 읽기(S[RC])의 단계들을 포함할 수 있다. 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 및 상기 CM-MM 복사(S[WM])의 단계들은 도 16에 도시된 것처럼 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 사이에서 수행되는 데이터 전송 과정들이고, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM 읽기(S[RC])의 단계들은 도 17에 도시된 것처럼 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와 상기 주변 영역 사이에서 수행되는 데이터 전송 과정들이다. FIG. 15 is a diagram illustrating some of operations performed in a 3D memory device according to example embodiments. Referring to FIG. 15, operations of a 3D memory device according to some embodiments of the present invention may include MM-CM copy (S [RM]), CM-MM copy (S [WM]), and CM write (S [WC]. ]), And CM read (S [RC]). The steps of the MM-CM copy (S [RM]) and the CM-MM copy (S [WM]) are performed between the main memory array MMA and the cache memory array CMA as shown in FIG. And the steps of the CM write (S [WC]) and the CM read (S [RC]) are data performed between the cache memory array CMA and the peripheral area as shown in FIG. Transmission processes.
일부 실시예들에 따르면, 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 및 CM-MM 복사(S[WM])는 챕터 단위로 수행되고, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 CM 읽기(S[RC])의 단계들은 페이지 단위로 순차적으로 또는 랜덤하게 수행될 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 25 내지 도 30을 참조하여 설명될 것처럼, 이들 단계들 각각은 데이터 처리의 단위 및 방법 등에서 다양하게 변형될 수 있다.According to some embodiments, the MM-CM copy (S [RM]) and CM-MM copy (S [WM]) are performed in chapter units, and the CM write (S [WC]) and CM read (S) are performed. Steps of [RC]) may be performed sequentially or randomly in units of pages. However, embodiments of the present invention are not limited thereto, and as described with reference to FIGS. 25 to 30, each of these steps may be variously modified in units and methods of data processing.
상기 MM-CM 복사(S[RM]), CM-MM 복사(S[WM]), CM 쓰기(S[WC]), CM 읽기(S[RC]), 및 CM-CM 복사(S[CC])의 단계들은 적절히 조합되어 수행될 수 있다. 예를 들면, 이들 단계들은 (1) 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 저장된 정보를 주변회로(예를 들면, 페이지 버퍼 또는 센싱 회로)로 읽어내는 읽기 동작 및 (2) 주변 회로를 통해 제공되는 외부 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 저장하는 쓰기 동작을 수행하도록 조합될 수 있다. The MM-CM copy (S [RM]), CM-MM copy (S [WM]), CM write (S [WC]), CM read (S [RC]), and CM-CM copy (S [CC] ]) Steps may be performed in combination as appropriate. For example, these steps may include (1) a read operation for reading information stored in the main memory array (MMA) into a peripheral circuit (eg, a page buffer or sensing circuit) and (2) an external device provided through the peripheral circuit. And a write operation for storing data in the main memory array MMA.
일부 실시예들에 따르면, 상기 읽기 동작은 도 18 및 도 19에 도시된 것처럼 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 및 상기 CM 읽기(S[RC]) 단계들을 포함하고, 상기 쓰기 동작은 도 20 및 도 21에 도시된 것처럼 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM-MM 복사(S[WM])의 단계들을 포함할 수 있다. 설명의 간결함을 위해, 아래에서는 한 챕터 단위의 데이터에 대한 읽기 및 쓰기 동작이 예시적으로 설명될 것이다. 즉, 복수의 챕터 데이터는 아래에서 설명되는 동작을 반복함으로써 처리될 수 있다. According to some embodiments, the read operation may include the MM-CM copy (S [RM]) and the CM read (S [RC]) steps as illustrated in FIGS. 18 and 19, wherein the write operation is performed. 20 and 21 may include the steps of the CM write (S [WC]) and the CM-MM copy (S [WM]). For simplicity of explanation, below, read and write operations for data in one chapter will be described by way of example. That is, the plurality of chapter data can be processed by repeating the operation described below.
도 16 및 도 18에 도시된 것처럼, 상기 MM-CM 복사(S[RM])는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 저장된 데이터를 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)로 복사하는 과정을 의미한다. 상기 MM-CM 복사(S[RM])는, 도 19의 좌측에 도시된 것처럼, 챕터 단위의 데이터를 한번에 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)로 복사하도록 실시될 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 MM-CM 복사(S[RM])는, 그 각각은 두 페이지 단위 또는 그 이상의 데이터를 복사하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다(예를 들면, 도 24, 도 26, 또는 도 28 참조). As illustrated in FIGS. 16 and 18, the MM-CM copy S [RM] refers to a process of copying data stored in the main memory array MMA to the cache memory array CMA. The MM-CM copy S [RM] may be performed to copy chapter-based data into the cache memory array CMA at a time, as shown in the left side of FIG. 19. According to modified embodiments, the MM-CM copy S [RM] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to copy data of two pages or more (eg, 24, 26, or 28).
도 17 및 도 18에 도시된 것처럼, 상기 CM 읽기(S[RC])는 상기 비트라인 구조체(BLS)를 이용하여 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 데이터를 주변회로(예를 들면, 센싱 회로 또는 페이지 버퍼)로 전송하는 과정을 의미한다. 상기 CM 읽기(S[RC])는, 도 19의 우측에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 주변 회로로 전송하도록 실시되는, 복수 번의 캐쉬 페이지 읽기 단계들을 포함할 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM 읽기(S[RC])는, 그 각각은 페이지보다 작은 크기의 데이터를 전송하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 읽기(S[RC])의 상기 하부 단계들 각각은 하나 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. As shown in FIGS. 17 and 18, the CM read S [RC] uses the bit line structure BLS to transmit data of the cache memory array CMA to peripheral circuits (eg, sensing circuits or the like). Page buffer). The CM read S [RC] may include a plurality of cache page read steps, each of which may be implemented to transmit data in units of pages to the peripheral circuit. According to modified embodiments, the CM read S [RC] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to transmit data of a size smaller than a page. For example, each of the substeps of the CM read S [RC] may be implemented to process one or more cell data.
도 17 및 도 20에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC])는 상기 비트라인 구조체(BLS)를 이용하여 외부 데이터를 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 기록하는 과정을 의미한다. 상기 CM 쓰기(S[WC])는, 도 21의 좌측에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 기록하도록 실시되는, 복수 번의 캐쉬 페이지 쓰기 단계들을 포함할 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM 쓰기(S[WC])는, 그 각각은 페이지보다 작은 크기의 데이터를 전송하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 쓰기(S[WC])의 상기 하부 단계들 각각은 비트, 바이트 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. As illustrated in FIGS. 17 and 20, the CM write S [WC] refers to a process of writing external data into the cache memory array CMA using the bit line structure BLS. The CM write S [WC] may comprise a plurality of cache page write steps, each of which is implemented to write page-by-page data to the cache memory array CMA, as shown on the left side of FIG. 21. Can be. According to modified embodiments, the CM write S [WC] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to transmit data of a size smaller than a page. For example, each of the substeps of the CM write S [WC] may be implemented to process bit, byte, or more cell data.
도 16 및 도 20에 도시된 것처럼, 상기 CM-MM 복사(S[WM])는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장된 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 복사하는 과정을 의미한다. 상기 CM-MM 복사(S[WM])는, 도 21의 우측에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장된 챕터 단위의 데이터를 한번에 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 소정 챕터에 복사하도록 실시될 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM-MM 복사(S[WM])는, 그 각각은 두 페이지 단위 또는 그 이상의 데이터를 복사하도록 실시되는, 복수 번의 하부 단계들을 포함할 수 있다(예를 들면, 도 24 참조). As illustrated in FIGS. 16 and 20, the CM-MM copy S [WM] refers to a process of copying data stored in the cache memory array CMA to the main memory array MMA. The CM-MM copy S [WM] is configured to copy chapter-based data stored in the cache memory array CMA to predetermined chapters of the main memory array MMA at one time, as shown in the right side of FIG. 21. Can be implemented. According to modified embodiments, the CM-MM copy S [WM] may comprise a plurality of substeps, each of which is implemented to copy data in units of two pages or more (eg, , See FIG. 24).
일부 실시예들에서, 데이터는, 랜덤 억세스 방식으로 또는 L1, L2 또는 L3 캐쉬 메모리에 적용되는 캐쉬 알고리즘들 중의 하나에 기초하여, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)로부터 독출되거나 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 기록될 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 읽기(S[RC]) 및 상기 CM 쓰기(S[WC])는 비트, 바이트, 워드, 또는 페이지 단위의 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 L1, L2 또는 L3 캐쉬들 중의 어느 하나로서 사용될 수 있으며, 현재 사용되는 DRAM 또는 SRAM의 기능을 구현하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 주변 회로는 상기 랜덤 억세스 방식 또는 상기 L1, L2 또는 L3 캐쉬를 위한 캐쉬 알고리즘을 구현할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 주변 회로는 디램, 에스램 또는 노어 플래시 메모리 소자들에서 사용되는 구동 또는 디코딩 회로를 더 포함할 수 있다. In some embodiments, data is read from the cache memory array (CMA) or read from the cache memory array (CMA) in a random access manner or based on one of cache algorithms applied to L1, L2, or L3 cache memory. Can be recorded. For example, the CM read (S [RC]) and the CM write (S [WC]) may be implemented to process data in bit, byte, word, or page units. In some embodiments, the cache memory array CMA may be used as any one of L1, L2 or L3 caches and may be configured to implement the functionality of a DRAM or SRAM currently used. According to some embodiments, the peripheral circuit may be configured to implement the random access scheme or a cache algorithm for the L1, L2, or L3 cache. For example, the peripheral circuit may further include a driving or decoding circuit used in DRAM, SRAM or NOR flash memory devices.
상기 CM-CM 복사(S[CC])의 단계는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 두 다른 부분들(P1, P2) 사이에서 수행되는 데이터 전송 과정이다. 상기 CM-CM 복사(S[CC])는 도 15에 예시된 다른 단계들 중의 적어도 하나와 조합되어, 상술한 랜덤 억세스 또는 캐쉬 알고리즘을 구현할 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 두 다른 부분들은 상기 비트라인 구조체(BLS)를 공유하도록 구성될 수 있으며, 상기 CM-CM 복사(S[CC])의 단계는 상기 공유된 비트라인 구조체(BLS)를 이용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 22에 도시된 것처럼, 상기 주변영역으로의 데이터 복사(copy) 또는 이주(migration)없이, 상기 두 부분들(P1, P2) 중의 어느 하나로부터 다른 하나로 데이터를 직접 복사 또는 이주시키도록 수행될 수 있다. 하지만, 변형된 실시예들에 따르면, 상기 CM-CM 복사(S[CC])는 상기 주변 영역(예를 들면, 페이지 버퍼)를 이용하여 순차적으로 실시될 수 있다. 예를 들면, 도 29에 도시된 것처럼, 상기 CM-CM 복사(S[CC])는 상기 두 부분들(P1, P2)에서 각각 그리고 순차적으로 수행되는 상기 CM 읽기(S[RC]) 및 상기 CM 쓰기(S[WC])의 조합을 통해 구현될 수 있다. The step of CM-CM copy S [CC] is a data transfer process performed between two different portions P1 and P2 of the cache memory array CMA. The CM-CM copy (S [CC]) may be combined with at least one of the other steps illustrated in FIG. 15 to implement the random access or cache algorithm described above. Two different portions of the cache memory array CMA may be configured to share the bitline structure BLS, and the step of CM-CM copy S [CC] may comprise the shared bitline structure BLS. It can be performed using. According to some embodiments, as illustrated in FIG. 22, data is directly copied from one of the two parts P1 and P2 to another without copying or migrating data to the peripheral area. Or to migrate. However, according to modified embodiments, the CM-CM copy S [CC] may be sequentially performed using the peripheral area (eg, page buffer). For example, as shown in FIG. 29, the CM-CM copy S [CC] is performed in the two parts P1 and P2 respectively and sequentially, the CM read S [RC] and the It can be implemented through a combination of CM writes (S [WC]).
도 15 및 도 23을 참조하면, 본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 쓰기 및 상기 읽기 동작들 각각은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 사용하지 않는 MM 직접 쓰기(S[WMd]) 및 MM 직접 읽기(S[RMd])의 단계를 포함하는 방식으로 실시될 수 있다. 15 and 23, according to modified embodiments of the present invention, each of the write and read operations may include an MM direct write (S [WMd]) that does not use the cache memory array CMA, and It can be implemented in a manner including the step of MM direct read (S [RMd]).
상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는 상기 주변회로를 통해 제공되는 외부 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 직접 기록하는 과정을 의미한다. 예를 들면, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 데이터를 저장하는 중단 단계없이 수행되는 데이터 전달 과정일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는, 도 23에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 소정 챕터에 직접 기록하도록 실시되는, 복수 번의 하부 직접 쓰기 단계들을 포함할 수 있다. 변형된 실시예들에 따르면, 상기 하부 직접 쓰기 단계들 각각은 하나 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. 또는, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])는, 플래시 메모리의 소거 단계에서와 같이, 챕터 또는 그 이상의 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. The MM direct write (S [WMd]) refers to a process of directly writing external data provided through the peripheral circuit to the main memory array MMA. For example, the MM direct write S [WMd] may be a data transfer process performed without an interruption step of storing data in the cache memory array CMA. According to some embodiments, the MM direct write (S [WMd]), as shown in FIG. 23, is implemented to write the data in page units directly to a predetermined chapter of the main memory array MMA, as shown in FIG. 23. A plurality of lower direct write steps may be included. According to modified embodiments, each of the lower direct write steps may be implemented to process one or more cell data. Alternatively, the MM direct write (S [WMd]) may be implemented to process chapter or more data, as in the erasing step of the flash memory.
상기 MM 직접 읽기(S[RMd])는, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 데이터를 저장하는 중단 단계없이, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 데이터를 상기 주변회로로 전송하는 과정을 의미한다. 상기 MM 직접 읽기(S[RMd])는, 도 23에 도시된 것처럼, 그 각각은 페이지 단위의 데이터를 상기 주변 회로로 전송하도록 실시되는, 복수 번의 하부 직접 읽기 단계들을 포함할 수 있으며, 상기 하부 직접 읽기 단계들 각각은 하나 또는 그 이상의 셀 데이터를 처리하도록 실시될 수 있다. The MM direct read S [RMd] refers to a process of transferring data of the main memory array MMA to the peripheral circuit without an interruption step of storing data in the cache memory array CMA. The MM direct read (S [RMd]) may include a plurality of lower direct read steps, each of which is implemented to transmit page-by-page data to the peripheral circuit, as shown in FIG. Each of the direct read steps may be implemented to process one or more cell data.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 도 15에 도시된 것처럼, 상기 3차원 메모리 장치의 동작은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 또는 상기 캐쉬 셀들(CC) 전부 또는 일부를 초기화시키는(예를 들면, 특정한 데이터 상태로 만드는) CM 초기화(S[IN]) 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 캐쉬 셀(CC)이 (예를 들면, 자기터널접합에서와 같이) 비휘발성일 경우, 그것의 데이터 변경은 외부적 요인(예를 들면, 외부 또는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)로부터 전송되는 전기적 신호)뿐만이 아니라 내부적 요인(예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC) 그 자체의 데이터 상태)에 대한 의존성을 함께 가질 수 있다. 이 경우, 상기 CM 초기화(S[IN]) 단계를 통해 상기 내부적 요인과 관련된 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 내에서의 불균일성을 해소시키는 것이 필요할 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 초기화되지 않았을 때에는, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 저장된 데이터 중의 일부를 바꿀 수 없는 경우가 있을 수 있으며, 이 경우, (예를 들면, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 동안) 외부 또는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)로부터의 데이터 중의 일부 만이 상기 캐쉬 셀들(CC)에 기록될 수 있다. 즉, 오류가 발생할 수 있다. According to some embodiments of the present disclosure, as illustrated in FIG. 15, an operation of the 3D memory device may initialize (eg, initialize) all or part of the cache memory array CMA or the cache cells CC. CM initialization (S [IN]) step may be further included. If the cache cell CC is non-volatile (eg, as in a magnetic tunnel junction), its data change may be due to external factors (eg, external or electrical transmitted from the main memory array MMA). Signals as well as dependencies on internal factors (e.g., the data state of the cache cell CC itself). In this case, it may be necessary to eliminate the nonuniformity in the cache memory array CMA related to the internal factor through the CM initialization (S [IN]) step. In other words, when the cache cells CC are not initialized, some of the data stored in the cache cells CC may not be changed. In this case, for example, the CM write (S [ WC]) and during the MM-CM copy S [RM]) only some of the data from the external or the main memory array MMA may be written to the cache cells CC. That is, an error may occur.
