디지털 집적회로 해석 및 설계 9-2

9 메모리 설계의 추가 토픽

메모리 비트당 비용을 줄이는 문제가 중요하므로 조밀하게 집적할 수 있도록 더 간단하고 작은 면적을 차지하는 셀을 개발했다.

스태틱 메모리 셀들은 모두 셀당 4~6개의 트랜지스터 및 각 셀을 연결하는 선이 4~5개 필요하다.

1960년대 다이내믹 MOS의 개념을 사용한다면 복잡도와 전력 소모가 훨씬 낮아지고 면적이 작은 셀을 설계할 수 있다는 사실을 깨달았다.

스태틱 메모리 셀은 플립플롭이 안정된 상태로 데이터를 저장하며 dc전력이 공급되는 한 그 데이터가 유지된다.

반면 다이내믹 셀은 이진 데이터를 커패시턴스상의 전하로 저장한다.

64K 바이트 이상의 메모리에서는 리프래시 사이클 수단을 포함하는 전체 다이내믹 메모리 시스템의 비용이 

스태틱 메모리 소자에 기반을 두는 시스템의 비용보다 더 낮다.

그러나 주변회로의 복잡도와 리프레시 회로, 타이밍으로 인해 스태틱 경쟁자보다 더 느린 회로가 된다.

3T DRAM셀은 처음으로 널리 사용된 다이내믹 메모리셀, 

1T DRAM에서 C2는 일반적으로 C1보다 10배가 크다.

만약 비트라인 커패시턴스가 너무 크면 전하공유의 결과는 셀에 저장된 값을 감지할만큼 뚜렷하지 못하다. 

C1을 크게 하면 이러한 문제를 피해갈 수 있다. 하지만 C1이 크면 안전하지만 면적이 커진다. 

이를 해결하는게 트렌치 커패시터와 스택 커패시터이다. 스택 커패시터가 더 많이 사용된다.

작은 칼럼 신호를 안정적으로 감지하기 위한 읽기 증폭기를 설계하는 일은 1T DRAM 설계에서 가장 어려운 측면 중 하나다.

널리 사용되는 다이내믹 RAM의 내부 회로 설계 및 타이밍은 사실 훨씬 복잡하다. 

비교적 간단하게 나타낸 64K비트 다이내믹 RAM의 블록 다이어그램이다. 

ROM은 디지털 시스템에서의 상수, 제어 정보, 프로그램 명령을 저장하는데 사용된다. 

단일 트랜지스터는 ROM의 핵심 개념이다. 

NOR 배열은 대게 더 빠른 액세스 시간을 보이며 저장된 비트 패턴은 트랜지스터와의 콘택트를 정의하는 

마스크 혹은 금속층 마스크에 의해 결정된다는 장점이 있다.

NAND 기반의 ROM은 액세스 시간이 더 길고 제조 공정의 초기 무렵에 주문 제작되어야 한다.

단위 면적당 비트 밀도는 같은 공정과 설계 규칙을 사용하는 NOR 기반의 ROM에 비해 상당히 높다. 이는 핵심 장점이다.

ROM의 액세스 시간은 행과 칼럼 라인의 저항 및 커패시턴스 그리고 이 라인을 구동하기 위해 사용할 수 있는 전류에 의해 제한된다.

비트당 비용이 적은 대규모 ROM을 위해서는 회로 레이아웃의 밀도를 높이는 것이 중요하다. 

이는 셀과 디코더의 W와 L이 작아야 하므로 상대적으로 작은 구동 전류로 귀결된다.

디코더의 구동 전류는 소자 면적 고려사항 뿐만 아니라 전력 소모 고려사항에 의해 제한된다.

0을 감지하기 위해서는 비트라인의 큰 커패시턴스 때문에 감지 회로를 사용해야 한다.

EPROM의 형태는 특별 MOS소자 구조를 따른다. 폴리실리콘의 두 층은 이중 게이트를 형성한다.

게이트 1은 전기적은 콘택트가 없는 부동 게이트, 게이트 2는 전압을 인가하는데 사용되는 제어 게이트이다.

EEPROM는 전기적으로 지울수 있는 구조다. 2T 구조여서 비트 밀도는 ROM 혹은 EPROM보다 더 낮다.

EEPROM은 내장형 응용을 위한 플래시 메모리와 경쟁 중이다.

NOR 플래시 메모리의 아키텍처다. 이는 더 높은 집적도를 제공하지만 비트 단위로 배열을 변경하지 못하게 한다.

쓰기/삭제 메커니즘은 각각 핫-캐리어 주입과 파울러-노드하임 터널링이다.

열전자는 채널 영역에 높은 전기장을 가하여 생성한다. 이 전자들이 산화막으로 들어가서 소자의 문턱전압을 높인다. 

높은 문턱전압을 가지는 소자 1을 낮은 문턱전압을 가진 소자는 0을 저장하고 있음을 나타낸다.

파울러 노드하임 터널링은 게이트 산화막과 같이 얇은 절연체 물질을 통과함으로써 발생한다. 

에너지 장벽을 관통하는 터널링에 의해 산화막을 통해 전류가 흐른다.

FRAM이라고 하는 강유전 물질에 바탕을 둔 또 다른 특징의 비휘발성 메모리가 있다.

DRAM 셀과 유사하게 단일 트랜지스터 및 단일 커패시터를 갖고 있다. 

이 커패시터는 원하는 값을 저장하기 위해 한 방향 혹은 다른 방향으로 분극되는 페로브스카이트 결정 물질로 구성된다.

FRAM 역시 파괴적인 읽어내기 특징을 갖고잇다. 그러므로 셀값을 읽어내고는 DRAM 셀과 비슷하게 셀에 다시 써야한다.

FRAM은 훨씬 작은 전력을 요구하고 고밀도를 구현한다. 수천억 번의 읽기/쓰기 사이클을 견뎌낼 수 있다.

하지만 비용, 동작속도, 물리적인 크기 문제가 있다.