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이전국 재료연구부 한국과학기술연구원 2005년 8월 12일
차세대 반도체 기술 동향 및 기술혁신 전략 이전국 재료연구부 한국과학기술연구원 2005년 8월 12일
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발표 순서 차세대 반도체 기술의 현황/특징 국내외 산학연 기술개발 동향 우리나라의 차세대 반도체 기술혁신 전략 결어
기술 계통/분야 메모리 반도체와 다른 점 국내외 산학연 기술개발 동향 해외 동향 국내 산학연 기술 개발 동향 우리나라의 차세대 반도체 기술혁신 전략 기술 개발/혁신의 올바른 방향 과거 DRAM 반도체와 다른 기술혁신 전략 바람직한 기술 혁신 방향(개선점) 결어
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Total MOS Memory……(현재 상품 단계)
Volatile Non-Volatile Read Only Memory (ROM) Programmable ROM Mask EPROM EEPROM FALSH NVRAM Random Access Memory (RAM) Dynamic RAM Static RAM Magneto electronics Lab Kwangwoon University
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NVM Classifications (현재 => 미래)
ROM : Read Only Memory EPROM : (UV) Erasable Programmable ROM EEPROM : Electrically Erasable Programmable ROM FLASH : Flash Erase EEPROM (Single, Multilevel) FERRO-ELECTRIC MEMORY , MRAM, PRAM, NFGM, RRAM, PoRAM, ( Spin FET, SET, CNT etc. ) Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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반도체 종류별 기본 동작원리 ㅇ D램, 플래시 메모리 : 전하(charge) 존재 여부에 따라 정보를 저장
ㅇ F램 : 강유전체 박막의 분극현상을 이용해 정보를 저장 ㅇ M램 : 강자성체 자화상태에 따른 박막의 저항 변화를 이용하여 정보를 저장 ㅇ P램 : 온도에 따라 결정구조가 변하는 상변화 물질의 저항 특성을 이용하여 정보를 저장
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DRAM
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DRAM
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DRAM
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DRAM DRAM 집적도
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Flash Memory Application
Mass Storage Memory Cards (mobile computers) Solid-State Disk (rugged & reliable storage) Digital Camera (still & moving pictures) Voice/Audio Recorder (near CD quality) Embedded Memory Networking (router/hub) Telecommunications (switcher) Cellular Phone (code & data) POS / PDA / PCA (code & data) Fast Random Access High Data Integrity FRAM, embedding Low Cost and power Good P/E Cycling Endurance flash memory, High Density Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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Hot Electrion Injection vs. Fowler-Nordheim Tunneling
Flash Memory Hot Electrion Injection vs. Fowler-Nordheim Tunneling Hot Electron Injection Fowler-Nordheim Tunneling Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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H.V. Requirements in Flash Memory
For Program or Erase Operation (NOR Flash) Program(CHE) No.of Bits ON OFF Vth(V) 1 3 6 8 Erase(FN Tunneling) No.of Bits ON OFF Vth(V) 1 3 6 8 Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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Flash Memory Read Operation Basic Cell Bias Condition Threshold Voltage Distribution ON-Cell Vwordline OFF-Cell Vowrdline (3, 4.5, 7) Vbitline (~1.0V) 1V 3V 4.5V 7V 8.5V W/L (Erase Verify) W/L (Program Verify) Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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NVM Cell Structure EPROM Cell Structure (UV Erasable Programmable ROM)
Flash Memory NVM Cell Structure EPROM Cell Structure (UV Erasable Programmable ROM) Single TR NMOS Floating Gate Device FAMOS (Floating Gate Avalanche Injection MOS) Program : Hot-Electron Injection Erase : UV Light Program in factory => product. (NFGM) Nano Floating Gate Memory Nano dots Nano FG Control Gate Floating Gate Poly/Poly Dielectric Gate Oxide N N+ P-Substrate Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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Flash Memory NVM Cell Structure EEPROM Cell Structure (Electrically Erasable Programmable ROM) Two Transistor Cell with FLOTOX (Floating Gate Tunnel Oxide) Program, Erase : Fowler-Nordheim(FN) Tunneling F-N Tunneling : Slower Than Hot-Electron Injection Less Current Than Hot-Electron Injection Select Tr. Control Gate Floating Gate Tunnel Oxide N N N+ P-Substrate Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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NVM Cell Structure NOR-Type Flash Cell Structure P-Substrate
Flash Memory NVM Cell Structure NOR-Type Flash Cell Structure One Transistor NMOS Floating Gate Device ETOX (EPROM Tunnel Oxide) Program : Hot-Electron Erase : F-N Tunneling Control Gate Floating Gate Poly/Poly Dielectric Tunnel Oxide P-Substrate N N+ Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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NVM Cell Structure NAND-Type Flash Cell Structure P-Substrate