그럼에도, 상기 캐쉬 셀(CC)의 데이터 변경이 상기 내부적 요인에 작거나 무시할 수 있는 의존성을 갖는 경우, 일부 실시예들에서는, 상기 CM 초기화(S[IN]) 단계가 생략될 수도 있다. 보다 구체적으로, 이러한 생략은 상기 캐쉬 셀들(CC)의 데이터 저장 원리 또는 상기 메모리 셀들(MC)에 저장된 정보를 포함하는 전기적 신호의 유형이 무엇인가에 의해 결정되며, 이러한 결정은 아래에서 예시되는 예들에 기초하여 당업자의 지식 수준에서 이루어질 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC)이 짧은 리텐션 특성을 갖는 (즉, 휘발성) 메모리 요소를 통해 구현되는 경우, 상기 CM 초기화(S[IN]) 단계는 생략될 수 있다. 상기 CM 초기화(S[IN])는 챕터 단위 또는 그 보다 작은 데이터 (페이지) 단위로 수행될 수 있다. Nevertheless, if the data change of the cache cell CC has a small or negligible dependency on the internal factor, in some embodiments, the CM initialization (S [IN]) step may be omitted. More specifically, this omission is determined by the data storage principle of the cache cells CC or the type of electrical signal including the information stored in the memory cells MC, the determination of which is illustrated in the examples below. Based on the knowledge level of one skilled in the art. For example, when the cache cell CC is implemented through a memory element having a short retention characteristic (ie, volatile), the CM initialization (S [IN]) step may be omitted. The CM initialization S [IN] may be performed in units of chapters or smaller data (pages).
상술한 단계들 각각은 다양하게 변경될 수 있으며, 상기 읽기 및 쓰기 동작들 각각 역시 다양하게 조합되어 실시될 수 있다. 예를 들면, 도 24 및 도 25에 도시된 것처럼, 상기 MM-CM 복사(S[RM]), 상기 CM-MM 복사(S[WM]), 상기 CM 쓰기(S[WC]), 및 상기 CM 읽기(S[RC])는 챕터보다 작은 단위의 데이터를 전송하는 방식으로 수행될 수 있다. 또한, 도 26 및 도 27에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장되는 챕터 데이터는 상기 MM-CM 복사(S[RM])를 통해 상기 메인 메모리 어레이(MMA)로부터 전송된 데이터와 상기 CM 쓰기(S[WC])를 통해 상기 주변 영역으로부터 전송된 데이터의 합일 수 있다. 이 경우, 상기 MM-CM 복사(S[RM])는 도 26 및 도 27에 도시된 것처럼 챕터 이하의 데이터 또는 챕터 데이터 단위로 실시될 수 있고, 상기 CM 쓰기(S[WC])는 도 27에 도시된 것처럼 덮어쓰기 방식으로 수행될 수도 있다. 이에 더하여, 도 28에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장되는 챕터 데이터는, 상기 MM-CM 복사(S[RM])의 단계들을 통해 얻어진, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 다른 두 챕터 데이터의 합일 수 있다. 여기에서, 데이터 처리 방법에서의 다양한 변형들이 설명되었지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에 제공되는 추가적인 기술적 설명들 및 알려진 기술들에 기초하여 더욱 다양하게 변형될 수 있다. Each of the above-described steps may be changed in various ways, and each of the read and write operations may be performed in various combinations. For example, as shown in FIGS. 24 and 25, the MM-CM copy (S [RM]), the CM-MM copy (S [WM]), the CM write (S [WC]), and the The CM read (S [RC]) may be performed by transmitting data in units smaller than chapters. In addition, as illustrated in FIGS. 26 and 27, chapter data stored in the cache memory array CMA may be different from data transmitted from the main memory array MMA through the MM-CM copy S [RM]. It may be the sum of data transmitted from the peripheral area through the CM write (S [WC]). In this case, the MM-CM copy (S [RM]) may be performed in units of data or chapters of chapters or less as shown in FIGS. 26 and 27, and the CM write (S [WC]) is performed in FIG. 27. It may be performed in an overwrite manner as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 28, the chapter data stored in the cache memory array CMA is different from that of the main memory array MMA obtained through the steps of the MM-CM copy S [RM]. It can be the sum of two chapter data. Here, various modifications in the data processing method have been described, but embodiments of the present invention are not limited thereto, and may be variously modified based on the additional technical descriptions and known techniques provided below.
도 30 및 도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치의 동작 단계들의 기술적 특징들의 일부를 예시적으로 설명하기 위한 표들이다. 30 and 31 are tables for exemplarily describing some of technical features of operating steps of a 3D memory device according to example embodiments.
도 30에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM 읽기(S[RC])는 비트라인(BL), 캐쉬 셀(CC) 및 선택 라인(SL)을 경유하는 전류 경로를 이용하여 페이지 단위로 수행될 수 있다. 이 경우, 메모리 셀들(MC)에 연결되는 전류 경로의 형성이 필요없기 때문에, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 교란의 문제는 예방될 수 있다. As shown in FIG. 30, the CM write (S [WC]) and the CM read (S [RC]) take a current path through the bit line BL, the cache cell CC, and the select line SL. It may be performed in units of pages. In this case, since it is not necessary to form a current path connected to the memory cells MC, the problem of disturbance to the main memory array MMA can be prevented.
이와 달리, 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 및 상기 CM-MM 복사(S[WM])는 비트라인(BL), 캐쉬 셀(CC) 및 메모리 셀(MC)을 경유하는 전류 경로를 이용하여 챕터 단위로 수행될 수 있다. 이 경우, 교란 현상이 나타날 수 있지만, 이들 각각은 한번의 챕터 단위의 데이터 전송 과정이기 때문에, 반복적인 교란의 문제는 예방될 수 있다. In contrast, the MM-CM copy (S [RM]) and the CM-MM copy (S [WM]) share a current path through the bit line BL, the cache cell CC, and the memory cell MC. It can be performed in units of chapters. In this case, a disturbance phenomenon may appear, but since each of them is one chapter data transmission process, the problem of repetitive disturbance can be prevented.
이처럼 전류 경로의 변화를 구현하기 위해, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 31에 도시된 것처럼 상기 비트라인(BL)을 상기 선택 라인(SL) 및 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 내부 배선(e.g., VL or HL) 중의 어느 하나에 선택적으로 연결할 수 있는 선택자(selector or switch)를 포함할 수 있다. 상기 선택자는 도 6을 참조하여 설명된 상기 선택 구조체(SLS)의 일부로 제공될 수도 있다. In order to implement the change in the current path, the cache memory array CMA may include the bit line BL as the select line SL and the internal wiring of the main memory array MMA as illustrated in FIG. 31. , VL or HL) may include a selector or switch that can be selectively connected to any one. The selector may be provided as part of the selection structure SLS described with reference to FIG. 6.
도 31은 각 단계들에서 신호가 전송되는 방향을 예시적으로 보여준다. 예를 들면, 상기 CM 쓰기(S[WC])는 상기 주변 영역으로부터 전송된 데이터를 상기 캐쉬 셀(CC)에 기록하는 과정이기 때문에, 데이터는 상기 비트라인(BL)으로부터 상기 캐쉬 셀(CC)을 향하는 방향으로 전송된다. 이와 달리, 상기 MM-CM 복사(S[RM])의 경우, 데이터는 상기 메모리 셀(MC)로부터 상기 캐쉬 셀(CC)으로 전송되기 때문에, 상기 CM 쓰기(S[WC])에서의 신호 방향에 반평행할 수 있다. (한편, 여기서 언급된 신호의 방향은, 상기 메모리 또는 캐쉬 셀들의 구조 및 동작 원리에 따라 변화될 수 있으며, 전류의 방향과 다를 수도 있다.) 31 exemplarily shows a direction in which a signal is transmitted in each step. For example, since the CM write S [WC] is a process of writing data transmitted from the peripheral area to the cache cell CC, data is transferred from the bit line BL to the cache cell CC. Is transmitted in a direction towards. In contrast, in the case of the MM-CM copy S [RM], since the data is transferred from the memory cell MC to the cache cell CC, the signal direction in the CM write S [WC]. Can be antiparallel to (On the other hand, the direction of the signal mentioned herein may vary depending on the structure and operating principle of the memory or cache cells, and may differ from the direction of the current.)
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 선택자는 신호 방향에서의 이러한 변경을 구현할 수 있도록 구성될 수 있다. 도 32는 상기 캐시 셀(CC)의 종류에 따른 쓰기 전류의 방향 및 이를 구현하기 위한 상기 선택자의 가능한 유형의 한 예를 보여준다. According to embodiments of the present invention, the selector may be configured to implement such a change in signal direction. 32 shows an example of a direction of a write current according to the type of the cache cell CC and a possible type of the selector for implementing the same.
도 33은 단위 캐쉬 메모리들을 포함하는 캐쉬 셀 어레이(CMA)를 예시적으로 도시하는 회로도이고, 도 34 및 도 35는 상기 단위 캐쉬 메모리의 가능한 구조들의 일부를 개략적으로 그리고 예시적으로 보여주는 도면들이다.33 is a circuit diagram exemplarily illustrating a cache cell array (CMA) including unit cache memories, and FIGS. 34 and 35 schematically and exemplarily illustrate some of the possible structures of the unit cache memory.
도 33를 참조하면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 2차원적으로 배열된 단위 캐쉬 메모리들(CMU)을 포함할 수 있다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 내부 배선들(e.g., VL or HL) 각각은, 상기 단위 캐쉬 메모리들(CMU) 중의 상응하는 하나를 통해, 제 1 라인들(L1) 중의 상응하는 하나 또는 제 2 라인들(L2) 중의 상응하는 하나에 연결될 수 있다. 상기 제 1 라인들(L1)은 상기 제 2 라인들(L2)을 가로지르도록 배열되고, 상기 내부 배선들(VL or HL)은 상기 제 1 및 제 2 라인들(L1, L2) 모두를 가로지르는 장축을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 및 제 2 라인들(L1, L2) 그리고 상기 내부 배선들(VL or HL)은 실질적으로 서로 수직할 수 있다.Referring to FIG. 33, the cache memory array CMA may include unit cache memories CMU arranged in two dimensions. Each of the internal wires (eg, VL or HL) of the main memory array MMA is connected to a corresponding one or second of the first lines L1 through a corresponding one of the unit cache memories CMU. May be connected to the corresponding one of the lines L2. The first lines L1 are arranged to cross the second lines L2, and the internal lines VL or HL cross both the first and second lines L1 and L2. It may have a long axis to shout. For example, the first and second lines L1 and L2 and the internal lines VL or HL may be substantially perpendicular to each other.
상기 단위 캐쉬 메모리들(CMU) 각각은 데이터 저장을 위한 적어도 하나의 캐쉬 셀(CC) 및 상술한 신호 전달 경로 또는 전류 경로의 변화를 위한 적어도 하나의 선택자(ST)를 포함할 수 있다. 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 선택자(ST)의 동작은, 상기 제 1 또는 제 2 라인(L1, L2) 중의 하나일 수 있는, 캐쉬 라인(CWL)에 의해 제어될 수 있다. (설명의 간결함을 위해, 도 33 내지 도 35는 상기 캐쉬 라인(CWL)이 상기 제 2 라인(L2)을 이용하여 구현되는 실시예들을 도시하고 있지만, 상기 캐쉬 라인(CWL)은 이와 유사한 방식으로 상기 제 1 라인(L1)을 이용하여 구현될 수도 있다.) Each of the unit cache memories CMU may include at least one cache cell CC for data storage and at least one selector ST for changing the aforementioned signal transmission path or current path. The operation of the cache cell CC and the selector ST may be controlled by the cache line CWL, which may be one of the first or second lines L1 and L2. 33-35 illustrate embodiments in which the cache line CWL is implemented using the second line L2, the cache line CWL is similarly similar. It may be implemented using the first line L1.)
일부 실시예들에 따르면, 상기 제 1 라인(L1)은 상기 비트라인 구조체(BLS) 또는 상기 비트라인들(BL)로 사용되고, 상기 제 2 라인(L2)은 도 30 및 도 31을 참조하여 설명된 전류 경로의 변화를 구현하기 위한 배선으로 사용될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 라인들(L1, L2)의 이러한 기능은 서로 바뀔 수 있다. 이러한 두 유형의 실시예들은 아래에서 설명될 도 39와 도 47의 비교로부터 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다. According to some embodiments, the first line L1 is used as the bit line structure BLS or the bit lines BL, and the second line L2 is described with reference to FIGS. 30 and 31. It can be used as a wiring for implementing a change of the current path. However, according to other embodiments, these functions of the first and second lines L1 and L2 may be interchanged. These two types of embodiments will be more clearly understood from the comparison of FIGS. 39 and 47 which will be described below.
상기 캐쉬 라인(CWL)의 구조는, 도 34에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 선택자(ST)의 구조 및/또는 동작 원리에 따라 다양화될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 라인(CWL)은 상기 선택자(ST) 및/또는 상기 캐쉬 셀(CC)을 제어하는데 사용되는 하나 또는 그 이상의 라인들(SL, GL, CL)을 포함할 수 있다. The structure of the cache line CWL may be varied according to the structure and / or principle of operation of the cache cell CC and the selector ST, as shown in FIG. 34. For example, the cache line CWL may include one or more lines SL, GL, and CL used to control the selector ST and / or the cache cell CC.
보다 구체적으로, 상기 선택자(ST)는, 도 34 및 도 35의 유형 A 및 B에서와 같이, 선택 소오스 라인(SL)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이에 제공되는 2단자 스위칭 소자(예를 들면, 다이오드)일 수 있지만, 도 34 및 도 35의 유형 C 및 D에서와 같이, 상기 선택 소오스 라인(SL)에 더하여 제어 라인 또는 게이트 라인(GL)을 더 구비하는 3단자 스위칭 소자(예를 들면, 트랜지스터)일 수 있다. 또한, 상기 캐쉬 셀(CC)은, 도 34 및 도 35의 유형 A 및 C에서와 같이, 상기 제 1 라인(L1)과 상기 선택자(ST) 사이에 제공되는 2단자 메모리 요소(예를 들면, 가변저항 메모리 요소)일 수 있지만, 도 34 및 도 35의 유형 B 및 D에서와 같이, 캐쉬 제어 라인(CL)에 의해 제어되는 3단자 메모리 요소(예를 들면, 트랜지스터 구조의 메모리 요소)일 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 라인(CWL)은, 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 선택자(ST)의 유형, 구조 및/또는 동작 원리 등에 따라, 상기 선택 소오스 라인(SL), 상기 게이트 라인(GL) 및 상기 캐쉬 제어 라인(CL) 중의 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다. More specifically, the selector ST is a two-terminal switching element (for example, provided between the selection source line SL and the cache cell CC, as in types A and B of FIGS. 34 and 35, for example). Diodes), but as in types C and D of FIGS. 34 and 35, a three-terminal switching element (e.g., further comprising a control line or a gate line GL in addition to the selection source line SL) , Transistors). In addition, the cache cell CC, as in types A and C of FIGS. 34 and 35, is a two-terminal memory element provided between the first line L1 and the selector ST (for example, Variable resistance memory element) but may be a three-terminal memory element (e.g., a memory element of a transistor structure) controlled by the cache control line CL, as in types B and D of FIGS. 34 and 35 have. In other words, the cache line CWL may include the selection source line SL, the gate line GL, and the like according to the type, structure, and / or operating principle of the cache cell CC and the selector ST. It may be configured to include at least one of the cache control line (CL).
