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[강유전체] FRAM (강유전체 메모리) 평가B괜찮아요

미래의 메모리 :FRAM발표자:이인재목 차1. 강유전체 메모리 “FRAM” 2-1. 강유전체 재료 2-2. FRAM의 재료 2-3. FRAM의 원리 2-4. FRAM의 종류 2-5. 타메모리와의 비교 3. 결론1.강유전체 메모리(FRAM)란?Ferroelectric Random Access Memory의 약자로서, 기존의 DRAM과 거의 똑같은 구조와 동작원리를 가진 기억소자. 강유전체 (Ferroelectrics) 라는 재료를 캐퍼시터 재 료로 사용하여 전원이 없이도 Data를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리. 읽기 쓰기가 모두 가능한 비휘발성메모리로 휘발성 메모리인 RAM(random access memory)과 ROM(read only memory)의 두 가지 특성을 다 가지고 있음.2-1. 강유전체 재료1480 938리튬 나이오베이트 리튬 탄탈레이트일리메나이트408 765티탄산바륨(BaTiO3) 티탄산염(PbTiO3)페롭스카이트322황산트리 글리신TGS123 670인산칼륨(KH2PO4) GeTeKDP큐리온도재료명족명Ferroelectric 재료는 자발분극을 가지고 있으며, 외부 전계에 의하여 분극반전을 일으킬 수 있는 물질을 말함. 분극 상태는 전장이 제거된 후에도 유지됨.*강유전체 특성*강유전체 특성피로 열화 특성 잔류 분극-온도 특성2-2.FRAM의 재료Good (Pt electrode)Poor(Pt electrode))Fatigue Property30-5050-70Coercive Field (kV/cm)5-1015-30Pr value (μC/cm2)750-800600-700Process temperature(℃)SBTPZT2-3.FRAM의 기본원리*동작상의 과제 개선방안피로열화가 억제된 강유전체 재료 개발 ☞ SrBiTa2O9 물질 개발 Dummy 셀을 사용하지 않은 방법 ☞ 2T/2C 방식 사용2-4. FRAM의 종류1T/1C 형 MFSFET형(Metal-Ferroelectric semiconductor Field Effect Transistor)*1T/1C 형*MFSFET과 MFMISFET형2-5.타 메모리와 FRAM의 특성비교RandomRandom블록소거RandomRandom엑 세 스101111Standby 전류(㎂)140.521셀 크기가능가능불가능가능가능비트 쓰기불가능1(전지구동)101010데이터보유시간(년)1012이상1012이상1061041012이상쓰기 횟수60ns10ns10㎲100ms100ns쓰기 시간5212122내부쓰기전원(V)DRAMSRAM플래시EFROMFRAM3.결론휘발성 메모리인 RAM(random access memory)과 ROM(read only memory)의 두 가지 특성을 다 가지고 있음. DRAM의 집적도와는 큰 차이가 있으나, DRAM과 거의 같은 구조와 제조공정으로 만들어 지므로 집적도가 향상되는데는 그다지 긴 시간이 걸리지 않을 것으로 예상됨. 차세대 휴대정보통신기기,IC카드 등 다양한 제품의 메모리로서 사용됨.{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2002.01.31| 14페이지| 1,000원| 조회(1,588)

메모리, 강유전체, FRAM