Flash Memory NVM Cell Structure NAND-Type Flash Cell Structure One Transistor NMOS Floating Gate Device Program : F-N Tunneling Erase : F-N Tunneling Control Gate Floating Gate N+ P-Substrate Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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Features of NAND- and NOR-type EEPROM’s
Flash Memory Features of NAND- and NOR-type EEPROM’s Merits of NAND Merits of NOR Demerits of NAND Demerits of NOR - Applications - ①High speed programming ②High speed erasing ③Small block size ①High speed random access ②Byte programming ①Slow random access ②Byte programming can not be performed ①Slow programming ②Slow speed erasing Suitable for replacement of EPROM Suitable for control memory (BIOS,Cellular,HDD,etc) Suitable for Data memory (Handy terminal,Voice recorder,DSC,Fax modem,etc) 삼성, 하이닉스 생산 Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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NVM Cell Type별 Comparison
Flash Memory NVM Cell Type별 Comparison 5V/12V 1 Tr. ~ 103 Hot-Elec. UV-Light 10us/Byte 32min/Chip 5V 2 Tr. ~ 105 F-N 5ms/Byte 10ms/Chip 5V, 3.3V 1s/64kByte ~ 106 300us/512Byte 5ms/16kByte Vcc Cell P/E Cycling Program Erase PGM Speed Erase Speed EPROM EEPROM NOR Flash NAND Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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Flash Memory Future Flash Memory Hand-held Application
Single + Low Power Supply Power Supply Voltage Trend 6 5 To Meet This Requirement, Key Limiting Factor is H.V. Generation at Lower Power Supply Voltage 4 Vcc[V] 3 2 (ISSCC, VLSI) 1 90 92 94 96 98 Year Y.T.Lee, Samsung Electronics. 발표자료 참조
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차세대 반도체기술 동향 (NVM, 산업화 단계 진입.) Embedded Terabit 급 MRAM DRAM EEPROM
SRAM FRAM Cell Structure 1TR+1TMR 1TR+1Cap 1TR 6(4)TR Density High Low Non-Volatility ○ X Speed(R/W) 10~50ns 50ns 20~110ns 10ns 100~130ns No.Rewrite 1015 105 1012 Power 10~400mW 400mW 100mW 1100mW 2mW Power dissipation Small Large Very small Application Main memory Flash memory Cache memory IC card Embedded Terabit 급 Magneto electronics Lab Kwangwoon University
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반도체 종류별 기본 동작원리 ㅇ D램, 플래시 메모리 : 전하(charge) 존재 여부에 따라 정보를 저장
ㅇ F램 : 강유전체 박막의 분극 현상을 이용해 정보를 저장 ㅇ M램 : 강자성체 자화 상태에 따른 박막의 저항 변화를 이용하여 정보를 저장 ㅇ P램 : 온도에 따라 결정구조가 변하는 상변화 물질의 저항 특성을 이용하여 정보를 저장
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Ferroelectric RAM Oxide FRAM : PbZrTiO3 , SrBiTaO9 Polymer Polymer RAM
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Ferroelectric Memory
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Ferroelectric Memory
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Storage element smaller than MOSFET
Magnetic RAM Storage element smaller than MOSFET - 메모리 반도체(DRAM)와 다른 점 DRAM TMR MRAM Magneto electronics Lab Kwangwoon University
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Basic structure of MRAM……
Magnetic RAM Basic structure of MRAM…… MTJ (Magnetic Tunnel Junction) Current Free layer Word line Insulating Barrier Pinned layer(FM) Read line Pinning layer(AFM) Parallel moments Low resistance Anti parallel moments High resistance Magneto electronics Lab Kwangwoon University
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Operating system of MRAM……
Magnetic RAM Operating system of MRAM…… State : 0 State : 1 (a) Magnetic field Magnetic reversal Writing with Magnetic field & Reading with Voltage Current X Y (b) Current Current Voltage V0 Voltage V1(>V0) Magneto electronics Lab Kwangwoon University
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(a) Only the element at the intersection is rewritten
Magnetic RAM Bit cell…..! (a) Only the element at the intersection is rewritten Word Line Current Bit Line Y Current X (b) View from above Sum of magnetic field Y Current X Current Reversal of magnetization Current Field generated by Current in Y direction Orientation unchanged Magneto electronics Lab Kwangwoon University
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Magnetic RAM MTJ
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Magnetic RAM 1T 1MTJ MRAM
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Physical Cross Section
Magnetic RAM Physical Cross Section
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Magnetic RAM Memory 특성 비교
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Resistive RAM 차세대 비휘발성 메모리 Intel web site
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Resistive RAM Phase Change Memory Chalcogenide (GeSe..)
