집적회로소자개론 [13] DRAM (1)

집적회로소자개론 [12] SRAM

 

1. DRAM

1-1. DRAM의 정의

DRAM은 Dynamic Random Access Memory의 약자이다. 각각의 의미는 다음과 같다.

 

1) Dynamic = 저장방식

 

 Dynamic은 저장방식을 의미한다. Data를 저장하는 Cell이 Dynamic Cell인 것이다. 저장된 Data가 전원과 직접적으로 연결되지 않은 상태로 유지된다는 것을 의미한다. 반대의 개념이 Static 방식이며, Static 방식은 저장된 data가 전원과 직접적으로 연결된 상태로 유지된다. Static은 전원이 켜져있으면, 가만히 있어도 유지된다.

 

 Data가 완전히 소멸하기 전에 Cell의 Data를 재충전해주어야하는데, 이를 Refresh라고 한다. 이때 Refresh는 ~64ms 마다 해주어야하기 때문에 'dynamic'이라고한다.

 

2) Random = Read & Write

 읽고 쓰기가 모두 가능한 것이다. 반대 개념이 Read Only이다.

 

3) Access

 원하는 Cell에 접근이 가능한 것이다.

 

4) Memory = 저장요소

 여기에서는 Capacitor에 0 또는 1 을 저장한다는 것이다.

 

1-2. DRAM의 특징

DRAM의 Memory Array

cf. 참고로 한칸씩 비어있는 곳은 reference 용도이다.

1. Cell의 면적이 작기 때문에 대용량화가 가능하다. cf. SRAM = 6T, DRAM = 1T1C
2. Transistor만 사용하는 SRAM보다는 느리지만, NAND 등의 Storage 보다 빠르다.
3. 작은 용량의 Cell Capacitor(~20fF)에 Data를 저장하므로 고감도의 Sense Amplifier를 사용해야한다.
4. Write 된 Data가 자연소멸되므로 주기적인 Refresh 동작(64ms)이 요구된다.

 

 

3번 특징에 대해 조금 더 자세히 설명해보자. 여기서 작은 용량이라는 단어와 함께 20fF이라는 값이 나온다. 여기서 fF는 얼마나 작은 용량일지 살펴보자.

 

Capacitor의 작동 모식도는 다음과 같다.

Capacitor에 전하를 저장하는 모습

 

이때 관련된 공식은 아래와 같으며, 각각의 단위는 C[F], V[V], Q[C]가 된다.

 

위에서 20fF라는 값이 나왔으므로, 이를 적용시켜보자. f는 femto의 약자로 10의 -15승에 해당하는 값이다. 손필기로 정리해보자.

 

 14만개라는 값이 매우 커보이지만, 실제로는 매우 작은 값이다. 따라서 이러한 작은 용량의 Cell Capacitor에 데이터를 저장해야하므로, 고감도의 Sense Amplifier를 사용해야한다.

 

2. DRAM의 기본 구조

DRAM은 어떻게 작동할까?

 

DRAM의 모식도

 

위의 그림을 보면, Source와 Drain의 위치가 헷갈릴 수 있다. MOSFET에서 Source는 항상 왼쪽이고, Drain을 오른쪽에 그렸었다.

왜 여기에서 Drain이 왼쪽이고 Source가 오른쪽일까? 

 

 사실 Source는 Carrier를 제공하는 곳을 지칭한다. MOSFET에서는 Source에서 항상 Carrier(electron/hole)를 제공했었다. 즉, 전류 방향을 기준으로 이름을 붙인다.

 

 DRAM에서는 Write/Read에 따라 Source/ Drain의 역할이 바뀌는데, Write할때는 BL → Capacitor 쪽으로 전하가 이동하며, BL이 Source 처럼 보이며 Read할 때는 Capacitor → BL로 전하가 이동한다. 이때, Capacitor 쪽이 Source 처럼 보인다. 즉, 읽고 쓰기에 따라 Source/Drain의 역할이 계속 바뀌기 때문에 다른 용어를 사용한다.

BL 쪽 = Bit line node
Capacitor 쪽 = Storage node

 

 다시한번 정리해보자면, DRAM 셀의 Access transistor는 대칭구조이므로, Source와 Drain은 동작 조건에 따라 역할이 바뀔 수 있으며, 일반적으로 Bit Line과 Storage Node를 연결하는 스위치로 이해한다.