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[강유전체 재료] FRAM의 원리 평가B괜찮아요

*미래의 메모리 : FRAM**목차강유전체 메모리2-1. 강유전체 재료2-2. FRAM 재료2-3. FRAM의 기본원리2-4. FRAM의 종류2-5. 타메모리와의 비교2-6. 박막의 필요성과 방법3. 결론1.강유전체 메모리 (FRAM)이란?우리가 생각하는 이상적인 메모리란 대용량으로 고속동작이 가능하고 비휘발성이어야 한다. 하지만 DRAM은 대용량으로 제작이 가능하고 전기적으로 쓰고 지울 수 있으며 하드디스크처럼 회전기나 헤드부분 등이 필요치 않아 소형화와 전자화에 적합하나 전원을 끊으면 정보가 모두 지워지는 비휘발성의 결점을 갖고 있다. 따라서 저전압에서 고속 Random Access 동작을 할 수 있으면서도 전원을 꺼도 저장 내용이 지워지지 않는 비휘발성 특성을 갖는 메모리가 필요하다.FRAM 이란 Ferroelectric Random Access Memory의 약자로서, 기존의DRAM과 거의 똑같은 구조와 동작원리를 가진 기억소자이다. 강유전체 (Ferroelectrics) 라는 재료를 캐퍼시터 재료로 사용하여 전원이 없이도 Data를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리이며, 읽기 쓰기가 모두 가능한 메모리로 휘발성 메모리인 RAM(random access memory)과 ROM(read only memory)의 두 가지 특성을 다 가지고 있음.2-1. 강유전체 재료강유전체는 오래전부터 알려진 재료로서 공업적으로는 전기.전자회로의 주요소자인 이용되어 왔고, 최근 반도체 산업 분야에서도 강유전체가 갖는 특성을 메모리 동작에 응용하고 있다.강유전체란 자발적으로 전기분극을 가지고 있으며 그 자발분극의 방향을 외부전장을 인가하여 반전할 수 있는 물질이다.그림 SEQ 그림 * ARABIC 1. Perovskite 결정구조*강유전체 특성강유전체의 전기적 특성을 살펴보면, 강유전체 캐패시터의 전극간에 인가한 전압을 높여서 양단의 전계를 증가시키면 양 이온과 음 이온의 상대적 변위가 증가되어 분극량이 증가한다.반대로 전계를 감소시키면 분극량도 감소한다. 전계를 “+방향”가면 분극량도 증가한다.다음 전계를 계속하여 증가시키더라도 분극량이 거의 증가하지 않는다. 이를 포화분극치(P max)라 한다. 다시 전계를 영점까지 낮추더라도 분극량이 영점으로 낮아지지 않고 어떤 유한한 분극량 값을 갖게 된다(Pr).이어서 전계를 “-방향”으로 인가하면 포화분극치 (–P max)를 통과하고, 인가된 음의 전계를 없애면 잔류분극치(-Pr)에 도달한다.즉 인가전계를 0으로 한 경우,어떤 전압도 인가하지 않은 경우에도 유한의 분극량을 갖는 이력 특성은 강유전체의 중요한 특성이다.그림 SEQ 그림 * ARABIC 2.강유전체 히스테리시스 특성전계를 양음 교대로 인가하기를 계속하면 분극치는 이력곡선상의 Pmax 와 –Pmax 점을 계속 이동한다.전계의 인가 횟수가 작을 경우에는 잔류분극치 Pr은 변하지 않으나 회수가 증가하면 Pr은 감소하여 결국에는 분극반전이 일어나지 않는다.전계인가 횟수의 증가와 더불어 잔류분극치가 감소하는 현상을 피로 특성(Fatigue)이라 한다.그림 3. 피로열화 특성*최근 연구에 의하면 SBT라는 물질은 전압인가 횟수가 1012 회 이상에서도 피로가 관찰되지 않았다.강유전체 재료의 결정온도를 상승시켜 나가면 강유전체의 특유의 이력특성은 소멸되어 일반적 절연체와 같이 전계와 분극의 관계는 보통의 선형성을 나타내며 상유전성으로 변하는데,이 변화를 상전이(Phase Transition)라고 한다.