이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU) 또는 상기 캐쉬 셀(CC)은 도 36에 예시적으로 도시된 메모리 요소들 중의 하나를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU)은 DRAM, SRAM, FRAM, NAND FLASH, MRAM, STT-MRAM, PCRAM, NRAM, RRAM, CBRAM, SEM, T-RAM, Z-RAM, Polymer, Molecular, Racetrack, Holographic, 및 Probe 등으로 알려진 메모리 요소들로 구성되는 그룹에서 선택된 하나를 포함할 수 있다. 또는, 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU)은 알려진 메모리 요소들 중의 적어도 하나(예를 들면, ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductor) 및 그것의 참고문헌 목록을 구성하는 문헌들에 개시된, 메모리 요소들 중의 적어도 하나)를 포함할 수 있다. Although not limited thereto, the unit cache memory CMU or the cache cell CC may be implemented using one of the memory elements illustrated in FIG. 36. For example, the unit cache memory (CMU) is DRAM, SRAM, FRAM, NAND FLASH, MRAM, STT-MRAM, PCRAM, NRAM, RRAM, CBRAM, SEM, T-RAM, Z-RAM, Polymer, Molecular, Racetrack It may include one selected from the group consisting of memory elements known as, Holographic, Probe and the like. Alternatively, the unit cache memory (CMU) is at least one of the known memory elements (e.g., at least one of the memory elements, disclosed in the documents constituting the International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) and its reference list). ) May be included.
일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 메모리 셀들(MC)과 다른 데이터 저장 원리에 기초한 메모리 셀들일 수 있다. 예를 들면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 3차원 낸드 플래시 메모리, PCRAM, CBRAM, 또는 ReRAM의 형태로 구현될 수 있고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 SRAM, PCRAM, STT-MRAM, CBRAM, T-RAM, ReRAM 또는 Z-RAM 중에서 상기 메모리 셀들(MC)과는 다른 것들을 사용하여 구현될 수 있다. 하지만, 다른 실시예들에서, 상기 캐쉬 및 메모리 셀들(CC, MC)은 동일한 종류의 메모리 셀들 또는 동일하거나 유사한 동작 원리에 기초한 메모리 셀들일 수 있다. In some embodiments, the cache cells CC may be memory cells based on a data storage principle different from that of the memory cells MC. For example, the main memory array (MMA) may be implemented in the form of a three-dimensional NAND flash memory, PCRAM, CBRAM, or ReRAM, the cache memory array (CMA) is SRAM, PCRAM, STT-MRAM, CBRAM, The T-RAM, the ReRAM, or the Z-RAM may be implemented using other than the memory cells MC. However, in other embodiments, the cache and memory cells CC and MC may be memory cells of the same kind or memory cells based on the same or similar operating principle.
일부 실시예들에서, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각은 상기 메모리 셀들(MC) 각각에 비해 빠른 쓰기 및/또는 읽기 속도를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 메모리 셀들(MC)이 플래시 메모리 장치에서와 같이 전하 저장 요소인 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC)은, 도 36에 도시된 가변 저항 특성을 나타내는 메모리 요소들(예를 들면, PCM, MTJ, Z-RAM, CBRAM, ReRAM materials 등)을 포함하도록 구성될 수 있다. In some embodiments, each of the cache cells CC may be configured to have a faster write and / or read speed than each of the memory cells MC. For example, when the memory cells MC are charge storage elements as in a flash memory device, the cache cells CC may include memory elements (eg, PCMs) having variable resistance characteristics shown in FIG. 36. , MTJ, Z-RAM, CBRAM, ReRAM materials, etc.).
일부 실시예들에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 비휘발성의 메모리 요소들로 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메모리 셀(MC)보다 빠른 동작 속도를 갖는 휘발성 또는 비휘발성의 메모리 요소들로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 메모리 셀들(MC)이 플래시 메모리 장치에서와 같이 전하 저장 요소인 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 SRAM, T-RAM, 또는 Z-RAM의 형태로 구현될 수 있다.In some embodiments, the main memory array MMA is comprised of nonvolatile memory elements, and the cache memory array CMA is a volatile or nonvolatile memory having a faster operating speed than the memory cell MC. It may consist of elements. For example, when the memory cells MC are charge storage elements as in a flash memory device, the cache cells CC may be implemented in the form of SRAM, T-RAM, or Z-RAM.
하지만, 상기 캐쉬 및 메모리 셀들(CC, MC)이 위에서 예시된 방식으로 조합되어야만 하는 것은 아니다. 예를 들면, 제조 공정, 제조 비용, 데이터 유지 특성, (아래에서 설명될) 짝 맞춤 특성 및 전류 경로 형성의 용이성 등과 같은 다른 기술적 이슈들에 대한 고려에 기초하여, 상술한 구현 방식은 완화되거나 바뀔 수 있다. 또는, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 위한 메모리 요소의 종류는 상기 메모리 셀들(MC)의 동작 원리, 동작을 위한 전기적 신호의 특성(예를 들면, 단방향성 또는 양방향성, 전압 인가 방식 또는 전류 인가 방식, 전류 량, 속도 등) 또는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 그 자체에 대한 다양한 기술적 요구들(예를 들면, 램 또는 버퍼 메모리로써의 동작 가능성) 등을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 단계와 관련하여서는 상기 캐쉬 셀(CC)의 읽기 신호의 특성이 상기 메모리 셀(MC)의 쓰기 신호의 특성에 부합하도록, 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 단계와 관련하여서는, 상기 메모리 셀(MC)의 읽기 신호의 특성이 상기 캐쉬 셀(CC)의 쓰기 신호의 특성에 부합하도록, 상기 캐쉬 셀(CC) 및 상기 메모리 셀(MC)을 디자인하는 것이 필요할 수 있다. 이에 더하여, 상기 캐쉬 및 메모리 셀들(CC, MC)은 도 77 내지 도 79를 참조하여 아래에서 설명될 교란 감소 및 읽기/쓰기 시간 축소의 기술적 효과를 극대화할 수 있도록 조합될 수 있다. However, the cache and memory cells CC and MC need not be combined in the manner illustrated above. For example, based on consideration of other technical issues such as manufacturing process, manufacturing cost, data retention characteristics, mating characteristics (described below), and ease of current path formation, the implementation scheme described above is mitigated or changed. Can be. Alternatively, a type of memory element for the cache memory array CMA may include a principle of operation of the memory cells MC and characteristics of an electrical signal for operation (for example, unidirectional or bidirectional, voltage application or current application). , Amount of current, speed, etc.) or various technical requirements for the cache memory array (CMA) itself (eg, operability as RAM or buffer memory). For example, in relation to the CM-MM copy (S [WM]) step, the MM-CM is configured such that the characteristic of the read signal of the cache cell CC corresponds to the characteristic of the write signal of the memory cell MC. In relation to the copying S [RM] step, the cache cell CC and the memory cell C are arranged such that the characteristics of the read signal of the memory cell MC correspond to the characteristics of the write signal of the cache cell CC. It may be necessary to design MC). In addition, the cache and memory cells CC and MC may be combined to maximize the technical effects of the disturbance reduction and the read / write time reduction described below with reference to FIGS. 77 to 79.
이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37에 예시적으로 도시된 어레이 구조들 중의 하나를 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 37의 유형 A에서와 같이, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는, 상기 내부 라인(VL/HL)을 채널 영역으로 이용하는, (예를 들면, 낸드 플래시 메모리의 셀 스트링에서와 같이) 직렬로 연결된 복수의 메모리 셀들(MC)을 포함하는 구조로 제공될 수 있다. Although not limited thereto, the main memory array MMA may be configured to include one of the array structures illustrated in FIG. 37. For example, as in type A of FIG. 37, the main memory array MMA uses the internal line VL / HL as a channel region (eg, as in a cell string of NAND flash memory). ) May be provided in a structure including a plurality of memory cells MC connected in series.
또는, 도 37의 유형 B, C 및 D에서와 같이, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 상기 내부 라인(VL/HL)에 병렬로 연결된 복수의 메모리 셀들(MC)을 포함하는 구조로 제공될 수 있다. 이 경우, 일부 실시예들에 따르면, 상기 메모리 셀들(MC) 각각은 유형 D에서와 같이 정류 소자(예를 들면, 다이오드)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또는, 유형 B에서와 같이, 상기 내부 라인(VL/HL)은 도전 라인에 의해 전위가 제어되는 반도체 물질일 수 있으며, 상기 메모리 셀들(MC)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 전기적 연결은 상기 도전 라인에 의해 제어될 수 있다. 예를 들면, 도 66을 참조하여 다시 설명될 것처럼, 상기 도전 라인과 상기 내부 라인(VL/HL)은 모오스 커패시터의 구조 또는 수직 경로 제어 구조체(VPCS)를 형성할 수 있다. Alternatively, as in types B, C, and D of FIG. 37, the main memory array MMA may be provided in a structure including a plurality of memory cells MC connected in parallel to the internal line VL / HL. have. In this case, according to some embodiments, each of the memory cells MC may be configured to include a rectifying element (eg, a diode) as in type D. Alternatively, as in type B, the internal line VL / HL may be a semiconductor material whose potential is controlled by a conductive line, and the electrical connection between the memory cells MC and the cache cell CC may be Can be controlled by conductive lines. For example, as will be described again with reference to FIG. 66, the conductive line and the inner line VL / HL may form a structure of a MOS capacitor or a vertical path control structure VPCS.
한편, 상기 MM-CM 복사(S[RM])은 상기 메모리 셀들(MC)로부터 읽혀진 데이터를 상기 캐쉬 셀(CC)에 쓰는 과정일 수 있다. 다시 말해, 상기 MM-CM 복사(S[RM])에서, 상기 메모리 셀(MC)의 읽기 동작은 상기 캐쉬 셀(CC)의 쓰기 동작과 짝을 이루어 수행된다. 상기 CM-MM 복사(S[WM])은 상기 캐쉬 셀(CC)로부터 읽혀진 데이터를 상기 메모리 셀(MC)에 쓰는 과정일 수 있다. 다시 말해, 상기 CM-MM 복사(S[WM])에서, 상기 메모리 셀(MC)의 쓰기 동작은 상기 캐쉬 셀(CC)의 읽기 동작과 짝을 이루어 수행될 수 있다. 이는 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM])가 유효하게 수행되기 위해서는 도 38에 도시된 것처럼 상기 짝지어진 동작들이 전기적 또는 동작적인 특성들(예를 들면, 전류량 및 동작 시간)에서 서로 조화를 이루는 것이 필요함을 의미한다. Meanwhile, the MM-CM copy S [RM] may be a process of writing data read from the memory cells MC to the cache cell CC. In other words, in the MM-CM copy S [RM], a read operation of the memory cell MC is performed in pairs with a write operation of the cache cell CC. The CM-MM copy S [WM] may be a process of writing data read from the cache cell CC to the memory cell MC. In other words, in the CM-MM copy S [WM], a write operation of the memory cell MC may be performed in pairs with a read operation of the cache cell CC. This is because, in order for the CM-MM copy (S [WM]) and the MM-CM copy (S [RM]) to be performed effectively, the paired operations are characterized by electrical or operational characteristics (e.g., For example, it is necessary to harmonize with each other in the amount of current and operating time).
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 도 6의 유형 A-E에 도시된 것처럼, 반도체 장치는 이러한 짝 맞춤의 유효성을 강화시키도록 구성되는 환경 구조체(EVS)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 환경 구조체(EVS)은 상기 메모리 셀(MC)과 상기 캐쉬 셀(CC)을 연결하는 경로의 전기적 저항을 조절하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 환경 구조체(EVS)은, 상기 메모리 셀(MC)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 데이터 교환 또는 복사 동작 동안 발생할 수 있는, 이들 사이의 전기적 특성에서의 불일치를 완화시키도록 구성되는 추가적인 메모리 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 데이터 교환 또는 복사 동작은 상기 환경 구조체(EVS)에 제공된 상기 추가적인 메모리 요소를 직접적으로 또는 간접적으로 경유하도록 구성되는 데이터 전달 과정을 포함할 수 있다. According to some embodiments of the present invention, as shown in type A-E of FIG. 6, the semiconductor device may further include an environmental structure (EVS) configured to enhance the effectiveness of this pairing. For example, the environmental structure EVS may be configured to adjust an electrical resistance of a path connecting the memory cell MC and the cache cell CC. Alternatively, the environmental structure EVS is further configured to mitigate inconsistencies in electrical characteristics therebetween, which may occur during a data exchange or copy operation between the memory cell MC and the cache cell CC. May include memory elements. For example, the data exchange or copy operation may include a data transfer process configured to directly or indirectly pass through the additional memory element provided in the environment structure EVS.
상기 환경 구조체(EVS)은 상기 캐쉬 셀(CC)의 동작 환경(예를 들면, 온도)에 대한 변화를 가져오도록 구성될 수 있다. 상기 환경 구조체(EVS)은 국소적 또는 선택적으로 동작하도록 구성될 수 있으며, 이를 위해 복수의 환경 제어 요소들 및 이들을 전기적으로 제어하는 도전 라인들을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 비트라인들이 광 도파로의 형태로 제공되는 경우, 상기 환경 구조체(EVS)은 전기적 신호를 광학적 신호로 또는 그 반대로 변환시키는 광전 변환 요소들을 포함할 수 있다. The environmental structure EVS may be configured to bring about a change in an operating environment (eg, temperature) of the cache cell CC. The environmental structure EVS may be configured to operate locally or selectively, for which it may comprise a plurality of environmental control elements and conductive lines for electrically controlling them. In addition, when the bit lines are provided in the form of an optical waveguide, the environmental structure EVS may include photoelectric conversion elements for converting an electrical signal into an optical signal or vice versa.
한편, 도 6의 유형 A-E에는, 상기 환경 구조체(EVS)이 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 배선 구조체(UWS) 사이에 개재되는 예를 도시되고 있지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 환경 구조체(EVS)의 위치는, 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명된 것처럼, 다양하게 변형될 수 있다. 6 illustrates an example in which the environmental structure EVS is interposed between the main memory array MMA and the wiring structure UWS, but embodiments of the present invention are limited thereto. no. For example, the location of the environmental structure EVS may be variously modified as described with reference to FIGS. 4 to 7.
도 39 내지 도 43은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 이 실시예에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 A에서와 같이 수직 채널 3차원 낸드 플래시의 구조(예를 들면, BiCS 또는 TCAT)를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 상에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서는, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 양방향 전류를 이용하여 동작하는 고속의 저항성 메모리 요소(예를 들면, STT-MTJ)인 실시예가 예시적으로 설명될 것이다. 39 to 43 are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments. In this embodiment, the main memory array (MMA) is configured to have a structure of vertical channel three-dimensional NAND flash (e.g., BiCS or TCAT) as in type A of FIG. 37, and the cache memory array (CMA) May be configured to include cache cells CC that are two-dimensionally arranged on the main memory array MMA. Here, an embodiment in which the cache cells CC are high speed resistive memory elements (eg, STT-MTJ) operating using bidirectional current will be described by way of example.
