반도체 기초 지식 - 정의, 종류(Dram vs Flash), DDR5
1.반도체란?
특별한 조건하에서만 전기가 통하는 물질 즉,도체와 부도체의 성질을 모두 가지고 있는 물질
도체는 전자 즉 전기가 잘통하는 물질(구리등) 이며 부도체는 전기가 통하지 않는 물질(절연체)을 말한다
우리가 알아볼것은 반도체 즉 원소기호상으로 SI(규소),GE(게르마늄)에 대해서 알아보자
상기내용에서 가장중요한 부분은 전기전도성즉 도체상태와 부도체 상태를 불순물에 의해 결정을 지으며
이것으로 인하여 반도체의 가장 기초 소자이며 특징을 나타내는 다이오드(스위치) 역활을 하는것이다
가정에서 흔히 볼수있는 스위치를 생각하면 될것같다
이러한 반도체 소자의 특성을 이용하여 아주작은 단위의 스위치를 만드는데 가장 많이 사용되는것이 SI(실리콘)
이다 실리콘이 사용되는 이유는 원재료를 얻기 쉬우며 가격이 싸다
반도체의 기초에 대한부분은 너무 방대하기에 더 깊에 알고 싶다면 자료를 찾아보는것을 추천드린다
그렇다면 반도체는 무엇으로 나뉘는가를 알아보자
반도체는 메모리 반도체와 비메모리 반도체 2가지로 나뉜다
메모리 반도체 즉 정보의 저장을 목적으로 하는 반도체이며 SK 하이닉스,삼성전자,마이크론이 전세계 메모리 반도체시장의 95프로 이상을 차지하고 있다
비메모리 반도체 즉 정보 저장의 목적이 아닌 반도체이며 CPU,GPU,CIS,광센서,MCU등에 사용되는 반도체이다
우리나라는 메모리 반도체 강자이기에 메모리 반도체에 대해서 알아보자
메모리 반도체 말그대로 정보의 저장을 담당하는 반도체로
휘발성 메모리(DRAM) 와 비휘발성 메모리(NAND)로 나뉜다
2가지의 차이점은 속도와 저장의 형태이다
휘발성 메모리 즉 디램은 정보의 임시저장을 담당하며 비휘발성 메모리는 영구적 저장을 담당하며
속도는 디램이 빠르며 낸드는 디램보다 느리다 (약 1000배의 차이점을 보임)
디램과 낸드가 존재하는 이유는 PC상에서 프로그램을 실행하거나 작업을 진행할시 임시저장을 담당하는 디램에서 낸드로의 이동간 또는 낸드에서 데이터를 디램으로의 이동간에 속도차이가 있기에 원활한 작업을 위하여
각각 존재한다고 생각하면 편할것 같다
반도체에서 메모리와 비메모리의 비중은 상기 붉은색으로 표시된 비율을 확인하면 된다
메모리 시장이 20~30프로정도를 차지하고 있으며 국내반도체업체는 메모리시장의 강점을 가져가고 있다
디램과 낸드의 역활에 대해서는 상기그림이 가장 이해하기 쉬울것이다
CPU와 저장장치인 낸드의 상대속도의 차이를 디램이 보조를 맞춰주는 그런구조이다
2.디램과 낸드 반도체의 구조
캐패시터 구조
DARAM 의 저장원리는 게이트에 전압을 걸어 소스와 드레인간에 도체가 형성되면 (소스나 드레인에 위치한 캐패시터)드레인에 전압을 인가 드레인에서 소스쪽으로 전자가 이동되며 캐패시터에 전자가 저장되면서 정보기록
반대로 정보를 가져오기위해서는 게이트의 전압을 차단 캐패시터에 있던 전자가 방전되면서 읽힌 전하값을 리딩
SEMi뀨의 반도체 이야기 참조
그렇다면 디램과 낸드 발전방향에 대해서 알아보자
디램의 변화로는 DDR4에서 DDR5로의 변화가 가장크다(동작 전압이 낮아짐에 따라 소비전력의 감소)
이에따라 미세화 공정(물질/소재의 변화)이 중요하게 되는데 디램에서는 캐패시터의 역활이 중요하기에 캐패시터 용량을 올리기 위해서 표면적을 키우거나[높게쌓는 에칭(식각)과 증착(박막)공정] 전극 사이에 간극을 좁히는 방법이 있는데 (하드웨어적으로 줄이는것은 한계가 있음)전기적으로 간극을 좁히기위해서는 점점 얇게 만들어야되는데 어느한계이상에서는 전극간격사이에 터널링현상이 발생(전자가 부도체사이를 뚫고가는현상 <5nm)되기 때문에 기존에 사용하던 부도체(SIO2:이산화규소)를 HIGH-K 물질로 바꿔줘야된다
하지만 여기서 HIGH-K물질의 단점이 존재한다 문제는 특정 물질(HIGH-K)이 캐패시터의 전자 흐름을 방해하거나 하여 오히려 누설전류가 발생하여 캐패시터 성능이 오히려 저하되는 현상이 발생한다 그문제를 해소하기위해 한가지 물질이 아닌 여러가지의 물질을 겹겹히 사용한다
(각각의 물질을 쌓아주는 전용장비가 있다 -주성엔지니어링,유진테크,원익IPS)
효창비앤비님 블로그 참조
낸드의 가장 중요한 부분은 높게 쌓고 고단화로 가는 것이며 이부분에 있어서는 반도체 전반적인 변화이기에 고단화에 따른 식각(에칭) 공정 기술력이 매우 중요하며 삼성전자의 경우 1STACK 에서 2STACK 으로의 변화가 생기는
이부분을 확인하면 될것같다
효창비앤비님 블로그 참조
zro2:산화지르코늄 hfo2 : 산화하프늄