그림 4. 잔류 분극-온도특성즉 온도상승과 더불어 잔류분극치는 감소하여 큐리온도(Tc)라 부르는 임계온도에서 잔류분극이 소멸한다.2-2. FRAM 재료PZT의 경우 공정온도가 약 650℃로 상대적으로 낮고, 잔류분극이 큰 반면, 분극 반전을 반복할 경우 심각하게 도출되는 박막의 피로 현상과 환경적인 차원에서 납(Pb)을 함유하고 있다는 것이 심각한 단점이다.SBT의 경우는 금속(Pt) 전극을 사용하여 1012회 이상의 분극 반전을 거듭하여도 피로현상이 나타나지 않고 또한 이력곡선의 특정방향 선호(imprint) 현상이 없다는 것이 장점이 물질을 결정화 시키기 위해서는 800℃이상의 열처리가 필요하다는 것이 문제점으로 지적되고 있다표 1. FRAM 재료 비교PZTSBTProcess temperature(℃)600-700750-800Pr value (μC/cm2)15-305-10Coercive Field (kV/cm)50-7030-50Fatigue PropertyPoor (Pt electrode)Good (Pt electrode)-강유전체에 필요한 요구 사항반전 전하량이 클 것signal/noise비를 크게하기 위해 비유전율이 작을 것분극피로에 강함분극반전속도가 빨라야 함데이터 보유특성이 길어야 함2-3. FRAM의 기본원리FRAM은 간단히 말해 DRAM cell 캐패시터의 유전체를 강유전체 박막으로 대치하여 기억기능을 갖게한것이다.강유전체 특성인 한번 반전되면 그 형태가 그대로 기억되는 자발분극 현상과 이력특성을 이용하여 분극점을 1,0 에 대응시켜 메모리를 구성한다.*데이터의 읽기 쓰기 방법기억정보 “1”을 쓸때는 전압을 플러스로 하여 b점을 통과 시킨후 인가전압을 0으로 되돌리면 잔류분극 c점으로 기억된다. “0”을 쓸때는 전압을 마이너스로 인가하고 이력곡선상의 d 점을 통과후 전압을 없애면 분극치가 잔류분극 a점으로 되어 기억정보 “0”이 기억된다.그림 4.이력특성기억정보의 읽어내기는 비트선상으로 흘러나가는 전하량을 검출하는 것으로 즉,전하량의 크기 차이에 의한 전위차이가 생기게 된다.V1=ΔQ1 /(Cb+Cs) Cb:비트선 캐패시터용량V0=ΔQ0 /(Cb+Cs) Cs:강유전체 캐패시터용량V1-V0=(ΔQ1-ΔQ0) /(Cb+Cs)= 2Qr /(Cb+Cs)비트선이 V1과 V0를 판정하기 위해서는 각각의 전위크기를 비교하면 된다.이때 비교용의 전위를 기준전위(Vref)라 한다.Vref = (V1+V0) /2Vref 발생방법으로 “dummy”1) 셀 방식을 사용한다.*동작상의 과제1 개의 비트선에 접속시킨 메모리 셀 수는 통상 128~512개이다. 이 이상의 메모리 셀을 접속하지 않는 것은와 비트선 길이가 길어져 비트선 용량 증가로 동작속도 저하된다.또한 다수개의 메모리 셀에 대하여 1개의 dummy셀 밖에 접속되어 있지 않기 때문에 바꾸어 쓰기 횟수가 많은 dummy 셀 중의 강유전체 재료가 피로 열화하여 정확한 기준전압을 발생할 수 없다.워드선1 워드선2 워드선n dummy워드선비트선cell 1 cell 2 cell n 비트선 REF차동증폭기dummy cell그림 5. 메모리 셀 배치*개선방법피로열화가 억제된 강유전체 재료 개발☞ SrBi2Ta2O9 인 Y1계 물질 개발dummy 셀을 사용하지 않은 방법☞ 2T/2C 방식.2T/2C셀 방식은 1개의 메모리 셀을 2개의 트랜지스터와 2개의 강유전체 강유전체 캐패시터로 구성하는 방법이다.