상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 비트라인(BL)과 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 사이에 개재될 수 있고, 상기 수직 라인(VL)은 기판(SUB)의 상부면에 수직한 반도체 패턴(즉, 실리콘)을 포함하고, 상기 수직 라인(VL)과 상기 수평 라인(HL) 사이에는 상기 메모리 셀들(MC)로서 기능하는 전하저장막(e.g., ONO)이 개재될 수 있다. 상기 수직 라인(VL)의 상기 반도체 패턴은, 예를 들면, 소오스 및 드레인 전극들로 사용되는 n형 불순물 영역들 및 이들 사이에 개재되는 피형 또는 진성의 수직 채널 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 n형 불순물 영역들은 상기 수직 채널 영역과 함께 정류 소자를 구성할 수 있는 금속-함유막으로 대체될 수 있다. The cache cells CC may be interposed between the bit line BL and the main memory array MMA, and the vertical line VL may be a semiconductor pattern perpendicular to an upper surface of the substrate SUB. And a charge storage layer (eg, ONO), which functions as the memory cells MC, may be interposed between the vertical line VL and the horizontal line HL. The semiconductor pattern of the vertical line VL may include, for example, n-type impurity regions used as source and drain electrodes, and a vertical or intrinsic vertical channel region interposed therebetween. In example embodiments, the n-type impurity regions may be replaced with a metal-containing film that may form a rectifying device together with the vertical channel region.
상기 수평 라인들(HL) 또는 상기 워드라인들(WL)은 금속 또는 도핑된 실리콘을 포함할 수 있다. 복수의 게이트 라인들(GL)이 상기 캐쉬 셀들(CC)과 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 사이에서 상기 비트라인들(BL)을 가로지를 수 있다. 상기 게이트 라인들(GL) 각각은 상기 수직 라인(VL)의 상기 반도체 패턴을 채널 영역으로 사용하는 트랜지스터(즉, 상기 선택자(T))의 게이트 전극으로 사용될 수 있으며, 상기 선택 소오스 라인(SL)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 전기적 경로를 제어할 수 있다. The horizontal lines HL or the word lines WL may include metal or doped silicon. A plurality of gate lines GL may cross the bit lines BL between the cache cells CC and the main memory array MMA. Each of the gate lines GL may be used as a gate electrode of a transistor (ie, the selector T) using the semiconductor pattern of the vertical line VL as a channel region, and the selection source line SL And an electrical path between the cache cell and the cache cell CC.
상기 선택자(T)의 존재에 의해, 상기 수직 채널 영역은 도 39, 도 40 및 도 43에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM 읽기(S[RC])를 위한 전기적 경로로서 사용되지 않는다. 이에 따라, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 가해질 수 있는 읽기 및 쓰기 교란의 문제는 감소될 수 있다. By virtue of the presence of the selector T, the vertical channel region is electrically connected for the CM write (S [WC]) and the CM read (S [RC]), as shown in FIGS. 39, 40, and 43. It is not used as a path. Accordingly, the problem of read and write disturbances that may be applied to the main memory array MMA can be reduced.
상기 CM 쓰기(S[WC]) 동안, 도 39 및 도 40에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 라인들(CWL) 또는 상기 선택 소오스 라인들(SL) 중의 어느 하나와 복수의 비트라인들(BL)에 동작 전압들이 인가될 수 있다. 이 경우, 입력 데이터가 (예를 들면, 주변회로의 페이지 버퍼로부터) 상기 비트라인들(BL)을 통해 상기 캐쉬 셀들(CC)로 전달될 수 있다. 예를 들면, 입력하려는 데이터에 따라, 상기 비트라인들(BL) 중의 일부에 인가되는 전압(예를 들면, V1 or Vlow)은 다른 일부에 인가되는 전압(e.g., V2 or Vhigh)과 다를 수 있다. 이 경우, 도시된 것처럼, 상기 선택 소오스 라인들(SL) 중의 어느 하나에 상기 비트라인 전압들 중의 어느 하나와 실질적으로 동일한 전압을 인가하면, 상기 캐쉬 셀(CC)에 대한 쓰기 전류는, 그것이 연결된, 상기 비트라인(BL)과 상기 선택 소오스 라인(SL) 사이의 전위 차에 의해 선택적으로 형성될 수 있다. 도 39를 포함하는 이 출원서의 도면들에서, 물음표("?")는 그것이 가리키는 메모리 요소에 저장된 데이터에 의해 그것을 경유하는 전류 경로가 선택적으로 형성될 수 있음 또는 관련된 데이터 쓰기 동작이 선택적으로 수행될 수 있음을 의미한다. During the CM write S [WC], as shown in FIGS. 39 and 40, either one of the cache lines CWL or the selection source lines SL and the plurality of bit lines BL. Operating voltages can be applied. In this case, input data may be transferred to the cache cells CC through the bit lines BL (eg, from a page buffer of a peripheral circuit). For example, depending on the data to be input, a voltage (for example, V1 or Vlow) applied to a part of the bit lines BL may be different from a voltage (eg, V2 or Vhigh) applied to another part. . In this case, as shown, if a voltage substantially equal to any of the bit line voltages is applied to one of the selected source lines SL, the write current for the cache cell CC is connected to it. And may be selectively formed by a potential difference between the bit line BL and the selection source line SL. In the drawings of this application, including FIG. 39, a question mark ("?") Indicates that a current path via it may be selectively formed by the data stored in the memory element it points to, or an associated data write operation may optionally be performed. That means you can.
상기 CM-MM 복사(S[WM]) 동안, 도 39 및 도 41에 도시된 것처럼, 상기 비트라인들(BL)에는 비트라인 전압(V_BL)이 인가되고, 상기 워드라인들(WL) 중의 어느 하나(이하, 선택 워드라인)에 프로그램 전압(Vpgm)이 인가된다. 이 경우, 상기 비트라인(BL)으로부터 상기 셀 스트링으로의 전류 경로는 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각에 저장된 데이터에 의존하여 선택적으로 생성될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC)이 온 상태일 경우, 해당 채널 영역은 상기 비트라인과 실질적으로 같은 전위(즉, V_BL)(예를 들면, 0V)을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 선택 워드라인에 인가되는 전압(즉, Vpgm)이 높을 경우, 에프-엔 터널링을 통한 프로그램이 발생한다. 반면, 상기 캐쉬 셀(CC)이 오프 상태일 경우, 해당 채널 영역은 전기적으로 고립되어, 상기 워드라인들(WL)에 인가되는 전압들에 의해 증가된 전위를 갖게 된다. 그 결과, 상기 프로그램 전압과의 전위 차이가 감소될 수 있다. 즉, 셀프 부스팅 기술을 통한 프로그램 방지가 가능해질 수 있다. During the CM-MM copy S [WM], as shown in FIGS. 39 and 41, a bit line voltage V_BL is applied to the bit lines BL, and any of the word lines WL is applied. The program voltage Vpgm is applied to one (hereinafter, selected word line). In this case, the current path from the bit line BL to the cell string may be selectively generated depending on data stored in each of the cache cells CC. For example, when the cache cell CC is in an on state, the corresponding channel region may have a potential substantially equal to that of the bit line (ie, V_BL) (eg, 0V). In this case, when the voltage (ie, Vpgm) applied to the selected word line is high, a program through F-N tunneling occurs. On the other hand, when the cache cell CC is in an off state, the corresponding channel region is electrically isolated, and thus has a potential increased by voltages applied to the word lines WL. As a result, the potential difference with the program voltage can be reduced. That is, program prevention through self-boosting technology may be enabled.
상기 MM-CM 복사(S[RM]) 동안, 도 39 및 도 42에 도시된 것처럼, 복수의 비트라인들(BL)과 상기 워드라인들(WL) 중의 어느 하나(이하, 선택 워드라인)에 동작 전압들이 인가된다. 이 경우, 도 39에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각을 경유하는 전류 경로는 상기 선택 워드라인에 의해 제어되는 2차원 메모리 셀들(MC)에 저장된 데이터 각각에 의존하여 선택적으로 생성될 수 있다. 이러한 전류 경로가 생성되는 경우, 해당 캐쉬 셀(CC)의 데이터가 (예를 들면, 고저항 상태 또는 오프 상태로) 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 MM-CM 복사(S[RM]) 이전에, 상기 CM 초기화(S[IN])가 상기 캐쉬 셀들(CC)을 온 상태로 만들기 위해 실시될 수 있다. During the MM-CM copy S [RM], as shown in FIGS. 39 and 42, a plurality of bit lines BL and one of the word lines WL (hereinafter, selected word lines) may be used. Operating voltages are applied. In this case, as illustrated in FIG. 39, a current path through each of the cache cells CC may be selectively generated depending on each of the data stored in the two-dimensional memory cells MC controlled by the selection word line. have. When such a current path is generated, the data of the corresponding cache cell CC may be changed (for example, in a high resistance state or an off state). In some embodiments, prior to the MM-CM copy S [RM], the CM initialization S [IN] may be performed to turn on the cache cells CC.
상기 CM 읽기(S[RC]) 동안, 도 39 및 도 43에 도시된 것처럼, 서로 다른 동작 전압들(V1, V2)이 상기 캐쉬 라인들(CWL) 또는 상기 선택 소오스 라인들(SL) 중의 어느 하나와 상기 비트라인들(BL)에 각각 인가될 수 있다. 이 경우, 인가 전압 조건에 따라, 도 39에 도시된 방향 또는 그 반대 방향의 전류가 상기 캐쉬 셀(CC)에 저장된 데이터에 의존하여 선택적으로 생성될 수 있다. 주변 영역의 센스 앰프는 이러한 전류 경로의 생성에 의해 유발되는 비트라인의 전기적 상태(예를 들면, 전위)의 변동을 감지하도록 구성될 수 있다. 도 43에 도시된 것처럼, 상기 CM 읽기(S[RC])은 페이지 단위(또는 그 이하)로 수행될 수 있다. During the CM read S [RC], as shown in FIGS. 39 and 43, different operating voltages V1 and V2 are applied to any one of the cache lines CWL or the selected source lines SL. One and one may be applied to the bit lines BL, respectively. In this case, according to the applied voltage condition, a current in the direction shown in FIG. 39 or the opposite direction may be selectively generated depending on the data stored in the cache cell CC. The sense amplifiers in the peripheral region may be configured to detect variations in the electrical state (eg, potential) of the bit lines caused by the generation of such current paths. As illustrated in FIG. 43, the CM read S [RC] may be performed in page units (or less).
상술한 읽기 및 쓰기 동작들은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 일부분(예를 들면, 페이지 또는 그 이하)에 대해 선택적으로 및/또는 랜덤하게 수행될 수 있다. 또한, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 대한 이러한 선택적 읽기 및 쓰기 동작들은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근없이 독립적으로 수행될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 L1, L2, 또는 L3 캐쉬로서 사용될 수 있음을 의미한다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 저장된 데이터에 대한 장기간 보관이 필요하다고 판단되는 시점에 수행될 수 있다. 즉, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는, 예를 들면, 스토리지로서 사용될 수 있다. The read and write operations described above may be performed selectively and / or randomly on a portion (eg, page or less) of the cache memory array (CMA). Further, such selective read and write operations to the cache memory array CMA may be performed independently without access to the main memory array MMA. This means that the cache memory array CMA can be used as L1, L2, or L3 cache. Access to the main memory array (MMA) may be performed at a time when it is determined that long-term storage of data stored in the cache memory array (CMA) is necessary. That is, the main memory array MMA may be used as storage, for example.
한편, 상기 CM-MM 복사(S[WM])에서 상기 캐쉬 셀(CC)을 사용하여 셀프-부스팅시킬 경우, 종래 기술에서 요구되는, 스트링 선택 라인들(SSL)에 대한 필요가 감소할 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀(CC)의 오프 저항이 충분히 크다면, 상기 스트링 선택 라인들(SSL)이 없는 경우에도, 상기 CM-MM 복사(S[WM])는 유효하게 수행될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이것이 상기 스트링 선택 라인들(SSL)의 제거를 필수적으로 요구하지는 않는다. Meanwhile, when self-boosting using the cache cell CC in the CM-MM copy S [WM], the need for string select lines SSL, which is required in the prior art, may be reduced. . For example, if the off resistance of the cache cell CC is sufficiently large, the CM-MM copy S [WM] may be effectively performed even when the string select lines SSL are not present. Nevertheless, this does not necessarily require the removal of the string select lines SSL.
일부 실시예들에 따르면, 도 44에 도시된 것처럼, 상기 스트링 선택 라인(SSL)은 상기 선택자(ST)의 상기 게이트 라인(GL)으로 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 상기 수직 라인(VL)을 구성하는 반도체 패턴은 상기 선택자(ST)의 활성 패턴으로 사용되고, 상기 비트라인(BL)과 상기 캐쉬 셀(CC) 사이의 전류 경로는 상기 게이트 라인(GL) 또는 상기 스트링 선택 라인(SSL)에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 비트라인(BL)은 상기 스트링 선택 라인(SSL)을 패터닝하는 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 상기 반도체 패턴과 정류 소자를 형성할 수 있는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 정류 소자를 구현할 수 있는 도전성 박막(예를 들면, n+ 폴리실리콘)이 상기 비트라인(BL)과 상기 반도체 패턴(VL) 사이에는 더 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 비트라인(BL)은 상기 게이트 라인(GL)을 가로지르도록 형성될 수 있다According to some embodiments, as illustrated in FIG. 44, the string select line SSL may be used as the gate line GL of the selector ST. In this embodiment, the semiconductor pattern constituting the vertical line VL is used as an active pattern of the selector ST, and a current path between the bit line BL and the cache cell CC is connected to the gate line. GL) or the string select line SSL. In some embodiments, the bit line BL may be formed using a process of patterning the string select line SSL, and may be formed of a conductive material capable of forming the semiconductor pattern and the rectifying device. . In other embodiments, a conductive thin film (eg, n + polysilicon) capable of implementing the rectifying device may be further provided between the bit line BL and the semiconductor pattern VL. In example embodiments, the bit line BL may be formed to cross the gate line GL.
한편, 도 45에 도시된 것처럼, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd])의 방식을 통해 (예를 들면, 페이지 단위로) 프로그램될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 오프 상태일 때에도 충분히 높은 저항값을 갖지 못한다면, 상술한 셀프 부스팅 기술을 구현하기 어려울 수도 있다. 이러한 경우, 상기 MM 직접 쓰기(S[WMd]) 단계가 실시될 수 있다. 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 소거 동작은 알려진 종래의 기술들에 기초하여 동일하게 실시될 수 있다. As illustrated in FIG. 45, the main memory array MMA may be programmed (for example, in page units) through the MM direct write operation S [WMd]. For example, if the cache cells CC do not have a sufficiently high resistance even when in the off state, it may be difficult to implement the above-described self-boosting technique. In this case, the MM direct write (S [WMd]) step may be performed. The erase operation on the main memory array MMA may be equally performed based on known conventional techniques.
상기 CM 초기화(S[IN])는 도 45에 도시된 것처럼 세가지 방법들 중의 하나를 이용하여 실시될 수 있다. 예를 들면, 상기 CM 초기화(S[IN])는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근(즉, 교란)없이 상기 선택자(ST)를 경유하는 전류 경로를 이용하여 실시되거나, 상기 공통 소오스 라인(CSL)과 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 경유하는 전류 경로를 이용하여 실시될 수 있다. 상기 CM 초기화(S[IN])가 상기 선택자(ST)를 경유하는 전류를 이용하여 실시될 경우, 챕터 단위로 실시될 수 있다. 이 경우, 대 전류가 상기 선택 소오스 라인(SL) 또는 상기 비트라인(BL)을 통해 방전될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이러한 대전류 방전을 가능하게 하도록, 상기 선택 소오스 라인(SL) 또는 상기 비트라인(BL)은 충분히 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. The CM initialization S [IN] may be implemented using one of three methods as shown in FIG. For example, the CM initialization S [IN] may be performed using a current path through the selector ST without access (ie, disturbing) to the main memory array MMA, or the common source line. It may be implemented using a current path through the CSL and the main memory array MMA. When the CM initialization S [IN] is performed using a current passing through the selector ST, the CM initialization S [IN] may be performed in units of chapters. In this case, a large current may be discharged through the selection source line SL or the bit line BL. In some embodiments, the select source line SL or the bit line BL may be formed to a sufficiently thick thickness to enable such a large current discharge.
