It’s time for a paradigm shift in a silicon-based memory. $\It{‘Hwang’s Law’}$, the memory capacity doubling every year, has been the basis of 8-year technological and economic revolution by shrinking of transistors. Whether this size scaling has enabled the exponential growth in a semiconductor industry, it will eventually come to an end in the near future. The focus in the memory will have to shift to devices that are not just increasingly scalable but multi-functions supportable.
As a technological breakthrough that can overcome the saturation in the revenue obtained from $\It{‘scaling’}$, a novel type of fusion memory is presented. Combined with a charge-trapping gate dielectric in a floating body transistor, functions of a non-volatile flash memory and high-speed capacitorless 1T-DRAM are integrated in a single memory transistor. The memory named $\underbar{U}nified \underbar{R}andom \underbar{A}ccess \underbar{M}emory$ (URAM) could radically improve the performance of embedded system without shrinking memory cells, and the paradigm shift from $\It{‘scaling’}$ to $\It{‘multi-function’}$ will create new value and continue the evolution of silicon memory technology. In the end, URAM will in turn become the cornerstone of new silicon-based memory that operates versatile functions of high-speed mode and non-volatile mode according to the end user’s demand.
반도체 산업의 발전은 ‘무어의 법칙’에 따라 작게 만들면 작게 만들수록 성능 증가, 집적도 증가, 단가 감소의 원칙을 따라왔다. 하지만 근래에 소자의 선폭이 50nm 미만으로 내려가면서 물리적인 한계와 공정기술의 어려움 때문에 소자의 소형화 속도가 점점 늦어지고 있다. 소형화의 속도가 점점 늦어지고 있다. 이것은 반도체 산업의 대 원칙인 ‘무어의 법칙’의 종말도 머지 않았음을 암시한다. 이것을 증명하는 한 예로 물리적인 한계라고 일컬어 지는 3nm 근방의 소자도 연구단계에서 속속 등장하고 있다.
반도체 기술의 발전을 계속 이어가고 새로운 부가가치를 창출하기 위해서는 이제 더 이상 ‘소형화’에 의존하지 않고 새로운 개념의 소자 개발이 필요하다. 이러한 요구에 대응하기 위해 단일 소자에 복합 기능을 부여하는 ‘다기능 메모리 소자’ 개념을 제안하였다.
메모리는 주로 PC에서 사용되는 DRAM과 디지털 기기(MP3, 디지털카메라)에서 사용되는 Flash로 나뉜다. DRAM은 매우 빠른 처리속도를 갖지만 전원을 끄면 데이터가 사라진다. 반대로 Flash는 전원이 없어도 정보가 유지되는 비 휘발성이지만 처리속도가 매우 느리다. 따라서 각각의 장점에 따라 시장이 양분되어 있다. 본 연구는 각각의 장점을 한 소자에서 구현되는 통합메모리에 대한 것이다. 두 가지 메모리가 서로 동작전압이 상이한 것에 착안하여, 동작전압에 따라 DRAM동작을 하거나 Flash메모리 동작을 하는 Unified-RAM을 제안한다. 특히 DRAM을 위하여 일반적인 1T/1C DRAM이 아닌 전하를 커패시터가 아닌 SOI 소자의 부유몸체에 저장하는 Capacitorless 1T-DRAM을 사용하였다. 부위몸체 기판에 소자를 제작하여 1T-DRAM 동작을 가능하게 하고, 게이트 절연막에 O/N/O를 사용하여 비휘발성 메모리 동작을 구현하였다.
일반적인 부유 몸체는 SOI 기판을 사용해 왔다. 하지만 SOI 기판의 비싼 가격과 열전달문제 등을 해결하기 위해, 값이 싼 벌크 기판에서 전하를 저장할 수 있는 ‘에너지밴드엔지니어링’ 기판을 제작하였다. Si와 SiC의 가전도대의 오프셋을 이용하여 에너지 장벽 내부에 전하를 저장하거나, Si와 SiGe의 가전도대의 오프셋을 이용하여 에너지 우물 내부에 전하를 저장할 수 있는 기판을 제공하였다.
이러한 두 가지 기능을 수행할 때 두 동작모드의 상호 간섭을 줄이기 위해 구조적으로는 게이트-드레인 언더랩 구조를 제안하였고, 동작방법으로는 충돌이온화를 이용한 충전이 아닌 게이트유도드레인전류 (GIDL)을 사용한 방법으로 간섭이 최소화 됨을 확인하였다.
DRAM 읽기 동작 시, 채널에 전하가 저장된 상태를 교란시키지 않는 범위 내에서 MOS읽기 방식을 하게 되고, 이것은 채널의 최소 부피를 요구하므로 소자 소형화를 막는 역할을 한다. 본 연구는 MOS읽기 방식 대신 기생 BJT읽기 방식을 제안하여 부분공핍소자에서 뿐만 아니라 완전공핍소자에서도 DRAM동작을 확인하였고, 이 방법이 소자의 궁극적인 구조라고 할 수 있는 전면게이트 구조에서도 적용된다는 것을 실험적으로 밝혔다.
소자의 소형화를 통한 메모리용량증대는 서두에서 언급한 바와 같이 한계를 지니고 있어, 그 대안으로 3차원 적층방식이 주목을 끌고 있다. 이 시점에서 여러 가지 3차원 적층방식 중 하나인 폴리실리콘채널 적층 방법을 URAM에 적용해 보았다. 폴리실리콘채널을 사용해도 Flash 및 DRAM 동작이 가능함을 보였다.
마지막으로, 기존의 고체 상태의 게이트 절연막을 기체상태로 만들고 채널을 공기중에 부양시켜 채널이 기계적인 움직임을 하는 전기-기계소자를 제작하였다. 공기를 통한 게이트 누설 전류는 이상적인 경우에 영이 되기 때문에 대기전력을 매우 낮출 수 있는 소자로써 사용될 수 있다. 전기-기계소자는 채널의 기계적인 위치에 따라 메모리의 상태가 결정지어 지게 되고 전기적인 특성에 따라 기계적인 위치를 파악할 수 있다.
본 연구는 근 미래에 사용될 수 있는 실용적인 연구로써, 미리의 반도체 산업이 경쟁적으로 유지되고 소자의 소형화를 통한 부가가치를 창출에서 벗어나 새로운 기능을 부여한 것으로 부가가치를 창출하는데 도움을 줄 수 있다. 뿐만 아니라 연구자 에게는 연구 패러다임은 더 이상 소자 소형화에 한계를 두지 않고 다기능화에 있다는 것을 암시하는 의미를 부여한다.