Thermally induced phase change => Resistive change (Logic states) Thermal Isolation : High density cells Resistive Switching Memory NiO, Cr doped SrZrO3, PrCaMnO. Filaments, Forming (?) => Resistive change (Logic states)
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Resistive RAM
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기존 국내외 연구 개발 현황 – Perovskite oxides
Resistive RAM 기존 국내외 연구 개발 현황 – Perovskite oxides Pr0.7Ca0.3MnO3 • B-site substitution by Al3+, Fe3+, Mn3+, Cr3+ decrease in the leakage current Cr-STO ,Cr-SZO,..
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Resistive RAM 저항 변화 메모리 (RRAM)
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Resistive RAM 저항 변화 메모리 (RRAM)
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Resistive RAM 저항 변화 메모리 (RRAM)
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비휘발성 메모리 소자 종합 비교 4~6 ? 6 7~11 50~80 6~12 Cell size(F2) ?1015 1012 ∞ Endurance Litho. Current T-Ox/HV 6T Capacitor Scalability limits Yes No Multi-bit storage Low Medium High Program energy 20ns 30ns 50ns 8ns Read time 10ns- <10ns 10ns -30ns <50ns 30ns- 1us- 1~100ms 8ns-8ns 50ns- Write-Erase time Program voltage Program power Non-volatility ReRAM PoRAM NFGM PRAM MRAM Flash SRAM DRAM Function 기존 플래시 메모리 소자는 10 ~ 15 V 고전압을 사용한 Write/Erase 동작으로 인해 집적도 16Gb, 읽는 속도 8㎲, 저장속도 1㎳ 가 한계임 (신뢰성 문제 유발) 초고속화 (수십nsec이하), 고집적도(1Terr bit이상), 고신뢰성 (W/E cycle 106 이상) 및 저 전압동작에 적합한 2010년 이후 상용화될 차세대 ReRAM 소자 개발이 절실히 필요함
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비휘발성 메모리 소자 특성비교 ReRAM의 소자구조는 1T+1R형이 제시되고 있음
> 1 year <10ns 4F2 ~0.008 µm2[I] 45nm 1R >2010 Bistable Switch PoRAM >1E3 >1E6 >1E13 >1E5 Infinite E/W Cycles >1 year >10 years 10-20 years 64ms Retention Time 50ns/ <100ns 10ns <100ns 1us/1ms 50ns Write/Erase Time 6F2 0.025 µm2[C] 4 to 10F2 0.04 µm2 ~6F2 0.06 µm2 12.5F2 0.101 µm2 8F2 0.065 µm2 Cell Size 65nm 80nm 100nm 90nm F Value 1T1R 1T 1T1C Cell Elements ~2010 >2006 ~2006 2004 Availability MIM Engineered tunnel barrier or nanocrystal OUM NOR Flash DRAM Device Types ReRAM NFGM PRAM Baseline 2004 Technologies Storage Mechanism ReRAM의 소자구조는 1T+1R형이 제시되고 있음 PoRAM의 시장 출시는 2010년 이후로 ITRS(2003)는 예견하고 있음 F: min. feature size, Half metal pitch
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Spin FET structure (i) spin injection: very low efficiency (~1%)
Spintronics Spin FET structure (i) spin injection: very low efficiency (~1%) (ii) spin transport (iii) control / manipulation for desired functionality (iv) detection of spin-polarized carriers Spin FET: Theoretical ideas proposed by Datta and Das [APL56, 665 (1990)] The effective electric field can alter the spin precession by applying Vg to control.