도 46에 도시된 것처럼, 상기 선택 소오스 라인(SL)이 상기 선택자(ST)의 상부에 제공될 경우, 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상술한 대전류 방전을 가능하게 만드는 두꺼운 두께(예를 들면, 100nm-5um)의 판 형태로 제공될 수 있다. 도 46에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 선택 소오스 라인(SL)이 상기 선택자(ST)의 상부에 제공되는 경우에도, 상기 CM 쓰기(S[WC]), 상기 CM-MM 복사(S[WM]), 상기 MM-CM 복사(S[RM]), 및 상기 CM 읽기(S[RC])는 유효하게 수행될 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예들이 도 46에 예시된 것에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 비트라인(BL)은 상기 게이트 라인(GL)을 가로지르도록 형성될 수 있다. 이에 더하여, 상기 선택자(ST)의 구조 또는 예시된 전압 조건들은 상기 캐쉬 셀들(CC)의 유형 및 동작 방법에 따라 보다 다양하게 변화될 수 있다. As shown in FIG. 46, when the selection source line SL is provided on the selector ST, the selection source line SL has a thick thickness (e.g., 100 nm-5 um). 46, the CM write (S [WC]) and the CM-MM copy (S [WM) even when the selection source line SL is provided on top of the selector ST. ]), The MM-CM copy (S [RM]), and the CM read (S [RC]) may be effectively performed. However, embodiments of the present invention are not limited to those illustrated in FIG. 46. In example embodiments, the bit line BL may be formed to cross the gate line GL. In addition, the structure of the selector ST or the illustrated voltage conditions may be changed in various ways according to the type and operation method of the cache cells CC.
도 47 내지 도 52는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 이 실시예에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 D에서와 같이 상기 내부 라인(VL)에 병렬로 연결된 가변저항 메모리 요소들을 포함하도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 위 또는 아래에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서는, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 양방향 전류 특성을 갖는 메모리 요소들인 실시예가 예시적으로 설명될 것이다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 도 36을 참조하여 설명된 FBM 또는 Z-RAM의 형태로 제공될 수 있다. 상기 캐쉬 셀들(CC)이 단방향 전류 특성을 가질 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 양방향 전류의 경우에 비해 용이하게 또는 단순화된 구조로 구현될 수 있다. 예를 들면, 단방향 전류 특성은 2단자 스위칭 소자(예를 들면, 다이오드)를 통해 구현될 수 있기 때문에, 양방향 전류 특성을 구현하기 위해 3단자 스위칭 소자(예를 들면, 트랜지스터)를 사용할 경우에 비해 단순화된 구조를 가질 수 있다. 따라서, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 단방향 전류 특성을 갖는, 실시예들에 대한 설명은 생략한다. 47 to 52 are diagrams for describing an operation of a semiconductor device according to example embodiments of the present inventive concepts. According to this embodiment, the main memory array MMA is configured to include variable resistance memory elements connected in parallel to the internal line VL as in type D of FIG. 37, wherein the cache memory array CMA is It may be configured to include cache cells (CC) two-dimensionally arranged above or below the main memory array (MMA). Here, an embodiment in which the cache cells CC are memory elements having bidirectional current characteristics will be described as an example. For example, the cache cells CC may be provided in the form of FBM or Z-RAM described with reference to FIG. 36. When the cache cells CC have a unidirectional current characteristic, the cache memory array CMA may be implemented in an easier or simplified structure than the bidirectional current. For example, since the unidirectional current characteristic can be implemented through a two-terminal switching element (eg a diode), compared to the case where a three-terminal switching element (eg a transistor) is used to realize the bidirectional current characteristic. It can have a simplified structure. Therefore, the description of the embodiments in which the cache cells CC have a unidirectional current characteristic will be omitted.
상기 내부 라인(VL)은 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU)을 구성하는 상기 캐쉬 셀(CC)과 상기 선택자(ST) 사이에 위치하는 연결 노드에 연결될 수 있다. (상기 내부 라인은 상기 수평 라인들(HL, HLx, HLy) 중의 어느 하나일 수도 있지만, 설명의 간결함을 위해 이러한 실시예들에 대한 설명은 생략한다.) 상기 비트라인들(BL) 각각은 상기 캐쉬 셀(CC)을 경유하여 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 캐쉬 셀(CC)의 동작은 상기 비트라인들(BL)을 가로지르는 캐쉬 제어 라인(CL)에 의해 제어될 수 있다. 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상기 선택자(ST)를 경유하여 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 선택자(ST)의 동작은 상기 비트라인들(BL)을 가로지르는 상기 게이트 라인(GL)에 의해 제어될 수 있다. The internal line VL may be connected to a connection node positioned between the cache cell CC and the selector ST constituting the unit cache memory CMU. (The inner line may be any one of the horizontal lines HL, HLx, and HLy, but for the sake of brevity, the description of these embodiments will be omitted.) Each of the bit lines BL may be It may be connected to the internal line VL via the cache cell CC, and the operation of the cache cell CC may be controlled by the cache control line CL crossing the bit lines BL. . The selection source line SL may be connected to the internal line VL via the selector ST, and the operation of the selector ST may be performed through the gate line GL across the bit lines BL. Can be controlled by
도 47 내지 도 52은 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 3차원 메모리 장치의 여러 동작들 또는 이들을 위한 전류 경로의 생성이 이러한 구성 또는 구조를 통해 구현될 수 있음을 예시적으로 보여준다. 예를 들면, 앞선 실시예들에서와 동일하게, 상기 선택자(ST)의 존재에 의해, 도 48, 도 51, 및 도 52에 도시된 것처럼, 상기 CM 쓰기(S[WC]), 상기 CM 읽기(S[RC]), 및 상기 CM 초기화(S[IN]) 동안 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 교란을 유발하지 않는 전류 경로를 생성하는 것이 가능하다. 또한, 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM])은 신호의 전송 방향에서의 차이를 가질 수 있지만, 도 49 및 도 50에 도시된 것처럼 챕터 단위로 (즉, 2차원적으로) 수행될 수 있다. 47 to 52 exemplarily illustrate that various operations or generation of a current path for the three-dimensional memory device described with reference to FIGS. 15 to 29 may be implemented through such a configuration or structure. For example, as in the previous embodiments, due to the presence of the selector ST, the CM write (S [WC]), the CM read, as shown in FIGS. 48, 51, and 52 (S [RC]), and it is possible to create a current path that does not cause disturbance to the main memory array MMA during the CM initialization S [IN]. Further, the CM-MM copy (S [WM]) and the MM-CM copy (S [RM]) may have a difference in the direction of transmission of the signal, but are shown in chapter units as shown in FIGS. 49 and 50. (Ie two dimensional).
본 발명의 실시예들이 도 47 내지 도 52에 도시된 전압 조건, 회로 구조 또는 배선 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 53은 상기 게이트 라인들(GL)이 서로 연결되어, 상기 캐쉬 셀들(CC) 중에서 인접하는 것들의 공통 게이트 전극으로 사용될 수 있음을 보여준다. 또한, 전류 방향은 도 47에 예시된 것에 한정되는 것이 아니며, 개발자의 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 이에 더하여, 상기 캐쉬 셀들(CC)의 구조 및 연결은, DRAM, FRAM, 또는 노어 플래시 등에서 사용되는 종래의 셀 어레이 구조들 중의 하나에 기초하여, 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들을 구현하도록 변형될 수 있다. Embodiments of the present invention are not limited to the voltage condition, circuit structure, or wiring structure shown in FIGS. 47 to 52. For example, FIG. 53 shows that the gate lines GL are connected to each other and may be used as a common gate electrode of adjacent ones of the cache cells CC. In addition, the current direction is not limited to that illustrated in FIG. 47, and may be variously modified according to a developer's needs. In addition, the structure and connection of the cache cells CC implements the operations described with reference to FIGS. 15 to 29 based on one of the conventional cell array structures used in DRAM, FRAM, NOR flash, and the like. It can be modified to.
도 54는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 이 실시예에 따르면, 도 47을 참조하여 설명된 실시예와 동일하게, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 D의 구조를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 34 및 도 35의 유형 D의 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 하지만, 이 실시예에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 내부 구조는 도 47의 구조로부터 변형될 수 있다. 예를 들면, 도 54에 도시된 것처럼, 상기 비트라인들(BL) 각각은 상기 선택자(ST)를 경유하여 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 선택자(ST)의 동작은 상기 비트라인들(BL)을 가로지르는 상기 게이트 라인(GL)에 의해 제어될 수 있다. 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상기 캐쉬 셀(CC)을 경유하여 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있고, 상기 캐쉬 셀(CC)의 동작은 상기 비트라인들(BL)을 가로지르는 캐쉬 제어 라인(CL)에 의해 제어될 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 내부 구조에서의 이러한 차이에도 불구하고, 도 47의 실시예와 유사하게, 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들이 이 실시예에 따른 구조를 통해서도 유효하게 구현될 수 있음을 도 54는 보여준다. 54 is a diagram for describing an operation of a semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure. According to this embodiment, similar to the embodiment described with reference to FIG. 47, the main memory array MMA is configured to have a structure of type D of FIG. 37, and the cache memory array CMA is illustrated in FIGS. It may be configured to have a structure of type D of FIG. However, in this embodiment, the internal structure of the cache memory array CMA may be modified from the structure of FIG. 47. For example, as shown in FIG. 54, each of the bit lines BL may be connected to the internal line VL via the selector ST, and the operation of the selector ST may be performed by the bit line. It may be controlled by the gate line GL across the field BL. The selection source line SL may be connected to the internal line VL via the cache cell CC, and the operation of the cache cell CC may be a cache control line crossing the bit lines BL. Can be controlled by (CL). Despite this difference in the internal structure of the cache memory array CMA, similar to the embodiment of FIG. 47, the operations described with reference to FIGS. 15 to 29 are effectively implemented through the structure according to this embodiment. 54 shows that it can be done.
도 55는 본 발명의 다른 변형된 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 이 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 D의 구조를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 34 및 도 35의 유형 C의 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 비트라인(BL)과 상기 내부 라인(VL) 사이에 제공되는 2단자 메모리 요소(예를 들면, 가변저항 메모리 요소)를 상기 캐쉬 셀(CC)로서 사용하도록 구성될 수 있다. 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상기 선택자(ST)를 통해 상기 내부 라인(VL)에 연결될 수 있다. 도 55는 상기 캐쉬 셀(CC)이 2단자 메모리 요소의 형태로 제공되는 경우에도 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들이 유효하게 구현될 수 있음을 보여준다. 55 is a diagram for describing an operation of a semiconductor device according to another modified embodiment of the present invention. According to these embodiments, the main memory array MMA may be configured to have a type D structure of FIG. 37, and the cache memory array CMA may be configured to have a type C structure of FIGS. 34 and 35. have. That is, the cache memory array CMA uses a two-terminal memory element (for example, a variable resistance memory element) provided between the bit line BL and the internal line VL as the cache cell CC. It can be configured to. The selection source line SL may be connected to the internal line VL through the selector ST. FIG. 55 shows that the operations described with reference to FIGS. 15 to 29 can be effectively implemented even when the cache cell CC is provided in the form of a two-terminal memory element.
도 56는 본 발명의 또 다른 변형된 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 이 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 A의 구조를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 34 및 도 35의 유형 D의 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 내부 구조는 도 54의 그것과 실질적으로 동일하게 구성될 수 있다. 즉, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 선택 소오스 라인(SL)과 상기 내부 라인(VL) 사이에 제공되는 3단자 메모리 요소(예를 들면, FBM 또는 Z-RAM)를 상기 캐쉬 셀(CC)로서 사용하도록 구성될 수 있다. 하지만, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 내부 구조는 도 55의 그것과 실질적으로 동일하도록 변형될 수도 있다. 도 56는 상기 캐쉬 셀(CC)이 2단자 메모리 요소의 형태로 제공되고, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 낸드 스트링의 구조로서 제공되는 경우에도 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들이 유효하게 구현될 수 있음을 보여준다. 56 is a diagram for describing an operation of a semiconductor device according to another modified embodiment of the present invention. According to these embodiments, the main memory array MMA may be configured to have a type A structure of FIG. 37, and the cache memory array CMA may be configured to have a type D structure of FIGS. 34 and 35. have. The internal structure of the cache memory array CMA may be configured substantially the same as that of FIG. 54. That is, the cache memory array CMA may include a three-terminal memory element (eg, FBM or Z-RAM) provided between the selection source line SL and the internal line VL. It can be configured to use as. However, the internal structure of the cache memory array CMA may be modified to be substantially the same as that of FIG. 55. 56 illustrates that the operations described with reference to FIGS. 15 through 29 are effective even when the cache cell CC is provided in the form of a two-terminal memory element and the main memory array MMA is provided as a structure of a NAND string. It can be implemented.
도 57는 본 발명의 또 다른 변형된 실시예에 따른 반도체 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 이 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 D의 구조를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 도 34 및 도 35의 유형 B의 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 선택 소오스 라인(SL)과 상기 내부 라인(VL) 사이에 제공되는 3단자 메모리 요소(예를 들면, FBM 또는 Z-RAM)를 상기 캐쉬 셀(CC)로서 사용하고, 상기 비트라인(BL)과 상기 내부 라인(VL) 사이에 제공되는 2단자 스위칭 소자(예를 들면, 다이오드)를 상기 선택자(ST)로 사용하도록 구성될 수 있다. 상기 선택자(ST)로서 2단자 스위칭 소자를 사용하는 경우에도, 도 15 내지 도 29를 참조하여 설명된 동작들이 유효하게 구현될 수 있음을 도 57는 보여준다. 57 is a diagram for describing an operation of a semiconductor device according to another modified embodiment of the present invention. According to these embodiments, the main memory array MMA may be configured to have a type D structure of FIG. 37, and the cache memory array CMA may be configured to have a type B structure of FIGS. 34 and 35. have. That is, the cache memory array CMA may include a three-terminal memory element (eg, FBM or Z-RAM) provided between the selection source line SL and the internal line VL. And a two-terminal switching element (for example, a diode) provided between the bit line BL and the internal line VL as the selector ST. Even when using the two-terminal switching element as the selector ST, FIG. 57 shows that the operations described with reference to FIGS. 15 to 29 can be effectively implemented.
도 58은 상기 CM-CM 복사(S[CC]) 단계의 구현의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 58에 도시된 것처럼, 상기 단위 캐쉬 메모리(CMU)가 도 34의 유형 D의 구조로 제공되는 실시예들에서 상기 CM-CM 복사(S[CC])는 유효하게 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 두 다른 부분들(P1, P2)에서, 상기 선택 소오스 라인들(SL) 사이에는 소정의 전위차(e.g., Vcc-GND)가 형성되고, 상기 캐쉬 라인들(CL)에는 서로 다른 동작 전압들(Vread and Vwrite)이 각각 인가될 수 있다. 58 is a diagram illustrating an example of an implementation of the CM-CM copy (S [CC]) step. As illustrated in FIG. 58, the CM-CM copy S [CC] may be effectively performed in embodiments in which the unit cache memory CMU is provided in the structure of type D of FIG. 34. For example, at two different portions P1 and P2 of the cache memory array CMA, a predetermined potential difference (eg, Vcc-GND) is formed between the selection source lines SL and the cache line. Different operating voltages Vread and Vwrite may be applied to the signals CL.
