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동향

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차세대 지능형 소자 구현을 위한 모노리식 3D 집적화 기술 이슈

2021-06-01 org.kosen.entty.User@5d675872 이은진(kosen10)

분야

전기/전자

발행기관

한국전자통신연구원

발행일

2021.06.01

URL

http://

첨부파일

무어의 법칙으로 대변되는 평면상 집적화는 극자외선 패터닝 공정으로
당분간 유지될 수 있을 것으로 예상되지만 평면을 탈피한 수직 적층 개념의 M3D는
집적밀도 및 스케일링 이외의 중요한 장점을 제공한다.

첫째, 동일 수의 소자를 좁은 다이 면적상에 제작할 수 있다.
또한 평면상의 각종 배선의 길이를 줄일 수 있어 전력 소모 및 신호 지연을 현저히 줄일 수 있다.
잠재적인 단점은 열 방출의 어려움이다.
구조 자체가 3차원 부피형이므로 M3D는 열소산에 불리한 측면이 있다.
이종의 기능의 조합은 발굴에 따라 가능한 경우가 굉장히 많기에
M3D는 잠재적으로 정체되어 있는 반도체 분야의 기능적 확장을 가능케 한다.
대표적으로 인공지능, 빅데이터, 뉴런 반도체, 자율작동기기 분야 등에
효율적인 대응이 가능케 할 수 있다.

하지만 M3D 기술이 전자응용분야에 상용화 수준으로 접근하기 위해서는
여러 가지 기술적 장벽이 존재하고 있다. 전술한 바와 같이 집적화 관점에서는
순차적 집적화가 유리하다고 판단된다.

이 접근법에서는 상부 구조 제작 시 하부 Si MOSFET 성능을 저하시키지 않은 온도가 선정되어야 한다.
고온 열처리 불가 제약 상황에서는 상부의 고품위의 액티브 재료 확보가
중요한 이슈라 할 수 있겠다. 중요한 후보로는 고이동도 산화물 반도체가 제시될 수 있다.
상·하부 연결 측면에서는 상·하부의 전기연결이 중요하다.
작동 측면에서는 성능저하를 야기하는 기생용량을 제거할 수 있는 설계가 필요하다.
소재 측면에서는 고이동도(＞50cm2/Vs) 산화물 소재, 고종횡비 저저항 Via 물질,
고이동도 안정한 p-형 산화물 반도체 소재 등의 개발이 중요하다고 사료된다.
M3D는 유효 스케일링 후속 단계 More than Moore를 기술적으로 구현해 줄 수 있는
캐치프레이즈로 등장하고 있다.

응용을 염두에 둔 연구개발 단계에서는 기존의 존재하는 응용처를 대신하는 접근 방식이 아닌
반드시 M3D를 사용해야만 하는 응용처를 발굴하는 접근법이 중요하다고 사료된다.
유망 M3D 신규 응용분야로는 뇌 모사 소자 개발을 조심스럽게 제안한다.

하부에는 신호 증폭 및 프로세싱을 조절하는 CMOS 어레이가 위치하고
상부에는 산화물 기반 시냅스/뉴런 모사의 멤리스터 어레이가 위치하는
M3D 구조가 제안될 수 있다.
신규 기술은 초기에는 현안 한계를 극복하기 위하여 등장하는 경우가 대부분이다.
기술의 성숙도가 높아짐에 따라 신규 기술은 전혀 뜻하지 않은 방향으로
새로운 “무엇인가”로 구현되는 경우가 아주 빈번하게 목도되어 왔다.
M3D도 이와 같은 과정을 거치리라 기대한다.

ABSTRACT
Since the technical realization of self-aligned planar complementary metal-oxide-semiconductor field-effect 
transistors in 1960s, semiconductor manufacturing has aggressively pursued scaling that fruitfully resulted in 
tremendous advancement in device performances and realization of features sizes smaller than 10 nm. Due to 
many intrinsic material and technical obstacles, continuing the scaling progress of semiconductor devices has 
become increasingly arduous. As an effort to circumvent the areal limit, stacking devices in a three-dimensional 
fashion has been suggested. This approach is commonly called monolithic three-dimensional (M3D) integration. 
In this work, we examined technical issues that need to be addressed and overcome to fully realize energy 
efficiency, short latency and cost competency. Full-fledged M3D technologies are expected to contribute to 
various new fields of artificial intelligence, autonomous gadgets and unknowns, which are to be discovered. 

KEYWORDS
반도체, 모노리식 3D 집적화, 스케일링, 상보형금속산화막반도체, 후공정, 공정호환

* 자세한 내용은 첨부파일을 참고하여 주시기 바랍니다.
* 출처 : ETRI 전자통신동향분석 제36권 제3호 통권 190호 2021년 6월호
 

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