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발표 순서 차세대 반도체 기술의 현황/특징 국내외 산학연 기술개발 동향 우리나라의 차세대 반도체 기술혁신 전략 결어
기술 계통/분야 메모리 반도체와 다른 점 국내외 산학연 기술개발 동향 해외 동향 국내 산학연 기술 개발 동향 우리나라의 차세대 반도체 기술혁신 전략 기술 개발/혁신의 올바른 방향 과거 DRAM 반도체와 다른 기술혁신 전략 바람직한 기술 혁신 방향(개선점) 결어
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국내 사업 분석 ◇감소하는 D램 수익성 낸드 플래시로 커버
- 같은 기간 마이크론(-12%)·인피니언(-19%)·엘피다(-5%)·난야(-13%) 등은 나란히 적자를 기록했다. - 김수겸 IDC 이사는 “삼성전자·하이닉스가 메모리반도체에서 고수익을 올릴 수 있는 것은 D램과 플래시메모리를 동시에 갖고 있기 때문”이라며 “D램과 낸드 플래시메모리 간 라인 할당을 통해 생산량을 유동적으로 조정할 수 있다는 것이 아직 D램에만 의존하는 인피니언·마이크론과의 차별점”이라고 설명했다. - 실제로 이 기간 하이닉스는 영업이익의 50%를 낸드 플래시에서 거뒀고, 낸드 플래시 시장을 주도하고 있는 삼성전자는 그 이상의 성과를 올린 것으로 분석된다. (전자신문 ) 삼성전자, 256M P램 기술 개발 [한국경제 ] 삼성전자가 최근 대용량 256Mb P램(상변화 메모리)을 실현할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 밝혔습니다.
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연구 동향 ㅇ 특허청 조사결과에 따르면, 차세대반도체 중 M램의 경우 지난 ‘97년부터
2001년까지 5년간 연평균 67%의 출원증가세를 보이고 있으며, P램은 58%, F램은 18%의 증가세를 보이고 있는 것으로 파악됐다. - 다만, ‘99년부터 3년간 연평균 증가율에 있어서는 P램(105%), M램(74%), F램(10%)의 순으로서 P램의 증가율이 M램을 앞지르는 추세에 있으나, ‘02년도에는 다시 M램의 비중이 높아진 것으로 나타나고 있다.
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차세대반도체분야의 미국 내 최근 특허등록 현황 (종류별)
출원년도 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 F램 건수 94 111 134 188 192 218 251 135 증가율 36.2% 18.1% 20.7% 40.3% 2.1% 13.5% 15.1% - M램 9 17 31 40 46 89 190 141 350.0% 88.9% 82.4% 29.0% 15.0% 93.5% 113.5% P램 12 13 19 6 30 50 20 8.3% 46.2% -68.4% 116.7% 130.8% 66.7% ※ 2002년도 출원은 심사가 종결되지 않은 건들이 많기 때문에 증가율 통계에서 제외
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주요 메모리 소자의 특허 출원 건수 변화
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연구 동향 ㅇ 한편, ‘95년도 이후 출원된 미국 특허 중 차세대반도체 분야 기업별
출원건수 점유율은 한국의 하이닉스 반도체가 6.07%를 차지하여, 마이크론(11.6%), 인피니온(6.12%)에 이어 3위를 기록하고 있으며, 삼성전자의 경우 4.57%로서 6위를 차지하고 있는 것으로 나타났다. - 그러나 삼성, 마이크론 등의 경우 95년도부터 본격적으로 특허출원을 해온데 비하여 하이닉스의 경우에는 98년부터 본격적인 출원을 한 것으로 파악되고 있다.