도 59 및 도 60은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 사시도들이다. 도 59 및 도 60에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 도 37의 유형 A에서와 같이 수직 채널 3차원 낸드 플래시의 구조(예를 들면, BiCS 또는 TCAT)를 갖도록 구성되고, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 상에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서는, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 양방향 전류를 이용하여 동작하는 고속의 저항성 메모리 요소(예를 들면, STT-MTJ)일 수 있다. 상기 비트라인들(BL)은 도 59에 도시된 것처럼 상기 캐쉬 셀들(CC) 상에 제공되거나 도 60에 도시된 것처럼 상기 캐쉬 셀들(CC)과 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 사이에 제공될 수 있다. 다시 말해, 도 60은 도 44를 참조하여 설명된 실시예에 따른 3차원 반도체 장치의 한 예를 도시하는 것일 수 있다. 도 60의 실시예에서, 상기 선택 소오스 라인(SL)은 상기 캐쉬 셀들(CC) 상에 제공되기 때문에, 두꺼운 두께의 판 형태로 그리고 낮은 비저항의 물질로 형성될 수 있다. 이는 상술한 대전류 방전을 가능하게 한다. 59 and 60 are perspective views illustrating a semiconductor device in accordance with some embodiments of the present invention. 59 and 60, the main memory array MMA is configured to have a structure of vertical channel three-dimensional NAND flash (eg, BiCS or TCAT) as in type A of FIG. 37, and the cache memory array ( The CMA may be configured to include cache cells CC that are two-dimensionally arranged on the main memory array MMA. The cache cells CC may be high speed resistive memory elements (eg, STT-MTJ) that operate using bidirectional current. The bit lines BL may be provided on the cache cells CC as shown in FIG. 59 or between the cache cells CC and the main memory array MMA as shown in FIG. 60. . In other words, FIG. 60 may illustrate an example of the 3D semiconductor device according to the exemplary embodiment described with reference to FIG. 44. In the embodiment of FIG. 60, since the selection source line SL is provided on the cache cells CC, the selection source line SL may be formed in a thick plate shape and a low resistivity material. This enables the above-mentioned large current discharge.
도 61 내지 도 65는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 장치를 도시하는 도면들이다. 이 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 아래에 2차원적으로 배열된 캐쉬 셀들(CC)을 포함하도록 구성되고, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 도 36을 참조하여 설명된 Z-RAM 또는 FBM을 포함하도록 구성될 수 있다. 도 61에 도시된 장치는 도 47를 참조하여 설명된 실시예를 구현한 예들 중의 하나일 수 있고, 도 62 내지 도 65는 도 54 및 도 56를 참조하여 설명된 실시예들을 구현한 예들일 수 있다. 상기 선택자(ST) 또는 상기 캐쉬 셀들(CC)은 도 61에 도시된 것처럼 매몰 산화막(BOX)을 포함하는 SOI 기판을 이용하는 평면형 트랜지스터의 형태로 구현되거나, 도 63에 도시된 것처럼 수직 채널 서라운드 게이트 트랜지스터의 형태로 구현되거나, 도 62에 도시된 것처럼 이들 두 트랜지스터 구조들의 조합을 통해 구현될 수 있다. 61 to 65 are diagrams illustrating semiconductor devices according to example embodiments of the inventive concepts. According to these embodiments, the cache memory array CMA is configured to include cache cells CC arranged two-dimensionally below the main memory array MMA, and the cache cells CC are illustrated in FIG. 36. It may be configured to include the Z-RAM or FBM described with reference. The apparatus shown in FIG. 61 may be one of examples implementing the embodiment described with reference to FIG. 47, and FIGS. 62 to 65 may be examples implementing the embodiments described with reference to FIGS. 54 and 56. have. The selector ST or the cache cells CC may be implemented in the form of a planar transistor using an SOI substrate including an buried oxide film BOX as shown in FIG. 61 or a vertical channel surround gate transistor as shown in FIG. It can be implemented in the form of or by a combination of these two transistor structures as shown in FIG.
한편, 상기 선택자(ST)의 종류 및 배치 등은 도시된 것처럼 모오스 트랜지스터에 한정되는 것은 아니며, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 요구되는 전기적 특성들에 상응하는 구조를 갖도록 다양하게 변형될 수 있다. 이에 더하여, 일부 실시예들에서, 상기 선택자(ST)는 그 자체로서 상기 캐쉬 셀(CC)로서 기능하도록 구성될 수 있으며, 이 경우, 도 72를 참조하여 설명될 실시예들에서의 기술적 특징들을 구현할 수 있다. On the other hand, the type and arrangement of the selector ST is not limited to the MOS transistor as shown, and may be variously modified to have a structure corresponding to electrical characteristics required for the cache cells CC. In addition, in some embodiments, the selector ST may itself be configured to function as the cache cell CC, in which case the technical features in the embodiments to be described with reference to FIG. 72 are described. Can be implemented.
도 66은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 반도체 장치 및 그 동작의 일부를 예시적으로 도시하는 도면이다. 이 실시예에 따르면, 상기 수직 라인들 각각은 수직 경로 제어 구조체(VPCS)를 구성할 수 있다. 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)와 관련된 기술적 특징들은, 그 내용이 본 발명의 일부로서 완전하게 포함되는, PCT 공개번호 WO 2010/018888 (2010.02.18) 및 미국 출원번호 13/059,059에 개시되고 있다. 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)의 사용은, 상기 메모리 셀들(MC) 각각에 정류 요소(예를 들면, 다이오드)을 배치하지 않는 경우에도, 3차원적으로 배열된 메모리 셀들(MC) 사이의 기생 전류 경로(sneak path)를 차단하는 것을 가능하게 한다. 66 is a diagram illustrating a semiconductor device and a part of an operation thereof according to example embodiments of the inventive concepts. According to this embodiment, each of the vertical lines may constitute a vertical path control structure (VPCS). Technical features related to the vertical path control structure (VPCS) are disclosed in PCT Publication No. WO 2010/018888 (2010.02.18) and US Application No. 13 / 059,059, the contents of which are fully incorporated as part of the present invention. . The use of the vertical path control structure VPCS is parasitic between three-dimensionally arranged memory cells MC, even when no rectifying element (eg, diode) is placed in each of the memory cells MC. It is possible to cut off the current path.
보다 구체적으로, 비트라인들(BL) 중의 하나 및 게이트 라인들(GL) 중의 하나를 선택하면, 상기 캐쉬 셀들(CC) 중의 하나가 일의적으로 선택될 수 있지만, 상기 수직 라인(VL)이 금속성 물질로 형성될 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC) 중의 하나가 일의적으로 선택되더라도, 감춰진 기생 경로들을 완전히 차단할 수는 없다. 하지만, 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)은 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각에 연결되며 상기 수직 라인(VL)으로 사용되는 반도체 패턴 및 상기 반도체 패턴을 마주보도록 배치되어 상기 반도체 패턴의 전위를 제어하는 수직 제어 전극을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상술한 감춰진 기생 전류 경로(sneak path)의 생성을 차단할 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)와의 연결을 위해, 상기 수직 경로 제어 구조체(VPCS)를 사용할 경우, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에서 정류 소자를 사용하지 않으면서도 그것의 내부에 기생 전류 경로(sneak path)가 생성되는 것을 차단할 수 있다. 상기 정류 소자가 생략되기 때문에, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 구조 및 이를 제조하는 방법이 단순화될 수 있으며, 상기 캐쉬 셀들(CC)과 상기 메모리 셀들(MC) 사이의 짝맞춤 또는 조합에 대한 기술적 요건들이 완화될 수 있다. More specifically, when one of the bit lines BL and one of the gate lines GL are selected, one of the cache cells CC may be uniquely selected, but the vertical line VL may be metallic. When formed of a material, even if one of the cache cells CC is uniquely selected, the hidden parasitic paths may not be completely blocked. However, the vertical path control structure VPCS is connected to each of the cache cells CC and is disposed to face the semiconductor pattern used as the vertical line VL and the semiconductor pattern to control the potential of the semiconductor pattern. It can be configured to include a control electrode. In this case, generation of the above-described hidden parasitic current path may be blocked. In other words, when the vertical path control structure VPCS is used to connect with the cache memory array CMA, a parasitic current path therein without using a rectifying element in the main memory array MMA. You can block the creation of sneak paths. Since the rectifying element is omitted, a structure of the main memory array MMA and a method of manufacturing the same may be simplified, and a description of a matching or combination between the cache cells CC and the memory cells MC may be provided. Requirements can be relaxed.
도 67은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 3차원 메모리 장치 및 동작 전류의 경로들을 개략적으로 도시하는 도면이다. 일부 실시예들에 따르면, 상기 메모리 셀들(MC)은 정류 소자를 포함함으로써 단방향 전류 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 CM-MM 복사(S[WM]), 상기 MM-CM 복사(S[RM]), 및 상기 CM 읽기(S[RC])에 사용되는 전류들은, 도 67에 도시된 것처럼, 같은 방향을 가질 수 있다. 반면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 양방향 전류 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 메모리 셀들(MC)을 경유하는 전류 경로는, 상기 캐쉬 셀들(CC)의 초기화를 위해 사용되기 어렵다. 하지만, 도 67에 도시된 것처럼, 별도의 전류 경로(DL)를 형성함으로써, 이러한 초기화의 어려움은 해결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 별도의 전류 경로(DL)은 상기 워드라인들(WL) 중의 하나를 사용하여 구현될 수 있다.FIG. 67 is a diagram schematically illustrating paths of a 3D memory device and an operating current according to some embodiments of the present disclosure. According to some embodiments, the memory cells MC may be configured to have a unidirectional current characteristic by including a rectifying element. In this case, the currents used for the CM-MM copy (S [WM]), the MM-CM copy (S [RM]), and the CM read (S [RC]) are as shown in FIG. It may have the same direction. On the other hand, the cache cells CC may be configured to have bidirectional current characteristics. In this case, the current path through the memory cells MC is difficult to use for initialization of the cache cells CC. However, as shown in FIG. 67, by forming a separate current path DL, this difficulty of initialization may be solved. In some embodiments, the separate current path DL may be implemented using one of the word lines WL.
한편, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 양방향 전류 특성을 갖지 않거나 짧은 리텐션 특성을 갖는 (즉, 휘발성의) 메모리 요소일 경우, 상기 별도의 전류 경로를 형성할 필요는 없을 수 있다. 또한, 이러한 별도의 전류 경로는 상기 캐쉬 셀들(CC) 및 상기 메모리 셀들(MC)의 종류 및 이들의 조합된 특성에 기초하여 적응적으로(adaptively) 구현될 수 있으며, 도 67에 도시된 한 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 별도의 전류 경로(DL) 및 상기 비트라인(BL)에 연결된 스위칭 트랜지스터들의 게이트 전극들은 도시된 것과 달리 독립적으로 제어될 수 있다. On the other hand, when the cache cells CC do not have a bidirectional current characteristic or (ie, volatile) memory element having a short retention characteristic, it may not be necessary to form the separate current path. In addition, such a separate current path may be adaptively implemented based on the types of the cache cells CC and the memory cells MC and their combined characteristics, as shown in FIG. 67. It is not limited to. For example, gate electrodes of the switching transistors connected to the separate current path DL and the bit line BL may be independently controlled, unlike illustrated.
도 68은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 메모리 장치를 도시하는 개략 사시도이다. 예를 들면, 도 68의 장치는 도시된 것처럼 복수의 블록들을 포함할 수 있으며, 상기 블록들 각각은 도 4의 제 1 기본 구조의 형태로 제공될 수 있다. 상기 블록들은 비트라인 디코더 및/또는 센스 앰프(BLD/SA)에 연결된 상기 비트라인 구조체(BLS)에 병렬적으로 연결되고, 그 각각의 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 독립적인 워드라인 디코더(WLD)에 연결될 수 있다. 68 is a schematic perspective view illustrating a semiconductor memory device in accordance with some embodiments of the present invention. For example, the apparatus of FIG. 68 may include a plurality of blocks as shown, each of which may be provided in the form of the first basic structure of FIG. The blocks are connected in parallel to the bitline structure BLS connected to a bitline decoder and / or a sense amplifier BLD / SA, each main memory array MMA being an independent wordline decoder WLD. ) Can be connected.
본 발명의 변형된 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)는 2차원적으로 배열된 메모리 셀들(MC)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우에도, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 교란 감소 및 속도 증가 등을 구현하기 위해, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 주변 회로 사이에 제공될 수 있다. According to modified embodiments of the present invention, the main memory array MMA may be configured to include two-dimensionally arranged memory cells MC. In this case, the cache memory array CMA may be provided between the main memory array MMA and a peripheral circuit in order to reduce disturbance and increase speed of the main memory array MMA.
도 69 및 도 70는, 그것의 상기 메인 메모리 어레이(MMA)가 도 2의 유형 B의 구조를 갖는, 3차원 반도체 메모리 장치들의 일부 예들을 도시하는 회로도들이다. 도 69를 참조하면, 상기 캐쉬 라인들(CWL)은 상기 제 2 수평 라인들(HLy)에 실질적으로 평행하고, 상기 비트라인들(BL)은 상기 캐쉬 라인들(CWL)을 가로질 수 있다. 도 70을 참조하면, 상기 비트라인들(BL)은 상기 제 2 수평 라인들(HLy)에 실질적으로 평행하고, 상기 캐쉬 라인들(CWL)은 상기 비트라인들(BL)를 가로지를 수 있다. 큰 점선은 각 챕터를 나타내고, 작은 점선은 각 페이지를 나타낸다. 69 and 70 are circuit diagrams showing some examples of three-dimensional semiconductor memory devices in which the main memory array MMA has the structure of type B of FIG. 2. Referring to FIG. 69, the cache lines CWL may be substantially parallel to the second horizontal lines HLy, and the bit lines BL may cross the cache lines CWL. Referring to FIG. 70, the bit lines BL may be substantially parallel to the second horizontal lines HLy, and the cache lines CWL may cross the bit lines BL. Large dotted lines represent each chapter, and small dotted lines represent each page.
도 71 및 도 72는 본 발명의 변형된 실시예들의 일부를 도시하는 개략적인 회로도들이다. 도 71 및 도 72에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA) 각각에서, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 다층 또는 다열 구조로 제공될 수 있다. 예를 들면, 도 71에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 3차원적으로 배열되고, 적어도 두 개의 캐쉬 셀들(CC)이 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 직렬로 연결될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 적어도 두 층의 챕터들을 포함할 수 있으며, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)은 3차원의 블록 구조를 가질 수 있음을 의미한다. 또는, 도 72에 도시된 것처럼, 적어도 두 개의 캐쉬 셀들(CC)이 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 병렬로 연결될 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 2차원의 블록 구조를 갖지만, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)은 적어도 두 층의 챕터들을 저장할 수 있도록 구성될 수 있음을 의미한다71 and 72 are schematic circuit diagrams illustrating some of the modified embodiments of the present invention. As shown in FIGS. 71 and 72, in each of the cache memory arrays CMA, the cache cells CC may be provided in a multi-layer or multi-column structure. For example, as shown in FIG. 71, the cache cells CC may be three-dimensionally arranged, and at least two cache cells CC may be connected in series to each of the first horizontal lines HLx. . This means that the cache memory array CMA may include at least two chapters, and the cache memory array CMA may have a three-dimensional block structure. Alternatively, as shown in FIG. 72, at least two cache cells CC may be connected to each of the first horizontal lines HLx in parallel. This means that the cache memory array CMA has a two-dimensional block structure, but the cache memory array CMA may be configured to store at least two chapters.
도 71 또는 도 72에 도시된 것처럼, 복수의 상기 캐쉬 셀들(CC)이 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결되는 경우, 이들은 서로 다른 기능 또는 보다 향상된 동작 속도를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 이들 중의 하나는 상기 CM-MM 복사 또는 상기 MM-CM 복사를 수행하는데 사용되고, 다른 하나는 상기 CM-MM 복사 또는 상기 MM-CM 복사 동안 해당 챕터 또는 다른 챕터에 쓰여질 챕터 데이터를 임시로 보관하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 복수의 챕터 데이터를 보관할 수 있도록 구성될 수 있다. As shown in FIG. 71 or 72, when a plurality of the cache cells CC are connected in series or in parallel to each of the first horizontal lines HLx, they may implement different functions or higher operating speeds. Can be used for For example, one of them may be used to perform the CM-MM copy or the MM-CM copy, and the other may temporarily change chapter data to be written to that chapter or another chapter during the CM-MM copy or the MM-CM copy. Can be used for storage. That is, the cache memory array CMA may be configured to hold a plurality of chapter data.
