1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
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1T1C DRAM
기술- Select transistor 1개와 storage capacitor 1개를 이용하여 1bit를 저장하는 기술은 현재 DRAM 기술의 주류이며 가장 광범위하게 사용되고 있는 메모리 기술
- 그러나 1968년에 IBM Fellow인 Robert H. Dennard에 의해 제안된 후에 1T1C 구조를 유지하면서 축소화가진행되어 집적도 등의 한계에 임박한 상황
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1T DRAM
기술- 기존 1T1C DRAM 기술은 capacitor의 존재로 인하여 집적도와 공정 호환성에 문제 발생 - 이를 극복하기 위하여 한 개의 transistor만을 이용하여 DRAM의 동작을 구현하는 기술이 제안 - 기존의 연구에서는 MOSFET에 기반을 둔 1T DRAM 기술이 주로 제안되었으나 최근에는 다양한 전자
소자 기술을 응용한 1T DRAM 기술이 제안
- 1T DRAM, capacitorless DRAM, ZRAM 등의 기술에 해당
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● DRAM 기술
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세계DRAM
시장의 규모는2017
년 기준735
억 달러를 차지하고 있으며 업황에 따라 등락은 있으나 장기적으로 꾸준히 성장할 것으로 예상2)- DRAM은 컴퓨터 아키텍처에서 SRAM과 NAND flash 사이에 위치하며 SRAM의 부족한 cache 용량을 보완하는 역할을 하므로 거의 대부분의 전자 시스템에서 광범위하게 사용
- DRAM은 NAND flash에 비하여 속도가 빨라 CPU와 하위 메모리 사이의 병목 현상을 감소시키는 주요 메모리로 사용되지만 bit당 가격이 높고 휘발성 메모리이며 공정 호환성의 문제로 CPU에 집적이 어렵다는 문제가 존재
- DRAM은 3개 업체(삼성전자, SK하이닉스, 마이크론)에 의한 과점시장의 모습을 보이며, 삼성전자와 SK하이닉스가 전 세계 DRAM 시장의 72.2%를 점유하며 시장과 기술을 주도
● 실리콘 기반 메모리 기술
❘
세계 메모리 시장(
주로DRAM
과NAND flash)
의 규모는2017
년 기준1,319
억 달러를 차지3)- NAND flash는 컴퓨터 아키텍쳐에서 DRAM의 하부에 위치하고 hard-disk drive(HDD)의 상부에 위치하며, 최근 solid-state drive(SSD) 기술의 발달로 사용처가 넓어지고 있는 추세
2) IHS, 한국반도체산업협회
-NAND flash는 DRAM에 비해 상대적으로 속도가 느리지만 간단한 구조로 인하여 bit당 가격이 낮고 비휘발성 메모리 특성이 있어 대용량 데이터를 저장하는 보조 메모리로 사용되지만, DRAM과 마찬가지로 공정 호환성의 문제로 CPU에 집적이 어렵다는 문제가 존재
-NAND flash는 5~6개 업체(삼성전자, 도시바, Western Digital, SK하이닉스, 마이크론, 인텔)에 의한 과점시장 형태를 띠며, 삼성전자와 SK하이닉스가 전 세계 NAND flash 시장의 49.7%를 점유하며 시장과 기술을 주도
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
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Storage capacitor
의 한계- 널리 사용되고 있는 1T1C DRAM은 storage capacitor의 축소가 가장 큰 문제로 등장
-Storage capacitor의 aspect ratio(A/R)는 ~30nm 세대에서 25, 20nm 후반에선 50, 20nm 초반에선 60 이상, ~10nm 세대에서는 100수준이 되어야 충분한 전하 저장 능력을 갖출 수 있으나 공정이 매우 어려우며 stack/trench novel structure capacitor를 위한 물질/공정 개발이 난해
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Select transistor
의 한계-Select transistor의 축소화도 단채널 효과로 인하여 누설전류가 증가하는 문제가 발생
- 이를 극복하기 위하여 실리콘 표면을 식각하여 전류가 함몰된 표면을 따라 흐르도록 하는 RCAT(recess-channel array transistor) 등의 기술이 제안되었으나 1T1C 구조의 한계를 벗어나기 어려운 상황
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Cell layout
의 한계-DRAM의 집적도를 높이기 위하여 layout을 개선하는 방법도 개발되고 있어서 8F2의 단위셀 면적이 대부분 6F2로 감소
- 그러나 vertical channel transistor를 적용하고 transistor의 불안정성 및 워드라인과 비트라인 사이의 coupling이 증가하는 등의 기술적 어려움으로 4F2구조는 상용화가 지체
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1T DRAM
개발의 어려움-1T1C 구조를 탈피하여 하나의 전자소자만을 이용하는 1T DRAM 기술이 1990년대 말부터 개발되고 있으나, 고용량으로 인해 발생하는 산포 등의 문제는 미해결
표 1 주요 기술 및 이슈
구 분 세 부 내 용
Storage capacitor 기술
고유전율, 저누설전류, 고신뢰성의 유전막 기술 전극 형성 기술
고 aspect ratio 형성 공정 기술 신뢰성 예측 모델링
Select transistor 기술
삼차원 select transistor 구조
4F2구현을 위한 vertical channel select transistor 개발 신소자 기술을 이용한 고밀도, 저전력 select transistor 구현
1T DRAM 기술
Floating body effect를 포함한 다양한 메모리 원리 구현 MOSFET을 포함한 새로운 나노 소자 기술 적용 고밀도 메모리의 구현을 위한 산포 등의 신뢰성 이슈
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 경북대학교
- 2005년에 saddle 구조의 finFET을 select transistor로 사용하는 기술을 발표
● 서울대학교
- 2007년에 surrounding gate 구조의 vertical channel transistor를 이용한 1T DRAM을 발표
● 삼성전자
- 2011년에 vertical pillar transistor를 이용하여 4F² DRAM을 발표
● 삼성전자
, SK
하이닉스- 2008년과 2009년에 각각 1T DRAM을 발표
● 삼성전자
- 2012년에 RCAT과 finFET을 결합한 select transistor를 발표
● 서강대학교
- 2015년에 tunnel FET을 이용한 1T DRAM 기술을 발표
2.2. 해외 동향
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Innovative Silicon
-2002년에 floating body effect를 이용한 1T DRAM을 ZRAM이라는 명칭으로 제안
- 이 기술은 한때 세계적인 각광을 받아 2006년에 AMD, 2007년에 SK하이닉스가 기술을 라이선스하여 상용화가 임박한 것으로 판단되었지만 2010년에 축소화와 산포 등의 문제로 상용화가 좌절되고 회사는 폐업하였으며 특허권은 Micron이 인수
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T-RAM & Micron
-2003년에 thyristor를 이용한 1T DRAM인 T-RAM 기술을 발표하였으며, 이후 T-RAM이 원천특허를 보유하면서 파생특허와 기술 주도권은 Micron이 보유하는 형태로 다양한 구조의 T-RAM 개발이 진행