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연구 동향 - 현재 F램은 현재 256KB급 칩의 양산 및 1MB급 시험생산 단계이며,
- P램은 최근 들어 급격한 기술발달을 이뤄 수년 안에 양산될 것으로 보고 있고, - M램의 경우 양산이 임박했다고는 하나 가격과 기술면에서 아직 사업화에 어려움이 많다는 견해도 있는 상황이고 - 반도체분야의 리딩 기업들이 차세대반도체의 주력을 어느 쪽으로 선택 하느냐가 초미의 관심이기 때문에 이러한 기업들의 특허 동향을 살펴 본다는 것은 앞으로의 시장방향을 읽는데 큰 도움이 될 것이다.
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Infineon Technologies
차세대반도체 미국 내 특허등록 기업체 별 현황 (1995~2003) 순위 기업체 등록건수 1 Micron Technology 239 6 Samsung 94 2 Infineon Technologies 126 Sharp 3 Hynix 125 8 Toshiba 90 4 Motorola 119 9 Symetrix 72 5 Hewlett Packard 101 10 Ramtron 67
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발표 순서 차세대 반도체 기술의 현황/특징 국내외 산학연 기술개발 동향 우리나라의 차세대 반도체 기술혁신 전략 결어
기술 계통/분야 메모리 반도체와 다른 점 국내외 산학연 기술개발 동향 해외 동향 국내 산학연 기술 개발 동향 우리나라의 차세대 반도체 기술혁신 전략 기술 개발/혁신의 올바른 방향 과거 DRAM 반도체와 다른 기술혁신 전략 바람직한 기술 혁신 방향(개선점) 결어
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차세대 반도체 기술 분석 - 차세대반도체라 함은 기존 D램과 플래시메모리의 뒤를 이을 신 개념의 반도체 소자로서
반도체 소자로서 - F램(Ferroelectric Random Access Memory), M램 (Magnetic RAM), P램(Phase Change RAM) 등을 의미하며, - 이들 소자들은 D램이 가진 고속ㆍ고집적도 장점과 플래시메모리의 비휘발성 장점을 모두 갖춰 장차 모든 종류 메모리를 대체할 것으로 예상되기 때문에 - 각 기업은 시장선점을 위해 치열한 기술개발경쟁을 벌이고 있는 상황이다.
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국내외 기술 개발 현황 2005 2010 2015 산업화 예상 시기 System 2010 사업
( 반도체 연구조합, 산자부, 과기부..) Nanoelectronics ( 나노 연구 조합, 기업..) 국내 Spintronics ( 출연연) Terabit 급 나노소자 사업 (MRAM, SET) ( 과기부, 21세기 Frontier 사업,) 차세대 비휘발성 메모리 사업 (PRAM, NFGM, RRAM, PoRAM) ( 과기부 -> 산자부 차세대 성장동력) 해외
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4Gb ReRAM용 신재료 및 고집적 공정 원천 기술 개발
RRAM, 연구 개발 추진 체계 광주과학기술원 4Gb ReRAM용 신재료 및 고집적 공정 원천 기술 개발 서울대) ReRAM 소자용 재료의 저항변화 현상 연구 및 소자 적용 공정 연구 한양대 새로운 oxide 소재 및 신 구조 원천 기술 연구 KIST 금속 도핑 페로브스카이트계 저항변화 신 물질 탐색 연구 광주과기원 Cell array 집적공정 및 설계 기술 개발 KBSI 나노 분석 기술 개발 신물질 (Binary-oxide, Epi-oxide)저항체 박막 원천 기술 개발 나노패터닝용 마스크 및 공정 연구 Inductively coupled sputtering process 및 물성연구 다층박막 개발 및 계면처리 효과 연구 저항 변화 현상 기초 연구 및 원인 규명 PMC(Ag/GeSe 또는 Ag/ GeS)용 소재 원천물성 연구 Chalcogenide 소재 특성 정립 전극물질인 Ru의 Plasma Enhanced ALD 공정 연구 금속 도핑된 perovskite 박막재료에서의 resistance Switching 현상 규명 Perovskite 소재 변화에 따른 저항-전류 특성 측정 CMR(PCMO,(La,Sr,Nd)MnO3 물질 저항변화 물질탐색 ReRAM 건식 식각 공정 연구 ReRAM용 박막재료의 개발과 열적 안정성 1T/1R 단위 소자 ReRAM 특성 확보 45nm급 cell TR의 단위/집적 공정 45nm급 cell array 회로 설계 기술 개발 나노 물성 평가 고분해능 분석 방법 개발 (TEM: 1.2MeV) 미세신호 증폭 기술 고감도 검출기술 충남대 - 동국대 성균관대 - 이화여대 - 동국대 - 서울시립대 성균관대 창원대 ㈜ 아토 장비 개발-ReRAM용 ALD 양산 장비 개발 소재 개발 세부과제(3 소재팀), 소자/공정/세부과제(1 소자팀), 분석세부과제 (1 분석팀), 로 구성
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Conduction / switching 기구 분석
