3D DRAM 제안으로 밀도 증가의 길 열다

Aug 24, 2023

메모리용 칩스태킹

스케일링이 제대로 작동하지 않는 기술 제품이 하나 있다면 그것은 DRAM입니다. 여기에는 여러 가지 이유가 있으며, 가장 중요한 것은 DRAM 셀의 실제 설계와 그것이 제조와 어떻게 관련되는지입니다. 그러나 Lam Research에 따르면 이러한 스케일링 문제의 최종 결과는 DRAM 분야의 연구자들이 이르면 지금으로부터 5년 안에 DRAM의 밀도 스케일링을 높일 수 있는 방법을 찾을 수 없다는 것을 의미합니다. 이러한 맥락에서 전문 회사인 Lam Research는 반도체 회로 설계 회사는 미래 DRAM 제품이 어떻게 발전할 수 있는지에 대한 제안을 발표했습니다. 그리고 그 미래는 3D가 될 수도 있으므로 메모리 큐브는 가능성의 영역에서 그리 멀지 않은 것 같습니다. 회사에 따르면 제조 가능한 3D DRAM 장치를 설계하는 데 약 5~8년이 걸릴 것이며, 2D DRAM 스케일링이 끝나는 순간과 3D DRAM 스케일링이 시작되는 순간 사이에 3년의 공백이 있을 수 있습니다. Lam Research는 독점 SEMulator3D 소프트웨어를 사용하여 가능한 3D DRAM 설계를 반복했습니다. 그들의 초점은 스케일링 및 레이어 적층 문제, 커패시터 및 트랜지스터 축소, 셀 간 연결 및 비아 어레이(예: 다른 3D 반도체 설계에서 이미 본 TSMC의 TSV [Through Silicon Vias])를 해결하는 것이었습니다. 마지막으로 회사는 제안된 설계를 제작할 수 있는 프로세스 요구 사항을 제시했습니다.

DRAM 셀이 설계되는 방식으로 인해 2D DRAM 구성 요소를 옆으로 눕혀서 서로 쌓는 것은 불가능합니다. 이는 DRAM 셀의 종횡비가 높기 때문에 발생합니다(두꺼운 것보다 키가 더 큼). 옆으로 눕히려면 현재 용량을 넘어서는 측면 식각(및 충전) 기능이 필요합니다. 그러나 아키텍처 자체를 이해하면 설계 제약 조건을 우회하면서 이를 변경하고 적용할 수 있습니다. 그러나 말처럼 쉽지는 않지만 아직 3D DRAM이 없는 이유가 있습니다. 현재 DRAM 회로 설계에는 기본적으로 세 가지 구성 요소가 필요합니다. 비트라인(전류를 주입하는 전도성 구조); 비트라인의 전류 출력을 수신하고 전류가 회로로 흘러 들어갈 수 있는지(그리고 채울 수 있는지) 제어하는 ​​게이트 역할을 하는 트랜지스터; 그리고 비트라인과 트랜지스터를 통해 흐르는 전류가 궁극적으로 비트(0 또는 1) 형태로 저장되는 커패시터가 있습니다. Lam Research는 작동하는 아키텍처에 도달하기 위해 몇 가지 칩 설계 "트릭"을 사용했습니다. 우선, 그들은 비트라인을 트랜지스터의 반대편으로 옮겼습니다. 비트라인이 더 이상 커패시터로 둘러싸여 있지 않기 때문에 이는 비트라인 자체에 더 많은 트랜지스터를 연결할 수 있어 칩 밀도가 향상된다는 의미입니다.

면적 밀도 이득을 극대화하기 위해 Lam Research는 몇 가지 최첨단 트랜지스터 제조 기술도 적용했습니다. 여기에는 인텔이 차세대 게이팅 기술을 위해 탐구하고 있는 것으로 보이는 GAA(Gate-All-Around) 포크시트 디자인이 포함됩니다. 그런 다음 Lam 연구에서 제안한 재설계된 DRAM 아키텍처는 NAND와 다르지 않은 프로세스로 새로운 DRAM 셀 디자인의 레이어를 층층이 쌓으면서 쌓을 수 있습니다. 그러나 NAND 스케일링은 현재 약 232 레이어 수준이지만, Lam Research는 자체 설계와 같은 1세대 3D DRAM 설계에서는 최대 28개의 적층 레이어만 활용할 것으로 추정합니다. Lam Research는 아키텍처 개선과 추가 레이어링을 통해 DRAM 밀도의 2노드 점프 향상이 달성될 수 있다고 추정하며, DRAM 스카이스크래퍼에 추가 레이어를 추가하면 추가 개선도 가능합니다. 다른 제조 기술에서 본 것처럼 비아 어레이(TSMC의 TSV를 뒷받침하는 기술)를 사용하여 개별 레이어를 상호 연결합니다. 그러나 Lam Research가 제안한 설계에는 즉각적인 문제가 있습니다. 필요한 기능을 안정적으로 제작할 수 있는 도구입니다. 회사는 DRAM 디자인 자체가 오늘날의 최첨단에 있다는 점을 재빠르게 지적합니다. 도구와 프로세스를 개선하고 재설계하는 것은 일반적인 요구 사항입니다. 그리고 회사가 말했듯이 DRAM 스케일링 벽에 도달하기까지는 아직 시간이 있습니다. 필요한 도구와 전문 지식이 해당 기간 내에 도착할 수 있기를 바랍니다.