 

 

 위의 그림보다 조금 더 확장되어 들어가보자. 핵심은 1 Transistor + 1 Capacitor 구조는 동일하다. DRAM 구조를 크게 3가지로 나누어보면 다음과 같다.

(1) 저장부 (Capacitor)
(2) 스위치 (Transistor)
(3) 배선 (Bit Line / Word Line)

 

2-1. Capacitor

Capacitor 구조

 그림에서 보면 Capacitor가 기동처럼 위로 솟아있다. 이것이 바로 DRAM의 핵심기술이다. 왜 이렇게 만들까? 바로, 용량을 키우기 위해서이다.

 

Capacitor 식

 

 용량을 키우기 위해서는 A(면적)을 키워야하는데, 그래서 3D 구조를 사용한다. aspect ratio를 키워 Capacitor(용량)을 키우는 것이다.

 

Capacitor는 3중 구조를 가진다.

1. Storage Node	데이터(0 / 1)가 직접 저장되는 곳 - 전하를 실제로 저장하는 전극 - 트랜지스터쪽과 연결됨
2. Dielectric (절연층)	두 전극 사이를 절연하면서 전기장 형성 - High-k 물질 사용 - 매우 얇게 만듦(d)
3. Plate Node	전압 기준을 잡아주는 전극 - 일정한 전압 유지 (보통 Vplate ≈ Vcc/2) - Storage Node > Plate → 1 Storage Node < Plate → 0

 

2-2. Bit Line

 Bit Line은 위의 그림의 보라색 부분으로, 수직으로 내려오는 금속 라인이다. 여러 셀이 공유하며 Read / Write / Refresh 시 데이터 이동이 일어난다.

 

2-3. Transistor (스위치) + Word Line

Transistor는 Bit Line과 Storage Node를 연결하는 Switch

 Capacitor에 Charge를 저장하고 읽어내는 역할을 하는 Transfer TR 역할을 수행한다. 구조는 Source & Drain 및 TR Gate 역할 부분과 WL 배선 구조로 되어있다. MOSFET은 P-substrate 위에 형성된 NMOS으로, Gate는 Word Line에 한쪽은 Bit Line에, 다른 쪽은 Capacitor에 연결되어있다. Word Line은 여러 셀의 Gate를 한번에 제어하며, 한줄을 선택하는 역할을 한다. WL을 ON 할 경우, 그 줄 전체가 활성화된다.

 

 

 정리해보자면, DRAM 셀은 1T1C 구조로, 트랜지스터는 word line에 의해 제어되어 bit line과 storage node를 연결하는 스위치 역할을 하며, 커패시터는 전하를 저장하여 데이터를 표현한다. 커패시터는 storage node, dielectric, plate node로 구성되며, 고집적화를 위해 3차원 구조로 형성된다.

 

3. DRAM의 작동 원리

3-1. Write

3-1-1. Write <1>

 데이터 1을 입력(Write) 하는 것은 사실상 데이터를 0에서 1로 바꾸는 것이라고 할 수 있다.

 

 과정은 다음과 같다.

Data 1을 Write

1단계. WL 을 OFF -> ON 으로 바꾸어준다

 

 이 과정은 트랜지스터(Tr)를 켜서, Bit Line과  Capacitor를 연결하는 과정이다. 이를 위의 수조 그림을 이용해 설명하자면, 밸브를 열어 물탱크와 수도관이 연결되어있는 상태라고 볼 수 있다. 즉, 데이터를 넣을 준비가 되어있는 상태이다.

 

2단계.  BL = Vcc → 전하 주입

 

수조 그림을 보면, 우측(Bit Line)에 물을 넣어 물탱크의 수위가 상승한 상황이다. 1/2 Vcc→Vcc 으로 Bit Line의 물의 수위가 변하면서 Capacitor에 전하(Data = 1)가 저장되는 것이다.\

 

3단계.  WL = OFF → 저장 완료

 

  트랜지스터가 OFF되면 연결이 끊긴다.(= 수문(밸브)이 닫힌다). 즉, 전하가 밖으로 나가지 못하고 저장상태를 유지하는 것이다.

 

4단계. Precharge

 

 Bit Line을 다시  Vcc →   1/2 Vcc 상태로 바꾸는 과정이다. (= 수도관의 수위를 중간으로 맞춘다). 다음 읽기/ 쓰기의 기준점을 맞추기 위해  Data를 쓰고 난 후 항상  precharge과정을 통해 Bit Line의 수위를 1/2 Vcc로 맞추어주어야한다.

