[DRAM] DRAM 디바이스 조직과 저장 셀

Introduce 

이 장에서는 Fast Page Mode(FDM) DRAM 디바이스에 대한 가벼운 개요를 제공합니다. 

DRAM 디바이스 조직 

위 그림은 FDM DRAM 디바이스의 DRAM 저장 셀들은 4096개의 row, 1024개의 column 그리고 column당 16비트의 데이터로 구성됩니다. 이 디바이스에서 매번 row access가 일어날때, 12비트 어드레스가 어드레스 버스에 인가되고 RAS(Row-Address-Strobe)가 외부 메모리 컨트롤러에의해 실행됩니다. DRAM디바이스 내에서 어드레스 버스에 있는 어드레스는 row address buffer에 의해 buffer되고 그 다음 row decoder로 보내집니다. 그 다음에 4096개 row의 저장 셀들 중 1개를 선택합니다. 그런 다음 저장 셀들 중 선택한 로우에 있는 데이터는 감지되고 sense amplifier어레이에의해 활성화 됩니다. 즉, row access다음에 오는 각각의 column access는 DRAM의 같은 row로부터 16비트의 데이터를 읽거나 씁니다. 

 

column access는 row access와 유사한 방법으로 이뤄지는데, 메모리 컨트롤러는 어드레스 버스에 10비트의 어드레스를 인가하고 적절한 CAS시그널을 실행합니다. 내부적으로 DRAM칩은 10비트의 칼럼 어드레스를 받아들여 그것을 디코딩하고 1024개의 칼럼 중 1개를 선택합니다. 그 다음 해당 칼럼에 있는 데이터는 DRAM디바이스에 의해 데이터 버스로 출력되거나, WE시그널에 따라 메모리 컨트롤러에서 전달된 데이터로 덮어 써지게 됩니다. 

DRAM 저장 셀 

DRAM 디바이스에서 1비트의 데이터를 저장하기 위해 쓰는 기본적인 1개의 트랜지스터와 1개의 캐패시터 셀 구조의 회로도를 나타냅니다. 이 구조에서 액세스 트랜지스터의 게이트에 전압이 인가되어 액세스 트랜지스터가 켜질 때, 데이터 값에 해당하는 전압이 비트라인에 놓여지게 되고, 저장 캐패시터가 충전됩니다. 액세스 트랜지스터가 꺼진 후 저장 캐패시터는 저장된 전하를 보유하며, 워드라인의 전압은 제거됩니다. 그러나 저장된 전하는 시간이 지날수록 점점 유실됩니다. 데이터의 신뢰성을 보장하기 위해 DRAM 셀 내에 저장된 데이터 값은 refresh되어야 합니다. 

초기에는 3개의 트랜지스터와 1개의 캐패시터 셀 구조를 사용하였습니다. 이 구조는 저장 셀로부터 데이터를 읽을때 공유된 비트라인으로 셀의 내용이 방전될 필요가 없다는 흥미로운 구조를 특징을 지닙니다. 즉, DRAM셀의 데이터를 읽은 것이 파괴적이지 않고 간단한 read cycle에서 복원이 필요하지않습니다. 결과적으로 1T1C보다 더욱 빠르게 동작합니다. 하지만 1T1C가 가지고 있는 장점으로 DRAM 디바이스이 표준이 되었습니다.  

셀 커패시턴스, 누설전류와 리프레시 

전체 디바이스에서 누설 때문에 1비트의 데이터라도 저장된 전하를 잃어 버리기 전에 주어진 디바이스상에서 DRAM셀은 적어도 한 번은 refresh되어야 합니다. 낮은 캐패시턴스 값이나 큰 누설 전류를 가지는 캐패시터로 구성된 DRAM 셀의 경우 모든 셀에서 신뢰할 수 있을 만한 데이터 보존을 보장하기 위해 refresh 간격 사이의 시간 주기를 더 줄이기도 합니다. 

드라이브 셀 구조의 상충된 조건 

1T1C가 발명된 이후로 DRAM셀의 물리적 구조는 계속해서 진화하고 있습니다. 밑의 그림은 셀의 개략적인 구조를 나타내고 있습니다. 저장 캐패시터는 액티브 실리콘 위의 폴리실리콘 층 사이에 위치한 스택 캐패시터 구조로 형성됩니다. 몇몇 DRAM제조 없체는 다른 방식으로 액티브 실리콘에 깊게 형성한 트렌치 캐패시터를 가지는 셀을 사용합니다. DRAM 디바이스는 이 2가지 중 1가지를 사용합니다. 보통 스택 캐패시터를 사용합니다. 

트렌치 커패시터 구조 

트렌치 캐패시터를 깊게 형성하는 것은 저장 셀 캐패시턴스를 감소시킺 ㅣ않으면서 DRAM셀의 실리콘 표면 사용을 줄이기 위함입니다.

스택 커패시터 구조 

스택 캐패시터 구조는 저장된 전하를 갖고 있는 캐패시터 면을 만들기 위해 여러 개의 금속 층을 사용하거나 실리콘 기판 표면 위에 전도성의 폴리실리콘을 사용합니다.