[DRAM Capacitor의 발전] DRAM구조와 동작원리, High-k

DRAM의 발전 방향은 위의 논문을 일부 참고하여 글을 작성하였습니다. 

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DRAM동작 원리와 구조는 아래 글에서 설명되어 있습니다.

DRAM Capacitor의 구조와 동작 원리 그리고 발전 방향

 

 

DRAM의 발전은 어떻게 이루어지고 있는가?

출처 : 2021, IEEE

DRAM은 위와 같이 끊임 없이 미세화가 되고 있습니다. 그에 따라서 Capacitance는 효율적으로 유지하면서 집적화를 시키는 것이 매우 중요해졌죠. 그래서 DRAM의 구조의 변화로 그 한계점을 돌파하려고 하고 있습니다. Stack Type, Multi-Fin, Cylinder Type, Pillar Type과 같이 구조를 변화하여 Effective Area를 늘리려는 발전을 해오고 있습니다. 

DRAM의 Capacitance를 높이는 방법에는 무엇이 있을까?

첫 번째, Area(면적) 늘리기

위의 수식에서 A를 늘려야 하니까요. 

a) Cylinder Type Capacitor
b) Pillar Type Capacitor 

대표적으로 두 가지 구조를 보자면 위와 같이 구성이 되어있습니다. 그냥 막대 기둥으로 Cap을 만드는 것이 아니라 굴곡을 줘서 Area(A)를 늘리는 방법을 취한 것이죠. 일반적인 BOX형태를 가진 Capacitor라면 그냥 높이 높이 쌓는 방법 밖에 없겠지만 위와 같이 Trench구조로 굴곡이 존재하기 때문에 그만큼 Area(A)를 확보할 수 있게 된 겁니다. 

Cylider Type은 원기둥 모양으로 내부 그리고 외부의 Area를 확부할 수 있습니다. 그리고 Pillar Type도 비슷하게 큰 면적을 확보 할 수 있죠. 둘을 상대적으로 비교하자면, Cylinder Type이 Area(A)를 더 많이 확보 할 수 있기 때문에 같은 Capacitance를 갖기 위해서는 Pillar Type의 더 높은 높이로 구조를 쌓아야 합니다. 당연히 둘 다 무한히 높이를 증가시키면 Cap값도 커지겠지만 High Aspect Ratio로 무한히 높은 구조를 만드는 것은 불가능하기 때문에 역시나 한계는 존재합니다.

그래서 구조의 개선 → high-k 물질의 연구가 동시에 활발히 이루어지고 있습니다.

두 번째, High-k 절연체 쓰기

위의 수식에서 High-k물질을 쓴다는 것은 높은 상대유전율(k)를 가진 물질을 사용한다는 것을 의미합니다. 앞서 말했듯이 무한히 넓은 A(Area)를 가지는 Cap을 만드는 것에도 어느정도 한계가 존재하니까요.

출처 : matsusada

위와 같이 일반적인 Cap구조라고 보았을 때, Capacitor는 Metal-Insulator-Metal의 구조를 갖고 있죠. 그때 사이에 존재하는 Insulator(절연체)가 높은 유전율을 갖는 것이 high-k가 의미하는 바입니다. 
*high-k물질은 외부 전기장이 인가되었을 때, 절연체의 분극이 훨씬 더 잘 일어납니다.

따라서 위와 같은 새로운 절연체(Insulator or Dielectric)을 찾고 구성하면서 높은 유전율(high-k)물질을 DRAM Capacitor에 사용하기 위해 노력하고 있습니다. 위의 figure에서 Dielectric Constant를 물질별로 나타내고 있습니다. 가장 만만한 SiO2와 비교해보시면 감이 오실겁니다.

Material	Dielectric Constant(k)
Vacuum	1
SiO2	3.9
Al2O3	~9
HfO2, ZrO2	~25
TiO2	~80
STO	~300
BST	~800

만약에 동일한 구조와 A(Area), Thk(Thickness)를 가진 Cap이고 절연체 물질만 비교한다면 아래와 같겠죠. 

SiO2 사용시  C=10이라고 가정한다면
TiO2 사용시 C= 200 
STO 사용시 C=750 
이되는 것입니다.

그래서 결국 절연체를 High-k로 사용하는 것이 가장 드라마틱하게 Capacitance를 높일 수 있는 방법이죠. leakage가 발생하지 않는 두께를 유지하면서요.