 

3-1-2. Write <0>

대기 상태.

 

대기 상태에서는  Capacitor의 수위가 Vcc. BL의 수위가 1/2 Vcc에 해당한다.

 

1단계. WL 을 OFF -> ON 으로 바꾸어준다

 

 이 과정은 위와 마찬가지로 밸브 역할을 하는 트랜지스터(Tr)를 켜서, Bit Line과  Capacitor를 연결하는 과정이다. 즉, 데이터를 넣을 준비가 되어있는 상태이다.

 

2단계.  BL = 0 → 전하 주입

 

수조 그림을 보자. 원래 좌측의 Capacitor 부근의 물(=전하)이 가득 차 있는 상태였으나,  WL을  ON 상태로 바꾸어주면서 Capacitor에 있던 전하가 Bit Line으로 전부 빠져나가게 된다. 그 결과, Capacitor는 방전된다.

 

3단계.  WL = OFF → 저장 완료

 

  트랜지스터가 OFF되면 연결이 끊긴다.(= 수문(밸브)이 닫힌다). 그 결과 빈 상태를 그대로 유지하게 된다.

 

4단계. Precharge

 

  마지막으로 동작의 기준점을 맞추기 위하여 Bit Line을 다시  0 V →   1/2 Vcc 상태로 바꾸는 과정이다. (= 수도관의 수위를 중간으로 맞춘다). 

 

표로 정리하면 다음과 같다.

단계	Data = 1 (충전)	Data = 0 (방전)
초기상태	BL = 1/2 Vcc	BL = 1/2 Vcc
1단계 (WL ON)	트랜지스터 ON → 연결	트랜지스터 ON → 연결
2단계 (BL 제어)	BL: 1/2 Vcc → Vcc	BL: 1/2 Vcc → 0 V
전하이동	BL → Capacitor (충전)	Capacitor → BL (방전)
결과	전하 있음 → 1	전하 없음 → 0
3단계 (WL OFF)	연결 차단 → 저장	연결 차단 → 저장
4단계 (Precharge)	BL: Vcc → 1/2 Vcc	BL: 0V→ 1/2 Vcc

 

 

3-2. Read

  Read란 값을 꺼내는 과정이다.  DRAM에서는 값을 읽으면, 데이터가 깨지는 'Destructive Read'이다. 그렇기 때문에 마지막에 반드시 복원(Refresh)하는 과정이 반드시 들어가야한다.

 

3-2-1. Read <1>

 

대기 상태

 

Capacitor	전하 있음 (Data 1)
Bit Line	1/2  Vcc (Precharge)

 

1단계. WL ON → Charge Sharing

 

1) WL ON

2) Capacitor + Bit Line

BL : 1/2 Vcc -> 1/2 Vcc + ΔVb

= 전압이 아주 조금 증가한다.

 

 cf. 이때 증가 정도는 매우 작음 ( 150 - 220 mV )

 

2단계.  Sense Amplifier 동작

 

 BL의 전압이 아주 조금 올라가는 상황이 1단계였다. 이때, 이를 감지하여 1/2 Vcc + ΔVb 상태를 강제로 Vcc 까지 증폭시켜 Data Line으로 보내 1로 판단한다. (= 강제로 완전히 채운다)

 

3단계.  Restore (복원)

 

 읽는 과정에서 Charge Sharing으로 인해 데이터의 파괴가 일어난다. 다시 Capacitor를 충전하는 과정이 필요하다. 즉, 빠져나간 물을 다시 채우는 과정이 필요한 것이다. 

 

1) WL OFF

2) BL을 1/2 Vcc (Precharge)로 변경

 

3-2-2. Read <0>

Data 0 읽기 = 전압이 조금 내려감→ 0으로 증폭 → 다시 방전 유지

 

대기 상태

Capacitor	전하 없음 (Data 0)
Bit Line	1/2  Vcc

 

1단계. WL ON → Charge Sharing

 

1) WL ON

2) Capacitor + Bit Line

BL : 1/2 Vcc -> 1/2 Vcc - ΔVb

= 전압이 아주 조금 감소한다.

 

2단계.  Sense Amplifier 동작

 

1/2 Vcc - ΔVb 을 강하게 감지하여 강제로 0V로 끌어내린다.

 

3단계.  Restore (복원)

1) WL OFF

2) BL을 1/2 Vcc (Precharge)로 변경