반도체란? (메모리 반도체와 시스템 반도체)

반도체란? (메모리 반도체와 시스템 반도체)

'대한민국은 반도체 강국이다'라는 말은 한 번쯤 들어보셨을 텐데요,

반도체는 도체와 부도체의 중간 성질을 가지는 물질을 말합니다.

도체는 전류가 흐르고 부도체는 전류가 흐르지 못합니다.

즉, 반도체는 어쩔 때는 전류가 흐르고 어쩔 때는 전류가 흐르지 못하는 물질이라고 생각하시면 되겠습니다.

 

반도체는 크게 메모리 반도체와 시스템 반도체로 나눌 수 있습니다.

메모리 반도체는 전체 반도체 시장에서 약 20%, 시스템 반도체가 약 80%를 차지하고 있습니다.

메모리 반도체는 si를 단원소로 하는 wafer기반의 물질로 데이터 저장과 기억이 목적입니다.

시스템 반도체는 si에 GaAs, GaN, InP 등을 혼합한 비실리콘 기반 화합물 반도체로 논리 회로, 통신, 센서 등 메모리가 아닌 영역에서 두뇌 같은 역할을 한다고 보시면 됩니다.

 

반도체를 메모리 반도체와 시스템 반도체로 분류

메모리 반도체

1) RAM(Random Access Memory)

: 휘발성 메모리로 한시적으로 모듈에 저장된 정보는 컴퓨터가 재시작, 종료될 시 삭제됩니다. 정보를 기록하고 기록해 둔 정보를 읽거나 수정할 수 있는 메모리.

→ DRAM(Dynamic Random Access Memory)

: 기록된 내용을 유지하기 위해 주기적으로 재충전(커패시터 이용)이 필요하며, 트랜지스터 1개와 커패시터 1개(기생 커패시터: 정보 저장 역할)의 간단한 구조를 가진다.

- 장점: 가격이 저렴하다, 전력 소비가 적어 CPU의 주 기억 장치로도 쓰인다, 집적도가 높다.

※집적도: 1개의 반도체 칩 안에 몇 개의 소자가 들어가 있는지

- 단점: 접근 속도가 느리다, 휘발성이다.

 

→ SRAM(Static Random Access Memory)

: 정적램. 내용을 한 번 기록하면 전원이 공급되는 한 내용을 그대로 가지고 있는 반도체로, 4~6개의 트랜지스터와 2개의 NOT게이트 등으로 구성된 논리 회로로 이루어져 있다.

- 장점: DRAM에 비해 접근 속도가 빨라(100배) 캐시 메모리에 주로 사용한다.

- 단점: 구조가 복잡해 물리적인 공간을 많이 차지하며 집적도가 낮아 가격이 비싸고 대용량으로 제작하기 어렵다

            휘발성이다.

 

2) ROM(Read Only Memory)

:비휘발성 메모리로 한 번 기록된 정보를 읽을 수 만 있고 수정할 수 없는 메모리

→ PROM: ROM에 사용자가 한 번 내용을 기록할 수 있다.

→ EPROM: 사용자가 자외선 신호를 사용하여 여러 번 반복하여 내용을 지우거나 기록할 수 있다.

→ EEPROM: 사용자가 전기적 신호를 사용하여 여러 번 반복하여 내용을 지우거나 기록할 수 있다.

→ Flash Memory: 전기적 신호를 사용하여 데이터를 지우고 다시 기록할 수 있는 비휘발성 메모리로 트랜지스터 1개로 하나의 셀을 구성한다. 데이터를 고속을 쓰고 지울 수 있으며 데이터 또한 영구적으로 보존한다.

그 종류로는 NOR Flash Memory와 NAND Flash Memory 가 있다.

 

○ NOR Flash Memory

: 데이터 저장 단위인 셀이 병렬로 위치한 코드 저장형 플래시 메모리로 각 셀이 병렬로 되어있어 데이터를 빨리 찾을 수 있어 Read속도가 NAND Flash Memory보다 빠르다.

그러나 각 셀이 개별적으로 이루어져 있어 해당 페이지를 덮어쓰거나 지우려면 모든 블록에 대해 작업해야 하기 때문에 Write속도가 느리다.

