셀 아래 페리와 웨이퍼 본딩형 3D 낸드 비교

아파트 한 동을 떠올려 보겠습니다. 주차장은 꼭 필요하지만 사람이 사는 공간은 아니어서, 자리를 많이 차지하면 그만큼 주거 면적이 줄어듭니다.

3D 낸드도 같은 고민을 안고 있습니다. 데이터를 담는 셀 어레이는 주거층, 셀을 제어하는 주변 회로는 주차장에 해당하는데, 이 주변 회로를 셀 바로 밑 지하에 넣는 방식이 셀 아래 페리입니다. 주차장을 건물 밑으로 집어넣어 땅을 아끼는 셈이죠.

또 다른 길은 셀 건물과 회로 건물을 따로 지은 뒤 통째로 붙이는 방식, 즉 웨이퍼 본딩형입니다. 오늘은 이 두 구조가 어떻게 다르고 각각 무엇을 얻는지 비교해 보겠습니다.

셀 아래 페리와 웨이퍼 본딩이란 무엇인가

낸드 칩에는 데이터를 저장하는 셀 어레이 말고도, 셀을 선택하고 읽고 쓰는 주변 회로(Peripheral Circuit)가 반드시 있어야 합니다. 이 주변 회로를 흔히 페리라고 줄여 부르죠.

예전에는 셀 어레이 옆 평면에 이 페리를 나란히 깔았습니다. 하지만 그만큼 칩 면적을 잡아먹었기에, 페리의 자리를 어떻게 바꿀지가 숙제가 되었습니다.

셀 아래 페리는 페리를 셀 어레이 바로 아래층에 깔아 넣는 구조이고, 웨이퍼 본딩형은 페리와 셀을 서로 다른 웨이퍼에 따로 만든 뒤 두 장을 맞붙이는 구조입니다. 둘 다 페리가 차지하던 평면 자리를 비워 셀에 내주려는 발상이죠.

왜 페리를 셀 밑으로 옮기는가

3D 낸드는 셀을 위로 쌓아 용량을 키웁니다. 그런데 셀만 쌓는다고 칩 전체가 작아지지는 않습니다. 옆에 자리 잡은 페리가 평면을 그대로 차지하고 있으면 그 면적이 고스란히 남으니까요.

페리를 셀 밑이나 다른 웨이퍼로 옮기면, 그 빈자리를 전부 셀 어레이로 채울 수 있습니다. 같은 웨이퍼에서 더 많은 칩을 뽑아내 비트당 원가를 낮추는 효과가 생기죠.

나아가 페리와 셀을 분리하면 각자에게 맞는 공정을 따로 쓸 여지도 생깁니다. 셀은 적층과 식각에 집중하고, 페리는 속도를 내는 로직 공정에 집중하는 식입니다. 이 자유도를 가장 크게 누리는 쪽이 웨이퍼 본딩형입니다.

셀 아래 페리의 구조와 공정

셀 아래 페리(CuA, CMOS under Array)는 한 장의 웨이퍼 위에 페리를 먼저 만들고, 그 위에 셀 어레이를 쌓아 올리는 방식입니다. 지하에 주차장을 만든 뒤 그 위로 주거층을 올리는 순서와 같죠.

한 웨이퍼에서 아래위로 쌓기 때문에 두 장을 붙이는 별도 공정이 없다는 것이 장점입니다. 공정 흐름이 비교적 단순하고 정렬 부담도 덜하죠.

다만 밑에 깔린 페리가 셀을 쌓는 내내 높은 열을 견뎌야 한다는 부담이 있습니다. 적층과 식각은 고온을 동반하는데, 그 열이 먼저 만든 트랜지스터의 특성을 건드릴 수 있기 때문입니다. 셀을 밑에 두고 페리를 위에 올리면 같은 효과라고 생각하기 쉽지만, 열에 약한 회로를 나중 공정의 고온에서 보호하기 어려워 실제로는 페리를 아래 두는 쪽이 자연스럽습니다.

웨이퍼 본딩형의 구조와 공정

웨이퍼 본딩형은 셀 어레이 웨이퍼와 페리 웨이퍼를 각각 따로 완성합니다. 그런 다음 두 장을 얼굴을 맞대듯 포개어 붙이죠.

붙일 때는 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)으로 두 웨이퍼의 절연막과 구리 패드를 동시에 접합해, 기계적 결합과 전기적 연결을 한 번에 이룹니다. 두 건물을 지어 두고 복도로 연결해 한 몸처럼 쓰는 것과 비슷합니다.

이 방식의 가장 큰 이점은 페리를 셀 공정의 열에서 자유롭게 한다는 것입니다. 각 웨이퍼를 최적 조건에서 완성한 뒤 붙이니까요. 대신 두 웨이퍼의 수많은 접점을 어긋나지 않게 맞추는 정렬 정밀도와, 접합면에 빈틈이 없도록 하는 본딩 품질이 새로운 난제로 떠오릅니다.

두 구조의 특징 비교

두 방식은 같은 목표를 향하지만 공정의 성격과 부담이 다릅니다. 표로 나란히 견주어 보겠습니다.

구분	셀 아래 페리(CuA)	웨이퍼 본딩형
페리 위치	같은 웨이퍼 셀 아래	별도 웨이퍼
접합 공정	없음	하이브리드 본딩 필요
페리 열 부담	셀 공정 열에 노출	열에서 분리됨
주 난제	페리 특성 보호	정렬 정밀도, 본딩 품질

핵심 정리

주차장을 건물 밑에 넣을지, 따로 지은 건물을 붙일지로 땅을 아끼듯, 셀 아래 페리와 웨이퍼 본딩형은 페리가 차지하던 평면을 비워 셀에 내주려는 두 갈래 해법입니다. 둘 다 같은 웨이퍼에서 더 많은 용량을 뽑으려는 목표를 공유하죠.

셀 아래 페리는 한 웨이퍼에서 아래위로 쌓아 공정이 단순한 대신 페리가 열을 견뎌야 하고, 웨이퍼 본딩형은 페리를 열에서 떼어 내는 대신 정렬과 접합이라는 숙제를 안습니다. 어느 쪽이 더 낫다기보다, 공정 역량과 제품 방향에 맞춰 고르는 선택인 셈입니다.

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