DRAM이란 무엇인가?

DRAM?

 

DRAM은 휘발성 메모리이기 때문에 데이터를 기억시키기 위해서 Refresh라는 과정이 존재한다. 캐패시터 안에 있는 전하를 다시 채워 넣는 과정이 Refresh 과정이다. DRAM은 Refresh라는 과정도 필요하고 휘발성 메모리이긴 하지만 회로구조가 단순하여 동작 속도가 매우 빠른 장점을 갖고 있다. DRAM은 필요할 때 가장 중요한 점만 기억하기 때문에 적은 용량으로 하드에 있는 데이터를 빠르게 사용할 수 있으며 DRAM은 데이터가 필요한 모든 곳에 사용된다. SRAM(Static RAM)은 Refresh과정이 필요 없지만 복잡한 구조이며 단가가 높으며 집적화가 DRMA보다 어렵다.

 

사전적인 의미

Dynamic RAM으로서는 정보를 구성하는 개개의 비트를 각기 분리된 축전기에 저장하는 기억 장치이다. 축전기가 담고 있는 전자의 수에 따라 비트의 1과 0을 나타내지만 축전기가 전자를 누전하면서 기억된 정보를 잃게 된다. 이를 방지하기 위해 기억 장치의 내용을 일정 시간마다 재생시켜야 되는 것을 일컬어 동적(Dynamic)이란 명칭이 주어졌다.

RAM=DRAM, ROM=NAND 라고 생각해도 좋다.

정보를 유지하기 위해서 지속적인 전기 공급이 필요하기 때문에 DRAM은 휘발성 기억 장치(Volatile Memory)에 속한다.

 

DRAM의 구조

RAM에는 DRAM과 SRAM이 있지만 보통 DRAM을 사용하고 있다. DRAM의 구조는 하나의 트렌지스터와 캐패시터로 이루어져 있다. DRAM의 한 셀당 1 Transistor와 1 Capacitior로 이러어져 있는 것이다.

 

DRAM의 1 cell = 1 Tr + 1 Cap

 

DRAM의 동작원리

Data Write

DRAM에 data를 write 하는 방법은 다음과 같다. word line에 high 신호를 가하여 Tr cell을 'ON' 상태로 만들어준 후, bit line에 입력하려는 data 전압 값인 VDD나 0을 인가해준다. 

 

WL=high, BL=high라면, Cap=charge -> data '1'을 write

WL=high, BL=low 라면, Cap=discharge-> data '0'을 write

 

Data Read

DRAM cell의 TR을 'ON' 시키기 위해서 WL에 high 신호를 인가시켜 준 후, bit line에 VDD/2를 인가시켜 준다. DRAM의 data가 '1'이라면 즉, Cap에 VDD가 있는 상태라면 Cap에 있는 전하들이 bit line으로 서서히 이동하면서 결국 VDD/2는 약간 증가하게 된다. 반대로 Cap에 '0'이 있는 상태라면 VDD/2의 전하들이 Cap으로 이동하여 VDD/2는 약간 감소하게 된다. 이렇게 발생되는 bit line의 전위차를 sense amplifier에서 비교하여 값을 증폭시키고 해당 data가 '0'인지 '1'인지 판단하는 것이다.

 

WL=high, BL=VDD/2일 때, VDD/2보다 증가하면 data를 1로 read

WL=high, BL=VDD/2일 때, VDD/2보다 감소하면 data를 0으로 read

 

DRAM의 캐패시턴스와 공정 이슈

DRAM은 트랜지스터 위에 캐패시터가 수직으로 세워져 있는 상태이다. 캐패시터에 전하를 저장하여 전자의 유무에 따라 데이터를 저장하는 것이다. DRAM은 NAND Flash가 셀을 수직으로 세워서 집적도를 높인 것처럼 수직으로 세울 수 없다. 그렇기에 선폭을 작게 하여 집적도를 높이는 방법밖에 없다. 

 

NAND flash의 경우에 적층 구조를 갖는다.

 

DRAM의 집적도를 높이기 위해서 미세 선폭을 사용하게 되고 이에 따라 많은 메모리 공정 및 작동 이슈가 발생한다. 캐패시터에 누설전류가 발생하면서 데이터가 손실될 수 있고 이를 해결하기 위해서 Capacitance를 높이려는 시도를 하고 있다.

 

 C=Ea/d

 

C=EA/d 이기 때문에 A를 넓혀주고 d를 줄여주면 Capacitance는 늘어나게 된다. 하지만 d를 계속 줄이다 보면 전자의 터널링 현상이 발생하기 때문에 A를 늘려주는 방법밖에 없다. 현재의 DRAM 구조는 면적을 늘리기 위해서 평면 구조가 아니다. 하지만 DRAM을 높게 쌓는 것은 공정 난이도를 매우 상승시킨다. 매우 Vertical 하게 식각해야 하므로 매우 얇고 균일하게 증착해야 하며 High aspect Ratio가 100이 넘어가면 capacitor가 무너지거나 기울어질 수 도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 HARC of Etchong, ALD 같은 공정이 사용되게 된다. 그래서 DRAM은 증착과 식각이 중요하다.

 

C를 늘리는 방법 중 다른 하나는 E=유전율을 높이는 방법이다. Dielectric constant는 high-K라고 불리는 고유전 물질을 사용하여 Capacitor의 저장능력을 향상할 수 있다. 여기서 한 가지 문제가 발생하는데 Bit line이 줄어들게 되면서 금속 간의 상호 간섭으로 인해 문제가 발생된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 절연물질인 low-K 물질이 이용된다. 또한, K가 가장 낮은 물질인 air(k=1)을 사용하는 방법이 있다.