23강. DRAM, SRAM, Flash Memory

이번 포스팅에서는 메모리반도체의 기본 3가지 종류에대해 다루겠습니다.

가장 기본적인 메모리는 DRAM, SRAM, Flash Memory입니다.

반도체를 이용하여 실제 여러분들이 사용하는 소자를 가장 피부에 와닿게 공부하는 시간이라고 할 수 있습니다.

각 메모리의 동작원리와 특징에대해 알아보겠습니다.

1. DRAM (Dynamic Random Access Memory, 동적램)

기본적으로 RAM은 Random Access Memory로 임의의 영역에 접근하여 데이터를 저장하는 메모리입니다.

그리고 전원이 꺼지게 되면 저장하고있던 정보를 잃게 되는 휘발성 메모리입니다.

이 말의 의미를 이해하기 위해서는 SAM이라는 메모리를 먼저 말씀드리겠습니다.

SAM은 Sequential Access Memory인데, 즉 순차적으로 시간순서에따라 데이터를 저장하고 출력하는 메모리입니다.

SAM이라고 했을 때는 와닿지 않지만 제가 어렸을 때, 비디오테잎이나 라디오테잎등이 전형적인 SAM입니다.

비디오테잎에서 원하는 장면을 보고싶을 때, 되감기나 빨리감기를 통하여 원하는 데이터를 찾아내는데

시간순서대로 데이터가 저장되어있기 때문에 이러한 기능을 이용해야하는것입니다.

시간순서대로 데이터를 저장하지 않는 RAM의 등장으로 데이터를 빠르게 저장하고 불러올 수 있게 되었습니다.

그리고 DRAM에서 D는 Dynamic의 약자인데, 한국어로는 동적램이라고 부릅니다.

우리나라에서 삼성전자와 SK하이닉스의 주력상품이자 세계최고의 경쟁력으로 메모리시장을 장악하고 있습니다.

그렇다면, DRAM의 구조와 동작원리에대해 알아보겠습니다.

DRAM의 기본구조

DRAM은 위 그림처럼 1개의 트랜지스터와 1개의 커패시터로 이루어져있습니다.

구조를 이용하여 동작원리를 설명드리겠습니다.

먼저 Word Line에 High신호가 들어와 트랜지스터를 Enable상태로 만들게 됩니다.

즉, MOSFET의 Source와 Drain을 도통할 준비상태를 만들게 되는 것입니다.

다음으로 bit line에 High나 Low 신호가 들어오게 됩니다. 여기서는 설명의 편의성을 위해 High신호로 가정하겠습니다.

위 그림처럼 파란색으로 표시된 Bit Line의 High신호가 들어와 커패시터에 전하가 쌓이게 됩니다.

그리고 이를 커패시터를 통해 전하를 저장하여 전자가 있는 '1'이라는 상태를 저장할 수 있습니다.

하지만 DRAM은 커패시터를 사용하기 때문에 가만히두면 방전이 일어납니다.

이를 막기위해서 주기적으로 Refresh를 해주어야합니다. 이에대한 내용은 나중에 자세하게 꼭 다루겠습니다.

 

2. SRAM (Static Random Access Memory, 정적램)

이번에는 SRAM에대해 설명하겠습니다.

기본적으로 6개의 트랜지스터를 사용하는 SRAM은 DRAM보다 복잡한구조를 채택합니다.

위 SRAM의 구조를 보면 아래 네모박스 친 부분이 바로 Inverter입니다.

구조를 조금 더 이해하기 쉽게 간단하게 그려보겠습니다.

이러한 Inverter를 이용하여 신호를 0과 1을 계속 반복하여 데이터값을 유지할 수 있는 것입니다.

동작원리 역시 마찬가지로 Word Line에 High신호가 들어오게 되면 SRAM에 데이터를 저장할 준비를 마칩니다.

그리고 Bit line에 High신호가 들어왔다고 가정하여 SRAM에 1이라는 데이터를 쓴다고 가정해봅시다.

그렇다면 아래 그림과같이 1과 0이 Inverter를 통하여 계속 그 값을 유지하고 전원이 들어올 동안 유지합니다.

SRAM은 DRAM보다 값이 비싼데, 그 이유는 트랜지스터개수가 많기 때문이고 면적 또한 DRAM보다 훨씬 큽니다.

 

3. Flash Memory

Flash Memory는 비휘발성 메모리로, 여러분들이 사용하는 컴퓨터의 HDD,SSD등에 들어가는 메모리입니다.

비휘발성메모리의 가장 큰 특징은 전원을 차단해도 데이터를 유지할 수 있다는 점입니다.

어떻게 이러한 특성을 가지게 되는지 구조를 살펴보겠습니다.

기본적인 MOSFET구조에서 산화막절연층 2개사이에 전하가 저장되는 Layer가 추가된 모습입니다.

바로 그림에서 초록색으로 표시된 부분에 전자가 저장될 수 있습니다.

그렇다면, 채널에 모인 전자가 저 영역으로 들어가야만 데이터가 저장이되는데,

이때 사용하는 방법이 Tunneling(터널링)에 의한 방법과 Hot electron을 이용한 두가지 방법입니다.

1) Tunneling(터널링)에 의한 전하저장

위 그래프에서 Threshold전압보다 큰 전압을 인가한 모습입니다.

두 전압모두 Threshold전압보다 높기 때문에 트랜지스터는 동작합니다.

하지만 하나는 전하를 저장하지 못하고, 다른 하나의 경우는 전하를 저장할 수 있습니다.

즉, 위의 방법처럼 Gate에 20V라는 큰 전압을 걸어주게되면, 채널을 통과하는 전자가 강한 전계에의해

얇은 산화막절연층을 Tunneling을 통해 초록색 영역으로 들어갈 수 있게 됩니다.

임의적으로 강한 전계를 걸어주어 전자를 이동시켰기 때문에, 저장된 데이터는 전원이 차단되어도

계속 저 영역에 머물러있게되고, 데이터는 저장된상태를 유지하게 됩니다.

반면, 데이터를 지우는 경우에는 어떻게 할까요? 전압에 마이너스(-)전압을 걸어줄 것 같지만 그렇지 않습니다.

Body와 Gate의 전압방향을 바꿔주어, 반대로 전자가 MOSFET의 채널쪽으로 Tunneling되도록 합니다.

이러한 방식으로 Tunneling을 이용하여 데이터를 저장하고 불러올 수 있습니다.

 

2) Hot Electron을 이용한 전하 저장

위 그림만보면 일반적인 MOSFET이 동작하는 모습과 같습니다.

여기서 Hot Electron이라고 말씀을 드렸는데, 이 Hot Electron은 채널에 형성된 강한 전기장에 의해

캐리어인 전자가 가속을 받고 주변 격자들과 빠른속도로 충돌하기때문에 붙여진 이름입니다.

이때 전자의 운동에너지는 매우 큰 상태이기 때문에 게이트에 걸어준 7V의 전압으로도 충분히 Tunneling이 가능합니다.

하지만 이 경우 전자가 격자에 지속적으로 충돌하기 때문에 소자를 손상시켜 신뢰성이 감소한다는 문제가 있습니다.