The long-term endurance characteristics are investigated for MOSFET-based capacitorless one-transistor DRAM (1T-DRAM) under the conventional versus biristor mode. Based on the experimental results and on a supporting simulation study, it was found that the MOSFET-based 1T-DRAM, when enabled by a biristor mode, is preferred for long-term endurance compared with MOSFET-based 1T-DRAM when operated in a conventional mode. Although a high drain voltage is required in the biristor mode for programming, im-proved endurance characteristics are observed. The simulation study showed that this feature is achieved by the suppression of hot-hole-induced degradation, which arises from the absence of a gate use at the dynamic cell. Thus, this work provides a new type of device architecture as well as a novel and innovative operational method pertaining to conventional 1T-DRAM to mitigate the problem of limited endurance.
반도체 산업은 Moore의 법칙에 따라 18개월마다 2배의 집적도 향상을 하고 있다. 이 경향은 DRAM 산업에서도 마찬가지인데 DRAM의 크기가 작아짐에 따라 여러 가지 기술적 한계에 직면하고 있다. 그 중 캐패시터 제작의 어려움을 겪고 있는데, 이는 캐패시터의 면적이 작아짐에 따라 캐패시턴스가 줄어들기 때문이다. 캐패시턴스 유지를 위해 캐패시터의 물질 및 구조를 변형하여 일정부분 해결을 하고 있으나, 근본적으로 캐패시터의 존재로 인해 소자 스케일링에 어려움을 겪고 있다. 따라서, 캐피서터가 근본적으로 존재하지 않고 SOI 기판위의 플로팅 바디에 정공의 존재여부를 읽어 DRAM 동작을 하는 1T-DRAM이 제안되었다.
일반적인 모스펫 (MOSFET) 기반의1T-DRAM의 동작 방식은 여러 가지가 있는데, 그 중 양극성 접합 트랜지스터 기반 (BJT)의 동작방식이 빠른 동작속도, 안정적인 리드-리텐션, 높은 마진을 제공한다. 또한, 게이트 전압을 이용하여 홀드-리텐션 특성에서도 장점을 보이게 된다. 하지만, 이 방식은 동적상태 (dynamic state)에서도 근본적으로 게이트 전압을 사용해야 하므로, 게이트 전압과 드레인 전압간의 전압차로 인한 게이트 절연층의 성능 저하를 유발하여 내구성 (endurance)을 손상시키는 문제를 피할 수 없게 된다.
반면에 바이리스터 (biristor) 기반의 1T-DRAM도 제안되었는데, 이는 일반적인 모스펫과는 다르게 게이트와 게이트 절연층이 근본적으로 존재하지 않는 양극성 접합 트랜지스터 형태를 나타낸다. 바이리스터는 게이트가 근본적으로 존재하지 않기 때문에 일반적인 모스펫 구조에서의 동작 시 내구성을 손상시키는 문제를 발생시키는 수직 방향의 전기장을 줄여서 동적상태에서의 게이트 절연층의 성능 저하를 완화 시킬 수 있다. 따라서, 일반적인 모스펫 구조에서의 동작 시보다 좋은 내구성을 가지게 된다. 하지만, 게이트가 근본적으로 존재하지 않아 홀드-리텐션의 손해를 유발하게 된다.
따라서 본 연구에서는, 게이트 전압이 없어 발생하는 바이리스터의 장점을 이용하여, 일반적인 모스펫 구조에서 동적상태 시 바이리스터와 유사한 메모리 동작을 하는 바이리스터 모드의 새로운 동작 스킴을 제안해 보았다. 그 방법은 동적 상태의 메모리 동작시 게이트를 플로팅하고, 드레인과 소오스 전압만을 이용하여 동작시키는 방법이다. 기대한 대로, 바이리스터 모드에서 메모리 동작을 구현한 결과 기존의 모스펫 구조에서의 1T-DRAM 모드의 동작 시보다 수직방향의 전기장이 줄어들어 핫 캐리어 (hot-carreir)에 의한 게이트 절연층의 성능 저하를 완화시켜 개선된 내구성을 가지는 것을 확인하였다.
따라서, 본 연구에서 진행한 바이리스터 모드의 새로운 동작 스킴은 기존의 모스펫 구조에서의 1T-DRAM 동작 시 발생하는 내구성의 한계를 극복하는 새로운 가이드라인을 제시할 것으로 보인다.