RRAM 단계별 연구 개발 목표 1 단계 3 2 Initial F Retention W/E cycle 100nm 10년 105 45nm/4K 45nm//4M 85℃ > 105 Oxide용 ALD 공정/장비 개발 45nm 급 Mbit급Module 개발 4Gb ReRAM 고집적 공정원천기술확보 단위공정개발: Litho, Etch, high-k, Junction 나노스케일 물성/재료분석 상온 Binary Oxide, GST 공정 금속 도핑된 perovskite 신물질 탐색, 나노 분석 Ag doped GeSe, Epi Oxide Metal doped Binary oxide/ PCMO/CMR계 박막 공정 개발 Conduction / switching 기구 분석 4Gb급 cell 집적 공정개발 및 cell 특성확보 동작원리 규명 ReRAM소재특성 정립 및 기본소자구조개발 4Gb급 ReRAM용 소재/ 소자/공정요소기술개발 소자spec. 확보 4Gb급 ReRAM용 핵심 소재 원천기술 개발 45nm급 소자/4-kbit cell array 집적공정 100nm급 1T/1R 단위 소자 개발 / 특성 확보
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SEMATECH SEMATECH is the world's catalyst for accelerating the commercialization of technology innovations into manufacturing solutions. By setting global direction, creating opportunities for flexible collaboration, and conducting strategic R&D, SEMATECH delivers significant return on investment to our semiconductor and emerging technology partners.
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What we do…. SEMATECH At SEMATECH, we work with our members and partners to reduce the time from innovation to manufacturing. Our role is to address critical challenges in advanced technology and manufacturing effectiveness, and to find ways to speed development, reduce costs, share risks, and increase productivity.
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SEMATECH Full SEMATECH membership –
SEMATECH's Advanced Technology divisions conduct state-of-the-art research on the technical challenges and costs associated with developing new materials, processes, and equipment for semiconductor manufacturing including immersion and EUV patterning and resists, low k-effective materials , and high-k materials and next-generation transistors. Full SEMATECH members are also ISMI members, and have access to AMRC programs and results.
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SEMATECH Member AMRC - The AMRC is a cooperative research effort involving the state of Texas, SEMATECH, and Texas universities to accelerate the commercialization of advanced research into semiconductor and emerging technologies like nanotech, biotech, and advanced energy applications.
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바람직한 기술혁신 방향 출연연 대학 산업체 ETRI : 정통부, 산업화 전 단계, PRAM
KIST: 과기부, 기초 원천, PRAM, RRAM, Spintronics Group research 대학 Spintronics, CNT, SET, NFGM, PoRAM, RRAM, PRAM, DRAM 기초 원천, 목적 기초 산업체 삼성, Hynix, 동부 아남 산업화 가능 고집적 NVM 주력 생산성, 수율, Marketing
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결 언 차세대 반도체 기술 혁신 DRAM NVM 산업체 : 기획, 기초 원천 문제 제시
출연연 : Group Research로 해결, 대형 과제 주관, 새로운 소자 제안 대학 : 기초 원천, 장기 연구, 고급 인력 양성, 개별 과제 수행 DRAM 고집적화, 생산성 새로운 물질, 공정 개발 NVM 고집적, 낮은 소모 전력, P/E 속도 향상 가능성 확인, 구현….
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THE END
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