DRAM (Dynamic Random Access Memory)

D램 셀 구조: 1T1C

D램은 1968년 IBM의 로버트 데너드가 ‘1T1C’ 셀 구조를 제안하면서 시작됐다.

단순함이 곧 강력함이었다.

트랜지스터 하나로 셀을 선택하고, 커패시터 하나에 전하를 저장한다.

셀 하나당 부품 수가 적기 때문에 같은 면적에 SRAM(셀 하나에 트랜지스터 6개)보다 훨씬 많이 넣을 수 있다.

대신 커패시터의 전하는 시간이 지나면서 누설로 빠져나가기 때문에, 데이터가 사라지기 전에 ‘다시 써 주는’ 리프레시가 필요하다.

일반적인 D램은 64ms 이내에 모든 셀을 한 번씩 리프레시한다.

읽기·쓰기·리프레시 동작

읽기 동작은 매우 정교하다.

워드라인(WL)을 활성화하면 선택된 행의 모든 셀 트랜지스터가 켜지고, 커패시터의 전하가 비트라인(BL)으로 공유된다.

이 전하는 매우 작아서, 비트라인 전압을 약간만 흔들 뿐이다.

그 미세한 변화를 ‘센스 앰프’가 증폭해 ‘0’ 또는 ‘1’로 판정한다.

읽기 행위 자체가 셀의 전하를 흩뜨리기 때문에, 읽은 직후 다시 같은 값으로 ‘재기록(write-back)’ 한다.

쓰기 동작에서는 비트라인을 원하는 값으로 강하게 구동한 뒤 워드라인을 활성화해 셀 커패시터에 전하를 채우거나 비운다.

D램 미세화의 난제

미세화에 따른 가장 큰 도전은 ‘커패시턴스 유지’다.

셀이 작아지면 커패시터 면적이 줄어드는데, 일정 수준 이상의 전하를 담아야 노이즈에 강하다.

이를 해결하기 위해 D램 커패시터는 평면형에서 트렌치형, 그리고 현재의 실린더(고종횡비) 구조로 진화해 왔다.

최신 1z·1a·1b·1c nm 노드에서는 종횡비가 50:1을 훌쩍 넘는 좁고 깊은 구멍 안에 절연막과 전극을 형성한다.

이 과정에서 ALD(원자층 증착)와 고선택비 식각 기술이 결정적인 역할을 한다.

D램 제품 라인업: DDR, LPDDR, GDDR, HBM

셀 트랜지스터도 진화했다.

초기에는 평면형이었지만, 채널 길이가 줄어들면서 누설이 폭증하자 BCAT(Buried Channel Array Transistor) 같은 매립형 채널 구조가 도입됐다.

채널을 기판 안쪽으로 묻어 게이트 제어력을 강화한 것이다.

워드라인과 비트라인의 저항·기생 커패시턴스도 미세화의 큰 적이다.

그래서 더 낮은 저항을 가진 텅스텐 또는 코발트 기반 배선, 더 얇은 베리어 메탈, 더 정밀한 CMP 평탄화가 필수다.

4F² DRAM 셀 구조 · 이미지 출처: Wikimedia Commons

산업 구조와 시장 사이클

D램 제품군은 ‘셀은 같지만 인터페이스와 패키지가 다른’ 가족이라고 보면 쉽다.

DDR(현재 DDR5)은 PC·서버용으로, 채널당 데이터 폭과 동작 속도를 끌어올린 표준이다.

LPDDR(LPDDR5/5X)은 모바일·AI 엣지용으로, 동작 전압을 낮추고 동적 전력을 줄였다.

GDDR(GDDR6/6X/7)은 GPU용으로, 더 높은 클럭과 PAM4 같은 신호 방식을 도입했다.

HBM(HBM3/3E/4)은 AI 가속기와 HPC용으로, D램을 적층하고 TSV로 수직 연결해 한 번에 1024비트 이상의 폭을 가진다.

같은 D램 다이라도 패키지·I/O 회로가 달라지면서 다른 제품으로 출하된다.

차세대 메모리 후보: MRAM, FeRAM, PCM과의 비교

산업 구조 측면에서 D램은 전형적인 사이클 산업이다.

호황기에는 가격이 급등하고 적극적인 캐파 증설이 이뤄지며, 불황기에는 재고 누적과 가격 급락으로 영업적자가 발생한다.

시장은 사실상 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론의 3강 구조로 90%를 넘는 점유율을 기록한다.

진입 장벽이 매우 높아 신규 사업자가 등장하기 어렵고, 동시에 3사 간 기술 격차도 매우 크지 않은 ‘과점 시장’이다.

최근 HBM의 부상으로 D램 안에서도 부가가치가 다층 구조로 갈라지고 있고, 같은 ‘D램 회사’라도 HBM 비중이 얼마인가에 따라 수익성이 크게 달라진다.

차세대 메모리 후보들은 D램을 직접 대체하기보다 보완하는 위치에 있다.

MRAM(자기저항 메모리)은 비휘발성·고속·고내구성을 갖지만 D램만큼 저렴하지 않고, FeRAM은 일부 응용에서 자리잡았으나 대용량화가 어렵다.

PCM(상변화 메모리)은 인텔의 Optane으로 한 번 상용화됐다가 사업이 종료됐다.

결국 D램은 ‘가격 대비 성능’과 ‘성숙한 공정’이라는 두 강점 덕분에 메인 메모리 자리를 오래 유지하고 있다.