DRAM 셀 커패시터, 실린더형과 필러형의 진화

좁은 땅에 물을 많이 저장해야 한다고 생각해 보죠. 바닥 면적은 정해져 있는데 담아야 할 물의 양은 줄일 수가 없습니다.

이럴 때 쓰는 방법이 탱크를 위아래로 길게 세우거나 벽을 접어 표면을 늘리는 것입니다. DRAM 셀 커패시터가 걸어온 길이 바로 이 물탱크의 고민과 꼭 닮아 있죠. 한정된 바닥에서 담을 전하를 지키려고, 커패시터는 점점 하늘로 솟아올랐습니다.

오늘은 이 작은 전하 창고가 평면에서 실린더형과 필러형으로 바뀌어 온 과정을, 그 안에 담긴 이유와 함께 풀어 보겠습니다.

좁은 땅에 깊은 물탱크를 세우는 사정

DRAM의 한 비트는 트랜지스터 하나와 커패시터 하나로 이루어진 1T1C 셀(1 Transistor 1 Capacitor) 구조입니다. 커패시터에 전하가 차 있으면 1, 비어 있으면 0인 식이죠.

이때 커패시터가 담는 전하량은 용량(C)에 비례합니다. 그런데 커패시터의 전하는 가만히 두어도 조금씩 새어 나가고, 읽을 때는 긴 비트라인과 전하를 나눠 가져야 합니다.

그래서 한 셀은 세대가 바뀌어도 대체로 비슷한 수준의 용량을 지켜야 합니다. 흔히 수 fF(펨토패럿) 안팎이 필요하다고 이야기하죠. 물탱크로 치면 “이만큼은 반드시 담아야 한다”는 최소 저수량이 정해져 있는 셈입니다.

DRAM 셀 커패시터가 평면으로는 버티지 못하는 이유

커패시터의 용량은 전극의 마주 보는 면적(A)에 비례하고, 두 전극 사이 거리(d)에 반비례합니다. 유전율까지 넣으면 C는 유전율과 면적에 비례하고 거리에 반비례하죠.

문제는 미세화입니다. 세대가 지날수록 셀 하나가 차지하는 바닥 면적은 계속 줄어듭니다. 담아야 할 용량은 그대로인데 쓸 수 있는 바닥만 좁아지는 것이죠.

초기의 DRAM 셀 커패시터는 평면에 넓게 깐 접시 모양이었습니다. 하지만 바닥이 좁아지자 평면만으로는 필요한 면적을 도저히 확보할 수 없게 되었죠. 넓게 못 펴면 높게 세우는 수밖에 없고, 여기서 입체화가 시작됩니다.

실린더형과 필러형, 표면적을 세우는 두 방식

입체 커패시터는 크게 두 갈래로 나뉩니다. 바닥을 파고 들어가는 트렌치형도 있었지만, 지금의 주류는 셀 위로 쌓아 올리는 적층형이죠.

적층형 중에서도 모양이 갈립니다. 실린더형(Cylinder)은 속이 빈 원통입니다. 벽의 안쪽과 바깥쪽을 모두 전극으로 쓰기 때문에, 같은 바닥에서 표면적을 가장 크게 벌 수 있습니다.

필러형(Pillar)은 속이 꽉 찬 기둥입니다. 바깥면만 전극으로 쓰므로 같은 높이라면 표면적은 실린더형보다 작지만, 속이 차 있어 훨씬 튼튼하죠. 물탱크로 치면 안팎 벽을 다 쓰는 얇은 원통이냐, 바깥만 쓰는 단단한 기둥이냐의 차이입니다.

표면적을 키우는 길과 나란히, 전극 사이 박막을 고유전율(High-k) 물질로 바꾸는 방법도 함께 쓰입니다. 지르코늄 산화막 계열을 아주 얇게 쌓아, 면적을 더 넓히지 않고도 용량을 끌어올리는 것이죠.

높이 올릴수록 커지는 공정의 벽

표면적을 벌려고 커패시터를 높이 세우면, 바닥 지름 대비 높이의 비율인 종횡비(Aspect Ratio)가 극단적으로 커집니다. 가느다란 빨대를 아주 길게 뽑는 셈이죠.

종횡비가 커지면 구조가 옆으로 휘거나 서로 달라붙어 쓰러지기 쉽습니다. 특히 벽이 얇은 실린더형은 이 쓰러짐에 더 취약하죠. 그래서 기둥들을 중간에서 붙잡아 주는 지지대 막을 함께 넣습니다.

깊은 구멍을 반듯하게 파내는 식각과 그 안을 빈틈없이 채우는 증착도 난도가 높습니다. 커패시터는 그저 높이 쌓기만 하면 용량이 늘어난다고 여기기 쉽지만, 실제로는 쓰러짐과 식각 한계가 높이를 가로막습니다. 필러형이 다시 주목받는 것도, 극단적인 종횡비에서 구조를 버티게 하려는 선택이죠.

실린더형과 필러형 커패시터 비교

두 구조는 표면적과 안정성 사이에서 서로 다른 지점을 고릅니다. 아래 표로 성격을 견주어 보죠.

구분	실린더형	필러형
전하 저장면	원통 안팎 양면	기둥 바깥면
단위 면적당 용량	상대적으로 큼	상대적으로 작음
기계적 안정성	벽이 얇아 쓰러짐에 약함	속이 차 튼튼함
극한 종횡비 대응	지지대 보강이 많이 필요	상대적으로 유리
주 특징	면적 효율 중시	구조 안정 중시

핵심 정리

좁은 땅에서 저수량을 지키려 물탱크를 세로로 세우고 벽을 접듯, DRAM 셀 커패시터는 줄어드는 바닥에서 용량을 지키려고 평면에서 실린더형과 필러형으로 솟아올랐습니다.

실린더형은 안팎 양면으로 표면적을 크게 벌고, 필러형은 속이 찬 기둥으로 안정성을 얻습니다. 여기에 고유전율 박막을 더해 면적의 한계를 보완하죠. 용량과 구조 안정 사이의 줄다리기가, 커패시터 모양이 계속 바뀌어 온 진짜 이유입니다.

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