하지만 2T/2C 방식은 1T/1C방식에 비해 면적이 두배가 되는 단점이 있다.2-4. FRAM의 종류*FRAM 의 종류1T/1C 형MFSFET 형-1T/1C형DRAM 메모리 셀 구조와 거의 동일하다. 강유전체 캐패시터와 트랜지스터가 워드선,플레이트선에 접속되어 있고 DRAM 과의 차이는 캐패시터가 강유전체 박막을 갖는 점과 강유전체 캐패시터의 plate 전극이 셀마다 전압인가가 가능한 개별 플레이트구조로 되어있다.그림 6. 1T/1C 메모리 셀-MFSFET 형MOSFET 의 게이트 절연막을 실리콘 산화막으로부터 강유전체 막으로 치환한 구조이다.Source, Drain, Gate 사이에 전압을 인가하여 Gate전압을 조금씩 인가하면 이 전압에의해 Source , Drain 사이에 전류가 흐르기 시작한다. 이 Gate 전압을 문턱전압이라 한다.MOSFET 의 경우 문턱전압이 Gate전압의 인가방향에 의해서 변하지 않지만 MFSFET의 경우 강유전체막의 분극상태가 문턱전압을 변화시켜 Drain 전류의 크기를 변화시킨다. 이 전류의 변화를 기억정보로 이용한다.그림 7. MFSFET 형특징은 1T/1C셀보다 작게할 수 있는것과 정보를 읽어내는 순간 써놓았던 정보를 파괴하지 않고서 읽어내는 점이다. 하지만 이 구조는 Si체막이 직접 접촉하기 때문에 실리콘기판 표면에서의 트랩준위 제어가 가능하지 않아 트랜지스터의 안정된 동작에 어려움이 예상된다.→ MFMISFET 형 제안2-5. 타메모리와의 비교이상적인 메모리의 조건은 쓰기,소거가 고속으로 행해지고 기억이 비휘발성으로, 쓰기횟수의 제한이 없고 고밀도의 집적이 가능하며 소비전력이 적은 메모리이다.이러한 조건과 더불어 타메모리와 비교한 FRAM 은쓰기 전압이 낮다.고속 쓰기 가능하다.쓰기 횟수가 크다.비트 쓰기가 가능하다.저 소비전력이다.Random acess가 가능하다.DRAM과 호환성이 높다.표 2. 타메모리와 FRAM 비교2-6. 박막의 필요성과 방법기존의 강유전체는 전자소재로 이용 할 경우에는 상자성을 이용하여 캐패시터 소자였었다. 이것은 강유전체가 단결정과 다결정의 덩어리 형태로 이용되어 왔던 것이다. 그러나 반도체 소자를 이요하고자 하는 경우에는 박막형의 강유전체가 요구되고 있다.최소의 반도체 칩 면적에 최대한의 캐패시터 소자를 제작하기 위해서는 면적과 두께를 작게 해야 하기 때문이다.*박막의 제조법유기 용제중에 소정의 강유전체 재료의 성분이 되는 원소를 용해하여 그것을 도포한 후 소성하여 결정화 시키는 졸-겔 법.스퍼터링 법에 의한 물리적 박막 형성 방법.성분원소를 기화하고 기상으로 반응시켜 결정하는 CVD법.☞ 현재에는 주로 졸-겔법을 이용한 막 형성 방법을 주로 이용하고 있음.3.결론꿈의 반도체라 불릴정도로 많은 장점을 가지며 무한한 가능성을 지닌 FRAM은 차세대 휴대정보통신기기 의 메모리로서 급속하게 부상하고 있다.DRAM수준의 고속성을 가지면서도 Hard disk와 같은 비휘발성을 겸비하고 있는 장점을 가지고 있다. 현재 FRAM의 집적도는 256kb 수준으로 아직 DRAM의 집적도와는 큰 차이가 있으나, DRAM과 거의 같은 구조와제조공정으로 만들어 지므로 집적도가 향상 되는데는 그다지 긴 시간이 걸리지 않을 것으로 예상된다향후 2005년 이후 연간 150억불 이상의 시장을 형성할 수 있는 고부가가치 산업으

공학/기술| 2002.01.30| 11페이지| 1,000원| 조회(1,724)

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