또, 각 셀을 개별적으로 접근하기 위해 전극이 필요해 NAND Flash에 비해 넓은 면적이 요구되어 집적도 측면에서도 불리하다.

 

○ NAND Flash Memory

: 데이터 저장 단위인 셀이 직렬로 위치한 데이터 저장형 플래시 메모리로 각 셀이 직렬로 되어있어 각 셀에서 순차적으로 데이터를 읽어 데이터 Read속도가 느리지만, 별도로 셀의 주소를 기억할 필요가 없어 Write속도가 훨씬 빠르다.

NAND Flash는 Control Gate에 강한 전압이 걸리면 Source와 Drain사이 흐르는 전류가 절연층(tox)을 터널링 하여 Floating Gate에 쌓이는 방식으로 동작하며, 전자는 정보를 저장하는 역할을 한다.

 

※ Floating Gate 사용의 문제점

: Floating Gate을 사용하는 방식은 Control Gate에 고전압을 인가하여, 터널링에 의해 Floating Gate에 전하가 저장되는 원리인데, Floating Gate가 전기적으로 도체이기 때문에 cross talk(하나의 회로가 주변에 있는 다른 회로에 영향을 줌), Gate coupling ratio의 감소도 일어나게 되며 절연체에 전하를 저장하는 방식인 Charge Trap Flash 방식을 사용하기 시작했다.

 

※Gate coupling ratio: Control Gate에 인가된 전압이 Floating Gate에 얼마나 잘 전달되었는지에 대한 비율.

 

NAND Flash구조에서 Control Gate와 Floating Gate사이에 절연막에 의해  Metal-Oxide-Metal의 MOM구조를 가지기 때문에 커패시터로 작용한다.

또한, Source와 Floating Gate, 기판과 Floating Gate, Drain과 Floating Gate 등 원하는 소자의 동작과 상관없는 커패시턴스 값 (기생 커패시턴스) 이 존재하며, 이 값은 Control Gate에 인가된 전압이 Floating Gate에 전달되는데 영향을 준다.

 

○ CTF(Charge Trap Flash) 형 NAND Flash Memory

: 도체 대신 Silicon Nitride의 부도체를 사용하여 정보를 저장하는 방식.

- 장점: SiN 절연체를 사용하여 누설(방전)에 대한 문제를 해결할 수 있다.

           절연체에 전하를 저장하기 때문에 기생커패시턴스 성분을 줄여  Control Gate의 구동력을 크게 향상한다.

           구조적으로 cell의 높이가 낮아져 고집적화 시키는데 유리하다.

 

출처: 삼성 뉴스룸

 

○ 3D- NAND: 기존 단층 구조의 CTF를 3차원 구조로 개량해 Control Gate를 기존 직사각형(2D, 바닥만 사용)이 아닌 반지와 같은 원통형(GAA: 3D, 바닥면*높이)으로 만들어 cell당 보유 전자 수를 극대화하고, 적층 공정을 용이하게 해 준다.

 3D- NAND 구조에서 메모리의 용량을 결정하는 인자는 WL 적층수와 In/Out 단자(3D-NAND에서는 BL)이다.

용량은 byte(8bit) 단위이므로 주로 8의 배수로 3D-NAND를 적층 한다.

 

※ Word Line (WL)

: TR의 Gate 전극에 연결된 도선으로 TR의 on, off를 명령한다(전원 인가 선)

※ Bit Line (BL)

: Source(Drain)에 연결된 도선으로 커패시터에 저장된/저장할 데이터를 읽고 쓰는 역할(전압 전달 선)

출처: 삼성전자

 

삼성전자의 128단 V낸드의 경우, 약 6억 7000만 개의 channel hole이 있다.

하나의 channel hole안에는 128개의 cell(3D - NAND)이 존재한다.

즉, 원통형으로 게이트 절연막인 SiN과 poly-si의 CTF-cell로 구성되어 있다.

출처: 삼성전자

 

단수가 높아질수록 고도의 공정기술이 요구된다.

channel hole Etching 시 상부층과 하부층의 CD(회로 선폭)가 일정해야 하는데, 단수가 높아질수록 어렵기 때문이다.