또는 상기 메모리 셀들(MC)이 다중레벨 셀(MLC)를 구현할 수 있는 메모리 요소일 경우, 상기 제 1 수평 라인들(HLx) 각각에 연결되는 복수의 상기 캐쉬 셀들(CC)은 상기 메모리 셀들(MC)의 이러한 다중레벨 특성을 구현하기 위해 사용될 수 있다. Alternatively, when the memory cells MC are memory elements capable of implementing a multilevel cell MLC, the plurality of cache cells CC connected to each of the first horizontal lines HLx may be the memory cells MC. Can be used to implement this multilevel characteristic.
다른 변형된 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각은 다중레벨 특성을 구현할 수 있는 메모리 요소일 수 있으며, 이 경우, 도 71 또는 도 72를 참조하여 설명된 기술적 특징들(예를 들면, 다양한 기능 또는 향상된 동작 속도)은 이러한 다중 레벨 캐쉬 셀들(CC)을 이용하여 구현될 수 있다. According to other modified embodiments, each of the cache cells CC may be a memory element capable of implementing a multilevel characteristic, in which case the technical features described with reference to FIG. 71 or 72 (eg, , Various functions or improved operating speeds) may be implemented using such multi-level cache cells CC.
도 71 및 도 72에 도시된 회로적인 측면에서의 기술적 특징들은, 물리적인 측면에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 단층 또는 다층 구조로서 형성함으로써 구현될 수 있다. 이에 더하여, 도 4에 도시된 구조들 각각, 역시, 도 71 및 도 72를 참조하여 설명된 기술적 특징 또는 기술적 효과를 구현하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 도 71 및 도 72의 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 yz 평면에 평행한 것으로 도시되었지만, xz 또는 xy 평면에 평행하도록 구성될 수 있다. The technical features in the circuitry illustrated in FIGS. 71 and 72 may be implemented in physical terms by forming the cache memory array CMA as a single layer or a multi-layer structure. In addition, each of the structures shown in FIG. 4 may also be configured to implement the technical features or technical effects described with reference to FIGS. 71 and 72. Similarly, the cache memory array CMA of FIGS. 71 and 72 is shown to be parallel to the yz plane, but may be configured to be parallel to the xz or xy plane.
도 73는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 및 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구비하는 메모리 반도체 칩의 일 예를 도시하고, 도 74는 상기 메인 메모리 어레이(MMA) 및 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 구비하는 프로세서의 한 예(e.g., CPU 또는 AP)를 도시한다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치는 도 73 및 도 74에 예시적으로 도시된 구조적 특징을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 도 74의 프로세서 칩에 있어서, 상기 메인 및 캐쉬 메모리 어레이(MMA, CMA)는 단일 집적(monolithic) 방식으로 형성된 하나의 칩의 일부분들일 수 있으며, 그 각각은 L1 및 L2 캐쉬들로서 또는 L2 및 L3 캐쉬들로서 사용될 수 있다. 도 73 및 도 74의 반도체 칩들은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)에 대해 캐쉬 알고리즘 또는 도 15 내지 도 29의 단계들 각각을 적응적으로 수행하도록 구성되는 회로들(예를 들면, 컨트롤러)을 더 구비할 수 있다. FIG. 73 illustrates an example of a memory semiconductor chip including the main memory array MMA and the cache memory array CMA. FIG. 74 illustrates the main memory array MMA and the cache memory array CMA. An example of a processor (eg, CPU or AP) is shown. That is, the semiconductor device according to example embodiments of the inventive concept may be configured to have structural features illustrated in FIGS. 73 and 74. According to some embodiments, in the processor chip of FIG. 74, the main and cache memory arrays MMA and CMA may be portions of one chip formed in a monolithic manner, each of which is L1 and L2. It can be used as caches or as L2 and L3 caches. 73 and 74 further comprise circuits (eg, a controller) configured to adaptively perform a cache algorithm or each of the steps of FIGS. 15-29 with respect to the cache memory array (CMA). can do.
상술한 것처럼 상기 챕터는 소정의 평면 상에 2차원적으로 배열된 데이터 또는 셀들로 구성된다. 하지만, 상기 평면은 데이터-계층 구조적인 측면에서의 평면을 의미할 수 있다. 이는 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)의 한 챕터가 블록들 중의 특정한 하나에 한정되는 개념이 아님을 의미한다. 예를 들면, 도 75에 도시된 것처럼, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는, 복수의 블록들 각각에 분산된, 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)로 구성될 수 있다. As described above, the chapter is composed of data or cells arranged two-dimensionally on a predetermined plane. However, the plane may mean a plane in terms of data-hierarchical structure. This means that one chapter of the cache memory array CMA is not a concept limited to a particular one of the blocks. For example, as shown in FIG. 75, the cache memory array CMA may be configured as partial cache memory arrays PCMA distributed in each of a plurality of blocks.
일부 실시예들에 따르면, 상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA) 각각을 구성하는 상기 캐쉬 셀들(CC)의 수(이하, 캐쉬 밀도)는 (예를 들면, 그것에 연결된) 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 어느 한 블록의 어느 한 챕터를 구성하는, 상기 메모리 셀들(MC)의 수(이하, 저장소 밀도)와 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도보다 클 수 있다. 예를 들면, 도 71 및 도 72를 참조하여 설명된 실시예들에서와 같이, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도의 두 배일 수 있다. 또 다른 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 밀도는 상기 저장소 밀도보다 작을 수 있다. 예를 들면, 상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA) 각각은 페이지 데이터를 저장하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 76에 도시된 것처럼, 반도체 장치는 VG-NAND 구조를 갖는 복수의 메인 메모리 블록들 및 상기 메인 메모리 블록들 각각에 연결되는 복수의 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)을 포함할 수 있다. 상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)은 비트라인들(BL)를 가로지르는 캐쉬 라인들(CWL)에 의해 제어될 수 있으며, 그 각각의 데이터 저장 크기는, 예를 들면, 페이지일 수 있다. According to some embodiments, the number of cache cells CC constituting each of the partial cache memory arrays PCMA (hereinafter, cache density) is determined by the main memory array MMA (eg, connected thereto). The number of memory cells MC (hereinafter, referred to as a storage density) constituting any one chapter of any one block may be substantially the same. According to other embodiments, the cache density may be greater than the reservoir density. For example, as in the embodiments described with reference to FIGS. 71 and 72, the cache density may be twice the reservoir density. According to still other embodiments, the cache density may be less than the reservoir density. For example, each of the partial cache memory arrays PCMA may be configured to store page data. For example, as shown in FIG. 76, the semiconductor device may include a plurality of main memory blocks having a VG-NAND structure and a plurality of partial cache memory arrays PCMA connected to each of the main memory blocks. have. The partial cache memory arrays PCMA may be controlled by the cache lines CWL across the bit lines BL, and the respective data storage size may be, for example, a page.
당업자에 의해 용이하게 변형 가능한 수준에서의 차이는 존재하지만, 도 39 내지 도 46을 참조하여 설명된 수직 채널 낸드 플래시 메모리의 동작 방법들은 도 76의 VG-NAND 구조의 예에 대해서도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 설명의 간결함을 위해, 이러한 동작 방법들에 대한 자세한 설명은 생략한다. 한편, 상기 분산된 부분 캐쉬 메모리 어레이들(PCMA)을 포함하는 실시예들이 (본 발명에 대한 보다 나은 이해를 위한 예로서 제공된) 도 76의 예에 한정되는 것은 아니며, 상술한 설명들에 기초하여 다양하게 변형될 수 있다. Although there are differences in levels that can be easily modified by those skilled in the art, the operating methods of the vertical channel NAND flash memory described with reference to FIGS. 39 to 46 are substantially the same for the example of the VG-NAND structure of FIG. 76. Can be. Therefore, for the sake of brevity of description, detailed description of these operating methods will be omitted. On the other hand, embodiments including the distributed partial cache memory arrays (PCMA) are not limited to the example of FIG. 76 (provided as an example for a better understanding of the present invention), based on the foregoing descriptions. It can be variously modified.
상기 캐쉬 밀도가 상기 저장소 밀도보다 작을 경우, 상기 캐쉬 셀들(CC) 각각은 상기 메모리 셀들(MC) 각각보다 큰 단위 면적을 갖는 메모리 요소를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 (에스램 또는 레이스트랙 메모리 등과 같은) 큰 면적을 갖는 메모리 요소들일 수 있으며, 상기 메모리 셀들(MC)은 (크로스포인트 메모리 또는 플래시 메모리 등과 같은) 작은 점유 면적을 갖는 메모리 요소들일 수 있다. When the cache density is smaller than the storage density, each of the cache cells CC may be implemented using a memory element having a unit area larger than that of each of the memory cells MC. For example, the cache cells CC may be memory elements having a large area (such as SRAM or racetrack memory, etc.), and the memory cells MC may occupy a small amount (such as crosspoint memory or flash memory, etc.). May be memory elements having an area.
일부 변형된 실시예들에 따르면, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)와 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 서로 다른 칩들 상에 각각 구현된 후, (예를 들면, 실리콘 관통 비아들을 통해) 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 예를 들면, 도 76의 예에서와 같이 상기 캐쉬 밀도와 상기 저장소 밀도 사이의 차이가 클 경우, 상술한 것처럼 상기 캐쉬 셀들(CC)의 크기를 증가시킬 수 있기 때문에, 이러한 전기적 연결에서의 어려움은 완화될 수 있다. According to some modified embodiments, the main memory array MMA and the cache memory array CMA are each implemented on different chips and then electrically connected to each other (eg, through silicon through vias). Can be. For example, when the difference between the cache density and the storage density is large, as in the example of FIG. 76, since the size of the cache cells CC can be increased as described above, the difficulty in such an electrical connection is Can be mitigated.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는, 상기 기판(SUB)의 상부에 또는 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 상부 또는 하부에, (예를 들면, 단일집적 방식으로) 집적된 칩의 내적 구조물(internal structure)일 수 있다. 이 경우, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 수 내지 수십 마이크로 미터의 크기를 갖는 실리콘-관통 비아들 또는 본딩 와이어 등을 사용하여 연결되는 외부 메모리 칩과 구별될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 연결되는 상기 내부 라인들(VL 또는 HL)은 수 내지 수십 nm의 폭을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 캐쉬 밀도가 상기 저장소 밀도보다 작을 경우를 제외하면, 상술한 캐쉬 밀도와 저장소 밀도 사이의 관계는 상기 실리콘-관통 비아들 또는 본딩 와이어들로부터 얻어지기 어렵다. According to some embodiments of the present disclosure, the cache memory array CMA may be disposed on the substrate SUB or above or below the main memory array MMA (eg, in a single integrated manner). ) May be an internal structure of the integrated chip. In this case, the cache memory array CMA may be distinguished from an external memory chip connected by using silicon-through vias or bonding wires having a size of several to several tens of micrometers. For example, the internal lines VL or HL connected to the cache cells CC may have a width of several nm to several tens of nm. Thus, except for the case where the cache density is smaller than the reservoir density, the above-described relationship between the cache density and the reservoir density is difficult to obtain from the silicon-through vias or bonding wires.
이에 더하여, 평면도의 측면에서 볼 때, 상기 캐쉬 셀들(CC)은, 셀 어레이 영역의 내부에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)를 구성하는 연결 라인들(예를 들면, 수직 라인들(VL))에 전기적으로 연결될 수 있다. 다시 말해, 상기 캐쉬 셀들(CC)은 (페이지 버퍼, 비트라인 디코더 또는 센싱 회로 등과 같은) 주변 회로를 경유하지 않고 상기 메모리 셀들(MC)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이처럼, 외부 장치(예를 들면, CPU)로부터의 데이터 경로 길이에 있어서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)가 상기 주변회로보다 길다는 점에서, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)는 상기 주변회로에 대한 내부 구조물일 수 있으며, 상기 내부 라인들(VL 또는 HL)은 반도체 칩의 내부에 제공된 라인들일 수 있다. 이와 달리, 상기 실리콘-관통 비아들 또는 본딩 와이어들은 적층된 칩들의 I/O 단자들을 연결하는 배선들로 사용된다는 점에서, 이들은 상기 적층된 칩들 각각의 주변회로에 대한 외부 구조물에 해당한다. In addition, when viewed from the side of the plan view, the cache cells CC may include connection lines (for example, vertical lines VL) constituting the main memory array MMA in a cell array region. Can be electrically connected to the In other words, the cache cells CC may be electrically connected to the memory cells MC without passing through a peripheral circuit (such as a page buffer, a bit line decoder, or a sensing circuit). As such, in terms of the data path length from an external device (e.g., a CPU), the cache memory array CMA is internal to the peripheral circuit in that the cache memory array CMA is longer than the peripheral circuit. The internal lines VL or HL may be lines provided inside the semiconductor chip. In contrast, the silicon-via vias or bonding wires are used as interconnects connecting the I / O terminals of the stacked chips, which corresponds to the outer structure for the peripheral circuit of each of the stacked chips.
또한, 도 2, 도 8 내지 도 12, 그리고 도 60 내지 도 63에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 내부 라인들(VL 또는 HL)은 상기 기판(SUB)을 완전히 관통하지 않도록 형성되며, 그 길이는 상기 기판(SUB) 또는 그것을 포함하는 칩의 전체 두께보다 작을 수 있다. In addition, as exemplarily shown in FIGS. 2, 8 to 12, and 60 to 63, the inner lines VL or HL are formed so as not to completely penetrate the substrate SUB, and the length of the inner lines VL or HL may not be completely penetrated. May be smaller than the overall thickness of the substrate SUB or a chip including the same.
그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 칩들이 실리콘-관통 비아 또는 웨이퍼 본딩 기술의 적용없이 구현되어야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들에 따른 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함하는 반도체 칩들은 상기 실리콘-관통 비아들을 사용하는 멀티-칩 패키지의 일부로서 제공될 수 있다. Nevertheless, semiconductor chips according to embodiments of the present invention should not be implemented without the application of silicon-through vias or wafer bonding techniques. For example, semiconductor chips including the cache memory array (CMA) according to embodiments of the present invention may be provided as part of a multi-chip package using the silicon-through vias.
[효과][effect]
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상기 CM 읽기(S[RC]), 상기 CM 쓰기(S[WC]) 및 상기 CM 초기화(S[IN])은 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 전기적 접근없이 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 메모리 셀들(MC)에 저장된 데이터는 이 단계들에 의해 교란되지 않는다. 이에 더하여, 상기 CM-MM 복사(S[WM]) 및 상기 MM-CM 복사(S[RM])는, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한, 페이지 단위의 반복적 접근 없이, 챕터 단위의 한번 접근을 통해 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 불필요한 접근(즉, 데이터 교란)을 줄일 수 있다. 그 결과, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)의 한 블록에 대한 정상적인 읽기 및 쓰기 동작 동안 발생하는 교란 동작의 횟수는, 도 77에 도시된 것처럼, 각 블록을 구성하는 챕터들의 수(r)와 실질적으로 동일할 수 있다. 같은 이유에서, 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 접근에서 발생하는 에너지 소모를 감소시킬 수 있다. According to some embodiments of the present invention, the CM read (S [RC]), the CM write (S [WC]) and the CM initialization (S [IN]) are electrically connected to the main memory array (MMA). Can be performed without access. Accordingly, data stored in the memory cells MC are not disturbed by these steps. In addition, the CM-MM copy (S [WM]) and the MM-CM copy (S [RM]) access chapter-by-chapter once, without repetitive page-by-page access to the main memory array (MMA). It can be performed through. Accordingly, unnecessary access (ie, data disturbance) to the main memory array MMA may be reduced. As a result, the number of disturbance operations occurring during normal read and write operations for one block of the main memory array MMA is substantially equal to the number r of chapters constituting each block, as shown in FIG. May be the same. For the same reason, energy consumption in access to the main memory array MMA can be reduced.
