하나의 웨이퍼 위에 트랜지스터층을 차례로 만들어 쌓는 3차원 집적. 완성된 칩을 접합하는 것보다 훨씬 미세하게 층 사이를 연결할 수 있지만, 위층은 저온에서 만들어야 한다. 순차 3D 집적이라고도 한다.
일본어 명칭: モノリシック3D集積
모놀리식 3D 집적(Monolithic 3D Integration)은(는) 첨단 트랜지스터(FinFET과 GAA) 등 1개 분야의 연습 문제 1개에 나와요.
TSV나 하이브리드 본딩을 쓰는 3D 패키징은 따로 만든 칩이나 웨이퍼를 접합하여 쌓습니다. 이때 층 사이 연결의 밀도는 접합의 위치 맞춤 정밀도와 접속부의 크기로 정해집니다. 모놀리식 3D 집적에서는 1층째 트랜지스터를 만든 뒤 그 위에 얇은 반도체층을 형성하거나 접합하고, 1층째에 맞춘 리소그래피로 2층째 트랜지스터를 만듭니다. 층 사이는 일반 배선용 비아 정도 크기의 비아로 연결할 수 있어, 개별 트랜지스터나 논리 게이트를 층 사이에 나누어 배치할 수 있을 만큼 고밀도입니다.
보통의 트랜지스터 제조에서는 주입한 도펀트의 활성화 등에 1000 °C 정도의 온도를 사용합니다. 위층을 만들 때 이런 열을 가하면 아래층의 실리사이드와 배선이 열화되고 트랜지스터도 변해 버립니다. 그래서 위층의 공정은 대략 500 °C 이하로 억제해야 하며, 짧은 레이저 어닐링이나 저온 결정 성장 같은 기술이 개발되어 왔습니다. CEA-Leti는 2020년경부터 최고 온도 500 °C로 만든 트랜지스터와 회로를 보고하고 있습니다.
모놀리식 3D 집적의 특징은 다른 종류의 소자를 다른 층에 쌓을 수 있다는 점으로, 로직 위에 메모리나 센서 회로를 두면 배선이 짧아져 속도와 전력이 개선됩니다. nMOS와 pMOS를 수직으로 쌓는 CFET 가운데, 아래층 위에 접합한 층에 위층을 순차로 만드는 방식은 모놀리식 3D 집적의 한 형태입니다. 다만 CFET 분야에서는 하나의 적층에서 두 층을 연속 공정으로 패터닝하는 방식을 '모놀리식 CFET'라고 부르므로 용어에 주의가 필요합니다.
저온에서 만든 위층 트랜지스터는 고온 공정을 쓸 수 있는 아래층 소자의 성능을 따라잡기 어렵고, 층 사이의 열을 빼내기도 더 어렵습니다. 하나의 웨이퍼 위에 층을 차례로 만들기 때문에 층마다 시험하여 양품만 조합할 수 없으므로, 어느 층의 결함이든 전체 수율을 떨어뜨립니다. 층을 넘나드는 설계 도구도 아직 발전하는 중입니다. 메모리에서는 하나의 웨이퍼 위에 셀층을 쌓는 3D NAND가 양산되고 있지만, 트랜지스터층을 여러 겹 쌓은 로직 제품은 2020년대 중반 시점에서 아직 일반적이지 않습니다.
정답: B. 모놀리식 3D 집적(순차 3D 집적)
모놀리식 3D 집적에서는 1층째 트랜지스터를 만든 뒤 그 위에 새로운 반도체 층을 형성하거나 얇게 접합하여 2층째 트랜지스터를 만듭니다. 층간을 비아 크기(수십 nm)로 연결할 수 있어 TSV에 의한 칩 적층보다 1만 배 이상 조밀하게 연결할 수 있습니다. 다만 위층을 만들 때의 열로 아래층이나 배선이 손상되지 않도록 약 500 ℃ 이하의 저온 공정이 필요합니다. 순차 방식으로 만드는 CFET도 이 일종입니다.
3D 패키징은 따로 만든 칩을 접합하지만, 모놀리식 3D 집적은 하나의 웨이퍼 위에 트랜지스터층을 차례로 만듭니다. 위층을 리소그래피로 위치 맞춤하므로, 층 사이를 보통의 비아만큼 미세하게 연결할 수 있습니다.
높은 온도는 이미 있는 아래층의 실리사이드와 배선을 열화시키고 트랜지스터 특성을 바꾸기 때문입니다. 기준으로서 공정을 약 500 °C 이하로 억제합니다.
두 용어는 거의 같은 뜻으로 사용됩니다. '순차'는 층을 하나씩 차례로 만든다는 점을 강조한 말입니다.
모놀리식 3D 집적에서는 1층째 트랜지스터를 만든 뒤 그 위에 새로운 반도체 층을 형성하거나 얇게 접합하여 2층째 트랜지스터를 만듭니다.
트랜지스터 층을 웨이퍼 위에 차례로 쌓아 만드는, 칩 접합에 의하지 않는 3차원 집적 방식은?비아(Via) TSV(실리콘 관통 전극) CFET(상보형 FET) 2차원 재료(2D Materials) 게이트 라스트(대체 금속 게이트) 나노시트(Nanosheet) 랜덤 도펀트 요동(RDF) DTCO(설계·기술 공동 최적화) EOT(등가 산화막 두께) FD-SOI(완전 공핍형 SOI)