참고문헌
- Batude et al., "Advances in 3D CMOS Sequential Integration", IEDM 2011
- Brunet et al., "Breakthroughs in 3D sequential technology", IEDM 2016 (CEA-Leti)
- Fenouillet-Beranger et al., "New Insights on Bottom Layer Thermal Stability", IEDM 2017
- imec, "Monolithic 3D Integration Roadmap", IRDS 2023
- Edelstein et al., "Ruthenium interconnects for advanced BEOL", IEDM 2020
- IRDS 2023 — More Moore chapter: 3D integration section
1. Introduction
Monolithic 3D (M3D) integration은 단일 웨이퍼 위에 트랜지스터 층을 순차적으로 직접 쌓아 올리는 방식입니다. 기존의 3D integration이 서로 다른 웨이퍼를 TSV로 연결하는 방식이었다면, M3D는 monolithic inter via (MIV) 기술을 이용하여 층간 연결을 형성합니다. 이 M3D는 연결 밀도가 TSV 방식에 비해 극도로 높으며, nm 급의 정렬 정밀도를 필요로 합니다. 이렇게 줄어든 배선 길이와 면적은 RC delay를 줄이고 집적도를 높일 수 있습니다. 이를 통해 SRAM, logic-on-logic, logic-in-memory의 구현에 유리한 포지션을 갖습니다. HBM, 3D NAND가 TSV의 대표적인 사례이며, CFET, CEA-Leti SRAM 등이 monolithic 3D를 통해 연구되고 있는 분야입니다. Complementary FET (CFET)도 monolithic 3D의 일종입니다.
2. Fabrication of M3D
이 M3D의 핵심 난제는 하층 트랜지스터가 열에 손상받지 않도록 상층 공정 온도를 낮게 유지하는 것 입니다. (일반적으로 <500°C) 일반 공정에서 S/D activation anneal은 1000~1500°C 이지만, M3D에서는 이것이 불가능합니다.
2.1. Atomic Layer Deposition
또한 이때 ALD가 중요한 포지션으로 올라 섭니다. M3D에서 ALD는 단순히 "얇게 잘 쌓는다"는 역할을 넘어, 저온에서도 conformal 하게 고품질 막을 형성할 수 있는 유일한 수단입니다. HfO2(high-k), TiN(gate metal/barrier), Al2O3(dielectric isolation), Ru(MIV fill/contact) 물질들이 모두 ALD를 통해 증착되며, 특히 최근 17 nm급 via에서 as-deposited Ru의 annealing시 coalescene이 발생하여 seam이 채워지는 현상도 보고 되고 있습니다.
2.2. Dry Etch
M3D에서 etch의 중요성은 두 부분에서 크게 나타납니다. 첫번째는 하층부 nFET의 nanosheet release를 위한 SiGe selective etch 입니다. 그리고 두번째는 MIV를 뚫는 고종횡비 etch입니다. 특히 MIV는 TSV 보다 수십~수백 배 작은 직경 (< 100 nm)을 가지면서, 하층 부 소자를 통과하지 않고 dielectric isolation에 정확히 멈춰야 한다. 따라서 etch stop layer 설계와 selectivity가 핵심이다.
| 공정 | 목표 | 요구 조건 |
| SiGe selective etch | Si nanosheet release (GAA 용) | Si:SiGe 선택비 > 100:1 (HCl vapor 또는 CF4+O2 plasma 사용) |
| MIV etch | 상층/하층 부 간 연결 via 형성 | AR>10, 저손상, CDU< 1 nm |
| Gate replacement etch | Dummy poly 제거 -> HK/MG 삽입 | SiO2/poly 선택비, 잔류물 zero |
| Dielectric isolation patterning | 층간 절연막 개구 | 저온 plasma chemistry 사 |
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