이와 달리, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)없이 수행되는 또는 이를 이용하지 않는 종래의 읽기 및 쓰기 동작의 경우, 한 챕터의 데이터를 처리하기 위해서는 적어도 그 챕터를 구성하는 페이지의 수만큼 상기 메인 메모리 어레이(MMA)에 대한 반복적인 접근이 필요하다. 다시 말해, 종래 기술의 경우, 교란 동작의 횟수는 도 77에 도시된 것처럼, 각 블록을 구성하는 챕터들의 수(r)와 각 챕터를 구성하는 페이지들의 수(q)의 곱과 실질적으로 동일할 수 있다. 하지만, 이러한 숫자들은 본 발명에 대한 보다 나은 이해를 위해 제공되는 것으로, 실제의 경우, 데이터 신뢰성 향상을 위한 추가적인 동작들(예를 들면, 확인(verify) 동작)에 의해 달라질 수 있다. In contrast, in the case of a conventional read and write operation performed without or without the cache memory array CMA, in order to process data of one chapter, the main memory array (at least as many as the number of pages constituting the chapter) is processed. Iterative approach to MMA) is required. In other words, in the prior art, the number of disturbance operations may be substantially equal to the product of the number r of chapters constituting each block and the number q of pages constituting each chapter, as shown in FIG. 77. Can be. However, these numbers are provided for a better understanding of the present invention, and in practice can be varied by additional operations (e.g., verify operations) to improve data reliability.
상기 캐쉬 셀들(CC) 각각이 상기 메모리 셀들(MC) 각각에 비해 빠른 쓰기 및/또는 읽기 속도를 가질 경우, 각 챕터 데이터 전체를 독출하거나 기록하는데 소요되는 시간(이하, 챕터 읽기 시간 및 챕터 쓰기 시간)은 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 이용하지 않는 종래 기술에 비해 감소될 수 있다. When each of the cache cells CC has a faster writing and / or reading speed than each of the memory cells MC, a time required to read or write the entire chapter data (hereinafter, chapter reading time and chapter writing time). ) Can be reduced compared to the prior art which does not use the cache memory array (CMA).
예를 들면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)없이 수행되는 통상의 기술의 경우, 상기 챕터 읽기 시간은 페이지 데이터를 상기 메모리 셀들(MC)로부터 한번 읽는데 소요되는 시간(T0)와 각 챕터의 페이지 수(q)의 곱이다(~ q x T0). 이와 달리, 도 18 및 도 19의 읽기 방법의 경우, 상기 챕터 읽기 시간은 a) 챕터 데이터를 상기 메모리 셀들(MC)로부터 한번 읽는데 소요되는 시간(T0')과 b) 페이지 데이터를 상기 캐쉬 셀들(CC)로부터 읽는데 소요되는 시간(T1)과 각 챕터의 페이지 수(q)의 곱의 합과 같다(즉, T0'+ q x T1). 여기서, T0'와 T0는 대략적으로 동일할 수 있으며, 따라서, 상기 챕터 읽기 시간은 대략 T0+ q x T1일 수 있다. For example, in a conventional technique performed without the cache memory array CMA, the chapter read time may include a time T0 for reading page data from the memory cells MC once and the number of pages of each chapter ( q) (~ qx T0). In contrast, in the reading method of FIGS. 18 and 19, the chapter reading time may include: a) a time T0 ′ for reading chapter data once from the memory cells MC and b) page data for the cache cells ( CC) is equal to the sum of the time T1 spent reading from the product of the number of pages q of each chapter (ie, T0 '+ qx T1). Here, T0 'and T0 may be approximately equal, and thus, the chapter read time may be approximately T0 + q x T1.
또한, 도 18 및 도 19의 읽기 방법과 비교할 때, 도 20 및 도 21의 쓰기 방법은 동작 순서에서의 차이는 있지만 상기 챕터 읽기 시간에서와 동일한 수학적 논리가 적용될 수 있다. 이에 따라, 상기 챕터 쓰기 시간은 도 20 및 도 21의 쓰기 방법의 경우 대략 T2+ q x T3로 주어지고, 종래 기술의 경우 q x T2로 주어질 수 있다(여기서, T2는 챕터 데이터를 상기 메모리 셀들(MC)에 한번 쓰는데 소요되는 시간이고, T3는 페이지 데이터를 상기 캐쉬 셀들(CC)에 한번 기록하는데 소요되는 시간이다). In addition, compared with the reading method of FIGS. 18 and 19, the writing method of FIGS. 20 and 21 may have the same mathematical logic as that of the chapter read time, although there is a difference in operation order. Accordingly, the chapter writing time may be given as approximately T2 + qx T3 for the writing method of FIGS. 20 and 21, and qx T2 for the prior art (where T2 represents chapter data for the memory cells MC). Is a time required to write once, and T3 is a time required to write page data to the cache cells CC once).
따라서, 상기 캐쉬 셀들(CC)에 대한 읽기 속도 T1 또는 쓰기 속도 T3가 상기 메모리 셀들(MC)의 그것들(T0 및 T2)보다 충분히 작다면, 도 78 및 도 79에 각각 도시된 것처럼, 상기 챕터 읽기 시간 및 챕터 쓰기 시간은 종래 기술에 비해 크게 감소될 수 있다. 예를 들면, 아래 표 1은 상기 메모리 셀들(MC)이 대략 25us 및 200us의 읽기 및 쓰기 속도를 갖는 플래시 메모리 셀이고, 상기 캐쉬 셀들(CC)이 대략 10ns 및 10ns의 읽기 및 쓰기 속도를 갖는 RRAM 또는 STT-MRAM인 경우, 16 페이지를 포함하는 한 챕터에 대한 읽기 및 쓰기 동작에 소요되는 시간을 보여준다. Therefore, if the read rate T1 or write rate T3 for the cache cells CC is sufficiently smaller than those T0 and T2 of the memory cells MC, as shown in Figs. 78 and 79, respectively, the chapter reads Time and chapter writing time can be significantly reduced compared to the prior art. For example, Table 1 below shows an RRAM in which the memory cells MC have a read and write speed of approximately 25us and 200us, and the cache cells CC have a read and write speed of approximately 10ns and 10ns. Or, in case of STT-MRAM, it shows the time required for read and write operation for one chapter including 16 pages.
[표 1]TABLE 1
표 1을 참조하면, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함하는 경우, 한 챕터에 대한 읽기 및 쓰기 시간(25.16us, 200.16us)은 상기 메모리 셀에 대한 한번의 읽기 및 쓰기 시간들(T0(25.00us), T2(200.00us))과 거의 차이를 갖지 않는다. 이에 따라, 상기 캐쉬 메모리 어레이(CMA)를 포함하는 경우, 챕터 데이터에 대한 읽기 및 쓰기 시간은 그렇지 않은 경우에 비해 한 챕터를 구성하는 페이지들의 수(표 1의 경우, 대략 16배)만큼 빨라질 수 있다. Referring to Table 1, when the cache memory array (CMA) is included, the read and write times (25.16us and 200.16us) for one chapter are calculated as one read and write times (T0 (25.00) for the memory cell. us), little difference from T2 (200.00us)). Accordingly, when including the cache memory array (CMA), the read and write time for the chapter data can be as fast as the number of pages constituting one chapter (approximately 16 times in the case of Table 1) compared to the other case. have.
[응용][Applications]
도 80에 도시된 것처럼, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 제품(1000)은 메모리 장치(1001) 및 상기 메모리 장치(1001)에 의존적으로 또는 독립적으로 동작하는 전자 부품(1002)을 포함할 수 있다. 상기 전자 제품(1000)은 (메모리 모듈, SSD, 프로세서, 컨트롤러, 또는 메모리 카드와 같은) 전자 부품, (모바일 기기, 웨어러블 기기, 이미지 기록/저장 장치, 노트북, 또는 컴퓨터와 같은) 개인용 전자 제품, 및 (데이터 센터, 서버 시스템, 클라우딩 시스템, 의료 기기, 군사 기기, 자동차, 선박, 또는 방송 장비 등과 같은) 복합 시스템의 형태로서 제공될 수 있다. 상기 메모리 장치(1001)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 장치들 중의 적어도 하나를 포함하는 형태로서 제공될 수 있다. 상기 전자 제품(1000)이 전자 부품의 형태로 제공되는 경우, 상기 전자 부품(1002)은 커패시터, 저항, 코일, 반도체 칩(예를 들면, 컨트롤러), 및/또는 배선 기판 등의 형태로 제공될 수 있고, 개인용 전자 제품의 경우, 상기 전자 부품(1002)은 안테나, 디스플레이, 제어 장치, 사용자 정보 입력 수단(예를 들면, 터치 패널) 및/또는 전원 등을 포함할 수 있고, 시스템의 경우, 상기 전자 부품(1002)은 입출력 수단, 하우징 및/또는 전원 공급부 등을 포함할 수 있다. As illustrated in FIG. 80, an electronic product 1000 according to some embodiments of the present disclosure may include a memory device 1001 and an electronic component 1002 that operates independently or independently of the memory device 1001. Can be. The electronics 1000 may include electronic components (such as memory modules, SSDs, processors, controllers, or memory cards), personal electronic products (such as mobile devices, wearable devices, image recording / storage devices, laptops, or computers), And complex systems (such as data centers, server systems, clouding systems, medical devices, military devices, automobiles, ships, or broadcast equipment, etc.). The memory device 1001 may be provided in a form including at least one of the semiconductor devices according to the embodiments of the present invention described above. When the electronic product 1000 is provided in the form of an electronic component, the electronic component 1002 may be provided in the form of a capacitor, a resistor, a coil, a semiconductor chip (eg, a controller), and / or a wiring board. In the case of a personal electronic product, the electronic component 1002 may include an antenna, a display, a control device, user information input means (for example, a touch panel) and / or a power source, and, in the case of a system, The electronic component 1002 may include an input / output means, a housing and / or a power supply unit.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention belongs may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. You will understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
본 발명의 실시예들은 3차원 메모리 셀 어레이를 구비하는 반도체 장치를 구현하기 위해 사용될 수 있다. Embodiments of the present invention can be used to implement a semiconductor device having a three-dimensional memory cell array.

Claims (12)

  1. 3차원적으로 배열되어 블록 데이터를 저장하는, 메모리 셀들을 포함하는 메인 메모리 어레이; A main memory array comprising memory cells three-dimensionally arranged to store block data;
    2차원적으로 배열되어 챕터 데이터를 저장하는, 캐쉬 셀들을 포함하는 캐쉬 메모리 어레이; A cache memory array including cache cells that are two-dimensionally arranged to store chapter data;
    1차원적으로 배열되어 페이지 데이터를 전송하는, 비트라인들을 포함하는 비트라인 구조체; 및A bitline structure including bitlines arranged one-dimensionally to transmit page data; And
    상기 비트라인 구조체를 통해 상기 캐쉬 메모리 어레이 연결되는 비트라인 디코더를 포함하는 반도체 장치.And a bitline decoder coupled to the cache memory array through the bitline structure.
  2. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 캐쉬 셀들은 상기 메모리 셀들과는 다른 메모리 요소들을 사용하여 구현되는 반도체 장치.And the cache cells are implemented using memory elements different from the memory cells.
  3. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 캐쉬 셀들은 상기 메모리 셀들에 비해 빠른 동작 속도를 갖는 메모리 요소들을 사용하여 구현되는 반도체 장치.And the cache cells are implemented using memory elements having a faster operating speed than the memory cells.
  4. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 캐쉬 메모리 어레이는 상기 비트라인들을 가로지르면서 상기 캐쉬 메모리 셀들을 제어하는 복수의 캐쉬 라인을 포함하는 반도체 장치.And the cache memory array includes a plurality of cache lines that control the cache memory cells while crossing the bit lines.
  5. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 메인 메모리 어레이는 2차원적으로 배열되어 상기 메모리 셀들을 연결하는 복수의 수직 라인들을 포함하고,The main memory array includes a plurality of vertical lines arranged two-dimensionally to connect the memory cells,
    상기 캐쉬 셀들 각각은 상기 수직 라인들 중의 상응하는 하나에 연결되는 반도체 장치.Each of the cache cells is connected to a corresponding one of the vertical lines.
  6. 청구항 5에 있어서, The method according to claim 5,
    상기 메모리 셀들은 전하저장층을 포함하는 메모리 요소들이고, The memory cells are memory elements comprising a charge storage layer,
    상기 캐쉬 셀들은 가변저항 특성을 갖는 메모리 요소들인 반도체 장치.And the cache cells are memory elements having a variable resistance characteristic.
  7. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 메인 메모리 어레이는, 그 각각은 블록 데이터를 저장하도록 구성되는, 복수의 블록들을 포함하고, The main memory array comprising a plurality of blocks, each configured to store block data,
    상기 캐쉬 메모리 어레이는 상기 블록들 각각에 대응하여 제공되는 복수의 부분 캐쉬 메모리 어레이들을 포함하는 반도체 장치.The cache memory array includes a plurality of partial cache memory arrays provided corresponding to each of the blocks.
  8. 청구항 7에 있어서, The method according to claim 7,
    상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들 각각은 한 페이지 또는 그 이하의 데이터를 저장하도록 구성되는 반도체 장치.Each of the partial cache memory arrays is configured to store one page or less of data.
  9. 청구항 7에 있어서, The method according to claim 7,
    상기 부분 캐쉬 메모리 어레이들 각각은 두 페이지 또는 그 이상의 데이터를 저장하도록 구성되는 반도체 장치.Each of the partial cache memory arrays is configured to store two pages or more data.
  10. 청구항 1의 반도체 장치를 동작하는 방법에 있어서, In the method of operating the semiconductor device of claim 1,
    상기 캐쉬 메모리 어레이와 상기 비트라인 디코더 사이의 데이터 교환은 한 페이지 또는 그 이하의 단위로 수행되고, The data exchange between the cache memory array and the bit line decoder is performed in units of one page or less,
    상기 캐쉬 메모리 어레이와 상기 메인 메모리 어레이 사이의 데이터 교환은 적어도 두 페이지 이상의 단위로 수행되는 반도체 장치의 동작 방법.And exchanging data between the cache memory array and the main memory array in units of at least two pages.
  11. 청구항 10에 있어서, The method according to claim 10,
    상기 메인 메모리 어레이에 대한 쓰기 동작은 The write operation to the main memory array is
    상기 비트라인 디코더를 경유하여 입력되는 외부 데이터를, 한 페이지 또는 그 이하의 단위로, 상기 캐쉬 메모리 어레이에 기록하는 캐쉬 쓰기를 적어도 한번 실시하는 단계; 및At least once performing a cache write for writing external data input through the bit line decoder to the cache memory array in units of one page or less; And
    상기 캐쉬 메모리 어레이에 저장된 데이터를, 적어도 두 페이지 이상의 단위로, 상기 메인 메모리 어레이로 기록하는 캐쉬-메인 복사를 한번 실시하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법.And performing a cache-main copy, which writes data stored in the cache memory array to the main memory array in units of at least two pages.
  12. 청구항 10에 있어서, The method according to claim 10,
    상기 메인 메모리 어레이에 대한 읽기 동작은 The read operation on the main memory array is
    상기 메인 메모리 어레이에 저장된 데이터를, 적어도 두 페이지 이상의 단위로, 상기 캐쉬 메모리 어레이에 기록하는 메인-캐쉬 복사를 한번 실시하는 단계; 및Performing a main-cache copy for writing data stored in the main memory array in the cache memory array in units of at least two pages; And
    상기 캐쉬 메모리 어레이에 기록된 데이터를, 한 페이지 또는 그 이하의 단위로, 상기 비트라인 디코더로 전송하는 캐쉬 읽기를 적어도 한번 실시하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법.And performing at least one cache read for transmitting the data written in the cache memory array to the bit line decoder in units of one page or less.
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