3D DRAM란?
메모리 셀을 수직 방향으로 여러 층 쌓아, 평면 미세화에만 의존하지 않고 용량을 늘리는 DRAM. 커패시터를 어떻게 다룰지가 가장 큰 과제이며, 2020년대 중반 시점에서는 연구 개발 단계에 있다.
일본어 명칭: 3D DRAM
3D DRAM은(는) DRAM 등 1개 분야의 연습 문제 1개에 나와요.
분야: DRAM
평면 DRAM이 한계에 다가가는 이유
DRAM은 트랜지스터 1개와 커패시터 1개로 된 1T1C 셀에 1비트를 저장합니다. 커패시터에는 읽을 수 있는 신호를 내기 위한 일정한 용량이 필요하므로, 셀이 작아지면서 커패시터는 종횡비가 매우 큰 가늘고 깊은 원통이 되었습니다. 셀 트랜지스터를 작게 하면 누설을 낮게 유지하고 워드 라인 저항을 허용 범위로 억제하기도 어려워집니다. DRAM은 평면 치수를 줄여 용량을 늘려 왔지만, 그것만으로 계속하기는 어려워지고 있습니다.
3D NAND와의 차이
NAND 플래시는 수백 층의 워드 라인을 쌓고, 그 전체를 관통하는 수직 구멍을 한 번에 식각하여 셀의 줄을 만드는 방식으로 3D화했습니다. DRAM에서는 셀마다 커패시터가 필요하고, 현재의 커패시터는 매우 높아서 그대로 쌓을 수 없으므로 같은 방식이 어렵습니다. 그래서 각 층에서 셀 트랜지스터와 커패시터를 옆으로 눕혀 배치하고, 그 층을 여러 겹 쌓는 구조가 연구되고 있습니다. 다만 옆으로 눕힌 셀은 층당 면적이 커지므로, 평면 DRAM보다 밀도가 높아지려면 많은 층이 필요합니다.
연구되고 있는 방식
옆으로 눕힌 셀을 쌓는 방식의 하나로, 실리콘과 실리콘 저마늄(SiGe)을 번갈아 수십 층 에피택셜 성장시키고 그 적층에서 셀을 만드는 방법이 있습니다. 2025년에 imec과 겐트 대학은 300 mm 웨이퍼 위에 Si/SiGe 이중층을 최대 120층 성장시켰다고 보고했습니다. 커패시터가 없는 셀도 또 하나의 방향입니다. imec이 2020년에 보고한, IGZO 산화물 반도체 트랜지스터를 쓰는 2트랜지스터(2T0C) 셀은 매우 작은 오프 전류를 이용해 읽기 트랜지스터의 기생 용량에 전하를 유지합니다. 산화물 반도체는 저온에서 형성할 수 있어 배선층 위에 쌓기 쉽다는 이점도 있습니다.
남은 과제
다층 에피택셜 성장에서는 Si와 SiGe의 격자 부정합에 의한 변형으로 결함이 생기기 쉽고, 층수가 늘수록 어려워집니다. 높은 구조의 깊은 곳까지 옆 방향 식각과 성막을 균일하게 하는 것도 필요합니다. 옆으로 눕힌 커패시터로는 층당 셀 면적이 커지므로, 충분한 층수를 낮은 비용으로 쌓을 수 있는지가 열쇠입니다. 2020년대 중반 시점에서 3D DRAM은 메모리 제조사와 연구 기관이 연구하고 있는 단계이며, 양산 시기는 정해져 있지 않습니다.
도전해 보기: 3D DRAM 관련 문제
향후 DRAM의 대용량화 수단으로 연구 개발이 진행되고 있는 3D DRAM의 개념으로 올바른 것은?
- A메모리 셀을 수직 방향으로 쌓아 평면 미세화에만 의존하지 않고 용량을 늘린다
- B칩을 크게 만드는 것만으로 용량을 늘린다
- CDRAM을 SRAM으로 대체한다
자주 묻는 질문
3D DRAM과 HBM은 무엇이 다른가요?
HBM은 완성된 DRAM 칩을 TSV로 수직으로 쌓는 것으로, 칩의 적층입니다. 3D DRAM은 하나의 칩 안에서 메모리 셀 자체를 수직 방향으로 쌓는 것입니다. 서로 다른 기술입니다.
DRAM은 왜 3D NAND처럼 쉽게 쌓을 수 없나요?
DRAM의 셀마다 전하를 저장하는 커패시터가 필요하고, 현재의 커패시터는 매우 높기 때문입니다. 옆으로 눕힌 셀을 쌓는 방식이나 커패시터가 없는 셀이 연구되고 있습니다.
3D DRAM은 언제 실용화되나요?
2020년대 중반 시점에서는 연구 개발 단계에 있으며, 양산 시기는 정해져 있지 않습니다. 다층 결정 성장, 깊은 구조의 가공, 많은 층을 낮은 비용으로 쌓는 것이 과제입니다.
해설 속 3D DRAM
이에 3D NAND처럼 셀을 수직 방향으로 쌓는 3D DRAM의 연구 개발이 진행되고 있으며, 트랜지스터와 커패시터를 가로로 눕혀 여러 층으로 쌓는 구조나 커패시터를 사용하지 않는 셀 등이 검토되고 있습니다.
향후 DRAM의 대용량화 수단으로 연구 개발이 진행되고 있는 3D DRAM의 개념으로 올바른 것은?
3D DRAM이(가) 나오는 문제 (1)
관련 용어
DRAM(다이내믹 RAM) 종횡비(Aspect Ratio) 3D NAND 1T1C 셀 로우해머(Rowhammer) 리던던시 구제(Redundancy Repair) 리프레시(Refresh) 메모리 월(Memory Wall) 뱅크(Bank) 비트라인(Bit Line)